EP0325702A1 - Microstrip antenna - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikrostreifenleiterantenne (Mikrostripantenne), die insbesonders für Luft- und Raumfahrtanwendungen vorgesehen ist.The invention relates to a microstrip antenna (microstrip antenna), which is intended in particular for aerospace applications.
Mikrostreifenleitungsantennen besitzen vorteilhafte Eigenschaften - wie flacher Aufbau, kostengünstige und genaue Herstellung der Strahlergeometrie mit lithografischen Verfahren, mögliche Realisierung des Speisenetzwerkes für Gruppenantennen auf dem gleichen Substrat -, die diese Antennenform für Gruppenantennen und insbesondere für aktive Gruppenantennen attraktiv erscheinen lassen. Andererseits wirkt sich der in der konventionellen Bauform geringe Abstand zwischen Strahler und leitender Grundplatte nachteilig auf den Strahlerwirkungsgrad und die zulässigen Abmessungs- und Stoffkonstantentoleranzen aus.Microstrip line antennas have advantageous properties - such as a flat structure, cost-effective and precise manufacture of the radiator geometry using lithographic processes, possible implementation of the feed network for group antennas on the same substrate - which make this antenna shape appear attractive for group antennas and especially for active group antennas. On the other hand, the small distance between the radiator and the conductive base plate in the conventional design has a negative effect on the radiator efficiency and the permissible dimensional and material tolerances.
Eine Vergrösserung des Abstandes durch Verwendung eines dickeren Substratmaterials hat den Nachteil eines vergrösserten Gewichts. Der Anteil der in Obeflächenwellen geführten Leistung wird mit zunehmender Dicke des Substratmaterials grösser, was wiederum den Wirkungsgrad verringert und das Strahlungsdiagramm verschlechtert.An increase in the distance by using a thicker substrate material has the disadvantage of an increased weight. The proportion of the power conducted in surface waves increases with increasing thickness of the substrate material, which in turn reduces the efficiency and worsens the radiation pattern.
Wird ein dickes Substrat geringer Dichte oder ein mehr schichtiges, dickes Substrat unter Verwendung von Luft bzw. Vakuum oder einem Material geringer Dichte, wie z.B. Schaum oder Wabenmaterial, benutzt, so wird der Oberflächenwellenanteil geringer. Gleichzeitig tritt jedoch eine verstärkte unerwünschte Abstrahlung durch die Speiseleitungen auf. Die Einspeisung der elektrischen Leistung ist durch den grossen Abstand zwischen Strahlerebene und Grundplatte problematisch und führt zu weiterer unerwünschter Abstrahlung. Die genaue Einhaltung des Abstandes zwischen Strahlerebene und Grundplatte erfordert insbesondere bei zusammengesetztem Substrat unter Verwendung von Luft beziehungsweise Vakuum eine Stützkonstruktion. Für aktive Antennen, insbesondere für Raumfahrtantennen, wird zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit von den auf der Grundplatte angeordneten Sende-/Empfangsmodulen zur Antennenvorderseite benötigt. Diese ist bei Substraten geringer Dichte nicht gegeben, insbesondere dann nicht, wenn das Substat einen Vakuumbereich enthält.Becomes a thick substrate of low density or more layered, thick substrate using air or vacuum or a low-density material, such as foam or honeycomb material, the surface wave content is lower. At the same time, however, there is increased unwanted radiation from the feed lines. The feeding of the electrical power is problematic due to the large distance between the radiator level and the base plate and leads to further undesired radiation. The exact maintenance of the distance between the radiator level and the base plate requires a support structure, in particular when the substrate is assembled using air or vacuum. For active antennas, in particular for aerospace antennas, good thermal conductivity from the transmitter / receiver modules arranged on the base plate to the antenna front is also required. This is not the case with low-density substrates, especially not if the substrate contains a vacuum area.
