DE60027530T2

DE60027530T2 - Mehrschichtiger planarer reflektor in gedruckter schaltungstechnologie und damit verbundene designmethode

Info

Publication number: DE60027530T2
Application number: DE60027530T
Authority: DE
Inventors: Jose Antonio Ciudad Universitaria ENCINAR GARCINUNO
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: ES2153323A1; EP1120856A1; WO2000076026A1; ES2153323B1; ATE324679T1; EP1120856B1; DE60027530D1

Description

Diese Erfindung betrifft Planarreflektorantennen, als eine Alternative zu Parabolreflektoren oder geformten Reflektoren, die in Radarsystemen, im Erd- und Satelliten-Kommunikationsbereich, sowohl bei Erd- und Flugsegmenten verwendet werden.
Planarreflektoren sind schon länger in Verwendung und auch als „Reflexionsmatrix" bekannt. Eine Reflexionsmatrix besteht aus einer Matrix mit Strahlungselementen (120) auf einer Ebene mit einer bestimmten Ausrichtung, die ermöglicht, dass ein kollimiertes, reflektiertes elektromagnetisches Feld erhalten wird, wenn sie von einem Feed (110) (1) angestrahlt wird, auf ähnliche Weise wie bei einem Parabolreflektor. Dies entspricht dem Erhalt eines reflektierten Feldes mit einer Planarwellenfront, d.h. mit einer progressiven Phasenverteilung auf der Planarfläche. Das Konzept der Reflexionsmatrix ist alt, wie man aus einer Anzahl von Quellen ersehen kann [D. G. Berry, R. G. Malech, W. A. Kennedy, ,The Reflectarray Antenna', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Band AP-11, 1963, S. 646–651] und [M. I. Skolnik, ,Radar Handbook', McGraw Hill, 1970, S. 11.54–11.60]. Die in diesen Quellen beschriebenen Reflexionsmatrizen sind unter Verwendung von Hohlleitern und Strahlungselementen hergestellt, was schwere und wuchtige Reflektoren zum Ergebnis hat. In jüngerer Zeit wurden gedruckte Reflexionsmatrizen verwendet [R. E. Munson, H. A. Haddad, J. W. Hanlen, ,Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction', Patent US4684925 , August 1987], [R. D. Javor, X. D. Wu, K. Chang, ,Design and Performance of to Microstrip Reflectarray Antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Band 43, Nr. 9 Sept. 1995, S. 932–938] und [D. M. Pozar, S. D. Targonski, ,A Microstrip Reflectarray Using Crossed Dipoles', 1998 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., S. 1008–1011], die rechteckige oder kreuzförmige metallische Teilflächen auf einem geerdeten Dielektrikum, genannt Mikrostreifenantennen, als Strahlungselemente verwenden. Eine Matrix von 3 × 3 quadratischen Teilflächen ist in 2 gezeigt.
Mikrostreifenantennen-Matrizen sind wohlbekannt [R. J. Mailloux, J. F. McIlvena, N. P. Kernweis, ,Microstrip Array Technology', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Band 29, Nr. 1 Jan. 1981, S. 25–37], und sie werden als Alternative zu Reflektoren als Hochgewinn-Antennen verwendet. Mikrostreifen-Matrizen bestehen aus einer Gruppe von gedruckten metallischen Teilflächen, die individuell mittels eines komplizierten Speisungsnetzwerks gespeist werden, um die progressive Phasenverteilung auf der Matrixfläche zu erhalten. Diese Matrizen haben Vorteile gegenüber Reflektoren auf Grund ihres geringen Profils, geringen Volumens und Gewichts, geringer Kreuzpolarisation und der leichten Herstellung durch herkömmliche Photoätztechniken. Jedoch ist ihr Frequenzbereich schmal und der Wirkungsgrad der Antennen ist bei Mikrowellenfrequenzen reduziert, auf Grund der Verluste in dem komplexen Speisungsnetzwerk.
Bei der Reflexionsmatrix sind die Nachteile von Mikrostreifenantennen als Ergebnis des Speisungsnetzwerks beseitigt, da die Speisung der von Reflektoren entspricht, d.h. die Bauweise und Herstellungsverfahren sind vereinfacht, Verluste reduziert und der Antennenwirkungsgrad wird verbessert. Im Vergleich zu Reflektoren haben die Reflexionsmatrizen den Vorteil ihres geringen Profils, ihrer geringeren Verzerrung und geringeren Kreuzpolarisationsgrade auf Kosten eines sehr schmalen Frequenzbereichs, wie beschrieben in [J. Huang, ,Bandwidth study of Microstrip Reflectarray and a Novel Phased Reflectarray Concept', 1995 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., S. 582–585].
Die klassische Implementation der Anpassung bei rechteckigen Mikrostreifen-Teilflächen, um eine progressive Phasenverteilung zu erhalten, besteht aus dem Verbinden von Übertragungsleitungsegmenten verschiedener Länge mit den gedruckten Elementen, wie gezeigt im Patent [4684952, ,Microstrip Reflectarry for...']. Bei dieser Konfiguration erhält jede Teilfläche das Signal vom Feed, welches entlang der Übertragungsleitung bis zum Ende, welches entweder ein Kurzschluss oder eine Leiterbahnunterbrechung sein kann, propagiert wird, wo es reflektiert wird, zurück propagiert wird und von der Mikrostreifen-Teilfläche mit einer Phasenverschiebung, welche zur doppelten Leitungslänge proportional ist, abgestrahlt wird. Die gedruckten Leitungssegmente erzeugen dissipative Verluste und störende Strahlung, die eine Reduktion des Antennenwirkungsgrads und eine Steigerung der Kreuzpolarisationsgrade bewirken.
Es wurden auch andere Techniken verwendet, um die Phasenanpassung in jedem Element der Reflexionsmatrix zu erhalten, wie zum Beispiel die Größenvariation der Resonanz-Teilflächen [D. M. Pozar, T. Metzler, ,Analysis of to Reflectarray Antenna Using Microstrip Patches Variable of Size', Electronic Letters, 15. April 1993 Band 29 Nr. 8, S. 657–658], die Verwendung von Phasenverschiebern [J. R. Profera, E. Charles, ,Active Reflectarray Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use', Patent US5280297 , Januar 1994], oder durch die Spannungssteuerung in Dioden, welche mit den Strahlungselementen in Verbindung stehen [F. Gautier, et al., ,Phased Reflector Array and an Antenna Including such an Array', Patent US5148182 , September 1992]. Im Patent [ US5280297 , ,Active Reflectarray Antenna...'] ist eine aktive Reflexionsmatrix beschrieben, bei der die Signalverarbeitung in jedem Element durch die Verwendung von Vorrichtungen wie zum Beispiel Zirkulatoren, Verstärkern und Phasenverschiebern ausgeführt wird. Das Einbeziehen aktiver Vorrichtungen ermöglicht, dass das reflektierte Signal verstärkt wird, jedoch ist das Herstellungsverfahren für den Reflektor bedeutend komplexer. In Patent [ US5148182 , ,Phased Reflector Array...'] ist eine Reflexionsmatrix in der monolithischen integrierten Schaltungstechnik für Anwendungen in Millimeter-Wellenbereichen beschrieben, bei der Varactor-Dioden zusammen mit den Strahlungselementen integriert sind. Die Diodenkapazität wird variiert, um die Anpassung in der Phase des reflektierten Feldes zu erhalten. Diese Technik erfordert sehr komplizierte Produktionsverfahren und ist auf Anwendungen bei sehr hohen Frequenzen und für Reflektoren von geringer Größe beschränkt.
Die Phasenanpassung mittels der Variation der Resonanz-Teilflächen-Länge, wie in 3 gezeigt, kann sehr leicht ausgeführt werden, indem dielektrische Blätter mit gedruckten metallischen Teilflächen verwendet werden. Außerdem werden die Nachteile auf Grund der gedruckten Leitungen, die bei Reflexionsmatrizen mit Leitungssegmenten auftreten, bei dieser Implementation beseitigt.
Das Funktionsprinzip der Reflexionsmatrizen mit gedruckten Elementen von variierbarer Größe basiert auf der Tatsache, dass die Phase der reflektierten Welle mit der Resonanzlänge der Elemente variiert. Eine Mikrostreifen-Teilfläche ist eine Resonanzantenne, so dass ihre Länge ungefähr der Hälfte einer Wellenlänge im Dielektrikum entsprechen sollte. Wird die Teilflächenlänge in einer Matrix identischer rechteckiger Teilflächen auf einer Masseplatte verändert, wie in 2 gezeigt, bleibt das Modul des Reflektionskoeffizienten gleich eins, auf Grund der Masseplatte, aber die Phase der reflektierten Welle ändert sich. Die Gesamtspanne an Phasenvariation, die durch das Variieren der Länge der Teilflächen erreicht werden kann, hängt von der Trennung zwischen den Teilflächen und der Masseplatte ab, d.h. der Dicke des Substrats (210). Bei einer Dicke, die kleiner als ein Zehntel einer Wellenlänge ist, kann eine 330° Spanne erreicht werden, welche genügt, um praktische Entwürfe auszuführen, jedoch verringert sich diese Spanne bei dickeren Substraten. Deswegen verwenden Reflexionsmatrixen, die auf dieser Anpassungstechnik basieren, dünne dielektrische Substrate. Jedoch ist die Phasenvariation gegenüber der Länge extrem nichtlinear und zeigt sehr schnelle Variationen nahe der Resonanz und sehr langsame bei den Extremwerten, wie aus 6 zu ersehen ist. Die schnelle Phasenvariation macht die Phasenverteilung sehr empfindlich gegenüber Herstellungstoleranz-Fehlern. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens ist die Phase gegenüber Variationen bei der Frequenz sehr empfindlich, was den Funktions-Frequenzbereich der Reflexionsmatrix bedeutend reduziert.
Eine wichtige Anwendung von Reflexionsmatrizen ist ihre Verwendung als Doppelpolarisations-Reflektoren für die Frequenzwiederverwendung. Bei einem Nachrichtensatelliten mit Frequenzwiederverwendung werden unabhängige Signale übertragen und über die verschiedenen Kanäle empfangen, mit einer Überlagerung in ihren Frequenzbereichen. Die benachbarten Kanäle werden in orthogonalen Polarisationen übertragen oder empfangen, um die Frequenzwiederverwendung zu ermöglichen. Obwohl die zwei orthogonalen Polarisationen kreisförmig, im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn sein können, werden am häufigsten zwei lineare Polarisationen verwendet, die als vertikal und horizontal gekennzeichnet sind. Die Frequenzwiederverwendung erfordert eine sehr hohe Isolierung zwischen Polarisationen, welche nicht mit parabolischen oder geformten Reflektoren erreicht werden können. Um diese Isolierung zwischen Polarisationen zu erhalten, können zwei übereinander gelagerte Gitterreflektoren mit einem separaten Feed für jede Polarisation verwendet werden. Jeder Gitterreflektor besteht aus parallelen metallischen Streifen auf einer parabolischen oder konformen Fläche, so dass er zu einer der Polarisationen transparent ist und als Reflektor für die orthogonale dient.
Eine Reflexionsmatrix, die als ein Doppelpolarisations-Reflektor für die Frequenzwiederverwendung dient, wurde patentiert [J. R. Profera, E. Charles, ,Reflectarray Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use Applications', Patent US5543809 , August 1996], welche aus zwei Matrizen von orthogonalen Dipolen mit variierbaren Längen besteht. Die Matrix vertikaler Dipole dient als Reflektor für die vertikale Polarisation und die der horizontalen Dipole für die andere Polarisation. Die Erfindung beinhaltet Reflexionsmatrizen sowohl in der gedruckten und nicht gedruckten Technologie und auch die Möglichkeit, Segmente von Übertragungsleitungen einzubeziehen, um eine Phasenanpassung im 360°-Umfang zu erhalten. Jedoch hat diese Reflexionsmatrix, wie alle Reflexionsmatrizen, die auf Strahlungselementen mit variierbarer Größe basieren, den Nachteil einer sehr kleinen Bandbreite und ist für die meisten kommerziellen Anwendungen nicht geeignet.
In Anbetracht der Tatsache, dass die restriktivere Einschränkung sowohl für Mikrostreifen-Matrizen, als auch für Reflexionsmatrizen ihr Betrieb bei schmalem Frequenzbereich ist, wurden mehrschichtige Matrizen verwendet, um den Funktions-Frequenzbereich zu erhöhen, wie gezeigt in [J. T. Aberle, D. M. Pozar, J. Manges, ,Phased Arrays of Probe-Fed Stacked Microstrip Patches', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Band 42, Nr. 7 July. 1994, S. 920–927]. Diese Matrizen bestehen aus zwei oder mehr gestapelten Schichten von Teilflächenmatrizen. Es wurde auch die Anwendung von gestapelten Reflexionsmatrizen vorgeschlagen, bei denen die Phasenanpassung in einer einzigen Dimension für zwei separate Frequenzen ausgeführt wird [J. A. Encinar, „Design of a dual frequency reflectarray using microstrip stacked patches of variable size", Electronics Letters, 6. Juni 1996 Band 32 Nr. 12 S. 1049–1050]. In dieser Quelle werden zwei gestapelte Matrizen verwendet, mit Teilflächen mit sehr unterschiedlicher Größe, die unabhängig für jede Frequenz entworfen sind, derart dass die Bandbreiten-Einschränkungen genauso gehalten werden wie die von einschichtigen Reflexionsmatrizen. Vor dieser Erfindung und nach Wissen des Autors wurden mehrschichtige Reflexionsmatrizen nicht für die Verbesserung der elektrischen Merkmale mit Hinsicht auf einschichtige Reflexionsmatrizen vorgeschlagen.
Für die Analyse von mehrschichtigen Strukturen mit periodischen Metallisierungen wurden verschiedene Techniken, basierend auf numerischen Methoden im Elektromagnetismus vorgeschlagen. Aus diesen allen muss die Quelle [Ch. Wan und J. A. Encinar, ,Efficient Computation of Generalized Scattering Matrix for Analysing Multilayered Periodic Structures', IEEE Trans. Antennas and Propagat., Band 43, Nr. 11, Nov. 1995, S. 1233–1242] erwähnt werden, welche die Momentenmethode verwendet und sehr effizient und flexibel für die Analyse von mehrschichtigen Konfigurationen ist, da die Analyse für jede Schicht separat ausgeführt wird. Diese Techniken wurden in der Analyse und dem Entwurf von frequenzselektiven Flächen und mehrschichtigen Mikrostreifen-Matrizen verwendet, jedoch nicht beim Entwurf von mehrschichtigen Planarreflektoren mit Merkmalen, die denen von parabolischen oder geformten Reflektoren ähnlich sind.
Wie im vorhergehenden Abschnitt bereits erwähnt haben die Planarreflektoren, die auf Leiterplattentechnik basieren, die es bisher gibt, einige Nachteile. Einerseits haben die Reflexionsmatrixen, die Segmente von Mikrostreifenleitung zur Phasenanpassung verwenden einen niedrigeren Wirkungsgrad und einen höheren Grad an Kreuzpolarisation jeweils auf Grund der Verluste und der störenden Strahlung der Leitungen. Die Reflexionsmatrizen mit Strahlungselementen von variierbarer Größe weisen diese Probleme nicht auf, sind aber andererseits sehr empfindlich gegenüber Fehlern bei der Herstellungstoleranz, und ihre Funktion ist auf einen sehr schmalen Frequenzbereich beschränkt, auf Grund der schnellen Variation der Phase mit der Länge in einem Umfang, der auf 330° beschränkt ist. Die gleichen Einschränkungen gelten für die Konfiguration, die für einen Doppel-Frequenz-Betrieb vorgeschlagen wurde [J. A. Encinar, „Design of a dual frequency reflectarray using microstrip stacked patches of variable size", Electronic Letters, 6. Juni 1996 Band 32 Nr. 12 S. 1049–1050].
