Realisierung und Charakterisierung - Untersuchung von Gruppenantennen für den Einsatz in aktive

-90 -60 -30 0 30 60 90 Winkel Φ / °

0 5 10 15 20 25

Elementdirektivität g''(Φ) / dBi

El. #1 El. #2 El. #3 El. #4

Bild 6.13: Elementdiagramme gem¨aß dem analytischen Modell f¨ur die zylinderkonforme Antennenkonfiguration mit den spezifizierten Eigenschaften.

Direktivit¨at erzielt. Weiterhin ist sie unter Realisierungsaspekten der erfolgversprechendste Kandidat dieser Untersuchung und wird daher f¨ur den nachfolgend vorgestellten Aufbau ausgew¨ahlt.

In Bild 6.13 ist abschließend der Betragsverlauf der Elementdiagramme g⁰⁰_n in der Azimu-tebene nach dem analytischen Modell und unter Ber¨ucksichtigung der Spiegelquellen f¨ur diese Konfiguration gezeigt. Durch die Symmetrie in der Anordnung sind zu Gunsten der Ubersichtlichkeit nur die Diagramme der Elemente eines Quadranten gezeigt. Der Unter-¨ schied zwischen den Diagrammen der einzelnen Elemente ist deutlich erkennbar. Je weiter sich die Position der Elemente der leitenden Ebene n¨ahert, desto st¨arker wird das Element-diagramm durch die Spiegelquelle beeinflusst. Weiterhin weisen alle ElementElement-diagramme in den Richtungen ±90° eine Nullstelle auf, da die Θ-polarisierte Feldkomponente in dieser Ebene durch die metallische Randbedingung nicht existieren kann.

Nach dem Entwurf der Antennenzeile im letzten Abschnitt und der Festlegung der An-tennenkonfiguration in diesem Abschnitt ist die Gruppe vollst¨andig definiert. Mit diesen Ergebnissen erfolgt der ¨Ubergang in die Realisierung, welche im folgenden Abschnitt zu-sammen mit der messtechnischen Charakterisierung beschrieben ist.

a) b)

Bild 6.14: Realisierte Halbkreisgruppe mit Reflektor: a) Vorder- und b) R¨uckseite mit Mischern, Lokaloszillator (LO) und LO-Verteilnetzwerk.

werden die Leitungsstrukturen auf dem beidseitig metallisierten Antennensubstrat mit Hil-fe von Photolithographie und nasschemischem ¨Atzen definiert. Das bearbeitete Substrat wird anschließend, ohne thermische Unterst¨utzung, durch Aufkleben auf einen Aluminium-Halbzylinder in die gew¨unschte Form gebracht. Aus dem im Entwurf zugrunde gelegten Elementabstand d = 0.65λ = 19.5 mm bei der Mittenfrequenz f = 10 GHz, folgt der Zy-linderradius der Halbkreisgruppe zuρ= 2Nd/(2π) = 8/π·19.5 mm = 49.6 mm. Aufgrund der Verf¨ugbarkeit eines entsprechenden Halbzeuges wird f¨ur die Realisierung ein Alumi-niumrohr mit einem Außendurchmesser von 100 mm verwendet. Auf der Oberfl¨ache der Antennenstruktur wird sich daher zusammen mit dem Antennensubstrat ein Radius von etwa 50.8 mm einstellen. Diese geringe Abweichung der Kr¨ummung beeinflusst das Gesamt-verhalten der Antenne nicht. Die Front- und R¨uckansicht der realisierten Antenne sind in Bild6.14gezeigt. Auf dem Bild6.14b) sind ebenfalls die zur Konvertierung der Antennensi-gnale in den Zwischenfrequenzbereich notwendigen Mischer, sowie der Lokaloszilator (LO) und das entsprechende LO-Verteilnetzwerk zu erkennen. Details zu dem gesamten Emp-fangssystem sind in Anhang A zusammengestellt. Der elektrische Anschluss der koaxialen Zuleitungen an die Antennenzeilen erfolgt durch L¨otverbindungen an der Leitungsstruktur auf der Oberseite des Substrates und an der Massefl¨ache auf der Substratr¨uckseite. Zur mechanischen Entlastung wird die Verbindung auf der R¨uckseite des Substrates zus¨atzlich durch eine Klebeverbindung stabilisiert. Die Gegenseiten der koaxialen Anschlussleitungen enden jeweils mit einem SMA-Steckverbinder.

