Dielektrische Weitwinkellinsen und Speiseanordnungen für Focal Plane Array Antennen

267 Pages·2012·9.82 MB·German

by  Jürgen Richter

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Dielektrische Weitwinkellinsen
und Speiseanordnungen
für Focal Plane Array Antennen
bildgebender
Millimeterwellensysteme
DerTechnischenFakultätder
UniversitätErlangen-Nürnberg
zurErlangungdesGrades
Doktor-Ingenieur
vorgelegtvon
Dipl.-Ing. Jürgen Richter
Erlangen2006
AlsDissertationgenehmigtvon
derTechnischenFakultät
derUniversitätErlangen-Nürnberg
TagderEinreichung: 30.Juni2006
TagderPromotion: 07.September2006
Dekan: Prof.Dr.-Ing.A.Leipertz
Berichterstatter: Prof.Dr.-Ing.L.-P.Schmidt
Prof.Dr.-Ing.Dr.-Ing.habil.R.Weigel
für
Petra & Jacob

GottaberseiDank,derunsdenSieggibtdurchunsernHerrnJesusChristus!
1.Kor15,57
Danksagung
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissen-
schaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik (LHFT) der
Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg.
Mein besonderer Dank gilt dem Vorstand des Lehrstuhls, Herrn Prof. Dr.-
Ing.Lorenz-PeterSchmidtfürdieUnterstützungunddasgroßeVertrauen,das
ermirentgegenbrachte.DasgilteinerseitsfürmeinewissenschaftlichenArbei-
ten,insbesondereaberauchfürmeineTätigkeitals‘ConferenceSecretary’bei
der Organisation der größten europäischen Konferenz im Bereich der Mikro-
und Millimeterwellentechnik, der ‘European Microwave Week 2003’, wo er
mir große Freiheiten bei der Planung und Umsetzung ließ und mir dadurch
einen interessanten und umfassenden Einblick in den Bereich internationaler,
wissenschaftlicherFachkonferenzenermöglichte.Außerdembedankenmöchte
ich mich für die großzügig gewährten Möglichkeiten des Besuchs einer gan-
zenReihenandererinternationalerSymposien,aufdenenichdieGelegenheit
bekam,wichtigeImpulsefürmeinewissenschaftlicheArbeitzusammelnund
vieleinteressanteKontaktezuherausragendenWissenschaftlernausForschung
undIndustrieweltweitzuknüpfen.
EbensogiltmeinDankdemvorherigenLehrstuhlinhaberHerrnProf.em.Dr.-
Ing. Hans Brand, der mich nicht nur während meines Studiums schon früh-
zeitigfürdieSchwerpunktederHoch-undHöchstfrequenztechnikbegeistern
konnte,sondernauchwährendmeinerZeitamLHFTfortlaufendgroßesInter-
esseanmeinenForschungsarbeitenzeigte.
Für die Übernahme des Koreferats und die gute Zusammenarbeit bei der
Konferenzorganisation danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert
Weigel, dem Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektronik. Außerdem
möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Manfred Albach und Herrn Prof. Dr.-
Ing.AndreasRoosenfürdieMitwirkunganderPromotionsprüfungdanken.
GanzherzlichdankenmöchteichandieserStelleaberauchallenKollegenund
MitarbeiternamLehrstuhlfürHochfrequenztechnik,dienichtzuletztdurchdie
gute Arbeitsatmosphäre und Zusammenarbeit ganz wesentlich zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen haben. Besonders erwähnen möchte ich hier Herrn
vi
Prof.Dr.-Ing.habil.SiegfriedMartius,dermiroftmitgutemRatund Tatzur
Seitestand,unddenichnichtnuralssehrerfahrenenundfachlichhervorragen-
den Wissenschaftler, sondern vor allem auch als sehr hilfsbereiten, engagier-
ten und mitmenschlichen Kollegen in guter Erinnerung behalten werde. Sehr
dankbarbinichauchfürdiezahlreichenengagiertgeführtenDiskussionenmit
Rainer Engelbrecht, Roland Schulz und Johannes Hagen, die immer wieder
sehr ausdauernd bereit waren, sich intensiv in die teilweise sehr komplexen
optischen Zusammenhänge meiner Arbeithineinzudenken und gutefachliche
Anregungenlieferten.AuchdiezahlreichenMillimeterwellen-undAntennen-
Diskussionen mit Günther Rehm, Jochen Weinzierl, Stefan Biber, Arnd Hof-
mann und Phat Tran waren mir oft eine große Hilfe und führten nicht selten
zumentscheidendenErkenntnisgewinnfürdenFortgangderArbeit.Daneben
dankeichJochenWeinzierlauchfürseingroßesEngagementbeiderstetigen
Verbesserung der messtechnischen Ausrüstung des Lehrstuhls, insbesondere
imBereichderMillimeterwellen-undAntennenmesstechnik,derhervorragen-
denAdministrationdesSimulationsrechnernetzwerks(inZusammenarbeitmit
JanSchür)unddervorbildlichenAbwicklungeinerVielzahlvonorganisatori-
schenAngelegenheiten.HerrnDr.GerdSchallerdankeichfürseinedurchaus
konstruktiv eingesetzte Begabung, scheinbar plausible Zusammenhänge kri-
tischzuhinterfragenundmitseinenberüchtigten‘Freitag-Nachmittag-Fragen’
zur montags anstehenden Bauelemente-Übung regelmäßig genug Stoff zum
NachdenkenübersWochenendezuliefern;-).
OhnedasgroßeEngagementunddasaußerordentlichgutehandwerklicheGe-
schickdertechnischenMitarbeiterdesLehrstuhlswäreeinepraktischeReali-
sierungdesimRahmenderArbeitkonzipiertenAntennensystemskaummög-
lichgewesen.MeinbesondererDankgiltdeswegendenHerrenGünterBauer,
Lothar Höpfel und Jürgen Popp aus der Mechanikwerkstatt, die auch für so
manchen‘speziellen’Entwurfoffenwaren,durchihrestetskonstruktiveKritik
meistzupfiffigenLösungenbeitrugenundauchbeiausgefallenenundmecha-
nisch aufwändigen Konstruktionen oft mit verblüffender Präzision zum Ziel
kamen.UnseremElektronik-SpezialistenOttmarWickdankeichnichtnurfür
seinetatkräftigeUnterstützungundHilfsbereitschaft,sondernauchfürseinen
beispielgebenden Optimismus, seine Lebensfreude und seine nie nachlassen-
deNeugier(“Wiegeht’ndas???”).EinherzlichesDankeschönauchanHerrn
HelmutFrischausderDünnfilmtechnik,derdankseinerHilfsbereitschaftund
außerordentlichen Sorgfalt auch mit einfachen Hilfsmitteln sehr gut millime-
terwellentauglicheSubstrateanfertigenkonnteundsozumGelingenderArbeit
ganzwesentlichbeigetragenhat.
vii
Große Anerkennung gilt außerdem den Studienarbeitern bzw. Diplomanden
Arnd Hofmann, Jan Schür, Yasar Yazici, Alexander Simon, Matthias Müller,
Jens-Uwe Garbas, Robert Rehner und Sebastian Methfessel, die mit Tatkraft
undIdeeneinengutenBeitragzudieserArbeitgeleistethaben.
Nicht unerwähnt bleiben sollen auch die Mitarbeiter der Abteilung Milli-
meterwellenradarundHöchstfrequenzsensorik(MHS)desForschungsinstituts
fürHochfrequenzphysikundRadartechnik(FHR)derForschungsgesellschaft
für Angewandte Naturwissenschaften e.V. (FGAN) in Wachtberg-Werthoven.
Ganz herzlich danke ich den Herren Dr. Helmut Essen, Dr. Hans-Hellmuth
Fuchs, Dirk Nüßler, Denis Nötel, Frank Klöppel und Johann Huck für die
wirklichgute,freundlicheunderfolgreicheZusammenarbeitbeiderPlanung,
demAufbauunddermesstechnischenCharakterisierungdes94GHz4-Kanal-
Radiometers. Ihrer großen Fachkompetenz und ihrem Engagement ist es zu
verdanken,dassdieLeistungsfähigkeitderentwickeltenFocalPlaneArrayAn-
tenne in der Praxis überzeugend demonstriert und mit sehr guten radiometri-
schenMillimeterwellenaufnahmennachgewiesenwerdenkonnte.
HerrnDr.NalezinskiausderAbteilungCTPS7derSiemensAGdankeichfür
dievieleninteressantenFachdiskussionen,fürdenEinsatzderMillimeterwel-
lenlinseineinemexperimentellenBahnradarsystemundfürdaszurVerfügung
gestellteBildmaterial.
AuchbeiallennichtnamentlicherwähntenMitgliederndesLHFTmöchteich
mich ganz herzlich für die angenehme Arbeitsatmosphäre bedanken. Es war
mir stets ein wichtiges Anliegen, neben einem guten Fortschritt in der For-
schungundeinerfundiertenundnachhaltigenAusbildungderStudentenauch
zu einem guten persönlichen Miteinander aller Kollegen am LHFT beizutra-
gen.EntsprechendhabeichmichsehrüberdieregeTeilnahmeunddiepositive
Resonanz auf die gemeinsam unternommenen Wanderwochenenden gefreut.
Die Zusammenarbeit und die guten zwischenmenschlichen Kontakte in mei-
ner Zeit am LHFT haben mich fachlich, vor allem aber auch persönlich sehr
bereichert.
Schließlich danke ich von ganzem Herzen allen Freunden sowie meinen
Schwiegereltern Marga und Werner, meiner Mutter Mechthild, meinem Bru-
derManiundganzbesondersmeinerFrauPetraundmeinemSohnJacob,die
michwährenddieserArbeitdurchalleHöhenundTiefenbegleitet,unterstützt
undermutigthaben.
Erlangen,imSeptember2006 JürgenRichter