Ein Weg, um ein gleichmäßigeres Verhalten der Phase als Funktion der Länge zu erhalten, besteht darin, die Dicke des Substrats (210) zu erhöhen, reduziert jedoch den Gesamtphasenumfang bedeutend. Es ist zu beachten, dass für den Entwurf einer Reflektionsmatrix Phasen des Reflektionskoeffizienten in einem Umfang von 0 bis 360° erforderlich sind, und sie können für ein dickeres Substrat nicht erhalten werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In dieser Erfindung wird eine Reflexionsmatrix-Konfiguration vorgeschlagen, die aus zwei oder mehr Matrixschichten mit Teilflächen von variierbarer Größe (4, 5 und 8) besteht, wobei die Dicke der Schichten und die Ausmaße der Teilflächen so gewählt sind, dass sie ein lineareres Verhalten der Phase gegenüber der Größe in einem Umfang, der größer als 360° ist, erzeugen, um Ausführungen zu erhalten, die weniger empfindlich gegenüber Herstellungstoleranzen sind und eine größere Bandbreite aufweisen.
Die Innovation, zwei oder mehrere Matrixschichten übereinander zu stapeln, ermöglicht, dass die Phasenverschiebung in dem reflektierten Feld auf Werte, die größer sind als 360°, welche für den Entwurf der Reflexionsmatrix erforderlich sind, erhöht wird. Eine Matrix aus rechteckigen metallischen Teilflächen funktioniert als ein Resonanzkreis, bei dem die Phase des reflektierten Feldes mit der Größe der Teilflächen in einem Umfang von bis zu 180° variiert. Wird die Matrix auf einer Metallplatte platziert, wie in 2, nähert sich der Maximalumfang der Phasenverschiebung an 360° an, falls der Abstand zwischen den Teilflächen und der Platte sehr klein ist (viel kleiner als λ, wobei λ die Wellenlänge ist). 6 zeigt die Phase als eine Funktion der Seite für eine Matrix mit quadratischen Teilflächen bei Frequenzen 11,5, 12 und 12,5 GHz. In diesem Fall beträgt der Phasenumfang 305°, für ein Separatorsubstrat (210) mit einer dielektrischen Konstante 1,05 und 1 mm dick (0,04 λ). Der Phasenverschiebungsumfang nimmt mit einer Erhöhung des Abstands zwischen Teilflächen und Metallplatte, d.h. der Dicke des Substrats (210) ab. Werden zwei oder mehr Matrixschichten verwendet, funktionieren beide als ein Resonanzkreis, und die Phase des reflektierten Feldes variiert mit der Teilflächen-Größe auf ähnliche Weise wie die der Schicht, jedoch kann die Phasenverschiebung Werte erreichen, die ein Mehrfaches von 360° betragen. Daher kann bei mehreren Matrixschichten der Abstand zwischen ihnen und der Abstand zwischen der ersten Matrix und der Metallplatte erhöht werden, um ein gleichmäßigeres und lineareres Verhalten der Phase als eine Funktion der Teilflächengröße zu erreichen, wobei ein Umfang für die Phasenverschiebung größer als 360° aufrechterhalten wird. 7 zeigt die Phasenkurven als eine Funktion der quadratischen Teilflächen-Größe, bei den gleichen Frequenzen, für zwei gestapelte Matrizen auf einer Masseplatte mit 3 mm dicken Separatoren, (420) und (430).
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist ein Planarreflektor, oder Reflexionsmatrix, in der mehrschichtigen Leiterplattentechnik für eine Verbesserung der Bandbreite. 4 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht der mehrschichtigen Reflexionsmatrix. Diese Konfiguration ermöglicht, dass der Feed in jedem beliebigen Winkel angeordnet sein kann, und dass der reflektierte Strahl in jede Richtung des Raumes abgelenkt werden kann (θ₀, φ₀), wobei θ₀ und φ₀ die gewöhnlichen Winkel bei Kugelkoordinaten sind, mittels eines angemessenen Entwurfes der Reflexionskoeffizientenphase in jedem Element der Reflexionsmatrix. Dieser Planarreflektor reflektiert das elektromagnetische Feld, welches aus einem Feed (110), der an einem Brennpunkt angeordnet ist, kommt, und bildet einen kollimierten Strahl in eine vorgegebene Richtung bei einer vorgegebenen Frequenz. Auf umgekehrte Weise empfängt der Reflektor einen kollimierten Strahl aus einer Richtung bei einer vorgegebenen Frequenz und reflektiert ihn, indem er ihn am Brennpunkt konzentriert, wo sich der Feed (110) befindet. In einem besonderen Fall kann die Phase in jedem Element angepasst werden, so dass der Planarreflektor die gleichen Merkmale wie ein Parabolreflektor aufzeigt. Die Phasensteuerung wird ausgeführt, indem die Ausmaße in jedem Strahlungselement angepasst werden. Jedes Element der Reflexionsmatrix besteht aus mehreren gestapelten Schichten leitender Teilflächen, die durch dielektrische Blätter getrennt sind, wobei sie sich alle über einer Leiterplatte befinden, wie in 5 für den Fall von 2 Schichten gezeigt. Diese Beschreibung basiert auf rechteckig geformten Teilflächen, jedoch wird dieselbe Wirkung erzielt, wenn man leitende Teilflächen mit anderen geometrischen Formen verwendet, bei denen mindestens zwei Ausmaße unabhängig voneinander angepasst werden können, um die Phase des Reflexionskoeffizienten für die zwei orthogonalen Polarisationen des einfallenden Feldes auf den Reflektor zu steuern. Es können zum Beispiel kreuzförmige Metallisierungen verwendet werden, welche die Phase für jede Polarisation mit der Länge jedes Armes des Kreuzes steuern.
Für die Analyse der Struktur wird ein lokaler Periodizitäts-Ansatz in Betracht gezogen, welcher jedes Element mit seinen Ausmaßen, jedoch in einer periodischen Umgebung, annimmt, und die Phase des Reflektionskoeffizienten wird als eine Funktion der Teilflächenseite berechnet. Die periodische Struktur wird durch eine vorher entwickelte Vollwellen-Methode analysiert, die auf der Momentenmethode im Spektralbereich basiert.
Diese Erfindung ermöglicht die Ausführung von Planarreflektoren, derart dass ihre Merkmale gegenüber Herstellungstoleranz-Fehlern nicht empfindlich sind. Bei der vorgeschlagenen Reflexionsmatrix ist die erforderliche Präzision nicht größer als 0,1 mm, was den Herstellungsprozess nicht nur einfacher sondern auch billiger macht. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, jede Schicht des Planarreflektors aus gedruckten rechteckigen Metallisierungen auf Blättern aus dielektrischem Material mittels herkömmlichen Photoätz-Verfahren herzustellen, wie zum Beispiel die, die bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet werden. Diese Verfahren bestehen aus dem selektiven Entfernen von leitendem Material, ausgehend von einem dielektrischen Blatt, welches mit einer leitenden Folie überzogen ist, durch Photoätzen und chemische Ätztechniken. Das selektive Entfernen des leitenden Materials kann auch durch Laser ausgeführt werden, oder indem man die leitenden Teilflächen mit einem Schneideplotter schneidet und dann das leitende Material zwischen den Teilflächen entfernt. Bei dem Herstellungsprozess kann die Planarmatrix leitender Teilflächen entweder direkt auf den dielektrischen Separator aufgelegt werden oder auf eine Unterlage, die aus einer oder mehrerer Schichten aus dielektrischem Material besteht.
Für einige der Reflektorantennenanwendungen, bei denen sie an bestehenden Flächen befestigt werden sollen, ermöglicht beim Herstellungsverfahren des mehrschichtigen Reflektors die Verwendung von flexiblen Materialien, dass der Reflektor geformt werden kann, um sich an bereits existierende gekrümmte Flächen anzupassen.
