In dieser Arbeit werden kontinuierlich elektrisch abstimmbare Metamaterial-Leckwellenantennen für Ka-Band-Anwendungen mit eindimensionaler Strahl- schwenkung entworfen, hergestellt und untersucht.

Das entwickelte Antennenkonzept basiert auf der Verknüpfung von Leckwellenantennen und Metamaterialien. Leckwellenantennen bieten eine hohe Direktivität bei geringer Bauhöhe während Metamaterialien Flexibilität im Entwurfsprozess anhand ihrer Dispersionseigenschaften ermöglichen.

Zusätzlich wird durch Einsatz von Flüssigkristallen als steuerbares Material eine spannungsgesteuerte Strahlschwenkung erreicht. Entwurf, Implementierung und Charakterisierung von spannungsgesteuerten Metamaterial-Einheitszellen, aus denen die Leckwellenantenne besteht, werden detailliert beschrieben. Der Entwurfsprozess und die Analyse der Dispersionseigenschaften sowie der Steuerbarkeit von Einheitszellen werden anhand von Ersatzschaltbildern und analytischen sowie Vollwellen-Modellen durchgeführt. Weiterhin werden Toleranz- und Verlustanalysen sowie Fernfelduntersuchen durchgeführt. Außerdem werden technologische Randbedingungen, die die Realisierbarkeit der untersuchten Einheitszellen einschränken, sowie der Einfluss von Entwurfs- und Herstellungstoleranzen auf die Antenne untersucht. Darüber hinaus wird ein Herstellungsprozess zur Kombination der Mikrowellenstrukturen mit resistiven Speisenetzwerken und Flüssigkristallkavitäten umfassend untersucht und in dieser Arbeit vorgestellt.

Verschiedene aufgebaute Antennenprototypen werden präsentiert. Anhand einer magnetisch steuerbaren Leckwellenantenne für 27 GHz, welche ein statisches Magnetfeld zur Strahlschwenkung benutzt, wird das vorgestellte Einheits- zellen-Konzept demonstriert und untersucht. Zusätzlich wird eine elektrisch steuerbare Leckwellenantenne präsentiert, bei der die Orientierung von Flüssig- kristallmolekülen und damit eine Strahlschwenkung bei etwa 27 GHz durch Anlegen einer variablen Spannung realisiert wird. Simulationsergebnisse, vektorielle Netzwerkanalysen und Fernfeldmessungen beider Prototypen werden verglichen und eine detaillierte Analyse der magnetischen sowie elektrischen Steuerung durchgeführt. Darüber hinaus werden die Steuerzeiten der aufgebauten elektrisch steuerbaren Leckwellenantenne mit dem in dieser Arbeit verwendeten Flüssigkristall ermittelt.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte in Verbindung mit gefertigten Prototypen zeigen, dass der Einsatz von kontinuierlich abstimmbaren Metamaterialien eine zuverlässige Möglichkeit bietet, elektrisch steuerbare Leckwellenantennen für das Ka-Band zu realisieren. Aufgrund der guten elektromagnetischen Eigenschaften von Flüssigkristallen bei höhrenen Frequenzen, ist das dargestellte Antennenkonzept sowie Entwurfsmethoden für Frequenzen bis mindestens 4 THz anwendbar. Dies ist insbesondere für aktuelle und zukünftige Anwendungen in modernen, drahtlosen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung.