Phasedarray-Antennen mit integrierten Phasenschiebern auf ferroelektrischen Dickschichten

Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung gelten als Schlüsselkomponenten in Systemen zur breitbandigen Satellitenkommunikation. Eine der wichtigsten Einschränkungen für die breite kommerzielle Nutzung solcher Antennensysteme ist der Kostenfaktor, der vor allem auf das Fehlen kostengünstiger Verfahren zur Realisierung der benötigten steuerbaren Phasenschieber zurückzuführen ist. In dieser Arbeit wird die Eignung steuerbarer Hochfrequenzkomponenten auf Basis ferroelektrischer Dickschichten als eine kostengünstige Technologie für elektronisch steuerbare Antennen untersucht. Des Weiteren werden neuartige technologische Lösungen zur Verringerung des Herstellungsaufwandes kompletter Antennenschaltungen vorgestellt. Die in dieser Arbeit verwendete Keramik, Barium-Strontium-Titanat (BST), ist ein ferroelektrisches Material, dessen Permittivität sich durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes kontinuierlich verändern lässt. Dies ermöglicht die Realisierung von Leitungen mit einstellbarer Wellenzahl und steuerbaren Kondensatoren, sog. Varaktoren, für Mikrowellenschaltungen bis ca. 20GHz. Zur Herstellung von BST-Dickschichtkomponenten eignen sich vor allem Druckverfahren wie das Siebdruck- und das Tintenstrahldruckverfahren (engl. Inkjet Printing). Das bereits erprobte Siebdruckverfahren wurde in dieser Arbeit zur Herstellung von Dickschichten für Phasenschieber und steuerbare Antennen verwendet. Weiterhin wurde das Tintenstrahldruckverfahren erstmalig zur Herstellung von Dickschichtkomponenten in einer integrierten Phasenschieberschaltung erfolgreich eingesetzt. Dieses Verfahren zeichnet sich vor allem durch die hohe Flexibilität und die Eignung für selektives Drucken aus. Zur Abschätzung des Einsatzpotentials von BST-Dickschichtkomponenten für die Realisierung von kosteneffektiven phasengesteuerten Gruppenantennen wurden sowohl verschiedene Antennenkonzepte als auch unterschiedliche Schaltungskonzepte für steuerbare Phasenschieber untersucht. Unter den betrachteten Phasenschieberkonzepten haben sich vor allem linkshändige Phasenschieber hinsichtlich der Mikrowelleneigenschaften und der Kompaktheit als sehr geeignete Schaltungen erwiesen. Dabei wurden Phasenschiebergüten von über 52°/dB in einem Bereich von 6GHz bis 10GHz erreicht, die deutlich über den bisher berichteten Werten für Dickschicht-Phasenschieber liegen. Die realisierten Phasenschieber zeichnen sich zusätzlich durch eine sehr kompakte und vollständig integrierte Bauform aus. Der herstellungstechnische Vorteil wurde anhand einer Antenne mit eindimensionaler Strahlschwenkung demonstriert. Dabei konnte der Strukturierungsprozess der vollständig integrierten Antennenschaltung einschließlich der Phasenschieber auf zwei fotolithografische Schritte und eine galvanische Metallisierung reduziert werden. Die realisierte Antenne deckt einen Winkelbereich von bis zu ±50° ab und demonstriert das hohe Potential dieser Technologie zu Realisierung von phasengesteuerten Gruppenantennen auch im Volumenmarkt.