Ultra-dünne, hochfrequente Antennen-Arrays: Revolution für flexible drahtlose Kommunikation

Forschern ist ein entscheidender Schritt gelungen, um eine Art Antennen-Array zu entwickeln, das Flugzeugflügel beschichten, als Hautpflaster Signale an medizinische Implantate senden oder als Tapete einen Raum bedecken und mit IoT-Geräten kommunizieren könnte.

Technologiebasis: Large-Area Electronics

Die Technologie, die viele Anwendungen neuer 5G- und 6G-Mobilfunknetze ermöglichen könnte, basiert auf Large-Area Electronics – einer Fertigungsmethode für elektronische Schaltungen auf dünnen, flexiblen Materialien. Der Ansatz überwindet Einschränkungen herkömmlicher Silizium-Halbleiter, die zwar die für 5G benötigten hohen Radiofrequenzen bedienen können, aber nur wenige Zentimeter breit hergestellt und nur schwer zu den für die Kommunikation mit Low-Power-Geräten erforderlichen großen Arrays zusammengefügt werden können.

Skalierbarkeit durch Dünnschichttransistor-Technologie

Um diese großen Dimensionen zu erreichen, versuchten andere die diskrete Integration hunderter kleiner Mikrochips – doch das ist nicht praktikabel: weder kostengünstig, noch zuverlässig oder auf Systemebene skalierbar. Die neue Technologie kann nativ auf große Dimensionen wie Computermonitore und LCD-Fernseher skaliert werden. Diese nutzen Dünnschichttransistor-Technologie, die das Team für die drahtlose Signalübertragung adaptierte.

Phased-Array-Demonstration mit Zinkoxid-TFTs

Die Forscher nutzten Zinkoxid-Dünnschichttransistoren, um eine 30 Zentimeter lange Reihe von drei Antennen in einer Phased-Array-Konfiguration zu erstellen. Phased-Array-Antennen können schmalstrahlige Signale senden, die digital programmierbar sind, um gewünschte Frequenzen und Richtungen zu erreichen. Jede Antenne sendet ein Signal mit einem festgelegten Zeitversatz zu ihren Nachbarn – die konstruktive und destruktive Interferenz dieser Signale addiert sich zu einem fokussierten elektromagnetischen Strahl. Während eine einzelne Antenne ein festes Signal in alle Richtungen sendet, kann ein Phased Array den Strahl elektrisch in verschiedene Richtungen lenken und so Punkt-zu-Punkt-Funkkommunikation ermöglichen.

Neue Flexibilität für bewährte Technologie

Phased-Array-Antennen werden seit Jahrzehnten in Fernkommunikationssystemen wie Radar, Satelliten und Mobilfunknetzen eingesetzt. Die neue Technologie könnte jedoch neue Flexibilität für Phased Arrays bringen und sie in einem anderen Frequenzbereich als frühere Systeme betreiben lassen.

Anwendungen: Von Tapete bis Flugzeugflügel

Da Large-Area Electronics eine Dünnschichttechnologie ist, können Schaltungen auf einem flexiblen Substrat über Meterspannen aufgebaut werden. Alle Komponenten können monolithisch in ein Blatt integriert werden, das das Formfactor eines Papierbogens hat. Das Team fertigte die Transistoren und andere Komponenten auf einem Glassubstrat an, ein ähnlicher Prozess könnte jedoch auch flexible Kunststoffschaltungen erzeugen.

Ein solches Antennensystem könnte fast überall installiert werden. Als Tapete in einem Raum könnte es schnelle, sichere und energieeffiziente Kommunikation mit einem verteilten Netzwerk von IoT-Geräten wie Temperatur- oder Bewegungssensoren ermöglichen. Eine flexible Antennenoberfläche wäre auch für Satelliten vorteilhaft, die kompakt gestartet und im Orbit entfaltet werden, und eine große Fläche könnte die Fernkommunikation mit Flugzeugen verbessern.

Bei Flugzeugen geht aufgrund der großen Distanz viel Signalleistung und Empfindlichkeit verloren. Die Flügel bieten eine große Fläche – wenn dort ein Single-Point-Empfänger sitzt, hilft das wenig; kann die die Signal erfassende Fläche jedoch um den Faktor 100 oder 1000 erweitert werden, lässt sich die Signalleistung reduzieren und die Empfindlichkeit des Funkgeräts erhöhen.