DE4313396A1 - Wellenleitersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellenleitersystem mit einer elektrisch leitende Bereiche aufweisenden Substratschicht und wenigstens einer auf Massepotential liegenden Metall­ schicht.

Wellenleitersysteme dieser Art sind beispielsweise aus der EP-A-0 363 841 bekannt. Auf einer Substratschicht sind elektrisch leitende Bereiche vorgesehen, die als Strahlerelemente eines Antennenarrays bzw. einer Planar­ antenne wirken. Auf darunterliegenden Metallschichten, die durch eine Isolierschicht voneinander beabstandet sind, sind Leiternetzwerke angebracht, über die die Strahlerelemente erregt bzw. angeschlossen werden. Die zusammengeschalteten, als Mikrowellenantennen wirkenden Strahlerelemente sind dabei in einer Ebene angeordnet. Ein derartiges Wellenleitersystem kann nur ein Hochfre­ quenzsignal mit einer Frequenz und einer Polarisations­ richtung empfangen bzw. absenden. Multifrequente Hochfre­ quenzsignale oder Hochfrequenzsignale mit orthogonalen Polarisationen können, jeweils voneinander getrennt und entkoppelt, mit der bekannten Anordnungen nicht empfangen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein ein­ faches, planares Wellenleitersystem zu schaffen, das bei Verwendung als Antennenarray den Empfang bzw. die Aussen­ dung von multifrequenten und/oder unterschiedlich polari­ sierten Hochfrequenzsignalen bei guter Entkopplung der­ selben ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß wenigstens eine dielektrische Schicht und wei­ tere durch sie getrennte elektrisch leitende Bereiche vorgesehen sind. Durch die erfindungsgemäßen Merkmale, durch eine dielektrische Schicht voneinander getrennte elektrisch leitende Bereiche oder metallische Strukturen vorzusehen, ist es möglich, mit einem einzigen Wellenlei­ tersystem unterschiedliche Signale, beispielsweise ortho­ gonal polarisierte und/oder multifrequente Signale über das Wellenleitersystem zu empfangen bzw. auszusenden. Da­ durch lassen sich wenigstens zwei separate Wellenleiter­ systeme in einem System zusammenfassen, so daß eine er­ hebliche Volumen-, Gewichts- und Materialeinsparung mög­ lich ist, und das Wellenleitersystem, beispielsweise in Form einer Planarantenne, auf sehr einfache, kostengün­ stige Weise gefertigt werden kann. Bei einer Vervielfäl­ tigung der Übertragungskapazität bleibt die Apertur und Struktur des Wellenleitersystems im wesentlichen unverän­ dert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind auf beiden Seiten wenigstens einer Substratschicht elektrisch leitende Bereiche oder Strukturen aufgebracht. Dies stellt im wesentlichen die einfachste Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Wellenleitersystems dar. Eine derartige Ausführungsform ist beispielsweise durch eine zweifach metallisierte Folie oder ein PE-Substrat mit Me­ tallisierung auf beiden Seiten sehr kostengünstig her zu­ stellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei elektrisch leitende Bereiche aufweisende Substratschichten vorgesehen. Die einzelnen metallischen Strukturen sind dabei auf unterschiedliche Substrat­ schichten aufgebracht, wobei die Substratschichten die dielektrische Schicht, die die elektrischen Strukturen voneinander trennen, bilden. Die dielektrischen Schich­ ten, die als Substratschichten ausgebildet werden können, weisen dabei gleiche oder unterschiedliche Dicke auf. Die elektrisch leitenden Bereiche können auf den Substrat­ schichten entweder aufgebracht oder in ihnen integriert bzw. eingebettet sein. Das auf diese Weise gefertigte Multilayer-System ist denkbar einfach und ermöglicht die zuverlässige Trennung von Signalen zweier Polarisations­ ebenen oder unterschiedlicher Frequenzen auf dem Weg von dem aktiven Teil des Sendesystems zum Wellenleitersystem bzw. zur Antenne bzw. vom Wellenleitersystem bzw. der An­ tenne zum aktiven Teil des Empfangssystems, jeweils unter Verwendung nur eines einzigen Wellenleitersystems. Dies ist insbesondere dadurch erreichbar, daß Kreuzungen von Leitungen ohne direkte elektrische Verbindungen möglich sind. Unvermeidbare elektromagnetische Überkopplungen sind daher wesentlich schwächer bzw. können erheblich besser unterdrückt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die elektrisch leitenden Bereiche Strah­ lerelemente. Die Strahlerelemente sind beispielsweise ab­ strahlende oder empfangende Resonatoren bzw. Streifen­ leiterantennen. Dabei können die Strahlerelemente in vielfältiger Form, unter anderem auch als in unterschiedlichen Ebenen angeordnete metallische Struktu­ ren, ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die elektrisch leitenden Bereiche An­ schlußleitungen etwa in Form von Streifenleiternetzwer­ ken, die eine Vernetzung der Strahlerelemente bzw. Ele­ mentarantennen in einem einzigen Wellenleitersystem er­ möglichen, so daß auch monofrequente Hochfrequenzsignale bei guter Entkopplung im Falle der Verwendung von Anten­ nen als Empfangsantennen bis zum aktiven Teil des Emp­ fangssystems geführt werden können. In dem speziellen Falle, etwa wenn das Wellenleitersystem als Satel­ litenempfangsantenne verwendet wird, können auf diese Weise horizontal und vertikal polarisierte Wellen glei­ cher oder sehr eng benachbarter Frequenzen in ein einzi­ ges Wellenleitersystem eingekoppelt werden.

