DE69431942T2

DE69431942T2 - Verfahren zur Herstellung einer ebenen Antenne

Info

Publication number: DE69431942T2
Application number: DE1994631942
Authority: DE
Inventors: Loic Demeure; Yvonne Garnier; Ala Sharaiha; Anne-Claude Tarot
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2014-10-27
Also published as: DE69431942D1; FR2711845A1; EP0651458A1; FR2711845B1; EP0651458B1; JPH07183722A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Verfahren zur Herstellung einer Flachantenne.

Stand der Technik

Die Erfindung liegt im Bereich des großen Marktes der Telekommunikation. Seit einigen Jahren nämlich ist der einmalige Beginn eines neuen Telekommunikationsdienstes festzustellen, jener der Verbindungen mit mobilen Endgeräten, die gegenwärtig "Mobiltelefone" genannt werden. Diese Verbindungen sind sowohl für Verbindungen von Festnetzsystemen mit Mobiltelefonen als auch für die Verbindungen zwischen Mobiltelefonen zu beachten.
Solche Verbindungen wurden durch den enormen Fortschritt möglich, der auf dem Gebiet der Elektronik erzielt worden ist, insbesondere auf jenem der integrierten Bauteile (M.M.I.C.) und jenem der Energiequellen (Batterie-Zellen).
Bei einem Verbindungsgerät ist die Antenne die am stärksten sichtbare äußere Untereinheit, und häufig die platzaufwendigste. Für eine immer größere Diskretion muß sie immer bessere Leistungsfähigkeit aufweisen, sowie immer niedrigere Kosten.
Nach intensiver Recherchearbeit an Universitäten ebenso wie in den Industrien der am weitesten entwickelten Länder, ist festgestellt worden, daß die sogenannten "gedruckten" oder "flachen" Antennen die bestmögliche Lösung darstellen.
Die Eigenschaften einer Antenne hängen von der gewählten Technologie ab. Die Herstellung von Flachantennen impliziert die Verwendung von Trägern, die geringe Verluste sowie eine möglichst kleine Dielektrizitätskonstante aufweisen. Diese Träger können aus organischen Materialien hergestellt werden, die solche Eigenschaften aufweisen. Besonders vorteilhafte organische Materialien sind solche, die eine expandierte Form aufweisen, oder "Schäume". Die Dielektrizitätskonstante dieser letztgenannten ist sehr nahe an jener von Luft, und ihre geringen Verluste erlauben eine beträchtliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Antennen, insbesondere für Frequenzen in der Nähe von 1 GHz, oder von einigen GHz. Für andere Frequenzbereiche ist auch die Verwendung nicht-expandierter organischer Träger möglich.
Bis heute werden die verschiedenen verfügbaren Schäume als Zwischenschicht zwischen mehreren Leiterebenen verwendet und mechanisch gehalten, um
- als Dielektrikum;
- als Radom;
- als Versteifung
zu dienen.
Solche Realisierungen implizieren jedoch eine bestimmte Zahl von Beschränkungen, und zwar wegen der Bestandteile, die man präzise zusammenfügen muß, und die nicht unbedingt einen sehr leichten Zusammenbau ermöglichen.
Zudem möchten Antennenentwerfer gegenwärtig über eine Technologie verfügen, bei der die Leiterebenen direkt mit dem Schaum verbunden und selektiv abgelagert sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein solches Problem zu lösen.
Nachfolgend werden verschiedene Dokumente des Stands der Technik analysiert werden.
Die WO 93/09577 beschreibt verschiedene Typen terrestrischer Antennen, die dazu ausgelegt sind, Funksignale direkt zu oder von Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn zu senden bzw. zu empfangen, und insbesondere eine Antenne, gebildet durch Elemente umfassend jeweils leitende Schichten, die auf beiden Seiten einer Schaumschicht angeordnet sind.
Die US-A-4937585 beschreibt eine Antenne, umfassend ein Substrat aus Polyethylenschaum, eine Materialebene auf einer Fläche des Substrats, sowie Strahlungselemente, die auf einer Kunststoffschicht abgelagert sind, die aus Polypropylen gefertigt sein kann, und die an der Substratoberfläche haftet. Die Ablagerung der Strahlungselemente erfolgt mittels eines Serigrafieverfahrens auf der Kunststoffschicht, und die Schicht wird anschließend auf dem Schaumsubstrat angebracht.

