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Einführung in die Polarisationsanalyse in Mikrostreifen- und Schlitzantennen

Die Analyse der Polarisationseigenschaften von Mikrostreifen- und Schlitzantennen ist ein kritischer Aspekt des Antennendesigns, der sich direkt auf die Systemleistung in verschiedenen Anwendungen auswirkt. Von Satellitenkommunikations- und Radarsystemen bis hin zu drahtlosen Netzwerken und 5G-Infrastruktur gewährleistet das Verständnis und die Optimierung der Polarisationseigenschaften eine zuverlässige Signalübertragung, minimiert Interferenzen und maximiert die Gesamteffizienz. Dieser umfassende Leitfaden untersucht die grundlegenden Konzepte, analytischen Methoden, Messtechniken und praktischen Überlegungen zur Bewertung der Polarisation in diesen weit verbreiteten Antennenkonfigurationen.

Die Polarisation stellt eine der grundlegendsten Eigenschaften elektromagnetischer Wellen dar, die die Orientierung und das Verhalten des elektrischen Feldvektors beschreibt, während er sich durch den Raum ausbreitet. Für Mikrostreifen- und Schlitzantennen, die in modernen drahtlosen Systemen aufgrund ihres niedrigen Profils, ihrer Leichtbauweise und ihrer einfachen Integration mit planaren Schaltungen allgegenwärtig geworden sind, ist eine ordnungsgemäße Polarisationsanalyse unerlässlich, um die Antenneneigenschaften an spezifische Anwendungsanforderungen anzupassen.

Grundlagen der Antennenpolarisation verstehen

Was ist Antennenpolarisation?

Polarisation bezeichnet das Orientierungs- und Zeitänderungsverhalten des elektrischen Feldvektors einer elektromagnetischen Welle. Bei Antennensystemen beschreibt Polarisation, wie das elektrische Feld schwingt, wenn die Welle von der Sendeantenne abstrahlt oder an die Empfangsantenne gelangt. Diese Eigenschaft ist entscheidend, da Polarisationsfehlanpassung zwischen Sende- und Empfangsantenne zu einem erheblichen Signalverlust führen kann, auch wenn Antennen ansonsten perfekt ausgerichtet sind.

Bei Mikrostreifenantennen, die aus einem metallischen Patch auf einem dielektrischen Substrat über einer Masseebene bestehen, wird die Polarisation in erster Linie durch die Patchgeometrie, den Einspeiseort und die Einspeisetechnik beeinflusst. Eine rechteckige Mikrostreifen-Patchantenne strahlt normalerweise eine linear polarisierte Welle mit etwa 6-7 dBi Gewinn an der Breitseite ab. Die Polarisation der Antennen wird durch die linear polarisierte Welle mit etwa 6-7 dBi Gewinn an der Breitseite bestimmt.

Schlitzantennen, die nach Babinet's Prinzip komplementäre Strukturen zu Dipolantennen sind, weisen senkrecht zur Schlitzorientierung Polarisationseigenschaften auf, wobei die Wellen senkrecht zur Schlitzachse linear polarisiert sind. Diese grundsätzliche Beziehung zwischen Schlitzgeometrie und Polarisation ermöglicht Designern eine vorhersagbare Kontrolle über die Ausrichtung des abgestrahlten Feldes.

Arten der Polarisation in Microstrip- und Slot-Antennen

Die Polarisation der Antennen kann in drei primäre Typen eingeteilt werden, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen aufweisen:

Lineare Polarisation

Lineare Polarisation tritt auf, wenn der elektrische Feldvektor während der Ausbreitung der Welle entlang einer festen Ebene schwingt. Dies ist der häufigste Polarisationstyp für grundlegende Mikrostreifen- und Schlitzantennenanordnungen, wobei die Polarisation der Schlitzantenne linear ist. Die lineare Polarisation kann vertikal, horizontal oder in einem beliebigen Winkel dazwischen ausgerichtet sein, je nach der physikalischen Ausrichtung und dem Design der Antenne.

Bei Mikrostreifen-Patchantennen wird die lineare Polarisation natürlich mit rechteckigen oder quadratischen Patches erreicht, die an geeigneten Stellen zugeführt werden, wobei das elektrische Feld mit der Richtung des Stromflusses auf dem Patch übereinstimmt und eine vorhersagbare Polarisationsorientierung erzeugt. Lineare Polarisation ist vorteilhaft in Anwendungen, in denen die Antennenausrichtung gesteuert und aufrechterhalten werden kann, wie Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen und feste drahtlose Installationen.

Zirkularpolarisation

Zirkulare Polarisation stellt einen komplexeren Polarisationszustand dar, bei dem der elektrische Feldvektor sich mit der Ausbreitung der Welle dreht und dabei einen kreisförmigen oder helikalen Weg durch den Raum verfolgt. Diese Rotation kann in zwei Richtungen erfolgen: rechtshändige zirkulare Polarisation (RHCP) oder linkshändige zirkulare Polarisation (LHCP).

Die zirkulare Polarisation ist vorteilhaft, weil heutige und künftige kommerzielle und militärische Anwendungen die zusätzliche Gestaltungsfreiheit erfordern, die keine Ausrichtung des elektrischen Feldvektors an den Empfangs- und Sendeorten erfordert, was die zirkulare Polarisation besonders für Satellitenkommunikation, GPS-Systeme und mobile Anwendungen wertvoll macht, bei denen die genaue Ausrichtung der Antennen nicht praktikabel ist.

Um die zirkulare Polarisation in Mikrostreifenantennen zu erreichen, müssen zwei orthogonale elektrische Feldkomponenten gleicher Größe mit einer 90-Grad-Phasendifferenz erzeugt werden. Für eine zirkulare Polarisationsstrahlung muss ein Patch orthogonale Felder gleicher Größe, aber in-Phase-Quadratur unterstützen. Dies kann durch verschiedene Konstruktionstechniken wie Eckabrunkation, Schlitzeinführung oder Dual-Feed-Konfigurationen erreicht werden.

