DE3738513C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zwei Mikrostreifenleiterantennenanordnungen, die insbesondere für Luft- und Raumfahrtanwendungen vorgesehen sind.

Mikrostreifenleiterantennenanordnungen besitzen vorteilhafte Eigenschaften - wie flacher Aufbau, kostengünstige und genaue Herstellung der Strahlergeometrie mit lithografischen Verfahren, mögliche Realisierung des Speisennetzwerkes für Gruppenantennen auf dem gleichen Substrat-, die diese Antennenform für 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 vergrößerten Gewichts. Der Anteil der in Oberflächenwellen geführten Leistung wird mit zunehmender Dicke des Substratmaterials größer, was wiederum den Wirkungsgrad verringert und das Strahlungsdiagramm verschlechtert.

Wird ein dickes Substrat geringer Dichte oder ein mehrschichtiges, dickes Substrat unter Verwendung von Luft bzw. Vakuum oder einem Material geringer Dichte, wie z. B. Schaum oder Wabenmaterial, benutzt, so wird der Oberflächenwellenanteil 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 Grundplatte erfordert insbesondere bei zusammengesetztem Substrat unter Verwendung von Luft beziehungsweise Vakuum eine Stützkonstruktion. Für aktive Antennen, insbesondere für Raumfahrtantennen, wird zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit von den auf der Grundplatte angeordneten Sende- /Empfangsmoduln zur Antennenvorderseite benötigt. Diese ist bei Substraten geringer Dichte nicht gegeben, insbesondere dann nicht, wenn das Substrat einen Vakuumbereich enthält.

Aus der GB 20 46 530 A ist eine Mikrostreifenleiterantennenanordnung bekannt mit

• - einer elektrisch leitfähigen Grundplatte,
• - einem elektrisch isolierenden Substrat aus Kunststoff,
• - einer Gruppe von Strahlerelementen aus Kupfer
• - und Speiseleitungen,

wobei die Strahlerelemente auf Erhebungen aus dielektrischem Material angeordnet sind, deren Lateralabmessungen etwas größer sind als die Strahlerelemente.

Diese Vorrichtung bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1. Zur Erreichung einer hohen mechanischen Stabilität bei geringem Gewicht und zur Eignung für den Betrieb unter Weltraumbedingungen sind keine Angaben gemacht.

Aus der DE-OS 28 16 362 ist eine Mikrostreifenleiterantennenanordnung bekannt mit

• - einer elektrisch leitenden Grundplatte,
• - einem elektrisch isolierenden Substrat,
• - einer Gruppe von Strahlerelementen
• - und Speiseleitungen,

wobei die Grundplatte im Bereich unterhalb der auf der Oberseite des Substrats angebrachten Strahlerelemente Vertiefungen aufweist, deren Lateralabmessungen etwas größer sind als die der Strahlerelemente.

Durch diese Vertiefungen werden zur Erzielung von Resonanzeffekten eine Vielzahl kleiner Hohlraumresonatoren gebildet. Diese Vorrichtung bildet den Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 2.

Der Problemkreis: Wirkungsgrad - Gewicht - Wärmeableitung - Eignung für Weltraumanwendungen ist nicht angesprochen.

Aufgabe der Erfindung ist es - ausgehend von den gattungsgemäßen Anordnungen - diese so weiterzubilden, daß die Antennenanordnungen für Raumfahrtanwendungen geeignet sind und dabei Stabilität, geringes Gewicht und Beständigkeit gegen atomaren Sauerstoff gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von den Vorrichtungen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen haben einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Bandbreite sowie eine hohe Toleranzunempfindlichkeit.

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 Antennenfläche ist gegeben, da die Antenne - außer unter den Strahlerelementen - sehr dünn ausgelegt sein kann.

Wichtig ist der größere Abstand zwischen Strahler und Grundplatte gegenüber der Substratdicke nur im Bereich unterhalb der Strahler. Diese Abstandsvergrößerung kann durch Verformen der Grundplatte (Wannenstruktur) oder des Substrats (Mesa-Struktur) erreicht werden. Der entstehende Zwischenraum zwischen Substrat und Grundplatte ist mit einem Schaummaterial zur mechanischen Versteifung gefüllt.

