Hybride phasengesteuerte Gruppenantennen für hochbitratige Übertragungssysteme im Millimeterwellenbereich (HyPAA)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Kissinger; Professor Dr.-Ing. Holger Maune
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320392473

Das angestrebte Projekt befasst sich mit den Herausforderungen bei der Entwicklung von mobilen Funkverbindungen mit hoher Datenrate im Millimeterwellenbereich. Hierbei führt die Zunahme der Freiraumdämpfung in Kombination mit dem vermehrten Auftreten von Sauerstoff- und Wasserresonanzen zu einer sehr knappen Leistungsübertragungsbilanz. Daher ist zum Erreichen eines genügenden Signal-Rauschabstandes der Einsatz von hochdirektiven Antennen unabdingbar. Zur Aufrechterhaltung der Funkverbindung ist, besonders bei mobilen Anwendungen, eine Nachführung der Antennenkeule notwendig. Da mechanisch gesteuerte Antennen im Allgemeinen sperrig, schwer, wartungsintensiv und teuer sind, geht man mehr und mehr dazu über, die mechanischen Komponenten durch elektronische Steuermechanismen zu ersetzen. Die Implementation dieser phasengesteuerten Gruppenantennen ist allerdings komplex und teuer, wenn jede Einzelantenne einer NxM Antennenmatrix über einen separaten HF-Kanal angesteuert wird, um die notwendige Amplituden- und Phasenbelegung im Basisband einzustellen. Vielversprechender ist, die Phasenbelegung im HF-Bereich mittels passiver Phasenschieber zu realisieren, was die Zahl unabhängiger HF-Kanäle drastisch reduziert. In diesem Projekt wird die innovative Anwendung von Flüssigkristall als steuerbares Material in Kombination mit aktiven Komponenten zur Realisierung einer hybriden Antennenmatrix angestrebt. Hierbei spielen die Anforderungen an die Phasenschieber eine entscheidende Rolle. Da sie jedem Antennenelement zugewiesen sind, müssen sie kompakt genug sein, um in eine Einheitszelle der Antennenmatrix zu passen. Gleichzeitig sollten sie kompakt, flach und verlustarm sein, um den Anforderungen für mobile Anwendungen gerecht zu werden. Des Weiteren muss der erzeugte Phasenhub groß genug sein, um den anwendungsspezifischen Steuerbereich abzudecken. Trotz der guten Verlusteigenschaften des LCs ist es schwierig, allen oben genannten Anforderungen zugleich gerecht zu werden. Daher wird in diesem Projekt zum ersten Mal die Kombination aktiver Komponenten mit steuerbaren passiven LC basierten Phasenschiebern angestrebt, um die hohen Anforderungen an die Phasenschieber zu entschärfen. Des Weiteren ermöglicht dieses Konzept durch die Anwendung von steuerbaren Verstärkern auch die uneingeschränkte Fernfeldsynthese (d.h. Steuerung der Phasen- und Amplitudenbelegung).Um die oben genannten Ziele zur erreichen, wird zuerst ein systematisches Verfahren zum Entwurf hybrider/aktiver phasengesteuerter Gruppenantennen entwickelt. Die passiven Phasenschieber werden mittels innovativer und vielversprechender LC-Technik realisiert. Zur Steigerung der Systemperformanz bzgl. SNR, Größe und Leistungsaufnahme, werden aktive Sende-Empfangs-Schaltungen in das Antennenpanel integriert. Die Herausforderungen werden insbesondere in der Anpassung des Entwurfsverfahrens auf dieses Konzept als auch in der Integration von aktiven und LC basierten Komponenten liegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen