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Lossy dielectric resonators for microwave absorber and antenna applications = Verlustbehaftete dielektrische Resonatoren für Mikrowellenabsorber und Antennenanwendungen
2021 & 2022
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-31
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01067
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840153/files/840153.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
antenna (frei) ; dielectric resonator (frei) ; microwave absorber (frei) ; radome (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Mikrowellenabsorber werden in Funksystemen verwendet, um die Energie elektromagnetischer Wellen zu dämpfen und unerwünschte Reflexion, Transmission, Streuung und Kopplung zu reduzieren. In Mikrowellenschaltungen werden Absorber benötigt, um die systeminternen Störungen zu verringern, die durch unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den digitalen Schaltungen und den analogen Hochfrequenzempfängern verursacht werden. Absorber können auch die Isolation zwischen eng platzierten Antennen verbessern und ihre Nebenkeulen reduzieren. Bei der Radaranwendung kann die Streuung von metallischen Objekten aufgrund der Beleuchtung durch einfallende Wellen unterdrückt werden, indem sie mit Absorbern angebracht werden. In Antennenkammern spielen die Absorber eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung der erforderlichen Ruhezone für die Messung. Eine Vielzahl von Absorbern wurde entwickelt und in diesen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Diese Absorber können anhand ihrer spezifischen Eigenschaften klassifiziert werden. Abhängig vom relativen Abstand zwischen den Mikrowellenabsorbern und unerwünschten Quellen können Mikrowellenabsorber in Freiraum- und Nahfeldabsorber unterteilt werden. Basierend auf den Anpassungs- und Absorptionsmechanismen können Mikrowellenabsorber auch in nichtresonante und resonante Absorber eingeteilt werden. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines planaren Resonanzabsorbers. Eines der typischen Merkmale solcher Absorber ist, dass sie dünner als nicht resonante sind. Die Anpassung des planaren Resonanzabsorbers wird erreicht, indem seine Oberflächenimpedanz auf 377 Ohm ausgelegt wird, indem Resonanz (en) innerhalb der Struktur erzeugt werden und die Kopplung zwischen den Resonatorstrukturen sichergestellt wird. Die Resonanz wird durch Auswahl der richtigen physikalischen Abmessungen und elektrischen Eigenschaften der Materialien gesteuert. Der planare Resonanzabsorber in dieser Arbeit soll auch nicht nur für freien Raum, sondern auch für Nahfeldanwendungen in einer relativ breiten Bandbreite, z. B. im X-Band (8 GHz - 12 GHz), arbeiten. Innerhalb dieses Bandes sind verschiedene Radaranwendungen vorgesehen: Meeresradar, Radar mit synthetischer Apertur und Wetterradar. Der Autor schlägt die Verwendung des dielektrischen Resonanzmechanismus zur Entwicklung neuartiger Resonanzabsorber vor. Dielektrische Resonatoren werden seit langem für Mikrowellenfilter, Oszillatoren und Antennenanwendungen verwendet. Sie bestehen aus verlustarmen dielektrischen Materialien und sind in generischen 3D-Strukturen erhältlich: Zylinder, Halbkugel, Kubik und Ring. Für Breitband-Freiraum-Mikrowellenabsorberanwendungen sind verlustarme Materialien nicht wünschenswert, da sie die Bandbreite des Absorbers begrenzen. Daher sind verlustbehaftete Materialien die natürliche Wahl für Mikrowellenabsorber. Probleme im Zusammenhang mit der schlechteren Übereinstimmung sollten jedoch angegangen werden. Eine systematische Entwurfsmethode wurde vorgeschlagen. Zunächst wurde die anfängliche Abmessung des Resonatordurchmessers bestimmt. Dann wird eine Modenabbildung (Moden in der Frequenz gegenüber dem Radius-zu-Höhe-Verhältnis) aufgezeichnet, um den möglichen Bereich der Resonatorhöhe zu erhalten. Um die Bandbreite zu erweitern und gleichzeitig den Reflexionskoeffizienten zu verringern, werden die Abmessungen des dielektrischen Resonators so bestimmt, dass innerhalb der Struktur im beabsichtigten Frequenzbereich mehrere Resonanzen existieren können. Der letzte ist das Finden des richtigen Abstands. Ein Prototyp mit einem minimalen Reflexionskoeffizienten von weniger als -20 dB innerhalb des X-Bandes (40% Bandbreite) wurde hergestellt und gemessen. Die dielektrischen Resonatoren mit einer Dicke von 5 mm werden durch Verkleben von fünf Schichten dünner Zylinder hergestellt. Die Materialien stammen von handelsüblichen Magnetfolienabsorbern, die sowohl elektrische als auch magnetische Verluste aufweisen. Dieser handelsübliche Blattabsorber wird ebenfalls gemessen, um einen Vergleich zu ermöglichen. Die Messungen wurden unter Verwendung des NRL-Bogenaufbaus durchgeführt. Bei der Antennenanwendung kann der dielektrische Resonatorabsorber in eine bandpassfrequenzselektive Oberfläche (FSS) integriert werden, um als Radomabsorber zu dienen. Diese Integration ermöglicht es dem Radom, unerwünschte Wellen oberhalb der Antennenbetriebsfrequenzen zu absorbieren, so dass nicht nur die monostatische, sondern auch die Rückstreuung in andere Richtungen erheblich verringert wird. Der geringe Einfügungsverlust innerhalb des Antennenbandes wird erreicht. Dieser Radomabsorber kann auch als zweite Superstratschicht für eine PRS-Antenne (Partial Reflective Structure) verwendet werden. Mit dieser Integration kann die PRS-Antenne von einem verringerten Streuquerschnitt profitieren, insbesondere bei höheren Frequenzen (X-Band und höher). Durch Vergleichen des gemessenen Eingangsreflexionskoeffizienten, der realisierten Verstärkung und des Strahlungsmusters im Fall mit und ohne Verwendung des Radomabsorbers kann geschlossen werden, dass der Radomabsorber die PRS-Antennenleistung nicht verschlechtert. Eine weitere Anwendung des dielektrischen Resonatorabsorbers besteht darin, die Isolation zwischen Paarantennen zu verbessern. Diese Antennen arbeiten im X-Band. Der Absorber befindet sich zwischen diesen Hornöffnungen. Obwohl der Absorber als Freiraumabsorber optimiert ist, wird seine Fähigkeit als Oberflächenwellenabsorber demonstriert. Andere planare Resonanzabsorber (d. H. Ultradünner Absorber, Magnetschichtabsorber), die zuvor als Freiraumabsorber optimiert wurden, werden ebenfalls untersucht. Mit dem Vorhandensein der Absorber werden die Antennenisolationen verbessert. Der ultradünne Absorber verbessert die Isolation nur in einem Teil des X-Bandes, während sich die Absorber für Magnetfolien und dielektrische Resonatoren für das gesamte X-Band verbessern. Der höchste Durchschnitt der Isolationsverbesserung wird erreicht, wenn der dielektrische Resonatorabsorber zwischen diesen Antennen eingesetzt wird.Microwave absorbers are used in radio systems to attenuate the electromagnetic wave energy to reduce unwanted reflection, transmission, scattering, and coupling. In microwave circuits, absorbers are needed to reduce the intra-system interference caused by undesired interactions between the digital circuits and the radio frequency analog receivers. Absorbers also can improve the isolation between closely-placed antennas and reduce their sidelobes. In radar application, the scattering from metallic objects due to the illumination from incoming waves can be suppressed by attaching them with absorbers. In antenna chambers, the absorbers play a vital role in providing the required quiet zone for the measurement. A variety of absorbers have been developed and employed in those diverse applications. These absorbers can be classified based on their specific characteristics. Depending on the relative distance between the microwave absorbers and unwanted sources, microwave absorbers can be divided into free space and near-field absorbers. Based on the matching and absorption mechanisms, microwave absorbers can also be categorized into non-resonant and resonant absorbers. This dissertation focuses on the development of a planar resonant absorber. One of the typical features of such absorbers is that they are thinner than non-resonant ones. The matching in the planar resonant absorber is achieved by designing its surface impedance to be equal to 377 Ohm by generating resonance(s) within the structure and taking care of coupling among the resonator structures. The resonance is controlled by selecting proper physical dimensions and electrical properties of the materials. The planar resonant absorber in this work is also intended to perform, not only for free space but also for near field applications, in relatively broad bandwidth, e.g., in the X-band (8 GHz - 12 GHz). Within this band, several radar applications are dedicated: marine radar, synthetic aperture radar, and weather radar. The author proposes the use of the dielectric resonance mechanism to develop novel resonant absorbers. Dielectric resonators have been used since a long time ago for microwave filters, oscillators, and antennas applications. They are made of low losses dielectric materials and available in generic 3D structures: cylinder, half-sphere, cubic, and ring. For broadband free-space microwave absorber applications, low losses materials are not desirable since they will limit the bandwidth of the absorber. So, lossy materials are the natural choice for microwave absorbers. However, problems related to the worse matching should be tackled. A systematic design method has been proposed. It started by determining the initial dimension of the resonator diameter. Then, modes mapping (modes in frequency versus the radius-to-height-ratio) is plotted to obtain the possible range of resonator height. To extend the bandwidth and simultaneously decrease the reflection coefficient, the dielectric resonator dimensions are determined in a way that multiple resonances can exist within the structure in the intended frequency range. The last is finding the proper spacing. A prototype intended to have a minimum reflection coefficient of less than -20 dB within the X-band (40% bandwidth) has been fabricated and measured. The dielectric resonators with a thickness of 5 mm are constructed by gluing five layers of thin cylinders. The materials are from commercial magnetic sheet absorber that has both electric and magnetic losses. This commercial sheet absorber is also measured to provide a comparison. The measurements were performed using the NRL arch setup. In the antenna application, the dielectric resonator absorber can be integrated with a bandpass frequency selective surface (FSS) to serve as a radome absorber. This integration enables the radome to absorb unwanted waves above the antenna operational frequencies so that, not only the monostatic but also the back-scattering in other directions are significantly reduced. The low insertion loss within the antenna band is achieved. This radome absorber can also be used as the second superstrate layer for a partially reflective structure (PRS) antenna. With this integration, the PRS antenna can benefit from a reduced scattering cross-section, especially at higher frequencies (Xband and above). By comparing the measured input reflection coefficient, realized gain, and the radiation pattern, in the case of with and without using the radome absorber, it can be concluded that the radome absorber does not degrade the PRS antenna performance. Another application of the dielectric resonator absorber is to improve the isolation between pair antennas. These antennas operate in the X-band. The absorber is placed between those horn apertures. Although the absorber is optimized as a free space absorber, its capability as a surface wave absorber is demonstrated. Other planar resonant absorbers (i.e., ultra-thin absorber, magnetic sheet absorber), which are previously optimized as free space absorbers, are also examined. With the presence of the absorbers, the antenna isolations are improved. The ultra-thin absorber improves the isolation only in part of the X-band, while the magnetic sheet and dielectric resonator absorbers improve for the whole X-band. The highest average of isolation improvement is achieved if the dielectric resonator absorber is inserted between those antennas.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021220803
Interne Identnummern
RWTH-2022-01067
Datensatz-ID: 840153
Beteiligte Länder
Germany
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