Reese, Roland (2020)
Phasen- und aperturgesteuerte Antennen für Millimeterwellen mit integrierten Flüssigkristallsegmenten: Von metallischen zu volldielektrischen Strukturen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011597
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit werden zwei neuartige, volldielektrische, elektronisch steuerbare Antennen zur Strahlschwenkung im Millimeterwellenbereich (30GHz bis 300GHz) vorgestellt, die speziell für diesen Frequenzbereich synthetisierte, sehr verlustarme Flüssigkristalle nutzen. DielektrischeWellenleiterkomponenten eignen sich aufgrund ihrer geringen Verluste bei sehr hohen Frequenzen gegenüber Hohlleiterkomponenten sehr gut für den Millimeterwellenbereich. In Verbindung mit Flüssigkristallkavitäten bzw. -segmenten können sehr effiziente steuerbare Komponenten realisiert werden. So erreichen die realisierten dielektrischen Phasenschieber einen aktuellen Bestwert in der Phasenschiebergüte von 130°/dB imW-Band (90GHz bis 105 GHz). Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Konzept und Entwurf des Leistungsteilernetzwerks. Zunächst wurde hierfür ein klassisches Hohlleiterleistungsteilernetzwerk mit mehreren kaskadierten Teilern entworfen, mit den erkennbaren Nachteilen eines hybriden Aufbaus der gesamten Gruppenantenne, der relativ schweren und großen Bauform sowie der zu erwartenden Verluste mit zunehmender Anzahl an Antennenelementen. Daher wurde ein aus der Photonik bekanntes Prinzip der Multimode-Interferenz für einen dielektrischen Teiler untersucht, der die gewünschte Leistungsteilung an den Ausgängen in einem Schritt, ohne Kaskadierung mehrerer Teiler, erreicht. Dieser dielektrische Multimode-Interferenz-Teiler erlaubt ein kompaktes und leichtgewichtiges Design und lässt sich einfach mit den Phasenschiebern und Stielstrahlern zu einer volldielektrischen Gruppenantenne integrieren. Das Funktionsprinzip, Theorie, Entwurf und Simulationsergebnisse sowohl des Multimode-Interferenz-Teiler als auch der gesamten steuerbaren, volldielektrischen Gruppenantenne wird anhand einer realisierten eindimensionalen 1 x 4 sowie einer zweidimensionalen 4 x 4 Gruppenantenne demonstriert und validiert. Darauf aufbauend wird eine steuerbare, volldielektrische Gruppenantennen vorgestellt. Ein von der phasengesteuerten Gruppenantenne abweichendes, zweites Konzept, verwendet eine einzelne aperturgesteuerte Linsenantenne, bei der die Strahlschwenkung durch einen steuerbaren Permittivitätskontrast innerhalb des Linsenkörpers erfolgt. Für diesen steuerbaren Permittivitätsunterschied, wird wieder ein Flüssigkristall eingebracht, der je nach Orientierung durch ein elektrostatisches Feld im Linsenkörper zwei ausgewählte Regionen mit niedriger bzw. hoher Permittivität (z.B. eps,r = 2,4, eps_r = 3,4) erzeugt. Der Schwenkwinkel wird dabei durch die elektrische Ausrichtung der höherpermittiven Region, d.h. der parallelen Orientierung des Flüssigkristalls, eingestellt. Anders als bei der phasengesteuerten Gruppenantenne, benötigt die aperturgesteuerte Linsenantenne kein Leistungsteilernetzwerk und keine Phasenschieber. Die elektrische Ansteuerung der Flüssigkristalle ist prinzipiell einfacher, da nur zwei Spannungen benötigt werden. Da sich außerdem die Fläche der beiden Permittiväten beliebig in ihrer Größe und Winkel einstellen lassen, ist eine Vielzahl an Abstrahlmodi möglich. Das Konzept, die Funktionalität und die Eignung dieser aperturgesteuerten Linsenantenne wurde zunächst mittels einer Parallelplattenleiterlinse und anschließend anhand einer volldielektrischen Linsenantenne im V-Band (50GHz bis 75GHz), jeweils mit einer vereinfachten Elektrodenanordnung, überprüft. Damit konnte neben dem diskreten Schalten der Antennenhauptkeule in drei vorgegebene Richtungen, auch die Strahlbreite elektronisch verändert und zwei Hauptkeulen gleichzeitig erzeugt werden. Letzteres demonstriert die Multibeamfähigkeit der vorgestellten Linsenantenne. Mit einer komplexeren Elektrodenanordnung kann sowohl die Strahlschwenkung in kleinerenWinkelabständen bzw. kontinuierlich erfolgen als auch zunehmend mehr Antennenhauptkeulen gleichzeitig generiert werden.

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