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AUFBAU BREITBANDIGER STREIFENLEITUNGSANTENNEN UND
ARRAYS FÜR DIE ANWENDUNG ALS MIKROWELLENSENSOREN
Markus Möller*, Fuba Automotive GmbH, Mmoeller68@aol.com
Georg Splitt, FH-Kiel, Institut für Nachrichtentechnik, georg.splitt@fh-kiel.de
KURZFASSUNG
Microstrip antennas like common patch antennas are usually restricted to bandwidths not
more than 10%. This is not sufficient for many applications. In this paper a broadband microstrip antenna is successfully realised as a equiangular spiral antenna. The antenna is slotcoupled by a microstrip line on the back of the substrate. A reflector plane prevents radiation
to both sides. The antenna is matched over the frequency range 4-6GHz with swr less than 1:2
Experimental results of different types of single elements and arrays in the frequency range 46GHz and 10-13GHz are demonstrated.
LOGARITHMISCHE SPIRALANTENNEN IN STREIFENLEITUNGSTECHNIK
Herkömmliche Streifenleitungsantennen, z.B. einfache Patch-Antennen, weisen wegen ihrer
Resonatorstruktur nur Impedanzbandbreiten von höchstens ca. 10% auf. Für viele Fälle (z.B.
Radiometeranwendungen) sind Impedanzbandbreiten in dieser Größenordnung jedoch nicht
ausreichend. Im folgenden soll gezeigt werden, daß es dennoch Möglichkeiten gibt, Antennen
in Streifenleitungstechnik herzustellen, die wesentlich größere Impedanzbandbreiten bei einem
Stehwellenverhältnis VSWR kleiner 1:2 aufweisen.
Hierzu bedient man sich einer speziellen Struktur, der planaren, logarithmischen Spiralantenne,
bei der die relativen Antennenabmessungen bei allen Wellenlängen eines bestimmten Frequenzbereichs identisch sind [2,3]. Der äußere und innere Durchmesser der Spiralantenne, sowie die
Anzahl der Spiralumläufe bestimmen im wesentlichen den nutzbaren Frequenzbereich.
Die hier entwickelten zweiarmigen Spiralantennen im Frequenzbereich f=4-6GHz und f=1013GHz wurden in Streifenleitungstechnik realisiert. Die beiden Spiralarme werden als Schlitze
in der Masseebene eines geeigneten Substratmaterials ausgeführt und im Zentrum der Struktur
mit einer kurzen Schlitzleitung verbunden. Die Anregung erfolgt über diese Schlitzleitung
durch eine Streifenleitung, die auf der Unterseite des Substrats verläuft (s. Bild 1). Diese wird
im ersten Fall (Bild 1a) kurz hinter dem Verbindungsschlitz in der Mitte der Struktur mit der
Masseebene auf der Oberseite kurzgeschlossen. Das Strommaximum am Ende der Streifenleitung sorgt damit für eine effektive Ankopplung der Schlitzantenne.
Bild1: Mechanischer Aufbau der breitbandigen Streifenleitungsantenne mit
a) kurzgeschlossener Speiseleitung
b) offener Speiseleitung
Mit dieser Art der Anregung ist im Frequenzbereich f=4-6GHz eine Impedanzbandbreite von
ca. 40% für ein Stehwellenverhältnis VSWR kleiner 1:1.5 realisierbar (Bild 2a). Im zweiten
Fall (Bild 1b) wird auf die Durchkontaktierung zwischen Unter- und Oberseite des Substrats
verzichtet. Statt dessen ist die Speiseleitung etwa λeff/4 über den Verbindungsschlitz in der
Mitte der Struktur verlängert. Das Stromminimum am Ende der Leitung transformiert sich
unter dem Schlitz zu einem Strommaximum und sorgt ebenfalls für eine effektive Ankopplung
der Schlitzantenne. Allerdings ist hier, bedingt durch die zusätzliche Frequenzabhängigkeit des
λ/4-Transformators, die Impedanzbandbreite von 40% nur noch für ein Stehwellenverhältnis
VSWR kleiner 1:2 realisierbar (Bild 2b).
Die Optimierung der Einzelelemente erfolgte in dieser Arbeit [1] ausschließlich experimentell.
Untersucht wurden die Auswirkungen verschiedener Spiralarmlängen und Schlitzbreiten im
Zentrum der Struktur auf die Impedanzbandbreite. Dabei wurde für die Schlitzbreiten und Spiralarmlängen optimale Werte ermittelt. Bei der Veränderung der Spiralarmlängen konnte festgestellt werden, daß nicht immer eine Verlängerung, sondern auch eine Verkürzung positiven
Einfluß auf die Bandbreite haben kann.
In der Regel soll für die Antennen eine einseitige Abstrahlung realisiert werden. Dazu war die
Anbringung einer zusätzlichen Masseebene, eines Reflektors, auf der Rückseite des Substrats
notwendig. Im Rahmen einer Versuchsreihe konnte der theoretisch optimale Abstand von ca.
λ/4 der Mittenfrequenz bestätigt werden. Bei diesem Abstand war der Einfluß auf die Eingangsimpdanz minimal und die große Bandbreite konnte weitgehend erhalten werden.
vswr<2
vsw r<1.5
Bild 2: Gemessene Eingangsimpedanz der Version für den Frequenzbereich f=4-6GHz
a) kurzgeschlossene Speiseleitung
b) offene Speiseleitung
Sämtliche Einzelelemente und Arrays wurden mit dem Material Rogers 4003, εr=3.38,
Substrathöhe h=0.81mm, gefertigt.