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 GrundlagenbildgebenderMillimeterwellensysteme 5
2.1 BildgebendeVerfahrenimMillimeterwellenbereich . . . . . . 5
2.2 AntennenfürbildgebendeMillimeterwellensysteme . . . . . . 8
2.3 AuflösungsvermögenabbildenderSysteme . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 AuflösungsvermögennachRayleighundSparrow . . . 11
2.3.2 Fourier-OptikunddiskreteAbtastunginderBrennebene 14
3 DielektrischeWeitwinkellinsen 19
3.1 PhysikalischeGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Strahlenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 Linsenaberrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Simulationswerkzeuge zur Charakterisierung von Linsen-
antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 StrahlenganganalyseundBrennpunktbestimmung . . . 27
3.2.2 AperturfeldberechungundFernfeldintegration . . . . 29
3.2.3 Strahlenganganalyse und Beugungsbildberechnung
mitOptalix® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 EntwurfsverfahrenfürWeitwinkellinsen . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 ÜberblicküberverschiedeneEntwurfsverfahren. . . . 37
3.3.2 VergleichderEntwurfsverfahren . . . . . . . . . . . . 45
3.3.3 ZonungderLinsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1 AstigmatischeBrennpunkte . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.2 Aperturfeldbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3 RichtdiagrammeundHalbwertsbreiten . . . . . . . . 56
3.4.4 Richtfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61