Planare Antennen - Stiftung HAMFU

INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEEVorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürichim Wintersemester 1996/1997Leitung:Untergruppe Führungsunterstützung - GeneralstabDivisionär E. Ebert, Unterstabschef FührungsunterstützungPlanare AntennenReferent: Prof. Dr. A. K. SkrivervikDiese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und alsPDF Dokument für www.hamfu.ch aufbereitet.

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-1Prof. Dr. A.K. SkrivervikInhalt1. Einleitung2. Anwendungsbereich3. Das Grundkonzept: die Mikrostreifenantenne4. Fortgeschrittene Patchantennen5. Weitere Planarantennen6. Gruppenantennen7. Schlussbetrachtungen8. ReferenzenAdresse der Autorin:EPFL, DE-LEMAInformationstechnik und ArmeeEcublens 36. Folge 1996/971015 Lausanne5.97 130 U37749/7© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 1

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History3-21. EinleitungWas sind Planarantennen, und wodurch unterscheiden sie sich von anderen flachenAntennen ?Unter Planarantennen versteht man gedruckte Antennen, das heisst Antennen, dieentweder durch einen photolithographischen Prozess (Dünnfilmverfahren) oderserigraphisch (Dickfilmverfahren) auf ein dielektrisches Substrat gedruckt werden.Eine Grundebene (Masse) kann vorhanden sein, und die Struktur kann mehreredielektrische und leitende Schichten haben. Die bekannteste Planarantenne ist dieMikrostreifenantenne (microstrip antenna) [1], aber es gibt viele andere Familien vonPlanarantennen [2],Andere flache Antennen werden oft als "quasiplanar" bezeichnet. Ein populäresBeispiel einer quasiplanaren Antenne ist die PIFA (planar inverted F Antenna), diehäufig in Handys gebraucht wird [3]. Hiernach werden wir uns hauptsächlich mitgedruckten 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 relativeIntensität dieser Wellen hängt von den dielektrischen Eigenschaften und der Dickedes Substrats ab, wie in folgender T afel zusammengefasst wird :RaumwelleDickesSubstratDünnesSubstratHohes e r Tiefes e r+ - - +Leiterwelle -+ +Oberflächenwelle + -+-Tafel I : Wirkung des Substrats auf die elektromagnetischeWelleFig. 1Verschiedene Wellen,die in einer planarengedruckten Strukturerregt werden können :a) Raum welle5z ia)s s\Oberer Leiterb) Oberflächenwellec) Leiterwelleb)z0 /t iTotaleInteraktion R g n d _mit einem d i f f r a k 1 j o nReflektion Leiter ^2 • • I I ! M i l l i « ! «© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 2

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History3-3Man kann daraus entnehmen, dass ein dünnes Substrat mit hoher Permittivität gut fürLeitungszwecke ist, und dass eine Antenne auf einem dicken Substrat mit hoherPermittivität viel Verlust durch Oberflächenwellen haben wird.Seit ungefähr fünfzehn Jahren ist die T echnologie rund um Planarantennen dasHauptforschungsgebiet im Antennenfeld. Zahlreiche Forscher der Industrie und derUniversität widmen ihm ihre Zeit, ihr Interesse und ihre Kreativität, und T ausende vonPublikationen, 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 imPlanarantennenbereich schnell konkret. Das heisst, der Zeitablauf von der Idee biszur Industrialisation ist ungewöhnlich kurz.Die Frage stellt sich, woher die Popularität der Planarantennen kommt. Die Antwortliegt 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 geometrischeGenauigkeit, wodurch auch Höchstfrequenz- und Millimeterwellenantennenhergestellt 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 anderenEigenschaften sind, die bei Planarantennen ein Vorzug sind. Die elektrischenQualitäten wie Bandbreite, Wirkungsgrad oder Polarisation sind nicht optimal imVergleich mit Horn-, Reflektor- oder Schlitzantennen, wie besonders stark bei denersten Generationen von Planarantennen hervorgeht.Dies erklärt all die Forschungsaktivität in diesem Gebiet : sie war und ist nochnotwendig, um ein in fast jeder Hinsicht optimales Antennenkonzept auch punktoelektrischer Eigenschaften gut oder zumindest annehmbar zu machen.2. AnwendungsbereichDie Anwendungsmöglichkeiten von Planarantennen sind sehr vielfältig. Sie werdensowohl in Massenprodukten wie Handys als auch in hochtechnologischen Bereichenwie Satellitenkommunikation gebraucht. Eine vollständige Aufzählung sämtlicherGebrauchsmöglichkeiten von Planarantennen liegt ausserhalb dem Ziel dieser Arbeit,aber einige Beispiele sollen die Vielfalt der Anwendungsgebiete erläutern.© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 3

