Planare Gruppenantennen mit elektronisch rekonfigurierbarer Apertur

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Waldschmidt, seit 2/2024
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444833493

In den letzten Jahren haben elektronisch steuerbare Gruppenantennen für Sensor- und Kommunikationssysteme im Millimeterwellenbereich zunehmend an Relevanz gewonnen. Während lange Zeit die ökonomische Hürde für diese Systemarchitekturen aufgrund ihrer hohen Komplexität sehr hoch angesiedelt war, haben sich mittlerweile Gruppenantennen mit elektrischer Strahlschwenkung in vielen zivilen und kommerziellen Anwendungsbereichen etabliert. Stellvertretend für den mannigfaltigen Einsatz können Radarsensoren für Kraftfahrzeuge bei 77 GHz, terrestrische Funkverbindungen bei 25 GHz (5G) / 60 GHz und die mobile Satellitenkommunikation bei 30 GHz als prominente Beispiele angeführt werden. Ausschlaggebend für diese Entwicklung waren in erster Linie die enormen Fortschritte in der Silizium-Germanium (SiGe)-Halbleitertechnologie, die inzwischen die hochminiaturisiert und kostengünstige Realisierungen von vollständigen Transceiver-Topologien in diesem Frequenzbereich ermöglichen. Jüngste Entwicklungen zeigen, dass durch mehrkanalige System-on-Chip (SoC) Lösungen ein großer Teil der Systemkomplexität in die Schaltungsebene verlagert werden kann. Obwohl der Funktionsumfang, der im analogen und digitalen Schaltungsteil solcher Antennensysteme beherbergt ist, stetig wächst, ist eine grundsätzliche Erweiterung der Funktionalitäten unmittelbar an den Strahlerelementen nicht zu beobachten. Da sich bei elektronisch schwenkbaren Gruppenantennen die Eigenschaften inhärent mit der Manipulation der komplexwertigen Anregungen ändern, muss beim Entwurf des passiven Strahlerelements zwangsläufig ein Kompromiss hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, bspw. über dem Ablagewinkel, getroffen werden. Grundsätzlich sind diese Wirkzusammenhänge für passive Strukturen aus der Literatur bekannt, die sich im Ortsbereich als die Überlagerung von Koppelfaktoren zu benachbarten Strahlerelementen beschreiben lassen.In diesem Forschungsvorhaben soll erstmals ein planares Antennenkonzept grundlegend untersucht werden, in dem die Apertur der Gruppenantenne im Millimeterwellenbereich elektronisch rekonfigurierbar ausgelegt wird. Damit ist es erstmals möglich die Strahlungsdiagrammsynthese sowohl über die komplexwertige Elementanregung als auch über die elektronische Rekonfiguration der wechselseitigen Elementinteraktion in der Aperturebene vorzunehmen. Dadurch ergeben sich völlig neue Freiheitsgrade bei der Auslegung von planaren Gruppenantennen. Neben der elektronischen Strahlschwenkung durch die entsprechende Elementanregung eröffnet sich durch die zusätzliche Rekonfigurierbarkeit der Apertur die Möglichkeit, gezielt den Gewinnabfall bei höheren Ablagewinkeln über einen großen Frequenzbereich zu reduzieren. Außerdem sollen Gruppenantennen mit nichtlinearer bzw. aktiv steuerbarer Apertur untersucht werden, die Interferenzsignale abhängig von der (spektralen) Leistungsdichte, Modulation und den Ablagewinkeln unterdrücken können, ohne auf klassische Beamforming-Ansätze zurückzugreifen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Tobias Chaloun, bis 1/2024