DE4038332A1 - Triplate-anordnung fuer eine planarantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Triplate-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs für eine Planarantenne für Satelliten-Fernsehen. Derartige Antennen empfangen HF-Signale im 12-GHz-Band und stellen eine hochwertige Alternative zu den Parabolspiegel- und Offsetspiegel-Antennen dar.

Die Planarantennen bestehen aus einem flachen, zweiteiligen Gehäuse aus Kunststoff: der rechteckigen, meist quadratischen Wanne und dem Radom, das die Wanne in Wirkrichtung feuchtig­ keitsdicht abdeckt und abschließt. Im Gehäuse sind die HF- wirksamen Elemente angeordnet. Das sind im wesentlichen die dielektrische Folie mit den Koppelelementen und dem Leiternetz, im allgemeinen zwischen zwei metallischen Masseflächen, und oft, in Wirkrichtung hinter der Triplate-Anordnung, ein Reflektor­ blech. Zwischen den einzelnen flächigen Elementen befinden sich Mittel zur Einhaltung der nötigen definierten Abstände.

Bei den bekannten und auch schon im Handel angebotenen Aus­ führungen werden die Bauteile bei der Herstellung nacheinander einzeln in das Antennengehäuse gelegt, in ihrer Lage zueinander fixiert und am Gehäuse befestigt und dann das Gehäuse geschlos­ sen und abgedichtet. Als Abstandhalter dienen dünne Platten aus Schaumstoff ([1], DE-OS 39 17 138, DE-GM 82 12 076) oder Schaum­ stoffgitter mit Ausschnitten, die mit den Ausschnitten in den Masseflächen korrespondieren (DE-OS 37 27 178, US-P 45 27 165) oder noppenartige Elemente, die an den Masseflächen angebracht sind bzw. aus ihnen herausragen (EP 2 52 779; Planarantenne von Sony, Typ Flat Antenna SAN-F50). Die Noppen müssen paarig ein­ ander gegenüberliegend angeordnet sein.

Zur Befestigung des gesamten Pakets dienen bei den Lösungen des bekannten Stands der Technik Schrauben in unterschiedlicher Zahl, die über die gesamte Antennenflächen verteilt sind und das System starr mit der Gehäusewanne verbinden.

Eine wesentliche Bedingung für den Zusammenbau der Masseflächen und der Trägerfolie lautet, daß keine Verwerfungen und damit Maß- oder Maßverhältnis-Änderungen in Wirkrichtung der Antenne auftreten dürfen. Verwerfungen können entstehen, wenn sich durch Änderung der Umgebungstemperatur Materialien mit unterschiedli­ chem Wärmeausdehnungskoeffizienten gegeneinander bewegen. Eine Trägerfolie mit Mikrostreifenleitungen, die an verschiedenen, über die Fläche verteilten Punkten mit zwei Blechen und mit dem Antennengehäuse fest verschraubt ist, verhält sich bei den hohen Temperaturänderungen, denen die Antennen zeitweise ausgesetzt ist, zwangsläufig anders als die beiden Metallflächen. Die Kombination von Noppen und starrer Verschraubung, wie sie z. B. bei der Sony-Antenne SAN-F50 gewählt wurde, ist ungünstig, weil Verwerfungen der Folie in den Bereichen zwischen den einzelnen Anschraubstellen unvermeidbar sind und nicht kompensiert werden. Damit werden die Empfangsbedingungen nachweisbar geändert und die Empfangsqualität ungünstig beeinflußt.

Bei Verwendung von Schaumstoffplatten als Abstandhalter werden mögliche Verwerfungen der Trägerfolie eingeschränkt. Das Prinzip gestattet darüber hinaus einen einfachen und kostengünstigen Aufbau der Antenne, denn wenn die Schaumstoffplatten für sich formsteif genug ausgeführt werden, können dazwischen metallische oder metallisierte Flächenelemente gelegt werden, die selbst keine mechanische Festigkeit haben, z. B. metallisierte Folien auch als Masseflächen. Das Gewicht einer derartigen Antenne kann damit gering gehalten werden.

Trotzdem haben auch die Planarantennen mit Schaumstoffplatten als Abstandhalter einen Nachteil: Der Schaumstoff zwischen den HF-wirksamen Flächenelementen wirkt dämpfend auf die HF-Signale (Einkopplung und Weiterleitung) und verringert den Antennenge­ winn. Das gilt selbst für die Lösungen, bei denen nur ein Gitter aus Schaumstoff verwendet wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Verbindung der HF-wirksamen Flächenelemente einer Planarantenne unterein­ ander und zur Befestigung im Gehäuse so zu gestalten, daß der Einfluß witterungsbedingter Temperaturänderungen auf die funk­ tionsbestimmenden Systemkomponenten und damit auf die Empfangs­ qualität weitgehend kompensiert und gleichzeitig der höchstmög­ liche Antennengewinn erzielt wird. Der Fertigungs- und Kosten­ aufwand soll gering gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Haupt­ anspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungs­ varianten und -details sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Das erfindungsgemäße Triplate verbindet die Vorteile der Ver­ wendung von Noppen als Abstandhalter - Senkung der Dämpfungs­ verluste aufgrund des Luftraums zwischen den Flächenelementen - mit denen der Verwendung von Schaumstoffplatten - weitgehend konstant ebene Trägerfolie und Konstanz der Abstände. Dabei ist wesentlich, daß in dem gesamten System bei Temperaturänderungen keinerlei Spannungen entstehen. Spannungen in den Folien zwi­ schen Schaumstoffplatten wie auch in den Blechen lassen sich bei den Lösungen des Stands der Technik nicht vermeiden, weil dort die Bauteile immer fest zusammen und mit über ihre gesamte Fläche verteilten Schrauben starr an das Gehäuse geschraubt sind. So kommen dort zu den unterschiedlichen Materialkompo­ nenten der HF-wirksamen Elemente noch das Reflektor- und das Gehäusematerial mit ihrem temperaturabhängigen Verhalten.

Das erfindungsgemäße Prinzip ergibt ein in sich formbeständiges Bauteil, das leicht zu fertigen und zu montieren ist. Die als Masseflächen dienenden Bleche brauchen nicht zusätzlich ver­ steift zu werden, wie es bei den Lösungen des Stands der Technik mit Sicken, Abbiegungen usw. üblich - weil notwendig - ist.

Mit der "schwimmenden" Lagerung und Halterung des gesamten Triplate im Antennengehäuse und - innerhalb des Triplate - auch noch der Trägerfolie erhält man im Vergleich zu den Lösungen des bekannten Stands der Technik günstigste und, unabhängig von äußeren Einflüssen, stabile Empfangsverhältnisse mit dem höchst­ möglichen Gewinn.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindungs- Paarung für eine Triplate-Anordnung,

Fig. 2 Schnitt durch eine erfindungsgemäße Abstandhalter- Paarung,

Fig. 3 a) Verbindung aus Steckelementen und b) Abstandhalter unter Verwendung eines Einheitsbauteils,

Fig. 4 Verbindungs-Anordnung für zwei Trägerfolien zwischen Masseflächen a) unter Verwendung des Einheitsbauteils nach Fig. 3, b) mit Teilen ähnlich Fig. 1,

Fig. 5 Draufsicht eines Masseblechs mit den Ausschnitten für die Kopplung und mit Langlöchern zur in seit­ licher Erstreckung beweglichen Befestigung des Triplate am Antennengehäuse,

Fig. 6 Verbindung und Abstandhaltung ohne gesonderte Teile.

Mit der Anordnung nach Fig. 1 werden die Massebleche 1 in dem gewünschten Abstand zueinander und zur Trägerfolie 2 fixiert und verbunden und gleichzeitig die seitliche Beweglichkeit der Trägerfolie gewährleistet.

Das Unterteil 3 hat einen Stift 3.1, der durch den Ausschnitt 2.1 in der Trägerfolie 2 in die Bohrung 4.1 im Oberteil 4 geführt und dann z. B. verprägt wird. Der Ansatz 3.2 am Unter­ teil 3 ist um ein geringes höher als die Dicke der Trägerfolie 2, so daß ein Gleiten zwischen den Verbindungselementen möglich ist. Das Differenzmaß der Durchmesser von Ausschnitt 2.1 und Ansatz 3.2 ist in Abhängigkeit von den Ausdehnungskoeffizienten des Masseblech- und des Trägerfolien-Materials so zu wählen, daß die seitliche Bewegung der Folie 2 auch bei den möglichen Extremtemperaturen nicht behindert wird.

Die beiden Abstandhalter 5 nach Fig. 2 sollen ausschließlich das seitliche Gleiten der Trägerfolie 2 bei konstantem Abstand der drei Flächenelemente zueinander erlauben. Der Abstand h zwischen den beiden der Trägerfolie zugewandten Flächen ist gleich der Höhe a des Ansatzes 3.2.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 werden zur Vereinfa­ chung gleiche Teile 6 für Verbindungsstellen und Abstandhalter gewählt. Über den Bolzen 7 für die Verbindungspaarung wird beim Zusammenbau des Triplate eine Hülse 7.1 geschoben, die zusammen mit den Ausdrehungen 6.1 den Abstand zwischen Ober- und Unter­ teil herstellt.

