Projekt WISDOM

Wideband Low-Cost Smart Passive and Active Integrated Antennas for THz Wireless Communications


Allgemeines

Das Forschungsprojekt WISDOM (Breitbandige, kostengünstige, intelligente, passive und aktive integrierte Antennen für die drahtlose THz-Kommunikation) wird vom österreichischen Wissenschaftsfond und dem CHIST-ERA Förderungsprogramm gefördert. Es dauert von Jänner 2017 bis Dezember 2019 und wird im Endeffekt ungefähr 7,9 Millionen Euro kosten. Dabei handelt es sich um eine Zusammenarbeit der Technischen Universität Graz mit der University of Kent, UK, der KU Leuven ESAT-MICAS, Belgien, und der University of Warwick, UK. Das CHIST-ERA Förderungsprogramm ist eine Koordinations- und Kooperationsgemeinschaft von hauptsächlich europäischen nationalen und regionalen Foschungsförderorganisationen und wird vom Horizon 2020 Future and Emerging Technologies (FET) Programm der Europäischen Union im Rahmen des ERA-NET-Kofinanzierungsprogramms unterstützt.

Ziele dieser Forschung sind breitbandige passive Antennen und Antennengruppen, THz-Design in CMOS, 3D-on-CMOS chip basierte Antennen, ein Antennenarray-Prototyp und ein in das Antennenarray integriertes Chiparray.

WISDOM bedeutet einen beachtlichen Schritt in Richtung Design und Herstellung von smarten, breitbandigen und günstigen THz-Geräten. Um das zu ermöglichen wurde ein Konsortium gegründet, das sich ergänzendes Fachwissen aus den Bereichen 3D-Druck, Antennen, THz-Schaltungstechnik und -Systeme vereint. Ein erster entscheidender Schritt in WISDOM ist der Gebrauch von 3D-Tintenstrahldruckern für eine schnelle Herstellung von passiven und aktiven THz Antennen. Dieser Ansatz wird mit THz-Schaltungsentwürfen in CMOS kombiniert. Durch den Einsatz dieses 3D-Druckverfahrens unter Verwendung unterschiedlicher Materialien können gleichzeitig sowohl leitfähige und als auch dielektrische Lagen aufgebracht und durch Erwärmung und UV Bestrahlung rasch ausgehärtet werden. Damit soll eine gute Kopplung zwischen den leitungsgeführten Signalen auf dem Chip und der Freiraumausbreitung erzielt werden.

Damit wird ein bedeutender Durchbruch erzielt, indem billige und massentaugliche Technologien verbunden und ein Weg zu verbraucherorientierten THz Produkten geschaffen werden. Ein zweites Schlüsselelement ist die Verbindung von 3D-on-CMOS Drucktechnologie mit Gruppenantennen - und damit spatial power combining, um eine hocheffiziente Abstrahlung zu ermöglichen und auf diese Weise die erhöhte Freiraumdämpfung zu entschärfen, welche momentan die Verwendung von THz-Frequenzen in Verbrauchergeräten verhindert. In WISDOM planen wir auch, Konzepte mit einer intelligenten, aktiven Array-Architektur für die drahtlose Breitband-THz-Kommunikation zu demonstrieren.


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Technologien

Durch die Verwendung von 3D-Druck (für Antennen) und CMOS-Verfahren (für Schaltkreise) werden die Kosten für THz-Geräte und -Systeme drastisch gesenkt, während die Anpassungsfähigkeit des THz-Frontends erheblich verbessert wird. Eine Reihe von Breitbandantennenelementen, Arrays, aktiven On-Chip-Antennen sowie THz-Eingangsschaltungen (> 300 GHz) werden entworfen, hergestellt und gemessen.

Für dieses Projekt arbeiten die Universitäten mit THz Antennen und Systeme, weil diese die Schlüsselelemente für drahtlose Kommunikation in der Zukunft sein werden. Im Falle von THz-Antennen ist ihr Design aufgrund der Berücksichtigung von Herstellungstechnologien, Materialien und Messtechniken während der Designphase herausfordernd.

