Analyse und Synthese von resonanten Antennenstrukturen basierend auf Metamaterialien
Final Report Abstract
2.1 Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse Im bearbeiteten DFG-Projekt wurden eine Reihe innovativer Antennen auf Basis einer eindimensionalen Metamaterialstruktur entwickelt, die als composite right/left-handed (CRLH) Metaleitung bezeichnet wird [CC]. Die Innovation der Antennen fundiert dabei im Wesentlichen auf den außergewöhnlichen Dispersionseigenschaften der künstlichen CRLH Leitung, die sich durch eine intrinsische Dualbandfähigkeit (zwei Frequenzen mit Phasenkonstante gleichen Betrags) und einer Wellenausbreitung mit verschwindender Phasenkonstante auszeichnet. Die erstgenannte Eigenschaft wird für neuartige Dualbandantennen, die bei zwei Betriebsfrequenzen die gleiche resonante Stromverteilung aufweisen, verwendet. Neben geradlinigen Varianten [Otto APMC, AR APS] wurden auch ringförmige Topologien untersucht [Otto APS, AR CAP]. Insbesondere die Ringform stellt ein höchst-innovatives Antennenkonzept dar, welches neben der Dualbandeigenschaft zusätzlich eine Multi- Polarisationsfähigkeit [AR CAP] bietet. Somit kann diese Antenne hervorragend für Dualband- Funktechniken mit einer kanalkapazitätserhöhenden polarisation diversity [Pol Div] verwendet werden. Das größte Innovationspotenzial im Bereich der CRLH Resonatorantennen liegt in der Resonanz nullter Ordnung (engl.: zeroth-order resonance, kurz ZOR). Die ZOR-Moden einer leerlaufenden bzw. kurzgeschlossenen CRLH Metaleitung zeichnen sich einerseits durch eine Unabhängigkeit der Resonanzfrequenzen von der Resonatorlänge aus, andererseits weisen sie eine örtlich konstante Stromverteilung auf, welche zu einer maximalen Richtwirkung der Antenne führt. Ein leerlaufender ZOR Leitungsresonator mit ortskonstantem Querstrom wurde erstmalig in [Sanada] im Zusammenhang mit Miniaturisierungsaspekten genannt. Unsere Arbeitsgruppe stellte die duale Struktur mit ortskonstantem Längsstrom in [AR INICA] vor. Neben der Miniaturisierung besteht die Möglichkeit durch elektrisch große Stromverteilungen hochdirektive Antennen zu entwickeln [AR IN ICA, AR AP'07, CC APM]. Es werden sowohl Einzelantennen mit fächerförmiger Richtcharakteristik als auch eindimensionale Gruppenantennen mit pencil beam vorgestellt. Diese werden einerseits in einfacher Interdigitaltechnologie für das 2,4 GHz ISM Band und andererseits in Multilagenstruktur in Form einer Niedertemperaturkeramik (engl.: low temperature cofired ceramics, kurz LTCC, [LTCC, LTCC @ IMST]) für höherfrequente Anwendungen implementiert. Vorteilhaft gegenüber konventionellen Ansätzen ist die große Skalierbarkeit der neuen ZOR-Antennentypen. Neben der ZOR-Antenne mit ihrer örtlich konstanten Stromverteilung, die zu einem optimalen Richtfaktor führt, aber prinzipbedingt auch Nebenkeuten aufweist [Kraus], kommt die Halbwellenvariante [AR APS] dem Ideal der binominalen Stromverteilung (im Sinne der minimalen Nebenkeulen) sehr nahe, und stellt somit einen praktikablen Kompromiss zwischen maximalem Hauptkeulengewinn und minimalen Nebenkeulen dar [Kraus]. Der kürzlich eingeladene Fachzeitschriftenbeitrag im IEEE Antennas & Propagation Magazine [CC APM] (in Kooperation mit den Professoren Christophe Caloz von der Univ. Montreal und Tatsuo Itoh von der Univ. of California Los Angeles) stellt die wesentlichen Innovationen im Bereich der Antennen in einer übersichtlichen Weise zusammen. Die Einladung zu diesem invited paper zeigt die Signifikanz der im Rahmen des DFGProjektes erarbeiteten Forschungsergebnisse. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten Die außergewöhnlichen ZOR-Moden, welche im Rahmen des DFG-Projektes grundlegend und detailliert erforscht wurden, sollen zukünftig in vielversprechenden Anwendungsbereichen Venwendung finden und letztendlich zu innovativen Produkten führen. Unsere Arbeitsgruppe möchte sich dabei auf drei Applikationen fbkusieren. • Im Rahmen des Projektes "Meta Beam - Low Cost Metamaterial-Antennen für Automotive-Sensorapplikationen", welches beim Wettbewerb "Transfer NRW: Science- to-Business PreSeed" eingereicht wurde, sollen preisgünstige Antennen mit statischer bzw. steuerbarer hochdirektiver Richtcharakteristik für den Bereich der automotiven Sensorik entwickelt werden. Es wird angestrebt Alternativkonzepte zu konventionellen patch- bzw. phased array- Antennen zu entwerfen. Beim erstgenannten patch array stellt das komplexe und verlustbehaftete Verteilnetzwerk den Hauptnachteil dar, während beim letztgenannten phased array die verwendeten Phasenschieber für Massenmarktanwendungen zu kostenintensiv sind. • Nach Bearbeitung von geradlinigen ZOR-Antennen soll des Weiteren auch die Ringtopologie untersucht werden. Diese Ring-ZORA zeichnet sich bei entsprechender Anregung der beiden ZOR-Moden durch eine azimuthal symmetrische und gleichzeitig zirkular-polarisierte Abstrahlung aus. Insbesondere bei der Indoor Kommunikation treten aufgrund von Reflektions- und Beugungseffekten innerhalb der Gebäude keine vorhersagbaren Polarisationsverhältnisse auf (ähnlich wie bei der Satellitenfunktechnik), daher stellt eine zirkular-polarisierte Antenne für zukünftige indoor Kommunikationssysteme die beste Wahl dar. Die bei den ZORModen typische Unabhängigkeit der Betriebsfrequenz von der Größe der Antenne wird hier ausgenutzt, um eine hochdirektive Basisstationsantenne (engl.; Wireless Access Point, kurz WAP) für typische indoor Kommunikationssysteme, wie WLAN bei 2,4 GHz oder 5,2 GHz, zu entwerfen. • Neben den oben genannten Fernfeldanwendungen können die ZOR-Moden beispielsweise auch für die Magnetfetdgenerierung innerhalb von Magnetresonanztomographen (MRT) verwendet werden [Reiser]. Das gewünschte ortskonstante Nahfeld in einem solchen MRT-Gerät kann in geeigneter Weise durch die ortskonstanten ZOR-Ströme gebildet werden. Insbesondere für 7-Tesla Geräte, für die ein 300 MHz Hochfrequenzfeld benötigt wird, gibt es einen großen Forschungsbedarf, da vorhandene Inhomogenitäten im Magnetfeld zu einer schlechteren Bildqualität führen [Wiggins]. Zukünftig sollen erste Untersuchungen zur Anwendbarkeit der ZOR-Moden im Bereich der MRT-Feldanregung durchgeführt werden.
Publications
- A. Rennings, A. Lauer, C. Caloz, and I. Wolff, book chapter Equivalent Circuit (EC) FDTD Method for Dispersive Materials: Derivation, Stability Criteria and Application Examples, in Time Domain Methods in Modern Engineering Electrodynamics. Berlin: Springer, 2008.
- A. Rennings, Elektromagnetische Zeitbereichssimulationen innovativer Antennen auf Basis von Metamaterialien. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, März 2008.
- A. Rennings, S. Otto, A. Lauer, C. Caloz, and P. Waldow, "An extended equivalent circuit based FDTD scheme for the efficient simulation of composite right/left-handed metamaterials," special issue Microwave Metamaterials: Theory Fabrication and Applications in Proc. ofthe European Microwave Association, vol. 2, pp. 71-82, March 2006.
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