DE3732986C2

DE3732986C2 - Group antenna with patch radiating elements

Info

Publication number: DE3732986C2
Application number: DE19873732986
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Solbach
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2007-10-01
Also published as: DE3732986A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit Patch-Strahlerelementen.The invention relates to a group antenna Patch radiator elements.

Bei Gruppenantennen der Radar- und Kommunikationstechnik werden auf Grund einiger vorteilhafter Eigenschaften, vor allem hinsichtlich Volumen, Gewicht und Herstellungskosten zunehmend Patch-Strahlerelemente als Einzelstrahler benutzt. Diese Strahlerelemente, die gelegentlich auch als Micro strip- oder Streifenleitungs-Strahler bezeichnet werden, bestehen jeweils aus einer metallischen Strahlerfläche, die nach Art einer Streifenleitung auf einer größeren, auf der Rückseite mit einer metallischen Grundfläche versehenen dielektrischen Substratfläche aufgebracht ist. Die Vielzahl der Einzelstrahler einer Gruppenantenne sind voneinander getrennt i. a. regelmäßig auf der Substratfläche verteilt. Steuer- und Speiseleitungen zu den Strahlerflächen sind isoliert durch die Grundfläche, die häufig durch eine metallische Trägerplatte gebildet ist, und das Substrat hindurchgeführt.With group antennas of radar and communication technology are based on some advantageous properties all in terms of volume, weight and manufacturing costs Patch radiator elements are increasingly used as single radiators. These emitter elements, which are sometimes called Micro strip or stripline emitters are designated, each consist of a metallic emitter surface that like a stripline on a larger one, on the Back with a metallic base dielectric substrate surface is applied. The multitude the single radiators of a group antenna are from each other separated i. a. regularly distributed on the substrate surface. Control and feed lines to the radiator surfaces are isolated by the footprint, often by a metallic carrier plate is formed, and the substrate passed through.

Als Nachteil solcher Antennen ist deren geringe Bandbreite bekannt. Neben anderen Faktoren ist die nutzbare Bandbreite der Strahlerelemente annähernd proportional der Höhe des dielektrischen Substrats. Einer Erhöhung der Bandbreite durch Steigerung der Substrathöhe sind aber Grenzen gesetzt in erster Linie durch die Anregung von Oberflächenwellen auf der Substratplatte. Der relative Leistungsanteil der auf der Substratplatte angeregten Oberflächenwellen steigt nämlich in weiten Bereichen ebenfalls nahezu proportional zur Höhe des Substrats. Bei Gruppenantennen mit fest eingestellter Strahlungsrichtung führt die Anregung von Oberflächenwellen hauptsächlich zu störenden Veränderungen des Strahlungs diagramms (Verkopplung durch Oberflächenwellen und Ab strahlung von Oberflächenwellen an Strahlerelementen und Antennenrand). Bei Gruppenantennen mit durch Phasensteuerung der Einzelstrahler variabler Strahlungsrichtung führen die angeregten Oberflächenwellen darüber hinaus zu Resonanz effekten in der Abstrahlungscharakteristik der Antenne bei bestimmten eingestellten Strahlungsrichtungen ("Blindness"). The disadvantage of such antennas is their low bandwidth known. Among other factors is the usable bandwidth of the radiator elements is approximately proportional to the height of the dielectric substrate. An increase in bandwidth however, there are limits to increasing the substrate height primarily due to the excitation of surface waves the substrate plate. The relative share of performance on the Surface plate excited surface waves namely increases in large areas also almost proportional to the height of the substrate. For group antennas with a fixed one Radiation direction leads to the excitation of surface waves mainly disturbing changes in radiation diagrams (coupling by surface waves and Ab radiation of surface waves on radiator elements and Edge of the antenna). For group antennas with phase control the single radiator with variable radiation direction lead the excited surface waves also resonate effects in the radiation characteristics of the antenna certain set radiation directions ("blindness").