Ein anderes Merkmal der mehrschichtigen Reflexionsmatrix, im Vergleich zu denen mit einer Schicht, ist, dass sie eine Erhöhung des Funktions-Frequenzbereichs ermöglicht. Der Frequenzbereich einer herkömmlichen Reflexionsmatrix ist sehr schmal, was ihre Verwendung in einer großen Anzahl kommerzieller Anwendungen verhindert. Ein Faktor, der die Bandbreiten-Einschränkung erzeugt, ist der Unterschied in der Ausbreitungsstrecke für die Strahlen, die sich von dem Feed (110) zur Wellenfront (150) ausbreiten, wie in 9 gezeigt. Bei der Reflexionsmatrix wird der Unterschied bei den Ausbreitungsentfernungen bei der Zentralfrequenz mittels einer Phasenverschiebung in jedem Element ausgeglichen. Jedoch sollte für andere Frequenzen, die etwas von der Zentralfrequenz getrennt sind, die Phasen kompensierung etwas anders sein, da sich die Wellenlänge verändert, und die Abweichung wird bei größeren Entfernungsunterschieden, die kompensiert werden müssen, größer sein. Diese Abweichung kann sich verringern, und daher um die Bandbreite zu verbessern, mit einer geeigneten Wahl sowohl der Position des Feeds und der Strahlungsrichtung. 9 zeigt die Seitenansicht einer Konfiguration, bei der die Oberfläche des Planarreflektors (100) als die Öffnungsplatte eines äquivalenten Parabolreflektors (140) gewählt wurde, und der Feed (110) am Brennpunkt des Paraboloids angeordnet wurde. Daher sind die Ausbreitungsentfernungen (160) und (170) gleich, d.h. die Entfernungen sind die gleichen im gesamten Umriss der Reflexionsmatrix, wodurch die im Planarreflektor zu kompensierende Phase minimiert wird, und folglich wird eine größere Bandbreite erzielt. Die andere bedeutende Einschränkung in der Bandbreite für Reflexionsmatrizen, die auf Teilflächen mit verschiedenen Größen basieren, rührt von der starken Abhängigkeit der Phase gegenüber Teilflächen-Größen-Kurven mit Frequenzvariationen her. Die Verwendung mehrerer Matrixschichten ermöglicht, dass Phasenkurven als Funktion der Größe weniger empfindlich gegenüber Frequenzvariationen sind, was eine Erhöhung der Bandbreite erzeugt. Außerdem kann eine Anpassung der Ausmaße jedes Elements der Reflektionsmatrix ausgeführt werden, um das Verhalten in der gesamten Funktions-Bandbreite zu verbessern.
Aufgrund der größeren Bandbreite der mehrschichtigen Konfiguration und mit dem zu Nutze machen des geringen Grads an Kreuzpolarisation der Reflexionsmatrizen besteht eine andere Aufgabe dieser Erfindung in ihrer Anwendung als Doppelpolarisationsreflektor als eine Alternative zu Gitterreflektoren. Die Phasenkorrektion in der Reflexionsmatrix wird für jede Polarisation separat ausgeführt, was die Verwendung zweier separater Feeds (110) und (111) mit linearer Polarisation ermöglicht, wie in 10 gezeigt. Die Ausmaße können auch angepasst werden, um zwei kollimierte Strahlen in verschiedenen Richtungen, einen für jede Polarisation, zu erzeugen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verwendung des Planarreflektors als eine Antenne mit mehreren Strahlen. Dafür werden die Ausmaße in jedem Element angepasst, um eine Phasenverteilung des reflektierten Feldes zu erhalten, die mehrere kollimierte Strahlen in unterschiedliche Richtungen bereitstellt, wie in 11 gezeigt.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung liegt in ihrer Anwendung bei der Konstruktion von faltbaren Reflektoren. Bei einigen Anwendungen im Erd- oder Satelliten-Kommunikationsbereich sind große Reflektoren erforderlich, die zu Transportzwecken gefaltet werden sollen. Faltbare Reflektoren werden auch bei mobilen Datenendgeräten verwendet. Der mehrschichtige Planarreflektor kann in vier oder mehr Teilen hergestellt werden, die zum Transport gestapelt werden können, um später zusammengebaut zu werden. Der Zusammenbau ist unproblematisch, da es keinen elektrischen Kontakt zwischen den Metallisierungen der Reflexionsmatrix gibt. Die faltbaren Reflektoren finden auch einen wichtigen Anwendungsbereich bei Bord-Satellitenreflektoren, derart dass der Reflektor während des Abschusses zusammengefaltet ist und im Weltraum entfaltet wird.
Eine zweite Hauptaufgabe der Erfindung ist die Vorgehensweise für den Entwurf einer mehrschichtigen Reflexionsmatrix bei einem vorgegebenen Frequenzbereich. Diese Vorgehensweise stellt die Ausmaße aller Metallisierungen und daher der Photoätz-Masken bereit, und besteht aus den folgenden Schritten:

1) Definition der Phasenverschiebung in jedem Element. Sobald die Funktionsfrequenz, die Anordnung des Feeds (110), oder der Feeds (110) und (111), und die Richtung der Strahlung, gezeigt durch Pfeile (130a) und (130b) bestimmt sind, wird die Phasenverschiebung, die jedes Element der Reflexionsmatrix einführen sollte, um eine reflektierte Welle mit einer progressiven Phasenverteilung zu erhalten, berechnet. Diese Phasenverschiebung ist für jede beliebige Polarisation definiert, oder für zwei orthogonale Polarisationen des einfallenden Feldes. Falls die zwei Polarisationen von einem Feed kommen, der am Brennpunkt angeordnet ist, ist die Phasenverteilung für die zwei Polarisationen gleich, falls sie jedoch von zwei Feeds kommen, die an verschiedenen Brennpunkten angeordnet sind, ist eine Phasenverteilung für jede Polarisation definiert. Es kann auch eine Phasenverteilung definiert werden, die einen kollimierten reflektierten Strahl mit einer Polarisation erzeugt, die sich von der des einfallenden Feldes, welches von dem Feed kommt, unterscheidet. Zum Beispiel kann ein lineares polarisiertes Feld in Betracht gezogen werden, und die Phasenverteilung, die einen kreisförmigen polarisierten kollimierten Strahl erzeugt, wird definiert, oder umgekehrt. Dafür müssen zwei unterschiedliche Phasenverteilungen definiert werden, eine für die lineare Polarisation mit einer Feldkomponente in Richtung der einen Seite der Teilflächen, und die andere mit dem einfallenden Feld in orthogonaler Richtung, welche sich um 90° unterscheiden. Es können auch andere Phasenverteilungen definiert werden, um zwei kollimierte Strahlen in unterschiedlichen Richtungen zu erzeugen, einen für jede Polarisation, oder mehrere kollimierte Strahlen in unterschiedlichen Richtungen, im Falle von mehrstrahligen Antennen.
2) Anpassen der Ausmaße jedes Elements an der Zentralfrequenz. In diesem Schritt werden die Ausmaße der Teilflächen bestimmt, um die Phasenverschiebung zu erhalten, die im vorhergehenden Schritt für jedes Strahlungselement bei der vorgegebenen Frequenz definiert wurden. Zuerst werden die Kurven von Phase gegenüber Größe bei mehreren Frequenzen für eine periodische Matrix von zwei oder mehr Schichten auf einer Metallplatte analysiert. Bei diesem Schritt werden quadratische Teilflächen in den zwei Schichten, wie in 5 gezeigt, in Betracht gezogen, wobei die der äußeren Schicht etwas kleiner sind. In diesem Schritt werden auch einige Geometrie-Parameter bestimmt, wie die Dicke der dielektrischen Separatoren (420) und (430), die zwischen den Matrixschichten liegen, die Periode a und die relative Größe der Teilflächen in jeder Schicht, um ein Verhalten der Phase gegenüber der Größe zu erreichen, welches gleichmäßig und weniger empfindlich gegenüber Frequenzvariationen ist, wie in 7 gezeigt. Als nächstes werden die Ausmaße jeder Teilfläche unter Verwendung einer iterativen Routine für Zero-Finding bestimmt. Diese Routine ruft das Analyseprogramm ab und passt die Ausmaße jedes Elements an, bis die in Schritt 1) definierte Phase erreicht wurde. Der Vorgang wird für jede Polarisation wiederholt.
