Beim Entwurf einer Millimeterwellenantenne müssen Apertur, Verluste, Materialien, Toleranzen, Schwenkung, Wärme und Messung zusammenpassen. Streng bezeichnet Millimeterwelle 30–300 GHz; in manchen Anwendungen wird auch der Bereich um 28 GHz mmWave genannt. Legen Sie deshalb zuerst die tatsächlichen Frequenzen fest.
1. Apertur und Abdeckung
Bei kurzer Wellenlänge passen mehr Elemente auf dieselbe Fläche. Eine kleinere Gesamtapertur behält aber nicht automatisch denselben hohen Gewinn. Die Abschätzung G ≈ 4πηA/λ² unterscheidet Fläche und Apertureffizienz.
Bei 28 GHz beträgt die Freiraumwellenlänge etwa 10,7 mm. Patch-Abmessungen hängen außerdem von Substrat, effektiver Permittivität und Randfeldern ab. Das Feld endet nicht exakt an der Metallkante.
Eine Verkleinerung von 5 auf 3 mm verursacht daher nicht bei jedem Patch einen festen Gewinnwechsel von 8 auf 4 dBi. Vergleichen Sie Band, Wirkungsgrad und Richtung bei gleichen Bedingungen.
2. Freiraumverlust von Atmosphäre trennen
Der Freiraumverlust beträgt näherungsweise 92,45 + 20 log10(f/GHz) + 20 log10(r/km) dB. Bei 28 GHz und 100 m ergibt das etwa 101,4 dB.
Dieser Verlust wächst logarithmisch mit der Entfernung und ist kein konstanter Wert in dB/km. Gas- und Regendämpfung sind zusätzliche Beiträge. Für 28 und 60 GHz darf nicht pauschal derselbe atmosphärische Wert eingesetzt werden.
3. Substrat und Verbindungen
Relative Permittivität und Verlustfaktor sind unterschiedliche Eigenschaften. Verwenden Sie Daten für Frequenz, Richtung, Temperatur und Fertigungsstreuung. Kupferrauheit, Oberfläche, Klebeschichten und Radom gehören ins Modell.
SIW kann eine geführte Struktur im Substrat schaffen, beseitigt jedoch nicht alle Oberflächenwellen oder dielektrischen Verluste. Eine dickere Patch-Unterlage kann Bandbreite begünstigen und zugleich andere Feld- und Speiseeffekte verstärken.
Der Materialname garantiert keinen festen Wirkungsgrad und keine geringe thermische Ausdehnung in allen Richtungen.
4. Toleranzen aus elektrischer Empfindlichkeit ableiten
Nicht jede Leiterplatte verlangt ±5 μm oder Laserbearbeitung. Variieren Sie Linien, Spalte, Vias, Positionen und Schichtdicken, bestimmen Sie empfindliche Größen und vergleichen Sie diese mit der Prozessfähigkeit.
Bei 60 GHz im freien Raum entsprechen 0,1 mm Wegdifferenz ungefähr 7,2°. Auf einer Substratleitung gilt deren Ausbreitungskonstante. Das Beispiel ist kein gemeinsamer Toleranzwert für sämtliche Maße.
5. Schwenkbereich und Beam Squint
Prüfen Sie Elementdiagramm, Abstand und Kopplung über Band und Winkel. Zur Vermeidung von Gitterkeulen muss der Abstand nicht grundsätzlich mindestens λ/2 sein; gerade zu große Abstände können problematisch werden.
Für ein einfaches eindimensionales gleichmäßiges Array liefert d = λ/(1+|sin θmax|) eine Grenzabschätzung. Bei ±60° sind das ungefähr 0,536λ. Halten Sie Abstand zur Grenze und prüfen Sie kürzeste Wellenlänge und reale Anordnung.
Feste Phasendifferenzen können frequenzabhängige Strahlrichtungen erzeugen. True Time Delay ist eine Gegenmaßnahme mit eigenen Grenzen für Verzögerung, Auflösung und Verlust. Amplitudentaper zur Nebenkeulenabsenkung verändert auch den Hauptstrahl.
6. Wärme und Gehäuse
Verlustleistung der Elektronik beeinflusst Temperaturgradienten, Abmessungen und Phasen. Niedriger dielektrischer Verlust bedeutet nicht zugleich niedrigen Ausdehnungskoeffizienten in jeder Richtung.
Linsen oder 3D-gedruckte Strukturen beseitigen nicht automatisch alle Kanalfehler. Unterscheiden Sie geometrische Verbesserung und Kalibrierung, einschließlich Material-, Fertigungs- und Montageeinflüssen.
7. Endzustand verifizieren
Der VNA prüft Anpassung und Übertragung an definierten Ports. Gewinn, Diagramm und Polarisation verlangen Strahlungsmessungen. Bei Nahfeldmessung gehören Probe und Transformation, bei Fernfeldmessung Abstand und Reflexionen zur Auswertung.
Messen Sie Bandmitte, Ränder, wichtige Winkel und erforderliche Temperaturen. Dokumentieren Sie Referenzebenen, Kabel, Radom und Softwarestand sowie Grenzen der Übertragung auf ungemessene Bedingungen.
Für Atmosphäre dienen ITU-R P.676 und P.838, für die Anordnung die Gitterkeulen-Grundlagen. Verbesserungen sind am konkreten Entwurf zu bestätigen.