Das gleiche Prinzip eignet sich auch für die Verbindung von zwei Trägerfolien - z. B. für unterschiedliche Polarisationen - mit den dazugehörigen Masseblechen, wie Fig. 4a zeigt. Die Verwen­ dung von mehr als einer Trägerfolie wird in verschiedenen Patenten über grundsätzliche Lösungen für Planarantennen vor­ geschlagen. Damit soll der Anwendungsbereich der Antennen vergrößert werden.

Die Anordnung läßt sich natürlich auch mit Teilen ausführen, wie sie Fig. 1 zeigt (Fig. 4b).

Fig. 5 verdeutlicht das erfindungsgemäße Prinzip für die Befe­ stigung des Triplate am Gehäuse. Das Triplate wird nur über die Löcher 8 fest mit dem Gehäuse verschraubt. So wird die einwand­ freie und sichere Kopplung zwischen dem Leiternetz auf der Trägerfolie und der Konverterschaltung gewährleistet. Die Achsen der Langlöcher 9 sind radial zum Plattenmittelpunkt 10 und erlauben so - in Verbindung z. B. mit Ansatzschrauben - ein seitliches Ausdehnen und Zusammenziehen des Triplate bei Tem­ peraturänderungen nach allen Richtungen.

Daß das erfindungsgemäße Prinzip auch ohne gesonderte Mittel für die Verbindung der Massebleche und für die Abstandhaltung anwendbar ist, zeigt Fig. 6. Durch Umbördeln des die Öffnung 11 umlaufenden Stegs 12 erhält man die Verbindungsstelle 13, und der Abstandhaltung dienen der umlaufende Ansatz 14 und die Noppen bzw. Sicken 15.

Auch wenn man ein anderes Verfahren zur Verbindung der Masse­ bleche miteinander wählt, muß immer der Ansatz vorgesehen werden, und der Durchmesser des Ausschnitts 2.1 in der Träger­ folie 2 muß größer als der Durchmesser des Ansatzes sein.

Die Öffnung 11 kann - in Draufsicht gesehen - kreisrund (als Loch 8) oder als Langloch 9 ausgeführt werden und der Befesti­ gung des Triplate am Gehäuse dienen.

Die Erfindungsvariante mit flächigen Abstandhaltern - die in Größe, Anordnung und Kontur den leiterfreien Flächen auf der Trägerfolie entsprechen - bietet den Vorteil, daß Verformungen und eine Vielzahl Bohrungen an den Masseblechen entfallen und das dielektrische Abstandsmaterial z. B. auf die Metallflächen aufgespritzt oder aufgeklebt werden kann. An der Verbindungs­ stelle in der Mitte des Triplate könnten die Massebleche mit der Abstandsschicht direkt beidseitig mit der Trägerfolie verklebt werden. Dabei sind auch bei dieser Anordnung die Werkstoffpaa­ rungen und die Oberflächen so zu wählen, daß die Trägerfolie in der seitlichen Erstreckung leicht gleiten kann.

Dieser Effekt ist erst dann nicht erforderlich, wenn die Wärme­ ausdehnungskoeffizienten der Flächenkomponenten des Triplate zumindest annähernd gleich sind. So wäre eine erfindungsgemäße Anordnung denkbar, bei der unter Stoffschluß eine Trägerfolie beidseitig mit Abstandsschichten, die nur das Leiternetz frei­ lassen, und die Abstandsschichten außen mit metallisierten Folien verbunden wären. Die metallisierten (Masse-)Folien mit Koppelausschnitten sind flexibel, aber auch formsteif denkbar.

Die vorliegende Erfindung läßt sich in einer Vielzahl von Varianten realisieren und bietet so den zusätzlichen Vorteil, daß sich für jede Forderung eine auch technologisch günstige Ausführungsform finden läßt.
Literaturstelle:
[1] Planar Antennas for Satellite Reception. IEEE Transaction on Broadcasting 34, (1988) H. 4, S. 461 (Fig. 10).

