DE68912105T2

DE68912105T2 - Antennen-laminierungstechnik.

Info

Publication number: DE68912105T2
Application number: DE89909073T
Authority: DE
Inventors: Norman Alfing
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-08-18
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-06-24
Also published as: JPH0671172B2; CA1333503C; EP0383880A1; IL90800A; AU4048189A; DE68912105D1; JPH03501914A; US4983237A; ES2015448A6; EP0383880B1; KR900702593A; WO1990002427A1; KR920009217B1; AU626318B2

Description

Diese Anmeldung beinhaltet Sachverhalte, welche der anhängigen Anmeldung mit dem Titel "TDD Antenna - Foil Formed, Substrat Loaded Laser Welded Assembly" zugeordnet sind und welche am 19. Mai 1986 von N. Alfing und Bob Breithaupt mit der Serien-Nr. 864,221 eingereicht worden ist.
Diese Erfindung betrifft Antennensysteme und insbesondere Techniken zum Laminieren eines dielektrischen Substrates an ein Antennen-Gehäuse.
Herkömmliche Antennengestaltungen wie diejenigen, die in Flugkörpern verwendet werden, haben häufig große und unhandliche Strukturen, welche innerhalb des Flugkörpers angeordnet werden. Abgesehen davon, daß sie unhandlich sind, müssen diese Antennen so ausgelegt werden, daß sie sowohl durch einen Luftraum, als auch durch die Hülle des Flugkörpers abstrahlen. Das Ergebnis ist, daß derartige Antennensysteme oft uneffizient sind.
Antennenanordnungen, welche in Flugkörpern Raum sparen und welche einfachere und weniger teuere Herstellungsanforderungen haben, wurden in einem bestimmten Umfang in den folgenden US-Patenten beschrieben, auf deren Inhalt hier vollinhaltlich Bezug genommen wird: US-PS 3,798,652 (Williams); US-PS 4,010,470 (Jones); US-PS 4,431,996 (Milligan); US-PS 4,494,121 (Walter et al); und US-PS 4,516,131 (Bayha). Die oben genannten Druckschriften stellen Beispiele aus dem Stand der Technik dar und offenbaren Antennensysteme, welche in Flugkörpern, Projektilen und Radomen von Flugzeugen verwendet werden. Selbst bei diesen Beispielen ist die Herstellung der Antennenanordnungen zur Verwendung in Flugkörpersystemen typischerweise vergleichsweise teuer, da Verfahrensschritte vorhanden sind, welche Ätzen, maschinelles Bearbeiten und eine Anzahl von Platierungsvorgängen beinhalten.
Um diese Probleme zu lösen, wurde eine Ausgestaltung einer Antennenanordnung entwickelt, welche vereinfachte Herstellungsanforderungen hat und einen verringerten Platzbedarf hat. Diese Erfindung ist in der oben genannten anhängigen Anhängung (TDD Antenna - Foil Formed, Substrate Laser Welded Assembly") beschrieben. Diese Anmeldung offenbart eine Antenne, welche durch Herstellen eines Umhüllungsgehäuses unter Verwendung eines Prägedruckvorganges hergestellt wird. Dieses Gehäuse kann aus unterschiedlichen Materialien wie Aluminium oder rostfreiem Stahl sein. Ein Dielektrikum mit einer Last und einem Anschluß paßt in das Gehäuse hinein. Danach wird ein Rückenverschluß auf die Anordnung aufgebracht und die Einheit durch Laserschweißen verschlossen.
Die obige Ausgestaltung erlaubt die Herstellung des Gehäuses welches zu bauen ist, wobei die Antenneneigenschaften eingebaut sind und sie ist einfacher und weniger teuer als bisherige Ausgestaltungen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine enge Anlage zwischen dem Dielektrikum und dem Gehäuse längerfristig nicht aufrechterhalten werden kann. Dies führt zu einem Luftspalt zwischen dem Dielektrikum und dem offenen Gehäuse. Dieser Luftspalt bringt Änderungen des Antennenfrequenz (RF) Musters. Das Ergebnis ist eine Verzerrung des RF-Signals.
Temperatur-Änderungen machen das Problem der Abtrennung voneinander noch schlimmer. Wenn die Antennenanordnungen in den Innenraum eines Flugkörpers eingebaut werden, werden sie in ein Epoxy-Material gehüllt, welches bei hohen Temperaturen ausgehärtet werden muß. Diese Aushärttemperatur kann beispielsweise oberhalb 191ºC (375ºF) liegen. Wird die Antennenanordnung diesen Temperaturen unterworfen, führt dies zu einer Abtrennung des Dielektrikums von dem Gehäuse. Übliche Verfahren wie die Verwendung eines Haftmaterials, um das Dielektrikum an das Gehäuse anzubringen sind nicht allgemein geeignet. Dies deshalb, als das Haftmaterial selbst einen nicht annehmbaren Spalt zwischen dem Dielektrikum und dem Gehäuse erzeugen würde.
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Anbringen des Dielektrikums an einem Antennengehäuse zu haben, mit welchem ein enger Kontakt zwischen den beiden Materialien über einen weiten Temperaturbereich hinweg aufrecht erhalten werden könnte, beispielsweise zwischen 316ºC (600ºF) und -54ºC (-65ºF). Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, diesen Wunsch zu befriedigen.
Es ist bekannt, beispielsweise aus "Microwave Materials and Fabrication Techniques", Thomas S. Laverghetta, 1984, Artech House, Dedham, MA, USA, über einfache Druckplatten Wärme und Druck aufzubringen um Kupfer mit einem dielektrischem Material zu laminieren. Die vorliegende Erfindung schafft jedoch einen unterschiedlichen Prozeß zum Aufbringen von Wärme und Druck, um die Laminierung zu bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren geschaffen zum Laminieren einer Antennenanordnung mit dem Schritt des Herstellens einer Antennenanordnung mit bestimmten Abmessungen, die ein ein dielektrisches Substrat umgebendes Hohlleitergehäuse aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Herstellen einer Befestigung mit einem Hohlraum mit Abmessungen, die ungefähr den Abmessungen der Antennenanordnung entsprechen;
Einfügen der Antennenanordnung in die Befestigung; Festmachen einer oberen Platte an der Befestigung über dem die Antennenanordnung enthaltenden Hohlraum, wodurch die Anordnung auf allen ihren Seiten begrenzt wird; Zuführen ausreichender Wärme zu der Befestigung, um zu bewirken, daß das dielektrische Substrat klebrig wird und sich ausdehnt, wodurch zwischen dem dielektrischem Substrat und dem Hohlleitergehäuse Druck ausgeübt wird; und Abkühlen lassen der Befestigung, wodurch das dielektrische Substrat am Hohlleitergehäuse laminiert wird.
Die sich ergebende Antennenanordnung kann dann hohen Temperaturextremen ohne Abtrennung des Dielektrikums von dem Gehäuse widerstehen. Da ein enger Kontakt zwischen dem Dielektrikum und dem Gehäuse vorliegt, wird das von der Antenne getragene RF-Signal frei von Verzerrungen sein, welche Luftspalte sonst einbringen.
Die verschiedenen Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann auf diesem Gebiet aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die nachfolgende Zeichnung:
Fig. 1a ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der wesentlichen Bauteile der Antennenanordnung;
Fig. 1b ist eine perspektivische Darstellung der zusammengebauten Antenne;
Fig. 2 ist eine Darstellung der Antennenanordnung innerhalb der laminierten Befestigung; und
Fig. 3 ist eine abgebrochene perspektivische Schnittdarstellung entlang Linie 3-3 in Figur 2 der Laminierhalterung mit der angebrachten Abdeckung;
Fig. 4 ist eine abgebrochene perspektivische Schnittdarstellung entlang Linie 4-4 in Figur 1b der Antennenanordnung zur Darstellung der laminierten Oberflächen.
Figur 1a ist eine zeichnerische Darstellung einer Antennenanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. In Figur 1a ist ein geformter Hohlleiter 12 dargestellt. Dieser Hohlleiter 12 bildet ein Umhüllungsgehäuse, welches die Antennenbauteile beinhaltet. Der Hohlleiter 12 wird durch Stempeldruck-Herstellungstechniken gebildet. Er kann aus einer Anzahl von Materialien einschließlich Aluminium und rostfreiem Stahl hergestellt werden.
Ebenfalls in Figur 1a ist das Dielektrikum 14 dargestellt. Dieses Dielektrikum 14 ist die Last des Antennenelementes. Das Dielektrikum ist gekennzeichnet durch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit. Es kann aus einer Anzahl von Materialien wie beispielsweise "Duroid" hergestellt werden, welches von der Rogers Corporation in Phoenix, Arizona hergestellt wird. Weiterhin ist eine Ferrit-Last 16 an einem Ende des Dielektrikums 14 angebracht. Diese Ferrit-Last 16 absorbiert RF-Energie. Ein metallischer elektrischer Verbinder 18 ist am anderen Ende des Dielektrlkums 14 angebracht und steht von diesem Ende vor.
Die Hohlleiter-Grundplatte 20 ist ebenfalls in Figur 1a dargestellt. Diese Grundplatte 20 schließt zusammen mit dem Gehäuse 12 das Dielektrikum 14 ein. Die Grundplatte 20 hat eine Öffnung 22, welche mit dem elektrischen Verbinder 18 des Dielektrikums fluchtet, um es zu ermöglichen, das Dielektrikum elektrisch mit einem Sender oder Empfänger zu verbinden. Zum Zusammenfügen der Antenne wird das Hohlleitergehäuse 12 auf die Oberseite des Dielektrikums 14 aufgelegt und die Grundplatte 20 an der Bodenseite des Dielektrikums 14 angeordnet. Die Grundplatte 20 und das Hohlleitergehäuse 12 werden dann durch eine geeignete Vorrichtung miteinander verbunden. Beispielsweise kann das Hohlleitergehäuse 12 durch Laserschweißen mit der Grundplatte 20 verbunden werden. Die Antennenanordnung kann aus einzelnen dielektrischen Elementen gemäß Figur 1a aufgebaut sein, oder parallele Doppelelemente können ebenfalls verwendet werden. Figur 1b zeigt die Antennenanordnung vor dem Laminierprozeß.
Figur 2 und Figur 3 zeigen die Laminierhalterung 24. Die Laminierhalterung weist einen Bodenbereich 26 und eine obere Platte 28 auf. Ein innerer Hohlraum 30 in dem Bodenbereich 26 hat die fertige Größe der gewünschten Antennenabmessungen plus einer Toleranz für ein leichtes Schrumpfen der Anordnung. Diese Toleranz kann beispielsweise 0,051 mm (0,002 inch) bei einer Breite von 25,4 mm (1 inch) betragen.
Wenn die Antennenanordnung 10 innerhalb des Bodenbereichs 26 der Halterung eingesetzt wird, wird die Antennenanordnung auf fünf Seiten gehalten. Die obere Platte 28 wird dann auf die Oberseite des Bodenbereichs 26 aufgesetzt und die sechste verbleibende Seite der Antennenanordnung wird dann ebenfall gehalten. Der Verbinder 18 steht jedoch durch die obere Platte 28 vor. Befestigungsmittel 32 werden dann verwendet, die obere Platte 28 leicht mit dem Bodenbereich 26 zu verspannen. Beispielsweise kann ein Drehmoment von 1,13 Nm bis 1,7 Nm (10 bis 15 inch pounds) verwendet werden.
Die Laminierhalterung 24, welche die Antennenanordnung 10 beinhaltet, wird dann erwärmt. Dies kann bewerkstelligt werden durch Einführen der Halterung 24 in einen Ofen. In einer erfindungsgemäßen Ausführungform wird die Temperatur überwacht und die die Antennenanordnung 10 enthaltende Halterung 24 auf eine Temperatur von 274 bis 279ºC (525 bis 535ºF) erwärmt und dort für 15 Minuten gehalten. Die genaue Temperatur und Erwärmungsdauer ändert sich abhängig von den für das Dielektrikum 14, dem Hohlleitergehäuse 12 und der Grundplatte 20 verwendeten Materialien. Nach 15 Minuten bei der gewünschten Temperatur wird die Anordnung abgekühlt.
Während des Erwärmungsprozesses wird das Dielektrikum 14 leicht plastisch oder verformbar. Weiterhin ist der Ausdehnungskoeffizient des Dielektrikums 14 sehr hoch. Im Ergebnis wird während des Erwärmungsprozesses, da die Antennenanordnung 10 auf allen Seiten von der Halterung 24 begrenzt ist, eine hohe Kraft zwischen dem Dielektrikum 14 und sowohl dem Hohlleitergehäuse 12 als auch der Grundplatte 20 aufgebracht. Dies führt zu einem Ankleben des Dielektrikums 14 an dem Hohlleitergehäuse 12 und der Grundplatte 20. Es wird angenommen, daß die Anklebung entweder von chemischen oder mechanischen Prozessen oder von beiden hiervon herrührt, welche von der Kombination von Temperatur und Druck an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum 14 und Hohlleitergehäuse 12 erzeugt werden. Figur 14 zeigt die vier Oberflächen 33a bis 33d des Dielektrikums 14, wobei das Hohlleitergehäuse 12 an den Flächen 33a, 33b und 33c anliegt und wobei das Dielektrikum 14 und das Hohlleitergehäuse 20 an der Oberfläche 33d aneinander liegen, wobei als Ergebnis des obigen Prozesses hierbei eine Laminierung erfolgt.
Antennenanordnungen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind in der Lage, hohen Temperaturen ohne einem Ablösen des Dielektrikums 14 von dem Hohlleitergehäuse 12 und der Grundplatte 20 zu widerstehen. Beispielsweise wurden Antennenanordnungen getestet und sie arbeiten oberhalb von 316ºC (600ºF) und herunter bis zu -54ºC (-65ºF).

Claims

1. Verfahren zum Laminieren einer Antennenanordnung (10), das folgenden Schritt umfaßt:

Herstellen einer Antennenanordnung (10) mit bestimmten Abmessungen, die ein ein dielektrisches Substrat (14) umgebendes Hohlleitergehäuse (12, 20) aufweist;

gekennzeichnet durch die Schritte:

Herstellen einer Befestigung (26) mit einem Hohlraum (30) mit Abmessungen, die ungefähr den Abmessungen der Antennenanordnung (10) entsprechen;

Einfügen der Antennenanordnung (10) in die Befestigung (26);

Festmachen einer oberen Platte (28) an der Befestigung (26) über dem die Antennenanordnung (10) enthaltenden Hohlraum (30), wodurch die Anordnung (10) auf allen ihren Seiten begrenzt wird;

Zuführen ausreichender Wärme zur Befestigung (26), um zu bewirken, daß das dielektrische Substrat (14) klebrig wird und sich ausdehnt, wodurch zwischen dem dielektrischen Substrat (14) und dem Hohlleitergehäuse (12, 20) Druck ausgeübt wird; und

der Befestigung (26) ein Abkühlen ermöglichen, wodurch das dielektrische Substrat (14) am Hohlleitergehäuse (12, 20) laminiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Erwärmung der Befestigung (26) aufweist:

Erhöhen der Wärmemenge, bis die Temperatur 274 ºC bis 279 ºC (525 ºF bis 535 ºF) erreicht;

relatives Konstanthalten der Temperatur für ungefähr 15 Minuten, bevor der Befestigung (26) das Abkühlen erlaubt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Schritt des Festmachens der oberen Platte (28) den Schritt des Eindrehens von Schrauben auf der oberen Platte (28) mit 1.13 Nm bis 1.70 Nm (10 bis 15 Inch Pounds) umfaßt.