Aus der GB 20 46 530 A ist weiterhin eine Microstrip-Antennenstruk tur bekannt. Diese besteht aus einem Substrat, beispielsweise Kera mik, mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten. Die Unter seite des Substrates ist vollständig metallisiert. Auf der Obersei te befindet sich zumindest eine als Streifenleiter ausgebildete Zu leitung für ein Strahlerelement. Dieses besteht aus einem einseitig metallisierten dielektrischen Material, das eine wesentlich niedri gere Dielektrizitätskonstante als das Substrat besitzt. Die Strahlerfläche dieses Strahlenelements ist somit auf eine Erhöhung aus einem dielektrischen Material angeordnet. Das Strah lerelement ist mit seiner nicht metallisierten Seite auf der Zulei tung befestigt, beispielsweise durch Kleben.From GB 20 46 530 A is still a microstrip antenna structure known. This consists of a substrate, for example Kera mic, with a relatively high dielectric constant. The sub side of the substrate is completely metallized. On the top te is at least one Zu formed as a stripline line for a radiator element. This consists of a one-sided metallized dielectric material that has a substantially low dielectric constant than the substrate. The radiator surface of this radiating element is thus open an elevation made of a dielectric material. The beam ler element is with its non-metallized side on the Zulei device attached, for example by gluing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gruppenantenne mit Patch-Strahlerelementen anzugeben, die eine gegenüber bekannten derartigen Antennen größere Nutzband breite ermöglicht, ohne daß Verschlechterungen der Strahlungseigenschaften in Kauf genommen werden müssen.The invention has for its object to provide a group antenna Patch radiator elements specify which one larger useful band compared to known antennas of this type width allows without deterioration of the Radiation properties have to be accepted.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The invention is described in claim 1. The Subclaims contain advantageous embodiments of the Invention.

Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Gruppenantenne führt dazu, daß die Ausbreitung von Oberflächenwellen praktisch vollständig unterdrückt wird, ohne daß die Felder und damit die Impedanz der Einzelstrahlerelemente nennenswert ver ändert werden. Die eingespeiste Leistung wird nur als elektromagnetische Welle am Ort des jeweiligen Strahler elements abgestrahlt und nicht in fortschreitende Ober flächenwellen umgesetzt. Der Nutzen der Nuten ergibt sich daraus in offensichtlicher Weise dazu, daß nunmehr erheblich dickere Substrate mit entsprechend größerer Bandbreite der Strahler eingesetzt werden können, ohne daß sich die Strahlungseigenschaften einer Antenne im Vergleich zu her kömmlicher Ausführung verschlechtern.The formation of a group antenna leads to the invention cause the propagation of surface waves to be practical is completely suppressed without the fields and thus the impedance of the single radiator elements is significant be changed. The input power is only as electromagnetic wave at the location of the respective emitter elements emitted and not in progressive waiters surface waves implemented. The benefits of the grooves result from this in an obvious way that now considerably thicker substrates with a correspondingly wider range of Spotlights can be used without the Radiation properties of an antenna compared to ago deteriorate conventional execution.

Die Tiefe der Nuten reicht vorzugsweise nicht vollständig bis zur metallischen Grundfläche, sondern es wird in den Nuten eine Restdicke des Substrats belassen, die als Ober flächenbeschichtung (Korrosionsschutz) wirkt, ohne die Wirkung der Oberflächenwellen-Unterdrückung zu beein trächtigen. Die Unterdrückung von Oberflächenwellen ist umso wirkungsvoller, je tiefer und breiter die Nuten sind. Die Nutenbreite ist durch die Forderung nach möglichst geringer Störung der Felder der einzelnen Strahlerelemente begrenzt. Vorzugsweise ist daher die Breite der Nuten so gewählt, daß der Minimalabstand der Berandung der Strahlerflächen von den Rändern der Nuten ungefähr gleich der Substrathöhe am Ort der Strahlerelemente ist. The depth of the grooves is preferably not sufficient to the metallic base, but it is in the Grooves leave a residual thickness of the substrate, the upper surface coating (corrosion protection) works without the Effect of surface wave suppression pregnant. The suppression of surface waves is all the more the deeper and wider the grooves are, the more effective. The The width of the groove is as small as possible Interference with the fields of the individual radiator elements is limited. The width of the grooves is therefore preferably selected such that the minimum distance of the edges of the radiator surfaces from the The edges of the grooves are approximately equal to the substrate height at the location the radiator elements.

