Antennen sind technische Anordnungen, die elektromagnetische Wellen zur drahtlosen Kommunikation oder Sensorik ausstrahlen und empfangen. Sie werden normalerweise so entworfen, dass die Wellen bei bestimmten Winkeln ausstrahlen und das drahtlose System ein bestimmtes Sichtfeld abdeckt. Deswegen werden zur Messung und Optimierung von Antennen spezielle Setups mit automatischen Messsystemen verwendet, die die von Antennen ausgestrahlten Wellen bei verschiedenen Winkeln messen können. Zur Unterstützung setzen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin als neues Messsystem einen Nah-Feld-Scanner von NSI ein, der mit seiner Rotationsfläche die Antennenstrahlen in kreisförmigen Bewegungen und somit allen Richtungen erfassen und analysieren kann. Dadurch sind Schwingungen von 18 bis 325 GHz messbar – fast dreimal so viel wie bisher. Damit können die Forschenden Antennen im gesamten Millimeterwellenbereich (30 bis 300 GHz) nicht nur entwerfen, sondern auch charakterisieren und somit große Fortschritte für Entwicklungen wie 6G erzielen.

Mit dem einarmigen Nah-Feld-Scanner können Antennenschwingungen mit dreifach höherem Wert gemessen werden.

Mit dem einarmigen Nah-Feld-Scanner können Antennenschwingungen mit dreifach höherem Wert gemessen werden. Fraunhofer IZM/Volker Mai

Anwendungsfelder

Die Gruppe „RF Components“ entwirft, charakterisiert und optimiert Antennen sowie passive Komponenten wie Induktivitäten, Kapazitäten und Filter. Beim Erstellen eines Entwurfs verwenden die Forschenden das systematische Vorgehen des M3-Ansatzes, denn hier werden Methoden, Modelle und Maßnahmen entwickelt und aufeinander abgestimmt. Zuerst entwickelt das Team dabei elektrische Modellierungs-, Simulations- und Messmethoden. Diese Methoden erlauben die Extraktion zuverlässiger Modelle, die zur Analyse und Charakterisierung von elektronischen Chip-Packages (z.B. SiP, SoP, CSP, WLP), Leiterplatten, Antennen und Komponenten dienen. Schließlich werden aus diesen Modellen Entwurfsmaßnahmen bzw. Regeln abgeleitet und angewendet, um kostengünstige HF- und High Speed-Komponenten, Module und Systeme zu entwickeln.

In vielen Anwendungen kommt der robusten Kommunikation über drahtlose Schnittstellen eine sehr große Bedeutung zu. Die zuverlässige Integration der Antenne ist ein entscheidender Aspekt im Entwicklungsprozess derartiger Systeme. Auch hier wurde der M3-Ansatz eingesetzt, um einen zuverlässigen Entwurf und die Integration planarer, konformer und dreidimensionaler Antennen für RFID, GPS, WLAN / WPAN, Radar und Mobilfunkanwendungen von 100 kHz bis 100 GHz zu ermöglichen.

Projektbeispiele

Im Rahmen des Projekts „Miniaturisierte Hardware Module für 6G Mobilkommunikation (6GKom)“ entwickeln die Forscher ein ultra-breitbandiges und miniaturisiertes MIMO-D-Band (110 – 170 GHz)-Modul mit integrierter Beamforming-Fähigkeit basierend auf einer skalierbaren Hardware-Systemarchitektur. Dafür werden die Hardwareumsetzung des Chip-Package-Antennen-Co-Designs und der Integrationsansatz der Fan-out Wafer Level Packaging Systemintegrationsplattform des Fraunhofer IZM verwendet. Das integrierte Modul ermöglicht für künftige 6G-Mobilkommunikation Datenraten von mehreren Terabit pro Sekunde sowie präzise Lokalisierungsanwendungen.