Aus der DE-OS 28 16 362 ist eine Mikrostreifenleiterantenne bekannt, die zur Erzielung von Resonanzeffekten aus einer Vielzahl kleiner Hohlraumresonatoren besteht. Die Hohlräume sind dadurch gebildet, dass die Strahler einen gewissen Abstand zur Grundplatte haben. Der Problemkreis:
Wirkungsgrad - Gewicht - Wärmeableitung ist nicht angesprochen.From DE-OS 28 16 362 a microstrip antenna is known which consists of a large number of small cavity resonators to achieve resonance effects. The cavities are formed in that the radiators are at a certain distance from the base plate. The problem area:
Efficiency - weight - heat dissipation is not addressed.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikrostreifenleiterantenne für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad, sehr geringes Gewicht, mechanische Steifigkeit, geringe Streustrahlung (Streifenleiterverluste) und gute Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Antennenfläche vereinigt.The object of the invention is to provide a microstrip antenna for aerospace applications which combines high efficiency, very low weight, mechanical rigidity, low stray radiation (stripline losses) and good thermal conductivity perpendicular to the antenna surface.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst von einer Mikrostreifenleiterantenne mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Ausführungen der Erfindung und Herstellungsverfahren sind Gegenstände von abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by a microstrip antenna with the features of the independent claims.
Embodiments of the invention and manufacturing methods are the subject of dependent claims.
Die Erfindung vergrössert den Wirkungsgrad und die Bandbreite sowie die Toleranzunempfindlichkeit con Mikrostreifenleitungsstrahlern. Das Speiseleitungssystem bleibt dabei wegen der höheren kapazitiven Kopplung mit der Grundplatte weitgehend abstrahlungsfrei. Die Oberflächenwellenanregung wird nicht verstärkt. Das Gewicht der Antenne bleibt gering. Eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Antennenfläche ist gegeben, da die Antenne - außer unter den Strahlerelementen - sehr dünn ausgelegt sein kann.The invention increases the efficiency and the bandwidth as well as the tolerance insensitivity of microstrip line radiators. The feed line system remains largely radiation-free due to the higher capacitive coupling to the base plate. The surface wave excitation is not amplified. The weight of the antenna remains low. Adequate thermal conductivity perpendicular to the antenna surface is given, since the antenna - except under the radiator elements - can be made very thin.
Kern der Erfindung ist der grössere Abstand zwischen Strahler und Grundplatte gegenüber der Substratdicke nur im Bereich unterhalb der Strahler. Diese Abstandsvergrösserung kann durch Verformen der Grundplatte (Wannenstruktur) oder des Substrats (Mesa-Struktur) erreicht werden. Der entstehende Zwischenraum zwischen Substrat und Grundplatte kann vakuum- oder luftgefüllt bleiben oder mit einem Dielektrikum, zum Beispiel einem Schaum- oder einem Wabenmaterial, zur mechanischen Versteifung gefüllt sein.The essence of the invention is the greater distance between the radiator and the base plate compared to the substrate thickness only in the area below the radiator. This increase in distance can be achieved by deforming the base plate (tub structure) or the substrate (mesa structure). The resulting space between the substrate and the base plate can remain filled with vacuum or air or can be filled with a dielectric, for example a foam or a honeycomb material, for mechanical stiffening.
Die Erfindung erlaubt es, die gegenläufigen Forderungen für hohen Wirkungsgrad und grosse Bandbreite der Strahlerelemente einerseits - nämlich grosser Abstand zwischen Strahler und Grundplatte bei kleiner Dielektrizitätszahl - sowie für Abstrahlungsfreiheit (geringe Streifenleiterverluste) und leichte Ankoppelbarkeit der Speiseleitungen an die Leistungszuführung andererseits - nämlich geringe Substrat dicke bei mittlerer bis hoher Dielektrizitätszahl - auf einem Substrat zu vereinigen. Gleichzeitig bleibt das Gewicht gering und eine Wärmeleitung von der Grundplatte zur Strahlerebene ist gewährleistet. Die Antenne ist durch die Erhebungen oder Vertiefungen leicht und doch mechanisch stabil.The invention makes it possible to meet the opposing requirements for high efficiency and wide bandwidth of the radiator elements on the one hand - namely a large distance between the radiator and base plate with a low dielectric constant - and for freedom from radiation (low stripline losses) and easy coupling of the feed lines to the power supply on the other hand - namely low substrate thickness with medium to high dielectric constant - to combine on a substrate. At the same time, the weight remains low and heat conduction from the base plate to the radiator level is guaranteed. Due to the elevations or depressions, the antenna is light and yet mechanically stable.
Die Anpassung des Wellenwiderstands erfolgt bevorzugt dort, wo der Abstand zwischen der oberseitigen Leitung und der Grundplatte geändert wird (also bei e). Daß die Anpassungsleitungen und das Speiseleitungsnetzwerk in einer bevorzugten Ausführung auf der Substratoberseite angeordnet sind, hat den Vorteil, daß die Herstellung in einem Arbeitsgang erfolgen kann. Dadurch, daß keine Übergänge erforderlich sind, können die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Herstellung der Zuleitungen so groß sein, wie bei der Herstellung der Strahler (c).
In einer Ausführung ist die Substratoberseite mit Thermalfarbe beschichtet, um die Abstrahlung der Wärme zu verbessern oder die Wärmeaufnahme durch Sonne oder Albedo zu minimieren.The wave resistance is preferably adjusted where the distance between the top line and the base plate is changed (ie at e). The fact that the matching lines and the feed line network are arranged in a preferred embodiment on the upper side of the substrate has the advantage that the production can be carried out in one operation. Because no transitions are required, the accuracy and the reproducibility of the production of the feed lines can be as great as in the production of the radiators (c).
In one embodiment, the top of the substrate is coated with thermal paint in order to improve the radiation of heat or to minimize heat absorption by the sun or albedo.
Hinsichtlich der Werkstoffe dür die Grundplatte bestehen im Prinzip keine Einschränkungen, sofern die Oberfläche elektrisch gut leitfähig ist oder durch eine (Metall-) Beschichtung gut leitfähig gemacht werden kann. Carbonfaserverstärkter Kunststoff ist gut geeignet, da dieses Material sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Grundplatte kann auch aus einem Kunststoff (z.B. einem Fluorkohlenwasserstoff wie Teflon) bestehen, der mit einer hochleitenden, widerstandsfähigen und gut haftenden Schicht belegt ist. In Frage kommen z.B. die Metalle Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Palladium (Pd) und Gold (Au). Wegen seiner guten Haftung, der hohen Leitfähigkeit und der einfachen Verfahren der galvanischen Verstärkung ist Kupfer als Leitschicht besonders gut geeignet. Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit kann es mit Gold beschichtet sein. Die Herstellungsprozesse sind an sich bekannt:
- Teflon mechanisch und naßchemisch reinigen
- Teflon im Vakuumplasma sputterätzen
- Kupfer ca. 300 nm dick aufsputtern
- Kupfer galvanisch verstärken
- Gold aufdampfenWith regard to the materials, there are in principle no restrictions on the base plate, provided the surface is electrically conductive or can be made good by a (metal) coating. Carbon fiber reinforced plastic is well suited because this material has a very low coefficient of thermal expansion. The base plate can also consist of a plastic (for example a fluorocarbon such as Teflon), which is coated with a highly conductive, resistant and well-adhering layer. For example, the metals chromium (Cr), copper (Cu), titanium (Ti), palladium (Pd) and gold (Au) are suitable. Because of its good adhesion, high conductivity and simple galvanic reinforcement processes, copper is particularly suitable as a conductive layer. It can be coated with gold to increase corrosion resistance. The manufacturing processes are known per se:
- Clean Teflon mechanically and wet-chemically
- Sputter etch Teflon in vacuum plasma
- Sputter copper approx. 300 nm thick
- Galvanically reinforce copper
- Evaporate gold
Moderne Kassettensputteranlagen erlauben die Beschichtung großflächiger Substrate (> 1 m²). In solchen Anlagen werden beispielsweise bisher Autoscheiben und Fenstergläser mit optischen Schichten besputtert.Modern cassette sputtering systems allow the coating of large substrates (> 1 m²). In such systems, for example, car windows and window glasses have previously been sputtered with optical layers.
Als Material für das Substrat b eignen sich neben mehrschichtigen Dielektrika verstärkte oder unverstärkte Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste. Diese Werkstoffe haben hinreichend geringe dielektrische Verluste. Beispiele dafür sind alle Werkstoffe, die für die Herstellung von hochwertigen Radomen, sowie von Leiterplatinen für die Mikrowellentechnik eingesetzt werden. Aus elektrischer Sicht besonders geeignet sind verstärkte und unverstärkte Werkstoffe auf der Basis von Fluorkohlenstoffen wie PTFE, FEP oder PFA, sowie auf der Basis von Polyethylen. Ein besonders geeigneter Werkstoff für das Substrat ist polyethylenfaserverstärktes Polyethylen. Bei diesem Werkstoff können sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden. Dieser Werkstoff kann zudem über die Funktion als Dielektrikum hinaus noch tragende Funktionen erfüllen. In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Bauweise realisiert, bei der das Substrat b aus einer 1 mm dicken Platte aus polyethylen faserverstärktem Polyethylen und die Grundstruktur aus carbonfaserverstärktem Epoxidharz besteht.In addition to multilayer dielectrics, reinforced or unreinforced plastics, in particular thermoplastics, are suitable as material for the substrate b. These materials have sufficiently low dielectric losses. Examples include all materials that are used for the production of high-quality radomes and printed circuit boards for microwave technology. From an electrical point of view, reinforced and unreinforced materials based on fluorocarbons such as PTFE, FEP or PFA and on the basis of polyethylene are particularly suitable. A particularly suitable material for the substrate is polyethylene fiber reinforced polyethylene. Very low thermal expansion coefficients can be achieved with this material. In addition to its function as a dielectric, this material can also perform supporting functions. In one exemplary embodiment, a construction was implemented in which the substrate b consisted of a 1 mm thick plate made of polyethylene fiber-reinforced polyethylene and the basic structure made of carbon fiber-reinforced epoxy resin.
Die Herstellung der Erhebungen oder Vertiefungen kann durch thermomechanisches Umformen von Platten erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wird eine 1,5 mm dicke Platte aus glasmikrofaserverstärktem PTFE (unter der Handelsbezeichnung RT/Duroid 5780 erhältlich) bei 350°C zwischen konturierten Metallstempeln tiefgezogen. In einer anderen Ausbildungsform kann die Form des Substrats b oder der Grundstruktur durch mechanische Bearbeitung (z.B. durch Fräsen) hergestellt werden.The elevations or depressions can be produced by thermomechanical forming of plates. In one embodiment, a 1.5 mm thick sheet of glass microfiber reinforced PTFE (available under the trade name RT / Duroid 5780) is deep-drawn at 350 ° C. between contoured metal stamps. In another embodiment, the shape of the substrate b or of the basic structure can be produced by mechanical processing (e.g. by milling).
Die Beschichtung des Substrats kann mit den Verfahren erfolgen, die weiter oben zur Beschichtung der Grundplatte genannt waren. Die Strukturierung der Metallschichten kann durch Ätzverfahren oder Lift-off-Verfahren erfolgen. Als Ätzresist oder Lift-off- Schicht können photoempfindliche Lacke und Folien eingesetzt werden, aber auch (mechanisch) strukturierte Polymer- und Metallfolien.
Geeignet ist folgendes Verfahren:
- Eine lichtempfindliche Folie wird auf ein Teflon-Substrat der Mikrostripantenne aufgewalzt.
- Metallbeschichtung wieder wie weiter oben beschrieben oder durch Aufdampfen oder Aufsputtern.
- Nach dem letzten Beschichtungsschritt wird die Folie mitsamt der unerwünschten Beschichtung abgezogen (Negativverfahren).The substrate can be coated using the methods mentioned above for coating the base plate. The structuring of the metal layers can be carried out by etching processes or lift-off processes. Photosensitive lacquers and foils can be used as an etching resist or lift-off layer, but also (mechanically) structured polymer and metal foils.
The following procedure is suitable:
- A light-sensitive film is rolled onto a Teflon substrate of the microstrip antenna.
- Metal coating again as described above or by vapor deposition or sputtering.
- After the last coating step, the film is pulled off together with the unwanted coating (negative process).
Die optisch strukturierten Folien können vor oder nach Verformung des Teflon-Substrats aufgebracht werden. Es kann auch auf eine Tauchbadlackierung mit Photolack übergegangen werden, wobei derTauchlack zum Lift-off der freibleibenden Flachen in Azeton abgelöst wird.The optically structured foils can be applied before or after the deformation of the Teflon substrate. A dip coating with photoresist can also be used, with the dip coating being used to lift off the remaining Flat in acetone.
Die Ankoppelung der Strahlerelemente kann auch dadurch erfolgen, daß die Zuleitung nicht auf dem Substat, sondern jeweils im Substrat bis unter das jeweilige Strahlerelement geführt ist und die relative Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials zwischen Zuleitung und Strahler lokal erhöht wird.The radiator elements can also be coupled in that the feed line is not guided on the substrate, but rather in each case in the substrate to below the respective radiator element and the relative dielectric constant of the substrate material between the feed line and the radiator is locally increased.
Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to two figures.
Beide Figuren zeigen je einen Ausschnitt aus einer Gruppenantenne mit den Grundplatten a, dem elektrisch isolierenden Substrat B und Strahlerelementen c. Gezeichnet sind weiter die Speiseleitungen d und sich verbreiternde Übergangsbereiche e, die die Speiseleitungen d mit den Strahlerelementen c elektrisch verbinden. Die Erhöhungen oder Vertiefungen können beispielsweise zwischen 0,5 und 10 mm hoch (tief) sein.
- Figur 1 zeigt die Ausführung mit mesa-förmiger Erhöhung des Substrats b.
- Figur 2 zeigt die Ausführung mit wannenförmiger Vertiefung der Grundplatte a.
- Figure 1 shows the embodiment with a mesa-shaped increase in the substrate b.
- Figure 2 shows the version with a trough-shaped depression of the base plate a.
Claims (11)
- einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (a)
- einem elektrisch isolierenden Substrat (b)
- einer Gruppe von Strahlerelementen (c)
- und Speiseleitungen (d)
dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Substrat (b) im Bereich der Strahlerelemente (c) Erhebungen aufweist, bevorzugt solche, deren Lateralabmessungen etwas grösser sind als die der Strahlerelemente (c).1. Microstrip antenna (group antenna) with
- an electrically conductive base plate (a)
- an electrically insulating substrate (b)
- a group of radiator elements (c)
and feed lines (d)
characterized in that the insulating substrate (b) has elevations in the region of the radiator elements (c), preferably those whose lateral dimensions are somewhat larger than that of the radiator elements (c).
- einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (a)
- einem elektrisch isolierenden Substrat (b)
- einer Gruppe von Strahlerelementen (c)
- und Speiseleitungen (d)
dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (a) im Bereich unterhalb der auf der Oberseite des Substrats (b) angebrachten Strahlerelemente (c) Vertiefungen aufweist, bevorzugt solche, deren Lateralabmessungen etwas grösser sind als die der Strahlerelemente (c).2. Microstrip antenna (group antenna) with
- an electrically conductive base plate (a)
- an electrically insulating substrate (b)
- a group of radiator elements (c)
and feed lines (d)
characterized in that the base plate (a) has depressions in the region below the radiator elements (c) attached to the upper side of the substrate (b), preferably those whose lateral dimensions are somewhat larger than that of the radiator elements (c).
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