INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 1996/1997 Leitung: Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab Divisionär E. Ebert, Unterstabschef Führungsunterstützung
Planare Antennen Referent: Prof. Dr. A. K. Skrivervik
Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für www.hamfu.ch aufbereitet.
Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)
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Prof. Dr. A.K. Skrivervik
Inhalt
1.
Einleitung
2.
Anwendungsbereich
3.
Das Grundkonzept: die Mikrostreifenantenne
4.
Fortgeschrittene Patchantennen
5.
Weitere Planarantennen
6.
Gruppenantennen
7.
Schlussbetrachtungen
8.
Referenzen
Adresse der Autorin: EPFL, DE-LEMA Ecublens 1015 Lausanne
5.97
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Informationstechnik und Armee 36. Folge 1996/97
U37749/7
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1.
Einleitung
W a s sind Planarantennen, und wodurch unterscheiden sie sich von anderen flachen Antennen ? Unter Planarantennen versteht man gedruckte Antennen, das heisst Antennen, die entweder durch einen photolithographischen Prozess (Dünnfilmverfahren) oder serigraphisch (Dickfilmverfahren) auf ein dielektrisches Substrat gedruckt werden. Eine Grundebene (Masse) kann vorhanden sein, und die Struktur kann mehrere dielektrische und leitende Schichten haben. Die bekannteste Planarantenne ist die Mikrostreifenantenne (microstrip antenna) [1], aber es gibt viele andere Familien von Planarantennen [2], Andere flache Antennen werden oft als "quasiplanar" bezeichnet. Ein populäres Beispiel einer quasiplanaren Antenne ist die PIFA (planar inverted F Antenna), die häufig in Handys gebraucht wird [3]. Hiernach werden wir uns hauptsächlich mit gedruckten Antennen (also Planarantennen) befassen.
Die Struktur einer Planarantenne ist in einer Richtung inhomogen (Schichtenstruktur) und kann darum mehrere Wellenarten tragen : Raumwellen (Fig. 1a), Oberflächenwellen (Fig. 1b) und Wellen, die den Leitungen folgen (Fig. 1c). Die relative Intensität dieser Wellen hängt von den dielektrischen Eigenschaften und der Dicke des Substrats ab, wie in folgender T afel zusammengefasst wird : Dickes Substrat
+
Raumwelle Leiterwelle
Dünnes Substrat
Hohes e
-
-
+
+ +
-
Oberflächenwelle
+
-
Tafel I : Wirkung des Substrats
z
Fig. 1
5
Verschiedene Wellen, die in einer planaren gedruckten Struktur erregt werden können :
Tiefes e
r
r
+
auf die elektromagnetische
-
Welle
i a) Oberer Leiter s
s
\
a) Raum welle b)
Oberflächenwelle
z b)
c)
0 /
Leiterwelle
2
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ti
Totale Reflektion
••II!
Interaktion mit einem Leiter
Rgnd_ diffrak1jon
^
Milli«!«
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Man kann daraus entnehmen, dass ein dünnes Substrat mit hoher Permittivität gut für Leitungszwecke ist, und dass eine Antenne auf einem dicken Substrat mit hoher Permittivität viel Verlust durch Oberflächenwellen haben wird.
Seit ungefähr fünfzehn Jahren ist die T echnologie rund um Planarantennen das Hauptforschungsgebiet im Antennenfeld. Zahlreiche Forscher der Industrie und der Universität widmen ihm ihre Zeit, ihr Interesse und ihre Kreativität, und T au sende von Publikationen, hunderte Patente, mehrere Bücher und unzählige Seminare, Symposien und Kurse über dieses Thema haben sich daraus ergeben.
Dank dieser ungeheuren Aktivität werden neue Ideen und Konzepte im Planarantennenbereich schnell konkret. Das heisst, der Zeitablauf von der Idee bis zur Industrialisation ist ungewöhnlich kurz. Die Frage stellt sich, woher die Popularität der Planarantennen kommt. Die Antwort liegt in ihren Eigenschaften : -
sie sind leicht in grosser Stückzahl herzustellen,
-
sie sind billig relativ zu anderen Antennentechnoiogien,
-
sie sind flach,
-
sie können leicht auf nicht-planare Flächen konformiert werden,
-
sie sind relativ leicht,
-
die T echnologie ermöglicht eine grosse Vielfalt,
-
der photolithographische Herstellungsprozess ergibt eine sehr hohe geometrische Genauigkeit, wodurch auch Höchstfrequenz- und Millimeterwellenantennen hergestellt werden können,
-
sie eignen sich gut zur Herstellung von Gruppenantennen (antenna arrays),
-
MMIC können ohne weiteres in Planarantennen integriert werden.
Es ist bezeichnend, dass es nicht die elektrischen sondern alle die anderen Eigenschaften sind, die bei Planarantennen ein Vorzug sind. Die elektrischen Qualitäten wie Bandbreite, Wirkungsgrad oder Polarisation sind nicht optimal im Vergleich mit Horn-, Reflektor- oder Schlitzantennen, wie besonders stark bei den ersten Generationen von Planarantennen hervorgeht. Dies erklärt all die Forschungsaktivität in diesem Gebiet : sie war und ist noch notwendig, um ein in fast jeder Hinsicht optimales Antennenkonzept auch punkto elektrischer Eigenschaften gut oder zumindest annehmbar zu machen.
2.
Anwendungsbereich
Die Anwendungsmöglichkeiten von Planarantennen sind sehr vielfältig. Sie werden sowohl in Massenprodukten wie Handys als auch in hochtechnologischen Bereichen wie Satellitenkommunikation gebraucht. Eine vollständige Aufzählung sämtlicher Gebrauchsmöglichkeiten von Planarantennen liegt ausserhalb dem Ziel dieser Arbeit, aber einige Beispiele sollen die Vielfalt der Anwendungsgebiete erläutern.
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Das erste Beispiel zeigt drei Gruppenantennen mit sieben Elementen, die flach auf einer Fassade angebracht sind (Fig. 2). Sie dienen als Basisstationantennen für GSM und haben mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Antennen : weil sie planar sind, können sie leicht ihrer Umgebung angepasst werden, und ihr Strahlungsdiagramm kann durch Aenderung der Speisung der einzelnen Antennenelemente der T opographie angepasst werden (beamshaping).
Fig. GSM Basisstation-Gruppenantennen Frequenz
2
bestehend
aus sieben gedruckten
: 890-960
(Bild : Huber + Suhner AG,
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Elementen
MHz Herisau)
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Das zweite Beispiel ist eine ringförmige Schlitzantenne für Höchstfrequenzanwendung (Fig. 3). Die Diode für die Mischung wird so nahe wie möglich bei der Antenne angebracht, um Verluste zu verhindern. Der Tiefpassfilter und die IF Leitung sind als coplanare Wellenleiter auf demselben Substrat gedruckt. Dieser Typus von einfachen Höchstfrequenzantennen kann leicht an dielektrische Linsen angepasst und für industrielle Anwendungen gebraucht werden.
I Grundebene| I (Kupfer) Diode
•
Idwnn
Tiefpassfilter (CPW) | Ringantenne 0 ~ 500|jm
^ m * Polystirenschaum
Fig. 3 75 GHz gedruckte
Schlitzantenne
(Ring) mit integrierter
Diode
Das dritte Beispiel (Fig. 4) zeigt eine aktive Gruppenantenne für einen quasi-mobilen und stationären Satelliten Fernseh-Empfänger. Die Antenne wurde für den Empfang von ASTRA und Eutelsat Satelliten entwickelt und erlaubt nicht nur, die gesuchte Orbitposition adaptativ zu bestimmen, sondern auch die gewünschte Polarisation. Diese Arbeit der Universität Paderborn [18] ist ein schönes Beispiel einer aktiven Gruppenantenne und zeigt, wie gut planare Antennenelement sich für eine solche Applikation eignen.
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Fig. 4 Aktive Gruppenantenne
für den Empfang (Universität
a) die Antenne,
von ASTRA
Paderborn,
die aus 64 Elementen
Satelliten
[18])
(Rampart-Iines)
b) Der RF-Teil jedes Elementes, bestehend und einem 4-Bit Phasenverschieber
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und Eutelsat
besteht
aus einem rauscharmen
Verstärker
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Das Grundkonzept : die Mikrostreifenantenne
Eine Mikrostreifenantenne besteht aus einem dünnen dielektrischen Substrat, das auf beiden Seiten mit einem Leiter (z.B. Kupfer) beschichtet ist. Auf einer Seite deckt diese Schicht das ganze Substrat und dient als Grundebene (Masse), die andere Seite ist aber nur teilweise metallisiert : Die leitenden Muster auf der oberen Seite des Mikrostreifens ergeben den Resonator (Patch) und eventuelle Leitungen (Fig. 5). Die Antenne wird entweder durch eine koaxiale Speisung oder durch eine Mikrostreifenleitung erregt (Fig. 6a und 6b). Der Vorteil dieser zweiten Möglichkeit ist, dass nur eine T echnologie verwendet wird. Dadurch wird nachträgliches Löten vermieden.
Fig. 5.
Mikrostreifenantenne
a) Koaxia Heiter
b) Fig. 6 . Verschiedene
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Speisungen
einer
Mikrostreifenleitung
Mikrostreifenantenne
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Die erste Resonanzfrequenz wird durch die grösste Dimension des Patches bestimmt, und die Form (rund, rechteckig, dreieckig) des Patches beeinflußt nur wenig die Eigenschaften der Antenne. Das Strahlungdiagramm solcher Strukturen weist einen 3dB Oeffnungswinkel von 70° bis 90° auf (Fig.7), und der Gewinn liegt zwischen 4 und 6 dB.
E-Ebene
-60
Fig. 7 -90
Typisches Strahlungsdiagramm einer Mikrostreifenantenne
[dB] -30
-20
-10
0
[dB] -30
-20
-10
0
H-Ebene
Wie alle Strahler, die resonant sind, ist die Bandbreite einer Mikrostreifenantenne klein bzw. sehr klein : typische Werte gehen von 0.5 bis 3 %. Diese kleine Bandbreite ist neben einer begrenzten Leistungsbelastung und einer hohen Kreuzpolarisation der grösste Nachteil dieser Antennenfamilie. Diese Nachteile sind mit dem Mikrostreifenantennenkonzept eng verbunden : Das dielektrische Substrat trägt die Strahler, aber auch die Speisungsleitungen. Es sollte also gleichzeitig für eine gute Abstrahlung des elektromagnetischen Feldes (dickes Substrat, tiefe Permittivität) und für eine gute Leitungsfähigkeit (dünnes Substrat, hohe Permittivität) optimiert werden, was leider nicht möglich ist. Mikrostreifenantennen sind also bestenfalls ein Kompromiss : Entweder ist die Strahlungsfähigkeit gut, aber dann werden auch die Leiter etwas Signal abstrahlen und dadurch die Polarisation verschlechtern, oder die Leitungsfähigkeit ist gut, und die Antenne wird einen schlechten Wirkungsgrad haben.
Trotz all dieser Nachteile werden Mikrostreifenantennen in vielen Gebieten gebraucht, denn sie sind einfach und billig herzustellen. Die Hauptanwendungen sind die folgenden : -
Luftfahrt : Navigation, Telephon, Altimeter
-
Mobilkommunikation : Autos, Schiffe, Telephon, Paging
-
Erreger für Reflektorantennen
-
Biomedikaie Applikatoren : Krebstherapie
-
Telemetrie
-
Ueberwachungssyteme usw.
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Fortgeschrittene Patchantennen Wir haben gesehen, dass die Nachteile der Mikrostreifenantenne daher kommen, dass die Strahler und die Leiter auf der gleichen Ebene sind. Um die Antenne zu verbessern, müssen also die Resonatoren von den Erregern getrennt werden. Mehrere Konzepte sind möglich :
a)
Mehrschichtige Patchantenne Eine zweiter Strahler wird auf eine einfache Mikrostreifenantenne gesetzt (Fig. 8). So kann die Strahlungsfähigkeit und vor allem die Bandbreite der Antenne verbessert werde.
Fig. 8 . Mehrschichtige
b)
Patchantenne
Elektromagnetisch erregte Patchantenne Die Speisungsleitung und der Patch befinden sich auf zwei verschiedenen Ebenen, das heisst auf zwei verschiedene Substrate gedruckt (Fig. 9). Der Patch wird durch elektromagnetische Kopplung mit der Leitung erregt. In dieser Konfiguration kann das untere Substrat für die Leiter und das obere für die Strahler optimiert und die Eigenschaften der Antenne verbessert werden [4,5].
Fig. 9 . Elektromagnetisch
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erregte
Patchantenne
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Schlitzerregte Patchantenne Das obige Konzept kann dadurch verbessert werden, dass die Speisungsleitung durch die Grundebene (Masse) vom Strahler getrennt wird (Fig. 10). Ein Schlitz in der Grundebene erlaubt die Erregung des Patches [6]. Die Masse des Schlitzes sollten so gewählt werden, dass dieser nicht resonant ist, um Strahlung auf der Leiterseite zu vermeiden.
Fig. 10.
Schlitzerregte
Patchantenne
Die SSFIP Antenne Die SSFIP (Strip Slot Foam Inverted Patch) ist eine optimierte Version der schlitzerregten Patchantenne [7]. Das obere Substrat wird durch einen harten Schaum ersetzt, der Patch wird auf eine dünne Schicht Substrat gedruckt, die auf den Schaum geklebt wird und als Radom dient (Fig. 11). Die Permittivität des Schaums ist fast die gleiche wie die der Luft, so dass Verluste durch Oberflächenwellen vermieden werden können [8]. Der Strahlungseffekt wird dadurch optimiert.
Fig. 11.
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SSFIP-Antenne
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SSFIP Antennen können typisch eine Bandbreite von 6 - 1 3 % und einen Gewinn von 6-8 dB erreichen. Mehrschichtige SSFIP können Bandbreiten über 33 % erreichen [2].
