Steuerbares Gradienten-Index Fishnet zur Strahlformung bei 60 GHz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Damm; Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 350604071

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Metamaterialien besitzen elektrische und magnetische Antworten auf eine Anregung mittels einer Freiraumwelle, die bei keinem in der Natur vorkommenden Material zu finden ist. In dieser Arbeit wurden sogenannte Fishnet-Metamaterialien untersucht, die ein breites Spektrum an möglichen Amplituden- und Phasengänge erlauben. In der Anwendung als Gradientindex-Linse können sie zur statischen Strahlformung eingesetzt werden, wobei sie aufgrund ihrer planeren Struktur mit einer Dicke unter einer Wellenlänge gegenüber ähnlich konstruierten Fresnellinsen ein geringeres Gewicht aufweisen. Eine Fertigung erfolgt dabei mit etablierten PCB-Prozessen. Durch Einbringen eines variablen Substrats in die Einheitszelle, das hier durch Flüssigkristall (englisch: liquid crystal, LC) realisiert wird, kann die Fishnet-Struktur für rekonfigurierbares Beamforming eingesetzt werden. Dies erfolgt durch Anlegen einer Biasspannung an jeder Einheitszelle, die lokal die Transmissionseigenschaften, insbesondere der Phase, des Gesamtarrays einstellt. Herausfordernde Aspekte sind dabei die Fertigung der Flüssigkristallkavitäten, der Entwurf eines Einheitszellendesign, das individuelle Ansteuerung jeder Einheitszelle in einem vollbesetzten zweidimensionalen Array erlaubt und das Umgehen der Limitierung in der Phasenabstimmbarkeit, bestehender Fishnet-Designs. In dieser Arbeit wurden daher zunächst Fertigungsverfahren erprobt, die die Realisierung eines Fishnet-Metamaterials auf Alumina bei 60 GHz und fused-silica Glas bei 132 GHz erlauben. Das Problem der individuellen Ansteuerung der Einheitszellen wurde mittels eines Matrixverfahrens gelöst, dies ist dabei angelehnt an das Ansteuerverfahren passiver LC-Displays. Desweiteren wurden Konzepte untersucht, die die Fishnet-Struktur signifikant verändern, mit dem Ziel einer kompletten 360° Phasenabstimmbarkeit, wie es für eine ideale Fresnellinse gefordert ist, zu erreichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Liquid Crystal Based Tunable Reflection-Type Power Divider. 2018 48th European Microwave Conference (EuMC), 45-48. IEEE.
  Nickel, Matthias; Muh, Mario; Reese, Roland; Polat, Ersin; Jost, Matthias; Damm, Christian; Jakoby, Rolf & Maune, Holger
  
• A Millimeter-Wave Beam-Steering Lens Antenna With Reconfigurable Aperture Using Liquid Crystal. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 67(8), 5313-5324.
  Reese, Roland; Jost, Matthias; Polat, Ersin; Tesmer, Henning; Strobl, Jonathan; Schuster, Christian; Nickel, Matthias; Jakoby, Rolf & Maune, Holger
  
• "Model-based Optimization of Fishnet Metamaterial Lenses under Oblique Incidence," 2022 14th German Microwave Conference (GeMiC), Ulm, Germany, 2022, pp. 01-04
  A. Diepolder, M. Mueh, S. Brandl, C. Waldschmidt & C. Damm
  
• Characterization Techniques for Reconfigurable Reflectarray Unit Cells at 240 GHz. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 21(9), 1911-1915.
  Brandl, Susanne; Mueh, Mario; Diepolder, Adrian; Kunakovskaya, Ekaterina; Ulusoy, A. Cagr; Damm, Christian & Waldschmidt, Christian