DE3738513A1 - Mikrostreifenleiterantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrostreifenleiterantenne (Mikrostripantenne), die insbesondere für Luft- und Raum­ fahrtanwendungen vorgesehen ist.

Mikrostreifenleitungsantennen besitzen vorteilhafte Eigen­ schaften - wie flacher Aufbau, kostengünstige und genaue Herstellung der Strahlergeometrie mit lithografischen Verfahren, mögliche Realisierung des Speisenetzwerkes für Gruppenantennen auf dem gleichen Substrat -, die diese Antennenform für Gruppenantennen und insbesondere für aktive Gruppenantennen attraktiv erscheinen lassen. Andererseits wirkt sich der in der konventionellen Bauform geringe Abstand zwischen Strahler und leitender Grundplatte nachteilig auf den Strahlerwirkungsgrad und die zulässigen Abmessungs- und Stoffkonstantentoleranzen aus.

Eine Vergrösserung des Abstandes durch Verwendung eines dickeren Substratmaterials hat den Nachteil eines vergrös­ serten Gewichts. Der Anteil der in Obeflächenwellen geführ­ ten Leistung wird mit zunehmender Dicke des Substratmate­ rials grösser, was wiederum den Wirkungsgrad verringert und das Strahlungsdiagramm verschlechtert.

Wird ein dickes Substrat geringer Dichte oder ein mehr­ schichtiges, dickes Substrat unter Verwendung von Luft bzw. Vakuum oder einem Material geringer Dichte, wie z.B. Schaum oder Wabenmaterial, benutzt, so wird der Oberflächenwellen­ anteil geringer. Gleichzeitig tritt jedoch eine verstärkte unerwünschte Abstrahlung durch die Speiseleitungen auf. Die Einspeisung der elektrischen Leistung ist durch den grossen Abstand zwischen Strahlerebene und Grundplatte problematisch und führt zu weiterer unerwünschter Abstrahlung. Die genaue Einhaltung des Abstandes zwischen Strahlerebene und Grund­ platte erfordert insbesondere bei zusammengesetztem Substrat unter Verwendung von Luft beziehungsweise Vakuum eine Stütz­ konstruktion. Für aktive Antennen, insbesondere für Raum­ fahrtantennen, wird zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit von den auf der Grundplatte angeordneten Sende-/Empfangsmodulen zur Antennenvorderseite benötigt. Diese ist bei Substraten geringer Dichte nicht gegeben, insbesondere dann nicht, wenn das Substrat einen Vakuumbereich enthält.

Aus der DE-OS 28 16 362 ist eine Mikrostreifenleiterantenne bekannt, die zur Erzielung von Resonanzeffekten aus einer Vielzahl kleiner Hohlraumresonatoren besteht. Die Hohlräume sind dadurch gebildet, dass die Strahler einen gewissen Ab­ stand zur Grundplatte haben. Der Problemkreis: Wirkungsgrad - Gewicht - Wärmeableitung ist nicht ange­ sprochen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikrostreifenleiter­ antenne für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad, sehr geringes Gewicht, mechanische Steifigkeit, geringe Streustrahlung (Streifenleiterverluste) und gute Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Antennenfläche vereinigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst von einer Mikro­ streifenleiterantenne mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.

Ausführungen der Erfindung und Herstellungsverfahren sind Gegenstände von abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung vergrössert den Wirkungsgrad und die Band­ breite sowie die Toleranzunempfindlichkeit von Mikrostrei­ fenleitungsstrahlern. Das Speiseleitungssystem bleibt dabei wegen der höheren kapazitiven Kopplung mit der Grundplatte weitgehend abstrahlungsfrei. Die Oberflächenwellenanregung wird nicht verstärkt. Das Gewicht der Antenne bleibt gering. Eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Antennen­ fläche ist gegeben, da die Antenne - außer unter den Strah­ lerelementen - sehr dünn ausgelegt sein kann.

Kern der Erfindung ist der grössere Abstand zwischen Strah­ ler und Grundplatte gegenüber der Substratdicke nur im Be­ reich unterhalb der Strahler. Diese Abstandsvergrösserung kann durch Verformen der Grundplatte (Wannenstruktur) oder des Substrats (Mesa-Struktur) erreicht werden. Der entste­ hende Zwischenraum zwischen Substrat und Grundplatte kann vakuum- oder luftgefüllt bleiben oder mit einem Dielektri­ kum, zum Beispiel einem Schaum- oder einem Wabenmaterial, zur mechanischen Versteifung gefüllt sein.

Die Erfindung erlaubt es, die gegenläufigen Forderungen für hohen Wirkungsgrad und grosse Bandbreite der Strahlerelemen­ te einerseits - nämlich grosser Abstand zwischen Strahler und Grundplatte bei kleiner Dielektrizitätszahl - sowie für Abstrahlungsfreiheit (geringe Streifenleiterverluste) und leichte Ankoppelbarkeit der Speiseleitungen an die Leistungszuführung andererseits - nämlich geringe Substrat­ dicke bei mittlerer bis hoher Dielektrizitätszahl - auf einem Substrat zu vereinigen. Gleichzeitig bleibt das Ge­ wicht gering und eine Wärmeleitung von der Grundplatte zur Strahlerebene ist gewährleistet. Die Antenne ist durch die Erhebungen oder Vertiefungen leicht und doch mechanisch stabil.

Die Anpassung des Wellenwiderstands erfolgt bevorzugt dort, wo der Abstand zwischen der oberseitigen Leitung und der Grundplatte geändert wird (also bei e). Daß die Anpassungs­ leitungen und das Speiseleitungsnetzwerk in einer bevorzug­ ten Ausführung auf der Substratoberseite angeordnet sind, hat den Vorteil, daß die Herstellung in einem Arbeitsgang erfolgen kann. Dadurch, daß keine Übergänge erforderlich sind, können die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Herstellung der Zuleitungen so groß sein, wie bei der Her­ stellung der Strahler (c).

In einer Ausführung ist die Substratoberseite mit Thermal­ farbe beschichtet, um die Abstrahlung der Wärme zu verbes­ sern oder die Wärmeaufnahme durch Sonne oder Albedo zu mini­ mieren.

Hinsichtlich der Werkstoffe für die Grundplatte bestehen im Prinzip keine Einschränkungen, sofern die Oberfläche elek­ trisch gut leitfähig ist oder durch eine (Metall-) Be­ schichtung gut leitfähig gemacht werden kann. Carbonfaser­ verstärkter Kunststoff ist gut geeignet, da dieses Material sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Grundplatte kann auch aus einem Kunststoff (z.B. einem Fluorkohlenwasserstoff wie Teflon) bestehen, der mit einer hochleitenden, widerstandsfähigen und gut haftenden Schicht belegt ist. In Frage kommen z.B. die Metalle Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Palladium (Pd) und Gold (Au).

Wegen seiner guten Haftung, der hohen Leitfähigkeit und der einfachen Verfahren der galvanischen Verstärkung ist Kupfer als Leitschicht besonders gut geeignet. Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit kann es mit Gold beschichtet sein. Die Herstellungsprozesse sind an sich bekannt:

• - Teflon mechanisch und naßchemisch reinigen
• - Teflon im Vakuumplasma sputterätzen
• - Kupfer ca. 300 nm dick aufsputtern
• - Kupfer galvanisch verstärken
• - Gold aufdampfen.

Moderne Kassettensputteranlagen erlauben die Beschichtung großflächiger Substrate (<1 m²). In solchen Anlagen werden beispielsweise bisher Autoscheiben und Fenstergläser mit optischen Schichten besputtert.

Als Material für das Substrat b eignen sich neben mehr­ schichtigen Dielektrika verstärkte oder unverstärkte Kunst­ stoffe, insbesondere Thermoplaste. Diese Werkstoffe haben hinreichend geringe dielektrische Verluste. Beispiele dafür sind alle Werkstoffe, die für die Herstellung von hochwerti­ gen Radomen, sowie von Leiterplatinen für die Mikrowellen­ technik eingesetzt werden. Aus elektrischer Sicht besonders geeignet sind verstärkte und unverstärkte Werkstoffe auf der Basis von Fluorkohlenstoffen wie PTFE, FEP oder PFA, sowie auf der Basis von Polyethylen. Ein besonders geeigneter Werkstoff für das Substrat ist polyethylenfaserverstärktes Polyethylen. Bei diesem Werkstoff können sehr geringe ther­ mische Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden. Dieser Werkstoff kann zudem über die Funktion als Dielektrikum hinaus noch tragende Funktionen erfüllen. In einem Ausfüh­ rungsbeispiel wurde eine Bauweise realisiert, bei der das Substrat b aus einer 1 mm dicken Platte aus polyethylen­ faserverstärktem Polyethylen und die Grundstruktur aus carbonfaserverstärktem Epoxidharz besteht.

Die Herstellung der Erhebungen oder Vertiefungen kann durch thermomechanisches Umformen von Platten erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wird eine 1,5 mm dicke Platte aus glas­ mikrofaserverstärktem PTFE (unter der Handelsbezeichnung RT/Duroid 5780 erhältlich) bei 350°C zwischen konturierten Metallstempeln tiefgezogen. In einer anderen Ausbildungs­ form kann die Form des Substrats b oder der Grundstruktur durch mechanische Bearbeitung (z.B. durch Fräsen) herge­ stellt werden.

Die Beschichtung des Substrats kann mit den Verfahren er­ folgen, die weiter oben zur Beschichtung der Grundplatte genannt waren. Die Strukturierung der Metallschichten kann durch Ätzverfahren oder Lift-off-Verfahren erfolgen. Als Ätzresist oder Lift-off-Schicht können photoempfindliche Lacke und Folien eingesetzt werden, aber auch (mechanisch) strukturierte Polymer- und Metallfolien.

