Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Glasgow hat eine innovative Antenne für die drahtlose Kommunikation entwickelt, die die einzigartigen Eigenschaften von Metamaterialien mit einer ausgeklügelten Signalverarbeitung kombiniert, um eine neue Leistungsspitze zu erreichen. Damit wird der Bereich der 5G-Mobilfunkkommunikation verlassen.

mmWave – Kommunikation im 60 GHz-Frequenzbereich

In einem neuen Early View Paper, das im IEEE Open Journal of Antennas and Propagation veröffentlicht wurde, stellen sie ihre Entwicklung eines Prototyps einer digital kodierten dynamischen Metasurface-Antenne (DMA) vor, die über ein Hochgeschwindigkeits-Field-Programmable Gate Array (FPGA) gesteuert wird.

Ihre DMA ist die erste in der Welt, die für die Betriebsfrequenz von 60 GHz im Millimeterwellenbereich (mmWave) entwickelt und demonstriert wurde – dem Teil des Spektrums, der durch internationales Recht für die Nutzung in industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen (ISM) reserviert ist.

Metamaterial

Die Fähigkeit der Antenne, im höheren mmWave-Band zu arbeiten, könnte sie zu einer Schlüsselkomponente im sich noch entwickelnden Bereich der fortschrittlichen Beamforming-Metasurface-Antennen machen.

Diese Technologie könnte dazu beitragen, dass künftige 6G-Netze ultraschnelle Datenübertragungen mit hoher Zuverlässigkeit liefern, die eine hohe Servicequalität und nahtlose Konnektivität gewährleisten, und neue Anwendungen in den Bereichen Kommunikation, Sensorik und Bildgebung ermöglichen.

Der Hochfrequenzbetrieb des DMA wird durch speziell entworfene Metamaterialien ermöglicht. Das sind Strukturen, die sorgfältig entwickelt wurden, um ihre Fähigkeit zu maximieren, mit elektromagnetischen Wellen in einer Weise zu interagieren, die in natürlich vorkommenden Materialien unmöglich wäre.

Für das sogenannte complementary electric inductive-capacitive (CELC) Metamaterial kommen Materialien zum Einsatz, die üblicherweise nicht für induktive elektrische Ladung geeignet sind. Sie werden aber mit anderen kombiniert, so dass sie in der Form nicht mehr in der Natur vor kommen, weswegen sie Metamaterial genannt werden. Das CELC, welches in diesem Protoyp eingesetzt wird, weist eine Resonanzfrequenz von 60.5 GHz und einen niedrigen Verlust im Valenzband auf.

Vom Konzept zum Prototyp für 6G

Der DMA verwendet speziell entwickelte, vollständig abstimmbare Metamaterialelemente, die sorgfältig darauf ausgelegt sind, elektromagnetische Wellen durch Softwaresteuerung zu manipulieren, wodurch eine fortschrittliche Klasse von Leckwellenantennen geschaffen wird, die im Hochfrequenzbereich rekonfigurierbar sind. Das macht sie perfekt für software defined radios (SDR), wie sie im Mobilfunkbereich mehr und mehr zum Einsatz kommen.

Der Prototyp in der Grösse einer Zündholzschachtel nutzt Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit gleichzeitiger paralleler Steuerung der einzelnen Metamaterialelemente durch FPGA-Programmierung. Der DMA-Protoyp kann seine Kommunikationsstrahlen formen und mehrere Strahlen gleichzeitig erzeugen, die in Nanosekunden umgeschaltet werden, um eine stabile Netzabdeckung zu gewährleisten. Das ist für 6G-Mobilfunkkommunikation optimal.

Professor Qammer H. Abbasi, Co-Direktor des University of Glasgow’s Communications, Sensing and Imaging Hub, ist einer der Hauptautoren der Studie, sagte:

“[Der] Prototyp ist eine sehr aufregende Entwicklung auf dem Gebiet der adaptiven Antennen der nächsten Generation, die über frühere bahnbrechende Entwicklungen bei rekonfigurierbaren programmierbaren Antennen hinausgeht.”

In den letzten Jahren wurden DMAs von vielen Forschenden auf der ganzen Welt in Mikrowellenbändern demonstriert. Der jetzt vorgestellte Prototyp geht in der technologischen Entwicklung jedoch viel weiter, nämlich in das höhere mmWellenband von 60 GHz. Das macht ihn zu einem potenziell sehr wertvollen Sprungbrett für neue Anwendungsfälle der 6G-Technologie und könnte den Weg für einen noch höherfrequenten Betrieb im Terahertz-Bereich ebnen.

Damit wären wir bei 300 GHz bis 10 THz angelangt. Die Forschungsarbeiten wurden mit Mitteln des Pakistan-UK Education Gateway (DePWiSeN-Projekt) und des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC-Projekte CHEDDAR EP/X040518/1 und CHEDDAR Uplift EP/Y037421/1) unterstützt.

Quelle: Pressemitteilung (Englisch), Jabbar et al. (2024): 60 GHz Programmable Dynamic Metasurface Antenna (DMA) for Next-Generation Communication, Sensing, and Imaging Applications: From Concept to Prototype. IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. DOI 10.1109/OJAP.2024.3386452 (Englisch)