Elliptische Polarisation

Elliptische Polarisation stellt einen Zwischenzustand zwischen linearer und zirkularer Polarisation dar, bei dem der elektrische Feldvektor bei der Ausbreitung der Welle einen elliptischen Pfad verfolgt, der auftritt, wenn zwei orthogonale Feldkomponenten ungleiche Größen haben oder wenn ihre Phasendifferenz von den idealen 90 Grad abweicht, die für zirkulare Polarisation erforderlich sind. Die meisten praktischen Antennen, die für zirkulare Polarisation ausgelegt sind, erzeugen tatsächlich elliptische Polarisation über einen Großteil ihrer Betriebsbandbreite und nähern sich der wahren zirkularen Polarisation nur bei bestimmten Frequenzen.

Polarisationsparameter und -metriken

Die Quantifizierung der Polarisationsleistung erfordert das Verständnis mehrerer kritischer Parameter, die charakterisieren, wie gut eine Antenne ihren beabsichtigten Polarisationszustand erreicht.

Achsübersetzung

Das Achsverhältnis (AR) ist die wichtigste Metrik zur Charakterisierung der Reinheit der zirkularen Polarisation. Es stellt das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der Polarisationsellipse dar, die durch den elektrischen Feldvektor verfolgt wird. Für eine perfekte zirkulare Polarisation ist das Achsverhältnis gleich 1 (oder 0 dB, wenn logarithmisch ausgedrückt), in der Praxis wird eine zirkulare Polarisation als akzeptabel angesehen, wenn das Achsverhältnis 3 dB oder weniger beträgt, d. h. die Hauptachse ist nicht mehr als doppelt so lang wie die Nebenachse.

Die Einspeiseposition und die Einspeisetechnik bestimmen die Impedanzbandbreite und das axiale Verhältnis, das das Verhältnis von kleiner und großer Polarisationskreis- oder Ellipsenachse ist und kleiner als 3 dB sein muss, die Polarisation, das axiale Verhältnis variiert mit der Frequenz und dem Beobachtungswinkel, so dass es über das gesamte interessierende Betriebsbandbreite und Strahlungsmuster ausgewertet werden muss.

Die axiale Verhältnisbandbreite (ARBW) definiert den Frequenzbereich, in dem die Antenne akzeptable zirkulare Polarisationseigenschaften beibehält. Die nutzbare Bandbreite ist die Überlappung von axialer Verhältnisbandbreite und Impedanzbandbreite, die den praktischen Betriebsbereich bestimmt, in dem die Antenne gleichzeitig eine gute Impedanzanpassung und Polarisationsreinheit erreicht.

Diskriminierung durch gegenseitige Porarisierung

Die Kreuzpolarisationsdiskriminierung (XPD) oder der Kreuzpolarisationspegel misst die Menge der unerwünschten Polarisationskomponente im Verhältnis zur gewünschten Polarisation. Kreuzpolarisation ist die unerwünschte Antennenpolarisation. Kreuzpolarisierte elektrische Feldkomponente steht senkrecht zur copolarisierten Komponente. Hohe Kreuzpolarisationspegel können Störungen verursachen, die Systemkapazität verringern und die Signalqualität beeinträchtigen.

Der Unterschied zwischen der Co- und der Kreuzpolarisation wird als Polarisationsisolation bezeichnet. Eine bessere Polarisationsisolation zeigt eine überlegene Antennenleistung mit typischen Anforderungen von 15 dB bis 30 dB je nach Anwendung. Fortgeschrittene Designs können eine noch bessere Leistung erzielen, wobei die gemessene XPD in der Antennen-Bohrsichtweite in allen Ebenen für leistungsstarke Slot-Array-Implementierungen 25,6 dB übersteigt.

Die Kreuzpolarisation ist ein Maß für die Polarisationsreinheit zirkularpolarisierter Antennen, wobei die Kreuzpolarisation bei zirkular polarisierten Antennen die gegenteilige zirkulare Polarisationskomponente darstellt, die minimiert werden sollte, um Signaldegradation und Interferenz zu verhindern.

Polarisationsneigung

Bei linear polarisierten Antennen beschreibt der Polarisationskippwinkel die Ausrichtung des elektrischen Feldvektors relativ zu einer Bezugsachse, typischerweise horizontal oder vertikal, was für die richtige Ausrichtung zwischen Sende- und Empfangsantenne entscheidend ist, wobei bereits geringe Abweichungen vom vorgesehenen Polarisationswinkel zu Polarisationsfehlanpassungsverlusten führen können.

In einigen Anwendungen wird die absichtliche Polarisationsneigung verwendet, um bestimmte Systemziele zu erreichen. Beispielsweise wird in zellularen Basisstationen manchmal eine schräge Polarisation bei 45 Grad verwendet, um eine gleiche Kopplung mit vertikal und horizontal polarisierten mobilen Geräten zu gewährleisten. Die Antenne erreicht eine robuste lineare Polarisation von 45° innerhalb des angegebenen Frequenzbereichs, wobei ein AR von mindestens 24,4 dB beibehalten wird.

Return Loss und Impedance Matching

Obwohl es sich nicht ausschließlich um einen Polarisationsparameter handelt, ist der Rückstrahlverlust (oder der Reflexionskoeffizient S11) eng mit der Polarisationsleistung verbunden. Eine schlechte Impedanzanpassung kann die Stromverteilung auf der Antenne verzerren und die Polarisation des abgestrahlten Feldes beeinflussen. Für einen akzeptablen Antennenbetrieb ist ein Rückstrahlverlust unter -10 dB erforderlich, der gewährleistet, dass mindestens 90 % der Eingangsleistung abgestrahlt und nicht reflektiert werden.

Bei zirkular polarisierten Designs stellt die Erzielung einer guten Impedanzanpassung über die gleiche Bandbreite wie die Spezifikation des Achsverhältnisses eine erhebliche Herausforderung dar, da sich die Impedanz- und Achsverhältnisbandbreiten überschneiden müssen, um einen nutzbaren Betriebsbereich zu schaffen, in dem beide Parameter gleichzeitig ihre Spezifikationen erfüllen.

Simulationsbasierte Polarisationsanalysemethoden

Moderne Antennenkonstruktionen beruhen in hohem Maße auf elektromagnetischen Simulationswerkzeugen, die eine detaillierte Polarisationsanalyse vor dem physikalischen Prototyping ermöglichen. Diese Berechnungsmethoden liefern Einblicke in das Antennenverhalten, das durch Messungen allein nur schwer oder gar nicht zu erreichen wäre.

Elektromagnetische Vollwellensimulation

Elektronische Vollwellensimulatoren lösen Maxwells Gleichungen numerisch, um die Antennenleistung mit hoher Genauigkeit vorherzusagen.Beliebte kommerzielle Werkzeuge sind ANSYS HFSS, CST Microwave Studio und MATLAB Antenna Toolbox, die jeweils unterschiedliche numerische Techniken wie Finite-Elemente-Methode (FEM), Finite-Integrationstechnik (FIT) oder Momentenmethode (MoM) verwenden.

Diese Simulatoren können das vollständige dreidimensionale Strahlungsmuster einschließlich Polarisationseigenschaften bei jedem Beobachtungswinkel berechnen und sowohl copolarisierte als auch kreuzpolarisierte Feldkomponenten berechnen, wodurch eine direkte Bewertung der Polarisationsreinheit, des Achsverhältnisses und der Kreuzpolarisationsdiskriminierung über die gesamte Strahlungssphäre ermöglicht wird.

Für die zirkular polarisierte Antennenanalyse können Simulationswerkzeuge axiale Verhältnismuster erzeugen, die zeigen, wie die Polarisationsreinheit mit dem Beobachtungswinkel variiert. Eine neuartige Analysetechnik wird in diesem Artikel vorgeschlagen, die das 3D-Axialverhältnismuster demonstriert, um CP in der Breitseitenrichtung zu erzeugen, was eine umfassende Visualisierung der Polarisationsleistung im gesamten Abdeckungsbereich der Antenne bietet.

Parametrische Analyse und Optimierung

Simulationswerkzeuge ermöglichen parametrische Untersuchungen, bei denen Designvariablen systematisch variiert werden, um ihre Auswirkungen auf die Polarisationsleistung zu verstehen.

Optimierungsalgorithmen können diese Parameter automatisch anpassen, um die gewünschten Polarisationseigenschaften zu erreichen, während andere Leistungsanforderungen beibehalten werden. Multi-Objektive Optimierung kann gleichzeitig die axiale Verhältnisbandbreite, Impedanzbandbreite, Verstärkung und Effizienz optimieren und Designlösungen finden, die konkurrierende Anforderungen ausgleichen.

Aktuelle Verteilungsanalyse

Die Untersuchung der Oberflächenstromverteilung an Antennenelementen liefert wertvolle Einblicke in das Polarisationsverhalten. Bei zirkularer Polarisation sollte die Stromverteilung zwei orthogonale Moden mit gleicher Amplitude und 90-Grad-Phasendifferenz aufweisen. Die Visualisierung von Stromgröße und Phase zu unterschiedlichen Zeitpunkten zeigt, ob die Antenne erfolgreich das für die zirkulare Polarisation erforderliche Drehfeldmuster erzeugt.

Die Stromverteilungsanalyse hilft auch, Quellen der Kreuzpolarisation zu identifizieren. Asymmetrien im Strommuster oder unerwünschte Stromkomponenten können auf Konstruktionsfehler hinweisen, die die Polarisationsreinheit verschlechtern. Diese Informationen leiten Designänderungen zur Verbesserung der Leistung.

Nah- und Fernfeldanalyse

Die Nahfeldanalyse zeigt die Feldstruktur in der unmittelbaren Umgebung der Antenne, was für das Verständnis der Kopplungsmechanismen und des Speisenetzwerkverhaltens nützlich ist. Die Fernfeldanalyse liefert die Strahlungsmuster und Polarisationseigenschaften, die die Antennenleistung in Kommunikationssystemen bestimmen.

Die Beziehung zwischen Nahfeld- und Fernfeldpolarisation kann komplex sein, insbesondere bei Antennen mit Superstraten oder anderen Strukturen, die das abgestrahlte Feld verändern.

Messtechniken zur Polarisationscharakterisierung

Während Simulation wertvolle Vorhersagen liefert, bleibt die experimentelle Messung für die Validierung der Antennenleistung und die Charakterisierung von Prototypen unerlässlich.

Verfahren zur linearen Rotation

Die Methode der rotierenden linearen Polarisation stellt einen der einfachsten Ansätze zur Polarisationsmessung dar. Als Empfangsantenne wird eine linear polarisierte Antenne (typischerweise eine Halbwellendipolantenne) verwendet, wobei die linear polarisierte Empfangsantenne gedreht und die Empfangsleistung in Abhängigkeit vom Winkel der Empfangsantenne aufgezeichnet wird.

Bei dieser Messung dient die zu prüfende Antenne als Sender, während eine linear polarisierte Referenzantenne als Empfänger dient, wobei die Referenzantenne bei jeder Winkelposition um 360 Grad gedreht wird, wobei das resultierende Muster die Polarisationscharakteristik der Testantenne wiedergibt.

Bei einer linear polarisierten Antenne weist die Empfangsleistung ein klares Maximum auf, wenn die Referenzantenne mit der Polarisation der Testantenne fluchtet, und ein Minimum (idealerweise eine Null) in der orthogonalen Ausrichtung. Das Verhältnis zwischen Maximal- und Minimalleistung gibt die Polarisationsreinheit an. Bei zirkular polarisierten Antennen sollte die Empfangsleistung bei rotierender Referenzantenne relativ konstant bleiben, wobei Abweichungen eine Abweichung von der idealen zirkularen Polarisation anzeigen.

Dreiantennen-Polarisationsmessung

Das Drei-Antennen-Verfahren bietet eine umfassendere Polarisationscharakterisierung, indem es die Antwort der Antenne auf drei orthogonale Polarisationszustände misst Diese Technik kann die Polarisationsellipse vollständig charakterisieren und sowohl das Achsverhältnis als auch die Orientierung der Hauptachse bestimmen.

Die Messung erfordert die Aufzeichnung der Empfangssignalamplitude und -phase für drei verschiedene Polarisationszustände der Sendeantenne (oder drei verschiedene Orientierungen einer linear polarisierten Referenzantenne), wobei die mathematische Verarbeitung dieser drei Messungen den vollständigen Polarisationszustand einschließlich Achsverhältnis, Kippwinkel und Drehsinn für elliptische oder zirkulare Polarisation ergibt.

