Bertuch, T.T.Bertuch2022-03-062022-03-062003https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/275378Die Arbeit untersucht die theoretischen Grundlagen zweier exakter Verfahren (Vollwellenverfahren) für den rechnergestützten elektromagnetischen Entwurf konformer Gruppenantennen und berechnet darauf aufbauend einige typische Anordnungen von Antennenelementen auf gekrümmten Flächen. Vor dem Hintergrund der zur Verfügung stehenden elektromagnetischen Modellierungsverfahren werden die konformen Gruppenantennen in zwei Klassen unterteilt. Als Unterscheidungsmerkmal dient dabei die Verfügbarkeit von analytischen modalen Lösungen des elektromagnetischen Randwertproblems, welches durch die geometrische Form der Trägerstruktur gegeben ist. Existiert eine solche analytische Lösung, so ist es möglich, ein numerisch sehr effizientes teilanalytisches Verfahren zu entwerfen. Im anderen Fall muß eine allgemeine vollnumerische Methode herangezogen werden, die keine Annahmen bezüglich der Form der Trägerstruktur macht. Dementsprechend behandelt die Arbeit zwei verschiedene Methoden. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem Verfahren für Sektorgruppen von wellenleitergespeisten Aperturstrahlern auf metallischen Kreiszylindern. Konzentrische Schichten homogener Materialien können sowohl außerhalb des Metallzylinders, als auch innerhalb der speisenden Wellenleiter angeordnet sein. Das Modellierungsverfahren beruht auf der Aufstellung von verallgemeinerten Streumatrizen durch Anwendung eines ""Mode-Matching"" (MM) Verfahrens. Die im Hinblick auf die Anwendung der Gruppenantenne wichtige Diagrammsynthese bei gerichteter Abstrahlung wird ebenfalls behandelt. Es wird ein invertives mathematisches Syntheseverfahren vorgestellt. Aufgrund des Vollwellenansatzes werden dabei implizit sämtliche physikalischen Effekte berücksichtigt. Hierauf aufbauend wird eine Software entwickelt, deren Einsatzmöglichkeiten nicht nur auf das Abstrahlverhalten (Diagrammsynthese) einer Antennenkonfiguration beschränkt sind, sondern es können auch Anpassung, Elementverkopplung und anhand einer zylindrischen Wellentransformation Streueigenschaften (RCS bzw. SW) untersucht werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen eines vollnumerischen Hybridverfahrens für den Entwurf von wellenleitergespeisten Aperturstrahlern in beliebig gekrümmten metallischen Oberflächen vorgestellt. Zur Modellierung der metallischen Oberflächen wird eine Randintegralgleichungsmethode - die ""Boundary Element Method"" (BEM) - herangezogen. Es wird eine magnetische Feldintegralgleichung (MFIE) aufgestellt und mit einer Momentenmethode (MoM) numerisch gelöst. Die Formulierung der klassischen BEM wird hier so erweitert, daß metallische Oberflächen mit kleinen lokalen Krümmungsradien numerisch effizient modelliert werden können. Die Aperturen werden durch eine neuartige Kombination der Integralgleichungsmethode mit einem ""Mode-Matching"" (MM) Verfahren in die Formulierung eingebunden. Diese kombinierte Methode kann als hybride BEM/MM bezeichnet werden, die zur Untersuchung von Abstrahl-, Verkopplungs- und Streuproblemen unter Berücksichtigung der gesamten Antennenanordnung inklusive der beliebig geformten Trägerstruktur eingesetzt werden kann.This work deals with the theoretical principles of two exact methods (full-wave methods) for the electromagnetic computer-aided design of conformal array antennas. Typical configurations of antenna elements on curved surfaces are investigated based on these methods. With respect to the available electromagnetic modelling methods conformal array antennas are divided into two classes. The distinction is drawn depending on the existence of analytical modal solutions of the boundary value problem given by the carrier structure. In case of the existence of an analytical solution it is possible to develop a very efficient partly analytical modelling method. Otherwise, a general fully numerical method has to be applied, which does not make any assumptions about the carrier structure. Thus, two different methods are presented. The first part of this work deals with a method for sector arrays of waveguide-fed aperture elements on circular metal cylinders. Concentric layers of homogeneous materials may be placed both outside the metal cylinder and inside the feeding waveguides. The modelling method is based on the use of generalized scattering matrices, which are set up by a "mode-matching" (MM) technique. A pattern synthesis method, which is essential with respect to the application of the array antenna, is also presented. It is based on an invertive mathematical approach and due to the modelling by a full-wave method all physical effects introduced by the antenna configuration are implicitly taken into account. The software, which has been developed based on this approach, can be used for investigations on radiation properties (pattern synthesis), as well as element matching, mutual coupling and - using a cylindrical wave transformation - scattering (RCS or SW). The second part of this work presents the basics of a fully numerical hybrid method for the design of waveguide-fed aperture elements embedded into arbitrarily shaped metal surfaces. The metal surfaces are modelled by a boundary integral method called "boundary element method" (BEM). A magnetic field integral equation (MFIE) is set up and solved numerically by a method of moments (MoM). Surfaces with small radii of curvature are efficiently modelled by an extension of the classical formulation of the BEM. The apertures are included in this formulation by a novel combination of the integral equation method with a "mode-matching" (MM) technique. This combination can be called "hybrid BEM/MM" and may be applied to the investigation of radiation, mutual coupling and scattering problems taking into account the complete antenna configuration including the arbitrarily shaped carrier structure.de621doctoral thesis