Rekonfigurierbare Millimeterwellen-Antennen mit steuerbaren hoch-anisotropen Flüssigkristallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Rekonfigurierbare Antennen mit erweiterten Funktionalitäten wie Strahlschwenkung und Strahlformung sind für viele Anwendungen im Millimeterwellenbereich wie Kommunikation, Radarsensorik für Kfz und Erderkundung von zentraler Bedeutung. Die Weiterentwicklung von Methoden zur Strahlschwenkung und Strahlformung sind zurzeit Thema vieler Forschungsvorhaben und Technologieentwicklungen. Diese Konzepte versprechen umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten in den Feldern Satelliten-Mobilfunk, Intersatellitenver-bindungen, Erderkundung und Spektroskopie. Bei dem Ansatz mit Flüssigkristallmaterialien ist zukünftig auch eine Anwendung in Bereichen wie Sensorik zur Fahrzeugumfelderkennung, drahtlosen Funkverbindungen an sogenannten „Hot Spots“ und Mobilfunktechnologien denkbar. In diesem Vorhaben wurden neuartige Konzepte für rekonfigurierbare planare Millimeterwellen-Reflektorantennen mit Reflexionselementen auf Basis steuerbarer Flüssigkristalle (Liquid Crystal, LC) entwickelt und evaluiert. Anforderungen sind dabei kompakte, leichte und zuverlässige Anordnungen mit geringem Implementierungsaufwand, niedrigen Verlusten und Kosten. Technologische Herausforderungen der untersuchten steuerbaren Strukturen sind u.a. eine niedrige Dämpfung innerhalb der Bandbreite sowie ein Ansteuer-Elektrodennetzwerk für die Flüssigkristallzellen, welches das HF-Feld nicht beeinflusst. Das Projekt wurde in Kooperation zwischen der TU Darmstadt und der Universität Ulm durchgeführt. Ein wichtiger Punkt in der ersten Projektphase war die theoretische Untersuchung der Einheitszellen (Reflexionselemente). In diesem Zusammenhang wurden bestehende Simulationsprogramme um die Berechnung von Reflexionsstrukturen erweitert. Neuartige Reflexionsstrukturen wurden im Hinblick auf Ihre Phasen- und Dämpfungseigenschaften entwickelt und ihre Funktion mit Simulationen und Messungen verifiziert. Dabei wurden vielversprechende Ansätze für die Verwendung dieser Strukturen in LC-Arrays erarbeitet und vom Kooperationspartner TUD in Flüssigkristalltechnologie realisiert. Voraussetzung für die weiteren Schritte der Entwicklung neuer Strukturen und der Antennen- Diagrammsynthese ist eine genaue Kenntnis des Verhaltens dieser Strukturen in LC-Antennen. Darum wurden in diesem Projekt neue Methoden zur Charakterisierung der LC- Arrays untersucht und entwickelt. Dabei stand die Entwicklung eines Messsystems mit hoher Ortsauflösung zur Charakterisierung der Einzelzellen der Antenne im Vordergrund. In diesem Rahmen wurden Nahfeldmesssonden mit hoher örtlicher Auflösung entwickelt, verifiziert und Messszenarien für Nahfeldmessungen und ein Konzept zur Messautomatisierung ausgearbeitet. Mit diesen Maßnahmen konnten Einzelzellen auf einem LC-Array bei Frequenzen um 35 GHz und später bei 77 GHz charakterisiert werden. Zusätzlich wurden weitere Charakterisierungsmöglichkeiten wie quasi-optische Messaufbauten für Frequenzen um 77 GHz und Messungen im Fernfeld untersucht. Neu hinzu kam in diesem Zusammenhang die Ausarbeitung von Charakterisierungsmethoden für Einheitszellen mit Polarisationsdrehung, da sie für gefaltete Reflectarray-Antennen benötigt werden. In der zweiten Projektphase wurde ein Verfahren zur Diagrammsynthese basierend auf Partikelschwarmoptimierung ausgearbeitet. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Ansteuerung der LC-Antenne so optimiert werden, dass die gewünschten Abstrahleigenschaften der Antenne bestmöglich angenähert werden. Die Besonderheit beim entwickelten Verfahren ist die Berücksichtigung des unterschiedlichen Verhaltens der Einzelelemente auf dem Reflektor. Dies ist bei rekonfigurierbaren Technologien aufgrund von hohen Einzelabweichungen durch Fertigungstoleranzen nötig. Als Grundlage konnten dabei die Ergebnisse der Nahfeldcharakterisierung verwendet werden. Damit wurde in diesem Projekt erstmals ein Syntheseverfahren entwickelt, dass das messtechnisch charakterisierte Verhalten jedes Einzelelements für die Optimierung der Abstrahleigenschaften der rekonfigurierbaren Antenne heranzieht. Das Diagrammsyntheseverfahren wurde im ersten Schritt auf Prototyp-Antennen (basierend auf herkömmlichen HF-Substraten) ausgearbeitet und später auf LC-Antennen des Kooperationspartners TUD angewandt. Im letzten Schritt wurden neuartige LC-Antennen basierend auf den zuvor untersuchten Strukturen realisiert. Weiterhin wurde das Prinzip der gefalteten Antenne so weiterentwickelt, dass es sich für die eindimensionale Ansteuerung eignet, wie sie derzeit in LC-Technologie erfolgt. Nach dem Erstellen eines nicht rekonfigurierbaren Prototyps dieser modifizierten gefalteten Antenne wurde das Konzept gemeinsam mit den beiden Kooperationspartnern in einer flüssigkristallbasierten gefalteten Antenne umgesetzt. In diesem Projekt wurde damit die erste rekonfigurierbare gefaltete Reflectarray-Antenne aufgebaut und verifiziert. Mit diesem Vorhaben wurden wichtige Voraussetzungen für die Diagrammsynthese und Ansteuerung von steuerbaren Array-Antennen erarbeitet und auf rekonfigurierbare Reflectarray-Technologien angewendet. Auch für herkömmliche Reflectarrays und „konventionelle“ Phased-Array-Antennen bietet die vorgestellte Diagrammsynthese ein leistungsstarkes Werkzeug, um die Abstrahleigenschaften der Antenne bestmöglich und schnell an die Spezifikation, z.B. eine Diagrammmaske, anzunähern. Die untersuchten Reflexionsstrukturen bieten vielversprechende Möglichkeiten zur Verwendung im Antennenbereich. Durch Abwandlung lassen sich die entwickelten Strukturen ebenso für die Verwendung in anderen rekonfigurierbaren Technologien einsetzen. Interessant für alle Reflectarray-Strukturen sind dabei die Optimierung der einstellbaren Phasenbereiche und – verläufe und die Reduzierung von Verlusten. Für viele Strukturen ist die ausgearbeitete Methode zur Nahfeldcharakterisierung von Bedeutung, um Fertigungstoleranzen und Randeffekte zu untersuchen. Die vorgestellten Charakterisierungsmethoden sind auch anwendbar für andere Technologien rekonfigurierbarer Antennen sowie messtechnische Verifizierung von Simulationsergebnissen auch bei beliebigen planaren Strukturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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77 GHz reconfigurable reflectarray with nematic liquid crystal, 2nd European Conference on Antennas and Propagation, 2007, pp. 1 - 5
Marin, R.; Mössinger, A.; Gölden, F.; Müller, S. & Jakoby R.
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Liquid crystal reflectarray with electronic 2D-reconfiguration capability, 29th ESA Antenna Workshop on Multiple Beams and Reconfigurable Antennas, 2007
Mössinger, A.; Marin, R.; Eicher, D.; Jakoby, R. and Schlaak. H.
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W-band characterization of anisotropic liquid crystals at roomtemperature, Proc. 38th European Microwave Conf., 2008, pp. 119 - 122
Müller, S.; Köberle, M.; Gölden, F.; Penirschke, A.; Gaebler, A.; Lapanik, A.; Jakoby, R.; Haase, W. and Jakoby, R.
