DE19955205A1

DE19955205A1 - Koplanare Antenne

Info

Publication number: DE19955205A1
Application number: DE1999155205
Authority: DE
Inventors: Guy-Aymar Chakam; Wolfgang Freude
Original assignee: Universitaet Karlsruhe
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Koplanare Dipol-Sendeantenne mit photonischer Bandlücken-Struktur mit hoher Bandbreite und hohem Wirkungsgrad, die folgende Eigenschaften aufweist: Das ankommende optische Signal wird unmittelbar empfangen und auf die abzustrahlende Hochfrequenz umsetzt. DOLLAR A Ein Photodetektor als opto-elektronischer Wandler empfängt das ankommende optische Signal und liefert ein korrespondierendes elektrisches Ausgangssignal, das über eine elektronische Verstärkerstufe in die Dipolantenne eingespeist wird. Die photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne wird koplanar im ungeraden Grundmodus gespeist und weist eine bisher unerreicht große relevante Bandbreite von bis zu 22% auf. Oberflächen- und Parallelplatten-Moden werden mit Hilfe von photonischen Bandlücken-Strukturen unterdrückt. Optoelektronischer Wandler, Vor- und Nachverstärker sowie die Antenne können als monolithisch integrierte Millimeterwellenschaltungen (MMIC) aufgebaut werden. Dadurch kann die Antenne einfach hergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine koplanare Dipol-Sendeantenne mit einer photonischen Bandlücken-Struktur. Dabei detektiert ein opto-elektronischer Wandler, wie z. B. ein Photo detektor, das ankommende optische Signal und liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das über eine elektronische Verstärkerstufe in die Dipolantenne eingespeist wird. Opto-elektroni scher Wandler, Vor- und Nachverstärker sowie die Antenne können nach Art von monolithisch integrierten Millimeterwellenschaltungen (MMIC) aufgebaut werden.

Die bereits vorhandenen photonischen Breitbandnetzwerke führen zu einem steigenden Bedarf an Breitbandkommunikationsdiensten auch für einzelne Haushalte. Für derartige Dien ste wird der hauptsächliche Datentransport von den bereits installierten photonischen Netz werken übernommen. Für den Anschluß der Teilnehmer stehen ausreichend breitbandige Faser- oder Kupferkabel derzeit nicht zur Verfügung; eine Neuinstallation wäre außerordent lich teuer und unwirtschaftlich. Daher plant man mikro- und pikozelluläre Funknetze, bei denen wenige mit Glasfaser-Übertragungsstrecken versorgte Kontrollstationen über vorhandene photonische Verbindungen zahlreiche Basisstationen ansteuern, die ihrerseits mit bidirektio nalen Breitband-Funkstrecken den Teilnehmer drahtlos erreichen. Angeboten werden dabei Sprach-, Datenübertragungs- und Video-Funkdienste wie LMDS (Local Multipoint Distribution System), MVDS (Multipoint Video Distribution System) und mobile Breitbandsysteme (MBS) ohne feste Verkabelung. Dabei werden Frequenzen bis in den Millimeterwellenbereich genutzt; für LMDS und MVDS sind die Bereiche 14. . .26 GHz und 40. . .42 GHz vorgesehen, für MBS 60 GHz. Mit dem Einsatz von Millimeterwellen und der damit einhergehenden Miniaturi sierung ist auch eine hohe Integrationsdichte der Schaltkreiskomponenten möglich. Ferner benötigen die Basisstationen Sende- und Empfangsantennen mit den folgenden Eigenschaf ten: Die Sendeantenne muß mit hoher Bandbreite und hohem Wirkungsgrad das ankom mende optische Signal unmittelbar empfangen und auf die abzustrahlende Hochfrequenz umsetzen können. Die Empfangsantenne muß mit hoher Bandbreite und hohem Wirkungs grad das empfangene Hochfrequenzsignal auf optische Frequenzen transponieren können.

Gedruckte Schlitzantennen werden üblicherweise wie in Bild 1a bis d dargestellt aufgebaut. Die Speiseleitungen wurden für eine bessere Übersicht weggelassen. Bild 1a zeigt eine recht eckige Schlitzantenne mit Metallschicht 7, Bild 1b eine dielektrisch gedeckte rechteckige Schlitzantenne mit Dielektrikum 6, Bild 1c eine kreisförmige Schlitzantenne und Bild 1d eine doppelte Schlitzantenne. Die Antennen können auf unterschiedliche Weise gespeist werden. Damit die Strukturen planar integrierbar sind, wurden in den letzten Jahren verstärkt koplanare Einspeisungen für Schlitzantennen eingesetzt. Derartige Antennen sind jedoch schmalbandig. Zudem treten Verluste durch einen parasitären Parallelplattenmodus bei beidseitig metalli sierten Substraten bzw. durch Oberflächenmoden bei einseitig metallisierten Substraten auf. Dieses Problem wurde bisher mit Hilfe von komplizierten mehrschichtigen Strukturen gelöst, wie bei Y. Lui, T Itoh ["Control of leakage in multilayered conductor backed coplanar struc tures", IEEE MTT-S Int. Symp. Dig. 1994, pp 141-144] und N. K. Das ["Two conductor backed configurations of slotline or coplanar waveguide for elimination or suppresssion of the power leakage problem", IEEE MTT-S Int. Symp. Dig. 1994, pp 153-156] beschrieben. Neuere Entwicklungen entlehnen photonische Kristalle bzw. photonische Bandlücken-Strukturen aus der Optik für Mikrowellenschaltungen, um beispielsweise Bandsperren zu erzeugen, siehe J. D. Joannopoulos et al. ["Photonics crystals", Princeton University Press 1995]. In anderer Form verwendet man diese Optischen Strukturen zur Unterdrückung von Oberflächenmoden in Microstrip-Strukturen - siehe Yongxi Qian, Tatsuo Itoh ["Uniplanar compact two dimensional periodic structures", 24^th International Conference on Infrared and Millimeterwaves, Monterey, CA, Sept 1999] - sowie für koplanare Wellenleiter - siehe F. Yang et al. ["Uniplanar compact photonic-Bandlücke (uc-PBG) structure and its applications for microwave circuits", IEEE MTT (1999) Vol. 47 pp. 1509-1514].

Es wird eine neuartige koplanar gespeiste Antennenstruktur vorgeschlagen, die eine bisher unerreicht große relative Bandbreite von bis zu 22% erreicht. Oberflächen- und Parallelplat ten-Moden werden bei der photonischen Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne mit Hilfe von photonischen Bandlücken-Strukturen unterdrückt. Werden diese photonischen Bandlücken- Strukturen beim Antennenentwurf berücksichtigt, wird eine große Bandbreite und gleichzeitig ein großer Antennenwirkungsgrad erreicht: Die Antenne zeichnet sich zusätzlich durch ihre einfache Herstellung und durch ihre Integrationsfähigkeit in MMIC-Schaltungen aus.

Zwei Ausführungsbeispiele sind in der Konstruktionszeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Bild 2 eine Ansicht der Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne sowie

Bild 3 eine Ansicht der dielektrisch abgedeckten Photonische Bandlücken-Koplanar- Schlitzantenne mit einer Massefläche, die mit Bandlücken-Strukturen versehen ist.

In Bild 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel eine Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitz antenne dargestellt. Die Eingangsimpedanz der Antenne beträgt vorzugsweise 50 Ω. Sie wird von der koplanaren Leitung 1 im ungeraden Grundmodus (odd mode) gespeist. Die koplanare Leitung 1 wird vorzugsweise ebenfalls auf 50 Ω dimensioniert. Sie führt die Welle zum eigent lichen Schlitzstrahler 2, dessen Länge etwa λ/2 beträgt (λ = Medium-Wellenlänge). Neben der koplanaren Leitung sowie um den Schlitzstrahler herum sind die photonischen Bandlücken- Strukturen 3 angeordnet. Es handelt sich vorzugsweise um Kreise mit einem Durchmesser, der typischerweise λ_o/5 betragen sollte (λ_o = Freiraumwellenlänge). Sie werden somit unterhalb ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Der Abstand a der Bandlückenstrukturen (Mitte zu Mitte) wurde gleich der Länge der Strahler (etwa λ/2) gewählt, um jegliche Strahlung, die von diesen Bandlückenstrukturen ausgehen könnte, durch destruktive Interferenz zu unterbinden. Die Struktur wird bevorzugt auf kupferbeschichtetes Substratmaterial 8 geätzt, wobei das Substrat auch mit anderen elektrisch leitenden Materialien beschichtet sein kann, bzw. komplett aus diesen Materialien oder Kupfer bestehen kann.

In Bild 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine dielektrische abgedeckte Photoni sche Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne mit einer Massefläche 5 dargestellt. Die Ein gangsimpedanz der Antenne beträgt vorzugsweise 50 Ω. Sie wird von der koplanaren Leitung im ungeraden Grundmodus gespeist. Die koplanare Leitung 1 ist ebenfalls vorzugsweise auf 50 Ω dimensioniert. Sie führt die Welle zum eigentlichen Schlitzstrahler 2, dessen Länge etwa λ/2 beträgt. Neben der koplanaren Leitung, um den Schlitzstrahler herum und in der Masse fläche sind die photonischen Bandlückenstrukturen 3 angeordnet. Es handelt sich vorzugs weise um Kreise mit einem Durchmesser, der typischerweise zu λ_o/5 gewählt wird. Sie wer den somit unterhalb ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Der Abstand a der Bandlücken-Struk turen (Mitte zu Mitte) wird gleich der Länge der Strahler (etwa λ/2) gewählt, um jegliche Abstrahlung, die von diesen Bandlückenstrukturen ausgehen könnte, durch destruktive Interfe renz zu unterbinden. Die Massefläche schützt gegen die rückwärtsgewandte Strahlung und ist von der Strahlerebene mit einem Substrat niedriger Permittivität 4 getrennt, das als Distanz stück wirkt. Die Struktur wird bevorzugt auf kupferbeschichtetes Substratmaterial geätzt, wobei das Substrat auch mit anderen elektrisch leitenden Materialien beschichtet sein kann bzw. komplett aus diesen Materialien oder Kupfer bestehen kann.

Claims

1. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne mit großer Bandbreite dadurch gekennzeichnet, daß um den Schlitzstrahler photonische Bandlücken-Strukturen 3 angeordnet sind.

2. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mittels einer koplanaren Leitung (1), die die Welle zum Schlitzstrahler (2) führt, im ungeraden Grundmodus gespeist wird.

3. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß um die koplanare Leitung ebenfalls photonische Bandlücken- Strukturen 3 angeordnet sind.

4. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer zusätzlichen Massefläche (5), die ebenfalls die photonischen Bandlückenstrukturen (3) aufweist und die von der Strahlerebene durch einen Abstandshalter mit niedriger Permittivität (4) getrennt ist, die rückwärtige Strahlung der Antenne dielektrisch abgeschirmt wird.

5. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß sie in mehreren Schichten aufgebaut ist, wobei zwischen Schlitzantenne (9) und Massenfläche (5) eine zusätzliche Schicht mit niedriger Permittivität (4) eingebracht ist.

6. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne als monolithisch integrierte Millimeterwel lenschaltungen aufgebaut ist.

7. Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß opto-elektronischer Wandler und Vor- und Nachverstär ker als monolithisch integrierte Millimeterwellenschaltungen aufgebaut sind.