Elektrisch steuerbare dielektrische Wellenleiter für zukünftig agile Millimeterwellen- und THz-Systeme

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen Grundlagen für eine neuartige elektrisch steuerbare Wellenleitertechnologie geschaffen werden. Wissenschaftlicher Ansatz ist hierbei die Kombination von verlustarmen dielektrischen Wellenleitern mit der an der TU Darmstadt entwickelten Mikrowellen-Flüssigkristalltechnologie, um so einfache elektrisch steuerbare Wellenleiter, exemplarisch im W-Band, zu realisieren sowie deren Performanz und Einsatzpotential abzuschätzen. Diese einfachen, Flüssigkristall-gesteuerten Phasenschieber bilden anschließend den Grundbaustein für komplexere, hochperformante elektrisch steuerbare Wellenleiterkomponenten in zukünftig agilen Millimeterwellen- und THz-Systemen. Steuerbare planare Wellenleiterstrukturen sind trotz ihrer schnellen Reaktionszeit bei Frequenzen im W-Band und darüber hinaus nicht mehr sinnvoll einsetzbar, da ihre metallischen Verluste zu hoch sind. Steuerbare Hohlleiter sind aufgrund ihrer deutlich geringeren Verluste eine gute Alternative, insbesondere für Anwendungen mit hoher Performanz. Jedoch zeigen sie einen entscheidenden Nachteil. Durch die mit steigender Frequenz kleiner werdenden Dimensionen stellt die Implementierung des erforderlichen elektrischen Ansteuernetzwerks aufgrund der metallischen Berandung trotz großer Anstrengungen eine kaum lösbare technologische Herausforderung dar. Während man im Ka-Band relativ einfach elektrisch steuerbare Hohlleiterphasenschieber herstellen kann, konnten im W-Band bisher nur magnetisch gesteuerte Phasenschieber implementiert werden. Dielektrische Wellenleiter besitzen im Gegensatz zu Hohlleitern keine metallische Berandung. Daher lassen sich die elektrischen Ansteuernetzwerke sehr einfach außerhalb des Wellenleiters anbringen. Des Weiteren haben gerade die klassischen dielektrischen Wellenleiter den Vorteil, dass sie größer als vergleichbare Hohlleiterkomponenten im selben Frequenzbereich sind. Dies mag für den GHz-Bereich noch als Nachteil erscheinen, wird jedoch bei Frequenzen im THz-Bereich zum Vorteil, da steuerbare dielektrischen Wellenleiter noch handhabbar sind, wo Hohlleiter-basierte Flüssigkristall-Komponenten kaum mehr realisierbar sind. Ziel dieses Vorhabens ist eine umfassende Untersuchung unterschiedlicher dielektrischer Wellenleitertopologien, die sich besonders für neuartige elektrisch steuerbare Hochfrequenzkomponenten im Millimeterwellen- und THz-Bereich eignen. Der Fokus liegt dabei auf der Integration von Flüssigkristallkavitäten und dem Ansteuernetzwerk. Diese fundamentale Studie umfasst folgende Teilaspekte: (1) die Untersuchung unterschiedlicher dielektrischer Wellenleitertopologien hinsichtlich der Steuerbarkeit, (2) die Evaluierung geeigneter Materialien zu den ausgewählten Wellenleitertopologien, (3) die Untersuchungen zur verlustarmen Einkopplung des HF-Signals in den dielektrischen Wellenleiter sowie (4) die Hardwareimplementierung der Steuerbarkeit mittels Flüssigkristalltechnologie mit einer möglichst einfachen Ansteuerung.