3 Untersuchung von Antennenmodulen in Ziegelarchitektur Abbildung 3.2: Aufbau eines SIW. mit und k W = ω √ µɛ, (3.4) √ ( ) 2 mπ ( nπ ) 2 k c = + (3.5) a eff b m = 0, 1, 2, ... , n = 0, 1, 2, ... , (m, n) ≠ (0, 0). Anstelle der physikalischen SIW-Breite a ist die effektive Breite a eff zu verwenden. Für a eff > b ist die TE 10 -Welle (m= 1, n= 0) mit der Grenzfrequenz f c01 = 1 2a eff √ µɛ (3.6) als erste ausbreitungsfähig. Während die Substrathöhe b des SIW direkt eingesetzt werden kann, gibt es verschiedene Modelle sowie aufwendige numerische Wege, um die effektive Breite a eff zu berechnen. In dieser Arbeit wird hierzu das Modell aus [151] genutzt, welches über einen weiten Parameterbereich mit numerischen Ergebnissen bis auf Prozentbruchteile übereinstimmt. Die effektive Breite ist demnach ( mit a eff = a ξ 1 + ξ 1 = 1, 0198 + ξ 2 p + ξ 1+ξ 2 −ξ 3 d a p ξ 2 = −0, 1183 − ξ 3 = 1, 0082 − a p ξ 3 −ξ 1 ) , (3.7) 0, 3465 (3.8) − 1, 0684, a p 1, 2729 (3.9) − 1, 2010, 0, 9163 (3.10) + 0, 2152. 62
3.2 SIW-Antenne A In [151] wird ebenfalls die effektive Ausbreitungskonstante in einem SIW untersucht. Das Ergebnis ist, dass die Verluste in einem SIW ziemlich genau den Verlusten eines äquivalenten rechteckigen Hohlleiters entsprechen, wenn die metallische Leitfähigkeit und die Materialparameter übereinstimmen. Typische Anwendungen für SIW-Strukturen sind, abgesehen von Wellenleitern für Signale hoher Frequenzen [152], prinzipiell die gleichen wie auch für Hohlleiter. In der Literatur sind viele Beispiele für Filter [153–156], Koppler [152, 157] oder Leistungsteiler [158] zu finden. Allgemeine Entwurfsrichtlinien sind gut zusammengefasst in [150, 159, 160]. Um die Integration von SIW- Strukturen in gängigen Technologien zu realisieren, sind verschiedene Übergänge zu Mikrostreifen- (engl. microstrip line - MSL) und Koplanarleitungen (engl. coplanar waveguide - CPW) entstanden [161–163]. Auch als Antennen oder Gruppenstrahler werden SIW bereits eingesetzt, wobei die Abstrahlung dann oft aus geschlitzten Strukturen [164, 165] in einer der metallisierten Lagen erfolgt. Eine Möglichkeit, die Abstrahlung aus der SIW-Öffnung heraus zu realisieren, wird in [166] beschrieben, allerdings nur für linear polarisierte Wellen. Der Entwurf einer zirkular polarisierten SIW-Antenne als kantenemittierendes Element wird in den nächsten Abschnitten detailliert vorgestellt. 3.2 SIW-Antenne A Die Antenne weist drei Funktionsblöcke auf: die Speisung, den Polarisator und die Struktur zur Anpassung an den Freiraum. Nach einer Erläuterung der Funktionsweise und Eigenschaften dieser Blöcke werden Messergebnisse der realisierten SIW-Antenne vorgestellt und diskutiert, bevor dieser Abschnitt mit einer Zwischenbewertung abschließt. Für die SIW-Antenne A wurde herstellungsbedingt ein via-Durchmesser von 0,5 mm gewählt. Der Abstand der vias innerhalb einer Reihe beträgt für sämtliche Komponenten 0,7 mm. 3.2.1 Speisung Wie bereits im vorangegangenen Kapitel erwähnt, gibt es viele Speisemöglichkeiten von SIW mit Standardleitungen wie MSL und CPW. In der Regel sind diese Übergänge allerdings für relativ flache SIW ausgelegt, was bedeutet, dass die Abmessung b deutlich kleiner als a ist. Sobald das Verhältnis von a zu b im Bereich 2:1 oder gar 1:1 liegt, werden beispielsweise die Abmessungen einer 50 Ω-MSL zu groß, um eine gute Anpassung an den SIW zu erreichen [161, 167, 168]. Eine Speisung mit einem Koaxialleiter - wie auch in der klassischen Hohlleitertechnik - ist ebenfalls denkbar [167,169]. Allerdings sind zwei Faktoren zu beachten. Zum einen ist eine koaxiale Speisung nicht direkt mit MSL oder CPW kompatibel, ein weiterer Übergang zwischen der koaxialen Struktur und später zu integrierenden aktiven Komponenten (MMICs) würde benötigt. Zum anderen mündet der Innenleiter des koaxialen Anschlusses in ein blind via einer bestimmten Tiefe. Wird diese Tiefe aus fertigungstechnischen Gründen nicht bis auf eine bestimmte Toleranz eingehalten, funktioniert der Übergang nicht wunschgemäß, da gerade die via-Tiefe die elektrischen Eigenschaften des Übergangs maßgeblich mitbestimmt. Die Speisung der SIW-Antenna A ist in Abbildung 3.3a dargestellt. Eine am Ende kurzgeschlossene CPW regt die TE 10 -Welle des SIW mit einem via an. Dieses ist durchgehend und stellt keine hohen Anforderungen an die Fertigung. Der Unterschied zu [163] ist die verlängerte CPW vom Speise-via 63