Hoch-performante TE10-Wellenleiter-Phasenschieber für Millimeterwellen - Generische Konzepte für Flüssigkristall (LC) gefüllte MultiGap WaveGuides (MGWG)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507077163

Dieses Forschungsprojekt beinhaltet ein neues generisches Konzept für spannungsgesteuerte Flüssigkristall (LC)-basierte Phasenschieber für Hochleistungsanwendungen im Ka-Band basierend auf vier metallischen Elementen mit Bed of Nails (BoN) bzw. Mushroom-Strukturen, die voneinander entkoppelt sind und eine TE10-Wellenausbreitung wie im klassischen Hohleiter erlauben. Dieses neue MultiGap WaveGuide (MGWG) Konzept verspricht ähnlich niedrige Verluste wie der Hohleiter, aber ermöglicht gleichzeitig die Steuerung der LC-Moleküle durch die Verwendung der galvanisch-isolierten vier BoN-Elemente als Elektroden. Damit entfallen die zusätzlich angebrachten Elektroden auf Folien auf der oberen und unteren Wand der bisherigen Rechteckhohlleiter-Phasenschieber in Split-Block-Technik mit LC-gefüllten Rexolite-Container, die zur Aussteuerung der LCs erforderlich sind. Diese verursachen eine erhebliche Degradation der Performanz, aufgrund der Verluste durch die Elektroden, durch Kopplung in Stripline-Moden, durch den Feldaustritt an den schmalen Ein- und Austrittstellen für die Elektrodenfolien und durch die geringere LC-Abstimmbarkeit aufgrund von Verzerrungen des elektrostatischen Steuerfeldes. Diese elektrisch-gesteuerten Hohlleiter-Phasenschieber erreichten daher nur ein Figure-of-Merit (FoM) von etwa 120°/dB gegenüber mehr als 200°/dB bei 30 GHz für eine Ausrichtung der gleichen LCs mit Permanentmagneten. Die verwendeten Mikrowellen-LCs besitzen die einzigartige Eigenschaft, dass die dielektrischen Verluste relativ gering sind und mit der Frequenz leicht abnehmen, d. h. die zunehmenden metallischen Verluste in den Hohleiterwänden teilweise kompensieren. In Verbindung mit dem MGWG-Konzept können somit neue, verlustarme, abstimmbare HF-Komponenten realisiert werden, die speziell für Hochleistungsanwendungen geeignet sind. Das Projekt zielt darauf ab, die höchstmögliche FoM des Phasenschiebers von 200°/dB bei 30 GHz zu erreichen. Der geplante Phasenschieberdemonstrator im Labormaßstab besteht aus vier galvanisch-entkoppelten BoN-Elementen, die einen TE10-Hohlleiter bilden und gleichzeitig als Elektroden zur Aussteuerung der LCs in einem Rexolite Container dienen. Damit kann die Orientierung des LCs elektrisch stufenlos von parallel bis senkrecht zum HF-Feld und damit die Phasenverschiebung des MWGW eingestellt werden. Um diesen MGWG-Phasenschieber mit anderen Standard-Hohlleiterkomponenten zu verbinden, sind DC-Blockflansche notwendig, um externe galvanische Verbindung der Aussteuerelektroden zu vermeiden. Diese Flansche sind ebenfalls Teil dieses Projekts. Hierzu werden drei verschiedene Ansätze untersucht: basierend auf dem BoN-Prinzip, eine Mushroom-artige Struktur und photonische Kristallstrukturen. Der vielversprechendste Ansatz wird in den endgültigen Demonstrator implementiert, um das Potenzial dieses neuen MGWG-Konzepts mit inhärent galvanisch-entkoppelten Elektroden als Plattform für rekonfigurierbare Millimeterwellensysteme zu evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Alejandro Jiménez Sáez