Die obigen Beispiele zeigen, dass die elektrischen Eigenschaften von Mikrostreifenantennen verbessert werden können, um sie so gut wie konventionelle Antennen zu machen. Der Preis dafür ist eine mehrschichtige Struktur und eine theoretische Studie, die schnell sehr komplex wird [9].
Weitere Planarantennen Es gibt weitere Planarantennen, die sich nicht auf das Mikrostreifenleitungkonzept gründen. Eine erste Familie ist die der Schlitzantennen, mit oder ohne Grundebene (Fig. 12), wo die Strahlung durch eine Oeffnung in einer leitenden Ebene erfolgt. Diese Antennen sind elektrisch gesehen dual zu gedruckten Antennen und haben somit ähnliche elektromagnetische Eigenschaften. Ein Vorteil dieser Antennen ist, dass sie keine Oberflächenwellen abstrahlen und somit auch für Höchstfrequenzen anwendbar sind [10],
Fig. 12 . Schlitzantenne
(gefalteter
Dipol auf
Grundebene)
Eine weitere Familie von Planarantennen ist die der breitbandingen Antennen, wie gedruckte Spiral- oder Logperiodische Antennen, oder gedruckte Vivaldiantennen [11]. Diese Antennen haben meistens ähnliche Eigenschaften wie ihre nicht gedruckten Vorbilder.
Gruppenantennen Planarantennen sind ideale Kandidaten für das Basiselement einer Gruppenantenne: -
das Herstellungsverfahren, ob serigraphisch oder photolithographisch, ist gleich einfach für eine Gruppenantenne wie für ein einzelnes Element;
-
die Möglichkeit, die Speisungsleiter und die Strahler auf verschiedene Ebenen zu drucken, ergibt viele Kombinationsmöglichkeiten und erleichtert die Konzeption;
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die Möglichkeit, mehrschichtig zu arbeiten, erlaubt die Herstellung von planaren aktiven Gruppenantennen;
-
die theoretische Studie einer planaren Gruppenantenne ist nicht viel komplexer als die einer einzelnen Planarantenne [12].
Passive Gruppenantennen können entweder seriell oder parallel erregt werden (Fig. 13). Die serielle Speisung besteht nur aus Leitungen (keine Koppler oder Splitter) und ist sehr einfach und kompakt im Design. Doch die Leitersektionen zwischen den Strahlern bringen eine frequenzabhängige Phasenverschiebung ein, so dass Gruppenantennen mit serieller Speisung eher schmalbanding sind. Diese Art Speisung wird meistens nur bei konventionellen Mikrostreifenantennen benutzt.
• [] [] [] [] [] [] []
Eh 0-
EH Eh B-
Serielle Speisung
1
Parallele Speisung
Fig. 13 . Seriell und parallel erregte
Gruppenantennen
Eine parallele Speisung braucht mehr Platz und besteht aus Koppler und Leistungssplitter neben den Leitungen. Sie können aber breitbanding sein und werden deshalb bei mehrschichtigen Planarantennen gebraucht. Ein Beispiel einer 4x16 SSFIP Gruppenantenne wird auf Fig. 14 gezeigt. Unten sieht man die Speisungsschicht, oben die Schlitze in der Grundebene und die viereckigen Strahler. Der Gewinn dieser Antenne ist 23 dB, die Bandbreite (SWR = 2) 21 %; das Strahlungsdiagramm ist in Fig. 15 abgebildet.
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0
Fig. 15. Strahlungsdiagramm (E und H Ebene) der 4x16 Gruppenantenne
7.
Schlussbetrachtungen Wir haben in dieser Abhandlung versucht, einen Einblick in die Vielfalt der Planarantennenwelt zu geben. Da das Thema sehr breit ist, konnten hier nur einige Aspekte erwähnt werden. Die Fachliteratur ist hingegen umfassend, und um mehr Informationen zu bekommen, kann sich der interessierte Leser an folgende Referenzen wenden : -
[1 -2] für Planarantennen
-
[3] für Quasiplanarantennen
-
[13-14] für die theoretische Studie von Planarantennen
-
[10] für Höchstfrequenzantennen
-
[15] für Gruppenantennen
-
[16] für Aktivantennen
-
[17] für planare Strukturen
8.
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Referenzen [1]
D.M. Pozar und D.H. Schaubert (eds), Microstrip Antennas, IEEE Press, New-York, 1995.
[2]
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[3]
K. Fujimoto, A. Henderson, K. Hirasawa und J.R. James, Small Antennas, Press, John Wiley and sons, New-York, 1987.
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Research Studies
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[18]
F. Dobias und G. Fischer, Department of Communications Engineering, University of Paderborn, private communication.
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