Equivalent Circuit-Based Efficiency Enhancement of On-Chip Antennas for Wideband mm-Wave/THz Radar Systems

The free space path loss at millimeter waves inherently limits the reading range of radar systems. In this thesis, on-chip antennas operating in frequency ranges between 220 GHz and 450 GHz are developed, which cover the radar systems’ bandwidth and are geometrically small enough for assembly in an antenna array. The antennas are based on microstrip topologies in Silicon Germanium (SiGe) Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs), where capacitive discontinuities are embedded into the antenna design to increase the radiation efficiency. Using a tailored feeding- and matching network, the overall antenna bandwidth is artificially increased by combining multiple resonant antennas of different operating frequencies. To explain the antenna operation, prove the additional radiation contributions of the  discontinuities, and enhance the physical insight, a thorough equivalent circuit model separating dissipation losses and radiation contributions is developed. Furthermore, the radiation and coupling of the discontinuities in the microstrip antenna are shown to describe the antenna far field thoroughly. Thus, the equivalent circuit description can be used to calculate circuit and radiation parameters such as input impedance, current distribution, radiation pattern, and radiation efficiency. The proposed model is confirmed by full-wave and measurement results highlighting both the applicability of the presented antenna prototypes in the radar context and the capabilities of the circuit model.

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.

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