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-4Das erste Beispiel zeigt drei Gruppenantennen mit sieben Elementen, die flach aufeiner Fassade angebracht sind (Fig. 2). Sie dienen als Basisstationantennen für GSMund haben mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Antennen : weil sie planarsind, können sie leicht ihrer Umgebung angepasst werden, und ihr Strahlungsdiagrammkann durch Aenderung der Speisung der einzelnen Antennenelemente derT opographie angepasst werden (beamshaping).Fig. 2GSM Basisstation-Gruppenantennen bestehend aus sieben gedruckten ElementenFrequenz : 890-960(Bild : Huber + Suhner AG,MHzHerisau)© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 4

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-5Das zweite Beispiel ist eine ringförmige Schlitzantenne für Höchstfrequenzanwendung(Fig. 3). Die Diode für die Mischung wird so nahe wie möglich bei der Antenneangebracht, um Verluste zu verhindern. Der Tiefpassfilter und die IF Leitung sind alscoplanare Wellenleiter auf demselben Substrat gedruckt. Dieser Typus von einfachenHöchstfrequenzantennen kann leicht an dielektrische Linsen angepasst und fürindustrielle Anwendungen gebraucht werden.I Grundebene|I (Kupfer)Diode• I d w n nTiefpassfilter (CPW) |Ringantenne0 ~ 500|jm^ m *PolystirenschaumFig. 375 GHz gedruckte Schlitzantenne (Ring) mit integrierter DiodeDas dritte Beispiel (Fig. 4) zeigt eine aktive Gruppenantenne für einen quasi-mobilenund stationären Satelliten Fernseh-Empfänger. Die Antenne wurde für den Empfangvon ASTRA und Eutelsat Satelliten entwickelt und erlaubt nicht nur, die gesuchteOrbitposition adaptativ zu bestimmen, sondern auch die gewünschte Polarisation.Diese Arbeit der Universität Paderborn [18] ist ein schönes Beispiel einer aktivenGruppenantenne und zeigt, wie gut planare Antennenelement sich für eine solcheApplikation eignen.© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 5

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-6Fig. 4Aktive Gruppenantenne für den Empfang von ASTRA und Eutelsat Satelliten(Universität Paderborn, [18])a) die Antenne, die aus 64 Elementen (Rampart-Iines) bestehtb) Der RF-Teil jedes Elementes, bestehend aus einem rauscharmen Verstärkerund einem 4-Bit Phasenverschieber© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 6

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU HistoryDas Grundkonzept : die MikrostreifenantenneEine Mikrostreifenantenne besteht aus einem dünnen dielektrischen Substrat, das aufbeiden Seiten mit einem Leiter (z.B. Kupfer) beschichtet ist. Auf einer Seite decktdiese Schicht das ganze Substrat und dient als Grundebene (Masse), die andereSeite ist aber nur teilweise metallisiert : Die leitenden Muster auf der oberen Seite desMikrostreifens ergeben den Resonator (Patch) und eventuelle Leitungen (Fig. 5). DieAntenne wird entweder durch eine koaxiale Speisung oder durch eine Mikrostreifenleitungerregt (Fig. 6a und 6b). Der Vorteil dieser zweiten Möglichkeit ist, dass nureine T echnologie verwendet wird. Dadurch wird nachträgliches Löten vermieden.Fig. 5.Mikrostreifenantennea) Koaxia Heiterb) MikrostreifenleitungFig. 6 . Verschiedene Speisungen einer Mikrostreifenantenne© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 7

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-9Fortgeschrittene PatchantennenWir haben gesehen, dass die Nachteile der Mikrostreifenantenne daher kommen,dass die Strahler und die Leiter auf der gleichen Ebene sind. Um die Antenne zuverbessern, müssen also die Resonatoren von den Erregern getrennt werden.Mehrere Konzepte sind möglich :a) Mehrschichtige PatchantenneEine zweiter Strahler wird auf eine einfache Mikrostreifenantenne gesetzt (Fig. 8).So kann die Strahlungsfähigkeit und vor allem die Bandbreite der Antenne verbessertwerde.Fig. 8 . MehrschichtigePatchantenneb) Elektromagnetisch erregte PatchantenneDie Speisungsleitung und der Patch befinden sich auf zwei verschiedenenEbenen, das heisst auf zwei verschiedene Substrate gedruckt (Fig. 9). Der Patchwird durch elektromagnetische Kopplung mit der Leitung erregt. In dieserKonfiguration kann das untere Substrat für die Leiter und das obere für dieStrahler optimiert und die Eigenschaften der Antenne verbessert werden [4,5].Fig. 9 . Elektromagnetisch erregte Patchantenne© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 9

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-10Schlitzerregte PatchantenneDas obige Konzept kann dadurch verbessert werden, dass die Speisungsleitungdurch die Grundebene (Masse) vom Strahler getrennt wird (Fig. 10). Ein Schlitz inder Grundebene erlaubt die Erregung des Patches [6]. Die Masse des Schlitzessollten so gewählt werden, dass dieser nicht resonant ist, um Strahlung auf derLeiterseite zu vermeiden.Fig. 10. Schlitzerregte PatchantenneDie SSFIP AntenneDie SSFIP (Strip Slot Foam Inverted Patch) ist eine optimierte Version derschlitzerregten Patchantenne [7]. Das obere Substrat wird durch einen hartenSchaum ersetzt, der Patch wird auf eine dünne Schicht Substrat gedruckt, die aufden Schaum geklebt wird und als Radom dient (Fig. 11). Die Permittivität desSchaums ist fast die gleiche wie die der Luft, so dass Verluste durch Oberflächenwellenvermieden werden können [8]. Der Strahlungseffekt wird dadurchoptimiert.Fig. 11.SSFIP-Antenne© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 10

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-11SSFIP Antennen können typisch eine Bandbreite von 6 - 1 3 % und einen Gewinn von6-8 dB erreichen. Mehrschichtige SSFIP können Bandbreiten über 33 % erreichen [2].Die obigen Beispiele zeigen, dass die elektrischen Eigenschaften von Mikrostreifenantennenverbessert werden können, um sie so gut wie konventionelle Antennen zumachen. Der Preis dafür ist eine mehrschichtige Struktur und eine theoretischeStudie, die schnell sehr komplex wird [9].Weitere PlanarantennenEs gibt weitere Planarantennen, die sich nicht auf das Mikrostreifenleitungkonzeptgründen. 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 habensomit ähnliche elektromagnetische Eigenschaften. Ein Vorteil dieser Antennen ist,dass sie keine Oberflächenwellen abstrahlen und somit auch für Höchstfrequenzenanwendbar sind [10],Fig. 12 . Schlitzantenne (gefalteter Dipol auf Grundebene)Eine weitere Familie von Planarantennen ist die der breitbandingen Antennen, wiegedruckte Spiral- oder Logperiodische Antennen, oder gedruckte Vivaldiantennen[11]. Diese Antennen haben meistens ähnliche Eigenschaften wie ihre nichtgedruckten Vorbilder.GruppenantennenPlanarantennen sind ideale Kandidaten für das Basiselement einer Gruppenantenne:- das Herstellungsverfahren, ob serigraphisch oder photolithographisch, ist gleicheinfach für eine Gruppenantenne wie für ein einzelnes Element;- die Möglichkeit, die Speisungsleiter und die Strahler auf verschiedene Ebenen zudrucken, ergibt viele Kombinationsmöglichkeiten und erleichtert die Konzeption;© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 11

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-12- die Möglichkeit, mehrschichtig zu arbeiten, erlaubt die Herstellung von planarenaktiven Gruppenantennen;- die theoretische Studie einer planaren Gruppenantenne ist nicht viel komplexer alsdie 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) undist sehr einfach und kompakt im Design. Doch die Leitersektionen zwischen denStrahlern bringen eine frequenzabhängige Phasenverschiebung ein, so dass Gruppenantennenmit serieller Speisung eher schmalbanding sind. Diese Art Speisungwird meistens nur bei konventionellen Mikrostreifenantennen benutzt.•[][][][][][][]E h0 -EHE hB - 1SerielleSpeisungParallele SpeisungFig. 13 . Seriell und parallel erregteGruppenantennenEine parallele Speisung braucht mehr Platz und besteht aus Koppler undLeistungssplitter neben den Leitungen. Sie können aber breitbanding sein undwerden deshalb bei mehrschichtigen Planarantennen gebraucht.Ein Beispiel einer 4x16 SSFIP Gruppenantenne wird auf Fig. 14 gezeigt. Unten siehtman die Speisungsschicht, oben die Schlitze in der Grundebene und die viereckigenStrahler. Der Gewinn dieser Antenne ist 23 dB, die Bandbreite (SWR = 2) 21 %; dasStrahlungsdiagramm ist in Fig. 15 abgebildet.n : ; i u J : I . i . i i D i ) i : : | i• I . L U E i L : ' I : i l - : r i l - i l i : i l : i l i : i l i : i : ] : i i l l i i - : ii i i : : i i l l i i : : i i l l i i ::i l . : I i l - i ) : i l i : i ) : i l i i D i l i : i l : : ) : : i . : i l i : i i : i l i : i l i :i l i ; i l : i l : ; i l i : i l i i l ' . : i l : i l i : i l i : i l i : i l i : i i : i l i : i : : i l i : i l i :© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 12

