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

In dieser Arbeit werden zwei neuartige, volldielektrische, elektronisch steuerbare Antennen zur Strahlschwenkung im Millimeterwellenbereich (30GHz bis 300GHz) vorgestellt, die speziell fur diesen Frequenzbereich synthetisierte, sehr verlustarme Flussigkristalle nutzen. DielektrischeWellenleiterkomponenten eignen sich aufgrund ihrer geringen Verluste bei sehr hohen Frequenzen gegenuber Hohlleiterkomponenten sehr gut fur den Millimeterwellenbereich. In Verbindung mit Flussigkristallkavitaten bzw. -segmenten konnen sehr effiziente steuerbare Komponenten realisiert werden. So erreichen die realisierten dielektrischen Phasenschieber einen aktuellen Bestwert in der Phasenschiebergute von 130°/dB imW-Band (90GHz bis 105 GHz). Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Konzept und Entwurf des Leistungsteilernetzwerks. Zunachst wurde hierfur ein klassisches Hohlleiterleistungsteilernetzwerk mit mehreren kaskadierten Teilern entworfen, mit den erkennbaren Nachteilen eines hybriden Aufbaus der gesamten Gruppenantenne, der relativ schweren und grosen Bauform sowie der zu erwartenden Verluste mit zunehmender Anzahl an Antennenelementen. Daher wurde ein aus der Photonik bekanntes Prinzip der Multimode-Interferenz fur einen dielektrischen Teiler untersucht, der die gewunschte Leistungsteilung an den Ausgangen in einem Schritt, ohne Kaskadierung mehrerer Teiler, erreicht. Dieser dielektrische Multimode-Interferenz-Teiler erlaubt ein kompaktes und leichtgewichtiges Design und lasst 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 Permittivitatskontrast innerhalb des Linsenkorpers erfolgt. Fur diesen steuerbaren Permittivitatsunterschied, wird wieder ein Flussigkristall eingebracht, der je nach Orientierung durch ein elektrostatisches Feld im Linsenkorper zwei ausgewahlte Regionen mit niedriger bzw. hoher Permittivitat (z.B. eps,r = 2,4, eps_r = 3,4) erzeugt. Der Schwenkwinkel wird dabei durch die elektrische Ausrichtung der hoherpermittiven Region, d.h. der parallelen Orientierung des Flussigkristalls, eingestellt. Anders als bei der phasengesteuerten Gruppenantenne, benotigt die aperturgesteuerte Linsenantenne kein Leistungsteilernetzwerk und keine Phasenschieber. Die elektrische Ansteuerung der Flussigkristalle ist prinzipiell einfacher, da nur zwei Spannungen benotigt werden. Da sich auserdem die Flache der beiden Permittivaten beliebig in ihrer Grose und Winkel einstellen lassen, ist eine Vielzahl an Abstrahlmodi moglich. Das Konzept, die Funktionalitat und die Eignung dieser aperturgesteuerten Linsenantenne wurde zunachst mittels einer Parallelplattenleiterlinse und anschliesend anhand einer volldielektrischen Linsenantenne im V-Band (50GHz bis 75GHz), jeweils mit einer vereinfachten Elektrodenanordnung, uberpruft. Damit konnte neben dem diskreten Schalten der Antennenhauptkeule in drei vorgegebene Richtungen, auch die Strahlbreite elektronisch verandert und zwei Hauptkeulen gleichzeitig erzeugt werden. Letzteres demonstriert die Multibeamfahigkeit der vorgestellten Linsenantenne. Mit einer komplexeren Elektrodenanordnung kann sowohl die Strahlschwenkung in kleinerenWinkelabstanden bzw. kontinuierlich erfolgen als auch zunehmend mehr Antennenhauptkeulen gleichzeitig generiert werden.