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.

Electrically controllable dielectric waveguides for future agile millimeter wave and THz systems

The aim of this research project is to lay the foundations for a new type of electrically controllable waveguide technology. The scientific approach here is to combine low-loss dielectric waveguides with the microwave liquid crystal technology developed at TU Darmstadt in order to realize simple electrically controllable waveguides, exemplarily in the W-band, and to estimate their performance and application potential. These simple, liquid-crystal-controlled phase shifters then form the basic building block for more complex, high-performance, electrically controllable waveguide components in future agile millimeter-wave and THz systems. Controllable planar waveguide structures, despite their fast response time, are no longer useful at frequencies in the W-band and beyond, as their metallic losses are too high. Controllable waveguides are a good alternative due to their significantly lower losses, especially for high performance applications. However, they have a decisive disadvantage. As the dimensions become smaller with increasing frequency, the implementation of the required electrical control network poses a technological challenge that can hardly be solved despite great efforts due to the metallic edge. While it is relatively easy to produce electrically controllable waveguide phase shifters in the Ka-band, it has only been possible to implement magnetically controlled phase shifters in the W-band to date. In contrast to waveguides, dielectric waveguides do not have a metallic edge. This means that the electrical control networks can be installed very easily outside the waveguide. Furthermore, classic dielectric waveguides in particular have the advantage that they are larger than comparable waveguide components in the same frequency range. This may still appear to be a disadvantage in the GHz range, but becomes an advantage at frequencies in the THz range, as controllable dielectric waveguides are still manageable where waveguide-based liquid crystal components are hardly feasible. The aim of this project is a comprehensive investigation of different dielectric waveguide topologies, which are particularly suitable for novel electrically controllable high-frequency components in the millimeter wave and THz range. The focus is on the integration of liquid crystal cavities and the control network. This fundamental study comprises the following sub-aspects: (1) the investigation of different dielectric waveguide topologies with regard to controllability, (2) the evaluation of suitable materials for the selected waveguide topologies, (3) the investigation of low-loss coupling of the RF signal into the dielectric waveguide and (4) the hardware implementation of controllability using liquid crystal technology with the simplest possible control.