Hybridintegrierte Patchantennen für kompakte Funksysteme bei 60 GHz

Alhouri, Luay GND

The present thesis is concerned with the design of asymmetrically and symmetrically fedplanar patch antennas in the frequency range around 60 GHz. Single antenna elements as wellas antenna arrays were investigated to develop antenna solutions for various short range datatransmission scenarios.Modern circuit designs increasingly employ the concept of symmetrical transmission lines.Thus, the direct feeding of patch antennas with such symmetric lines was given specialconsideration. Measurements of fabricated antennas confirmed the larger bandwidth andhigher gain of antenna setups based on this alternative feeding network.All antennas were designed in LTCC technology, which promises a well defined and low costcomponent production combined with the potential to integrate any semiconductor chips onthe same carrier substrate.Conventional microwave test equipment with coaxial ports demands the implementation ofbaluns for measuring the performance of symmetric antennas. The extension of the TUIlmenau antenna measurement laboratory with respect to the 60 GHz frequency range wasdelayed until the final stage of the presented work. Therefore, the major part of the measurementswas carried out in an unshielded environment. The comparison with selected referencemeasurements in the anechoic antenna measurement chamber, however, confirmed thepreviously collected data.The multi-layer ceramics technology DuPont 943 allows the fabrication of planar antennaswith adjustable directional patterns even within the millimeter wave range. Single patchesshowed a gain of 5 dBi, and groups of four antenna element achieved 10 dBi maximumrealized gain.

Die hier präsentierte Arbeit beschreibt den Entwurf unsymmetrisch und differentiell gespeisterplanarer Patchantennen im Frequenzbereich um 60 GHz. Dabei wurden sowohl Einzelantennenals auch Gruppenstrahler betrachtet, um Antennen für verschiedene Szenarien derdrahtlosen Kurzstrecken Datenübertragung zu entwickeln.In der Schaltungstechnik integrierter Hochfrequenzschaltungen wird zunehmend das Konzeptsymmetrischer Übertragungsleitungen verwendet. Daher fand die direkte Speisung vonPatchantennen mit solchen symmetrischen Leitungen besondere Beachtung und durchMessungen an realisierten Antennen konnte bestätigt werden, dass im Vergleich mit konventionellenPatchantennen eine größere Bandbreite und ein höherer Antennengewinn realisiertwerden konnten.Die Antennen wurden in LTCC-Technologie entworfen. Diese Aufbautechnik bietet denVorteil einer definierten und kostengünstigen Fertigung mit der Option einer gleichzeitigenIntegration der Halbleiterchips auf dem gleichen Trägersubstrat.Für die Messung symmetrischer Antennen, an Messtechnik mit konventionellen koaxialenAnschlüssen, war der Entwurf und der Einsatz von Baluns notwendig, um die Leistungsfähigkeitder hergestellten Bauteile zu überprüfen. Das Antennenmesslabor der TU Ilmenau konnteerst gegen Ende der Bearbeitungszeit der Promotion auf den 60-GHz Frequenzbereicherweitert werden. Daher wurde der überwiegende Teil der Messungen in einer nicht abgeschirmtenLaborumgebung ausgeführt. Der Vergleich mit ausgewählten Referenzmessungenim Antennenmesslabor bestätigt jedoch die erhaltenen Ergebnisse.Die Mehrlagen-Keramik-Technologie DuPont 943 erlaubt die Fertigung von Antennen mitflexibel formbaren Richtcharakteristiken im betrachteten Frequenzbereich. Einzelpatchantennenerreichten in der Messung einen Gewinn von 5 dBi und 4-Element-Antennengruppenzeigten 10 dBi in Hauptstrahlrichtung.

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Alhouri, Luay: Hybridintegrierte Patchantennen für kompakte Funksysteme bei 60 GHz. 2009.

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