Antennendesign der nächsten Generation für unbemannte Luftfahrzeuge

Trend

Kleiner, leichter und kostengünstiger

Leitfähig beschichtete Verbundmaterialien ermöglichen kostengünstige und robuste Antennen und Arrays mit geringem Gewicht in konformen Formfaktoren, die sich ideal für unbemannte Plattformen der nächsten Generation eignen. Von: Kathleen Fasenfest, Manager, Electrical Engineering, Aerospace, Defense & Marine

Bei militärischen Einsätzen werden immer mehr unbemannte Fahrzeuge eingesetzt, und das nicht nur in der Luft, sondern auch für Boden- und Unterwassermissionen. Moderne Antennendesigns mit ihrer reduzierten Größe, der höheren Konformität und ihrem geringeren Gewicht können die Kraftstoffeffizienz der Fahrzeuge verbessern. Bei unbemannten Luftfahrzeugen ist die Einsatzzeit ein entscheidender Missionsparameter, der direkt vom Ladegewicht und der Aerodynamik abhängt. Bei unbemannten Bodenfahrzeugen verringert eine höhere Antennenkonformität die Wahrscheinlichkeit versehentlicher Schäden, wie sie bei nach außen vorstehenden Antennen auftreten. Da Designer immer kleinere und leistungsfähigere unbemannte Luftfahrzeuge mit entsprechend höheren SWaP-C-Anforderungen (Größe, Gewicht, Leistung und Kosten) entwickeln, müssen auch deren Komponenten und Subsysteme kompakter, leichter und leistungseffizienter werden. Dank moderner Fertigungsverfahren ist dies möglich. Mit jedem Subsystem, das man einer SWaP-C-Optimierung unterzieht, können geringfügige Einsparungen bei Subsystemen zu gravierenden Einsparungen bei der Plattform führen. Dank der jüngsten Fortschritte bei Material- und Herstellungstechnologien können jetzt kleinere, leichtere und kostengünstigere Antennendesigns mit geringerem aerodynamischen Widerstand realisiert werden. Wichtige Innovationen beeinflussen die Antennendesigns der nächsten Generation. Dazu gehören Verbundmaterialien und neue Verfahren zur selektiven Metallisierung. Diese Innovationen zusammen ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung dreidimensionaler Antennen, die mechanisch robust sind und rauen Umgebungsbedingungen widerstehen können.

Wichtige Innovationen beeinflussen die Antennendesigns der nächsten Generation. Dazu gehören Verbundmaterialien und neue Verfahren zur selektiven Metallisierung.

Ein typisches thermoplastisches Verbundmaterial besteht aus einem leistungsfähigen technisch hergestellten Polymer, dem Füllstoffe beigefügt sind, um die Materialeigenschaften zu verbessern. Für den Einsatz in unbemannten Fahrzeugen besteht das Polymer in der Regel aus einem spritzgussfähigen Hochtemperatur-Thermoplast, wie PPS, PEI oder PEEK. Verbundmaterialien sind robust und können speziell angepasst werden, um eine außerordentliche Schlagfestigkeit, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und andere wünschenswerte Eigenschaften zu erzielen. Welches Verbundmaterial verwendet wird, hängt auch von den Anforderungen in Bezug auf Betriebstemperatur und Flüssigkeitsbeständigkeit ab. Daher müssen bei der Entwicklung von Verbundkomponenten auch die zu erwartenden Temperaturextreme und die Einsatzumgebung der Antenne berücksichtigt werden. Kohlenstofffaserverstärkte Verbundmaterialien kommen überall dort zum Einsatz, wo leichte, kostengünstige elektrisch leitende Komponenten benötigt werden, die sich in großen Stückzahlen herstellen lassen. Leitfähige Verbundmaterialien bieten gegenüber Aluminiumteilen eine Gewichtsreduzierung von 30 bis 40 Prozent. Beim Antennenbau kommen Kohlefaserverbundmaterialien vielfältig – von der Grundplatte bis zum Gehäuse – zum Einsatz. Glasfaserverbundmaterialien sind spritzgussfähig und ermöglichen eine kostengünstige Herstellung von Antennenkuppeln und Antennensubstraten. Antennenkuppeln werden zumeist mit E-Glasfaserverstärkungen gefertigt, wenn ein Design kostengünstig sein soll, oder mit Quarzglasfaserverstärkungen, wenn geringe Verluste von entscheidender Bedeutung sind. Gegenüber nicht glasfaserverstärkten Designs lassen sich mit Glasfaserverbundmaterialien dünnere, leichtere Komponenten herstellen. Glasfasern erhöhen zudem die Dielektrizitätskonstante der meisten Verbundmaterialien, wodurch sich bei Einsatz dieser Verbundmaterialien als Substratmaterial die Größe der Antenne reduzieren lässt. Um spezifische Dielektrizitätskonstanten zu erhalten, können den Verbundmaterialien verschiedene Füllstoffe beigefügt werden, beispielsweise Mikroglashohlkugeln, elektrisch leitende Partikel oder Schaummittel. Sowohl bei Glasfaser- als auch bei Kohlefaserverbundmaterialien ist die Faserlänge ein wichtiger Designparameter. Längere Fasern bieten eine größere Festigkeit, eignen sich allerdings nicht so gut für die Herstellung kleinerer Komponenten. Spritzgussfähige Langfaser-Verbundmaterialien gestatten signifikant dünnere Komponenten – und dies ohne Abstriche bei der Festigkeit gegenüber Materialien mit kurzen Fasern. Bei Designs mit großen, glatten Oberflächen sind Endlosfaserverstärkungen aufgrund der weiteren Gewichtsreduzierung besonders attraktiv.

