Entwurf miniaturisierter Antennengruppen

Weber, Jörn GND

Abstract The present thesis is concerned with the design of compact antenna arrays. The terms "compact" and "miniaturised" are used interchangeably for antenna arrays where the element separation is smaller than the conventional lambda/2 distance. Ultimately, the goal is to make more efficient use of the frequency spectrum by improving the diversity capabilities of the antenna arrays used. Theoretical and practical limits of antenna array miniaturisation are discussed. The physical phenomenon of superdirectivity is examined, which accounts for the strong coupling seen between closely spaced antenna elements. An analysis of the physical limits based on spherical harmonics reveals that six orthogonal polarisation modes exist even in the case of electrically very small arrays. Properly exploiting these degrees of freedom can therefore lead to an improved performance of compact antenna array designs. It is found that an antenna array is optimally described in terms of its overall eigenmode efficiencies. Eigenmodes can be interpreted as an orthogonal basis for radiation. Practical examples demonstrate that eigenmode matching as well as the eigenmode quality factors are suitable measures for the successful optimisation of compact antenna arrays. The major contribution of this work is the development of a new design method for decoupling and matching networks. Decoupling and matching networks counteract gain reductions caused by reflections due to eigenmode mismatch. The new method takes advantage of all degrees of freedom available for network design. Furthermore, effects of network losses are taken into account during the design procedure. For the first time it is demonstrated how a set of desired port beam patterns can be orthogonalised and subsequently realised as part of a decoupling and matching network. Methods for reducing network complexity and optimising network element tolerances are introduced, which make practical implementations feasible. Diversity gain improvements due to the decoupling and matching network are shown to reach between two and three decibels. Another question addressed in this work deals with the advantages and disadvantages associated with different network realisations. Theoretically, the specific set of orthogonal beam patterns is shown to be of secondary concern. More important is minimisation of ohmic losses as well as parasitic energies stored within the network.

Zusammenfassung:
Die hier präsentierte Arbeit beschreibt Entwurfsaspekte kompakter Antennengruppen. Die Begriffe kompakte oder miniaturisierte Antennengruppen stehen dabei als Synonyme für Antennengruppen mit einem Elementeabstand, der kleiner als der herkömmliche lambda/2-Abstand ist. Der Schwerpunkt der Ausarbeitung liegt in der Verbesserung der Diversitätseigenschaften von Antennengruppen zur besseren Ausnutzung des Frequenzspektrums.
Hierzu wird diskutiert, welche theoretischen und praktischen Grenzen die Miniaturisierung von Antennengruppen limitieren. Das physikalische Phänomen der Superdirektivität, das für eine starke Verkopplung eng benachbarter Antennenlemente verantwortlich ist, wird beschrieben. Eine Analyse der physikalischen Grenzen anhand theoretischer Multipolfelder deckt auf, dass für sehr kleine Antennengruppen sechs orthogonale Strahlungsmoden aufgrund von Polarisationsfreiheitsgraden existieren. Dementsprechend kann die Nutzung der Polarisationsfreiheitsgrade zur Verbesserung der Eigenschaften kompakter Antennengruppen beitragen.
Als optimale Beschreibungsgrößen miniaturisierter Antennengruppen werden die Gesamteffizienzen ihrer Eigenmoden identifiziert. Die Eigenmoden können als orthogonale Funktionsbasis der Antennengruppe verstanden werden. Anhand realisierter Beispiele wird gezeigt, dass sich die Anpassung und die Güte der Eigenmoden als Optimierungsgrößen kompakter Antennengruppen eigenen.
Der nächste Untersuchungsgegenstand ist die Verwendung von Anpass- und Entkoppelnetzwerken zur Vermeidung von Reflextionsverlusten. Eine allgemeingültige Entwurfsmethode für Anpass- und Entkoppelnetzwerke erlaubt die Ausnutzung aller Freiheitsgrade im Entwurf und die Berücksichtigung von auftretenden Netzwerkverlusten. Erstmals ermöglicht eine Orthogonalisierung gewünschter Richtcharakteristiken deren näherungsweise Realisierung.
Zur praktischen Umsetzung der Anpass- und Entkoppelnetzwerke werden Methoden vorgestellt, die die Reduktion der Netzwerkkomplexität, die Bestimmung und Optimierung der Toleranzen der Netzwerkelemente und eine geeignete Auswahl verschiedener Realisierungsarten der Netzwerkelemente gestatten. Anhand zahlreicher realisierter Antennensysteme wird eine praktische Erhöhung des Diversitätsgewinnes von zwei bis drei Dezibel durch die Anpassung nachgewiesen.
Eine weitere in dieser Arbeit behandelte Fragestellung befasst sich mit den Vor- und Nachteilen verschiedener Netzwerkrealisierungen. Hierbei wird gezeigt, dass es theoretisch unbedeutend ist, welche orthogonale Basis von Richtcharakteristiken für den Netzwerkentwurf verwendet wird. Bei der praktischen Umsetzung der Netzwerke ist allerdings auf eine hohe Effizienz und möglichst minimale parasitäre Energiespeicher zu achten.

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Weber, Jörn: Entwurf miniaturisierter Antennengruppen. 2009.

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