Neuartige kontinuierlich steuerbare und miniaturisierte passive "slowwave” Phasenschieber mit schnellen Schaltzeiten für Anwendungen im Millimeterwellenbereich, basierend auf Flüssigkristall- (LC) und Nanodraht-befüllten-Membran- (NaM) Technologie

Die Flüssigkristall (LC) Technologie, welche im letzten Jahrzehnt von der TU Darmstadt innovativ für den Mikrowellenbereich angepasst wurde, ist eine der vielversprechendsten Lösungen zur Herstellung von kontinuierlich steuerbaren Komponenten im Millimeterwellen Bereich, da ihre Verluste bei steigender Frequenz sinken. Bei 30 GHzzum Beispiel weisen sie sehr geringe dielektrische Verluste tand < 0,006 und eine kontinuierliche Steuerbarkeit von bis zu 27% auf, was in einer Gütezahl (FoM), definiert als das Verhältnis der maximalen differentiellen Phasenverschiebung über der maximalen Einfügedämpfung, von ca. 200°/dB oder 110°/dB für Hohlleiter bzw. invertierte Mikrostreifenleitungsphasenschieber resultiert. Trotz ihrer höheren Verluste im Vergleich zu Hohlleitern, zeichnen sich planare Strukturen durch ihre geringe Dicke aus, sie sind einfach herzustellen und man kann auf automatisierte Herstellungsmechanismen, ähnlich der der LC-Display Technologie, zurückgreifen. Da LC ein Dielektrikum ist, ist der Leistungsverbrauch zur Ansteuerung sehr gering. Nichtsdestotrotz sehen sich LC Phasenschieber zwei kritischen Parametern konfrontiert: Sie benötigen eine zu lange physikalische Länge für die Bereitstellung einer differentiellen Phase von 360°, was viel mehr ist als die vorgegebene Fläche eines Antennenelements, und sie besitzen zu lange Reaktionszeiten (typischerweise > 1 Min), wo für Strahlsteuerungen in mobilen Anwendungen Reaktionszeiten von weniger als 30 ms benötigt werden. Um diese Probleme zu überwinden zielt dieses Projekt auf eine neue Technologie ab, welche alle Anforderungen wie die hohe FoM, geringe Einfügedämpfung, schnelle Reaktionszeiten etc., durch die erstmalige Kombination zweier unabhängig entwickelter, innovativer Technologien, der Flüssigkristalle und der Nanodraht befüllten Membran (NaM) Technologie, erfüllen kann. Die kombinierte LC-NaM Technologie ermöglicht somit durch die Ausnutzung des sogenannten Slow-Wave Effekts die Miniaturisierung von steuerbarenMikrowellenkomponenten um mindestens einen Faktor 3. Als Machbarkeitsnachweis dieser neuen Technologie werden in diesem Projekt erstmals weltweit passive, kontinuierlich steuerbare Slow-Wave Phasenschieber für WPAN Anwendungen bei 60 GHz entworfen, realisiert und untersucht. Das Ziel ist es mit Hilfe des Slow-Wave Effekts Phasenschieber mit LC Schichtdicken von wenigen µm herzustellen, welche eine hohe FoM von mindestens 70°/dB bei 60 GHz erreichen und gleichzeitig ihre Reaktionszeiten von mehr als 1 min, bei bisherigen LC Schichtdicken von 50 bis 150 µm oder mehr, auf 30 ms oder weniger zu verringern. Damit soll es möglich sein eineneue Generation von miniaturisierten Phasenschiebern zu realisieren,welche schnelle Reaktionszeiten und hohe FoM im Millimeterwellenbereich haben, kombiniert mit geringem Leistungsverbrauch, und welche sich einfach in jedes Antennenelement einer großen Gruppenantenne integrieren lassen.

Novel continuously tunable and miniaturized passive "slow-wave" phase shifters with fast response time for millimeter wave applicationsbased on a combined Liquid Crystal (LC) and Nanowire-filled Membrane (NaM) technology

Novel Liquid Crystal (LC) technology, which has been innovatively adapted beyond optics during last decade by TU Darmstadt, appears to be the most promising approach for tunable components at millimeter waves, since LC losses decrease with frequency. At 30 GHz, it features very low dielectric losses of tand < 0.006 and continuous tunability up to 27 %, resulting in a Figure-of-Merit (FoM) defined by the ratio of the maximum differential phase shift over the highest insertion loss in all tuning states of about 200°/dB or 110° /dB for hollow waveguide or microstrip line phase shifters, respectively. Although planar technologies own system-inherently higher losses than hollow-waveguide topologies, they are low-profile and can easily be realized, utilizing automated manufacturing techniques similar to well-established LCD technology. This enables a low-cost fabrication of larger arrays even for a low-volume production. Since LC is a dielectric, its power consumption for tuning is extremely low. However,LC phase shifters face two critical parameters: too large length for 360°-phase shift, much more than for the restricted space beneath theantenna elements, and too slow response time (typically > 1 min), where at least less than 30 ms is required for high beam-steering rate in mobile applications. To overcome these problems, the proposed project aims for a new technology, enabling to satisfy all the addressed requirements, i.e. high FoM, low insertion loss, fast response time, low-power consumption, high linearity, low-cost, reliability, light-weight, compact (miniaturized) and flat (low-profile), simultaneously, by merging for the first time worldwide two independently developed innovative technologies: Liquid Crystal (LC) and Nanowire-filled Membrane (NaM) Technologies. The combined LC-NaM technology enables in general tunable microwave devices such as phase shifters miniaturized by factor of at least three, utilizingthe slow-wave effect. As a proof-of-concept of this new technology, tunable passive slow-wave microstrip line phase shifters will be designed, realized and investigated for the first time, exemplary for WPAN application at 60 GHz. The objective is to achieve effective LClayer thickness of few µm only between the top of the nanowires and signal electrode, thus, keeping high performances for the planar microstrip topology with FoM of at least 70°/dB at 60 GHz. At the same time, the device's response time will be reduced dramatically from more than 1 min down to 30 ms compared to conventional tunable LC-based microstrip lines with 50 to 150 µm distances between the biasing electrodes. Thus, with this technology, it is feasible to realize a new generation of miniaturized phase shifters, having a fast response time and high FoM at millimeter waves with very low power consumption, and which could easily be integrated into each antenna element of a large beam-steering antenna array.