Entwurf von Flächenantennen

Moderne Wireless-Systeme nutzen inzwischen MIMO-Konfigurationen (Multiple Input Multiple Output), bei denen mehrere Antennen sowohl beim Empfänger- als auch beim Sendersystem eingesetzt werden. Die unmittelbare Nähe dieser Antennen birgt das Risiko, dass eine ungewollte Kopplung auftritt, die zu einer Beeinträchtigung der Systemleistung führen kann. Neue Entwürfe sind erforderlich, um diese Ziele zu erreichen. Geringe Kosten und ein kleiner Formfaktor sind Gründe dafür, dass sie sich gut für Planartechnologien eignen. Darüber hinaus müssen Antennen gute Leistungscharakteristiken sowie gute Isolierung zwischen benachbarten Antennen aufweisen.

In diesem Artikel wird eine neue Flächenantenne mit Mehrfachschlitzen (mit freundlicher Genehmigung von AVS Microwave) beschrieben, die vor dem Hintergrund der oben genannten Entwicklungsvorgaben erstellt wurde. Die Antenne besteht aus einer flachen Schlitzantenne, die von einem zylindrischen Wellenleiter stabilisiert wird. Sie lässt sich einfach fertigen und verfügt über gute Strahlungseigenschaften. Die Isolierung zwischen benachbarten Antennen liegt im Vergleich zu konventionellen Schlitzantennen um ein Vielfaches höher. Die Antennen wurden in der Entwicklungsumgebung Microwave Office (MWO) simuliert, die die Software AXIEM von AWR nutzt. Dabei handelt es sich um ein Werkzeug für die elektromagnetische (EM) Simulation von Anwendungen mit ebenen Strukturen. Im Verlauf des Artikels wird erläutert, wie AXIEM eingesetzt wurde, um die Aufgabe sowie einige der Feinheiten bei der Einwicklung guter Simulationen vorzubereiten.

EM-Technologie für ebene Schichtenstrukturen

Die Software AXIEM von AWR beruht auf dem lateral offenen Verfahren der Momentenmethode und liefert Lösungen für Oberflächenströme auf Flächenelementen, die parallel zu den dielektrischen Schichten verlaufen, sowie in gleicher Weise für Oberflächenströme auf Flächen, die senkrecht dazu liegen. Daher eignet sich AXIEM besonders für die Analyse moderner Flächenantennen mit komplexen dreidimensionalen Komponenten wie offene Wellenleiter, Biegungen in mehreren Ebenen und Hohlräumen.

Mit AXIEM lassen sich leicht geschlitzte Wellenleiter simulieren (wie bei diesem Entwurf), indem die Leiter (einschließlich der Seitenwände) als Polygongitter approximiert werden. Eine Simulation wie bei diesem Design könnte auch mit einem dreidimensionalen elektromagnetischen Simulator (EM-Simulator) durchgeführt werden, wobei dazu in der Regel die Finite-Elemente-Methode (FEM) angewendet würde. Durch den Einsatz von AXIEM für diese Anwendung ergeben sich gleich drei Vorteile. Zum einen sind Lösungsverfahren für Flächen (Planar Solvers) in der Regel schneller als FEM-Verfahren, wenn beide Methoden genutzt werden können. Das liegt daran, dass nur der Leiter und nicht der gesamte räumliche Bereich wie beim FEM-Verfahren als Polygongitter dargestellt wird. Zum anderen befindet sich bei AXIEM die Antenne nicht in einem geschlossenen Gehäuse, sie gibt vielmehr Strahlen in den freien Raum ab. Bei einem FEM-Verfahren hingegen muss der Rand des Gehäuses über eine Annäherung ermittelt werden, damit er für die Antenne unsichtbar wird. Hierzu werden spezielle Randbedingungen eingesetzt, die zu mehr Rechenzeit führen können. Schließlich ist AXIEM Teil der MWO-Schaltungsumgebung. Daher ist es einfach, die Ergebnisse der EM-Simulation in den übrigen Schaltungsentwurf zu integrieren. Es ist sogar möglich, das Layout des Schaltkreises automatisch an AXIEM zu schicken. Somit wäre der Schritt des Zeichnens überflüssig. Bei der hier beschriebenen Anwendung wurde diese Funktionalität von AXIEM jedoch nicht eingesetzt.

