Dünnschicht-Hochfrequenz-Antennenarray für die drahtlose Kommunikation

Forscher haben einen Schritt in Richtung der Entwicklung einer Art Antennenarray gemacht, das die Flügel eines Flugzeugs bedecken, als Hautpflaster fungieren und Signale an medizinische Implantate übertragen oder einen Raum als Tapete bedecken könnte, die mit Geräten des Internets der Dinge (IoT) kommuniziert.

Die Technologie, die viele Anwendungen der aufkommenden drahtlosen 5G- und 6G-Netzwerke ermöglichen könnte, basiert auf großflächiger Elektronik, einer Methode zur Herstellung elektronischer Schaltungen auf dünnen, flexiblen Materialien. Der Ansatz überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Siliziumhalbleiter, die mit den für 5G-Anwendungen erforderlichen hohen Funkfrequenzen betrieben werden können, aber nur bis zu einigen Zentimetern Breite hergestellt werden können und schwierig in die großen Arrays zu montieren sind, die für eine verbesserte Kommunikation mit Geräten mit geringem Stromverbrauch erforderlich sind .

Um diese großen Dimensionen zu erreichen, haben andere versucht, Hunderte von kleinen Mikrochips diskret zu integrieren. Aber das ist nicht praktikabel – es ist nicht kostengünstig, zuverlässig oder auf drahtloser Systemebene skalierbar. Die neue Technologie kann nativ auf große Dimensionen wie Computermonitore und LCD-Fernseher (Liquid Crystal Display) skaliert werden. Diese verwenden eine Dünnschichttransistortechnologie, die das Team für die Verwendung in der drahtlosen Signalisierung angepasst hat.

Die Forscher verwendeten Zinkoxid-Dünnschichttransistoren, um eine 30 Zentimeter lange Reihe von drei Antennen in einem als Phased Array bekannten Aufbau zu erstellen. Phased-Antennenarrays können Schmalstrahlsignale senden, die digital programmiert werden können, um gewünschte Frequenzen und Richtungen zu erreichen. Jede Antenne im Array sendet ein Signal mit einer bestimmten Zeitverzögerung von ihren Nachbarn aus, und die konstruktive und destruktive Interferenz zwischen diesen Signalen summiert sich zu einem fokussierten elektromagnetischen Strahl. Eine einzelne Antenne sendet ein festes Signal in alle Richtungen; Ein phasengesteuertes Array kann den Strahl elektrisch in verschiedene Richtungen scannen und so eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglichen.

Phased-Array-Antennen werden seit Jahrzehnten in Fernkommunikationssystemen wie Radarsystemen, Satelliten und Mobilfunknetzen verwendet, aber die neue Technologie könnte Phased-Arrays neue Flexibilität verleihen und es ihnen ermöglichen, in einem anderen Bereich von Funkfrequenzen als frühere Systeme zu arbeiten .

Bei der großflächigen Elektronik handelt es sich um eine Dünnschichttechnologie, sodass Schaltungen auf einem flexiblen Substrat über eine Spannweite von Metern aufgebaut werden können. Alle Komponenten können monolithisch in ein Blatt integriert werden, das den Formfaktor eines Blattes Papier hat. Das Team stellte die Transistoren und andere Komponenten auf einem Glassubstrat her, aber ein ähnlicher Prozess könnte verwendet werden, um Schaltkreise auf flexiblem Kunststoff herzustellen.

Diese Art von Antennensystem könnte fast überall installiert werden. Wenn es wie eine Tapete in einem Raum verwendet wird, könnte es eine schnelle, sichere und energieeffiziente Kommunikation mit einem verteilten Netzwerk von IoT-Geräten wie Temperatur- oder Bewegungssensoren ermöglichen. Eine Antenne mit flexibler Oberfläche könnte auch für Satelliten von Vorteil sein, die in einem kompakten Format gestartet werden und sich entfalten, wenn sie die Umlaufbahn erreichen, und eine große Fläche könnte für die Fernkommunikation mit Flugzeugen von Vorteil sein.

Bei einem Flugzeug geht aufgrund der großen Entfernung ein Großteil der Signalleistung verloren, ebenso wie die Empfindlichkeit. Die Flügel sind eine ziemlich große Fläche. Wenn sich also auf diesem Flügel ein Einzelpunktempfänger befindet, hilft dies nicht. Wenn jedoch der Bereich, der das Signal erfasst, um den Faktor Hundert oder Tausend erweitert werden kann, kann die Signalleistung reduziert und die Empfindlichkeit des Funkgeräts erhöht werden.