Um eine Aussage ¨uber die Eingangsanpassung und die auftretende Verkopplung treffen zu k¨onnen, erfolgt zun¨achst die Messung der Streuparameter mit Hilfe eines Netzwerkanaly-sators. Die entsprechenden Messergebnisse sind zusammen mit dem Simulationsergebnis f¨ur die Anpassung einer einzelnen Antennenzeile in Bild 6.15 dargestellt. Die optimale Anpassung der realisierten Antennen liegt etwa 50 MHz unterhalb der angestrebten Mit-tenfrequenz von 10 GHz. Dieser relative Fehler von etwa 0.5% ist auf Unsicherheiten bei der Herstellung zur¨uckzuf¨uhren. Bei Abmessungen der Strahler von etwa 10 mm entspricht dies einer Fertigungstoleranz von etwa 50µm. Dies liegt durchaus im Bereich der zu

ber¨uck-a)

9.7 9.8 9.9 10 10.1 10.2 10.3 Frequenz f / GHz

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Snn / dB

Messung MoM-Sim.

9.5 9.7 9.9 10.1 10.3 10.5

Frequenz f / GHz -60

-50 -40 -30 -20 -10 0

Snm / dB

S . S . S .

21 54 31

Bild 6.15: a) Betrag der gemessenen Eingangsreflexionsfaktoren der verschiedenen An-tennenzeilen im Vergleich zum MoM-Simulationsergebnis einer einzelnen Zeile und b) ge-messene Transmission zwischen verschiedenen Antennenzeilen.

sichtigenden ¨Atztoleranz bei dem verwendeten Herstellungsprozess. Eine weitere Quelle f¨ur Ungenauigkeiten der Messung sind die notwendigen koaxialen Steckverbinder, welche eben-falls zu einer leichten Verschiebung des Streuparameter- oder Impedanzverlaufes beitragen.

Durch die ausreichend große 10 dB-Bandbreite der Untergruppen, die sowohl in Messung als auch in der Simulation etwa 200 MHz liegt, ist die Anpassung bei 10 GHz immer noch besser als -15 dB und der Einsatz der Antenne bei dieser Frequenz uneingeschr¨ankt m¨oglich.

Die Messung der Kopplung zwischen den verschiedenen SpeisepunktenSnmist exemplarisch f¨ur drei Kombinationen in Bild 6.15 b) gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Kopplungen benachbarter Elemente immer deutlich unterhalb -25 dB und aller anderen Elemente immer unterhalb -35 dB liegen. Die geringe Kopplung zwischen benachbarten Elementen ist auch der Grund daf¨ur, dass der ReflexionsfaktorS_nn der Elemente 1 und 8, welche nahe an dem Reflektor liegen, nicht merklich von den Reflexionsfaktoren der ¨ubrigen Elemente abweicht.

In Bild 6.16 sind die gemessenen Elevationsdiagramme der Antennenzeilen 1 bis 4 zu-sammen mit dem Ergebnis der Feldsimulation gezeigt. Die Messung zeigt eine sehr gute Ubereinstimmung mit dem berechneten Verhalten der Antenne. Bei der Simulation wird¨ von einem unendlich ausgedehnten Substrat und unendlich ausgedehnter Massemetallisie-rung entlang der Zylinderachse ausgegangen. Im Gegensatz dazu ist bei der RealisieMassemetallisie-rung die L¨ange des Substrates 14 cm und die L¨ange des Zylinders 10λ = 30 cm. Die leichten Abweichungen zwischen der Simulation und den Messergebnissen im Bereich der Neben-keulen wird auf diesen Unterschied zwischen der theoretischen und der realisierten Struktur zur¨uckgef¨uhrt.

Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, geht die Berechnung der in Bild6.13 gezeigten Ele-mentdiagramme von einer unendlich ausgedehnten, leitenden Ebene auf der R¨uckseite der Antenne aus, welche durch geeignete Spiegelquellen zu ersetzen ist. Bei der Realisierung ist diese leitende Ebene durch einen Reflektor mit endlichen Abmessungen angen¨ahert. Um

0 30 60 90 120 150 180 Winkel Θ / °

-25 -20 -15 -10 -5 0

norm. Richtdiagramm c(Θ) / dB

Zeil. #1 Zeil. #2 Zeil. #3 Zeil. #4 Feldsim.

Bild 6.16: Gemessene Elevationsrichtdiagramme der Antennenzeilen 1 bis 4 im Vergleich zum MoM-Simulationsergebnis einer einzelnen Zeile.

den Einfluss der Reflektorgr¨oße zu erfassen, werden die Messungen der Azimutdiagramme mit zwei Reflektoren unterschiedlicher Gr¨oße durchgef¨uhrt. W¨ahrend die H¨ohe der Reflek-toren mit 30 cm in beiden F¨allen an die L¨ange des Aluminiumzylinders angepasst ist, wird f¨ur den kleinen Reflektor eine Breite von 40 cm= 13.33λund f¨ur den großen Reflektor eine Breite von 70 cm= 23.33λ gew¨ahlt.

W¨arend in der Elevationsebene lediglich der Betrag des Richtdiagramms relevant ist, wird die vektorielle Aufzeichnung der Signale aller Antennenzeilen f¨ur die Azimutebene von Interesse sein. Diese bilden die Datenbasis f¨ur die Untersuchungen zur Vorverarbeitung der Antennensignale, d.h. die Betrachtung von Kalibrier- und Interpolations-Algorithmen, im n¨achsten Abschnitt. Die Aufzeichnung der Daten erfolgt mit dem in Anhang A be-schriebenen Empfangssystem und liefert im Fall einer einzelnen Quelle und bei Messung ausreichend vieler Richtungen die komplexwertigen Elementdiagramme.

In Bild 6.17 ist der Vergleich der entsprechenden Diagramme nach Modell und Messung durch die Betragsverl¨aufe in der Azimutebene f¨ur die Elemente eines Quadranten der Halb-kreisgruppe gezeigt. Grunds¨atzlich ist eine sehr gute ¨Ubereinstimmung zwischen den theo-retisch ermittelten und den gemessenen Elementdiagrammen festzustellen. In allen Mes-sungen ist im Bereich um Φ = 0° eine deutliche Schwankung zu beobachten, welche durch eine Resonanz im Messaufbau zu begr¨unden ist. Im Falle des kleinen Reflektors fallen die Werte der Elementdirektivit¨at f¨ur die Elemente 2 bis 4 um 1 dB bis 3 dB kleiner als erwar-tet aus. Durch die Verwendung des großen Reflektors wird dieser Unterschied zwischen der Berechnung und Messung deutlich minimiert. Dies zeigt sich auch im Vergleich der maxi-mal erreichbaren Direktivit¨at entsprechend der Berechnung und der Messung in Bild 6.18 deutlich. Analog zu den theoretischen Betrachtungen wird diese nach Gleichung 3.23 in Abh¨angigkeit vom Schwenkwinkel Φ0 bestimmt. Aus den Messergebnissen mit dem großen Reflektor wird eine Direktivit¨at von 21.4 dBi ± 0.6 dBi im Winkelbereich ±80° erreicht.

F¨ur den Fall des kleinen Reflektors verkleinert sich der Winkelbereich auf etwa ±75°.

Ab-a)

-90 -60 -30 0 30 60 90 Winkel Φ / °

0 5 10 15 20

Elementdirektivität g(Φ) / dBi