Additiv-gefertigte dielektrische Gruppenantennen mit flüssigkristallbasierter Strahlschwenkung für integrierbare Millimeterwellensysteme

• Antragsteller: Dr.-Ing. Gerald Gold; Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398656024

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war es, innovative Konzepte und Methoden für additiv-gefertigte, integrierbare, elektrisch-steuerbare Spiegelleitungskomponenten zu entwickeln und deren Machbarkeit anhand einzelner Komponenten und einer vollständig gedruckten phasengesteuerten Antenne im W-Band zu erproben. Der Aufbau dieser Komponenten beinhaltete eine geschlossene, dichte Kavität, in die LC eingebracht werden kann, die Erprobung, wie Elektroden in das Bauteil integriert werden können, und die Kombination von verschiedenen Herstellungsprozessen, um eine vollständige additive Fertigung zu gewährleisten. Im ersten Projektabschnitt der Fertigung konnte die Haftung zwischen Dielektrikum und metallischem Substrat, mittels Plasmabehandlung, erreicht werden, die inharent zunächst eine Reduktion der Einfügedämpfung um ca. 3 dB gegenüber geklebten, klassisch gefrästen Rexolite-DILs versprach. Darauf aufbauend könnten Kavitäten in den Leitungselementen erzeugt werden, welche zuverlässig LC aufnehmen können, womit sich nun Phasenschieber realisieren lassen. Diese zeigen jedoch höhere Einfügedämpfungen gegenüber geklebten, klassisch gefrasten steuerbaren Rexolite-Komponenten aufgrund der starken Schwankungen in der Kavitätsform und den damit verbundenen Verlusten. Darüber hinaus konnten nicht-steuerbare Leckwellenantennen mit einer Kombination aus Kunststoffextrusion und Piezo-Jetting leitfähiger Silbernanotinte aufgebaut und elektrisch charakterisiert werden. Im Bereich der Systemintegration konnten reflexionsarme Schnittstellen, d.h. Modenkonverter von üblichen planaren Streifenleitungstechnik auf dielektrische Spiegelleitungen hergestellt werden. Mit steigender Komplexität des Aufbaus war es allerdings nicht möglich, eine mit LC-Phasenschiebern steuerbare Gruppenantennen herzustellen. Es wurde jedoch gezeigt, dass Einzelkomponenten auf DIL-Basis wie Leitungen, Leitungsübergange, Antennenelemente sowie elektrisch steuerbare Phasenschieber auf diese Weise zuverlässig erzeugt werden können, was die Grundlagen für eine DIL basierte Aufbau-und Verbindungstechnik für Anwendungen im dreistelligen GHz-Bereich legt. Es ist hervorzuheben, dass die Erkenntnisse dieser Untersuchung auch in andere Forschungsprojekte eingeflossen sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Dielectric Image Line Liquid Crystal Phase Shifter at W-Band. In: 2020 German Microwave Conference (GeMiC). 2020, S. 156–159
  Henning Tesmer & a.
  
• Liquid Crystal Based Parallel-Polarized Dielectric Image Guide Phase Shifter at W-Band. 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 305-308. IEEE.
  Tesmer, Henning; Reese, Roland; Polat, Ersin; Jakoby, Rolf & Maune, Holger
  
• Feasibility of Additively Manufactured Tunable Liquid Crystal Loaded Dielectric Waveguides. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 31(8), 973-976.
  Tesmer, Henning; Gold, Gerald; Bachbauer, Felix; Polat, Ersin; Sippel, Mark; Jakoby, Rolf; Vossiek, Martin & Maune, Holger
  
• Temperature Characterization of Liquid Crystal Dielectric Image Line Phase Shifter for Millimeter-Wave Applications. Crystals, 11(1), 63.
  Tesmer, Henning; Razzouk, Rani; Polat, Ersin; Wang, Dongwei; Jakoby, Rolf & Maune, Holger
  
• Dielectric Image Line Rod Antenna Array With Integrated Power Divider at W-Band. 2022 16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–5.
  Tesmer, Henning; Stumpf, Daniel; Polat, Ersin; Wang, Dongwei & Jakoby, Rolf
  
• Fully-Integrated Dielectric Image Line Phased Array with Liquid Crystal Phase Shifters at W-Band. 2022 52nd European Microwave Conference (EuMC), 171-174. IEEE.
  Tesmer, Henning; Polat, Ersin; Wang, Dongwei & Jakoby, Rolf
  
• Reconfigurable Liquid Crystal Dielectric Image Line Leaky Wave Antenna at W-Band. IEEE Journal of Microwaves, 2(3), 480-489.
  Tesmer, Henning; Razzouk, Rani; Polat, Ersin; Wang, Dongwei & Jakoby, Rolf
  
• Feasibility of Manufacturing Dielectric Image Lines by Using Laser-Based Directed Energy Deposition of Polymers. IEEE Access, 11, 120585-120592.
  Wittmann, Alexander; Bader, Tobias; Chamandani, Saeed Alidoust; Hentschel, Oliver; Schmidt, Michael & Gold, Gerald
  
• Liquid Crystal Dielectric Image Lines for Integrated Reconfigurable Millimeter-Wave Beamsteering Applications. Diss.
  Henning Tesmer
  
• 3D-Printed Dielectric Image Lines Towards Chip-to-Chip Interconnects for subTHz-Applications. 2024 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas, Biomedical Engineering and Electronic Systems (COMCAS), 1-5. IEEE.
  Hahn, Leonhard; Pfahler, Tim; Bader, Tobias; Gold, Gerald; Vossiek, Martin & Carlowitz, Christian
  
• Additively Manufactured Leaky Wave Antenna in Dielectric Image Line Technology. 2024 54th European Microwave Conference (EuMC), 224-227. IEEE.
  Bader, Tobias & Gold, Gerald
  
• Tight Non-Radiating Bends of 3D-Printed Dielectric Image Lines Based on Electromagnetic Bandgap Mirrors. 2024 IEEE Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), 1-4. IEEE.
  Hahn, Leonhard; Bader, Tobias; Carlowitz, Christian; Vossiek, Martin & Gold, Gerald
  
• Towards Dielectric Chip-to-Chip Interconnects for THz Applications. 2024 IEEE Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), 1-4. IEEE.
  Bader, Tobias & Gold, Gerald
  
• Analog Phase Shifter with Substrate Integrated Electrodes in Dielectric Image Line Technology. 2025 55th European Microwave Conference (EuMC), 270-273. IEEE.
  Bader, Tobias & Gold, Gerald