Die typische Methode zur Metallisierung spezifischer Formen auf 3D-Oberflächen ist die selektive Beschichtung. Diese Technik ist arbeitsintensiv, da sie die Aufbringung physischer Masken auf die Oberfläche der Komponente und einen Beschichtungsvorgang in mehreren Schritten erforderlich macht. Aufgrund des großen Arbeitsaufwands sind selektiv metallisierte Komponenten in der Regel relativ teuer. Kostengünstigere Verfahrensalternativen sind die Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) und der Zwei-Komponenten-Spritzguss (2K-Molded Interconnect Device-Technologie). Beide Verfahren bieten eine wirtschaftliche 3D-Metallisierung, unterliegen aber Einschränkungen bei den verfügbaren Substratmaterialien. Außerdem müssen bei beiden Verfahren Spritzgussformen eingesetzt werden. Dies führt zu höheren Einmalaufwendungen und Vorlaufzeiten. Um die Beschränkungen bei den Substratmaterialien zu überwinden, hat TE Connectivity (TE) eine Methode zur selektiven Metallisierung von 3D-Oberflächen beliebiger Substratmaterialien entwickelt. Dazu wird zunächst eine sprühbare leitfähige Beschichtung auf die Oberfläche der Komponente aufgebracht. Anschließend wird diese Beschichtung durch Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung ausgehärtet. Zum Schluss wird die Beschichtung entsprechend dem gewünschten Muster mithilfe eines CNC-gesteuerten Lasers abgetragen. Mit diesem Verfahren lassen sich 3D-konforme Formen mit einer Metallisierungsauflösung von bis zu 100 µm erzielen. Außerdem ermöglicht es die Nutzung von Formteilen oder maschinell bearbeiteten Komponenten als Substrate. Die Methode der selektiven 3D-Metallisierung eignet sich für eine Vielzahl von Substraten, einschließlich Kunststoffe, chemikalienbeständige Verbundmaterialien, Glas, Keramik und Metalle mit einer hinreichenden Haftung und Korrosionsbeständigkeit sowie einem zulässigen Temperaturbereich von -65 °C bis +200 °C. Die Metallisierung ist zudem langlebig und bietet die Stoß-, Vibrations-, Flüssigkeits- und Salzspraybeständigkeit, die Luft- und Raumfahrtanwendungen häufig verlangen. Dieses Verfahren verkürzt die Entwicklungs- und Fertigungszeiten für robuste 3D-Antennen für raue Umgebungen.

Leitfähige Beschichtungen lassen sich flexibel und präzise auf Verbundsubstrate aufbringen.
Abbildung 1. Leitfähige Beschichtungen lassen sich flexibel und präzise auf Verbundsubstrate aufbringen.
Um die Beschränkungen bei den Substratmaterialien zu überwinden, hat TE Connectivity (TE) eine Methode zur selektiven Metallisierung von 3D-Oberflächen beliebiger Substratmaterialien entwickelt.

Verbundmaterialien und die Technologie der selektiven 3D-Metallisierung bieten neue Möglichkeiten, die Größe und das Gewicht von Antennen für unbemannte Fahrzeuge und deren Herstellungskosten zu reduzieren. Verbundmaterialien eignen sich ideal für die Herstellung spritzgussfähiger, serientauglicher und kostengünstiger Antennensubstrate. Diese Substrate können beliebige Formen haben und sogar mechanische Anbauvorrichtungen aufweisen. Diese Technologie bietet Antennenentwicklern eine Designflexibilität, die bei herkömmlichen Substratmaterialien nicht möglich war.

Spritzgussfähiges, modulares Antennendesign.
Abbildung 2. Spritzgussfähiges, modulares Antennendesign mit glasfaserverstärktem Verbundsubstrat und leitfähiger Beschichtung.

Die selektive Metallisierung mittels einer leitfähigen Beschichtung kann eine gute Alternative zur Herstellung von Leiterbahnen auf Verbundmaterialkomponenten gegenüber den üblichen Ätzverfahren für Leiterplatten sein. Manche leitfähigen Beschichtungen erreichen die Leitfähigkeit von Kupfer – und dies bei minimalen Leistungsverlusten und einer wirtschaftlichen Herstellung. Die selektive Metallisierung empfiehlt sich insbesondere für die Herstellung dreidimensionaler Schaltungstopologien. Mit dieser Technologie sind jetzt dreidimensionale HF-Koppler und Direktverbindungen zu Antennen machbar. Bei Antennenbaugruppen können Komponenten aus Aluminium den Großteil des Gesamtgewichts der Baugruppe ausmachen. Grundplatten aus Verbundmaterial bieten gegenüber herkömmlichen Aluminiumkomponenten eine Gewichtseinsparung von 30 bis 40 Prozent. Zudem lassen sie sich sehr einfach und kostengünstig herstellen. Um die Antenne sicher an der unbemannten Fahrzeugplattform zu befestigen, sind Metalleinsätze verfügbar. Bei Bedarf können Grundplatten aus Verbundmaterial auch elektrisch leitend beschichtet werden, um die EMI-Abschirmung, die Erdung oder den Blitzschutz zu verbessern. Wenn Originalkomponenten aus Aluminium eine beträchtliche Fertigungszeit benötigen, können Grundplatten aus Verbundmaterial sogar deutliche Kostenvorteile bieten.

Modulares Antennen-Array.
Abbildung 3. Modulares Antennen-Array, das größtenteils aus Verbundmaterialien besteht und mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist.

Bei der herkömmlichen Herstellung von Antennenkuppeln werden mehrere Materialschichten manuell aufgebracht. Dies ist ein mühsamer, langsamer und kostenintensiver Vorgang, der zudem bei komplexen Kuppelformen sehr schwierig ist. Dank neuer Fortschritte bei langglasfaserverstärkten und endlosglasfaserverstärkten Verbundmaterialien lassen sich mittlerweile dünnere und leichtere Antennenkuppeln per Spritzgussverfahren herstellen. Das Spritzgießen stabiler und leichter Antennenkuppeln hat die Entwicklung und Herstellung von Antennen deutlich wirtschaftlicher gemacht. Bei Bedarf sorgt eine selektive 3D-Metallisierung für Blitzableitungs- oder Frequenzselektivitätseigenschaften der Antennenkuppel. Zusätzlich zu den genannten Vorteilen bieten leitfähige Beschichtungen die Möglichkeit, Antennen direkt auf Strukturelemente des unbemannten Fahrzeugs aus Verbundmaterial aufzudrucken. Da bei unbemannten Fahrzeugen zunehmend Karosserieteile aus Verbundmaterial zum Einsatz kommen, können leitfähige Beschichtungen zu einer Oberflächenfunktionalisierung beitragen. Antennen, HF-Stromleitungen und DC-Verdrahtungen können jetzt direkt auf Komponenten des Fahrzeuges aufgedruckt werden und müssen nicht mehr als separate Komponenten eingebaut werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine beispiellose Integration von Antennen in unbemannte Fahrzeuge.

Die Zukunft hat begonnen

Leitfähig beschichtete Verbundmaterialien ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung neuartiger Antennen, die kleiner, leichter und kostengünstiger sind. Spritzguss-Verbundmaterialien eignen sich ideal für die Herstellung serientauglicher Antennensubstrate und Antennenkuppeln. Dank selektiver Metallisierung mittels leitfähiger Beschichtungen können dreidimensionale Antennen, Leiterbildstrukturen und Grundplatten entwickelt werden. In ihrer Kombination ermöglichen diese Verfahren die Herstellung von Antennen und Arrays mit geringem Gewicht in konformen Formfaktoren, die hervorragende elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen und sich ideal für unbemannte Plattformen der nächsten Generation eignen.