mm-Wellenantennen mit großer effektiver Empfangsfläche über einen weiten Winkelbereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Eibert
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244528272

Funkverbindungen leiden bei höheren Frequenzen (mm-Welle und darüber) immer mehr unter einer starken Zunahme der Übertragungsdämpfung. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird diese Zunahme der Übertragungsdämpfung häufig durch eine Zunahme der entsprechenden Freiraumdämpfung begründet. Dies ist jedoch nicht wirklich die physikalische Ursache für die Zunahme der Übertragungsdämpfung. Der wahre Grund für die Zunahme der Übertragungsdämpfung bei höheren Frequenzen ist dadurch gegeben, dass bei zunehmenden Frequenzen üblicherweise Empfangsantennen mit abnehmenden effektiven Empfangsflächen verwendetet werden. Eine Vergrößerung der effektiven Empfangsfläche führt gleichzeitig zu einer Vergrößerung des Gewinns der Antenne und damit auch zu einer abnehmenden Keulenbreite des Empfangsdiagramms. Dies führt wiederum dazu, dass Sende- und Empfangsantennen bei zunehmenden Frequenzen sorgfältig aufeinander ausgerichtet werden müssen und dass die Nutzbarkeit der Empfangsantennen mit ihren sehr schmalen Keulen im Rahmen von Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systemen sehr eingeschränkt ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird vorgeschlagen, Empfangsantennen zu untersuchen und zu realisieren, die eine große effektive Empfangsfläche über einen großen Empfangswinkelbereich aufweisen. Da solche Empfangsantennen nicht reziprok seine können, wird in dem vorgeschlagenen Konzept mit einer Frequenzumsetzung auf niedrigere Frequenzen gearbeitet. Jedoch wird dazu kein Lokaloszillatorsignal verwendet, das im Empfänger bereitgestellt werden muss, sondern das Empfangssignal wird mit sich selbst gemischt, z.B. durch einen quadrierenden Detektor, und die Signale von mehreren Antennen werden anschließend kohärent in einem niedrigeren Frequenzbereich zusammengeführt. Damit verhält sich die Empfangsantennengruppe so, wie wenn sie im niedrigeren Frequenzbereich betrieben würde, wogegen die Einzelantennen auf den höheren Frequenzbereich ausgelegt sind und auch entsprechend klein sein können. Der Mischvorgang kann dadurch unterstützt werden, dass Signale mit einem separaten Träger verwendet werden, wie es von der analogen Amplitudenmodulation bekannt ist. Jedoch sollen auch weitere, speziell designte und optimierte Signalformen im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes untersucht werden. Das vorgeschlagene Konzept kann einige der Einschränkungen von Funkverbindungen bei mm-Wellenfrequenzen und darüber im Hinblick auf Ultra-Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung überwinden, vor allem im Hinblick auf MIMO-Systeme, und es führt zur gleichen Zeit aber auch zu sehr einfachen Empfängerstrukturen, da keine Lokaloszillatorsignale im Empfänger erzeugt und verteilt werden müssen. Außerdem werden die Abstandsanforderungen zwischen den Antennenelementen im Empfangsantennen-Array um einiges entschärft, da diese sich nun auch an den Wellenlängen im niedrigeren Frequenzbereich orientieren. Im Gegensatz zu einer „konventionellen“ „Digital Beam-Forming“- Lösung, die zum Erreichen der angestrebten effektiven Empfangsfläche z.B. im 60 GHz Band weit mehr als 100 vollwertige Empfangskanäle (einen pro Antennenelement) mit Mischer, Lokaloszillator, rauscharmem Verstärker und Analog-Digital-Wandler benötigt, wird für das vorgeschlagene Konzept erst mal nur ein Empfangspfad mit rauscharmem Verstärker und Analog-Digital-Wandler benötigt, ergänzt durch je einen quadrierenden Detektor für jedes Antennenelement. Für MIMO würden mehrere der vorgeschlagenen Empfangsantennen nebeneinander oder ineinander verschachtelt realisiert und es würde für jeden MIMO Kanal ein Empfangspfad benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen