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Dokumentenidentifikation DE3732986C2 18.12.1997
Titel Gruppenantenne mit Patch-Strahlerelementen
Anmelder Daimler-Benz Aerospace Aktiengesellschaft, 81663 München, DE
Erfinder Solbach, Klaus, Dr., 7913 Senden, DE
DE-Anmeldedatum 30.09.1987
DE-Aktenzeichen 3732986
Offenlegungstag 13.04.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.12.1997
IPC-Hauptklasse H01Q 1/52
IPC-Nebenklasse H01Q 1/38   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit Patch-Strahlerelementen.

Bei Gruppenantennen der Radar- und Kommunikationstechnik werden auf Grund einiger vorteilhafter Eigenschaften, vor allem hinsichtlich Volumen, Gewicht und Herstellungskosten zunehmend Patch-Strahlerelemente als Einzelstrahler benutzt. Diese Strahlerelemente, die gelegentlich auch als Microstrip- oder Streifenleitungs-Strahler bezeichnet werden, bestehen jeweils aus einer metallischen Strahlerfläche, die nach Art einer Streifenleitung auf einer größeren, auf der Rückseite mit einer metallischen Grundfläche versehenen dielektrischen Substratfläche aufgebracht ist. Die Vielzahl der Einzelstrahler einer Gruppenantenne sind voneinander getrennt i. a. regelmäßig auf der Substratfläche verteilt. Steuer- und Speiseleitungen zu den Strahlerflächen sind isoliert durch die Grundfläche, die häufig durch eine metallische Trägerplatte gebildet ist, und das Substrat hindurchgeführt.

Als Nachteil solcher Antennen ist deren geringe Bandbreite bekannt. Neben anderen Faktoren ist die nutzbare Bandbreite der Strahlerelemente annähernd proportional der Höhe des dielektrischen Substrats. Einer Erhöhung der Bandbreite durch Steigerung der Substrathöhe sind aber Grenzen gesetzt in erster Linie durch die Anregung von Oberflächenwellen auf der Substratplatte. Der relative Leistungsanteil der auf der Substratplatte angeregten Oberflächenwellen steigt nämlich in weiten Bereichen ebenfalls nahezu proportional zur Höhe des Substrats. Bei Gruppenantennen mit fest eingestellter Strahlungsrichtung führt die Anregung von Oberflächenwellen hauptsächlich zu störenden Veränderungen des Strahlungsdiagramms (Verkopplung durch Oberflächenwellen und Abstrahlung von Oberflächenwellen an Strahlerelementen und Antennenrand). Bei Gruppenantennen mit durch Phasensteuerung der Einzelstrahler variabler Strahlungsrichtung führen die angeregten Oberflächenwellen darüber hinaus zu Resonanzeffekten in der Abstrahlungscharakteristik der Antenne bei bestimmten eingestellten Strahlungsrichtungen ("Blindness").

Aus der GB 20 46 530 A ist weiterhin eine Microstrip-Antennenstruktur bekannt. Diese besteht aus einem Substrat, beispielsweise Keramik, mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten. Die Unterseite des Substrates ist vollständig metallisiert. Auf der Oberseite befindet sich zumindest eine als Streifenleiter ausgebildete Zuleitung für ein Strahlerelement. Dieses besteht aus einem einseitig metallisierten dielektrischen Material, das eine wesentlich niedrigere Dielektrizitätskonstante als das Substrat besitzt. Die Strahlerfläche dieses Strahlenelements ist somit auf eine Erhöhung aus einem dielektrischen Material angeordnet. Das Strahlerelement ist mit seiner nicht metallisierten Seite auf der Zuleitung befestigt, beispielsweise durch Kleben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gruppenantenne mit Patch-Strahlerelementen anzugeben, die eine gegenüber bekannten derartigen Antennen größere Nutzbandbreite ermöglicht, ohne daß Verschlechterungen der Strahlungseigenschaften in Kauf genommen werden müssen.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Gruppenantenne führt dazu, daß die Ausbreitung von Oberflächenwellen praktisch vollständig unterdrückt wird, ohne daß die Felder und damit die Impedanz der Einzelstrahlerelemente nennenswert verändert werden. Die eingespeiste Leistung wird nur als elektromagnetische Welle am Ort des jeweiligen Strahlerelements abgestrahlt und nicht in fortschreitende Oberflächenwellen umgesetzt. Der Nutzen der Nuten ergibt sich daraus in offensichtlicher Weise dazu, daß nunmehr erheblich dickere Substrate mit entsprechend größerer Bandbreite der Strahler eingesetzt werden können, ohne daß sich die Strahlungseigenschaften einer Antenne im Vergleich zu herkömmlicher Ausführung verschlechtern.