Wellenleitersysteme bzw. Planarsysteme zur Verwendung als Satellitenempfangsantennen mit gleichzeitigem Empfang ho­ rizontal und vertikal polarisierter Wellen, sowie die Ausführungsformen und Ausbildungen der Strahlerelemente bzw. die Vernetzung von Elementarantennen hierfür, sind in der gleichzeitig angemeldeten DE-OS . . . derselben Anmelderin beschrieben. Um insofern Wiederholungen zu vermeiden, wird hierauf verwiesen.

Vorzugsweise ist zwischen der Substratschicht bzw. den Substratschichten und der Metallschicht bzw. den Metall­ schichten eine dielektrische Schicht vorgesehen. Im Fal­ le, daß wenigstens zwei Substratschichten vorgesehen sind, ist vorzugsweise auch zwischen den Substratschich­ ten eine dielektrische Schicht angeordnet.

Die elektrisch leitenden Bereiche sind auf die Substrat­ schicht bzw. die dielektrische Schicht vorzugsweise auf­ gedampft. Das Multilayer-System kann dabei beispielsweise die Streifenleiterebene einer einzigen Triplateleitung bilden. Vorzugsweise ist das Wellenleitersystem in Mikro­ strip-Technik hergestellt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung erfolgt die elektromagnetische Kopplung zwischen Anschlußleitung und Strahlerelement über Überlappungszo­ nen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß die Ein- bzw. Ausgangsimpedanzen der Strahlerelemente durch Ein­ stellung der Überlappungszonen individuell an die Wellen­ widerstände der Kopplungsleitungen anpaßbar sind. Die Einzelstrahler bzw. die aus den Einzelstrahlern kombi­ nierten Antennen lassen sich auf diese Weise durch wenige kurze Speiseleitungen anregen, und insbesondere können die Strahlerelemente jeweils einzeln mit individuellen Ankoppelfaktoren bezüglich Betrag und/oder Phase an die Anschlußleitungen bzw. ans Netz angepaßt werden. Bei der Verwendung des Wellenleitersystems für die Anregung unab­ hängiger Schwingungsmoden, beispielsweise in orthogonalen Polarisationsebenen, oder bei Anregung des Wellenleiter­ systems mit unterschiedlich frequenten Signalen, ist die Ankoppelstärke bzw. der Koppelfaktor für jede Polarisati­ onsebene und/oder in den unterschiedlichen Frequenzbän­ dern durch die Überlappungszonen einstellbar.