Erläuterung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer sogenannten Flachantenne gemäß Anspruch 1.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann der Träger vorher geformt werden.
Man kann auf wenigstens einer der Flächen der Antenne eine (oder mehrere) Schicht(en) aus metallisierten Trägermaterialien vorsehen, wobei man eine (oder mehrere) Lage(n) aus haftendem organischem Material zwischenfügt. Die Schicht aus haftendem organischem Material kann Polypropylen oder ein Polypropylen- Kopolymer sein. Das Aneinanderfügen der Schichten erfolgt durch Heiß-Pressen oder -Kalandrieren.
Vorzugsweise ist der Schaum ein Schaum aus Polymethacrylimid.
Die erfindungsgemäße Antenne kann auf wenigstens einer ihrer Flächen eine (oder mehrere) Schicht(en) aus metallisierten Trägermaterialien umfassen, wobei man eine (oder mehrere) Lage(n) aus haftendem organischem Material zwischenfügt.
Die erfindungsgemäße Antenne kann elektrische Verbindungen zwischen Leiterebenen umfassen, die mit Hilfe einer leitfähigen Masse hergestellt sind, oder durch irgendeinen anderen Typ von leitfähigem Material.
Vorzugsweise ist das Radom eine Schicht aus organischem Schaum oder eine Schicht aus Polypropylen oder aus Polypropylen-Kopolymer, oder ein Schutzharz.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 bis 7 erläutern verschiedene Eigenschaften der Erfindung;
Die Fig. 8A und 8B, 9A und 9B erläutern zum Verständnis der Erfindung nützliche Beispiele.

Detaillierte Erläuterung von Ausführungsbeispielen

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung gedruckter Antennen durch selektive Ablagerung einer leitenden Schicht entweder:
- auf einem organischen Schaum, oder
- auf einem nicht-expandiertem Polymer, oder
- auf einer Lage, die Schaum und nicht-expandiertes Polymer verbindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt auch die Herstellung von Mehrschichtschaltungsantennen durch Zusammenfügen von oben definierten Elementen, ebenso wie die Herstellung von Verbindungen zwischen leitenden Schichten, die in verschiedenen Ebenen Liegen. Es ermöglicht die Herstellung der Antennen, wobei man dort direkt ein Schutzradom oder jedes andere Element wie z. B. einen Polarisator vorsieht, und zwar in homogener Form.
Erfindungsgemäß besteht die zur Herstellung dieser Antennen verwendete Technik in einer Ablagerung von metallischen Produkten auf einem Trägermaterial, die direkt die Geometrie der leitenden Bereiche der Schaltungen definiert. Auf diese Ablagerung folgen im allgemeinen Maßnahmen zur Transformation dieser metallischen Produkte, deren Ziel es ist, daß sie an den Trägermaterialien haften und gut leiten. Dies kann durch Serigrafie, Tamponieren, Spritzen oder jede andere. Ablagerungsart erfolgen. Ebenso kann eine Behandlung erfolgen, die dazu führt, der Ablagerung ihre Leitfähigkeit zu verleihen, beispielsweise eine thermische Behandlung, die Anwendung verschiedener Strahlen: infrarot, ultraviolett....
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Ablagerung beispielhaft durch Serigrafie erfolgen, auf die eine thermische Behandlung folgt.