3) Ausführen der Feinanpassung, um Spezifikationen beim Funktions-Frequenzbereich gerecht zu werden. Ausgehend von den Ausmaßen, die im vorhergehenden Schritt erhalten wurden, wird eine neue Anpassung der Ausmaße der leitenden Teilflächen ausgeführt, indem eine Optimierungsroutine verwendet wird. In diesem Schritt werden alle Ausmaße der Teilflächen gleichzeitig angepasst, um den Phasenspezifikationen, die in Schritt 1) definiert wurden, gerecht zu werden, für eine oder zwei Polarisationen, bei einer oder mehreren Frequenzen innerhalb der Funktions-Bandbreite der Reflexionsmatrix.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Verwendung von mehrschichtigen Planarreflektoren als ein Polarisator, da er ermöglicht, dass die Phase in jedem Element des Planarreflektors angepasst wird, um einen kollimierten Strahl zu erzeugen mit einer Polarisation, die von dem einfallenden Feld, welches von dem Feed kommt, verschieden ist. Eine interessante Anwendung besteht in der Erzeugung eines kreisförmigen, polarisierten Strahls von einem linearen Polarisationsfeed, welches einfacher herzustellen ist, oder darin, einen kreisförmigen polarisierten Strahl zu empfangen, indem man ihn am Feed mit linearer Polarisation konzentriert.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist ihre Anwendung als konformer Strahlenreflektor. Ein konformer Strahlenreflektor, wie zum Beispiel diejenigen, die bei Satelliten für direkte Fernsehübertragungen verwendet werden, besteht aus einem Reflektor mit Verformungen auf seiner Oberfläche, so dass das Strahlungsdiagramm eine bestimmte geographische Zone anstrahlt. Der Entwurf und die Konstruktion von konformen Strahlenreflektoren sollte für jede Anwendung speziell ausgeführt werden. Für die Konstruktion konformer Strahlenreflektoren sind Formen erforderlich, deren Herstellung sehr kostenintensiv ist, und sie können nicht für andere Antennen wieder verwendet werden. Die mehrschichtige Reflexionsmatrix und ihr Entwurfsverfahren kann verwendet werden, um die Phase in jedem Element anzupassen, derart dass ein konformer Strahl erhalten wird, mit den gleichen Merkmalen wie denen eines geformten Reflektors. Das Entwurfsverfahren ist das oben beschriebene, jedoch wird im ersten Schritt die Phasenverschiebung bei jedem Element definiert, um einen konformen Strahl zu erhalten, anstelle einer progressiven Phase. Die Konstruktion des Konformstrahl-Planarreflektors wird mittels einfacher Photoätztechniken ausgeführt, die eine bedeutende Reduzierung der Produktionskosten bewirken, indem sie die teuren konformen Formen beseitigen.
Der Planarreflektor für kollimierte oder konforme Strahlen kann für Weltraumanwendungen gebaut werden, indem die für die dichroitischen Subreflektoren entwickelte Technologie verwendet wird. Diese Technologie verwendet Materialien, die für den Weltraum geeignet sind, die praktisch aus Matrizen aus Kupfer- oder Aluminiummetallisierungen (400 und 410) auf sehr dünnen (zwischen 25 und 160 Mikrometern) Kapton- oder Kevlar-Blättern (450 und 460) bestehen, wie in 8 gezeigt. Als ein dielektrischer Separator (420 und 430) zwischen verschiedenen Matrixschichten kann ein Kevlar-Kern mit einer Honigwabenstruktur verwendet werden, der eine sehr niedrige dielektrische Konstante (von ungefähr 1,05) und sehr geringe Verluste aufweist (Verlusttangente in einer Größenordnung von 10^–3). Diese Materialien sind flexibel, und sie ermöglichen eine mehrschichtige Struktur mit Metallisierungen, die sich an eine herzustellende gekrümmte Fläche anpassen. Später werden sie einem Aushärtungsverfahren unterzogen, bei dem sie genug Steifheit für ihre Verwendung bei Weltraumanwendungen erlangen.
Um eine weitere Bandbreitenverbesserung bei Konformstrahl-Reflektoren, basierend auf mehrschichtigen Reflexionsmatrizen, zu erhalten, können sie in der Form eines parabolischen Reflektors gebaut werden, und die Phase wird angepasst, indem die Metallisierungsgröße nur für die kleinen Phasenunterschiede, die den konformen Strahl erzeugen, variiert wird. Obwohl bei dieser Konfiguration das planare Merkmal des Reflektors verloren geht, und folglich das Herstellungsverfahren komplizierter wird, können Konformstrahl-Reflektoren mit Parabolformen gebaut werden, die für mehrere Anwendungen wieder verwendbar sind und keine solche strenge Technologie erfordern, wie diejenigen mit einer konformen Oberfläche. Daneben können zwei unabhängige Feeds verwendet werden, eines für jede lineare Polarisation, die in der Nähe des Paraboloid-Brennpunkts angeordnet sind, und die Ausmaße der leitenden Teilflächen werden in jedem Element angepasst, um jede Feed-Anordnung zu kompensieren und den Strahl in den zwei Polarisationen zu konformieren.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1. Seitenansicht eines Planarreflektors (100), der von einem Feed (110) angestrahlt wird. In jedem Element (120) des Reflektors ist eine Anpassung in der Phase des reflektierten Feldes eingeführt, derart dass das Divergenzfeld, welches von dem Feed (110) kommt, als ein kollimierter Strahl in Richtung der Pfeile (130a) und (130b) reflektiert wird.
2. Perspektive einer Planarmatrix von leitenden Teilflächen (200), die auf ein Blatt (210) mit der Dicke h aufgelegt werden, welches aus dielektrischem Material hergestellt ist, auch als Substrat bekannt, welches auf der Unterseite von einem Leiter (230) überzogen ist. Die Periode ist a.
3. Perspektive einer Planarmatrix von leitenden Teilflächen (200) auf einem dielektrischen Blatt und Leiterplatte, wobei die Größe der Teilflächen (200) unterschiedlich ist, um eine Anpassung der Phase des reflektierten Feldes zu erhalten. Die Periode ist a.
4. Seitenansicht eines mehrschichtigen Planarreflektors, der von einem Feed (110) angestrahlt wird, um einen kollimierten Strahl in Richtung der Pfeile (130a) und (130b) zu erzeugen, welcher durch die Winkel θ₀, φ₀ definiert wird, die in Kugelkoordinaten verwendet werden. Der Planarreflektor besteht aus zwei Schichten leitender Teilflächen (400) und (410) auf dielektrischen Materialblättern, oder Substrat, (420) und (430), auf einer Leiterplatte (440). Das zweischichtige Element (300) stellt ein generisches Element I dar.
5. Seiten- und Vorderansichten einer quadratischen periodischen Zelle mit der Seite a, welche als Element in den mehrschichtigen Planarreflektoren für die Phasenanpassung verwendet wird. Die Struktur des mehrschichtigen periodischen Elements besteht aus einer ersten rechteckigen leitenden Teilfläche (400) mit den Ausmaßen a₁ × b₁, einem dielektrischen Separator (420) mit der Dicke h₁, einer zweiten rechteckigen leitenden Teilfläche (410) mit den Ausmaßen a₂ × b₂, einem zweiten Separator mit der Dicke h₂, und einer Leiterplatte (440).
6. Phase des Reflexionskoeffizienten bei normalem Einfall für eine periodische Matrix mit quadratischen leitenden Teilflächen auf einer Masseplatte, wie in 2 gezeigt, als eine Funktion der Teilflächenseite, bei drei unterschiedlichen Frequenzen, 11,5 (---), 12 (–––), und 12,5 (-·-·-) GHz. Folgende Daten werden angenommen: periodische Zellenseite a = 14 mm und Separator mit einer relativen dielektrischen Konstante 1,05 und Dicke h = 1 mm.
7. Phase des Reflexionskoeffizienten bei normalem Einfall für eine periodische Matrix mit periodischen Elementen, wie in 5 gezeigt, als Funktion der Teilflächengröße bei drei verschiedenen Frequenzen, 11,5 (---), 12 (–––), und 12,5 (-·-·-) GHz. Folgende Daten werden angenommen: Quadratische Teilflächen auf der Außenschicht 0,7 mal die Größe derjenigen auf der Zwischenschicht (a₁ = b₁, a₂ = b₂, a₁ = 0,7 a₂), Separatoren mit dielektrischer Konstante 1,05 und Dicke h₁ = h₂ = 3 mm und Seite der periodischen Zelle, a = 14 mm.
8. Perspektive der verschiedenen Schichten, die einen mehrschichtigen Planarreflektor bilden. Von der oberen Schicht zu der unteren, erste Matrix von rechteckigen leitenden Teilflächen (400) mit verschiedenen Größen, erste dielektrische Substratschicht (450), auf die die Teilflächen aufgelegt werden, erster dielektrischer Separator (420), zweite Matrix an Teilflächen (410), zweites Substrat (460), zweiter Separator (430) und Metallplatte (440).