Vorzugsweise erfolgt die Ankopplung der Anschlußleitungen an die Strahlerelemente kapazitiv. Durch die erfindungs­ gemäße Möglichkeit, mehrere Leitnetzwerke in einem Wel­ lenleitersystem zu integrieren, ergeben sich hinsichtlich des Designs der Leitungsnetzwerke große Freiheitsgrade und Anpassungsmöglichkeiten etwa bei der individuellen kapazitiven Ankopplung an ein Strahlerelement für jede Leitungsebene, was ohne die erfindungsgemäße Schichtung nicht möglich ist. Die Ankoppelfaktoren werden dabei durch individuelle Gestaltung der Überlappungszonen ein­ stellbar, wodurch die Eingangsimpedanzen der Strahlerele­ mente an die Wellenwiderstände der Leitungen der jeweili­ gen Netzwerkebene individuell anpaßbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß es durch die Un­ abhängigkeit der Ankoppelfaktoren an mehrfach genutzte, d. h. im Multimodus betriebene Strahlerelemente möglich ist, eine hohe Flexibilität in der Gestaltung planarer oder auch sphärischer Wellenleitersysteme oder Antennen­ arrays zu schaffen. Die Designparameter, die Größe und Form der Überlappungszonen bieten die Möglichkeit zur Op­ timierung der Anpassung von Wellenwiderständen, wobei un­ abhängig Schwingungsmoden etwa beim Betreiben des Wellen­ leitersystems im Polarisation-Diversity- und/oder Fre­ quenzmultiplex-Betrieb an diese individuell abgestimmt werden können.

Das Wellenleitersystem ist vorzugsweise als Parallelplat­ tenhohlleiter ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist das Wellenleitersystem als planares Antennenarray zum Empfang von Satellitensignalen im Mikrowellenbereich einsetzbar.

Die vorliegende Erfindung bietet neben den bereits be­ schriebenen Vorteilen hinsichtlich der Integrierbarkeit und Wirtschaftlichkeit insbesondere eine erheblich besse­ re Ausnützung der Apertur des Wellenleitersystems, wenn es als Planarantenne verwendet wird. Wie bereits erläu­ tert wurde, können mehrmodenfähige Strahlerelemente für unterschiedliche Frequenzbereiche als Antennen verwendet werden. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die Signale nach Frequenzbereichen und/oder Polarisa­ tionsebenen getrennt in Netzwerke einzukoppeln, wobei die Ankoppelfaktoren durch individuelle Gestaltung der Über­ lappungszonen einstellbar sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsge­ mäßen Wellenleitersystems mit drei Substratschichten;

Fig. 2 eine schematische Perspektivdarstellung einer Aus­ führungsform der Erfindung mit einer Substrat­ schicht, die auf beiden Seiten elektrisch leitende Bereiche aufweist;

Fig. 3 ein Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Wellen­ leitersystem mit Überlappungszonen zwischen Strahlerelement und Speiseleitung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Antennenarray- Anordnung mit Strahlerelementen, die zur gleich­ zeitigen Abstrahlung bzw. zum gleichzeitigen Emp­ fang unterschiedlich polarisierter Signale ge­ eignet ist;

