WISDOM - Aktive und passive integrierte Antennen für THz Kommunikationssysteme

Die drahtlose Kommunikation ist zu einer wichtigen Komponente unseres täglichen Lebens geworden. Viele mobile und stationäre Geräte in unserem Umfeld sind über Funk miteinander verbunden und tauschen kontinuierlich Daten aus. Besonders durch die weite Verbreitung der high- end mobilen Telefone und anderer mobilen Geräte (z.B. Tablets) steigt der erforderliche Datendurchsatz immer noch exponentiell an und verdoppelt sich jährlich. Die derzeit zur Verfügung stehenden Frequenzbänder sind allerdings limitiert und stoßen allmählich an ihre Kapazitätsgrenzen. Immer öfter kommt es zu Datenkollisionen und gegenseitigen Störungen, die dann das Datenvolumen deutlich reduzieren und die Qualität der Datenübertragung beeinträchtigen. Man kann zu höheren Frequenzen in die THz Bänder ausweichen und mit den höheren Bandbreiten sehr hohe Datenraten bis zu 100Gbps erzielen. Die meisten Forschungs- und Entwicklungsprojekte im THz Bereich basieren auf III-V Halbleitertechnologien. Diese sind für Geräte in kleineren Stückzahlen aber mit hohen Anforderungen wie sie zum Beispiel in militärischen Feuerleitsystemen oder kommerziellen Basisstationen erforderlich sind gut geeignet. Das vorgestellte Forschungsprojekt zielt hingegen auf den Massenmarkt mit sehr hohen Stückzahlen und extrem geringen Fertigungskosten ab. Hierfür bietet sich die auf Silizium basierende CMOS Halbleitertechnologie an. Um die inhärenten geringen Ausgangsleistungen der CMOS Technologie zu kompensieren bedarf es einer engen und abgestimmten Zusammenarbeit zwischen Schaltungsdesign, Antennenintegration und Gehäuse & Aufbautechnologien, wie es in dieser Form für ein THz Kommunikationssystem noch selten gegeben hat. Neben der Verwendung der CMOS Halbleitertechnologie wird in diesem Projekt auch eine 3D Inkjet Druckertechnologie zur sehr genauen, kostengünstigen und schnellen Realisierung von aktiven und passiven Antennen im THz Frequenzbereich vorgeschlagen. Zum einen können durch die Verwendung von verschieden Druckermaterialen, die durch Wärme und UV ausgehärtet werden, funktionale 3D Strukturen leitend oder als dielektrischer Resonator räumlich aufgebaut werden. Auf diese Weise können aktive und passive Antennen präzise aber dennoch kostengünstig realisiert werden. Zum zweiten lassen sich durch die 3D Druckertechnologie direkt auf den Silizium Chip leitende und dielektrische 3D Strukturen als Antennen aufbringen. Diese Strukturen haben geringere Verluste als im Silizium integrierte Antennen. Der große Vorteil besteht darin, dass die abgestrahlte Leistung mehrererChips räumlich kombiniertund einen effizienten THz Strahl zur Datenkommunikation geformt werden kann. Die Kombination dieser beiden Fertigungstechnologien (CMOS und 3D Inkjet Druck) erlaubt eine noch nie dagewesene kostengünstige Realisierung von THz aktiven und passiven Antennen in sehr hohen Stückzahlen für den zukünftigen Konsumermarkt.

Ziel des WISDOM-Forschungsprojekts war es, neue Konzepte und Ansätze für das Design und die Herstellung von kostengünstigen und breitbandigen Komponenten für Kommunikationsanwendungen im THz-Bereich (100 GHz bis 400 GHz) zu entwickeln. Das Design von Komponenten bei diesen Frequenzen und diese kostengünstig herstellen zu können sind besondere Herausforderungen der Telekommunikations- und Mobilfunknetze der nächsten Generation (6G). Zu diesem Zweck wurde ein internationales Konsortium (Technische Universität Graz in Österreich, Universität Kent in Großbritannien, Universität Warwick in Großbritannien und KU Leuven in Belgien) zusammengestellt, das Expertenwissen in den Bereichen integrierte Schaltungstechnik, Antennendesign sowie dem Präzensions-3D-Druck einbringt. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts lag der Schwerpunkt des Instituts für Hochfrequenztechnik an der TU Graz in der Untersuchung planarer elektromagnetischer Linsen, die entweder als "Antenna-in-Package" (AiP) implementiert sind oder direkt über eine "Antenna-on-Chip" (AoC) platziert werden. So konnte die Signalübertragung zwischen einer miniaturisierten Antenne auf einer integrierten Schaltung und der eigentlichen Sendeantenne verbessert werden. Durch diesen innovativen Ansatz wurde der elektromagnetische Strahl besser fokussiert und dadurch die Signalqualität erheblich verbessert. Es wurden eine Reihe neuartiger Implementierungen von planaren Linsen untersucht, die besonders für die additive Fertigung (3D-Druck) für zukünftige 6G-mm-Wellen Anwendungen geeignet sind. Darüber hinaus wurden existierende Standard-3D-Druckverfahren und auch die benötigten Druckmaterialien insofern verfeinern, dass sie für mm-Wellen-Anwendungen besser geeignet sind.