9. Seitenansicht einer Konfiguration eines Planarreflektors, bei dem die Ausbreitungsentfernungen für eine Welle, die sich vom Feed (110) zur Wellenfront (150) ausbreitet im Umriss des Planarreflektors die gleichen sind. Diese Entfernungen sind für alle Punkte eines parabolischen Reflektors (140), bei dem der Feed (110) am Brennpunkt angeordnet ist, gleich.
10. Seitenansicht eines mehrschichtigen Planarreflektors, der von zwei Feeds (110) und (111) mit unterschiedlicher Polarisation angestrahlt wird, bei dem die Anpassung der Ausmaße der leitenden Teilflächen ausgeführt wird, um einen kollimierten Strahl in Richtung der Pfeile (130a) und (130b) für die zwei Polarisationen zu erzeugen.
11. Seitenansicht eines mehrschichtigen Planarreflektors, der von einem Feed (110) angestrahlt wird, bei dem die Anpassung der Ausmaße der leitenden Teilflächen ausgeführt wird, um jeweils zwei kollimierte Strahlen in die durch die Pfeile gezeigten Richtungen (130a–b) und (131a–b) zu erzeugen.
12. Durch AUTOCAD erhaltene maßstabsgetreue Maske mit dem Umriss der Teilflächen (400) mit verschiedener Größe für die erste Schicht eines Planarreflektors, der entworfen ist, um einen kollimierten Strahl in der Richtungsadressse θ₀ = 19°, Φ₀ = 0° bei 11,95 GHz zu erzeugen.
13. Durch AUTOCAD erhaltene maßstabsgetreue Maske mit dem Umriss der Teilflächen (410) mit verschiedener Größe für die zweite Schicht eines Planarreflektors, der entworfen ist, um einen kollimierten Strahl in der Richtungsadresse θ₀ = 19°, Φ₀ = 0° bei 11,95 GHz zu erzeugen.
DETAILS DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In diesem Abschnitt sind die Schritte zum Durchführen des Entwurfes und der Konstruktion eines Planarreflektors, basierend auf mehrschichtiger Leiterplattentechnik für Doppelpolarisation beschrieben.
Zuerst werden die für die Ausführung des Reflektors verwendeten Technologie und Materialien gewählt. In dem beschriebenen Beispiel wurde ein im Handel erhältlicher Schaum, bekannt als ROHACELL 51, als Material für die Separatoren zwischen den Schichten mit Metallisierungen gewählt, der eine relative dielektrische Konstante von 1,05 und eine Verlusttangente von 10^–3 aufweist. Die Matrizen mit rechteckigen metallischen Teilflächen werden hergestellt, indem man mit einer metallisierten dielektrischen Unterlage von geringer Dicke beginnt, wie zum Beispiel eine 25 Mikrometer Kapton-Folie mit einer 18 Mikrometer Kupfer-Beschichtung. Kapton hat eine relative dielektrische Konstante von 3,5 und eine Verlusttangente von 3 × 10^–3, obwohl aufgrund seiner geringen Dicke ihre Auswirkung vernachlässigbar ist.
Sobald die Materialien gewählt wurden, wird eine mehrschichtige periodische Struktur analysiert, welche aus zwei oder mehr gestapelten Schichten von metallischen Teilflächen auf einer Metallplatte besteht, welche durch dielektrische Separatoren getrennt werden. In 5 ist eine periodische Zelle für den Fall von zwei Schichten dargestellt. Für die Analyse der mehrschichtigen periodischen Struktur wird eine Vollwellenmethode verwendet, wie zum Beispiel die wohlbekannte Momentenmethode im Spektralbereich, und die Phase des Reflexionskoeffizienten wird für die zwei möglichen Polarisationen des einfallenden Feldes als eine Funktion der verschiedenen geometrischen Parameter und Erregung berechnet. Matrizen mit quadratischen Resonanz-Teilflächen mit der Seite von ungefähr einer halben Wellenlänge werden als Ausgangspunkt betrachtet, und ihre Größe wird kontinuierlich verändert, um das Verhalten der Phase gegenüber der Resonanzlänge zu untersuchen. Die Größe der Teilflächen wird in allen Schichten gleichzeitig verändert, wodurch ein festes Verhältnis zwischen den Größen in jeder Schicht und eine feste Periode in allen Schichten beibehalten wird. Es wurde bewiesen, dass die Matrix, die der Masseplatte am nächsten liegt, aus etwas größeren Teilflächen bestehen soll. Die Variation in der Reflexionskoeffizienten-Phase wird für jede der beiden orthogonalen Polarisationen analysiert, d.h. für ein einfallendes elektrisches Feld mit x-Komponente (E_x), und für ein elektrisches Feld mit y-Komponente (E_y), für verschiedene Einfallswinkel und für mehrere Frequenzen innerhalb der Funktions-Bandbreite.
Nun werden einige geometrische Parameter, wie zum Beispiel die Teilflächenwiederholungsperiode a, die Dicke der Separatoren h₁ und h₂, und die relative Größe der Teilflächen in jeder Schicht angepasst, um eine genügend lineare Phasenvariation als eine Funktion der Teilflächenausmaße für verschiedene Einfallswinkel, für verschiedene Frequenzen zu erhalten, und die mindestens einen 360°-Umfang umfassen. Für die beschriebene Implementation wurde eine Frequenz f = 11,95 GHz gewählt, eine Struktur aus 2 Schichten mit leitenden Teilflächen wurde in Betracht gezogen und die folgenden geometrischen Werte wurden gewählt:

• Dicke von ROHACELL: 3 mm
• Wiederholungsperiode: 14 mm
• Relative Größe der Teilflächen oben/unten: 0,7

Für diese Werte sind die Kurven der Reflexionskoeffizientenphase für die zwei Polarisationen, bei normalem Einfall, in 7 gezeigt, bei den Frequenzen 11, 12 und 12,5 GHz.
Als nächstes werden die Anordnung des Feed in Bezug auf den Reflektor, die Größe des Reflektors und die Strahlungsrichtung festgelegt. Für diese Implementation wurde ein kreisförmiger Reflektor mit 40 cm Durchmesser in Betracht gezogen, und ein im Handel erhältlicher Feed von der Firma SATELITE ROVER mit der Bezeichnung FOLWR75, der für Satellitenfernsehempfänger verwendet wird, wurde verwendet. Der Reflektor ist auf der XY-Ebene angeordnet, wobei sein Zentrum im Ursprung der Koordinaten liegt, das Zentrum der Feed-Öffnung bei den Koordinaten x_f = –116, y_f = 0, z_f = 340 mm platziert wird, und der Strahlungswinkel auf θ₀ = 19°, Φ₀ = 0°, in Kugelkoordinaten, festgelegt wird.
Mit diesen Daten wird der Entwurf des Reflektors in der Leiterplattentechnik ausgeführt, um die Photoätzmaske für die Teilflächen in jeder Schicht zu bestimmen. Das Verfahren besteht aus drei Schritten:

1) Definieren der Phasenverschiebung in jedem Element. Sobald die Anordnung des Feed (110) und die Strahlungsrichtung, die durch die Winkel θ₀, Φ₀ in Kugelkoordinaten definiert ist, bestimmt ist, wird die Phasenverschiebung, die bei jedem Element (300) der Reflexionsmatrix eingeführt werden soll, berechnet, um eine progressive Phasenverteilung der reflektierten Welle zu erhalten. Da sich der Reflektor in der Fernfeldzone des Feed befindet, ist die Phase des einfallenden Feldes auf jedem Element I (300) der Reflexionsmatrix das Produkt der Wellenanzahl K₀ mal der Entfernung von dem Feed zum Element I, bekannt als d₁. Um ein Feld zu erhalten, welches in der Richtung (θ₀, Φ₀) reflektiert wird, sollte seine Phase auf der Oberfläche des Reflektors Phase(x, y) = –K0sinθ0(xcosΦ0 + ysinΦ0)sein, wobei (x, y) die Koordinaten jedes Punktes auf der Oberfläche des Reflektors sind. Um diese Phasenverteilung zu erhalten, sollte jedes Element I des Reflektors eine Phasenverschiebung im Reflexionskoeffizienten einführen, Refl. Koeff. Phase(xI, yI) = K0[dI – sinθ0(xIcosΦ0 + yIsinΦ0)]wobei (x_I, y_I) die Koordinaten des Zentrums des Elements I sind. Dies ist die Zielphase des Reflexionskoeffizienten, die für die zwei orthogonalen Polarisationen erhalten werden sollte, wenn nur ein Feed verwendet wird.