Fig. 5 eine Ausführungsform, bei der zwei Substrat­ schichten mit jeweils kaskadenartig angeordneten Strahlern übereinander angeordnet sind, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Leiterebenen und der Ankopplung der jeweiligen Strahlerelemente an die Leitungsebenen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Leitersystems befinden sich zwischen ei­ ner oberen und einer unteren Metallplatte 1 bzw. 2 zwei Substratschichten 3, 4. Auf der Oberseite der Substrat­ schicht 3 befinden sich Strahlerelemente 5 bzw. Teile dieser Strahlerelemente 5. Auf der Unterseite der Sub­ stratschicht 3 und auf beiden Seiten der weiteren Sub­ stratschicht 4 sind Leiterbahnen 6, 7, 8 von Streifen­ leiternetzwerken aufgebracht, die die auf der Oberseite der Substratschicht 3 angeordneten Strahlerelemente 5 in geeigneter Weise überlappen und dadurch Überlappungszonen für die Ankopplung der Strahlerelemente 5 an die Strei­ fenleiternetzwerke bilden. Überlappungszonen können dabei individuell gewählt werden, und machen dadurch die indi­ viduelle Ankopplung bzw. die individuelle Anpassung der Eigenimpedanz der Strahlerelemente 5 an die Wellenwider­ stände der Leitung des jeweiligen Netzwerks möglich.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, die als perspektivische Querschnittsansicht wiedergegeben ist, ist zwischen der oberen und unteren Masseplatte 1 bzw. 2 eine Substratschicht 21 angeordnet, die auf ihrer Ober­ seite ein Strahlerelemente 5, sowie eine Leitung 22 zur Verbindung des Strahlerelements 5 mit einer aktiven Schaltung aufweist. Auf der Unterseite der Substrat­ schicht 21 ist eine weitere Leitung 23 vorgesehen, die einem anderen Streifenleiternetzwerk angehört und eben­ falls mit dem Strahlerelement 5 gekoppelt ist. Über die beiden voneinander getrennten Leitungen 22 bzw. 23 kann das Strahlerelement 5, welches orthogonal polarisierbar und/oder multifrequent erregbar ist, unterschiedliche Si­ gnale an eine aktive Empfängerschaltung abgeben, wenn die Anordnung als Empfangsantenne verwendet wird. Über dem Strahlerelement ist in der oberen Masseplatte 1 ein Fen­ ster 24 vorgesehen, durch das das einfallende Signal auf das Strahlerelement 5 auffällt bzw. das vom Strahler­ element 5 ausgesendete Signal aus dem Wellenleitersystem abgestrahlt wird.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Wellenleitersystems in perspekti­ vischer Wiedergabe befinden sich auf stufenförmig über­ einander angeordneten Substratschichten 31, 32, 33 Strah­ lerelemente 34, 35, 36. Eine Speiseleitung 37 für das Strahlerlement 34 auf der Substratschicht 31 ist auf ih­ rer Unterseite angebracht und bildet in der gewünschten und gewählten Weise eine Überlappungszone 38 mit dem Strahlerelement 34. Die Speiseleitung 37 ist über dielek­ trische Schichten 39 von den Strahlerelementen 35, 36 ge­ trennt, die sie in einer anderen Ebene kreuzt.

In Fig. 4 ist eine schematische Ausführungsform der Er­ findung in Aufsicht dargestellt, bei der quadratrische Strahlerelemente 41 auf einer Substratschicht in einem vorgegebenen, gewünschten Muster ausgebildet sind. Die Strahlerelemente 41 sind an den Seiten derart miteinander verbunden, daß orthogonal polarisierte Wellen ausgekop­ pelt bzw. eingespeist werden. Um hinsichtlich dieser Aus­ führungsform Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die DE-OS . . . mit demselben Anmeldedatum wie die vor­ liegende Anmeldung verwiesen. Die orthogonalen Leitungs­ netzwerke sind dabei gemäß der vorliegenden Erfindung auf unterschiedlichen Ebenen, auf unterschiedlichen Sub­ stratschichten und/oder auf unterschiedlichen Seiten ei­ ner Substratschicht angebracht.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf zwei Substratschichten 51, 52 Strahlerelemente 53, 54 in quadratischer Form, jedoch mit unterschiedlichen Ab­ messungen kaskadenförmig übereinander angeordnet, so daß dadurch eine multifrequente Abstrahlung bzw. ein multi­ frequenter Empfang möglich wird. Einzelheiten einer sol­ chen Anordnung für multifrequenten Betrieb im Zusammen­ hang mit einer Planarantenne sind wiederum im einzelnen in der DE-OS . . . beschrieben, auf die zur Vermei­ dung von Wiederholungen Bezug genommen wird. Die Lei­ tungen 55 und 56, die auf derselben Seite oder auch auf der jeweiligen anderen Seite der Substratschichten 51 bzw. 52 ausgebildet sind, gehören zu Kopplungsnetzwerken der Anordnung.

In Fig. 6 sind drei Ebenen 61, 62, 63 für kaskadierte, übereinander angeordnete Strahlerelemente 64, 65, 66 vor­ gesehen. Die Strahlerelemente 64, 65, 66 sind an Leiter 67, 68, 69 über Überlapplungszonen gekoppelt, so daß eine flexible Wahl der Ankoppelfaktoren möglich ist.

Die vorliegende Erfindung wurde an Hand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Die Wellenleitersysteme sind als einfache Mehrschichtanord­ nungen insbesondere im Zusammenhang mit planaren Anten­ nenarrays einsetzbar, bei denen unabhängige Signale in unterschiedlichen Anregungsmoden der Antennenelemente in unterschiedliche Netzwerkebenen eingespeist werden kön­ nen. Die Ankoppelfaktoren einzelner Moden werden dabei vorzugsweise durch die Lage der Strahlerelemente bzw. Re­ sonatoren relativ zur Ausbreitungsrichtung der Welle be­ stimmt. Unter Planarantenne ist dabei eine Antenne zu verstehen, die flächenhaft ausgebildet ist, jedoch auch eine gewölbte oder zylindrische Oberfläche bilden kann, oder sich auf einer gewölben oder zylindrischen Oberflä­ che befindet.

