Millimeter wave beam steering antenna platform for mobile 140 GHz wireless systems in hybrid Liquid Crystal - Nanowire Membrane technology
Final Report Abstract
Das Ziel des DFG-Projekts "BESTSHIFT" war die Realisierung von planaren abstimmbaren mmW-Demonstratoren für eine Antennenplattform bei 140 GHz unter Verwendung von individuellen und gemischten Strahlschalt- und Strahlsteuerungsnetzwerken. Die Idee dahinter war, planare slow-wave transmission lines auf Basis von Nanodrähten-gefüllten anodischen Aluminiumoxid-Membranen (NaM) mit der Mikrowellen-Flüssigkristall (LC)-Technologie zu kombinieren, um eine Miniaturisierung und schnelle Reaktionszeiten zu erreichen. Als Schlüsselkomponente wurden zunächst Phasenschieber auf Basis dieser hybriden LC-NaM-Technologie erfolgreich mit hervorragenden Messergebnissen realisiert, um den Strahl kontinuierlich zu steuern. Darüberhinaus wurden Butler-Matrizen mit durchgangslosen Kreuzungen entwickelt, um den Antennenstrahl zwischen diskreten Richtungen umzuschalten. Aufgrund von Covid-19 schloss der Projektpartner an der Universität São Paolo (USP) jedoch sein Labor im März 2020 für ein Jahr. Erst dann konnten die via-less crossover mit neuartigem Design als zentrale Komponente der Butler-Matrix realisiert und charakterisiert werden. Sie zeigen Ultrabreitbandeigenschaften von DC bis 110 GHz, geringe Verluste, hohe Isolation und geringe Größe. Die NaM-basierte Butler-Matrix konnte jedoch noch nicht fertiggestellt werden, wird aber über das Projekt hinaus weiterhin angestrebt. Ein weiteres Ziel in diesem Projekt war es, sämtliche mmW-Komponenten in zwei Schritten hinsichtlich des Betriebsfrequenzbereichs zu realisieren und zu testen: zunächst bis 67 GHz zur einfachen Herstellung, Kalibrierung und Messung und dann bis 140 GHz. Die Komponenten bis 140 GHz wurden bereits entworfen und ihre Herstellung war geplant, aber während der Koronazeit gingen uns die NaM-Proben aus. Als das Labor am USP im März 2021 wieder in Betrieb genommen wurde, beschlossen wir unsere Bemühungen auf die Herstellung aller im Projektvorschlag definierten Komponenten bis 67 GHz zu konzentrieren, anstatt bestehende Komponenten für höhere Frequenzen bis 140 GHz herzustellen, da die Herstellungskapazität des USP begrenzt war. Um die Zeit während der Schließung des Labors an der USP zu nutzen, wurde die Forschung auf ein zweites, im Projekt nicht vorgesehene Konzept mit Defected Ground Structures (DGS) ausgeweitet, deren gesamte Herstellung an der TU Darmstadt möglich war. Hierbei zeigen LC-DGS-Phasenschieber ähnliche Ergebnisse wie für LC-NaM, sind aber flexibler im Design und kostengünstiger herstellbar. Sie wurden bereits erfolgreich in mehreren rekonfigurierbaren Antennenkonfigurationen integriert, so u.a. in einem konventionellen Array mit vier planaren 360° LC-DGS-Phasenschiebern zur kontinuierlichen Strahlsteuerung von ±35° und einem Gewinn von 4,5 dBi, einem Array mit einer 4´4-Butler-Matrix und vier 135°-LC-DGS-Phasenschiebern, die gleichzeitig Strahlumschaltung und kontinuierliche Strahlsteuerung zwischen den einzelnen Strahlrichtungen in einem Schwenkbereich von ±55° und 5,6 dBi Gewinn ermöglichen sowie einem kompakten interferenzbasierten SPDT mit flexiblem Leistungsteilerverhältnis zum Schalten der Butler-Matrix.
Publications
- “A compact butler matrix design based on metallic nanowire filled membrane technology and tunable phase shifter at 160 z,” in 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Sep. 2019, pp. 1–2
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