2) Anpassung der Ausmaße jedes Elements an der Zentralfrequenz. Nun werden die Ausmaße der Teilflächen bestimmt, um die im vorhergehenden Schritt definierte Phasenverschiebung in jedem Strahlungselement bei der Zentralfrequenz zu erhalten. Wenn die Richtung des einfallenden Feldes auf den Reflektor zu diesem senkrecht wäre, würde die Phase des Reflexionskoeffizienten für die zwei Polarisationen die gleiche sein. Jedoch ist bei der Reflexionsmatrix der Einfall schräg in jedem Element und die Phasen für jede Polarisation werden unter schiedlich sein. Daher sollten, um eine progressive Phase in dem reflektierten Feld für die zwei orthogonalen Polarisationen E_x und E_y zu erhalten, die zwei Ausmaße jeder Teilfläche angepasst werden. Da die Phase für jede Polarisation praktisch nur von den Resonanzausmaßen abhängt, werden zuerst quadratische Teilflächen angenommen und die Ausmaße a₁ und a₂ angepasst, siehe 5, um die erforderliche Phase für die E_x Polarisation zu erhalten. Später werden b₁ und b₂ angepasst, auch unter der Annahme von quadratischen Teilflächen, für die Phase von E_y. Für die Analyse der Reflexionsmatrix wird die Phase des Reflexionskoeffizienten für jede Polarisation in jeder Periode unter Annahme lokaler Periodizität berechnet, d.h. Analysieren jedes Elements mit seinen Ausmaßen in einer periodischen Umgebung. Um die Ausmaße jeder Teilfläche zu bestimmen, wird eine iterative Routine, basierend auf dem „Regula falsi"-Verfahren, verwendet. Die Routine ruft das Analyseprogramm ab und passt die Ausmaße jedes Elements an, bis die erforderliche Phase erhalten wird. Der iterative Vorgang wird auf quadratische Teilflächen angewandt, um die Phasenverteilung zu erhalten, die im vorhergehenden Schritt für E_x Feldpolarisation definiert wurde, und die Ausmaße a₁ a₂ werden erhalten. Als nächstes wird der Vorgang für die E_y Feldpolarisation angewandt, und die Ausmaße b₁ b₂ werden erhalten. Die Teilflächenausmaße a₁, b₁, a₂ und b₂ in jedem Element des Reflektors stellen, bei sehr guter Annäherung, die Phasenverteilung bereit, welche in Schritt 1) für die zwei Polarisationen definiert wurde.
3) Ausführen der Feinanpassung, um den Spezifikationen im Funktions-Frequenzbereich gerecht zu werden. Ausgehend von den im vorhergehenden Schritt erhaltenen Ausmaßen, wird eine neue Anpassung der Ausmaße ausgeführt, indem eine Optimierungsroutine verwendet wird, um den Phasenspezifikationen in jedem Element für die zwei Polarisationen bei mehreren Frequenzen innerhalb der Funktions-Bandbreite der Reflexionsmatrix gerecht zu werden. Dafür wird eine Zielphase für den Reflexionskoeffizienten bei jeder Frequenz, für jedes Element des Reflektors, bestimmt, und eine Phasenabweichung wird für jede Polarisation als der Unterschied zwischen dieser Zielphase und der durch die Momentenmethode errechneten Phase definiert. Eine Abweichungsfunktion wird als die Summe des Quadrats der Phasenab weichungen für jede Polarisation bei jeder Frequenz definiert. Die Optimierungsroutine passt alle Ausmaße der Teilflächen (a1, a2, b1 und b2) in jedem Element an, um die Abweichungsfunktion zu minimieren. Dieser Vorgang stellt alle Ausmaße der metallischen Teilflächen in den zwei Schichten bereit, die ein Herstellen der Photoätz-Maske ermöglichen.

Für die technische Implementation der Reflexionsmatrix können die herkömmlichen Photoätz-Techniken, die bei der Produktion von Leiterplatten verwendet werden, verwendet werden. Bei der hier beschriebenen Implementation wurden die Photoätzmasken für jede Reflexionsmatrix-Schicht mit AUTOCAD aus der Datei mit den Ausmaßen der Teilflächen, die im Entwurfsschritt erhalten wurden, erzeugt. 12 und 13 zeigen die maßstabsgetreuen Masken mit den Umrissen der rechteckigen Teilflächen jeweils für die ersten und zweiten Matrixschichten. Die rechteckigen Teilflächen wurden aus einem kupferbeschichteten Kapton-Blatt mittels eines Schneideplotters unter Verwendung der AUTOCAD-Dateien geschnitten. Danach werden die Teilflächen auf eine 100 Mikrometer Klebefolie übertragen und dieses Blatt wird dann am ROHACELL angebracht, welcher als Separator dient. Ein kupferbeschichtetes Klapton-Blatt wurde als Metallplatte verwendet.
Dieser Prototyp wurde in einem schalltoten Raum hergestellt und gemessen. Die gemessenen Merkmale des Reflektors entsprechen den im Entwurf in Betracht gezogenen Spezifikationen. Die Strahlungsmuster sind für die zwei linearen Polarisationen praktisch die gleichen und sie stimmen mit denen, die durch das Analyseverfahren erhalten wurden, überein. Der Gewinn beträgt 31 dB, mit ±0,15 dB Gewinnvariationen im 11,5 bis 12,4 GHz Frequenzbereich. Die Kreuzpolarisation liegt unter –33 dB.
INDUSTRIELLE ANWENDUNG
Wie bereits in vorhergehenden Abschnitten bemerkt, kann diese Erfindung auf Reflektorantennen im Radar-, und sowohl Erd- und Satelliten-Kommunikationsbereich angewandt werden, mit bedeutenden Vorteilen gegenüber herkömmlichen Parabolreflektoren. Aufgrund ihres planaren Merkmals kann sie in mehreren Teilen hergestellt werden, um gefaltet und später entfaltet zu werden, was sehr nützlich ist bei Anwendungen, bei denen große Reflektoren erforderlich sind, die transportiert werden müssen. Da es sich um einen planaren Reflektor handelt, mit der Fähigkeit, den Strahl abzulenken, kann er auf bereits existierende Strukturen zugeschnitten werden, wie zum Beispiel Gebäudemauern, Strukturebenen bei Nachrichtensatelliten, etc.. Er kann als ein Doppelpolarisationsreflektor verwendet werden, mit einem Isolierungsgrad zwischen den Polarisationen, der besser ist als die, die mit herkömmlichen Reflektoren erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung kann hergestellt werden, indem man für den Weltraum geeignete Materialien verwendet und eine Technologie, die bereits bei Weltraumanwendungen für die Herstellung dichroitischer Subreflektoren entwickelt wurde. Daher ist diese Art von mehrschichtigen Planarreflektoren für eine bedeutende Auswahl an Anwendungen in der Weltraumindustrie sehr geeignet, als Alternative zu den verschiedenen Arten von Bord-Reflektoren bei Satelliten, wie zum Beispiel parabolische, Gitter- oder geformte Reflektoren.

Claims

Planarreflektor in der Leiterplattentechnik, der die elektromagnetische Energie, die aus einem Feed (110), der sich an einem Brennpunkt befindet, kommt, reflektiert und dabei einen kollimierten Strahl in einer vorgegebenen Richtung bei einer vorgegebenen Frequenz bildet, oder der einen kollimierten Strahl aus einer vorgegeben Richtung bei einer vorgegebenen Frequenz empfängt und reflektiert, indem er ihn am Brennpunkt, wo sich der Feed befindet konzentriert, der eine mehrschichtige Matrix aufweist, die gebildet ist aus: einer leitenden Ebene (440), einem Blatt aus dielektrischem Material, welches ein Separator (430) genannt wird, einem dünnen Film aus dielektrischem Material (460), der eine planare Matrix aus rektangulären leitenden Teilflächen (410) trägt, einer neuen Separatorschicht (420), und einer neuen Schicht leitender Teilflächen (400) auf einer dielektrischen Auflage (450), dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Separators (420 und 430) und die relative Größe der Teilflächen (400, 410) in jeder Schicht so gewählt sind, dass eine Änderung der Phase in Abhängigkeit von den Ausmaßen der Teilflächen in einem Bereich, der größer als 360° ist, erreicht wird, und dass die Ausmaße der leitenden Teilflächen in jeder Schicht individuell angepasst sind, um eine Phasenverschiebung in dem reflektierten Feld zu erhalten, um das elektromagnetische Feld, das aus dem Feed (110) kommt, zu kollimieren, oder um den kollimierten Strahl, der bei dem Feed (110) auf den Reflektor einfällt, bei einer vorgegebenen Frequenz zu konzentrieren.
Planarreflektor nach Anspruch 1, wobei die leitenden Teilflächen (400, 410) direkt auf die dielektrischen Separatoren (420, 430) aufgelegt werden.
Planarreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mehr als zwei Schichten von dielektrischem Material zwischen der Leiterebene (440) und den leitenden Teilflächen (410) oder zwischen den Planarmatrixen der Teilflächen (400 und 410) aufweist.
Planarreflektor nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, der aus Materialien gefertigt ist, die für Anwendungen im Weltraum geeignet sind.
Planarreflektor nach Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass er mehr als zwei Lagen von Matrixen von leitenden Teilflächen (400, 410) und gestapelten dielektrischen Blättern (420, 450 oder 430, 460) aufweist.
Planarreflektor nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die leitenden Teilflächen (400, 410) in jeder beliebigen Schicht quadratisch, rektangulär oder in der Form eines Kreuzes sind.
Planarreflektor nach Anspruch 6, wobei die Teilflächenmatrix (400, 410) in jeder Schicht durch selektives Eliminieren von leitendem Material aus einem dielektrischen Blatt, bedeckt von einem leitenden Film, durch Photoätzen und chemische Ätztechniken hergestellt wird, oder durch das selektive Eliminieren des leitenden Materials durch einen Laser, oder durch das Schneiden der leitenden Teilflächen (400, 410), indem man einen Schneideplotter gebraucht und das leitende Material zwischen den Teilflächen entfernt.
Planarreflektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mehreren Teilen hergestellt ist, um gefaltet und entfaltet werden zu können.
Planarreflektor nach Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass er aus flexiblen Materialien hergestellt ist, um an gekrümmte Flächen angepasst werden zu können.
Planarreflektor nach Anspruch 6, wobei die Ausmaße der Teilflächen (400, 410) in jedem Element angepasst sind, um den Strahl, der von dem Feed (110) kommt, zu kollimieren, oder den kollimierten Strahl, der am Brennpunkt, wo sich der Feed (110) befindet, auf den Reflektor einfällt, zu konzentrieren, mit den gleichen Merkmalen wie denen eines parabolischen Reflektors.
Planarreflektor nach Anspruch 6, wobei die Ausmaße der leitenden Teilflächen (400, 410) in jeder Schicht angepasst sind, um den Strahl, der von dem Feed (110) kommt, zu kollimieren, oder den kollimierten Strahl, der am Brennpunkt des Feeds (110) auf den Reflektor einfällt, für zwei Polarisationen des elektromagnetischen Feldes gleichzeitig zu konzentrieren.
Planarreflektor nach Anspruch 6 mit einem oder zwei Feeds (110, 111), die in zwei orthogonalen Polarisationen funktionieren, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei kollimierte Strahlen, einen für jede Polarisation des einfallenden Feldes, in verschiedenen Richtungen erzeugt oder empfängt.
Planarreflektor nach Anspruch 6, wobei die Ausmaße der leitenden Teilflächen (400, 410) in jeder Schicht angepasst sind, um einen kollimierten, reflektierten Strahl mit Zirkularpolarisation zu bekommen, wenn ein vom Feed (110) kommendes lineares polarisiertes Feld einfällt, oder um ein lineares polarisiertes Feld am Brennpunkt des Feeds (110) zu konzentrieren, wenn ein kollimiertes Feld mit Zirkularpolarisation auf den Reflektor auftrifft.
Planarreflektor nach Anspruch 6, 11 oder 13, wobei die Ausmaße der leitenden Teilflächen (400, 410) in jedem Element angepasst sind, um die elektrischen Merkmale eines konformen Stahlenreflektors zu erreichen.
Mehrschichtiger Reflektor nach Anspruch 14, der, anstelle einer planaren, eine parabolische Form aufweist, wobei der Feed (110) oder die Feeds (110 und 111) nahe dem Fokus des Paraboloids liegen, wobei die Ausmaße der leitenden Teilflächen (400, 410) in jedem Element angepasst sind, um die elektrischen Merkmale eines konformen Strahlenreflektors für einfache oder doppelte Polarisation zu erreichen.
Planarreflektor nach Anspruch 6, bei dem ein Feed in einfacher oder doppelter Polarisation funktioniert, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere kollimierte Strahlen in verschiedenen Richtungen, wie in 11 gezeigt, erzeugt, oder elektromagnetische Signale aus verschiedenen Richtungen empfängt und sie am Brennpunkt, wo sich der Feed (110) befindet, konzentriert.
Verfahren für den Entwurf, um die Photoätzmasken zur Herstellung eines Planarreflektors zu erhalten, nach jedem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, basierend auf der Routine der Momentenmethode für die Analyse von mehrschichtigen periodischen Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: 1) Definieren der Phase des Reflektionskoeffizienten für jedes Element, so dass die elektromagnetische Energie einer bestimmten Frequenz, die von einem Feed (110) kommt, der sich an einem Brennpunkt befindet, reflektiert wird und einen kollimierten Strahl in einer bestimmten Richtung bildet, wobei jedes Element aus zwei oder mehreren übereinander gestapelten leitenden Teilflächen (400, 410) über einer Leiterebene und voneinander durch dielektrische Blätter getrennt besteht; 2) Bestimmen der Teilflächenausmaße, so dass die im vorhergehenden Schritt definierte Phase des Reflektionskoeffizienten in jedem Element erreicht wird, indem eine iterative Routine für Zero-Searching verwendet wird, die die Teilflächenausmaße anpasst und den Reflektionskoeffizienten durch die Analyseroutine errechnet, bis die erwünschte Phase erreicht ist; 3) Genaue Anpassung der Ausmaße der leitenden Teilflächen in jedem Element des mehrschichtigen Reflektors, durch eine Optimierungsroutine, um die in Schritt 1) definierte Phase für ein einfallendes Feld mit jedem beliebigen Polarisationstyp für eine oder mehrere Frequenzen innerhalb des Funktionsbereichs des Reflektors zu erreichen.
Verfahren für den Entwurf nach Anspruch 17, wobei die Anpassung der Ausmaße der leitenden Teilflächen (400, 410) in jedem Element in den Schritten 2) und 3) gleichzeitig für zwei unabhängige orthogonale Polarisationen des einfallenden Feldes ausgeführt wird.
Verfahren für den Entwurf nach Anspruch 18, wobei die Phase des Reflektionskoeffizienten in Schritt 1) definiert ist, so dass das Feld, das aus einem Feed (110) oder zwei Feeds (110, 111) kommt, reflektiert wird und zwei kollimierte Strahlen, einen für jede Polarisation des einfallenden Feldes, in verschiedenen Richtungen bildet.
Verfahren für den Entwurf nach Anspruch 17, wobei die Phase des Reflektionskoeffizienten in Schritt 1) definiert wird, so dass das Feld, das von dem Feed (110) kommt, reflektiert wird und einen kollimierten Strahl mit einer anderen Polarisation als der des einfallenden Feldes bildet.
Verfahren für den Entwurf nach den Ansprüchen 17, 18 oder 20, wobei die Phase des Reflektionskoeffizienten in Schritt 1 definiert wird, so dass das Feld, das von dem Feed (110) oder den Feeds (110, 111) kommt, reflektiert wird und, anstelle eines kollimierten Strahls, einen konformen Strahl bildet.
Verfahren für den Entwurf nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Phase des Reflektionskoeffizienten in Schritt 1) definiert wird, so dass das Feld, das von dem Feed (110) kommt, reflektiert wird und mehrere kollimierte Strahlen in verschiedenen Richtungen bildet.