Kapazitiv gekoppelte Streifenleitungsantennen für Millimeterwellenanwendungen
Creators: name: Mayer, Jonathan
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Antennenentwurf
Antennengruppe
Materialmessungen
Patchantennen

description: Es ist absehbar, dass autonomes Fahren ein wichtiger Teil des zukünftigen Verkehrsgeschehens sein wird. Dadurch soll der Fahrer entlastet werden oder ganz auf ihn verzichtet werden können. Für diesen Schritt ist eine sehr zuverlässige Sensorik mit hoher Performance notwendig, damit die Sicherheit gewährleistet und die Zahl der Unfälle reduziert werden kann. Einen Baustein dazu bilden Radarsysteme, die am Kraftfahrzeug verteilt sind und eine genaue Erkennung des Umfelds ermöglichen. Für möglichst große Flexibilität und eine gute Entfernungsauflösung sollte dabei der regulatorisch zulässige Frequenzbereich zwischen 76 GHz und 81 GHz unter allen auftretenden Umweltbedingungen abgedeckt werden können. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an, indem Antenne und Substrat ganzheitlich betrachtet werden und ein optimales Zusammenwirken ermöglicht wird. Aufseiten des Materials wurde eine Auswahl von 15 aktuellen Hochfrequenzsubstraten auf ihre Eignung hin untersucht. Bezüglich der Antenne wird eine neuartige Anordnung kapazitiv gekoppelter Mikrostreifenleitungsantennen eingeführt, mit der eine vergrößerte Bandbreite möglich wird. Die Materialmessungen betrachten die relevanten Umweltbedingungen umfassend und erlauben so, die Auswirkungen auf die Antenne zu beurteilen und quantitativ abzuschätzen. Neben dem Initialzustand werden dazu erhöhte Temperatur (125 °C), Temperaturwechseltest und Lagerung bei 85 % relativer Luftfeuchte bzw. bei 150 °C betrachtet. Die neuartige Anordnung kapazitiv gekoppelter Elemente ermöglicht bei den realisierten Prototypen mit einer einzelnen Hochfrequenzlage des Substrats eine Bandbreite von mehr als 6 GHz. Dazu werden jeweils zwei Resonatoren mit leicht unterschiedlichen Resonanzfrequenzen kombiniert und mehrere solcher Paare seriell entlang einer Mikrostreifenleitung angeordnet. Dabei kommt ein neu entwickeltes Entwurfsverfahren zum Einsatz, das auf der physikalischen Beschreibung eines Resonators beruht und erst im letzten Schritt Feldsimulationen der ganzen Antenne benötigt. Dadurch wird ein schneller Entwurf möglich und die Eigenschaften der Antenne können gezielt beeinflusst werden. Die Nutzung einer halbadditiven Fertigungsmethode ermöglicht fein strukturierte Leiter und geringe Toleranzen. Dadurch konnte sowohl simulativ als auch messtechnisch nachgewiesen werden, dass die in dieser Arbeit entwickelte Methodik für den Entwurf von Antennen mit einer größeren Bandbreite geeignet ist. Die gemeinsame Betrachtung von Substrat und Antenne erlaubt dabei eine Bewertung bezüglich der Auswirkungen verschiedener Betriebszustände, d. h. die Abdeckung aller möglichen Umweltbedingungen einschließlich Alterung. So können bereits bei der Auswahl des Substrats die Auswirkungen auf die Antenne miteinbezogen werden. Das ermöglicht ein optimales Zusammenspiel der Komponenten, sodass die wachsenden Anforderungen der Radarsensoren für das autonome Fahren zielgerichtet und mit angepasstem Aufwand erfüllt werden können.