Feasibility Study of an Antenna with Electronically Reconfigurable Aperture
Final Report Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie wurden Konzepte und Demonstratoren zu Antennen mit elektronisch rekonfigurierbarer Apertur untersucht. Die Untersuchungen wurden dabei im V-Band (50 GHz bis 75 GHz) durchgeführt. Als Grundform für eine derart beschaffene Antenne dient ein halbkreisförmiger Korpus, wobei die Rekonfiguration der Apertur zur Änderung des Abstrahlungsverhaltens (Halbwertsbreite, Strahlrichtung) durch Kreissektoren mit einer höheren Permittivität erreicht wird. Für die elektrische Rekonfigrierbarkeit wurde in den Antennenkorpus eine Kavität integriert, die mit Flüssigkristall (engl. liquid crystal, LC) gefüllt ist. Durch gezielte Ansteuerung verschiedener Sektoren in der LC-Kavität durch ein quasistatisches elektrisches Feld können Sektoren mit höherer und niedriger Permittivität adaptiv eingestellt werden. Zwei Entwürfe einer solchen Antenne wurden als Demonstratoren realisiert: Eine metallische parallelplattenleiterbasierte sowie eine voll-dielektrische Antenne. Letztere wurde entwickelt, um parasitäre Effekte des Elektrodennetzwerkes zur Ansteuerung des LC, welche in der metallischen Variante auftreten, zu vermindern. Für die metallische Antenne müssen die Ansteuerungselektroden eine besondere Struktur zur Unterdrückung von parasitären Stripline-Moden aufweisen. Eine vollständige Unterdrückung dieser Moden konnte in ersten Realisierungen nicht erreicht werden, was sich in Abweichungen des Nebenkeulenniveaus und der allgemeinen Richtcharakteristik manifestiert. Um den Einfluss der Ansteuerungselektroden auf die Antennenperformanz zu reduzieren, können in einem voll-dielektrischen Entwurf die Ansteuerungselektroden so platziert werden, dass sie nicht mit der elektromagnetischen Welle im Antennenkorpus interagieren. Durch diesen Schritt ist ein hoher Grad an Gestaltungsfreiheit bezüglich Form und Ausrichtung der Elektroden gewährleistet. Als nachteilig erweist sich eine, durch den höheren Elektrodenabstand bedingte, schlechtere Definition des Permittivitätsübergangs sowie ein geringerer Strahlschwenkungsbereich. Großer Vorteil der dielektrischen Antenne sind ihre kleinere Größe, ihr deutlich geringeres Gewicht und eine bessere Übereinstimmung von simulierten und gemessenen Antennenrichtdiagramm, Nebenkeulenniveau und Antennengewinn. Das Prinzip einer Einzelantenne mit rekonfigurierbarer Apertur konnte mit diesen zwei Varianten erfolgreich demonstriert werden. Die mit den metallischen und dielektrischen Demonstratoren erzielten Ergebnisse zeigen Ausbaufähigkeit aber auch Performancegrenzen einer solchen Antenne in Abhängigkeit ihrer Realisierung (metallisch oder dielektrisch) auf.
Publications
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„A Millimeter Wave Beam Steering Lens Antenna with Reconfigurable Aperture using Liquid Crystal“, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, S. 5313–5324, 2019
R. Reese, M. Jost, E. Polat, H. Tesmer, J. Strobl, C. Schuster, M. Nickel, R. Jakoby und H. Maune
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„Liquid Crystal Based Fully Dielectric Lateral Wave Beam Steering Antenna“, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Bd. 18 (12), S. 2577–2581, Dez. 2019
H. Tesmer, R. Reese, E. Polat, M. Nickel, R. Jakoby und H. Maune
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„Phasen- und aperturgesteuerte Antennen für Millimeterwellen mit integrierten Flüssigkristallsegmenten: Von metallischen zu volldielektrischen Strukturen“, Dissertation, TU Darmstadt, 2020
R. Reese
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„Reconfigurable Microwave Systems Based on Functional Materials”, Habilitation, TU Darmstadt, 2020
H. Maune
