Holographische MIMO-Antennensysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Waldschmidt, seit 2/2024
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492998157

In den letzten Jahren haben mehrkanalige Antennensysteme für Sensor- und Kommunikationsanwendungen im Millimeterwellenbereich zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ausschlaggebend für diese Entwicklung waren in erster Linie die enormen Fortschritte in der Silizium-Germanium- (SiGe-) und CMOS-Halbleitertechnologie, die inzwischen hochminiaturisierte und kostengünstige Realisierungen von vollständigen Transceiver-Topologien in diesem Frequenzbereich ermöglichen. Jüngste Entwicklungen zeigen, dass durch mehrkanalige System-on-Chip- (SoC-) Lösungen ein großer Teil der Systemkomplexität in die Schaltungsebene verlagert werden kann. Obwohl die aktuellen Halbleitertechnologien es erlauben, aktive Schaltkreise bei Betriebsfrequenzen über 500 GHz zu realisieren, zeichnen sich vergleichbare MIMO-Systeme bei über 150 GHz meist durch eine erheblich komplexere Aufbauweise bei geringerem Leistungsumfang aus. Neben der Herausforderung bei integrierten Millimeter- und Submillimeterwellen-Transceivern eine ausreichend hohe Ausgangsleistung im Sendepfad bzw. eine geringe Rauschzahl im Empfangspfad zu realisieren, sind die Gründe für die limitierte Leistungsfähigkeit auch in der stark verlustbehafteten und toleranzempfindlichen Aufbau- und Verbindungstechnik zu finden. Weiterhin existieren heutzutage kaum kompakte Antennensysteme über 150 GHz, die eine breitbandige, effiziente und gleichzeitig hochdirektive Abstrahlungscharakteristik aufweisen, da sich häufig klassische Entwurfsansätze für die Strahlerelemente nur unzulänglich mit den verfügbaren Halbleiter- bzw. Packaging-Technologien für den oberen Millimeterwellenbereich vereinbaren lassen.Ein möglicher Lösungsansatz für die letztgenannte Einschränkung stellen Leckwellenantennen dar, die auf dem holographischen Prinzip beruhen. Bei entsprechender Auslegung weist dieser Antennentyp prinzipbedingt kein resonantes Verhalten auf, was die Realisierungen von effizienten Antennen mit großer Wirkfläche und Bandbreite erlaubt. Dies setzt allerdings eine verlustarme Materialkomposition für die Antennenstruktur voraus, welche jedoch durch einen Antenna-in-Package (AiP)-Ansatz erreicht werden kann. Begünstigt wird die Integration in ein gehäustes Millimeterwellen-Frontend durch die flache und einfache Bauform von holographischen Antennen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll das Konzept erstmals für MIMO-Radarsensoren grundlegend untersucht werden. Im Vergleich zu klassischen MIMO-Radarsystemen, die typischerweise aus einem Verbund von Einzelstrahlern bestehen, ergeben sich völlig neue Freiheitsgrade bei der Holographie-basierten Auslegung der Strahlungscharakteristika, da diese sich nicht aus der ortsabhängigen Überlagerung von Einzeldiagrammen zusammensetzt. Der Kern der Zielsetzung stellt die grundlegende Untersuchung von holographischen Mehrtorantennen dar, von der aus ein skalierbarer und flexibler Syntheseprozess ableitet und mithilfe mehrerer Antennenprototypen messtechnisch verifiziert werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Tobias Chaloun, bis 1/2024