Herstellen von Antennen auf organischem Schaum

Bei einem bereits aus dem Stand der Technik bekannten Beispiel, das in Fig. 1 erläutert wird, ist bei einer Verwendung im Radiofrequenzbereich die Wahl des Schaums als Trägermaterial 10 zunächst durch die Suche nach interessanten elektrischen Eigenschaften bestimmt: eine geringe Dielektrizitätskonstante nahe bei 1 sowie geringe Verluste kleiner als 10&supmin;³. Der Schaum muß ein Hartschaum sein, der Temperaturen wenigstens gleich den Brenntemperaturen der Massen aushält, die zwischen 120ºC und 200ºC enthalten sind.
In bestimmten Fällen ist es interessant, wie in Fig. 3 erläutert ist, dem Schaum eine besondere Form zu geben, bevor man zur selektiven Ablagerung der leitenden Bereiche 11 übergeht. Das Formen des Schaums kann durch sein Kalt- oder Heiß- Pressen in einer geeigneten Form erfolgen, oder durch mechanische Bearbeitung.
Die zu serigrafierende leitfähige Masse 11 ist durch metallische Elemente in Suspension in einem organischen Lösungsmittel gebildet. Ihre Auswahl erfolgt anhand von zwei wesentlichen Kriterien:
- die erzielte Ablagerung muß am Ende die bestmögliche Leitfähigkeit besitzen;
- ihre verschiedenen Bestandteile müssen kompatibel zu der Art des Schaums sein.
Andere Faktoren können bei der Auswahl dieser leitfähigen Masse eine Rolle spielen, wie beispielsweise die Möglichkeit, eine gute Definition der hergestellten Schaltungen oder eine gute Lötbarkeit zu erhalten, etc.
In einem Ausführungsbeispiel werden die Schaltungen durch Serigrafie hergestellt. Da es sich jedoch um für hohe Frequenzen bestimmte Schaltungen handelt, müssen bestimmte Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden: Es ist erforderlich, die bestmögliche Definition der Geometrien sowie eine gute Gleichmäßigkeit der Dicke zu erhalten. Im Fall doppelseitiger Schaltungen ist die Präzision beim Ausrichten der Motive einer Seite zur anderen Seite des Schaums wichtig...
Die Oberfläche eines Schaums weist aufgrund seiner eigenen Natur häufig eine verhältnismäßig große Rauhigkeit auf, was die Präzision der Leiter beeinträchtigen kann. Wie in Fig. 2 dargestellt, erfolgt eine Ablagerung einer Isoliermasse, die eine gleichmäßige Schicht 12 bildet, auf einer oder zwei Flächen des Trägermaterials 10 aus Schaum, und zwar vor der Ablagerung der metallischen Produkte 11. Eine solche Schicht 12 hat die Auswirkung, den Zustand der Oberfläche zu verbessern. Die Isoliermasse muß derart gewählt sein, daß sie die elektrischen Eigenschaften des Trägers nicht oder möglichst wenig stört. Es kann von Interesse sein, das organische Lösungsmittel zu wählen, das die leitende Masse enthält. Nach der Polymerisierung dieser Isolierschicht erfolgt die Herstellung der Antenne mit der klassischen Serigrafietechnik.

Herstellung von Antennen auf Lagen aus Schaum - nicht-expandiertem thermoplastischen Polymer

Wenn angesichts der benötigten Antenneneigenschaften der Zustand der Schaumoberfläche störend ist, und wenn die Dielektrizitätskonstanten der nichtexpandierten Materialien zu hoch sind, findet man einen Kompromiß, indem man eine metallische Ablagerung 11 vornimmt auf einer Lage gebildet durch einen Schaum 10, der auf einer oder zwei Flächen durch ein nicht-expandiertes thermoplastisches Polymer 17 bedeckt ist, wie in Fig. 4 dargestellt. Diese Lage kann beispielsweise durch ein Heißpreßverfahren hergestellt werden.
Die Auswahl des Schaums erfolgt als Funktion der vorstehend definierten Kriterien. Hinzu kommt eine weitere Bedingung, nämlich jene, Drücke von einigen Bar bei einer Temperatur größer oder gleich 120ºC aushalten zu können.
Das thermoplastische Material wird wiederum als Funktion seiner geringen Dielektrizitätskonstante und seiner geringen Verluste gewählt. Außerdem muß seine Plastifizierungstemperatur kleiner als die Unter-Last-Verformungstemperatur des Schaums sein.
Die Wahl der leitfähigen Masse erfolgt gemäß den zwei oben definierten Kriterien.

