EP0886887B1 - Planarer strahler - Google Patents

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EP0886887B1
EP0886887B1 EP97914238A EP97914238A EP0886887B1 EP 0886887 B1 EP0886887 B1 EP 0886887B1 EP 97914238 A EP97914238 A EP 97914238A EP 97914238 A EP97914238 A EP 97914238A EP 0886887 B1 EP0886887 B1 EP 0886887B1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
ply
electrically conductive
dielectric
radiator according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97914238A
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English (en)
French (fr)
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EP0886887A1 (de
Inventor
Lutz Rothe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pates Technology Patentverwertungsgesellschaft Fue
Original Assignee
PATES TECHNOLOGY PANTENTVERWERTUNGSGESELLSCHAFT fur SATELLITEN- und MODERNE INFORMATIONSTECHNOLOGIEN MBH
PATES TECHNOLOGY PANTENTVERWER
Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh
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Filing date
Publication date
Application filed by PATES TECHNOLOGY PANTENTVERWERTUNGSGESELLSCHAFT fur SATELLITEN- und MODERNE INFORMATIONSTECHNOLOGIEN MBH, PATES TECHNOLOGY PANTENTVERWER, Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh filed Critical PATES TECHNOLOGY PANTENTVERWERTUNGSGESELLSCHAFT fur SATELLITEN- und MODERNE INFORMATIONSTECHNOLOGIEN MBH
Publication of EP0886887A1 publication Critical patent/EP0886887A1/de
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Publication of EP0886887B1 publication Critical patent/EP0886887B1/de
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays

Definitions

  • the invention relates to a planar radiator with a Radiator level having surface resonators and a Coupling network having network level, the Area resonators with each other via the coupling network are coupled galvanically and in phase.
  • the reception or the Radiation of directed electromagnetic radiation fields linear polarization in the microwave spectrum will be required today reflector antenna or planar antennas or radiators used.
  • the radiation properties of the reflector antennas is based on the generation of a corresponding amplitude and Phase assignment of the electromagnetic Radiation field components on the reflector surface by means of suitable pathogen.
  • the reflectors used are here either in the form of closed surfaces of defined curvature and border are designed or are latticed Arrangements of discrete conductive linear elements defined Length and spacing carried out.
  • Known planar solutions are based on the arrangement of galvanically and parallel fed Area resonators of defined group size and spacing to each other.
  • EP 0 200 819 describes a planar array antenna in Stripline technology known.
  • the mechanical structure is there from a first substrate plate as a carrier for Antenna elements under the second substrate plate as a carrier for the couplers and the signal processing. Both substrate plates are connected by a thick metal plate, where the thickness of the metal plate is half Operating wavelength corresponds.
  • a planar antenna is known from EP 0 383 292, in which Antenna elements on the ground surface of a two-sided coated circuit board are glued on which the Coupling network and additional electronics is located.
  • the Antenna element consists of a surface resonator plate, which is applied to a dielectric substrate layer is.
  • the substrate layer of the antenna element is made of "glass epoxy ".
  • a planar antenna is known from WO 95/09455, which is also sandwich-like, and where the die Layer carrying antenna elements for manufacturing reasons two layers of the same material because the Antenna elements are capacitively coupled.
  • a disadvantage of the known planar antennas is that mostly high system quality only in a small spectral range and therefore only with restrictions for use Suitable for multipoint multichannel communication services are, because of the small bandwidth, only relatively few Frequency bands can be transmitted with a single antenna.
  • the planar emitter according to the invention advantageously only needs a common ground area for the emitter and network level, which significantly reduces the overall height of the emitter compared to known planar emitters and reduces the manufacturing material costs.
  • the bandwidth of the radiation field to be transmitted and received by the radiator can also be varied without influencing the characteristic impedance of the coupling network by suitable choice of the thickness of the first dielectric layer, a high system quality being achieved in the entire spectral range at the same time. It is necessary for a planar radiator that the first layer is made of a material with the smallest possible dielectric constant ( ⁇ r ⁇ 1).
  • the thin layer supporting the resonator surfaces can be manufactured from a heat-resistant material such as polyethylene terephthalate, on which the resonator surfaces can be applied permanently.
  • the first layer can be made from an inexpensive foamed material. So that the planar radiator becomes flexible or pliable, the thickness of the first layer is greater than the thickness of the second layer.
  • the first layer forms the actual base material of the planar emitter and essentially determines the properties of the emitter plane with its ⁇ r and loss angle tan ⁇ ⁇ .
  • the material of the first layer is advantageously the cheap material polystyrene, which is flexible in its foamed form and in particular has a specific volume weight of 20kg / m 3 .
  • the second layer is advantageously formed by a polyethylene terephthalate film which is glued to the first layer.
  • the advantage of this polyethylene terephthalate film is that it forms a firm and permanent connection with copper, which means that the resonator surfaces have firm adhesion.
  • Each surface resonator is electrical by means of an conductive connecting pin with the coupling network in electrically conductive connection, the electrically conductive Connecting pin in a perpendicular to the radiator and Through hole located at the network level.
