Da drahtlose Kommunikationssysteme in den Subterahertz-Bereich vordringen, um eine ultraschnelle Datenübertragung und neue 6G-Anwendungen zu ermöglichen, müssen die Antennentechnologien damit Schritt halten. Mehrstrahlige Antennen sind für die Strahlsteuerung und das räumliche Multiplexing von entscheidender Bedeutung, doch bei diesen Frequenzen greifen herkömmliche Fertigungsmethoden oft zu kurz - vor allem, wenn es um komplexe, hochpräzise Komponenten wie Gradientenindexlinsen (GRIN) geht.
In einer in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology veröffentlichten Studie haben Forscher der University of Birmingham und des Beijing Institute of Technology eine neuartige Mehrstrahlantenne für den Betrieb bei 355 GHz vorgestellt. Ihr Design integriert eine Oberflächenwellen-Luneburg-Linse, die auf einer metallischen Nagelbettstruktur basiert, und eine Anordnung von neun WR-2.2-Wellenleitern. Dies ist die erste experimentelle Realisierung einer metallischen, auf eine H-Ebene fokussierten Mehrstrahl-Linsenantenne für Sub-Terahertz-Frequenzen mittels 3D-Druck.
Die Antenne beruht auf einer hochkomplexen Struktur: einer GRIN-Linse, die aus einer periodischen Anordnung von Metallstiften ("Nägeln") mit unterschiedlichen Höhen besteht, um die Brechungsindexverteilung zu steuern. Mit herkömmlichen Mikrobearbeitungsverfahren ist es schwierig, diese Art von Geometrie im Sub-THz-Bereich ohne kostspielige Werkzeuge oder mehrere Fertigungsschritte herzustellen.
Um diese Herausforderungen zu meistern, setzte das Team den microArch® S140 von Boston Micro Fabrication (BMF) ein - einen hochpräzisen Projektionsmikro-Stereolithographie-Drucker (PµSL) - um sowohl die Linse als auch die Wellenleiter-Zuführungsstrukturen in einem einzigen Schritt herzustellen. Das Teil wurde mit dem HTL-Harz von BMF mit einer Maßtoleranz von ±5 µm gedruckt und anschließend mit einer 500 nm dicken Goldschicht durch Magnetronsputtern metallisiert.
Die wichtigsten Merkmale, die durch die Drucktechnologie von BMF ermöglicht werden:
- Hochpräzise 3D-Strukturen: Die präzise Steuerung der Höhe der Metallstifte ermöglichte es der Linse, dem Lüneburger Gesetz zu folgen, das für die Strahlformung bei 355 GHz entscheidend ist.
- Integrierte Wellenleiteranordnung: Die neun WR-2.2-Wellenleiter wurden direkt mit der Linsenstruktur zusammengedruckt, was Ausrichtungsfehler reduziert und die Montage vereinfacht.
- Kompakte Grundfläche: Die gesamte Antenne misst nur 14 mm × 14 mm × 1,6 mm und ist damit ideal für eng gepackte RF-Systeme.
- Außergewöhnliche Oberflächenqualität: Ermöglicht effektive Goldmetallisierung für verlustarme Signalausbreitung.
Nach dem Druck und der Beschichtung wurde die Antenne auf Impedanzanpassung und Strahlungseigenschaften getestet. Die gemessenen Reflexionskoeffizienten an allen Anschlüssen lagen im Bereich von 350-360 GHz unter -12,5 dB, was auf eine gute Impedanzanpassung hinweist.
Der Strahlungstest hat dies bestätigt:
- Es wurden erfolgreich mehrere Strahlen über einen Scanbereich von ±60° gebildet.
- Jeder Strahl hatte eine Verstärkung von mehr als 16 dBi
- Scan-Verlust blieb unter 1,2 dB
- Die Kreuzpolarisationspegel blieben unter -20 dB, was eine ausgezeichnete lineare Polarisation bestätigt.
- Die Halbwertsbreiten der H-Ebene lagen zwischen 5,7° und 6,3°.
Durch die Verwendung eines schrägen und gewellten Kantenrings wurde die Strahlenausrichtung in der E-Ebene weiter optimiert, was zeigt, dass mit Hilfe von 3D-gedruckten strukturellen Modifikationen eine Feinabstimmung der Leistung nach dem Entwurf möglich ist.
Diese Arbeit stellt einen Meilenstein in der Nutzung der hochpräzisen additiven Fertigung für Subterahertz-HF-Hardware dar. Die mikroskaligen 3D-Druckfähigkeiten von BMF ermöglichten die Herstellung einer hochgradig kundenspezifischen metallischen GRIN-Linse mit einer Geometrie, die mit herkömmlichen Methoden unerschwinglich komplex wäre.
Forschern und Ingenieuren, die drahtlose und sensorische Systeme der nächsten Generation entwickeln, zeigt diese Studie, wie der Mikro-3D-Druck neue Türen öffnen kann - nicht nur in Bezug auf die Antennenleistung, sondern auch in Bezug auf Designflexibilität, Fertigungsgeschwindigkeit und Integration.
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