Untitled - Ruhr-Universität Bochum
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Eine der treibenden Kräfte der modernen Entwicklung in der Kommunikationstechnik ist die Vorstellung, überall auf der Welt zu jeder Zeit und mit jedem kommunizieren zu können, die sogenannte „Global Connectivity“ im Mobilfunk. Seit des ersten historischen Experimentes im Jahr 1895 zur drahtlosen Nachrichtenübertragung (Marconi) sind erst 106 Jahre vergangen. Durch den rasanten technischen Fortschritt in dieser Zeit hat sich die Telekommunikation zu einem der wichtigsten Faktoren im heutigen Leben entwickelt. Die Erfindung von Telegrafie, Telefon und Fernsehen ermöglicht die Übertragung von elektrischen Impulsen, Stimmen und bewegten Bildern. Welche neuen Kommunikationssysteme werden im gerade angebrochenen Jahrtausend an Bedeutung gewinnen? Als Schlüsselwörter werden oft die Begriffe „Mobil“ und „Multimedia“ genannt, was sich gleichbedeutend hinter den Bezeichnungen „drahtlos“ (wireless) und „hohe Datenraten“ (high data rate) verbirgt. Antennen sind eine der wesentlichen Komponenten in drahtlosen Kommunikationssystemen. Die zielgenaue elektrische Justierung einer Antenne ermöglicht eine Kommunikation zwischen verschiedenen sich bewegenden oder feststehenden Objekten ohne eine Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen in ungewollte Richtungen. Phasengesteuerte Antennen sind besonders wichtig für Satellitenkommunikationssysteme. 1. Die Nutzung solcher Antennen ermöglicht eine höchst effiziente mobile Verbindung von verschiedenen Kommunikationsgebieten auf der Erdoberfläche. 2. Phasengesteuerte Antennen werden ebenfalls bei sogenannten Basisstationen auf der Erde als Teil eines Satellitenkommunikationssystems betrieben. Es kann eine Verbindung zwischen unterschiedlichen Satelliten ohne eine mechanische Antennendrehung aufgebaut werden. Häufig bestimmen die Eigenschaften der Antennen die Eigenschaften des gesamten Übertragungssystems. Wie sieht eine solche Antenne aus? Moderne Antennensysteme werden als Antennengruppe mit Phasenansteuerung (Phased Antenna Arrays) entwickelt. Drehung Konventionelle Antennen müssen mechanisch in ihrer Hauptstrahlrichtung auf ein Ziel ausgerichtet werden. Typische Ansicht eines solchen Phased Arrays in der „Nase“ z. B. eines Militärflugzeugs. Phased Arrays bzw. phasengesteuerte Antennen erlauben eine elektrische, nahezu trägheitslose Einstellung der bevorzugten Empfangs- und Senderichtung bei maximaler Ausnutzung (Fokussierung) der Sendeleistung. Wie funktioniert ein Phased Array? Ein Phased Array besteht aus einer Vielzahl von Leistungsteiler Einzelantennen, die in einer bestimmten Geometrie relativ Σ zueinander angeordnet Transceiver sind. Jede Antenne (Receiver) wird einzeln über Leistungsteiler und einen sogenannten Phasenschieber Phasenschieber (Phase Shifter) angesteuert. Die Strahler (Radiator) senden oder empfangen elektromagnetische Wellen also mit unterschiedlichen Phasenzuständen. Die Überlagerung der Phasenzustände der Einzelantennen führt zu konstruktiven oder destruktiven Interferenzen in Abhängigkeit von der Wellenrichtung. Strahler So kann durch geschicktes Variieren der einzelnen Phasenverschiebungen ein Suchraum auf eine einfallende Welle abgetastet werden (z. B. Aquirierung eines sendenden Mobilfunkteilnehmers). Phasenschieber spielen eine sehr wichtige Rolle für phasengesteuerte Antennen. Phasenschieber und ihre speziellen Ausführungsformen bestimmen die Art und Weise sowie die Geschwindigkeit, mit der sich eine Mobilfunkantenne z. B. auf die Richtung im Raum einstellt, zu der ein bestimmter Gesprächspartner gehört. Nur für solche Raumrichtungen werden elektromagnetische Wellen abgestrahlt bzw. empfangen und zwar gezielt und scharf gebündelt und mit hohen Schaltgeschwindigkeiten vermittelt. Damit wird es möglich: die vom Mobilfunkgespräch nicht betroffenen Raumanteile feldfrei zu halten, d. h. nicht mit „Elektrosmog“ zu verschmutzen und Menschen sowie Tiere nicht unnötig elektromagnetischen Feldern und möglicherweise Gefährdungen auszusetzen. Diese vorteilhaften Nutzeffekte werden erzielbar sowohl bei den kleinen Handys am jeweiligen Ort des Senders und Empfängers als auch bei den MobilfunkBasisstationen, die in Stadt- und Landgebieten an verschiedenen Standorten bei Hausdächern, wänden und an Masten fest installiert sind. Somit ist die Entwicklung von kontinuierlich (etwa diskret auf bestimmte Raumrichtungen) elektronisch schnell einstellbaren Phasenschiebern ein außerordentlich wichtiges Arbeitsgebiet der modernen