  • the connecting pins are relatively long, as a result of which the pins themselves have an electrically transforming effect.
  • the inductive reactive component represented by the pen can therefore no longer be neglected and must be compensated for.
  • This can be done on the one hand by means of a sleeve which at least in sections envelops the pin and is made of a material, in particular Teflon, which has a higher dielectric constant than the materials forming the dielectric layers, which serve as the base material for the radiator and network level.
  • Teflon Teflon
  • the electrically conductive thin Layer in the areas where the electrically conductive pins pass through the layer especially circular has window-like recesses, such that the pins with the electrically conductive layer not in electrical connection are.
  • Form these circular window-like recesses Apertures, by means of the diameter of the recesses Coupling factor is adjustable.
  • the coupling factor determines the portion of the signal intensity, which of the Radiator level is led to the network level.
  • the optimal one Diameter of the orifices can be obtained by simulation or experimental tests.
  • the surface resonators can be shaped and arranged as desired become. To generate the necessary impedance profile along the line of symmetry of the Area resonators, as well as to generate the necessary radiation-related individual characteristic of Area resonators it is recommended that Surface resonators to be rectangular, the Broadside is identical to the radiant edge.
  • the Surface resonators are advantageously matrix-shaped arranged to each other. It has been shown that it is for most areas of application is sufficient, only eight Area resonators in particular in two lines and four Arrange columns. Also for the sake of simple Predictability and minimizing the dimensions of the planar emitter, it is advantageous if line and Column spacing of the matrix Area resonators are equal to each other.
  • the planar has to enable components and plug-in systems Spotlights an extension that carries a wave path that a coupling point of the coupling network with a Connector connects.
  • the connector is one commercially available N socket, which is modified in this way is that the inner conductor of the socket with the Microstrip line on the extension of the dielectric carrier of the coupling network is applied, is connected, and that the ground plane of the extension, the at the same time the extension of the electrically conductive layer is, with the outer surface of the socket by means of of a dielectric press block generated press pressure is.
  • the wave path is through a microstrip line, the second dielectric layer and the ground surface, connected to the coaxial connector accordingly is.
  • the first dielectric layer 5 one material.
  • On top of layer 5 are made of a thin layer of copper Resonator surfaces 4 applied.
  • Between the first dielectric layer 5 and the second dielectric Layer 7 is the conductive ground plane 6.
  • the ground plane 6 is an approx. 17-18 ⁇ m thick copper layer.
  • On the The flat side of layer 7 facing away from the ground surface is the Microstrip lines 8 or the coupling network 3 arranged.
  • the coupling points 12 and 13 are by means of a electrically conductive pin 9 in connection.
  • the pin 9 has a small diameter so that by the location of the Coupling point 12 determined input impedance of the Surface resonator 4 is not due to large-area contact of pin 9 with the resonator surface is undetermined.
  • the diameter of the pin 9 should therefore be chosen so small that the strip width of the coupling network 3 is not is exceeded.
  • the thickness of the pin 9 should therefore be 1 mm do not exceed.
  • the pen is used for fixing purposes and better permanent contact with the copper layers the network and the radiator level are soldered and is one Surround sleeve 11, which stiffens the radiator.
  • the thickness D2 of the layer 5 essentially determines that Total height of the planar emitter.
  • the ground surface 6 has in the areas in which the pin 9th a circular one passes through the ground surface 6 Recess 10, the diameter of which is larger than that Outside diameter of the pin 9. Is the length of the sleeve 11 equal to the lengths D2 plus D3, the diameter is the Recess 10 at least as large as the outer diameter of the To choose sleeve 11.
  • Layer 5 is made of polysterol, which is foamed in State is flexible, which makes the planar emitter in certain Is flexible. This bendability is only marginal through the thin copper layers 4, 6 and 8 and the layer 7 impaired.
  • the coupling point 12 not be arranged centrally to the resonator surfaces 4. With the help of known simulation methods, it can be used for frequency and bandwidth required Calculate the input impedance of the surface resonators, from which the Location of the coupling point 12 can be derived.
  • Figure 3 is the coupling network 3 with which the signals Coupling or decoupling wave path 16 shown.
  • the Network 3 consists of striplines 3a-3f and 16. Die Stripline sections have different lengths and Widths to the inductive portion, which is determined by the length of the Pen 9 was caused to compensate as well impedance-matched merging of the to Allow surface resonators to guide waveguide paths.
  • Figure 5 shows a cross-sectional view of the Wave path 16 and the connector 18 carrying projection 24.
  • the projection 24 lies between the connector 18 and the pressure block 22.
  • the connector 18 and the pressure block 22 are by means of the projection 24 and the provided holes 23 cross fastening screws screwed together so that the connector 18 with the Projection 24 is in firm connection.
  • planar emitter in Frequency spectrum from 2,500 GHz to 2,686 GHz a high System quality.
  • the resonator surfaces have a length of 47 mm, a width of 53 mm and a row and column spacing of 87 mm.
  • the feed or coupling point 12 is located approximately 2 mm from the center of the broad side within the surface.
  • the thicknesses D1, D3 and D5 of the copper layers are approximately 18 ⁇ m thick.
  • the layer 5 has two layers, the first layer 14 having a thickness L1 equal to 10.5 mm and consisting of foamed polystyrene, the spec. Volume weight is 20kg / m 3 .
  • the second layer 15 has a thickness L2 of 100 ⁇ m and consists of polyethylene terephthalate.
  • the second dielectric layer 7 consists of glass fiber reinforced polytetrafluoroethylene with a thickness of 381 ⁇ m.
  • the Layer 14 is glued to the layer 15 and the adhesive connection has a thickness of 7 ⁇ m.
  • the pin 9 has a diameter of 1.2 mm and lies with its one end in the bore of layer 7, whose Diameter is also 1.2 mm and passes through Coupling point 13.
  • the layers 5 and 6 have in the area of Pins 9 also on holes, the diameter of Recording of the pin 9 and the sleeve 11 is 4.2 mm.
  • the coupling network 3 is constructed symmetrically, such that all resonator surfaces are in phase from coupling point 17 be fed.
  • the coupling points 13 have one Inner diameter of 1.2 mm and an outer diameter of 2.1 mm.
  • each coupling point 13 goes in the direction of the line adjacent feed point 13 a conductor 3a of Width 0.49 mm for a length of 27 mm.
  • This head 3a then jumps into a conductor 3b with a width of 1.15 mm over which is 31 mm long.
  • the head 3b again in a width of 0.49 mm across to the neighboring one To reach feeding point 13 after a length of 27 mm.
  • the dining points are outside in every row lying resonator surfaces 4 with the feed points 13 of the in each case in the row adjacent and below Resonator surfaces 4 connected.
  • the conductor 3e opens a width of 1.15 mm for a length of 129.4 mm over (Head 3f).
  • the width of the conductor 3f changes to 1.88 mm for a length of 22.3 mm.
  • To the middle of the 3f includes a waveguide 1.88 mm wide as well the length of 22.3 mm to then jump in width to 1.15 mm and to the decoupling point 21 of the Network 3 to be managed.
  • the inductive dummy components of the pins 9 by the Dimensions of the elongated pins 9, which in turn from the Thickness D2 of the first dielectric layer 5 are conditional, compensated.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft einen planaren Strahler mit einer Flächenresonatoren aufweisenden Strahlerebene und einer ein Kopplungsnetzwerk aufweisenden Netzwerkebene, wobei die Flächenresonatoren über das Kopplungsnetzwerk miteinander galvanisch und phasengleich gekoppelt sind.
Für Kommunikationsdienste insbesondere Multipoint-Multichannel-Kommunikationsdienste, die den Empfang bzw. die Abstrahlung gerichteter elektromagnetischer Strahlungsfelder linearer Polarisation im Mikrowellenspektrum erfordern, werden heute Reflektorantenne oder planare Antennen bzw. Strahler eingesetzt. Die Strahlungseigenschaften der Reflektorantennen beruht auf der Erzeugung einer entsprechenden Amplituden- und Phasenbelegung der elektromagnetischen Strahlungsfeldkomponenten auf der Reflektorfläche mittels geeigneter Erreger. Die verwendeten Reflektoren sind hierbei entweder in Form geschlossener Flächen definierter Krümmung und Berandung ausgelegt oder werden durch gitterartige Anordnungen diskreter leitfähiger Linearelemente definierter Länge und Distanzierung ausgeführt. Bekannte planare Lösungen beruhen auf der Anordnung galvanisch und parallel gespeister Flächenresonatoren definierter Gruppengröße und Distanzierung zueinander.
Aus der EP 0 200 819 ist eine planare Array-Antennen in Streifenleitertechnik bekannt. Der mechanische Aufbau besteht aus einer ersten Substratplatte als Träger für Antennenelemente under zweiten Substratplatte als Träger für die Koppler und die Signalverarbeitung. Beide Substratplatten sind durch eine dicke Metallplatte miteinander verbunden, wobei die Dicke der Metallplatte der halben Betriebswellenlänge entspricht. Die elektrische Verbindung zwischen den Antennenelementen auf der Antennenvorderseite und den Kopplern auf der Antennenrückseite stellen koaciale Leiterstücke her, die isoliert durch Bohrungen in der Metallplatte geführt werden.
Aus der EP 0 383 292 ist eine planare Antenne bekannt, bei der Antennenelemente auf der Massefläche einer zweiseitig beschichteten Leiterplatte aufgeklebt werden, auf der sich das Kopplungsnetzwerk und zusätzliche Elektronik befindet. Das Antennenelement besteht aus einem Flächenresonatorplättchen, welches auf einer dielektrischen Substratschicht aufgebracht ist. Die Substratschicht des Antennenelements ist aus "glas epoxy".
Aus der WO 95/09455 ist eine planare Antenne bekannt, welche ebenfalls sandwich-artig aufgebaut ist, und bei der die die Antennenelemente tragende Schicht aus Fertigungsgründen aus zwei Lagen des selben Materials besteht, da die Antennenelemente kapazitiv gekoppelt sind.
