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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