Self-complementary antennas for ultrawideband radio systems

Abstract

In dieser Arbeit werden selbstkomplementäre Antennen untersucht. Diese Untersuchung ist auf ultrabreitbandige Systeme beschränkt. Die kommerziellen ultrabreitbandigen Systeme werden im Frequenzbereich zwischen 3,1 und 10,6 GHz betrieben. Das Design der ultrabreitbandigen Antennen ist für diesen Frequenzband durchgeführt worden. Diese Art der Antennen wurde gewählt, weil solche Strukturen eine konstante Eingangsimpedanz beziehungsweise einen konstanten Reflexionskoeffizienten im entsprechenden Frequenzband aufweisen. In dem ersten Kapitel wird die Arbeit eingeleitet. Nach einer kurzen Geschichte der ultrabreitbandigen Systeme und ultrabreitbandigen Antennen wird eine Übersicht über aktuelle ultrabreitbandige Systeme geschaffen. Am Ende dieses Kapitels wird die für diese Arbeit relevante wissenschaftliche Literatur über ultrabreitbandige Systeme analysiert. In dem zweiten Kapitel werden zwei Prinzipien vorgestellt. Diese sind das Prinzip bezüglich verschiedener Ansichten der Antennenfunktion und das Prinzip der Selbstkomplementarität. Nachdem diese geklärt sind, werden drei Arten selbskomplementärer Antennen samt Methoden für das Design vorgestellt. Die drei Arten sind die plansymmetrische, die achsensymmetrische und die rotationsymmetrische selbstkomplementäre Antenne. Ein Design eines Baluns in Mikrostreifenleitung-Technologie ist ebenfalls vorgestellt, da dieses für die rotationsymmetrische selbstkomplementäre Antenne notwendig ist. Darauf hin werden diese Designs mittels Simulation verbessert. Am Ende dieses Kapitels werden andere breitbandige Antennen vorgestellt, welche das Prinzip der Selbstkomplementarität erfüllen. Im letzten Kapitel werden Prototypen der entworfenen Antennen und des Baluns vorgestellt, simuliert, hergestellt und gemessen. Der Reflexionskoeffizient und der Gewinn der Prototypen wird mittels vektorieller Netzwerkanalyse im Innenraum gemessen. Der Balun wird mittels Reflektometrie gemessen. Zusätzlich werden in diesem Kapitel einige Beispiele betreffs der Messgenauigkeit vorgestellt. Konkret geht es um den parasitären Einfluss des SMA-Steckers und der kleinen Massenebene auf die Messgenauigkeit. Am Ende dieses Kapitels werden Messungen im Zeitbereich durchgeführt, um die Dispersion der Antennen zu beobachten. Zu diesem Zweck wird ein ultrabreitbandiges Signal gemäß dem Standard IEEE 802.15.4a entworfen und realisiert. Die Realisierung erfolgt mittels eines programmierbaren Signalgenerators.

In this work self-complementary antennas are studied. This study is restricted to ultrawideband systems. The commercially available ultrawideband systems operate in the frequency band between 3.1 and 10.6 GHz so the ultrawideband antennas are designed for this frequency band of operation. The reason why these type of antennas were chosen is because these structures exhibit a constant impedance and hence a constant reflection coefficient over all frequencies from a theoretical point of view. In the first chapter an introduction is provided. After a short history of the ultrawideband system and the ultrawideband antennas an overview of a con- temporary ultrawideband system is presented. At the end of the chapter the scientifc literature that discuses ultrawideband systems relevant for this work are studied. In the second chapter two principles are presented, preliminary to discussing self-complementary antennas. These principles are the view principle and the self-complementary principle. After the principles are clear, three types of self-complementary antennas together with design methods are presented. The three types are the plane symmetrical, the axis-symmetrical and the rotation symmetrical self-complementary antennas. A design of a microstrip balun is also presented because it is necessary for the rotation-symmetrical self-complementary antennas. These designs are improved afterwards through simulation. At the end of this chapter other ultrawideband antennas that satisfy the complementary principle are discussed. In the last chapter the realized antenna and microstrip balun prototypes are presented, simulated, manufactured and measured. The reflection coefficient and the gain of the prototypes are measured in a indoor environment using vec- tor network analysis. The microstrip balun is measured using the time domain reflectometry analysis. Additionally some caveats regarding the measurements are discussed, for example the parasitic influence of the SMA connector stubs and the small ground plane on the measurement accuracy. At the end of the chapter time domain measurements are carried out with the purpose of observ- ing the dispersion of the antennas. For this purpose an ultrawideband signal according to the IEEE 802.15.4a standard is designed and realized using a programmable arbitrary waveform generator.