Ein weiterer günstiger Effekt der erfindungsgemäßen Aus bildung der Gruppenantenne ist in der Verringerung von Materialspannungen- oder krümmungen zu sehen. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von als Grundfläche dienender metallischer Trägerplatte und dielektrischem Substrat können bei Temperaturschwankungen oder bereits bei der Herstellung (Verkleben von Substrat und Trägerplatte bei deutlich über der Betriebstemperatur liegender Klebetemperatur) erhebliche mechanische Spannungen auftreten, die aber bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Gruppenantenne weitgehend abgebaut werden.Another beneficial effect of the invention Formation of the group antenna is in the reduction of To see material tensions or curvatures. Through the different coefficients of thermal expansion of than Base area serving metallic support plate and dielectric substrate can with temperature fluctuations or already during production (bonding of substrate and Carrier plate at significantly above the operating temperature lying adhesive temperature) considerable mechanical stresses occur, but in the structure of the invention Group antenna are largely dismantled.

Die Abbildung zeigt eine Aufsicht (A) auf und einen Quer schnitt (B) durch eine solche Gruppenantenne. Die Einzel strahlerelemente 1 der Gruppenantenne sind voneinander getrennt in Zeilen und Spalten in der Antennenfläche als metallische Kreisflächen auf einem dielektrischem Substrat 2 äquidistant angeordnet. Auf der den Strahlerflächen ab gewandten Seite des Substrats befindet sich eine durch gehende Metallplatte 3 als Grundfläche für die Patch-Strahlerelemente. Die Speise- oder Steuerleitungen 4 zu den Strahlerflächen sind isoliert durch die Grundplatte und das Substrat hindurchgeführt. Im Bereich der Strahlerelemente weist das Substrat eine Höhe h auf. Zwischen den getrennten Einzelstrahlern verlaufen im Substrat in Zeilen- und Spaltenrichtung Nuten 5, in deren Bereich das Substrat nurmehr eine Restdicke h′ aufweist.The figure shows a top view (A) and a cross section (B) through such a group antenna. The individual antenna elements 1 of the group antenna are arranged separately from one another in rows and columns in the antenna area as metallic circular areas on a dielectric substrate 2 . On the side of the substrate facing away from the emitter areas there is a continuous metal plate 3 as the base area for the patch emitter elements. The feed or control lines 4 to the radiator surfaces are passed through the base plate and the substrate in an insulated manner. The substrate has a height h in the region of the emitter elements. Between the separate individual radiators, grooves 5 run in the substrate in the row and column direction, in the area of which the substrate has only a residual thickness h '.

Die Herstellung der skizzierten Antenne kann ausgehend von einer ebenen Antennenplatte leicht mittels üblicher Fräs werkzeuge durchgeführt werden und stellt im Vergleich zu den übrigen Arbeitsgängen für die Herstellung der Antenne keinen wesentlichen Mehraufwand dar.The production of the sketched antenna can start from a flat antenna plate easily using conventional milling tools are performed and compared to the other operations for the manufacture of the antenna none represents significant additional effort.

Claims

1. Group antenna with a variety of patch radiator elements, being

the patch radiator elements are arranged as separate metallic radiator surfaces on one side of a dielectric substrate,
the radiator surfaces are arranged on elevations made of a dielectric material,
a continuous metallic base surface is present on the side of the substrate facing away from the emitter surfaces and
each radiator surface has a control or feed line which is passed through the base surface and the substrate in an electrically insulated manner,

dadurch gekennzeichnet,characterized,

- That the height (h) of the substrate ( 2 ) is selected depending on the desired electrical bandwidth of the antenna ne,
- That to suppress surface waves, the strah lerflächen ( 1 ) are separated by between them in the substrate ( 2 ) grooves ( 5 ), whereby the elevations are formed and
- That the minimum distance between the edges of the radiator surfaces ( 1 ) from the edges of the grooves ( 5 ) is approximately equal to the height (h) of the substrate.

2. Group antenna according to claim 1, characterized in that the grooves ( 5 ) do not extend completely to the base ( 3 ), so that the substrate ( 2 ) in the region of the grooves ( 5 ) has a residual height (h '), which is dependent selected from a corrosion protection required for the substrate ( 2 ).