Integrierte planare Millimeterwellenantenne mit hohem Gewinn

Geschewski, Frank; Rembold, Bernhard

doi:HT016013866

Integrierte planare Millimeterwellenantenne mit hohem Gewinn = Integrated planar high gain antenna for mm-wave applications

Geschewski, Frank

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Geschewski

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangX, 152 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zusammenfassing in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rembold, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-04-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28562
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51188/files/Geschewski_Frank.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochfrequenztechnik (613110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antennengruppe (Genormte SW) ; WiMAX (Genormte SW) ; Hohlleiter (Genormte SW) ; Analoge integrierte Schaltung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Hochgewinn (frei) ; Hohlleiterspeisenetzwerk (frei) ; schaltbare Polarisation (frei) ; hohe Bandbreite (frei) ; unsymmetrische Leistungsteiler (frei) ; high gain (frei) ; waveguide feeding network (frei) ; polarisation agile (frei) ; high bandwidth (frei) ; unsymmetrical power divider (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Dissertation wurden zwei Hochgewinnantennen in Form von planaren Arrays entwickelt und realisiert. Die Antennen sind für Richtfunk Anwendungen im Bereich um 32GHz mit Gewinnen über 30dB vorgesehen. Sie können z.B. für die Vernetzung von Basisstationen in WIMAX-Netzen eingesetzt werden. Die Polarisationen der Arrays sind linear bzw. zirkular. Als Strahlerelemente dienen Mikrostreifenleitungsantennen, sogenannte Patches. Dabei werden jeweils neun rechteckförmige Patches zu nahezu quadratischen Subarrays zusammengefasst. Die erste Version der Hochgewinnantennen besteht aus 64 solcher Subarrays, die zur Vermeidung von Verlusten auf der Rückseite mit einem Hohlleiternetzwerk gespeist werden. Die Mittenelemente der Subarrays sind durch Schlitze an das Hohlleiternetzwerk angekoppelt. Die weitere Leistungsteilung innerhalb der Subarrays besorgen kurze planare Streifenleiter. Das Hohlleiterspeisenetzwerk wird aus einem flachen Block Aluminium herausgefräst. Das Antennensubstrat dient dabei als Deckel für die Hohlleiterstruktur. Die Optimierung der Abstrahlung der Subarrays, sowie des Eingangsreflexionsfaktors der Schlitzkopplung wurde mit Hilfe kommerziell erhältlicher SW (Momentenmethode sowie Methode der finiten Elemente) simulativ untersucht. Die Wahl der Abstände der Subarrays untereinander und die Wahl der Belegungsfunktionen der gesamten Arrays wurden mit Hilfe von modellierten Abstrahlungen durchgeführt. Für die Erzeugung von nicht-konstanten Belegungsfunktionen des gesamten Arrays wurden neue unsymmetrische Leistungsteiler mit kompensierten Transmissionsphasen in Hohlleitertechnik entwickelt und realisiert. Bei der zweiten Version der Antenne wird das gesamte Array in zwei separate Blöcke unterteilt, die jeweils aus 32 Subarrays bestehen. Innerhalb eines Blockes werden alle Subarrays um 90° gedreht, so dass eine orthogonale Polarisation entsteht. Das darunter befindliche Hohlleiterspeisenetzwerk wird aufgrund der Drehung der Subarrays an die neue Struktur angepasst. Mit der zweiten Version der Hochgewinnantenne ist es möglich, zwei linear orthogonale Polarisationen anzuregen und durch Superposition der Abstrahlungen vier unterschiedliche Polarisationen (2 x linear und 2 x zirkular) zu erzeugen. Durch eine Weiterführung der Hohlleiterstruktur wird durch den Block aus Aluminium über eine zusätzliche Schlitzkopplung ein Schaltungslayer auf der Antennenrückseite für Sende/ Empfangsumschalter, Phasenschieber und Leistungsteiler angekoppelt. Für die elektrisch leitende Kontaktierung der einzelnen Schichten der Antennen wurden verschiedene Klebe- und Lötverfahren getestet. Die Güte der Verbindungen wurde mit Hilfe von Messungen der Dämpfungskonstante abgeschätzt. Zur Verifikation wurden die entwickelten Antennenvarianten messtechnisch untersucht. Alle Spezifikationen bezüglich Gewinn, Anpassung, Kreuzpolarisationsunterdrückung sowie der Nebenzipfeldämpfung innerhalb eines praktisch relevanten Winkelbereichs von 20°x20° konnten über die geforderte relative Bandbreite von 10% eingehalten werden.

In the presented thesis two planar high gain antenna arrays have been developed and realized. The antennas are intended for radio relay link applications in the range around 32GHz. They can be used e.g. for the integration of base stations in WIMAX networks. The gain of the antennas is better than 30dB. The polarization of the arrays are linear and circular, respectively. The base elements of the arrays are micro strip patches. In each case nine rectangular patches are combined into nearly square sub-arrays. The first version of the arrays consists of 64 such sub-arrays. To minimize the losses the array is fed on the back with a corporative waveguide network. The center elements of the sub-arrays are coupled by slots to the waveguide network. Short planar strip lines accomplish the further power partition within the sub-arrays. The waveguide network is milled out of a flat aluminum block. The antenna substrate serves thereby as cover for the waveguide structure. The optimization of the radiation of the sub-arrays, as well as the input reflection coefficient of the slot coupling is examined with the help of commercially available software (Method of Moments as well as Finit Element Methods). The choice of the distances of the sub-arrays between themselves and the choice of the excitation functions of the entire arrays are performed by modeled radiations. For the creation of non-constant excitation functions of the entire array new unsymmetrical power dividers with balanced transmission phases in waveguide technology have been developed and realized. With the second version of the high gain antenna the entire array is subdivided into two separate blocks, which consist in each case of 32 sub-arrays. Within one block all sub-arrays are rotated by 90°, so that an orthogonal polarization occurs. Due to the new structure of the antenna the waveguide feeding network, which is arranged under the antenna, must be adapted. With this structure it is possible to excite two linear orthogonal polarizations. Thus with a superposition of the radiations four different polarizations can be produced (2 times linear and 2 times circular). The waveguide structure is resumed through the block of aluminum. Over an additional slot coupling a circuit layer on the backside of the antenna can be coupled. On this circuit layer a transmit/receive switch, phase shifters and power dividers are realized. For the electroconductive contacting of the individual layers of the antennas different bonding and soldering procedures have been tested. By measurements of the attenuation factor the quality of the connections are estimated. The realized antenna versions are verified by measurements. All specifications concerning the gain, the return loss, the cross polarization level as well as the side lobe level within a practically relevant angle range of 20° times 20° could be achieved over the required relative bandwidth of 10%.

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