Equivalent Circuit-Based Efficiency Enhancement of On-Chip Antennas for Wideband mm-Wave/THz Radar Systems
Bei Radar-Systemen im Millimeterwellen-Bereich stellt die Freiraumdämpfung eine inhärente Begrenzung des Detektionsbereichs dar. In dieser Arbeit werden On-Chip-Antennen für den Betrieb in Frequenzbereichen zwischen 220 GHz und 450 GHz entwickelt, die die Bandbreite der Radar-Systeme abdecken und klein genug sind, um in Antennenarrays eingesetzt zu werden. Die Antennen basieren auf der Mikrostreifenleitungstechnik in Silizium-Germanium (SiGe) Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs), wobei kapazitive Diskontinuitäten in den Antennenentwurf eingebettet werden, um die Abstrahleffizienz zu erhöhen. Mit einem zugeschnittenen Speise- und Anpassnetzwerk wird die Antennenbandbreite künstlich erhöht, indem mehrere resonante Antennen verschiedener Resonanzfrequenzen kombiniert werden. Um den Wirkungsmechanismus der Antennen zu erklären, die zusätzlichen Strahlungsbeiträge durch die Diskontinuitäten zu beweisen und die physikalische Interpretierbarkeit zu steigern, wird ein vollumfängliches Ersatzschaltbild zur Unterscheidung von Joule’schen Verlusten und Strahlungsbeiträgen entwickelt. Außerdem wird hergeleitet, dass die Strahlung von und die Kopplung zwischen den Diskontinuitäten in Mikrostreifenbasierten Antennen das abgestrahlte Fernfeld vollständig beschreiben. Deshalb können Schaltungs- und Strahlungsparameter wie Eingangsimpedanz, Stromverteilung, Abstrahldiagramm und Abstrahleffizienz mit der Ersatzschaltung beschrieben werden. Das vorgestellte Modell wird durch Ergebnisse aus Vollwellen-Simulationen und Messungen bestätigt, wodurch sowohl die Nutzbarkeit der gezeigten Antennenprototypen für Radar-Anwendungen als auch die Leistungsfähigkeit der Ersatzschaltung gezeigt wird.