Geeignet ist folgendes Verfahren:

• - Eine lichtempfindliche Folie wird auf ein Teflon- Substrat der Mikrostripantenne aufgewalzt.
• - Metallbeschichtung wieder wie weiter oben beschrieben oder durch Aufdampfen oder Aufsputtern.
• - Nach dem letzten Beschichtungsschritt wird die Folie mitsamt der unerwünschten Beschichtung abgezogen (Negativverfahren).

Die optisch strukturierten Folien können vor oder nach Ver­ formung des Teflon-Substrats aufgebracht werden. Es kann auch auf eine Tauchbadlackierung mit Photolack übergegangen werden, wobei der Tauchlack zum Lift-off der freibleibenden Flächen in Azeton abgelöst wird. Die Ankoppelung der Strahlerelemente kann auch dadurch er­ folgen, daß die Zuleitung nicht auf dem Substrat, sondern jeweils im Substrat bis unter das jeweilige Strahlerelement geführt ist und die relative Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials zwischen Zuleitung und Strahler lokal er­ höht wird.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.

Beide Figuren zeigen je einen Ausschnitt aus einer Gruppen­ antenne mit den Grundplatten a, dem elektrisch isolierenden Substrat b und den Strahlerelementen c. Gezeichnet sind weiter die Speiseleitungen d und sich verbreiternde Über­ gangsbereiche e, die die Speiseleitungen d mit den Strahler­ elementen c elektrisch verbinden. Die Erhöhungen oder Ver­ tiefungen können beispielsweise zwischen 0,5 und 10 mm hoch (tief) sein.

Fig. 1 zeigt die Ausführung mit mesa-förmiger Erhöhung des Substrats b.

Fig. 2 zeigt die Ausführung mit wannenförmiger Vertiefung der Grundplatte a.

Claims (11)

1. Mikrostreifenleiterantenne (Gruppenantenne) mit

• - einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (a)
• - einem elektrisch isolierenden Substrat (b)
• - einer Gruppe von Strahlerelementen (c)
• - und Speiseleitungen (d) dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Substrat (b) im Bereich der Strahler­ elemente (c) Erhebungen aufweist, bevorzugt solche, deren Lateralabmessungen etwas grösser sind als die der Strahlerelemente (c).

2. Mikrostreifenleiterantenne (Gruppenantenne) mit

• - einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (a)
• - einem elektrisch isolierenden Substrat (b)
• - einer Gruppe von Strahlerelementen (c)
• - und Speiseleitungen (d) dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (a) im Bereich unterhalb der auf der Oberseite des Substrats (b) angebrachten Strahler­ elemente (c) Vertiefungen aufweist, bevorzugt solche, deren Lateralabmessungen etwas grösser sind als die der Strahlerelemente (c).

3. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen sich verbreiternden Übergangs­ bereich (e) von der Speiseleitung (d) zum Strahler­ element (c).

4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Erhebung oder die Vertiefung gebildete Raum Luft, Vakuum, ein Dielektrikum gleich dem des Substrats (b), ein Dielektrikum ungleich dem des Substrats (b), ein Schaummaterial oder ein Wabenmaterial enthält.

5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Anpassung dienenden Über­ gangsbereiche (e) auf der Substratoberseite angeordnet sind.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speiseleitungsnetzwerk auf der Substratoberseite angeordnet ist.

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberseite mit Thermal­ beschichtung, zum Beispiel einer Schicht mit definiertem solaren Absorptionsgrad und definiertem Wärme-(IR-) Emissionsgrad zur Einstellung der Oberflächentemperatur, vorgesehen ist, wobei der Bereich um die Strahler­ elemente (c) ausgespart sein kann.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (a) aus kohlen­ faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus CFK ver­ stärktem Epoxidharz oder aus einem faserverstärkten Thermoplasten (zum Beispiel einem Fluorkohlenwasser­ stoff), der mit einem Metall beschichtet ist, besteht.

9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (b) ein mehrschichti­ ges Dielektrikum ist oder aus verstärktem oder unver­ stärktem Kunststoff, insbesondere aus glasmikrofaser­ verstärktem Thermoplasten, wie zum Beispiel einem Fluor­ kohlenwasserstoff wie PTFE, FEP, PFA oder Polyethylen oder aus polyethylenfaserverstärktem Polyethylen besteht.

10. Verfahren zur Herstellung der Vertiefungen oder Erhebun­ gen der Antennen nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch Tiefziehen oder Fräsen.

11. Verfahren zur Herstellung der Strahlerelemente (c) und Speiseleitungen (d) der Antennen nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Elemente durch Verfahren der Dünnschichttechnik herge­ stellt beziehungsweise strukturiert werden, zum Beispiel durch chemisches oder physikalisches Beschichten, durch photolithografische Strukturierung, durch Anwendung von Naß- oder Trockenätzverfahren oder Lift-off-Techniken (Abhebetechniken).