Millimeterwellen-strahlgesteuerte Antennenplattform für mobile 140 GHz-Funksysteme in hybrider Flüssigkristall - Nanodraht-befüllter Membran-Technologie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 373316056

Im letzten Jahrzehnt ist die Nachfrage nach höheren Datenraten in drahtlosen Zugangssystemen stetig gestiegen. Daher wird weltweit nach Lösungen gesucht, auch mit drahtlosen Systemen immer höhere Datenraten zu erzielen und damit den steigenden Kapazitätsanforderungen gerecht zu werden. Alle Ansätze führen letztendlich zu einer Erhöhung der Betriebsfrequenz des Systems und damit zu höheren absoluten Bandbreiten, insbesondere oberhalb 100 GHz. Dies macht aber die Entwicklung neuer Technologien zur Realisierung von steuerbaren Antennen mit großer Richtwirkung und hohem Gewinn notwendig. Insbesondere bei mobilen Systemen ist daher die kontinuierliche Nachführung der schmalen Antennenkeule aufgrund der hohen Freiraumdämpfung und der Mehrwegeausbreitungseffekte essentiell. Dies stellt jedoch eine besondere Herausforderung an die verwendete Hardware und zugrundeliegender Technologie für elektronisch steuerbare Antennensysteme dar. Hier spielen neben der kosteneffizienten Realisierbarkeit auch Faktoren wie Zuverlässigkeit, Dynamik, Leistungsaufnahme und Formfaktor eine entscheidende Rolle.Innerhalb des angestrebten Forschungsprojekts werden zur Lösung dieser Herausforderungen und zum Aufbau einer innovativen Entwicklungsplattform, die der Realisierung weiterer Millimeterwellensystemen dient, zwei bisher getrennt entwickelte, innovative Technologien vereint. Zum einen ist dies die Flüssigkristall (Liquid Crystal, LC) Technologie, welche innerhalb der letzten 13 Jahre an der TU Darmstadt für den Mikro- und Millimeterwellenbereich etabliert wurde und zum anderen die Nanodraht-befüllte Membran (nanowire filled membrane, NaM) Technologie, welche von UJF in Frankreich und USP in Brasilien entwickelt wurde. Zusätzlich lassen sich durch das von UJF und USP etablierte "Slow-Wave"-Konzept miniaturisierte und zeitgleich hocheffiziente Schaltungen realisieren. Damit sind kompaktere steuerbare LC-Schaltungen wie Phasenschieber und Hochfrequenzschalter mit deutlich schnelleren Steuerschaltzeiten und verringerten Einfügeverlusten möglich. Die Herausforderungen bei diesem Projekt liegen sowohl in der erstmaligen Kombination beider neuen Technologie, dem Design der innovativen Komponenten wie Hochfrequenzschalter als auch in deren Realisierung.Als Machbarkeitsstudie wird als Systemdemonstrator ein strahlschwenkendes Antennensystem im D-Band um 140 GHz angestrebt, welches in einem mobilen Kommunikationsszenario und in einer Radaranwendung getestet werden soll. Dieser Systemdemonstrator beruht auf einem neuen, hybriden Phasensteuerungskonzept, das diskrete Phasenverschiebungen einer Butler-Matrix mit kontinuierlicher Phasensteuerung von Flüssigkristall-Phasenschiebern kombiniert, um so den vollen Strahlschwenkbereich mit möglichst geringen Verlusten zu ermöglichen. Das vorgeschlagene Konzept erfordert mehrere Hochfrequenzschalter, die erstmals in hybrider Flüssigkristall - NaM-Technologie in Kombination mit dem "Slow-Wave"-Konzept angestrebt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen