mm-Wave Antennas with Large Effective Receiving Area Over a Wide Angular Range
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurden vor allem zwei verschiedene Self-Mixing-Antennenarrays entworfen, aufgebaut und untersucht, die sowohl einen weiten Empfangswinkelbereich als auch eine hohe Bandbreite aufweisen. Dabei wurden sparse (dünn besetzte) Arrays verwendet, die es erlauben, eine große Empfangswirk äche zu realisieren ohne Beamforming betreiben zu müssen. Wegen der Unterabtastung des Quellraums entstehen bei sparse Arrays mit konventioneller Speisung bzw. konventionellem Beamforming sog. Grating Lobes, d. h. Aliasing in der Abstrahlcharakteristik, was sich in einer Vielzahl von schmalen Hauptkeulen äußert. Der erste Aufbau, der bei einer Mittenfrequenz von 10 GHz relisiert wurde, zeigte bereits, dass die Empfangscharakteristik des Self-Mixing Arrays eine starke Ähnlichkeit zum quadrierten Einzelelementpattern aufweist. Zum Arraypattern mit konventionellem Beamforming sind Unterschiede v. a. wegen der Grating Lobes zu erkennen. Die Halbwertsbreite der Abstrahlcharakteristik wurde durch das Self-Mixing also deutlich erhöht, wobei der Arraygewinn im Maximum denselben Wert wie für das konventionelle Beamforming annimmt. Der zweite Aufbau stellt in mehreren Aspekten eine Weiterentwicklung des ersten Arrays dar. So wurde die Betriebsfrequenz im mm-Wellen-Frequenzbereich zwischen 34 GHz und 39 GHz gewählt. Außerdem wurde die Frontend-Schaltung, d. h. der rauscharme Vorverstärker (LNA) und der Mischer, direkt auf demselben Subtrat wie die Antenne integriert. Dadurch sind nach den Antennen keine Radiofrequenz-(RF)-Speiseleitungen mehr notwendig. Die Kombination der abwärtskonvertierten Signale wird bei der Zwischenfrequenz durchgeführt. Zusätzlich wurde speziell für diese Anwendung eine breitbandige Patchantenne mit weitem Empfangsbereich als Array-Element entworfen. Die gemessene Abstrahlcharakteristik des Arrays wurde mit einem gemessenen Einzelpattern verglichen, um die genaue Wirkung des Array-Faktors und des Array-Gewinns zu validieren. Ein weiterer wichtiger Teil der Projektarbeit umfasst signalverarbeitungstechnische Aspekte. Bisher wurde für Self-Mixing-Receiver, d. h. nicht kohärente Empfänger mit quadratischer Kennlinie, üblicherweise die sogenannte Selbst-Heterodyn-Technik eingesetzt. Dabei wird zusätzlich zum Nutzsignal ein Träger mitgesendet, der durch eine Guard-Bandbreite in derselben Größe wie die Nutzsignalbandbreite spektral vom Nutzsignal getrennt ist. Dieses Konzept weist den Nachteil auf, dass die Übertragungsqualität für das gesamte Spektrum maßgeblich vom gesendeten Trägersignal (bei einer diskreten Frequenz!) abhängt. Um dieses Problem zu beheben, wurde der Empfangsvorgang analysiert und für den abgetasteten, zeitbegrenzten Fall eines diskreten Zeitsignals mit diskretem Spektrum über ein nichtlineares Gleichungssystem beschrieben. Daraus ergab sich eine neue Möglichkeit zur Informationsübertragung unter der Verwendung von Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) und Amplitude-Shift-Keying-(ASK)-Modulation, da das entstehende Gleichungssystem in diesem Fall genau eine eindeutige Lösung aufweist. Diese neue Methode zeigt in der Regel ein deutlich verbessertes Verhalten in frequenzselektiven Kanälen, z. B. bei Mehrwegeausbreitung. Dies wurde in Simulationen zur Bitfehlerrate nachgewiesen.
Publications
- (2017) A mm-Wave Patch Antenna with Broad Bandwidth and a Wide Angular Range. IEEE Trans. Antennas Propagat. (IEEE Transactions on Antennas and Propagation) 65 (8) 4293–4298
Kornprobst, Jonas; Wang, Kun; Hamberger, Gerhard; Eibert, Thomas F.
(See online at https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2710261) - (2017) Orthogonal frequency division multiplexing with amplitude shift keying subcarrier modulation as a reliable and efficient transmission scheme for self-mixing receivers. Adv. Radio Sci. (Advances in Radio Science) 15 99–106
Kornprobst, Jonas; Mittermaier, Thomas J.; Eibert, Thomas F.
(See online at https://doi.org/10.5194/ars-15-99-2017) - (2018) A Millimeter-Wave Self-Mixing Array With Large Gain and Wide Angular Receiving Range. IEEE Trans. Antennas Propagat. (IEEE Transactions on Antennas and Propagation) 66 (2) 702–711
Kornprobst, Jonas; Mittermaier, Thomas J.; Eibert, Thomas F.
(See online at https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2780897) - “Selfmixing antenna arrays with wide receiving angular range,” in IEEE Int. Symp. Antennas and Propagation & USNC/URSI Nat. Radio Sci. Meeting (APSURSI), Jul. 2015, S. 647–648
K. Wang, T. J. Wächter, H. Hartmuth, H. Fei, G. F. Hamberger, und T. F. Eibert
(See online at https://doi.org/10.1109/APS.2015.7304710) - “Microstrip fed broadband mm-wave patch antenna for mobile applications,” in IEEE Int. Symp. Antennas and Propagation (APSURSI), Jun. 2016, S. 1637–1638
K. Wang, J. Kornprobst, und T. F. Eibert
(See online at https://doi.org/10.1109/APS.2016.7696525) - “Signal recovery for self-mixing receivers,” Kleinhaubacher Tagung, Miltenberg, Sep. 2016
J. Kornprobst, T. J. Mittermaier, P. Schmidbauer und T. F. Eibert