Claims (6)

1. Triplate-Anordnung für eine Planarantenne für Satelliten- Fernsehempfang, bestehend

• - aus einer dielektrischen Trägerfolie mit einer Mikro­ streifenleiter-Konfiguration als Koppel- und Innenleiter­ element und
• - vorzugsweise je einem Blech oder einer metallischen Schicht beiderseits der Trägerfolie als Masseflächen, die beide ein Raster einander koaxialer Ausschnitte haben, in die die Koppelelemente auf der Trägerfolie hinein­ ragen,
• - wobei die drei Flächenelemente in definierten Abständen parallel zueinander fixiert sind,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - die drei Flächenelemente 1, 2, 1 sind als ein komplettes Verbundteil ausgebildet,
• - die Masseflächen 1 bestehen vorzugsweise aus Blech und sind unlöslich miteinander verbunden,
• - die Trägerfolie 2 ist in der Flächenmitte fest eingespannt und ringsum in der seitlichen Erstreckung frei beweglich zwischen den Masseflächen 1 gehalten,
• - die über die Wirkfläche verteilten Verbindungspunkte und Abstandhalter, die die seitliche Bewegung der Trägerfolie 2 erlauben, sind an leiterfreien Stellen der Trägerfolie angeordnet,
• - das gesamte Verbundteil ist nur in der Flächenmitte, im Bereich der HF-Kopplung zwischen Streifenleiter und Kon­ verterschaltung, starr mit dem Antennengehäuse verschraubt und in den übrigen Anschraubpunkten rings um die Mitte in der seitlichen Erstreckung beweglich gehalten.

2. Triplate-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Paarige Verbindungselemente 3, 4, 6 aus Isolierstoff verbinden die Massebleche 1 durch Ausschnitte 2.1 in der Trägerfolie 2 hindurch miteinander,
• - zwischen den Verbindungselementen 3, 4, 6 wird mit Hilfe eines Ansatzes 3.2 bzw. einer Distanzhülse 7.1 ein Ring­ spalt 3.3 gebildet, dessen Höhe h um ein geringes größer ist als die Dicke der Trägerfolie 2,
• - paarige Abstandhalter 5 aus Isolierstoff sind an leiter­ freien Stellen der Trägerfolie 2 einander gegenüberliegend an den Masseblechen 1 befestigt, und zwischen ihren der Trägerfläche zugewandten Flächen besteht jeweils ein Spalt 5.1 von der Höhe h,
• - der Durchmesser der Ausschnitte 2.1 in der Trägerfolie 2 ist größer als der Durchmesser des Ansatzes 3.2 bzw. der Distanzhülse 7.1 und kleiner als der Außendurchmesser des Verbindungselements 3, 4, 6 und
• - der Ringspalt 3.3, der Spalt 5.1 und die Durchmesserunter­ schiede zwischen Ansatz 3.2 bzw. Distanzhülse 7.1 und den Ausschnitten 2.1 gewährleisten die seitliche gleitende Bewegung der Trägerfolie 2.

3. Triplate-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß auf den der Trägerfolie zugewandten Flächen der Masse­ bleche je eine dielektrische Schicht aufgebracht ist, deren flächige Ausbildung mit den leiterfreien Flächen der Trägerfolie 2 identisch ist, so daß die Leiterwege zuzüg­ lich eines beiderseitigen Maßes von der Schicht nicht bedeckt werden, und deren Dicke gleich dem beiderseits der Trägerfolie erforderlichen Abstand zu den Masseblechen ist, und
• - daß sich die Trägerfolie 2 zwischen den beiden Schichten, um den mittigen Fix- und Befestigungspunkt herum, in der seitlichen Erstreckung frei gleitend bewegen kann.

4. Triplate-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Massebleche 1 an den Verbindungspunkten durch eine Bördelverbindung 12 oder eine andere geeignete Verbindung ohne gesondertes Verbindungselement anein­ andergefügt sind,
• - daß dabei Ansätze 13 in die Massebleche 1 geprägt sind, damit der Abstand für die gleitende Halterung der Trä­ gerfolie gewährleistet ist, und
• - daß als Abstandhalter im Bereich von leiterfreien Stellen der Trägerfolie 2 Noppen 14 oder Sicken in die Masse­ bleche 1 geprägt sind.

5. Triplate-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Löcher in dem Verbundteil für die Schrauben, mit denen das Teil am Gehäuse befestigt wird, außer den Löchern 8 in der Mitte des Verbundteils als Langlöcher 9 ausgebildet sind, deren Längsachsen radial zum Mittelpunkt 10 des Ver­ bundteils gerichtet sind, und
daß die seitliche Beweglichkeit gewährleistet wird, indem Ansatzschrauben bzw. Schrauben und entsprechende Distanz­ hülsen verwendet werden.