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Phasen- und aperturgesteuerte Antennen für Millimeterwellen mit integrierten Flüssigkristallsegmenten: Von metallischen zu volldielektrischen Strukturen

Reese, Roland (2020):
Phasen- und aperturgesteuerte Antennen für Millimeterwellen mit integrierten Flüssigkristallsegmenten: Von metallischen zu volldielektrischen Strukturen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011597,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11597],
[Ph.D. Thesis]

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.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Reese, Roland
Title: Phasen- und aperturgesteuerte Antennen für Millimeterwellen mit integrierten Flüssigkristallsegmenten: Von metallischen zu volldielektrischen Strukturen
Language: German
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.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 05 Apr 2020 19:55
DOI: 10.25534/tuprints-00011597
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11597
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115974
Referees: Jakoby, Prof. Rolf and Waldschmidt, Prof. Christian
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 February 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
In this work, two novel fully dielectric antennas for beam steering are presented for millimeterwave applications (30GHz to 300GHz), which use specially syntheized low-loss liquid crystals. The first approach uses a classical phased array approach, which uses rod antennas as antenna element, liquid crystal tunable phase shifters and a feed network. Dielectric waveguide components are well suited for millimeter waves, due to their low losses. Together with liquid crystal cavities, high efficient tunable components can be achieved. The realized phase shifter reached a new state-of-the-art Figure-of-Merit of 130°/dB at W-Band frequencies (90GHz to 105 GHz). One focus within the presented work is the design of the power divider networks for the phased array antenna, which has been designed in two technologies. One power divider network is designed as a classical cascaded metallic waveguide network, with apparent disadvantages of a hybrid design, such as the high weight, the large design and high losses, which increase with the number of antenna elements. Therefore, multimode interference known from photonics, is used for a fully dielectric power divider, which allows a power split in one single step, without cascading multiple dividers. This multimode interference divider, allows a compact and lightweight design and can be easily integrated with the dielectric phase shifters and rod antennas. By means of a planar 1 x 4 and two dimensional 4 x 4 antenna array, the concept is validated. Based on this, a fully dielectric tunable phased array is presented. The second approach, diverges from the phased array approach and uses a single lens antenna with tunable aperture, in which beam steering is achieved by means of a tunable permittivity difference inside the lens body. For the tunable permittivity difference, LC is used, in order to form two regions of low and high permittivity (e.g. eps_r = 2,4, eps_r = 3,4). Doing so, the steering angle is set by the direction of the region of high permittivity. In contrast to the phased array antenna, neither a power divider network nor phase shifters arenecessary. In addition, the electric biasing of the LC is simplified because only two voltages are needed. Since the size and angle of the two permittivity regions can be arbitrarily chosen, multiple radiation modi are possible. This concept and functionality of this aperture tunable lens antenna is first investigated with a parallel plate lens antenna and subsequently with a fully dielectric lens antenna in the V-Band (50GHz to 75GHz), both using a simplified electrode network for the LC orientation. Besides the discrete switching of the steering angle in three distinct directions, also the beam width can be adjusted. At last, the generation of two antenna beams is also possible, showing the multibeam capabilities of the presented lens antenna.With an advanced electrode network, a finer resolution of the steering angle is possible as well as more antenna beams.English
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