Um zu einer Lösung für kosteneffektive Hochleistungs-mm-Wellen-Frontends zu gelangen, führen die Projektpartner vier Technologien zusammen:

  • Fortschritte in der hochdichten Multilayer-PCB / LTCC-Technologie
  • Fortschritte in der additiven Fertigung
  • Fortschritte in der SiGe / CMOS- und GaN-Halbleitertechnologie
  • Fortschritte in der planaren Antennen- / Filterkonstruktion / EM-Simulationen.

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Konsortium und Arbeitsteilung

Das WISDOM-Konsortium setzt sich aus Partnern zusammen, die ergänzende Kompetenzen zum Projekt beitragen. Diese Kompetenzen lassen sich wie folgt zusammenfassen :

Von seiten der TU Graz untersuchen wir Strukturen, die die Kopplung zwischen dem elektromagnetischen Feld einer On-Chip-Antenne und einem 3D-gedruckten Horn verbessern. Zu diesem Zweck konzentrieren wir uns auf planare Linsen, die die Energie der abstrahlenden Antennen konzentrieren sollen. Dieses Verhalten kann auch unter Verwendung von Strukturelementenerzielt werden, die äußerst platzsparend direkt oberhalb der Antenne angebracht werden. Indem solche Strukturen im 3D-Druck hergestellt werden, wird eine kostengünstige und effiziente Implementierung und Herstellung dieser Linsen ermöglicht.


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Planare Linsen

Das Grundprinzip der planare Linse besteht aus mehreren passiven Resonatoren und besteht darin, eine strukturelle Synthese aus den folgenden drei Teilen zu erstellen: In Abschnitt (1) der Abbildung unten ist eine U-förmige Spaltantenne dargestellt. Bestehend aus einem Halbkreis (B) und einem Dipol (C), in dem (B) und (C) zu einem Objekt zusammengefasst sind, als Omega-ähnliche Struktur, rechts in Abschnitt (2).Alle Strukturen sind intermittierend aufeinandergestapelt (Abschnitt (3) (A) und (B)). In den hierdurch geschaffenen Eigenschaften wirkt die U-förmige Spaltantenne als Koppelelement. Wie in Abschnitt (4) vorhergesagt und dargestellt, wird die Energie der elektromagnetischen Welle in eine strahlähnliche Form fokussiert.

Beispiele für Elementarzellen einer planare Linse und ihre Fokaleigenschaften

Um die beschriebenen Funktionalitäten dieses Konzepts zu zeigen wurde ein Test Setup bei einer Frequenz von 14 GHz gebaut. Die zuvor diskutierten Elementarzellen der planare Linse wurden unter Verwendung eines Rogers 4350B-Substrats hergestellt. Mehrere Schichten einzelner Elemente der Linse wurden zu einer einzigen Anordnung gestapelt. Mit Hilfe eines 3D-gedruckten Schraubstocks wurde das Objektiv auf einer Patchantenne positioniert, um seine Eigenschaften zu messen. Der Aufbau dieses Messaufbaus ist in der nächsten Abbildung dargestellt. Der Ansatz ermöglicht eine direkte Skalierung der Strukturen auf die von den Partnern genutzten Frequenzen.

Testaufbau zur Charakterisierung der Eigenschaften der planare Linse

Beispiele für die hergestellten Einheitszellen für die Linsen sind in der nächsten Abbildung dargestellt. Durch Variation der Größe und Abmessungen der Elementarzellen wird der Einfluss von Fertigungstoleranzen berücksichtigt. Diese Strukturen sind tatsächlich charakterisiert. Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, wird der Übergang zu höheren Frequenzen durchgeführt.

Beispiele für die hergestellten Elementarzellen der Linsen

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Kontakt
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Michael Ernst Gadringer
Ass.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Tel.
+43 (316) 873 - 3310
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1.1.2017 - 31.12.2019