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-130Fig. 15. Strahlungsdiagramm (E und H Ebene) der 4x16 Gruppenantenne7. SchlussbetrachtungenWir haben in dieser Abhandlung versucht, einen Einblick in die Vielfalt derPlanarantennenwelt zu geben. Da das Thema sehr breit ist, konnten hier nur einigeAspekte erwähnt werden. Die Fachliteratur ist hingegen umfassend, und um mehrInformationen zu bekommen, kann sich der interessierte Leser an folgendeReferenzen 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 Strukturen8. Referenzen[1] D.M. Pozar und D.H. Schaubert (eds), Microstrip Antennas, IEEE Press, New-York, 1995.[2] J.F. Zürcher und F.E. Gardiol, Broadband Patch Antennas, Artech-House, Norwood, Ma, 1995.[3] K. Fujimoto, A. Henderson, K. Hirasawa und J.R. James, Small Antennas, Research StudiesPress, John Wiley and sons, New-York, 1987.[4] P. Lepeitier, J.M. Floch und J. Citerne, "Electromagnetically coupled Microstrip Dipole", IEEE AP-S Digest, 1985, pp. 777-780.[5] D.M. Pozar und B. Kaufmann, "Increasing the Bandwidth of a Microstrip Antenna by ProximityCoupling", Electron. Letters, Vol. 23, 1987, pp.368-369.[6] P.L. Sullivan und D.H. Schaubert, "Analysis on an Aperture Coupled Microstrip Antenna", IEEETrans, on AP, vol. 34, 1986, pp. 977-984.[7] J.F. Zürcher, "The SSFIP, a Global Concept for High Performance Broadband Planar Antennas",Electron. Letters, vol. 24, 1988, pp. 1433-1435.[8] J.R. Mosig, R.C. Hall and F.E. Gardiol, "Numerical analysis of microstrip patch antennas", chap. 8in Handbook of Microstrip Antennas, J.R James and P.S. Hall ed. Peter peregrinus, 1989.© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 13

Planare Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1996/1997 (ETH Zürich)HAMFU History6-14[9] J.R. Mosig, "Integral equation technique", in Numerical Techniques for Microwave and MillimeterWave Passive Structures, T. Itoh ed., Wiley and Sons, New-York, pp 133-214, 1989.[10] G.M. Rebeiz, "Millimeter-wave and terahertz integrated-circuit antennas", IEEE Proceedings, vol.80, 1992, pp. 1748-1770.[11] Ph. Gönnet, A. Sharaiha, C. Terret und A. Skrivervik, "Wire modelization and optimization of thesinuous antenna", MOTL, vol. 13, 1996, pp. 156-160.[12] Y. Brand, A.K. Skrivervik, J.R. Mosig, "An iterative scheme for array analysis", JournéesInternationales de Nice sur les Antennes (JINA '96) , Nice, France, 12-14 Novembre 1996, pp.683-686.[13] J.R. James and P.S. Hall (eds.), Handbook of microstrip antennas, Peter Peregrinus, London,1989, IEE Electromagnetic Waves Series 28 in Handbook of Microstrip Antennas, editors,[14] T. Itoh (ed.) Numerical Techniques for Microwave and Millimeter Wave Passive Structures, , Wileyand Sons, New-York, 1989.[15] R.C. Hansen, Microwave Scanning Antennas, Peninsula Publishing, 1985.[16] R. Mailloux, "Antenna Array Architecture", Proc. IEEE, Jan. 1992.[17] F.E. Gardiol, Microstrip Circuits, Wiley, New-York, 1994.[18] F. Dobias und G. Fischer, Department of Communications Engineering, University of Paderborn,private communication.© HAMFU - www.hamfu.ch Seite 14