Claims (20)

1. Wellenleitersystem mit einer elektrisch leitenden Be­ reiche aufweisenden Substratschicht und wenigstens einer auf Massepotential liegenden Metallschicht, gekennzeichnet durch wenigstens eine dielektrische Schicht (3, 4; 21; 31, 32, 33; 51, 52) und weitere durch sie getrennte elektrisch leitende Bereiche (5, 6, 7, 8; 22, 23; 34, 35, 36, 37; 53, 54, 55, 56).

2. Wellenleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf beiden Seiten wenigstens einer Substratschicht (3, 4; 21; 31, 32, 33; 51, 52) elek­ trisch leitende Bereiche (5, 6, 7, 8; 22, 23; 34, 35, 36, 37; 53, 54, 55, 56) aufgebracht sind.

3. Wellenleitersystem nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch wenigstens zwei elektrisch leitende Bereiche (5, 6, 7, 8; 22, 23; 34, 35, 36, 37; 53, 54, 55, 56) aufweisende Substratschichten (3, 4; 21; 31, 32, 33; 51, 52).

4. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche Strahlerelemente (5; 34, 35, 36; 53, 54; 64, 65, 66) sind.

5. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche Anschlußleitungen (6, 7, 8; 22, 23; 37; 55, 56; 67, 68, 69) sind.

6. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche ein Streifenleiternetzwerk bil­ den.

7. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Substratschichten (3, 4; 21; 31, 32, 33; 51, 52) wenigstens ein Strahlerelement (5; 34, 35, 36, 53, 54; 64, 65, 66) und wenigstens eine weitere Sub­ stratschicht Anschlußleitungen (6, 7, 8; 22, 23; 37; 55, 56; 67, 68, 69) für die Strahlerelemente (5; 34, 35, 36, 53, 54; 64, 65, 66) aufweist.

8. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Substratschichten (3, 4; 31, 32, 33; 51, 52) und ei­ ner Metallschicht (1, 2) eine dielektrische Iso­ lierschicht vorgesehen ist.

9. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen we­ nigstens zwei Substratschichten (3, 4; 31, 32, 33; 51, 52) eine dielektrische Isolierschicht vorgesehen ist.

10. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche (5, 6, 7, 8; 22, 23; 34, 35, 36; 53, 54, 55, 56) aufgedampft sind.

11. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche (5, 6, 7, 8; 22, 23; 34, 35, 36; 54, 55, 56) durch einen Ätzvorgang gebildet sind.

12. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche (5, 6, 7, 8; 22, 23; 34, 35, 36; 54, 55, 56) aufgeklebt sind.

13. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenlei­ tersystem in Stripline-Technik ausgebildet ist.

14. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellen­ leitersystem im Mikrostrip-Technik ausgebildet ist.

15. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ tromagnetische Kopplung zwischen Anschlußleitung (37) und Strahlerelement (34) über Überlappungszonen erfolgt (Fig. 2).

16. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- bzw. Ausgangsimpedanzen der Strahlerelemente (5; 34, 35, 36, 53, 54; 64, 65, 66) durch Einstellung der Über­ lappungszone (38) individuell an die Anschlußlei­ tungen (6, 7, 8; 22, 23; 37; 55, 56; 67, 68, 69) an­ paßbar sind.

17. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Anschlußleitungen (6, 7, 8; 22, 23; 37; 55, 56; 67, 68, 69) an die Strahlerelemente (5; 34, 35, 36, 53, 54; 64, 65, 66) kapazitiv erfolgt.

18. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedli­ che Schwingungsmoden der Strahlerelemente (41) durch Anschlußleitungen auf getrennten Substratschichten geführt sind (Fig. 4).

19. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenlei­ tersystem als Parallelplatten-Hohlleiter ausgebildet ist.

20. Wellenleitersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als planare Antennenarrays zum Empfang von Satellitensi­ gnalen im Mikrowellenbereich.