Schallkammermessungen

Professionelle Antennencharakterisierung findet typischerweise in schalldämpfenden Kammern statt - speziell entworfene Räume mit strahlenabsorbierendem Material auf allen Oberflächen, um Reflexionen zu eliminieren und eine kontrollierte elektromagnetische Umgebung zu schaffen. Diese Einrichtungen ermöglichen eine genaue Messung von Strahlungsmustern und Polarisationseigenschaften ohne Interferenzen durch externe Signale oder Mehrwegreflexionen.

Moderne schalldämpfende Kammern enthalten oft automatisierte Positionierungssysteme, die die zu prüfende Antenne durch ein vollständiges sphärisches Muster drehen können, während sie Feldkomponenten aufzeichnen. Dual-polarisierte Referenzantennen können beide Polarisationskomponenten gleichzeitig messen, was eine effiziente Charakterisierung des vollständigen Polarisationsmusters ermöglicht.

Bei zirkular polarisierten Antennen werden bei Messungen typischerweise zirkular polarisierte Referenzantennen sowohl des rechten als auch des linken Sinnes verwendet, wobei das Verhältnis der Empfangsleistung für beide Richtungen direkt das Achsverhältnis und die Polarisationsreinheit der zu untersuchenden Antenne anzeigt.

Vektor-Netzwerk-Analysator-Messungen

VNAs messen sowohl die Größe als auch die Phase der gesendeten und reflektierten Signale und ermöglichen eine vollständige Charakterisierung der Antennenimpedanz und der Streuparameter.

Portisolationsmessungen zeigen, wie gut orthogonale Polarisationen in dualpolarisierten Antennensystemen getrennt werden. Hohe Isolation (typischerweise besser als 20-30 dB) zeigt eine gute Polarisationsreinheit und minimale Kopplung zwischen Polarisationskanälen an. Die Isolation ist innerhalb der Betriebsbandbreite kleiner als -15 dB.

Design-Techniken für die kreisförmige Polarisation in Mikrostreifenantennen

Die zirkulare Polarisation in Mikrostreifenantennen erfordert ein sorgfältiges Design, um zwei orthogonale Feldkomponenten mit gleicher Größe und 90-Grad-Phasendifferenz zu erzeugen.

Eckbeschneidung

Eckenabrundung stellt eine der beliebtesten Einzelspeisetechniken zur Erzeugung zirkularer Polarisation in Mikrostreifen-Patchantennen dar. Bei dieser Methode werden kleine dreieckige oder gekrümmte Abschnitte aus zwei gegenüberliegenden Ecken eines Quadrat- oder nahezu quadratischen Patches entfernt. Die Mikrostreifen-Patchantenne mit abgestumpften Ecken ist die beste Wahl für kleine axiale Verhältnisse mit schmaler Bandbreite, wodurch sie sich für Anwendungen eignet, bei denen kompakte Größe und Einfachheit Vorrang haben.

Die Eckabrundung stört die Patchgeometrie, spaltet die degenerierten orthogonalen Moden des quadratischen Patches auf und führt eine Phasendifferenz zwischen ihnen ein Durch sorgfältige Auswahl der Abrundungsgröße und des Zuführortes können Designer die erforderliche 90-Grad-Phasendifferenz und gleiche Amplitude für die beiden Moden erreichen, was zu einer zirkularen Polarisation führt.

Der Hauptvorteil der Eckenverkürzung ist ihre Einfachheit - sie erfordert nur eine einzige Zuführungsstelle und kann mit einfachen Herstellungsverfahren umgesetzt werden.

Slot-basierte Techniken

Die Integration von Schlitzen in die Patch-Geometrie bietet einen weiteren effektiven Ansatz, um eine zirkulare Polarisation zu erreichen. Kreuzförmige Schlitze ergeben eine zirkulare Polarisation mit guter axialer Verhältnisbandbreite (Nasimuddin und Qing 2012) Kreuzförmige Schlitze ergeben eine zirkulare Polarisation mit guter axialer Verhältnisbandbreite, was die Wirksamkeit dieser Technik für Breitbandanwendungen demonstriert.

Es wurden verschiedene Schlitzkonfigurationen untersucht, darunter kreuzförmige Schlitze, diagonale Schlitze, I-förmige Schlitze und komplexere Geometrien. Die Schlitzabmessungen, die Orientierung und die Position auf dem Patch bestimmen die Kopplung zwischen orthogonalen Moden und die resultierenden Polarisationseigenschaften. Schlitze bieten Designflexibilität und können eine größere Bandbreite des axialen Verhältnisses als einfache Eckenabrundungen erreichen.

Die Eigenschaft der zirkularen Polarisation (CP) kann durch die Einführung einer geeigneten Induktivität in einem bestimmten Winkel über den ringförmigen Schlitz erreicht werden, was zeigt, wie die reaktive Belastung die Polarisationseigenschaften der Schlitzantenne verändern kann.

Dual-Feed-Techniken

Zweifach-Zuführungskonfigurationen verwenden zwei separate Zuführungspunkte, die orthogonale Moden des Patches anregen. Ein 90-Grad-Hybridkoppler oder ein anderes phasenschiebendes Netzwerk bietet die erforderliche Quadratur-Phasenbeziehung zwischen den beiden Zuführungen. Dieser Ansatz bietet eine ausgezeichnete Kontrolle über die Polarisationseigenschaften und kann eine breite axiale Verhältnisbandbreite erzielen.

Der Hauptnachteil von Dual-Feed-Techniken ist die erhöhte Komplexität im Vergleich zu Single-Feed-Designs, das Feed-Netzwerk benötigt zusätzlichen Platz und führt zu Verlusten, die die Antenneneffizienz verringern. Für Anwendungen, die eine überlegene Polarisationsleistung oder Polarisationsrekonfigurierbarkeit erfordern, ist die zusätzliche Komplexität jedoch oft gerechtfertigt.

Durch die Verwendung von nur zwei PIN-Dioden können mit der vorgeschlagenen Antenne unidirektionale Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationen, einschließlich linear polarisierter (LP), links- und rechtsseitig zirkular polarisierter (LHCP, RHCP) Moden, erzeugt werden. Diese Fähigkeit ermöglicht adaptive Systeme, die die Polarisation für wechselnde Kanalbedingungen optimieren können oder mehrere Polarisationsstandards unterstützen.