Nachteilig bei den bekannten planaren Antennen ist, daß sie meist nur in einem kleinen Spektralbereich hohe Systemgüten aufweisen und somit nur mit Einschränkungen für den Einsatz für Multipoint-Multichannel-Kommunikationsdienste geeignet sind, da durch die kleine Bandbreite nur relativ wenige Frequenzbänder mit einer einzigen Antenne übertragbar sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen planaren Strahler mit Flächenresonatoren bereitzustellen, der einfach und klein in seinem Aufbau ist und aus wenigen leicht zu fertigenden und kostengünstigen Teilen besteht und zugleich in einem möglichst breiten Spektralbereich eine hohe frequenzunabhängige Systemgüte hat, derart, daß er für eine mehrkanalige Punkt-zu-Punkt-Übertragung insbesondere im Frequenzbereich zwischen 2.500 GHz bis 2.686 GHz geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen planaren Strahler gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße planare Strahler benötigt vorteilhaft nur noch eine gemeinsame Masse fläche für die Strahler- und Netzwerkebene, wodurch sich die Gesamthöhe des Strahlers gegenüber bekannten planaren Strahlern deutlich verringert und die Fertigungs- Materialkosten verringert werden. Auch kann ohne Beeinflussung des Wellenwiderstandes des Kopplungsnetzwerks durch geeignete Wahl der Dicke der ersten dielektrischen Schicht die Bandbreite des vom Strahler zu sendenden und empfangenen Strahlungsfeldes variiert werden, wobei gleichzeitig eine hohe Systemgüte im gesamten Spektralbereich erzielt wird. Es ist für einen planaren Strahler erforderlich, daß die erste Schicht aus einem Material mit einer möglichst kleinen Dielektrizitätskonstanten (εr → 1) ist. Durch den zweilagigen Aufbau der ersten Schicht, ist es möglich, die dünne die Resonatorflächen tragende Lage aus einem hitzebeständigen Material wie z.B. Polyethylenterephtalat herzustellen, auf dem die Resonatorflächen dauerhaft aufgebracht werden können. Die erste Lage kann aus einem preiswerten geschäumten Material hergestellt werden. Damit der planare Strahler flexibel bzw. biegsam wird, ist die Dicke der ersten Lage größer als die Dicke der zweiten Lage. Die erste Lage bildet dabei das eigentliche Basismaterial des planaren Strahlers und bestimmt mit seinem εr sowie Verlustwinkel tan δε im wesentlichen die Eigenschaften der Strahlerebene. Das Material der ersten Lage ist vorteilhaft der billige Werkstoff Polystyrol, welcher in seiner ausgeschäumten Form flexibel ist, und insbesondere ein spezifisches Volumengewicht von 20kg/m3 hat. Die zweite Lage ist vorteilhaft durch eine Polyethylenterephtalat-Folie gebildet, die mit der ersten Lage verklebt ist. Der Vorteil dieser Polyethylenterephtalat-Folie ist, daß sie mit Kupfer eine feste und dauerhafte Verbindung eingeht, wodurch die Resonatorflächen eine feste Haftung haben.
Jeder Flächenresonator ist dabei mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsstiftes mit dem Kopplungsnetzwerk in elektrisch leitender Verbindung, wobei der elektrisch leitende Verbindungsstift in einer senkrecht zur Strahler- und Netzwerkebene befindlichen Durchgangsbohrung einliegt.
Durch die unverhältnismäßig große Dicke der ersten dielektrischen Schicht, sind die Verbindungsstifte relativ lang, wodurch die Stifte selbst elektrisch transformierend wirken. Die vom Stift repräsentierte induktive Blindkomponente kann daher nicht mehr vernachlässigt werden und muß ausgeglichen werden. Dies kann zum einen mittels einer Hülse geschehen, die den Stift zumindest abschnittsweise umhüllt und aus einem Material insbesondere Teflon ist, das eine höhere Dielektrizitätszahl hat, als die die dielektrischen Schichten bildenden Materialien, die als Basismaterial für die Strahler- und Netzwerkebene dienen. Mittels der Einstellung der Wandstärke, der Höhe und des εr der Hülse kann der Kapazitätsbelag der Stift-Hülse-Kombination eingestellt werden, wodurch die induktive Blindkomponente des Stiftes kompensiert wird.
Zum anderen kann jedoch auch vorteilhaft die Kompensation der induktiven Blindkomponente des Stiftes mittels des Kopplungsnetzwerks erfolgen, indem die transformierende Wirkung der Längen- und Breitenverhältnisse der verwendeten Mikrostreifenleitungen ausgenutzt werden. Derartige Transformationen mittels Mikrostreifenleitern sind hinlänglich aus der einschlägigen Literatur bekannt. Auf eine Hülse kann in diesem Fall gegebenenfalls verzichtet werden.
