Details

Autor: Michael Jenning
Titel: Integrated Antennas and Antenna Arrays for Wireless Computer Board-to-Board Communication
Typ: Dissertation
Fachgebiet: Informationstechnik
Auflage: 1
Sprache: Englisch
Erscheinungsdatum: 30.02.2018
Lieferstatus: lieferbar
Umfang: 132 Seiten
Bindung: Soft
Preis: 59,00 EUR
ISBN: 9783959470261
Umschlag: (vorn)
Inhaltsverzeichnis: (pdf)


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Abstrakt in Englisch

This thesis, as part of the Collaborative Research Center Highly Adaptive Energy-Efficient Computing (HAEC), addresses passive beam-switching networks for the frequency range of 150 GHz to 200 GHz. Multiple possible candidates are theoretically investigated and evaluated. The most suitable choice, the Butler matrix (BM), is further designed and fabricated. This network itself only requires passive components, the switching part is moved to the active frontend circuits. It is achieved by switching on and off the frontends at the individual ports.

The theoretical model of a BM is rather simple. The main challenge is to find a design that is suitable for fabrication and achieves a bandwidth of at least 30 GHz. The designs to be fabricated are demanding in terms of fabrication technology. Accuracy and required resolution are the toughest requirements. Additionally, rather complex structures in terms of geometry also require a very flexible technology regarding allowed topologies.

Having suitable technologies available, the fabricated designs demonstrate the feasibility of the BM approach to achieve beam-switching. Furthermore it is shown that an accurate knowledge of the material’s characteristics is required to achieve valid simulation results. This also applies to technology properties like surface roughness or used metals.

Besides the BM, antenna elements are also investigated. Among them are on-chip antennas, which are fabricated in the same technology as the active circuits in another project of HAEC. Because of the low achieved antenna gain, antennas based on technology similar to the one used for the BMs are also designed.

Based on the fabricated BM designs and the designed antennas it is possible to design a complete antenna array that has four distinct beams. Furthermore, eight copies of the BM can be cascaded to design an array that has 16 distinct beams in two spatial dimensions.

Abstrakt in Deutsch

Die Dissertation, welche im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 912 – Highly Adaptive Energy-Efficient Computing (HAEC) – entstand, widmet sich passiven Netzwerken für umschaltbare Gruppenantennen im Frequenzbereich zwischen 150 GHz und 200 GHz. Zahlreiche geeignete Kandidaten werden theoretisch betrachtet und bewertet. Der vielversprechenste Ansatz, die Butler Matrix (BM), wird weiter vertieft und Schaltungen darauf aufbauend entworfen und gefertigt. Das Netzwerk selbst besteht nur aus passiven Komponenten, der Schaltanteil wird dabei in die aktiven Schaltungen der Endstufe verlagert. Das Umschalten wird dabei durch gezieltes ein- und ausschalten der Endstufen erreicht.

BM als solche haben einen sehr einfachen Aufbau. Die größte Herausforderung besteht dabei darin, ein Entwurf zu finden, der sowohl für die Fertigung geeignet ist und eine Bandbreite von mindestens 30 GHz erreicht. Die zu fertigenden Entwürfe stellen dabei hohe Ansprüche an die Fertigungstechnologie. Sowohl Genauigkeit als auch Auflösung stellen dabei die schärfsten Anforderungen da. Darüber hinaus bedingen die komplexen geometrischen Strukturen eine, in Bezug auf umsetzbare Topologien, flexible Technologie.

Mit der Verfügbarkeit geeigneter Technologien konnte mit gefertigten Entwürfen die grundlegende Funktionalität der BM zum Erreichen des Strahlumschaltung gezeigt werden. Darüber hinaus wird aufgezeigt, dass erst eine genaue Kenntnis der Materialparameter hinreichend genaue Simulationen zulässt. Dies trifft auch auf Parameter der verwendeten Technologie zu, wie z. B. die Rauigkeit oder verwendete Metalle.

Neben den BM werden auch Einzelantennen untersucht. Darunter sind chip-integrierte Antennen, welche in der gleichen Technologie gefertigt werden, die für aktive Schaltungen innerhalb eines weiteren Projekts von HAEC verwendet wird. Bedingt durch die geringen erzielten Antennengewinne werden auch Antennen entworfen, welche in einer ähnliche Technologie gehalten sind, wie die der BM.

Ausgehend von den gefertigten BM und den entworfenen Antennen lassen sich vollständige Gruppenantennen fertigen, welche vier ausgeprägte Hauptstrahlrichtungen haben. Darüber hinaus können acht der BM so mit einander verbunden werden, dass eine Gruppenantenne mit 16 ausgeprägten Hauptstrahlrichtungen in zwei räumlichen Richtungen entsteht.