Die Tiefe der Nuten reicht vorzugsweise nicht vollständig bis zur metallischen Grundfläche, sondern es wird in den Nuten eine Restdicke des Substrats belassen, die als Oberflächenbeschichtung (Korrosionsschutz) wirkt, ohne die Wirkung der Oberflächenwellen-Unterdrückung zu beeinträchtigen. Die Unterdrückung von Oberflächenwellen ist umso wirkungsvoller, je tiefer und breiter die Nuten sind. Die Nutenbreite ist durch die Forderung nach möglichst geringer Störung der Felder der einzelnen Strahlerelemente begrenzt. Vorzugsweise ist daher die Breite der Nuten so gewählt, daß der Minimalabstand der Berandung der Strahlerflächen von den Rändern der Nuten ungefähr gleich der Substrathöhe am Ort der Strahlerelemente ist.

Ein weiterer günstiger Effekt der erfindungsgemäßen Ausbildung der Gruppenantenne ist in der Verringerung von Materialspannungen- oder krümmungen zu sehen. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von als Grundfläche dienender metallischer Trägerplatte und dielektrischem Substrat können bei Temperaturschwankungen oder bereits bei der Herstellung (Verkleben von Substrat und Trägerplatte bei deutlich über der Betriebstemperatur liegender Klebetemperatur) erhebliche mechanische Spannungen auftreten, die aber bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Gruppenantenne weitgehend abgebaut werden.

Die Abbildung zeigt eine Aufsicht (A) auf und einen Querschnitt (B) durch eine solche Gruppenantenne. Die Einzelstrahlerelemente 1 der Gruppenantenne sind voneinander getrennt in Zeilen und Spalten in der Antennenfläche als metallische Kreisflächen auf einem dielektrischem Substrat 2 äquidistant angeordnet. Auf der den Strahlerflächen abgewandten Seite des Substrats befindet sich eine durchgehende Metallplatte 3 als Grundfläche für die Patch-Strahlerelemente. Die Speise- oder Steuerleitungen 4 zu den Strahlerflächen sind isoliert durch die Grundplatte und das Substrat hindurchgeführt. Im Bereich der Strahlerelemente weist das Substrat eine Höhe h auf. Zwischen den getrennten Einzelstrahlern verlaufen im Substrat in Zeilen- und Spaltenrichtung Nuten 5, in deren Bereich das Substrat nurmehr eine Restdicke h&min; aufweist.

Die Herstellung der skizzierten Antenne kann ausgehend von einer ebenen Antennenplatte leicht mittels üblicher Fräswerkzeuge durchgeführt werden und stellt im Vergleich zu den übrigen Arbeitsgängen für die Herstellung der Antenne keinen wesentlichen Mehraufwand dar.


Anspruch[de]
  1. 1. Gruppenantenne mit einer Vielzahl von Patch-Strahlerelementen, wobei
    1. - die Patch-Strahlerelemente als getrennte metallische Strahlerflächen auf einer Seite eines dielektrischen Substrates angeordnet sind,
    2. - die Strahlerflächen auf Erhebungen aus einem dielektrischen Material angeordnet sind,
    3. - auf der den Strahlerflächen abgewandten Seite des Substrates eine durchgehende metallischen Grundfläche vorhanden ist und
    4. - jede Strahlerfläche eine Steuer- oder Speiseleitung, die elektrisch isoliert durch die Grundfläche und das Substrat hindurchgeführt ist, besitzt,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß die Höhe (h) des Substrates (2) in Abhängigkeit von der gewünschten elektrischen Bandbreite der Antenne gewählt ist,
    2. - daß zur Unterdrückung von Oberflächenwellen die Strahlerflächen (1) durch zwischen diesen im Substrat (2) angebrachte Nuten (5) getrennt sind, wodurch die Erhebungen gebildet sind und
    3. - daß der Mindestabstand der Berandung der Strahlerflächen (1) von den Rändern der Nuten (5) ungefähr gleich der Höhe (h) des Substrates ist.
  3. 2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (5) nicht vollständig bis zur Grundfläche (3) reichen, so daß das Substrat (2) im Bereich der Nuten (5) eine Resthöhe (h&min;), die in Abhängigkeit von einem für das Substrat (2) erforderlichen Korrosionsschutz gewählt ist, besitzt.






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