Kommunikationstechnik. Eine der erfolgversprechendsten Technologien zur Erzeugung einstellbarer Phasenschieber ist die Technologie der „Magnetostatischen Spin Wellen“, d. h. die MSW Technologie. Magnetostatische Spin Wellen sind Wellen von Magnetisierungszuständen, die sich in magnetischen Materialien wie z. B. Ferromagneten und Ferriten ausbreiten. Abhängig vom einstellbaren und jeweiligen steuernden statischen Magnetfeld solcher elektronischen MSW Komponenten haben diese Wellen eine Signalfrequenz von einigen 100 MHz bis etwa 40 GHz. So hohe Frequenzen ermöglichen eine große Sprachkapazität bzw. hohe Datenrate bei der Übertragung (derzeit typische Frequenzen liegen bei z. B. 900 MHz und 1,8 GHz). Eines der herausragendsten Kennzeichen von MSW Bauteilen ist ihre elektronische Einstellbarkeit mit Hilfe eines magnetostatischen Feldes. Wie verwendet man MSW, um Phasenschieber herzustellen? MSW sind besonders nützlich für Phasenschieber, da sie eine um Größenordnungen niedrigere Ausbreitungsgeschwindigkeit als elektromagnetische Wellen haben. Folglich sind sie in der Lage, auf kurze Ausbreitungsentfernungen hin (Baulänge etwa einige mm) eine beträchtliche Phasenverschiebung aufzubauen, die durch Variationen eines statischen Magnetfeldes wirksam auf die gewünschten Werte (d. h. die erforderlichen Raumrichtungen) eingestellt werden können. Typische MSW Phasenschieber bestehen aus einem Ferritfilm (dünne Schicht von z. B. 100 µm) und einem Möglicher Aufbau eines FerritFerroelektrischen Phasenschiebers Ausbreitung einer MSW Ferrit-Film Ausgangsstecker Eingangsstecker MikrostreifenÜbertrager Ferrit-Ferroelektrische Phasenschieber haben im wesentlichen den gleichen Aufbau wie ein konventioneller MSW Phasenschieber. Zur Ferroelektrische Platte mit Interdigital-Struktur Elektromagnet System von feinen Mikrostreifenleitungen, die dazu dienen, die Mikrowellenleistung (Signale bis 40 GHz) weiterzuleiten und mit den magnetostatischen Wellen zusammenzuführen. Um günstige Bedingungen für die Ausbreitung und Einstellbarkeit von MSW zu erreichen, benötigt man einen Elektromagneten. Welche Nachteile hat der MSW Phasenschieber? Der größte Nachteil des konventionellen MSW Phasenschiebers ist die Notwendigkeit eines Magneten bzw. Elektromagneten. Aus obenstehender Abbildung ist ersichtlich, daß dieser Magnet den größten Teil des Volumens und Gewichts beansprucht. Schließlich wird über die Spulenwicklung des Magneten bei der elektronischen Einstellbarkeit eine relativ hohe elektrische Leistung verbraucht. Wie kann man dieses Problem lösen? Um diese Nachteile zu überwinden, wird von uns vorgeschlagen, zusammen mit dem Ferritfilm sogenannte nichtlineare ferroelektrische Materialien zu verwenden. Diese Materialien haben eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante (elektrische Polarisierbarkeit bzw. Ansprechbarkeit / Empfindlichkeit) und besitzen die einzigartige Möglichkeit, mit Hilfe eines statischen elektrischen Feldes (bzw. einer Spannung) diese Dielektrizitätskonstante einzustellen und zu regeln. Wenn man eine ferroelektrische Scheibe auf die Oberfläche des Ferritfilms aufbringt, dann kann man mit einer derartigen geschichteten MSW Struktur über eine angelegte elektrische Spannung Variationen der Phasenverschiebung einstellen. Permanentmagnet Eingangsstecker Ferrit-Film Ausgangsstecker Kontaktflächen für Steuerspannung Einstellbarkeit des Phasenschiebers ist allerdings kein Elektromagnet mehr nötig. Um das für ein MSW Bauteil erforderliche konstante magnetostatische Feld zu erreichen, ist lediglich ein kleiner Dauermagnet nötig. Wie aus nebenstehender Abbildung ersichtlich, wird die Einstellung bzw. Steuerbarkeit durch eine Gleichspannungsquelle bewirkt, die über ein System von interdigitalen Elektroden längs der Oberfläche der Schichtstruktur zu Spannungsabfällen führt. Vorteile der neuen Konstruktion Es zeigt sich, dass diese neuartigen FerritFerroelektrischen Phasenschieber sehr viel kompakter und leichter an Gewicht sind, da kein Elektromagnet mehr gebraucht wird. Diese neue Methode der elektronisch einstellbaren Phasenverschiebung hat weitere äußerst wichtige Vorteile. Da der Eingangswiderstand des einstellbaren elektrischen Steuerkreises sehr hoch ist, wird zur Variation der Phasenverschiebung praktisch kein Strom verbraucht – d. h. die elektronische Einstellbarkeit dieser neuen Phasenschieber erfolgt nahezu leistungslos. Daraus folgt als weiterer Vorteil, daß diese Einstellbarkeit fast trägheitslos, d. h. bei sehr hoher Geschwindigkeit (z. B. Pulsfrequenzen) erfolgen kann.
