Die vorliegende Erfindung betrifft eine koplanare Dipol-Sendeantenne mit einer photonischen
Bandlücken-Struktur. Dabei detektiert ein opto-elektronischer Wandler, wie z. B. ein Photo
detektor, das ankommende optische Signal und liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das
über eine elektronische Verstärkerstufe in die Dipolantenne eingespeist wird. Opto-elektroni
scher Wandler, Vor- und Nachverstärker sowie die Antenne können nach Art von monolithisch
integrierten Millimeterwellenschaltungen (MMIC) aufgebaut werden.The present invention relates to a coplanar dipole transmission antenna with a photonic
Bandgap structure. This detects an opto-electronic converter, such as. B. a photo
detector, the incoming optical signal and provides an electrical output signal, the
is fed into the dipole antenna via an electronic amplifier stage. Opto-electronics
shear converter, preamplifier and post-amplifier as well as the antenna can be monolithic
integrated millimeter wave circuits (MMIC).
Die bereits vorhandenen photonischen Breitbandnetzwerke führen zu einem steigenden
Bedarf an Breitbandkommunikationsdiensten auch für einzelne Haushalte. Für derartige Dien
ste wird der hauptsächliche Datentransport von den bereits installierten photonischen Netz
werken übernommen. Für den Anschluß der Teilnehmer stehen ausreichend breitbandige
Faser- oder Kupferkabel derzeit nicht zur Verfügung; eine Neuinstallation wäre außerordent
lich teuer und unwirtschaftlich. Daher plant man mikro- und pikozelluläre Funknetze, bei denen
wenige mit Glasfaser-Übertragungsstrecken versorgte Kontrollstationen über vorhandene
photonische Verbindungen zahlreiche Basisstationen ansteuern, die ihrerseits mit bidirektio
nalen Breitband-Funkstrecken den Teilnehmer drahtlos erreichen. Angeboten werden dabei
Sprach-, Datenübertragungs- und Video-Funkdienste wie LMDS (Local Multipoint Distribution
System), MVDS (Multipoint Video Distribution System) und mobile Breitbandsysteme (MBS)
ohne feste Verkabelung. Dabei werden Frequenzen bis in den Millimeterwellenbereich
genutzt; für LMDS und MVDS sind die Bereiche 14. . .26 GHz und 40. . .42 GHz vorgesehen, für
MBS 60 GHz. Mit dem Einsatz von Millimeterwellen und der damit einhergehenden Miniaturi
sierung ist auch eine hohe Integrationsdichte der Schaltkreiskomponenten möglich. Ferner
benötigen die Basisstationen Sende- und Empfangsantennen mit den folgenden Eigenschaf
ten: Die Sendeantenne muß mit hoher Bandbreite und hohem Wirkungsgrad das ankom
mende optische Signal unmittelbar empfangen und auf die abzustrahlende Hochfrequenz
umsetzen können. Die Empfangsantenne muß mit hoher Bandbreite und hohem Wirkungs
grad das empfangene Hochfrequenzsignal auf optische Frequenzen transponieren können.The already existing photonic broadband networks lead to an increasing demand for broadband communication services also for individual households. For such services, the main data transport is carried out by the photonic networks already installed. Sufficient broadband fiber or copper cables are currently not available for the connection of the participants; a new installation would be extremely expensive and uneconomical. For this reason, micro- and picocellular radio networks are planned in which a few control stations supplied with fiber optic transmission links control numerous base stations via existing photonic connections, which in turn reach the subscriber wirelessly with bidirectional broadband radio links. It offers voice, data transmission and video radio services such as LMDS (Local Multipoint Distribution System), MVDS (Multipoint Video Distribution System) and mobile broadband systems (MBS) without fixed cabling. Frequencies down to the millimeter wave range are used; for LMDS and MVDS the areas are 14.. .26 GHz and 40.. .42 GHz provided, for MBS 60 GHz. With the use of millimeter waves and the associated miniaturization, a high integration density of the circuit components is also possible. Furthermore, the base stations require transmission and reception antennas with the following properties: The transmission antenna must be able to receive the incoming optical signal with high bandwidth and high efficiency and convert it to the radio frequency to be emitted. The receiving antenna must be able to transpose the received radio frequency signal to optical frequencies with high bandwidth and high efficiency.
Gedruckte Schlitzantennen werden üblicherweise wie in Bild 1a bis d dargestellt aufgebaut.
Die Speiseleitungen wurden für eine bessere Übersicht weggelassen. Bild 1a zeigt eine recht
eckige Schlitzantenne mit Metallschicht 7, Bild 1b eine dielektrisch gedeckte rechteckige
Schlitzantenne mit Dielektrikum 6, Bild 1c eine kreisförmige Schlitzantenne und Bild 1d eine
doppelte Schlitzantenne. Die Antennen können auf unterschiedliche Weise gespeist werden.
Damit die Strukturen planar integrierbar sind, wurden in den letzten Jahren verstärkt koplanare
Einspeisungen für Schlitzantennen eingesetzt. Derartige Antennen sind jedoch schmalbandig.
Zudem treten Verluste durch einen parasitären Parallelplattenmodus bei beidseitig metalli
sierten Substraten bzw. durch Oberflächenmoden bei einseitig metallisierten Substraten auf.
Dieses Problem wurde bisher mit Hilfe von komplizierten mehrschichtigen Strukturen gelöst,
wie bei Y. Lui, T Itoh ["Control of leakage in multilayered conductor backed coplanar struc
tures", IEEE MTT-S Int. Symp. Dig. 1994, pp 141-144] und N. K. Das ["Two conductor backed
configurations of slotline or coplanar waveguide for elimination or suppresssion of the power
leakage problem", IEEE MTT-S Int. Symp. Dig. 1994, pp 153-156] beschrieben. Neuere
Entwicklungen entlehnen photonische Kristalle bzw. photonische Bandlücken-Strukturen aus
der Optik für Mikrowellenschaltungen, um beispielsweise Bandsperren zu erzeugen, siehe J.
D. Joannopoulos et al. ["Photonics crystals", Princeton University Press 1995]. In anderer
Form verwendet man diese Optischen Strukturen zur Unterdrückung von Oberflächenmoden
in Microstrip-Strukturen - siehe Yongxi Qian, Tatsuo Itoh ["Uniplanar compact two dimensional
periodic structures", 24th International Conference on Infrared and Millimeterwaves, Monterey,
CA, Sept 1999] - sowie für koplanare Wellenleiter - siehe F. Yang et al. ["Uniplanar compact
photonic-Bandlücke (uc-PBG) structure and its applications for microwave circuits", IEEE MTT
(1999) Vol. 47 pp. 1509-1514].Printed slot antennas are usually constructed as shown in Figures 1a to d. The feed lines have been omitted for a better overview. Figure 1a shows a right-angled slot antenna with metal layer 7 , Figure 1b a dielectrically covered rectangular slot antenna with dielectric 6 , Figure 1c a circular slot antenna and Figure 1d a double slot antenna. The antennas can be powered in different ways. So that the structures can be integrated in a planar manner, coplanar feeds for slot antennas have been increasingly used in recent years. However, such antennas are narrow-band. In addition, losses occur due to a parasitic parallel plate mode with substrates metallized on both sides or through surface modes with substrates metallized on one side. This problem has hitherto been solved with the aid of complicated multilayer structures, as described by Y. Lui, T Itoh [“Control of leakage in multilayered conductor backed coplanar structures”, IEEE MTT-S Int. Symp. Dig. 1994, pp 141-144] and NK Das ["Two conductor backed configurations of slotline or coplanar waveguide for elimination or suppressions of the power leakage problem", IEEE MTT-S Int. Symp. Dig. 1994, pp 153-156]. Recent developments borrow photonic crystals or photonic bandgap structures from optics for microwave circuits, for example to produce bandstops, see JD Joannopoulos et al. ["Photonics crystals", Princeton University Press 1995]. In another form to use these optical structures for the suppression of surface modes in microstrip structures - see Yongxi Qian, Tatsuo Itoh [ "Uniplanar compact two dimensional periodic structures", 24 th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, Monterey, CA, Sept 1999] - as well as for coplanar waveguides - see F. Yang et al. ["Uniplanar compact photonic band gap (uc-PBG) structure and its applications for microwave circuits", IEEE MTT (1999) Vol. 47 pp. 1509-1514].
Es wird eine neuartige koplanar gespeiste Antennenstruktur vorgeschlagen, die eine bisher
unerreicht große relative Bandbreite von bis zu 22% erreicht. Oberflächen- und Parallelplat
ten-Moden werden bei der photonischen Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne mit Hilfe von
photonischen Bandlücken-Strukturen unterdrückt. Werden diese photonischen Bandlücken-
Strukturen beim Antennenentwurf berücksichtigt, wird eine große Bandbreite und gleichzeitig
ein großer Antennenwirkungsgrad erreicht: Die Antenne zeichnet sich zusätzlich durch ihre
einfache Herstellung und durch ihre Integrationsfähigkeit in MMIC-Schaltungen aus.
A new, co-planar-fed antenna structure is proposed, which was previously one
unmatched relative bandwidth of up to 22%. Surface and parallel plate
ten modes are used in the photonic bandgap coplanar slot antenna with the aid of
suppresses photonic bandgap structures. Are these photonic bandgaps
Structures taken into account when designing antennas are wide and simultaneous
A high level of antenna efficiency is achieved: The antenna is also characterized by its
simple manufacture and characterized by their integration capability in MMIC circuits.
Zwei Ausführungsbeispiele sind in der Konstruktionszeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenTwo embodiments are shown in the construction drawing and are in the
following description explained in more detail. Show it
Bild 2 eine Ansicht der Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne sowie Figure 2 is a view of the photonic bandgap coplanar slot antenna as well
Bild 3 eine Ansicht der dielektrisch abgedeckten Photonische Bandlücken-Koplanar-
Schlitzantenne mit einer Massefläche, die mit Bandlücken-Strukturen versehen ist. Figure 3 is a view of the dielectrically covered photonic bandgap coplanar slot antenna with a ground surface which is provided with bandgap structures.
In Bild 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel eine Photonische Bandlücken-Koplanar-Schlitz
antenne dargestellt. Die Eingangsimpedanz der Antenne beträgt vorzugsweise 50 Ω. Sie wird
von der koplanaren Leitung 1 im ungeraden Grundmodus (odd mode) gespeist. Die koplanare
Leitung 1 wird vorzugsweise ebenfalls auf 50 Ω dimensioniert. Sie führt die Welle zum eigent
lichen Schlitzstrahler 2, dessen Länge etwa λ/2 beträgt (λ = Medium-Wellenlänge). Neben der
koplanaren Leitung sowie um den Schlitzstrahler herum sind die photonischen Bandlücken-
Strukturen 3 angeordnet. Es handelt sich vorzugsweise um Kreise mit einem Durchmesser,
der typischerweise λo/5 betragen sollte (λo = Freiraumwellenlänge). Sie werden somit unterhalb
ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Der Abstand a der Bandlückenstrukturen (Mitte zu Mitte)
wurde gleich der Länge der Strahler (etwa λ/2) gewählt, um jegliche Strahlung, die von diesen
Bandlückenstrukturen ausgehen könnte, durch destruktive Interferenz zu unterbinden. Die
Struktur wird bevorzugt auf kupferbeschichtetes Substratmaterial 8 geätzt, wobei das Substrat
auch mit anderen elektrisch leitenden Materialien beschichtet sein kann, bzw. komplett aus
diesen Materialien oder Kupfer bestehen kann.In Figure 2, a photonic bandgap coplanar slot antenna is shown as the first embodiment. The input impedance of the antenna is preferably 50 Ω. It is fed by the coplanar line 1 in odd basic mode (odd mode). The coplanar line 1 is preferably also dimensioned to 50 Ω. It leads the wave to the actual slot radiator 2 , the length of which is approximately λ / 2 (λ = medium wavelength). In addition to the coplanar line and around the slot radiator, the photonic bandgap structures 3 are arranged. These are preferably circles with a diameter that should typically be λ o / 5 (λ o = free space wavelength). They are therefore operated below their resonance frequency. The distance a between the bandgap structures (center to center) was chosen to be equal to the length of the emitters (approximately λ / 2) in order to prevent any radiation that could emanate from these bandgap structures by destructive interference. The structure is preferably etched onto copper-coated substrate material 8 , wherein the substrate can also be coated with other electrically conductive materials, or can consist entirely of these materials or copper.
In Bild 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine dielektrische abgedeckte Photoni
sche Bandlücken-Koplanar-Schlitzantenne mit einer Massefläche 5 dargestellt. Die Ein
gangsimpedanz der Antenne beträgt vorzugsweise 50 Ω. Sie wird von der koplanaren Leitung
im ungeraden Grundmodus gespeist. Die koplanare Leitung 1 ist ebenfalls vorzugsweise auf
50 Ω dimensioniert. Sie führt die Welle zum eigentlichen Schlitzstrahler 2, dessen Länge etwa
λ/2 beträgt. Neben der koplanaren Leitung, um den Schlitzstrahler herum und in der Masse
fläche sind die photonischen Bandlückenstrukturen 3 angeordnet. Es handelt sich vorzugs
weise um Kreise mit einem Durchmesser, der typischerweise zu λo/5 gewählt wird. Sie wer
den somit unterhalb ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Der Abstand a der Bandlücken-Struk
turen (Mitte zu Mitte) wird gleich der Länge der Strahler (etwa λ/2) gewählt, um jegliche
Abstrahlung, die von diesen Bandlückenstrukturen ausgehen könnte, durch destruktive Interfe
renz zu unterbinden. Die Massefläche schützt gegen die rückwärtsgewandte Strahlung und ist
von der Strahlerebene mit einem Substrat niedriger Permittivität 4 getrennt, das als Distanz
stück wirkt. Die Struktur wird bevorzugt auf kupferbeschichtetes Substratmaterial geätzt, wobei
das Substrat auch mit anderen elektrisch leitenden Materialien beschichtet sein kann bzw.
komplett aus diesen Materialien oder Kupfer bestehen kann.In Figure 3, as a further embodiment, a dielectric covered photonic band gap coplanar slot antenna with a ground plane 5 is shown. The input impedance of the antenna is preferably 50 Ω. It is fed by the coplanar line in odd basic mode. The coplanar line 1 is also preferably dimensioned at 50 Ω. It leads the wave to the actual slot radiator 2 , the length of which is approximately λ / 2. In addition to the coplanar line, around the slot radiator and in the mass area, the photonic bandgap structures 3 are arranged. These are preferably circles with a diameter that is typically chosen to be λ o / 5. You who operated the below their resonance frequency. The spacing a of the bandgap structures (center to center) is chosen to be equal to the length of the radiators (approximately λ / 2) in order to prevent any radiation that could emanate from these bandgap structures by destructive interference. The ground surface protects against the backward-facing radiation and is separated from the radiator level with a low permittivity substrate 4 , which acts as a spacer. The structure is preferably etched onto copper-coated substrate material, wherein the substrate can also be coated with other electrically conductive materials or can consist entirely of these materials or copper.