Herstellung von Antennen umfassend mehrere dielektrische Niveaus gleicher Dielektrizitätskonstante oder verschiedener Dielektrizitätskonstanten

Ausgehend von Schaltungen, die gemäß den oben definierten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, ist es möglich, wie in Fig. 5 gezeigt, Mehrschichtschaltungen insbesondere durch Heiß-Pressen herzustellen.
Die Verbindung zwischen den verschiedenen Schaltungen erfolgt mittels eines thermoplastischen Films geringer Dicke 13, der gemäß den Auswahlkriterien für das Trägermaterial gewählt ist, wie sie oben definiert worden sind. Außerdem muß seine Plastifizierungstemperatur kleine als jene der vorstehend definierten Trägermaterialien sein. Sein Verwendungszyklus umfaßt eine Temperatur-Druck- Verbindung.
Wie in Fig. 6 erläutert, ist es möglich, leitende Verbindungen 15 zwischen den verschiedenen Leiterniveaus 11 zu realisieren. Diese Verbindungen können auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Weisen hergestellt werden, beispielsweise durch Metallisierung mit Hilfe leitender Massen, oder durch metallische Einsätze.
In einer beträchtlichen Zahl von Fällen benötigen die gedruckten Antennen einen Schutz vor der Umgebung mittels eines Radoms 16. Dieses kann mit Hilfe einer Schicht aus expandiertem oder nicht-expandiertem organischem Material hergestellt sein. Die Befestigung eines solchen Radoms auf der soeben beschriebenen Antenne kann, wie in Fig. 7 dargestellt, erfolgen, indem man die vorstehend beschriebene Technik zur Herstellung einer Antenne umfassend mehrere dielektrische Niveaus verwendet.
In einem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel stellt sich eine Antenne als eine doppelseitig gedruckte Schaltung dar, wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt.
Das Trägermaterial 20 ist ein Polymethacrylimid-Schaum mit einer Dichte von 51 kg/m³, der die folgenden, vom Hersteller gelieferten Eigenschaften besitzt:
Dielektrizitätskonstante bei 2,8 GHz und 20ºC: &epsi;r2 = 1,07
Tangens des Verlustwinkels: tgδ2 = 8.10&supmin;&sup4;
Dicke: h2 = 3 mm
Die metallischen Ablagerungen 21 und 22 erfolgen durch Serigrafie einer Masse, gebildet durch einen organischen Binder auf Basis von silberhaltiger Ethylzellulose, wie oben beschrieben. Die folgenden Eigenschaften gelten:
Leitfähigkeit: σ1 = σ = 50 mΩ/
mittlere Dicke: h1 = h3 = 40 um
Abmessungen der Masseebene: L1 = W1 = 160 mm
Abmessungen des Strahlungselements: L3 = W3 = 64 mm
Diese Antenne wird durch eine Koaxialsonde 23 versorgt, die auf der Mittelsenkrechten des Strahlungselements 21 in einem Abstand von 10,25 mm vom Zentrum angeordnet ist.
Diese Antenne sendet im Band L um 2 GHz. Ihre radioelektrischen Eigenschaften wurden gemessen und sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
Resonanzfrequenz 1,975 GHz
Paßband bei R.O.S. < 1,5 2,2%
Verstärkung 7,5 dB
Diese Ergebnisse ebenso wie die Strahlungsdiagramme sind vollständig vergleichbar mit jenen, die erhalten wurden mit Laborprototypen, welche mit Hilfe eines geklebten Kupferfilms hergestellt waren.
In einem weiteren zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel ist eine Antenne mit zwei gekoppelten Strahlungselementen auf einer Lage hergestellt, die Schaum und nicht-expandiertes Polymer verbindet. Die Antenne stellt sich als eine Zweischichtantenne dar, die wie in den Fig. 9A und 9B gezeigt hergestellt ist.
Die das obere Strahlungselement bildende metallische Ablagerung 31 ist durch Serigrafie einer Masse hergestellt, gebildet durch einen organischen Binder auf Basis von silberhaltiger Ethylzellulose, wie vorstehend beschrieben:
Dicke h = ungefähr 40 um
Leitfähigkeit = 50 mΩ/
L4 = W4 = 74 mm
Das Trägermaterial 30 ist ein Polymethacrylimid-Schaum mit einer Dichte von 51 Kg/m³, der die folgenden Eigenschaften besitzt:
&epsi;r5 = 1,07
tgδ5 = 8.10&supmin;&sup4;
h5 = 10 mm
Die Schicht 32 ist eine sehr dünne Schicht aus nicht-expandiertem Polymer mit einer Dicke von h6 = 20 um und Abmessungen von 200 · 200 mm.
Die Schicht 33 ist eine Polypropylenschicht, deren Eigenschaften wie folgt sind:
&epsi;r7 = 2,2
Tfδ7 = 10&supmin;&sup4;
h7 = 1,6 mm
L7 = W7 = 200 mm
Die metallischen Ablagerungen 34 und 35, die das zweite Strahlungselement bzw. die Masseebene bilden, sind mit Hilfe eines Kupferbands mit einer Dicke von 20 um hergestellt. Ihre jeweiligen Abmessungen sind wie folgt:
L8 = W8 = 64 mm
L9 = W9 = 200 mm
Die Antenne wird auf der Diagonale durch eine Sonde 36 im Bereich des unteren Leiters 34 in einem Abstand von 41 mm vom Zentrum versorgt.
Diese Antenne sendet im Band L um 1,5 GHz herum. Ihre Eigenschaften wurden gemessen und sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:
Resonanzfrequenz 1,490-1,640 GHz
Paßband bei R.O.S. < 1,5 11,5%
Verstärkung 9,52 dB
Öffnung bei 3dB, Ebenen E und H 60º
Dieser Antennentyp kann vollständig hergestellt werden mit allen Leiterniveaus, die mit Hilfe von serigrafierter Silbermasse erhalten sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer sogenannten Flachantenne, die bei einer Frequenz von einigen Ghz arbeitet und wenigstens eine Schaltungsschicht umfaßt, wobei man für jede Schaltungsschicht eine Metallisierung durch direkte Ablagerung einer Schicht aus leitfähigem Material (11) auf wenigstens einer Oberfläche oder einem Teil derselben eines Trägers aus organischem Material vornimmt, was die leitfähigen Bereiche dieser Schaltung definiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger vor der direkten Ablagerung durch eine Lage gebildet ist, die aus einer Schaumschicht (10) besteht, welche auf wenigstens einer ihrer zwei Flächen mit einer Schicht aus nicht-expandiertem, organischen Material (17) bedeckt ist, wobei die Ablagerung der Schicht aus leitfähigem Material auf der Schicht aus nicht-expandiertem, organischen Material erfolgt, und daß das organische Material eine Dielektrizitätskonstante kleiner als 2,5 und Verluste unterhalb von 10&supmin;³ aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das leitfähige Material durch eine leitfähige Masse mit einem organischen Binder auf Basis von silberhaltiger Ethylcellulose gebildet ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem man Maßnahmen zur Transformation der Schicht aus leitfähigem Material (11) durchführt, die dazu führen, daß sie am Träger haftet und gut leitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Träger aus organischem Material vorher geformt wird, bevor man die selektive Ablagerung der Schicht aus leitfähigem Material (11) vornimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem man auf wenigstens einer der Flächen der Antenne eine (oder mehrere) Schicht(en) aus metallisierten Trägermaterialien (11) vorsieht, wobei man eine (oder mehrere) Lage(n) aus haftendem organischen Material (13) zwischenfügt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem jede Schicht aus haftendem, organischen Material Polypropylen oder ein Polypropylen-Copolymer ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem das Aneinanderfügen der Schichten durch Heiß-Pressen oder -Kalandrieren erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem man elektrische Verbindungen (15) zwischen Leiterebenen (11) mit Hilfe einer leitfähigen Masse herstellt, die aus einem organischen Binder auf Basis von silberhaltiger Ethylcellulose gebildet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem man ein Radom (16) ablagert, das gebildet ist aus einer Schicht aus organischem Schaum, aus Polypropylen, aus Polypropylen-Copolymer oder aus einem Schutzharz, die an einer der Außenflächen der Antenne haftet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum ein Schaum aus Polymethacrylimid ist.