Multi-Mode Filter mit dielektrischen Resonatoren basierend auf additiv hergestellten Keramiken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Höft
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451730099

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung von Filtern basierend auf neuartigen dielektrischen Multi-Mode Resonatoren, die mithilfe keramischer 3D-Druck Verfahren hergestellt werden. Im Fokus stand die Optimierung von TE- und TM-Mode Filtern, um die Grenzen konventioneller Fertigungsmethoden zu überwinden und ihre Leistungsfähigkeit zu steigern. Ein zentraler Schwerpunkt lag auf der Untersuchung neuartiger Strukturen, die mittels klassischer Herstellungsverfahren nicht oder nur sehr aufwändig gefertigt werden können. Ein Optimierungsansatz war hierbei die Fertigung von Filtern, deren Resonatoren und Gehäuse aus demselben keramischen Material gefertigt werden. Dadurch können Kontaktverluste minimiert und die Temperaturstabilität der Filter erheblich verbessert werden, was insbesondere für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen von großer Bedeutung ist. Ein weiterer Fokus des Projekts war die Gewichts- und Volumenreduktion der Filter. Durch den Einsatz von Multi-Mode Resonatoren, die mehrere Moden bei derselben Frequenz nutzten können kompaktere Filter realisiert werden. Diese Fortschritte eröffnen neue Möglichkeiten für den Einsatz der Filter in Bereichen wie der Mobilfunkund Satellitenkommunikation, wo Platz und Gewicht eine entscheidende Rolle spielen. Im Rahmen des Projekts wurden neuartige Geometrien entwickelt, die speziell für die additive Fertigung optimiert sind. Dafür wurden zunächst keramische Materialien charakterisiert, um die bestmöglichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften sicherzustellen. Zudem wurden unterschiedliche Metallisierungsverfahren identifiziert und hinsichtlich ihrer Eignung zur Beschichtung von keramischen Materialien untersucht, um eine hohe Leitfähigkeit und Robustheit der metallischen Beschichtung zu gewährleisten. Neben der praktischen Umsetzung widmete sich das Projekt der Erarbeitung allgemeiner Design-Richtlinien, die zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet unterstützen. Dazu gehörten auch Untersuchungen zur Temperaturstabilität und elektrischen Performance der entwickelten Filter. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden umfassend dokumentiert und in Form von wissenschaftlichen Publikationen zugänglich gemacht. Das konnte Vorhaben erfolgreich als Proof-of-Concept dienen. Es zeigte eindrucksvoll, wie die Möglichkeiten des keramischen 3D-Drucks genutzt werden können, um kostengünstige und kompakte Mikrowellenfilter zu realisieren, die herkömmliche Fertigungsmethoden insbesondere hinsichtlich der Flexibilität im Design und der Herstellungsgeschwindigkeit bei Designänderungen übertreffen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Workshop WS11: Additive Manufacturing Technologies for Microwave and Millimeter-Wave Applications - Recent Advances in Ceramic Additive Manufacturing for RF Filter Design and Implementation“, 2022 52nd European Microwave Conference (EuMC), Milan, Italy, 2022
  P. Boe, D. Miek & M. Höft
  
• Bandpass Filter Based on 3D-Printed Ceramic Triple-Mode Resonator with Branches Combining TM and TE Mode Operation. 2023 53rd European Microwave Conference (EuMC), 396-399. IEEE.
  Boe, Patrick; Miek, Daniel; Brouczek, Dominik & Höft, Michael
  
• Dielectric TM-Mode Y-Shaped Doublet Structure. IEEE Journal of Microwaves, 3(1), 84-95.
  Miek, Daniel; Boe, Patrick; Kamrath, Fynn; Braasch, Kennet; Taute, Wolfgang & Hoft, Michael
  
• Additive Manufactured Dual-Mode X-Shaped Filter Realized by High-Permittivity Ceramics. 2024 15th German Microwave Conference (GeMiC), 205-208. IEEE.
  Miek, Daniel; Boe, Patrick & Höft, Michael
  
• Additive Manufacturing of Zirconia Dielectric Resonator Filters Produced by Direct Ink Writing of Particles with Bimodal Size Distribution. 2024 IEEE International Microwave Filter Workshop (IMFW), 99-101. IEEE.
  Boe, Patrick; Schadte, Philipp; Adelung, Rainer; Siebert, Leonard & Höft, Michael
  
• Compact Ku-Band Diplexer With Additive Manufactured Multimaterial Dielectric Resonator Insets. IEEE Microwave and Wireless Technology Letters, 35(6), 800-803.
  Boe, Patrick; Brouczek, Dominik; Mikiss, Lisa; Hofbauer, Marc; Miek, Daniel & Höft, Michael