Es ist ferner erforderlich, daß die elektrisch leitende dünne Schicht in den Bereichen, wo die elektrisch leitenden Stifte die Schicht durchtreten, insbesondere kreisförmig fensterartige Aussparungen hat, derart, daß die Stifte mit der elektrisch leitenden Schicht nicht in elektrischer Verbindung sind. Diese kreisförmig fensterartigen Aussparungen bilden Blenden, wobei mittels des Durchmessers der Aussparungen der Kopplungsfaktor einstellbar ist. Der Kopplungsfaktor bestimmt dabei den Anteil der Signalintensität, welcher von der Strahlerebene zur Netzwerkebene geführt wird. Den optimalen Durchmesser der Blenden erhält man durch Simulation oder experimentelle Tests.
Ein weiterer Vorteil durch den Einsatz der oben beschriebenen Hülsen ergibt sich dadurch, daß durch die steif ausgeführten Hülsen der Abstand zwischen der Strahler- und der Netzwerkebene zumindest in den Bereichen der Stifte auch unter Einwirkung äußerer Kräfte sowie bei der Antennenmontage konstant bleibt. Die Systemgüte verändert sich somit auch beim Verbiegen und Zusammendrücken des planaren Strahlers nicht.
Die Flächenresonatoren können beliebig geformt und angeordnet werden. Zur Erzeugung des notwendigen Impedanzprofils entlang der quer zur strahlenden Kante liegenden Symmetrielinie der Flächenresonatoren, sowie zur Erzeugung der erforderlichen strahlungsbezogenen Einzelcharakteristik der Flächenresonatoren ist es empfehlenswert, die Flächenresonatoren rechteckig zu gestalten, wobei die Breitseite identisch der strahlenden Kante ist. Die Flächenresonatoren werden dabei vorteilsmäßig matrixförmig zueinander angeordnet. Es hat sich hierbei gezeigt, daß es für die meisten Einsatzgebiete ausreicht, lediglich acht Flächenresonatoren insbesondere in zwei Zeilen und vier Spalten anzuordnen. Ebenfalls aus Gründen der einfachen Berechenbarkeit und der Minimierung der Abmessungen des planaren Strahlers ist es von Vorteil, wenn Zeilen- und Spaltenabstände der matrixförmig angeordneten Flächenresonatoren zueinander gleich sind.
Um eine gute Auskopplung bzw. Einkopplung des empfangenen bzw. zu sendenden Signals mit möglichst schon bestehenden Komponenten und Stecksystemen zu ermöglichen, hat der planare Strahler eine Verlängerung, die einen Wellenpfad trägt, die einen Kopplungspunkt des Kopplungsnetzwerks mit einem Anschlußstück verbindet. An das Anschlußstück ist eine handelsübliche N-Buchse anschließbar, die derart modifiziert ist, daß der Innenleiter der Buchse mit dem Mikrostreifenleiter, der auf der Verlängerung des dielektrischen Trägers des Kopplungsnetzwerks aufgebracht ist, verbunden ist, und daß die Massefläche der Verlängerung, die gleichzeitig die Verlängerung der elektrisch leitenden Schicht ist, mit dem Außenmantel der Buchse flächig durch den mittels eines dielektrischen Preßblocks erzeugten Preßdrucks verbunden ist. Der Wellenpfad wird durch eine Mikrostreifenleitung, der zweiten dielektrischen Schicht und der Massefläche gebildet, der mit dem koaxialen Anschlußstück entsprechend verbunden ist.
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1:
Eine Querschnittsdarstellung des planaren Strahlers;
Figur 2:
eine Draufsicht auf die Strahlerebene;
Figur 3:
eine Draufsicht auf die Netzwerkebene;
Figur 4:
eine Draufsicht auf die elektrisch leitende Massefläche;
Figur 5:
eine Querschnittsdarstellung des Wellenpfades und des Anschlußstücks;
Figur 6:
eine Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Strahlers, mit zwei die erste dielektrische Schicht bildenden Lagen;
Figur 7:
eine Darstellung gemäß Figur 6, wobei die Länge der Hülse verkürzt und ihre Wandstärke vergrößert ist.
Die Figur 1 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen. Strahlers dar, bei dem die erste dielektrische Schicht 5 aus einem einzigen Material ist. Auf der Oberseite der Schicht 5 sind die aus einer dünnen Kupferschicht bestehenden Resonatorflächen 4 aufgebracht. Zwischen der ersten dielektrischen Schicht 5 und der zweiten dielektrischen Schicht 7 liegt die leitende Massefläche 6. Die Massefläche 6 ist eine ca. 17-18µm starke Kupferschicht. Auf der der Massefläche abgewandten flachen Seite der Schicht 7 sind die Mikrostreifenleitungen 8 bzw. das Kopplungsnetzwerk 3 angeordnet. Die Kopplungspunkte 12 und 13 sind mittels eines elektrisch leitenden Stifts 9 in Verbindung. Der Stift 9 hat einen kleinen Durchmesser, damit die durch die Lage des Kopplungspunktes 12 bestimmte Eingangsimpedanz des Flächenresonators 4 nicht durch einen großflächigen Kontakt des Stiftes 9 mit der Resonatorfläche unbestimmt wird. Der Durchmesser des Stiftes 9 ist daher so klein zu wählen, daß die Streifenbreite des Kopplungsnetzwerks 3 nicht überschritten wird. Die Dicke des Stiftes 9 sollte daher 1 mm nicht überschreiten. Der Stift wird zu Zwecken des Festsetzens und des besseren dauerhaften Kontakts mit den Kupferschichten der Netzwerk- und der Strahlerebene verlötet und ist von einer Hülse 11 umgeben, die eine Versteifung des Strahlers bewirkt.
Die Dicke D2 der Schicht 5 bestimmt im wesentlichen die Gesamthöhe des planaren Strahlers.
Die Massefläche 6 hat in den Bereichen, in denen der Stift 9 durch die Massefläche 6 hindurchtritt eine kreisförmige Aussparung 10, deren Durchmesser größer ist, als der Außendurchmesser des Stifts 9. Ist die Länge der Hülse 11 gleich den Längen D2 plus D3, so ist der Durchmesser der Aussparung 10 mindestens so groß wie der Außendurchmesser der Hülse 11 zu wählen.
Die Schicht 5 ist aus Polysterol, welches im ausgeschäumten Zustand flexibel ist, wodurch der planare Strahler in gewissen Grenzen biegbar ist. Diese Verbiegbarkeit wird nur geringfügig durch die dünnen Kupferschichten 4, 6 und 8 sowie die Schicht 7 beeinträchtigt.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, muß der Kopplungspunkt 12 nicht zentrisch zu den Resonatorflächen 4 angeordnet sein. Mit Hilfe bekannter Simmulationsmethoden, läßt sich die für die jeweilige Frequenz und Bandbreite erforderliche Eingangsimpedanz der Flächenresonatoren berechnen, woraus die Lage des Kopplungspunktes 12 ableitbar ist.
In Figur 3 ist das Kopplungsnetzwerk 3 mit dem die Signale ein- bzw. auskoppelnden Wellenpfad 16 dargestellt. Das Netzwerk 3 besteht aus Streifenleitungen 3a-3f sowie 16. Die Streifenleitungsabschnitte haben unterschiedliche Längen und Breiten, um den induktiven Anteil, welcher durch die Länge des Stifts 9 verursacht wurde, auszugleichen, sowie die impedanzangepaßte Zusammenführung der zu den Flächenresonatoren führenden Wellenleiterpfade zu ermöglichen.
In Figur 4 ist die leitende Kupferschicht der Massefläche 6 dargestellt. Die schwarzen Punkte 10, 19 und 20 repräsentieren dabei Stellen, an denen das Kupfer ausgespart wurde. Durch diese Stellen sind zudem Bohrungen entsprechenden Durchmessers vorgesehen, damit die Stifte 9 und 21, Hülsen 11, sowie Befestigungsschrauben für das Anschlußstück 18 durch die Massefläche 6 durchgreifen können.
Die Figur 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung des den Wellenpfad 16 sowie das Anschlußstück 18 tragenden Vorsprungs 24. Der Vorsprung 24 liegt zwischen dem Anschlußstück 18 und dem Anpreßblock 22. Das Anschlußstück 18 und der Anpreßblock 22 werden mittels durch den Vorsprung 24 und den dafür vorgesehenen Bohrungen 23 greifenden Befestigungsschrauben miteinander verschraubt, so daß das Anschlußstück 18 mit dem Vorsprung 24 in fester Verbindung ist.
Nachfolgend werden beispielhafte geometrische Daten aufgeführt, mittels der der planare Strahler im Frequenzspektrum von 2.500 GHz bis 2.686 GHz eine hohe Systemgüte aufweist.
Die Resonatorflächen haben dazu die Länge 47 mm, die Breite 53 mm sowie einen Zeilen- und Spaltenabstand von 87 mm. Der Speise- bzw. Kopplungspunkt 12 befindet sich von der Mitte der breiten Seite ca. 2 mm entfernt innerhalb der Fläche. Die Dicken D1, D3 und D5 der Kupferschichten sind ca. 18µm stark. Die Schicht 5 ist wie in Figur 6 dargestellt zweilagig, wobei die erste Lage 14 eine Dicke L1 gleich 10.5 mm hat und aus verschäumten Polystyrol besteht, dessen spez. Volumengewicht 20kg/m3beträgt. Die zweite Lage 15 hat eine Dicke L2 von 100µm und besteht aus Polyethylenterephtalat. Die zweite dielektrische Schicht 7 besteht aus glasfaserverstärktem Polytetraflourethylen der Stärke 381 µm.
Sämtliche Schichten sind miteinander fest verfügt, wobei die Lage 14 mit der Lage 15 verklebt ist und die Klebeverbindung eine Stärke von 7µm hat.
Der Stift 9 hat einen Durchmesser von 1.2 mm und liegt mit seinem einem Ende in der Bohrung der Schicht 7, deren Durchmesser ebenfalls 1.2 mm beträgt ein und durchtritt den Kopplungspunkt 13. Die Schicht 5 und 6 weist im Bereich des Stifts 9 ebenfalls Bohrungen auf, deren Durchmesser zur Aufnahme des Stifts 9 und der Hülse 11 4.2 mm beträgt.
Das Kopplungsnetzwerk 3 ist symmetrisch aufgebaut, derart, daß alle Resonatorflächen gleichphasig vom Kopplungspunkt 17 gespeist werden. Die Kopplungspunkte 13 haben einen Innendurchmesser von 1.2 mm und einen Außendurchmesser von 2.1 mm.
Ausgehend von jedem Kopplungspunkt 13 geht in Richtung des in der Zeile benachbarten Speisepunktes 13 ein Leiter 3a der Breite 0.49 mm für eine Länge von 27 mm ab. Dieser Leiter 3a geht dann sprungartig in einen Leiter 3b der Breite 1.15 mm über, welcher 31 mm lang ist. Anschließend geht der Leiter 3b wieder in eine Breite von 0.49 mm über, um den benachbarten Speisepunkt 13 nach einer Länge von 27 mm zu erreichen. Auf diese Weise werden die Speisepunkte der in jeder Zeile außen liegenden Resonatorflächen 4 mit den Speisepunkten 13 der jeweils in der Zeile benachbarten und unten liegenden Resonatorflächen 4 verbunden. Von der Mitte des Leiters 3b schließt sich in Richtung des in der Spalte gegenüberliegenden Leiters 3b ein Leiter 3c der Breite 1.88 mm und der Länge 22.3 mm an, der danach sprungartig auf eine Breite von 1.15 mm für eine Strecke von 42.45 mm (Leiter 3d) übergeht. Der Leiter erweitert sich anschließend wieder auf eine Breite von 1.88 mm, um nach einer Länge von 22.3 mm mit der Mitte des in der Spalte gegenüberliegenden Leiters 3b zusammen zu treffen. An die Mitte des Leiters 3d schließt sich in Richtung des gegenüberliegenden Leiters 3d eine Leitung 3e der Breite 1.88 mm sowie der Länge 22.3 mm an. Danach geht der Leiter 3e auf eine Breite von 1.15 mm für eine Länge von 129.4 mm über (Leiter 3f). Die Breite des Leiters 3f ändert sich auf 1.88 mm für eine Länge von 22.3 mm. Damit ist die Mitte des gegenüberliegenden Leiters 3d erreicht. An die Mitte des Leiters 3f schließt ein Wellenleiter der Breite 1.88 mm sowie der Länge 22.3 mm an, um sich danach sprunghaft in der Breite auf 1.15 mm zu reduzieren und zum Auskopplungspunkt 21 des Netzwerkes 3 geführt zu werden.
Mittels des oben beschriebenen Kopplungsnetzwerks 3 werden die induktiven Blindkomponenten der Stifte 9, die durch die Abmessungen der länglichen Stifte 9, welche ihrerseits von der Dicke D2 der ersten dielektrischen Schicht 5 bedingt sind, kompensiert.
In Figur 7 ist dargestellt, daß die Hülse 11 sich nicht über die gesamte Höhe der Schichten 5 und 6 erstrecken muß. Durch die Wahl der Wandstärke WS und der Länge LS der Hülse 11 kann deren kapazitiver Belag beeinflußt werden, wodurch die induktive Blindleistungskomponente des langen Stifts 9 aufgehoben wird und ein die Blindkomponenten kompensierendes Netzwerk 3 nicht mehr benötigt wird.
Bezugszeichenliste:
1
Strahlerebene
2
Netzwerkebene
3
Kopplungsnetzwerk
3a-3f
Streifenleitungsabschnitte
4
Flächenresonatoren
5
Erste dielektrische Schicht
6
Elektrisch leitende dünne Schicht; Massefläche
7
Zweite dielektrische Schicht
8
Mikrostreifenleitungen
9
Verbindungsstift
10
Fensterartige Aussparungen
11
Hülse
12
Speisepunkt des Flächenresonators
13
Kopplungspunkt
14
erste Lage
15
zweite Lage
16
Wellenpfad
17
Gemeinsamer Kopplungspunkt
18
Anschlußstück; N-Buchse
19
Aussparung für Durchgangsstift
20
Aussparung für Befestigungsschraube
21
Durchgangsstift
22
Anpreßblock
23
Bohrung für Befestigungsschrauben
24
Verlängerung für Wellenpfad

Claims (15)

  1. Planarer Strahler mit einer Flächenresonatoren (4) aufweisenden Strahlerebene (1) und einer ein Kopplungsnetzwerk (3) aufweisenden Netzwerkebene (2), wobei die Flächenresonatoren (4) über das Kopplungsnetzwerk (3) miteinander galvanisch und phasengleich gekoppelt sind,
    wobei der planare Strahler sandwich-artig aus zueinander planparallelen Schichten (4,5,6,7,8) aufgebaut ist,
    wobei eine erste dielektrische Schicht (5) mittels einer elektrisch leitenden dünnen Schicht (6), welche die gemeinsame Massefläche für die Strahler- (1) und die Netzwerkebene (2) bildet, von einer zweiten dielektrischen Schicht (7) getrennt ist, und
    wobei die erste dielektrische Schicht (5) an ihrer der elektrisch leitenden Schicht (6) abgewandten Seite die Flächenresonatoren (4) trägt, wobei
    die zweite dielektrische Schicht (7) an ihrer der elektrisch leitenden Schicht (6) abgewandten Seite das Kopplungsnetzwerk (3) trägt, das aus Mikrostreifenleitungen (8) gebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die erste dielektrische Schicht (5) aus zwei dielektrischen Materialien, die jeweils für sich eine Lage (14, 15) bilden, aufgebaut ist, wobei die Dicke (L1) der ersten Lage größer ist, als die Dicke (L2) der zweiten Lage, und die zweite Lage (15) an ihrer der ersten Lage (14) abgewandten Seite die Resonatorflächen (4) trägt.
  2. Planarer Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (14) aus Polystyrol gebildet ist, welches in seiner ausgeschäumten Form flexibel ist, und insbesondere ein spezifisches Volumengewicht von 20kg/m3 hat, wobei die erste Lage (14) insbesondere eine Dicke (L1) von 10.5 mm hat.
  3. Planarer Strahler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (15) durch eine Polyethylenterephtalat-Folie insbesondere der Dicke (L2) gleich 100µm gebildet ist, die mit der ersten Lage (14) verklebt ist.
  4. Planarer Strahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende dünne Schicht (6) eine Dicke von ca. 18µm hat.
  5. Planarer Strahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flächenresonator (4) mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsstiftes (9) mit dem Kopplungsnetzwerk (3) in elektrisch leitender Verbindung ist, wobei der elektrisch leitende Verbindungsstift (9) in einer senkrecht zur Strahler- (1) und Netzwerkebene (2) befindlichen Durchgangsbohrung einliegt.
  6. Planarer Strahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende dünne Schicht (6) in den Bereichen, wo die elektrisch leitenden Stifte (9) die Schicht (6) durchtreten, insbesondere kreisförmig fensterartige Aussparungen (10) hat, derart, daß die Stifte (9) mit der elektrisch leitenden Schicht (6) nicht in elektrischer Verbindung sind.
  7. Planarer Strahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmig fensterartigen Aussparungen (10) Blenden bilden, und mittels des Durchmessers der Aussparungen (10) der Reflektions- und Transmissionsfaktor zwischen dem Kopplungsnetzwerk und den jeweiligen Flächenresonatoren einstellbar ist.
  8. Planarer Strahler nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektrisch leitende Stift (9) im Bereich zwischen der leitenden Schicht (6) der Flächenresonatoren (4) und der leitenden Schicht (6) der Mikrostreifenleitungen (8) zumindest abschnittsweise von einer Hülse (11) umschlossen ist.
  9. Planarer Strahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (11) aus einem dielektrischen Material insbesondere Teflon ist, dessen Dielektrizitätskonstante εr insbesondere größer ist als die Dielektrizitätskonstante Er des die Hülse (11) umgebenen Materials der dielektrischen Schichten (5, 7).
  10. Planarer Strahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels geeigneter Wahl der Wandstärke (WS), der Höhe (LS) und der Dielektrizitätszahl Er der Hülse (11) die durch die Dicke (D2) der ersten dielektrischen Schicht (5) bedingte induktive Blindkomponente mittels der Hülse (11) kompensierbar ist.
  11. Planarer Strahler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (LS) der Hülsen (11) den Abstand zwischen der Strahler- (1) und der Netzwerkebene (2) zumindest in den Bereichen der Durchgangsbohrungen (10) bzw. Stifte (9) auch unter Einwirkung äußerer Kräfte konstant hält, sowie insbesondere für die Montage definierte Auflagepunkte bildet.
  12. Planarer Strahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Kopplungsnetzwerks (3) die durch die Dicke (D2) der ersten dielektrischen Schicht (5) bedingte induktive Blindkomponente des Stiftes (9) und der kapazitive Belag der Hülse (11) kompensierbar sind.
  13. Planarer Strahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenresonatoren (4) rechteckig sind und matrixförmig insbesondere in zwei Zeilen und vier Spalten angeordnet sind.
  14. Planarer Strahler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilen- und Spaltenabstände der matrixförmig angeordneten Flächenresonatoren (4) gleich sind.
  15. Planarer Strahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwerkebene (3) bestehend aus den Mikrostreifenleitungen (8), der zweiten dielektrischen Schicht (7) und der Massefläche (6), in Form eines Wellenpfades (16) zwischen dem gemeinsamen Kopplungspunkt (17) und einem Anschlußstück (18) derart verlängert ist, daß die wellenleiterseitige Kopplung ohne Trennung der Wellenleiterebene unmittelbar auf das Anschlußstück (18) in koaxialer Ausführung erfolgt.
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