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

Im W-Band und bei höheren Frequenzen sind steuerbare planare HF-Komponenten aufgrund ihrer hohen Verluste nicht mehr sinnvoll einsetzbar. Im vorangegangenen Forschungsprojekt wurde daher bereits der Grundstein für neuartige, verlustarme, steuerbare HF-Komponenten auf Basis dielektrischer Spiegelleitungen (dielectric image line, DIL) gefüllt mit speziellen Flüssigkristallen (liquid crystals, LCs) gelegt. Erste Phasenschieber-Teststrukturen belegen das Funktionsprinzip, jedoch lassen die einzeln gefrästen Komponenten aufgrund ihrer modularen und offenen Bauweise eine Integration in einem größeren System nur schwer zu. Der Verschluss der Kavitäten dieser LC-basierten dielektrischen Komponenten erfordert wiederum Klebstoff, der zusätzliche Verluste und Adhäsionsprobleme hervorruft, die teilweise zu Ausfällen durch undichte Stellen führen und somit einen breiteren und zuverlässigen Einsatz dieser dielektrischen Technologie erschweren.Mit innovativen additiven Fertigungsmethoden dagegen, werden durch direktes Drucken des dielektrischen Leiters auf eine metallische Massenfläche störende Luftspalte vermieden und es sind keine verlustbehafteten Klebstoffe zur Adhäsion auf der Massefläche oder zur Versiegelung der entstehenden LC-Kavität erforderlich. Zudem erlaubt diese Methode eine anschließende strukturierte Metallisierung der DIL für die Steuerelektroden zur Orientierung der Flüssigkristalle.Im Rahmen dieses angestrebten Forschungsvorhabens sollen daher Grundlagen, innovative Konzepte und Methoden für additiv-gefertigte, integrierbare, elektrisch-steuerbare Komponenten auf Basis dielektrischer Spiegelleitungen im Millimeterwellenbereich geschaffen bzw. entwickelt werden. Die Erforschung und Erprobung innovativer additiver Fertigungsverfahren erfolgt exemplarisch anhand einzelner Komponenten und einer kompletten phasen-gesteuerten, dielektrischen Gruppenantenne (phased array) im W-Band, bestehend aus den einzelnen Antennenelementen, Flüssigkristall-Phasenschiebern und einem Speisenetzwerk. Ein Ziel ist es, die Machbarkeit steuerbarer DIL-Komponenten mit dieser neuen Herstellungsmethode zu demonstrieren, die derzeitigen Grenzen der additiven Fertigung von HF-Komponenten zu erforschen als auch entsprechend dedizierte Entwurfsmethoden zu entwickeln. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen der Sicherung zukünftiger, zuverlässiger Herstellungs- und Entwurfsregeln. Hierbei sind folgende Teilaspekte vorgesehen: 1.) die Untersuchung gedruckter, nicht-steuerbarer Antennenelemente, die aber bereits mit einer LC-Integration kompatibel sind und 2.) die Erweiterung dieses Prozesses zur Herstellung geschlossener Spiegelleitungen mit LC-Kavität sowie 3.) die Erforschung integrierter Elektrodenstrukturen, die direkt auf der gedruckten Spiegelleitung aufgebracht werden. Abschließend erfolgt 4.) die Analyse und Erprobung einer vollständig gedruckten, steuerbaren Gruppenantenne in der dielektrischen Spiegelleitungstopologie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen