FBH-Institut in Deutschland entwickelt 110–170 GHz Rillenhornantenne

de.wedoany.com-Bericht: Das Ferdinand-Braun-Institut (FBH) in Berlin, Deutschland, hat den Entwurf, die Fertigung und die experimentelle Bewertung einer gestapelten Rillenhornantenne im D-Band (110–170 GHz) abgeschlossen. Die Antenne hat eine nominelle Mittenfrequenz von 150 GHz, eine gemessene Verstärkung von 18,5 dBi und einen Reflexionsfaktor unter –20 dB. Im Frequenzbereich von 140–160 GHz bleibt das Strahlungsdiagramm stabil.

Im Kontext der Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme hin zu Sub-THz- und 6G-Frequenzbändern muss das Antennendesign einen Ausgleich zwischen Verstärkung, Bandbreite, Effizienz und Fertigbarkeit schaffen. Rillenhornantennen eignen sich aufgrund ihrer geringen Übertragungsverluste, hochsymmetrischen Strahlungsdiagramme, niedrigen Kreuzpolarisationspegel sowie hoher Apertur- und Strahlungseffizienz für solche Hochfrequenzverbindungen. Diese Eigenschaften tragen zur Verbesserung der Signalsignaltreue, zur Unterdrückung unerwünschter Polarisationskomponenten und zur Reduzierung von Übertragungsverlusten bei. Aus Sicht der grünen Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) ist die für eine vorgegebene Link-Marge erforderliche Sendeleistung geringer, wodurch auch der Gesamtstromverbrauch des Systems sinkt.

Das Designziel dieser mehrschichtigen Antenne ist eine Verstärkung von mehr als 20 dBi über eine Betriebsbandbreite von über 10 GHz.

Die Antennenkomponenten bestehen aus laserzugeschnittenen Aluminiumlegierungsblechen mit Dicken von 50 µm und 200 µm, die gestapelt, über Passstifte ausgerichtet und mit Schrauben befestigt werden. Das konische Übergangsstück wird mittels Drahterodieren (wire-EDM) aus einem Aluminiumblock gefertigt und realisiert den geometrischen und elektromagnetischen Übergang vom rechteckigen WR-6-Wellenleiter zur kreisförmigen Apertur des Horns. Die Hornstruktur erweitert sich über eine Länge von 20 mm von einer kreisförmigen Apertur von 1 mm auf eine Strahlungsapertur von 7 mm.

Die Messergebnisse stimmen weitgehend mit den Simulationsdaten überein, was auf eine gute Vorhersagbarkeit des Designs hinweist. Dies reduziert den Bedarf an iterativen Neukonstruktionen und verkürzt dadurch die Entwicklungszyklen, senkt den Materialverbrauch und verringert den damit verbundenen ökologischen Fußabdruck. Ein Reflexionsfaktor unter –20 dB zeigt, dass die durch Impedanzfehlanpassung verursachten Leistungsverluste vernachlässigbar sind; ein größerer Anteil der übertragenen Energie wird effektiv abgestrahlt statt in Wärme dissipiert, was die Energieeffizienz von Hochfrequenz-Kommunikationssystemen direkt verbessert.

Im Frequenzbereich von 140–160 GHz bleibt das Strahlungsdiagramm der Antenne stabil, was zur Aufrechterhaltung einer konsistenten Link-Leistung beiträgt. Die gemessene Verstärkung von 18,5 dBi liegt zwar leicht unter dem Designziel von 20 dBi, bietet aber dennoch ausreichende Richtwirkung für stark fokussierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Dies trägt zur Verbesserung der spektralen Effizienz und zur Verringerung von Gleichkanalstörungen bei – beides zentrale Anforderungen an energieeffiziente und nachhaltige drahtlose Kommunikationsnetze.

Diese Arbeit wurde teilweise vom deutschen BMFTR im Rahmen der „Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)“ (Förderkennzeichen 16FMD02) sowie des Projekts „GreenICT@FMD“ (Förderkennzeichen 16ME0505) gefördert.