Neuartige kontinuierlich steuerbare und miniaturisierte passive "slow-wave" Phasenschieber mit schnellen Schaltzeiten für Anwendungen im Millimeterwellenbereich, basierend auf Flüssigkristall- (LC) und Nanodraht-befüllten-Membran- (NaM) Technologie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby; Professor Dr.-Ing. Holger Maune
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314460176

Die Flüssigkristall (LC) Technologie, welche im letzten Jahrzehnt von der TU Darmstadt innovativ für den Mikrowellenbereich angepasst wurde, ist eine der vielversprechendsten Lösungen zur Herstellung von kontinuierlich steuerbaren Komponenten im Millimeterwellen Bereich, da ihre Verluste bei steigender Frequenz sinken. Bei 30 GHz zum Beispiel weisen sie sehr geringe dielektrische Verluste tand < 0,006 und eine kontinuierliche Steuerbarkeit von bis zu 27% auf, was in einer Gütezahl (FoM), definiert als das Verhältnis der maximalen differentiellen Phasenverschiebung über der maximalen Einfügedämpfung, von ca. 200°/dB oder 110°/dB für Hohlleiter bzw. invertierte Mikrostreifenleitungsphasenschieber resultiert. Trotz ihrer höheren Verluste im Vergleich zu Hohlleitern, zeichnen sich planare Strukturen durch ihre geringe Dicke aus, sie sind einfach herzustellen und man kann auf automatisierte Herstellungsmechanismen, ähnlich der der LC-Display Technologie, zurückgreifen. Da LC ein Dielektrikum ist, ist der Leistungsverbrauch zur Ansteuerung sehr gering. Nichtsdestotrotz sehen sich LC Phasenschieber zwei kritischen Parametern konfrontiert: Sie benötigen eine zu lange physikalische Länge für die Bereitstellung einer differentiellen Phase von 360°, was viel mehr ist als die vorgegebene Fläche eines Antennenelements, und sie besitzen zu lange Reaktionszeiten (typischerweise > 1 Min), wo für Strahlsteuerungen in mobilen Anwendungen Reaktionszeiten von weniger als 30 ms benötigt werden. Um diese Probleme zu überwinden zielt dieses Projekt auf eine neue Technologie ab, welche alle Anforderungen wie die hohe FoM, geringe Einfügedämpfung, schnelle Reaktionszeiten etc., durch die erstmalige Kombination zweier unabhängig entwickelter, innovativer Technologien, der Flüssigkristalle und der Nanodraht befüllten Membran (NaM) Technologie, erfüllen kann. Die kombinierte LC-NaM Technologie ermöglicht somit durch die Ausnutzung des sogenannten Slow-Wave Effekts die Miniaturisierung von steuerbaren Mikrowellenkomponenten um mindestens einen Faktor 3. Als Machbarkeitsnachweis dieser neuen Technologie werden in diesem Projekt erstmals weltweit passive, kontinuierlich steuerbare Slow-Wave Phasenschieber für WPAN Anwendungen bei 60 GHz entworfen, realisiert und untersucht. Das Ziel ist es mit Hilfe des Slow-Wave Effekts Phasenschieber mit LC Schichtdicken von wenigen µm herzustellen, welche eine hohe FoM von mindestens 70°/dB bei 60 GHz erreichen und gleichzeitig ihre Reaktionszeiten von mehr als 1 min, bei bisherigen LC Schichtdicken von 50 bis 150 µm oder mehr, auf 30 ms oder weniger zu verringern. Damit soll es möglich sein eine neue Generation von miniaturisierten Phasenschiebern zu realisieren, welche schnelle Reaktionszeiten und hohe FoM im Millimeterwellenbereich haben, kombiniert mit geringem Leistungsverbrauch, und welche sich einfach in jedes Antennenelement einer großen Gruppenantenne integrieren lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien, Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Philippe Ferrari; Professor Dr. Gustavo Rehder