Durch eine geometrische Skalierung ist eine Verschiebung des nutzbaren Frequenzbereichs
möglich. Nach dem Prinzip der Anregung mit kurzgeschlossener Leitung wurde ebenfalls eine
planare Spiralantenne im Frequenzbereich f=10-13GHz realisiert und vermessen (Bild 3).
vsw r<1.5
Bild 3: Eingangsimpedanz und Geometrie der Version für den Frequenzbereich f=10-13GHz
RICHTDIAGRAMME
Bei der Vermessung der Richtdiagramme ergab sich allerdings nur
eine mäßige Kreuzpolarisationsunterdrückung von etwa 10dB (Bild
4). Die Ursache hierfür liegt in der
Überlagerung einer linear polarisierten Strahlungskomponente zum
Richtdiagramm. Diese rührt von
dem geraden Stück Schlitzleitung
her, die im Zentrum der Antenne die
Antennenarme verbindet. Der Gewinn der Antenne schwankte über
den Frequenzbereich 4-6GHz zwischen 5 und 8dBi.
Bild 4: Richtdiagramm der Spiralantenne
REALISIERUNG VON ARRAYS
Die Richtwirkung der Antenne bzw. hier die Empfindlichkeit des Mikrowellensensors wird
durch eine geeignete Anordnung mehrerer Einzelelemente zu einer Arrayantenne stark vergrößert. Im Bild 5 ist die Realisierung eines 4x4, also eines Arrays mit 16 Einzelelementen gezeigt.
Bedingt durch die Anregung mit der Streifenleitung von der Rückseite des Substrates kann das
gesamte Array inklusive des Verteilernetzwerkes fertigungstechnisch günstig auf einer einzigen
Platine untergebracht werden. Allerdings kommt es durch die Einführung einer Reflektorebene
hinter dem Array zu starken Verkopplungen der Einzelelemente untereinander. In einer Untersuchung zur Verkopplung wurden mehrere Anordnungen realisiert und systematisch ausgewertet [1]. Als optimal kann hierbei die hexagonale Anordnung gelten, wobei die Elemente
zueinander jeweils um 90° gedreht werden. Um die Ausbreitung stehender Wellen zwischen
Reflektor- und Substratebene zu verhindern, ist es ratsam, Kammern für die einzelnen Ele-
mente einzuführen (Bild 5). Die Impedanzbandbreite von 4-6Ghz konnte auch bei dem Array
weitgehend erhalten bleiben (Bild 6). Zur Optimierung der Bandbreite des Speisenetzwerkes
mußten die Impedanztransformatoren als mehrstufige λ/4-Transformatoren ausgeführt werden.
Bild 5: Mechanischer Aufbau eines Arrays im Frequenzbereich f=4-6GHz mit 4x4 Elementen
vswr<1.8
Bild 6: Gemessene Eingangsimpedanz des Arrays
im Frequenzbereich f=4-6GHz
Ein weiteres Array mit vier Einzelelementen wurde im Frequenzbereich 10-13GHz realisiert
(Bild 5a). Auch hier konnte die große Impedanzbandbreite erhalten bleiben (Bild 5b).
vswr<1.8
Bild 5: a) Aufbau eines 2x2 Elemente-Arrays für den Frequenzbereich f=10-13GHz
b) Gemessene Eingangsimpedanz im Frequenzbereich f=10-13GHz
ANWENDUNG
Das hier entwickelte Array mit 16 Einzelelementen im Frequenzbereich 4-6Ghz wurde für den
Einsatz als Mikrowellensensor in einem Dicke-Radiometer zur Temperaturmessung entwickelt.
Mit Hilfe eines Radiometers ist es möglich, Mikrowellen-Temperaturstrahlung, die in Form
einer Rauschleistung emittiert wird, von Körpern mit Temperaturen zwischen 0°C und 200°C
zu detektieren. Die Messung erfolgt dabei berührungslos in einem Abstand von ca. 20 cm. Diese Methode hat gegenüber der Infrarot-Temperaturmessung den entscheidenden Vorteil, daß
aufgrund der Eigenschaften von Mikrowellen Temperaturen in tiefer liegenden Körperschichten vermessen werden können. Infrarot-Temperaturmeßgeräte detektieren dagegen nur die
Temperatur unmittelbar auf der Körperoberfläche.
ZUSAMMENFASSUNG
Logarithmisch periodische Strukturen bieten die Möglichkeit, auch in Streifenleitungstechnik
sehr breitbandige Antennen zu realisieren. Der Aufbau von Arrays wird durch geeignete Anordnung mehrerer Einzelelemente möglich. Das erforderliche Speisenetzwerk ist dabei möglichst breitbandig zu realisieren. Diese Art von Streifenleitungsantennen ist allerdings aufgrund
ihrer zirkularen Abstrahlungseigenschaften mit linearem Anteil, der vom Zentrum der Struktur
herrührt, nur eingeschränkt für nachrichtentechnische Anwendungen brauchbar. Für den
Mikrowellensensor ist die Art der Abstrahlung nicht von Bedeutung.
LITERATUR
[1] Möller, Markus, Aufbau von Mikrowellensensoren im Frequenzbereich 4-12GHz, Diplomarbeit, Fachhochschule Kiel, 1996
[2] Stutzmann, W.L.; Thiele G.A., Antenna theory and design, .John Wiley & Sons, New
York, 1981
[3] Capelle, A. et al, Microstrip spiral antennas, AP-S, Symposium, 1979
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