Dielektrische Antennen

Dielectric image line
2D-LWA with dielectric metasurface as superstrate
2D-LWA based on the holographic principle

Volldielektrische Antennen

In der Vergangenheit wurden für drahtlose Anwendungen (Resonanz- und Wanderwellenantennen) hauptsächlich metallische Antennen verwendet, da Metall das traditionelle Material für die Leitung von Elektrizität und den Empfang von elektromagnetischen Wellen war. Heutzutage erfordern neue Anforderungen zur Erhöhung der Bandbreite und damit zur Erhöhung der möglichen Datenrate von Hochfrequenzsystemen (Radar, mobile Kommunikation) höhere Betriebsfrequenzen - im Sub-THz-Bereich und darüber hinaus. Bei diesen Frequenzen treten Verluste im Metall, die bisher vernachlässigt wurden, in Form von höheren Widerständen aufgrund von Feldeindringtiefe und Oberflächenrauigkeit viel stärker in den Vordergrund. Um eine effiziente Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen für diese Systeme zu ermöglichen ist daher eine Lösung für neuartige Antennen erforderlich.

Ein vielversprechender Ansatz zur Vermeidung von Metall im Antennendesign ist die Verwendung von dielektrischen Materialien. Ihr Verhalten bei hohen Frequenzen ist unabhängig von Verlusten in metallischen Leitern, sondern ausschließlich von den dielektrischen Eigenschaften der Materialien abhängig. In der Vergangenheit wurden dielektrische Antennen als Wanderfeldantennen wie dielektrische Stäbe untersucht, später wurde viel über dielektrische resonante Antennen (DRAs) geforscht.

Am IHF wurden Forschungsarbeiten zum Entwurf, zur Herstellung und zur Charakterisierung von so-genannten dielectric image lines (DILs) für 77 GHz (Radarfrequenzen) durchgeführt. Weitere Forschungsarbeiten befassen sich mit dem Entwurf von 2D-Leckwellenantennen (2D-LWAs) und Oberflächenwellenantennen auf der Grundlage dielektrischer Metasurfaces und Substraten.

Dielektrische Metasurfaces

Viele Antennen müssen für ihre Anwendung stark richtungsorientiert sein und nur in eine Hemisphäre und sehr gezielt abstrahlen. Der Stand der Technik, um eine solche Funktionalität zu erreichen, ist die Verwendung einer metallischen Grundfläche, die die Wellen in eine gewünschte Richtung reflektiert. Derzeit wird am IHF an rein dielektrischen Metasurfaces geforscht. Dies sind dielektrische planare Strukturen mit Reflexionsvermögen, die metallische Grundflächen ersetzen könnten, um sie beispielsweise in 2D-LWAs zu verwenden.

Sphärischer DRA mit einer vollständig dielektrischen Superstrat-Struktur, die in einem Abstand von λ/2 vom Boden platziert ist, um eine resonante Hohlraumantenne zu bilden
Messung des Richtdiagramms eines sphärischen DRA mit einer einfachen metallischen Wandstruktur auf dem IHF Compact Antenna Test Range

Sphärische dielektrische Resonatorantenne

Viele Kommunikationsgeräte verlagern sich heutzutage in den Millimeterwellenbereich, um die ständig wachsende Nachfrage nach höheren Datenraten zu erfüllen und das überfüllte untere Frequenzspektrum zu vermeiden. Herkömmliche On-Chip-Antennen für den Millimeterwellenbereich, die auf dünnen Substraten basieren, leiden jedoch typischerweise unter einer geringen Strahlungseffizienz, hohen Leitungsverlusten, großem Platzbedarf auf dem Chip und geringer Bandbreite. Als Lösung kann eine auf Übertragungsleitungen basierende Struktur in der Back-End-of-Line-Schicht (BEOL) des Chips verwendet werden, um die direkt auf dem Chip montierten Antennen zu koppeln. Die sphärischen dielektrischen Resonatorantennen (DRA) sind als On-Chip-Antennen sehr nützlich, da sie eine präzise selbstausrichtende Montage, einen geringeren Platzbedarf auf dem Chip, eine höhere Strahlungseffizienz und eine höhere Anpassungsbandbreite bieten. Diese Art von Antenne kann auch in dünnen Substraten mit niedriger Permittivität implementiert werden.

Eine viertel Wellenlänge langer Mikrostreifenresonator mit Kurzschlussbrücken zur metallischen Grundplatte wird benötigt, um eine ausreichende Kopplung zur Anregung einer Variante der E101-Mode des sphärischen dielektrischen Resonators zu gewährleisten. Eine kreisförmige Vertiefung im dielektrischen Substrat an der Stelle der Kugel erleichtert ihre präzise Platzierung.

Am IHF wird an der Verbesserung der Strahlungsleistung solcher Antennen geforscht, indem eine einfache metallische Wandstruktur und eine neue Superstratstruktur zur Bildung einer resonanten Hohlraumantenne verwendet werden.

Herstellung

Ein positiver Aspekt dieses Forschungsthemas liegt in der rasanten Entwicklung von Technologien, die die Herstellung von Prototypen dielektrischer Antennen und Metasurfaces ermöglichen. Erschwingliche und relativ kompakte Laserfräsmaschinen ermöglichen die 2D/2,5D-Strukturierung dielektrischer Substrate. Zu dem kommen derzeit neue und für Hochfrequenzanwendungen geeignete 3D-Druckmaterialien auf den Markt, so dass die Prototypenherstellung von dielektrischen Metasurfaces und Antennen mittels 3D-Druck vereinfacht wird.

Das IHF verfügt in Kooperation mit dem Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) über die folgenden Geräte zur Prototypenfertigung:

  • Laserfräse: LPKF Protolaser S
  • 3D-Drucker: Formlabs, Keyence Agilista, Anycubic