Die Erfindung erlaubt es, die gegenläufigen Forderungen für hohen Wirkungsgrad und große Bandbreite der Strahlerelemente 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 Substratdicke bei mittlerer bis hoher Dielektrizitätszahl - auf einem Substrat zu vereinigen. Gleichzeitig bleibt das Gewicht 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 Anpassungsleitungen und das Speiseleitungsnetzwerk in einer bevorzugten 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 Herstellung der Strahler (c).

In einer Ausführung ist die Substratoberseite mit Thermalfarbe beschichtet, um die Abstrahlung der Wärme zu verbessern oder die Wärmeaufnahme durch Sonne oder Albedo zu minimieren.

Die Grundplatte besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Dieses Material weist sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.

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 ist es mit Gold beschichtet.

Als Material für das Substrat b eignen sich neben mehrschichtigen Dielektrika verstärkte oder unverstärkte Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste. Diese Werkstoffe haben hinreichend geringe dielektrische Verluste. Beispiele dafür sind alle Werkstoffe, die für die Herstellung von hochwertigen Radomen, sowie von Leiterplatinen für die Mikrowellentechnik 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 thermische Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden. Dieser Werkstoff kann zudem über die Funktion als Dielektrikum hinaus noch tragende Funktionen erfüllen. In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Bauweise realisiert, bei der das Substrat b aus einer 1 mm dicken Platte aus polyethylenfaserverstärktem Polyethylen und die Grundstruktur aus kohlefaserverstärktem 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 glasmikrofaserverstärktem PTFE (unter der Handelsbezeichnung RT/Duroid 5780 erhältlich) bei 350°C zwischen konturierten Metallstempeln tiefgezogen. In einer anderen Ausbildungsform kann die Form des Substrats b oder der Grundstruktur durch mechanische Bearbeitung (z. B. durch Fräsen) hergestellt werden.

Die Beschichtung des Substrats kann mit den Verfahren erfolgen, 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 Mikrostreifenleiterantennenanordnung 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 Verformung 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 Ankopplung der Strahlerelemente kann auch dadurch erfolgen, 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 erhöht wird.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.

Beide Figuren zeigen je einen Ausschnitt aus einer Mikrostreifenleiterantennenanordnung mit den Grundplatten a, dem elektrisch isolierenden Substrat b und den Strahlerelementen c. Gezeichnet sind weiter die Speiseleitungen d und sich verbreiternde Übergangsbereiche e, die die Speiseleitungen d mit den Strahlerelementen c elektrisch verbinden. Die Erhöhungen oder Vertiefungen 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 (4)

1. Mikrostreifenleiterantennenanordnung mit

• - einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (a)
• - einem elektrisch isolierenden Substrat (b) aus Kunststoff
• - einer Gruppe von Strahlerelementen (c) aus Kupfer
• - und Speiseleitungen (d),

wobei die Strahlerelemente (c) auf Erhebungen aus dielektrischem Material angeordnet sind, deren Lateralabmessungen etwas größer sind als die der Strahlerelemente (c), dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen vom isolierenden Substrat (b) im Bereich der Strahlerelemente (c) ausgeformt sind,
daß die elektrisch leitfähige Grundplatte (a) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht,
daß der Raum zwischen Substrat (b) und Grundplatte (a) in den Erhebungen mit einem Schaummaterial gefüllt ist
und daß die Strahlerelemente (c) mit Gold beschichtet sind.

2. Mikrostreifenleiterantennenanordnung mit

• - einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (a)
• - einem elektrisch isolierenden Substrat (b)
• - einer Gruppe von Strahlerelementen (c)
• - und Speiseleitungen (d),

wobei die Grundplatte (a) im Bereich unterhalb der auf der Oberseite des Substrats (b) angebrachten Strahlerelemente (c) Vertiefungen aufweist, deren Lateralabmessungen etwas größer sind als die der Strahlerelemente (c), dadurch gekennzeichnet,
daß die Vertiefungen von der Grundplatte (a) im Bereich der Strahlerelemente (c) ausgeformt sind,
daß die elektrisch leitfähige Grundplatte (a) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht,
daß der Raum zwischen Substrat (b) und Grundplatte (a) in den Vertiefungen mit einem Schaummaterial gefüllt ist und
daß die Strahlerelemente (c) aus Kupfer bestehen und mit Gold beschichtet sind.