Gaebler, Alexander (2015):
Synthese steuerbarer Hochfrequenzschaltungen und Analyse Flüssigkristall-basierter Leitungsphasenschieber in Gruppenantennen für Satellitenanwendungen im Ka-Band.
Darmstadt, TU Darmstadt,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Die richtungsabhängige Permittivität mikrowellenoptimierter Flüssigkristalle (LCs) ermöglicht den Aufbau vergleichsweise hochgütiger, kontinuierlich abstimmbarer Hochfrequenzkomponenten. Ihre Charakterisierung, Modellierung und die Auslegung steuerbarer Verzögerungsleitungen für den Einsatz in elektrisch schwenkbaren Gruppenantennen und analogen HF-Schaltungen bilden den inhaltlichen Schwerpunkt dieser Arbeit. Hierfür werden zunächst Entwurfsverfahren für steuerbare Schaltungen entwickelt, um die modernen Syntheseverfahren analoger Netzwerke auf die Vorgabe veränderlicher Übertragungsfunktionen zu erweitern. Daran schließt sich die Entwicklung neuer Charakterisierungsverfahren und Messsysteme zur genauen Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften nematischer Flüssigkristalle im Mikrowellenbereich an. Ihre Kenntnis ist sowohl für die Modellierung und den Entwurf LC-basierter HF-Komponenten als auch für die zielgerichtete Synthese der daraufhin vorgestellten Flüssigkristalle mit verbesserten Materialparametern notwendig. Im Anschluss wird die Anwendung der flexiblen Finite-Differenzen-Methode zur breit- und schmalbandigen Charakterisierung sowie deren implizite Verknüpfung mit den "`klassischen"' Verfahren diskutiert. Zusammen mit der erstmals vorgestellten Eigendielektrik-Formulierung ermöglicht sie die effiziente und sehr genaue Bestimmung der komplexen Permittivität beliebiger Materialproben mit einer einzigen Simulation. Die so gewonnenen dielektrischen LC-Eigenschaften bilden den Ausgangspunkt einer umfassenden Untersuchung verschiedener Wellenleitertopologien für ihre Eignung als steuerbare Verzögerungsleitung. Ihre wesentlichen Kenngrößen wie die Phasenschieberperformanz, Steuerbarkeit und das transiente Schaltverhalten werden mit dem hierfür entwickelten Multiphysik-Simulationswerkzeug berechnet. Neben dem Einblick in die Wirkungsweise derartiger Strukturen wird ihre optimale Auslegung und darüber hinaus die Überprüfung neuartiger Steuerkonzepte und Leitungstopologien LC-gefüllter Wellenleiter ermöglicht. Auf dieser Grundlage werden anschließend variable Verzögerungsleitungen für phasengesteuerte Gruppenantennen in "Low Temperature Cofired Ceramics" (LTCC)- und Hohlleitertechnologie im Ka-Band aufgebaut. LTCC ist eine HF-Standardtechnologie und ermöglicht durch die Integration benötigter Steuerelektronik zusammen mit weiteren Elementen innerhalb eines Moduls die Umsetzung äußerst kompakter und preiswerter HF-Komponenten. Teilweise LC-gefüllte Hohlleiter hingegen weisen eine elektrische Performanz auf, welche die Güte aller bisher veröffentlichten Phasenschieber übertrifft. Ihr Einsatz bietet sich beispielsweise für die Realisierung schwenkbarer, stark gerichteter Gruppenantennen im Raumsegment an.

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