Dennoch stellen Flächenantennen gewisse Herausforderungen an EM-Simulatoren. Die gängigste besteht darin, dass eine durch ein Gitter approximierte Massefläche Voraussetzung ist. Dadurch kann sich eine höhere Anzahl an Unbekannten ergeben, was wiederum zu einer höheren Simulationsdauer führt. Obwohl Approximieren der Massefläche durch Einsatz einer unendlichen Fläche umgangen werden kann, ist dies von den Entwicklern in der Regel nicht erwünscht. Entwurf und Simulation eines realistischen Antennenproblems verlangen, dass eine endliche Massefläche vorhanden ist, sodass die Auswirkungen dieser Fläche innerhalb der Richtcharakteristiken hinreichend abgebildet werden. AXIEM setzt neue, schnelle und iterative Lösungsverfahren ein, die sowohl die für die Lösung benötigte Zeit als auch den Speicherplatz für das Ablegen der Matrix verringern.

Aufbau einer Antenne

Eine Antenne mit einem Schlitz ist in ihrer einfachsten Ausführung ein bidirektionaler Strahler. Bei einem einfachen Aufbau wird der Schlitz der Antenne von einem Zylinder stabilisiert. Zylinder, Erdungsplatte der Antenne und Schlitz bilden einen mit Schlitzen versehenen Wellenleiter. Die Resonanzfrequenz, bei der die Eingangsimpedanz des Schlitzes 50 Ohm entspricht, wechselt in einen höheren Frequenzbereich, sodass die Antenne länger als Lambda0/2 und eine optimalere Amplituden- und Phasenverteilung am Schlitz geschaffen wird. Im Gegensatz zu konventionellen Schlitzantennen mit Hohlräumen nutzt dieser neue Antennenentwurf keine Hohlraumresonanzen. Der zylindrische Schirm, der hinter dem Schlitz liegt und die Strahlen in den oberen Halbraum umleitet, hat offene Enden. Randbedingungen, damit ein Grundmodus im geschlossenen Wellenleiter ausbreitungsfähig ist, sind nicht erforderlich. Die Querschnittsabmessungen des Zylinders müssen so gewählt werden, dass der Zylinder mit dem Schlitz der Antenne einen mit Schlitzen versehenen zylindrischen Wellenleiter bildet, der den grundlegenden H00-Modus unterstützt.

MIMO-Antennen

Moderne Kommunikationssysteme verwenden Mehrfach-Antennenstrukturen. Für MIMO-Systeme spielen kompakte Antennenstrukturen eine ganz entscheidende Rolle. Allerdings besteht dabei ein erhöhtes Risiko, dass es zu gegenseitiger und störender Kopplung kommt. Schlitzantennen verschiedenster Konfigurationen sind wegen ihrer bündig montierten, flachen Struktur attraktiv. Die höhere Bandbreite, geringere Interaktion über Oberflächenwellen, bessere Isolation und kaum ins Gewicht fallende Abstrahlung seitens des Speisenetzes sorgen dafür, dass Abstrahlungsschlitze für Konfigurationen mit MIMO-Antennen sehr attraktiv sind.

Ausgangspunkt für den neuen Entwurf waren neuartige Schlitzantennen, die aus Teilstücken mit geschlitzter Übertragungsleitung gebildet wurden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Entwürfen wird bei diesem die übliche Schlitzübertragungsleitung durch einen offenen, mit Schlitzen versehenen zylindrischen Wellenleiter ersetzt, dessen Betriebsart der H00-Modus ist. Dadurch änderten sich die Eigenschaften der Komponenten der Übertragungsleitungen. Es war die Geburtsstunde einer neuen Klasse von Schlitzantennen mit verbesserten Richteigenschaften (in einem Halbraum ist die Abstrahlung dominierend), drastisch verringerter Kopplung mit benachbarten Strahlungselementen (entscheidend für MIMO-Anwendungen) und Eigenschaften für den breitbandigen Einband- bzw. Mehrbandbetrieb. Die so entworfenen Antennen sind bei sehr kleinen Konfigurationen (ein bis vier Elemente) sehr effizient und auch große, stark bündelnde Antennenarrays lassen sich einfach fertigen und warten.

Während der Entwicklung wurde die Kopplung zwischen Strahlungselementen zweier Antennen mithilfe des AXIEM EM Solver von AWR analysiert. Für eine Konfiguration aus zwei Antennen wurde eine Leiterplatte aus dem Hochfrequenzlaminat RO4350B der Größe 150 x 160 mm und einer Stärke von 30 mm verwendet. Der Antennengewinn der Antennen mit zwei Schlitzen bei der Betriebsfrequenz (mit 50-Ohm-Speisenetz) von 1,8 GHz liegt bei 5,6 dBi. Die neue Antenne mit zwei Schlitzen und zylindrischen Schirmen hinter den Schlitzen hat einen Antennengewinn von 11,2 dBi. Die Kopplung zwischen Antennen dieses Entwurfs kann erheblich reduziert werden. Da die Parameter|S41| und |S31| unter -38 dB liegen, können die zwei in nächster Nähe befindlichen Antennen unabhängig voneinander arbeiten und weisen einen hohen Isolierungsgrad auf.

AVS Microwave nutzte dieses Konstruktionsprinzip bei der Produktion eines Antennenarrays, das aus einer Antenne mit doppelten Schlitzen und zylindrischen Wellenleitern besteht (2,4 bis 2,5 GHz). Bei diesem Entwurf wird ein Antennengewinn von 11,71 dBi erzielt (US-Patent: 2011/0090128 A1). Des Weiteren entwarf das Unternehmen eine Antenne mit vier Schlitzen und zylindrischen Wellenleitern. Diese linear polarisierte Antenne verfügt bei einer Frequenz von 5,07 bis 5,95 GHz über einen Antennengewinn von 12 dBi, ein Vor-Rück-Verhältnis besser als -20 dB und Nebenkeulen von mehr als 13 dB. Die Impedanz liegt bei 50 Ohm und die Rückflussdämpfung bei mehr als 10 dB (US-Patent: 2011/0090128 A1). Bei diesem neuartigen Entwurf werden die Wellenleitereigenschaften von Zylindern mit längslaufenden Schlitzen genutzt, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. So konnte eine hocheffiziente und kostengünstige Antenne umgesetzt werden. Diese Antenne kann als Hauptstrahlungselement bei Richtantennen mit niedrigem, mittlerem und hohem Gewinn sowie als Grundelement für Basisstationen oder intelligente Antennenentwürfe eingesetzt werden. Sie eignet sich auch für MIMO-Anwendungen, da ihre Isolation weniger als -35 dB beträgt. Der Frequenzbereich der Impedanzanpassung der Antenne liegt bei 22 % (|S11| < -10dB). Aktive Komponenten wie Phasenschieber, Verstärker oder Schaltmodule können ebenfalls in die Antennenzuleitungen integriert werden.

Literaturhinweise

• [1] S. A. Long, „Experimental study of the impedance of cavity-backed slot antennas“, IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. AP-23, pp. 1-7, Jan. 1975.

• [2] A. Nosich and A. Svezhentsev, „Principal and Higher Order
• Modes of Microstrip and Slot Lines on a Cylindrical Substrate“, Electromagnetics, Volume 13, pp. 85-94, 1993.

• [3] V. Veremey, „Superdirective Antennas with Passive Reflectors“, IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 37, pp. 16-27, 1995

• [4] A.V. Sulima, „Scattering of TE Waves by Cavity Backed Slots“, Proceedings of the 32nd European Microwave Conference, 2002, Mailand, Italien

• [5] AWR Corp., „Planar Antenna Simulation in AXIEM“, Microwave Journal, July 2010

• [6] A.V. Sulima, V. Veremey, „A Highly Efficient Slot Antenna“, 2010 IEEE AP-S International Symposium on Antennas and Propagation, Toronto, Kanada, July 11-17, 2010

• [7] A.V. Sulima, V. Veremey, „Transmission Line Slot Antenna“,

• Patent Application Pub.No. US 2011/0090128 A1

(sb)