Reduzierung von Gewicht und Kosten von Schlitzwellenleiter-Arrayantennen durch Metallersatz

Asahi Kasei Corporation (Hauptsitz: Chiyoda-ku, Tokio; Präsident: Koshiro Kudo) und das Hirokawa Laboratory an der School of Engineering des Tokyo Institute of Technology (TIT) haben ein gemeinsames Forschungsprojekt gestartet, um Schlitzwellenleiter-Arrayantennen aus Harz statt aus Metall herzustellen. Ziel ist eine zukünftige Nutzung in der drahtlosen Kommunikation über 5G hinaus.

In den letzten Jahren wurde die Nutzung von Millimeterwellen gefördert, um mit der immer höheren Geschwindigkeit und Kapazität der drahtlosen Kommunikation Schritt zu halten. Bei der Herstellung von Antennen im Millimeterwellenband sind die Hersteller jedoch auf Probleme wie Einschränkungen bei der Bearbeitung und Materialverlust gestoßen. Um diese Probleme umfassend zu lösen, werden Schlitzwellenleiter-Arrayantennen entwickelt. Eine Schlitzwellenleiter-Arrayantenne besteht aus einer großen Anzahl von Schlitzantennenelementen in einem metallischen Wellenleiter, der als Arrayantenne fungiert. Im Vergleich zu Mikrostreifen-Arrayantennen ^* bieten Schlitzwellenleiter-Arrayantennen eine höhere Leistung im Millimeterwellenband, sind jedoch schwer und teuer in der Herstellung. Diese Probleme haben ihren Einsatz in zivilen Anwendungen eingeschränkt; sie werden hauptsächlich in Satelliten- und Militäranwendungen eingesetzt. Aufgrund der hohen Leistung von Schlitzwellenleiter-Arrayantennen haben Entwickler in letzter Zeit erwogen, sie in Drohnen, Basisstationsantennen und ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems) einzusetzen, aber Gewichts- und Kostenprobleme haben ihre Einführung verhindert. Um diese Herausforderung zu bewältigen, arbeiten Asahi Kasei und TIT an der Herstellung von Wellenleitern aus metallisiertem XYRON™-modifiziertem PPE (modifizierter Polyphenylenether oder mPPE), um das Gewicht und die Herstellungskosten niedrig zu halten.

Das Team hat einen Prototyp einer Harzantenne aus XYRON™ in Entwicklungsqualität AA105-52 hergestellt. Diese Qualität bietet eine hohe Hitzebeständigkeit und einen stabilen, niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten über einen weiten Temperaturbereich, was sie ideal für die Herstellung von Komponenten macht, bei denen es auf Präzision ankommt, wie Schlitzwellenleiter-Array-Antennen, die aus Harz statt aus Metall gefertigt sind.

Darüber hinaus verfügt XYRON™ über hervorragende Beschichtungseigenschaften und haftet besser an Kupfer als andere Materialien wie Polycarbonat und Polypropylen, wie die folgenden Bewertungsergebnisse zeigen.

In der ersten Phase des Projekts erstellte das Team einen Antennenkreis aus Harz mit vier 2×2-Blenden auf der Eingangsseite und ebenso vier Blenden auf der Ausgangsseite und führte Experimente durch, um die Leistung mit der eines Antennenkreises aus Metall (ausgelegt für den Millimeterwellenbereich) zu vergleichen.

Selbst der kleinste Fehler beeinträchtigt die Schaltungseigenschaften, daher sind eine hohe Maßgenauigkeit und Beschichtungsgenauigkeit erforderlich. Die XYRON™-Antennenschaltung hat diese Herausforderungen erfolgreich gemeistert. In Bezug auf das Gewicht ist der Prototyp etwa 40 % leichter als die Antennenschaltung aus Metall. Was die Schaltungseigenschaften betrifft, so lag der Amplitudenbereich auf der Ausgangsseite, wie der folgende Vergleich zeigt, mit Ausnahme bestimmter Hochfrequenzbänder innerhalb des Entwurfswerts, und die Leistung war mit der des aus Aluminium gefertigten Produkts gleichwertig. Das Modell lieferte gute Ergebnisse mit einer Reflexion von -15 dB oder weniger und geringen Verlusten, was bestätigt, dass es genauso gut funktionierte wie die Antennenschaltung aus Metall.

（2023年6月開催「COMNEXT 第1回 次世代通信テクノロジー国際展」にて樹脂製アンテナの簡易モデルを出品しました）

Zukünftig plant das Team, Prototypen in größerem Maßstab herzustellen und Experimente mit Blick auf die praktische Anwendung durchzuführen.

※Mikrostreifen-Array-Antenne: Eine flache Antenne, die aus einem dielektrischen Substrat mit auf der Vorderseite geätzten Strahlungselementen und einer Grundplatte auf der Rückseite besteht