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.
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