Näherungsgekoppelte Fütterung

Die Näherungskopplungs-Speisetechnik kann die Bandbreitenleistung zirkular polarisierter Mikrostreifenantennen verbessern. Die Näherungskopplungs-Speisetechnik wird verwendet, um die vorgeschlagene Mikrostreifenantenne anzuregen, um eine größere Antenne -10 dB Bandbreite zu schaffen, die sich 10,8% (3,48-3,87 GHz) nähert. Diese Einspeisemethode reduziert die Störstrahlung aus dem Speisenetzwerk und bietet eine bessere Impedanzanpassung über größere Bandbreiten.

Bei der Näherungskopplung befindet sich die Zuleitung auf einer separaten Substratschicht unterhalb des Strahlungspflasters, wobei die Energie nicht durch direkte elektrische Verbindung, sondern durch das Dielektrikum eingekoppelt wird, was die unerwünschte Kopplung an Moden höherer Ordnung reduziert und einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Optimierung der Impedanz und der axialen Verhältnisbandbreite bietet.

Polarisierungsüberlegungen für Slot-Antennen

Schlitzantennen weisen Polarisationseigenschaften auf, die nach dem Babinet-Prinzip zu ihren Dipol-Pendants komplementär sind.

Grundlegende Slotantennenpolarisation

Eine einfache Schlitzantenne, die in eine Masseebene geschnitten ist, erzeugt eine lineare Polarisation senkrecht zur Längsachse des Schlitzes. Die Polarisation einer Schlitzantenne ist linear. Diese grundsätzliche Beziehung bietet eine intuitive Kontrolle über die Polarisationsorientierung - wenn der Schlitz gedreht wird, wird die Polarisation entsprechend gedreht.

Bei Wellenleiterschlitzarrays bestimmen die Schlitzorientierung und -position relativ zu den Wellenleiterwänden sowohl die Koppelfestigkeit als auch die Polarisationseigenschaften, wobei die Position, Form und Orientierung der Schlitze bestimmen, wie (oder ob) sie abstrahlen. Schlitze, die positioniert sind, um den Stromfluss an den Wellenleiterwänden zu unterbrechen, strahlen effektiv ab, während Schlitze, die mit dem Stromfluss ausgerichtet sind, minimale Strahlung erzeugen.

Zirkulare Polarisation in Slot-Antennen

Die zirkulare Polarisation in Schlitzantennen erfordert ähnliche Prinzipien wie Mikrostreifen-Patches, die zwei orthogonale Feldkomponenten mit gleicher Größe und Quadraturphase erzeugen.

Ringschlitze bieten eine natürliche Geometrie zur Erzeugung zirkularer Polarisation. Die Eigenschaft der zirkularen Polarisation (CP) kann durch Einbringen einer entsprechenden Induktivität in einem bestimmten Winkel über den Ringschlitz erreicht werden. Bei der Konstruktion sind zwei PIN-Dioden eingebaut, um die erforderliche Induktivität zu liefern, und gleichzeitig kann die Antennenpolarisation durch Steuerung des Zustands der Dioden geschaltet werden. Diese Lösung ermöglicht eine Polarisationsrekonfigurierbarkeit mit minimalem zusätzlichem Aufwand.

Die Asymmetrie erzeugt die notwendige Kopplung zwischen orthogonalen Moden, wobei der Grad der Asymmetrie das axiale Verhältnis und den Polarisationssinn steuert. Das in Abbildung 1 gezeigte strahlende Element wird zur Erzeugung von rechtshändigem CP (RHCP) verwendet. Zur Erzeugung von linkshändiger zirkularer Polarisation (LHCP) sollte die Position des parasitären Elements relativ zur Mittelachse des aktiven Schlitzes gespiegelt sein.

Polarisationsleistung des Schlitzarrays

Slot-Arrays können durch sorgfältiges Design einzelner Elemente und des Array-Feed-Netzwerks eine hervorragende Polarisationsleistung erzielen. Wie experimentelle und simulierte Ergebnisse zeigen, gibt es eine Bandbreite von 3 dB Axialverhältnis (AR) und eine Impedanzbandbreite von 6,6% über den Frequenzbereich von 58 bis 62 GHz. So wird ein Wirkungsgrad von bis zu 90% und ein Spitzengewinn von 29,2 dBi erreicht, die zeigen, dass Slot-Arrays hohe Leistung für anspruchsvolle Anwendungen liefern können.

Die Kreuzpolarisationsunterdrückung in Slot-Arrays profitiert von der inhärenten Symmetrie gut konzipierter Array-Konfigurationen. Es ist zu beobachten, dass die Array-Antenne eine Kreuzpolarisation von weniger als -35 dB sowohl in der xoz- als auch in der yoz-Ebene erreicht, wobei der Seitenkeulenpegel 15 dB niedriger als der der Hauptkeule gehalten wird. Eine solche außergewöhnliche Kreuzpolarisationsleistung gewährleistet minimale Interferenzen und eine hohe Signalqualität.

Anwendungsspezifische Polarisationsanforderungen

Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Polarisationsanforderungen, die auf ihren Betriebseigenschaften, ihrer Ausbreitungsumgebung und ihrer Systemarchitektur basieren.

Satellitenkommunikation

Satellitenkommunikationssysteme nutzen aufgrund mehrerer zwingender Vorteile überwiegend zirkulare Polarisation. Durch zirkulare Polarisation ist eine genaue Antennenausrichtung zwischen Bodenstationen und Satelliten überflüssig, was angesichts der Relativbewegung zwischen Satelliten und Bodenterminals besonders wertvoll ist. Darüber hinaus bietet zirkulare Polarisation Immunität gegen Faraday-Rotation in der Ionosphäre, die bei linear polarisierten Signalen eine signifikante Polarisationsrotation verursachen kann.

Satellitensysteme verwenden häufig sowohl RHCP als auch LHCP, um eine Frequenzwiederverwendung zu ermöglichen - dasselbe Frequenzband kann zwei unabhängige Kanäle mit entgegengesetzten zirkularen Polarisationssinnen tragen. Die Isolation zwischen zirkularen Polarisationen mit entgegengesetztem Sinn bietet die Kanaltrennung, die für dieses Frequenzwiederverwendungsschema erforderlich ist. Typische Anforderungen erfordern ein axiales Verhältnis besser als 3 dB über den Abdeckungsbereich und eine Kreuzpolarisationsdiskriminierung von mehr als 20-25 dB.

5G und Wireless Communications

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme, einschließlich 5G-Netzwerke, setzen zunehmend fortschrittliche Polarisationstechniken ein, um Kapazität und Leistung zu verbessern. Dual-polarisierte Antennen ermöglichen Polarisationsvielfalt und MIMO-Betrieb (Multiple-Input Multiple-Output), wodurch die Systemkapazität multipliziert wird, ohne dass zusätzliches Spektrum erforderlich ist.

In diesem Artikel wird eine Ein-Element-Mikrostreifen-Antenne mit zwei ungleichen Schlitzpaaren als zirkular polarisierte Antenne mit vernachlässigbarer Rückstrahlung für 5G-Mittelband-Handys vorgeschlagen, wobei die ungleichen Schlitzpaare auf dem Antennen-Patch eingraviert sind, um das Vorhandensein der zirkularen Polarisation (CP) zu gewährleisten. Dies zeigt, wie zirkulare Polarisation in kompakte Antennendesigns für mobile Geräte integriert werden kann.

Die Anforderungen an die XPD-Diskriminierung zwischen Polarisationskanälen sind in der Regel besser als 15-20 dB, um einen zuverlässigen dualpolarisierten Betrieb zu gewährleisten. Die Polarisation muss über den gesamten Abdeckungsbereich der Antenne und die Betriebsbandbreite stabil bleiben.

Radarsysteme

Radaranwendungen verwenden verschiedene Polarisationsschemata, die von den spezifischen Missionsanforderungen abhängen. Wetterradar verwendet häufig Dualpolarisation, um zwischen verschiedenen Niederschlagsarten zu unterscheiden und die Messgenauigkeit zu verbessern. Die Polarisationseigenschaften der zurückgegebenen Signale liefern Informationen über Zielform, Orientierung und Materialeigenschaften.

Systeme mit synthetischer Aperturradar (SAR) können mehrere Polarisationskombinationen (HH, VV, HV, VH) verwenden, um maximale Informationen aus Zielszenen zu extrahieren. Polarimetrischer SAR kann zwischen verschiedenen Arten von Gelände, Vegetation und von Menschenhand geschaffenen Strukturen auf der Grundlage ihrer Polarisationssignaturen unterscheiden. Diese Anwendungen erfordern eine ausgezeichnete Polarisationsreinheit und eine genaue Kontrolle des Polarisationszustands.

GNSS und Navigation

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) einschließlich GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou verwenden alle rechte zirkulare Polarisation für ihre Downlink-Signale. GNSS-Empfänger müssen daher RHCP-Antennen verwenden, um den Signalempfang zu maximieren. Die Anforderung an ein Achsverhältnis beträgt typischerweise 3 dB oder besser über der oberen Hemisphäre, um eine zuverlässige Signalerfassung von Satelliten in allen Höhenwinkeln zu gewährleisten.

Die Mehrwege-Abstoßung stellt eine weitere wichtige Überlegung für GNSS-Antennen dar. Signale, die vom Boden oder nahe gelegenen Strukturen reflektiert werden, werden oft polarisationsumkehrend und werden linkszirkular polarisiert. Eine Antenne mit gutem Achsverhältnis und hoher LHCP-Abstoßung kann diese Mehrwegesignale unterdrücken und die Positioniergenauigkeit verbessern.

Fortgeschrittene Polarisationsanalysetechniken

Neben der grundlegenden Polarisationscharakterisierung bieten mehrere fortschrittliche Analysetechniken tiefere Einblicke in das Antennenverhalten und ermöglichen die Optimierung komplexer Designs.

Kennlinienanalyse

Die Charakteristische Modenanalyse (CMA) zerlegt die Stromverteilung auf einer Antennenstruktur in eine Reihe von orthogonalen Moden mit jeweils unterschiedlichen Resonanzfrequenz- und Strahlungseigenschaften.

Für die Polarisationsanalyse zeigt CMA, welche Moden zur gewünschten Polarisation beitragen und welche Moden unerwünschte Kreuzpolarisation erzeugen. Diese Informationen leiten Designmodifikationen zur Verbesserung der gewünschten Moden bei gleichzeitiger Unterdrückung problematischer Moden. CMA ist besonders wertvoll für das Verständnis komplexer Antennengeometrien, bei denen intuitive Designansätze möglicherweise unzureichend sind.

Vertretung Poincaré Sphere

Die Poincaré-Sphäre bietet eine geometrische Darstellung von Polarisationszuständen, wobei alle möglichen Polarisationen auf der Oberfläche einer Kugel abgebildet werden. Lineare Polarisationen liegen am Äquator, zirkulare Polarisationen an den Polen und elliptische Polarisationen an anderen Stellen der Kugel. Diese Visualisierung hilft, Polarisationstransformationen und die Beziehung zwischen verschiedenen Polarisationszuständen zu verstehen.

Wenn man verfolgt, wie sich die Polarisation der Antennen auf der Poincaré-Sphäre bewegt, wenn die Frequenz variiert, erhält man Einblick in Bandbreitenbeschränkungen und Optimierungsmöglichkeiten. Idealerweise sollte eine zirkular polarisierte Antenne eine Position in der Nähe eines der Pole über ihre Betriebsbandbreite beibehalten, wobei Abweichungen ein verschlechtertes Achsverhältnis anzeigen.

Zeitbereich Polarisationsanalyse

Während die meisten Polarisationsanalysen im Frequenzbereich stattfinden, können Zeitbereichstechniken ergänzende Erkenntnisse liefern.Die Untersuchung, wie sich der elektrische Feldvektor im Laufe der Zeit entwickelt, zeigt die Polarisationsellipse direkt und kann vorübergehende Effekte identifizieren, die bei der Frequenzbereichsanalyse möglicherweise nicht sichtbar sind.

Die Zeitbereichsanalyse ist besonders wertvoll für das Verständnis gepulster oder Ultrabreitbandsysteme, bei denen die Polarisation über die Signalbandbreite hinweg stark variieren kann, und kann auch Polarisationsverzerrungen aufdecken, die durch dispersive Antennenstrukturen oder Speisenetzwerke verursacht werden.

Praktische Design-Überlegungen und Trade-offs

Die Gestaltung von Mikrostreifen- und Schlitzantennen mit optimalen Polarisationseigenschaften erfordert den Ausgleich mehrerer konkurrierender Anforderungen und das Verständnis praktischer Einschränkungen.

Begrenzung der Bandbreite

Die Herstellung einer breiten Bandbreite für die Impedanzanpassung und Polarisationsreinheit stellt eine grundlegende Herausforderung im Antennendesign dar. Bei zirkular polarisierten Antennen ist die axiale Verhältnisbandbreite oft schmaler als die Impedanzbandbreite, was den nutzbaren Betriebsbereich einschränkt. Verschiedene Techniken können die Bandbreite verbessern, einschließlich gestapelter Patches, parasitärer Elemente und optimierter Speisenetzwerke, aber diese Ansätze erhöhen die Komplexität und können andere Leistungsaspekte beeinträchtigen.

Für eine gute Antennenleistung ist ein dickes dielektrisches Substrat mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten in der Regel erwünscht, da es eine größere Bandbreite und einen wohldefinierten Strahl liefert, dickere Substrate können jedoch unerwünschte Oberflächenwellen anregen und die Kreuzpolarisation erhöhen, was eine sorgfältige Optimierung erfordert.

Effizienz und Gewinnüberlegungen

Die Polarisationsreinheit und die Antenneneffizienz sind miteinander verbunden. Techniken, die zur Erzielung zirkularer Polarisation verwendet werden, wie Eckenverkürzung oder Schlitzeinfügung, können die Stromverteilung und Strahlungseffizienz beeinflussen.

Die sequenzielle Rotation von Arrayelementen verbessert die axiale Übersetzungsbandbreite und verringert die Kreuzpolarisation, jedoch erhöht sich die Komplexität des Speisenetzwerks mit der Arraygröße, was möglicherweise einige Effizienzgewinne durch erhöhte Verluste ausgleicht.

Herstellungstoleranzen

Fertigungstoleranzen können die Polarisationsleistung erheblich beeinträchtigen, insbesondere bei zirkular polarisierten Designs, bei denen eine genaue Steuerung der Amplituden- und Phasenbilanz erforderlich ist Variationen in der Substratdicke, Dielektrizitätskonstante, Leiterabmessungen und Zuführpositionierung können alle das axiale Verhältnis verschlechtern und die Kreuzpolarisation erhöhen.

Robuste Designs beinhalten ausreichend Spielraum, um erwartete Fertigungsvariationen zu berücksichtigen. Sensitivitätsanalysen während der Entwurfsphase identifizieren kritische Dimensionen, die enge Toleranzen erfordern, und Parameter, die größere Variationen tolerieren können. Diese Informationen leiten die Auswahl des Herstellungsprozesses und die Qualitätskontrollverfahren.

Umweltauswirkungen

Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und mechanische Belastung können die Polarisation der Antennen beeinflussen. Die Substrateigenschaften variieren mit der Temperatur, können sich in Resonanzfrequenzen verschieben und die Phasenbeziehung zwischen orthogonalen Moden verändern. Die Feuchtigkeitsabsorption verändert die effektive Dielektrizitätskonstante und beeinflusst die Leistung in ähnlicher Weise.

Für Anwendungen im Freien schützen Radome Antennen vor Wetter, können aber Polarisationsverzerrungen verursachen, wenn sie nicht sorgfältig konstruiert werden. Das Radommaterial und die Dicke müssen so gewählt werden, dass eine unterschiedliche Phasenverschiebung zwischen orthogonalen Polarisationen, die die Reinheit der zirkularen Polarisation beeinträchtigen würde, minimiert wird.

Polarisationsanalyse und -steuerung entwickeln sich mit fortschreitender Technologie und neuen Anwendungsanforderungen weiter und prägen die Zukunft polarisationsagiler Antennensysteme.

Rekonfigurierbare Polarisation

Polarisationsrekonfigurierbare Antennen, die dynamisch zwischen verschiedenen Polarisationszuständen umschalten können, bieten erhebliche Vorteile für adaptive Kommunikationssysteme, die die Polarisation für sich ändernde Kanalbedingungen optimieren, mehrere Kommunikationsstandards unterstützen oder Polarisationsdiversitätsschemata implementieren können.

Aktive Elemente wie PIN-Dioden, Varaktordioden oder HF-MEMS-Schalter ermöglichen eine Polarisationsrekonfiguration mit minimalen Auswirkungen auf Antennengröße und -gewicht. Fortgeschrittene Designs können zwischen linearen, rechten und linken zirkularen Polarisationszuständen wechseln und bieten maximale Flexibilität für verschiedene Anwendungen.

Meta-Oberflächen-basierte Polarisationskontrolle

Metaoberflächen - konstruierte Oberflächen mit periodischen Strukturen unter Wellenlängen - bieten leistungsstarke Möglichkeiten zur Polarisationsmanipulation. Die von der Quellantenne ausgestrahlte LP-EM-Welle wurde zunächst vom RMS empfangen, dann beim Durchlaufen der LCPC-MS in eine CP-Welle umgewandelt und schließlich in den Raum propagiert. Dieser Ansatz ermöglicht eine lineare zu kreisförmige Polarisationswandlung mit großer Bandbreite und niedrigem Profil.

Die Meta-Oberflächen-Superstrate, die über herkömmlichen Antennen angeordnet sind, können ihre Polarisationseigenschaften verändern, ohne das Antennenelement selbst zu verändern. Diese Modularität vereinfacht das Design und ermöglicht die Polarisationsrekonfiguration durch Umschalten zwischen verschiedenen Meta-Oberflächen-Konfigurationen. Wie die Messungen zeigen, erreichte die Array-Antenne eine S11-Bandbreite von 60,5%, eine 3 dB AR-Bandbreite von 2,85 GHz und einen Spitzengewinn von 15,1 dBic, wobei ein niedriger Profilwert von nur 0,09 λ0 beibehalten wurde.

Machine Learning für Polarisationsoptimierung

Maschinelle Lernalgorithmen werden zunehmend auf die Optimierung des Antennendesigns, einschließlich der Polarisationsleistung, angewendet. Neuronale Netze können komplexe Beziehungen zwischen Designparametern und Polarisationsmetriken lernen, was eine schnelle Optimierung ermöglicht, die mit herkömmlichen Methoden nicht praktikabel wäre.

Generative Designansätze nutzen maschinelles Lernen, um riesige Designräume zu erkunden und neuartige Antennenkonfigurationen mit überlegenen Polarisationseigenschaften zu identifizieren. Diese Techniken können nicht intuitive Lösungen entdecken, die menschliche Designer übersehen und die Grenzen der erreichbaren Leistung überschreiten könnten.

Integration mit Millimeter-Wave und Terahertz Systemen

Da sich Kommunikationssysteme auf Millimeterwellen- und Terahertzfrequenzen umstellen, wird die Polarisationskontrolle sowohl anspruchsvoller als auch kritischer. Die kleineren Wellenlängen ermöglichen kompakte Antennenarrays mit ausgeklügelten Polarisationsfähigkeiten, legen aber auch engere Fertigungstoleranzen fest und erhöhen die Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen.

Fortschrittliche Fertigungstechniken wie 3D-Druck, Mikrobearbeitung und Halbleiterverarbeitung ermöglichen eine präzise Realisierung komplexer Antennenstrukturen bei diesen Frequenzen. Die Gap-Wellenleitertechnologie und andere verlustarme Übertragungsverfahren tragen dazu bei, die Effizienz zu erhalten und gleichzeitig die für die Polarisationssteuerung erforderlichen Speisenetzwerke bereitzustellen.

Best Practices für Polarisationsanalyse

Eine erfolgreiche Polarisationsanalyse und -optimierung erfordert eine systematische Methodik und die Aufmerksamkeit für Details während des gesamten Designprozesses.

Klare Anforderungen festlegen

Beginnen Sie mit der klaren Definition der Polarisationsanforderungen basierend auf Anwendungsanforderungen. Geben Sie die erforderlichen Polarisationstypen (linear, kreisförmig oder elliptisch), Achsverhältnisgrenzen, Kreuzpolarisationsdiskriminierung, Winkelabdeckung und Frequenzbandbreite an. Das Verständnis dieser Anforderungen führt zu Designentscheidungen und verhindert verschwendete Optimierungsparameter, die die Systemleistung nicht beeinflussen.

Verwenden Sie ergänzende Analysemethoden

Kombinieren Sie Simulation und Messung, um Designs zu validieren. Simulation liefert detaillierte Einblicke in das Antennenverhalten und ermöglicht eine schnelle Design-Iteration, während die Messung bestätigt, dass hergestellte Prototypen die Spezifikationen erfüllen. Abweichungen zwischen Simulation und Messung zeigen oft Modellierungsfehler, Fertigungsprobleme oder Umweltauswirkungen, die Aufmerksamkeit erfordern.

Betrachten Sie das komplette System

Die Polarisationsanalyse sollte das gesamte Antennensystem berücksichtigen, einschließlich Speisenetzwerke, Anpassungsschaltungen und Radome oder Schutzstrukturen, die die Polarisationsleistung erheblich beeinflussen können, und die Optimierung des Antennenelements allein kann möglicherweise keinen Erfolg auf Systemebene gewährleisten.

Dokument und Validation

Führen Sie eine gründliche Dokumentation der Designentscheidungen, Analyseergebnisse und Messdaten, die die Fehlersuche erleichtert, die Wiederverwendung von Designs ermöglicht und eine Wissensbasis für zukünftige Projekte bietet. Validieren Sie kritische Annahmen durch Messungen oder unabhängige Analysen, um die Zuverlässigkeit des Designs zu gewährleisten.

Schlussfolgerung

Die Analyse der Polarisationseigenschaften in Mikrostreifen- und Schlitzantennen stellt einen kritischen Aspekt der modernen Antennentechnik dar, der sich direkt auf die Systemleistung in verschiedenen Anwendungen auswirkt. Von grundlegenden Konzepten der linearen, zirkularen und elliptischen Polarisation bis hin zu fortschrittlichen Analysetechniken und neuen Technologien entwickelt sich dieses Gebiet mit fortschreitenden Kommunikationsanforderungen und technologischen Fähigkeiten weiter.

Erfolg in der Polarisationsanalyse erfordert das Verständnis der theoretischen Grundlagen, die Beherrschung sowohl von Simulations- als auch von Messtechniken und die Wertschätzung der praktischen Kompromisse, die dem Antennendesign innewohnen. Schlüsselparameter wie Achsverhältnis, Kreuzpolarisationsdiskriminierung und Polarisationsneigung müssen sorgfältig bewertet und für spezifische Anwendungsanforderungen optimiert werden.

Moderne Werkzeuge und Techniken – von der elektromagnetischen Vollwellensimulation über automatisierte Messsysteme bis hin zur Optimierung des maschinellen Lernens – bieten beispiellose Fähigkeiten für die Entwicklung von Antennen mit präziser Polarisationssteuerung, müssen jedoch mit dem Verständnis grundlegender Prinzipien und dem Bewusstsein praktischer Einschränkungen wie Bandbreitenbeschränkungen, Fertigungstoleranzen und Umweltauswirkungen eingesetzt werden.

Da drahtlose Systeme sich weiter in Richtung höherer Frequenzen, größerer Bandbreiten und einer ausgefeilteren Signalverarbeitung entwickeln, werden Polarisationsdiversität und -steuerung immer wichtigere Rollen spielen. Rekonfigurierbare Polarisation, metaoberflächenbasierte Polarisationsmanipulation und Integration mit MIMO-Systemen stellen vielversprechende Richtungen für die zukünftige Entwicklung dar.

Für Ingenieure und Forscher, die mit Mikrostreifen- und Schlitzantennen arbeiten, bietet die Entwicklung von Fachwissen in der Polarisationsanalyse wesentliche Fähigkeiten zur Schaffung von Hochleistungsantennensystemen, die anspruchsvolle Anwendungsanforderungen erfüllen. Durch die Kombination von theoretischem Wissen, praktischer Erfahrung und modernen Analysewerkzeugen können Designer Polarisationseigenschaften optimieren, um eine überlegene Systemleistung in der wachsenden Bandbreite von drahtlosen Anwendungen zu erreichen.

Für weitere Informationen zum Antennendesign und zur elektromagnetischen Simulation besuchen Sie die Dokumentation der MATLAB Antenna Toolbox, erkunden Sie Ressourcen unter Antenna-Theory.com oder konsultieren Sie die IEEE Xplore Digital Library für die neuesten Forschungsergebnisse zu Antennenpolarisation und Designtechniken.