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Characterization of reconfigurable LC-reflectarrays using near-field measurements, German Microwave Conference, Munich, 2009, pp. 1 - 4
Dieter, S.; Moessinger, A.; Mueller, S.; Menzel, W.; Jakoby, R.
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Folded reflectarray antenna based on a single layer reflector with increased phase angle range, European Conference on Antennas and Propagation, Berlin, 2009, pp. 2757 - 2760
Menzel, W.; Li, J.; Dieter, S.
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High-resolution probes for near-field measurements of reflectarray antennas, accepted for IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009, pp. 157 - 160
Dieter, S.; Menzel, W.
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Investigation methods for reconfigurable liquid crystal reflectarrays, invited, workshop contribution for International Microwave Symposium (IMS), Boston, 2009
Dieter, S.; Menzel, W.; Moessinger, A.; Mueller, S.; Jakoby, R.
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Planar lens using embedded quasilumped-element stripline filters. In: Proc. Asia Pacific Microwave Conf. APMC 2009 , pp. 21–24
Menzel, W. ; Spring, G. ; Dieter, S.
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Realization and characterization of a 77 GHz reconfigurable liquid crystal reflectarray, invited for 13th Intertational Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM), Banff, 2009, pp. 1 - 4
Moessinger, A.; Dieter, S.; Menzel, W., Mueller, S., Jakoby, R.
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Reconfigurable LC-reflectarray setup and characterisation, European Conference on Antennas and Propagation, Berlin, 2009, pp. 2761 - 2765
Moessinger, A.; Dieter, S.; Jakoby, R; Menzel, W.; Mueller, S.
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Single-layer unit cells with optimized phase angle behavior, European Conference on Antennas an Propagation, Berlin, 2009, pp. 1149 - 1153
Dieter, S.; Fischer, C.; Menzel, W.
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Design of a folded reflectarray antenna using Particle Swarm Optimization. In: Proc. European Microwave Conf. (EuMC), 2010, pp. 731–734
Dieter, S.; Fischer, C.; Menzel, W.
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Investigations of advanced folded reflectarray antennas. In: Proc. Int. Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) Conf, 2010, S. 89–92
Dieter, S.; Li, J.; Keyrouz, S.; Ren, J.; Menzel, W.
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Loss mechanisms of folded reflectarray antennas. In: Proc. European Radar Conf. (EuRAD), 2010, pp. 180 – 183
Menzel, W.; Keyrouz, S.; Li, Jiang; Dieter, S.
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A 77 GHz Near-Field Probe with Integrated Illuminating Waveguide used for Reflectarray Characterization. In: FREQUENZ Vol. 65 (2011), pp. 201–207
Dieter, S.; Montori, S.; Yang, Z.; Sorrentino, R.; Menzel, W.
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A 77 GHz near-field probe with integrated illuminating waveguide. In: Proc. German Microwave Conf.(GeMIC), 2011, pp. 1 –4
Dieter, S.; Yang, Zimeng ; Menzel, W.
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Analysis of a folded reflect-array antenna using particle swarm optimization. In: International Journal of Microwave and Wireless Technologies Vol. 3 (2011), pp. 267–272
Dieter, S.; Fischer, C.; Menzel, W.
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Design of Advanced Reflectarray Antennas with Designer Planar EM. In: ANSYS Workshop, elektromagnetische Simulation in der Automobiltechnik, 22. September, Stuttgart, 2011
Dieter, S.
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Folded reflectarray antenna using a modified polarization grid for beam-steering. In: Proc. 5th European Conf.Antennas and Propagation (EUCAP), 2011, pp. 1400– 1403
Dieter, S.; Feil, P.; Menzel, W.
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Reconfigurable Liquid Crystal Reflectarray with Extended Tunable Phase Range. In: European Microwave Conference, 2011, pp. 1292 – 1295
Bildik, S.; Dieter, S.; Fritzsch, C.; Frei, M.; Fischer, C.; Menzel, W.; Jakoby, R.
