M.Sc. Marius Kretschmann

Dr.-Ing. Akanksha Bhutani

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der praktischen Umsetzung keramikbasierter
dielektrischer Resonatorantennen (DRA) für den Millimeterwellen-Frequenzbereich. Neben der Berechnung und simulativen Optimierung mit 3D-EM-Simulationen werden die Antennen mittels eines hoch präzisen Laserablationsverfahren hergestellt und in einem Millimeterwellen-Labor vermessen. Eine kurze historische Einführung unterstreicht das Potential der heutigen Forschung an DRAs. Die vielen Freiheitsgrade bezüglich des Resonatormaterials, der Größe und der Geometrie erweisen sich beim Entwurf von DRAs als vorteilhaft. Aufgrund ihrer geringen elektrischen Verluste und der hohen Abstrahleffizienz sind sie für den Millimeterwellen-Frequenzbereich besonders geeignet. Die drei in dieser Arbeit entworfenen Resonatorantennen sind für den Betrieb im D-Band (110−170 GHz) vorgesehen, unterscheiden sich aber in ihrer Geometrie und folglich auch in ihrer Abstrahlcharakteristik. Die Design-Methodik wird anhand einer quaderförmigen Resonatorantenne getestet. Darüberhinaus wird ein eingekerbter Resonator mit einer hohen Impedanzbandbreite von 18,2% entworfen. Die Antenne mit der besten Richtwirkung von 12 dBi hat die Form einer umgedrehten Pyramide, welche über ihre abgeflachte Spitze auf dem Primärstrahler montiert ist. Die Simulationsergebnisse der quaderförmigen DRA können messtechnisch gut verifiziert werden. So liegt die messtechnische Bandbreite mit 8,9% sogar etwas über dem Simulationsergebnis von 7,9%. Die gemessene Eingangsimpedanz und der Gewinn des eingekerbten Resonators weichen von der Simulation ab. Strukturelle Abweichungen des Resonators und Schäden an der Mikrostreifenleitung können unter anderem als Gründe hierfür angeführt werden. Bei der Messung weist die pyramidenförmige Antenne einen Gewinn in Hauptstrahlrichtung von über 10 dBi auf. Die simulierte relative Bandbreite von 32,1% kann in der Messung nicht bestätigt werden. Die gemessene Anpassung ist schmalbandiger als simuliert und die Resonanzfrequenz ist auf 163 GHz verschoben. Herstellungsungenauigkeiten, wie beispielsweise die Strukturbreiten und die Klebeschichtdicke, als auch der Substrathalter beeinflussen wesentlich das Abstrahlverhalten der DRAs. Die erfolgreiche Auslegung und Herstellung einer quaderförmigen Antenne zeigt, dass DRAs mithilfe der Laserablation für den Millimeterwellen-Frequenzbereich realisiert werden können. Die
Entwicklung komplexerer Strukturen gibt einen Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten.