Antenne als Tapete: Auf dem Weg zu 6G

In der Zukunft wird das Internet der Dinge (IoT) eine immer größere Rolle spielen, und das in sehr unterschiedlichen Lebensbereichen. Hautpflaster könnten zum Beispiel Messdaten an eine App im Smartphone weitergeben oder an medizinische Implantate übertragen. Im Smart Home kommunizieren Heizungen mit Fenstern oder der Kühlschrank mit dem Supermarkt. In der Industrie melden Maschinen, wenn ihnen das Material ausgeht. Vieles davon ist jetzt schon möglich, aber ob diese Konzepte funktionieren, hängt normalerweise davon ab, wie gut das WLAN ist, wenn keine Alternativen wie zum Beispiel Funkschalter verwendet werden sollen. Wie lassen sich bessere Wege der Datenübertragung erreichen, um das IoT lückenlos zu ermöglichen? Dieser Frage sind Ingenieurinnen und Ingenieure der US-amerikanischen Princeton-University nachgegangen. Ihre Antwort für 6G: Phased-Array-Antennen, die als Dünnschicht-Technologie ganze Häuserwände oder Tragflächen von Flugzeugen überziehen könnten.

Für 6G werden Silizium-Halbleiter wohl nicht ausreichen

5G ist noch nicht wirklich da, aber an 6G wird bereits geforscht. Die industrielle Entwicklung und die Verbreitung von Innovationen in der Fläche wird in einem großen Maße davon abhängen, ob es gelingt, Drahtlosnetzwerke mit hoher Leistungsfähigkeit zu etablieren. Die Forschenden aus Princeton wissen, dass großflächige Elektronik ein Schlüssel sein könnte. Es wird eine bezahlbare Methode benötigt, um elektronische Schaltungen auf dünnen, flexiblen Materialien unterzubringen.

Das Problem ist bekannt: Herkömmliche Silizium-Halbleiter können zwar auf den hohen Funkfrequenzen arbeiten, die für 5G erforderlich sind, aber sie lassen sich nur bis zu einigen Zentimetern Breite herstellen. Zudem ist es schwer, sie zu Arrays zusammensetzen, die für eine bessere Kommunikation nötig wären – bei geringem Stromverbrauch. „Um diese großen Abmessungen zu erreichen, hat man versucht, Hunderte von kleinen Mikrochips zu integrieren. Aber das ist nicht praktikabel. Denn es ist nicht kostengünstig, es ist nicht zuverlässig, es ist nicht skalierbar auf der Ebene der drahtlosen Systeme“, sagt Naveen Verma, Professor für Elektro- und Computertechnik und Direktor des Keller Centers for Innovation in Engineering Education in Princeton. „Was man braucht, ist eine Technologie, die von Haus aus für diese großen Dimensionen geeignet ist.“

Umgewandelte Dünnschichttransistoren als Lösung für 6G?

Die war für die Forschenden leicht zu finden. Denn eigentlich ist sie schon vorhanden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die Technologie der Dünnschichttransistoren, die für Computermonitore und Flüssigkristallbildschirme (LCD) verwendet wird, kurzerhand so abgewandelt, dass sie für die drahtlose Signalübertragung eingesetzt werden kann.

Genauer haben die Forschenden aus Zinkoxid-Dünnschichttransistoren eine 30 Zentimeter lange Reihe von drei Antennen in einer sogenannten phasengesteuerten Anordnung geschaffen. Phasengesteuerte Antennengruppen können Signale mit schmalem Strahl aussenden, die digital programmiert werden können, um die gewünschten Frequenzen und Richtungen zu erreichen. Jede Antenne in der Gruppe sendet ein Signal aus, mit einer festgelegten Zeitverzögerung zum Signal der nächsten Antenne. Die konstruktive und destruktive Interferenz zwischen diesen Signalen summiert sich zu einem fokussierten elektromagnetischen Strahl. Das ist vergleichbar mit der Interferenz zwischen den kleinen Wellen, die von Wassertropfen in einem Teich erzeugt werden.

6G an die Wand – über Tapeten aus speziellem Material

Hinzu kommt: „Eine einzelne Antenne sendet ein festes Signal in alle Richtungen, aber eine phasengesteuerte Anordnung kann den Strahl elektrisch in verschiedene Richtungen lenken, sodass eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Kommunikation möglich ist“, sagt der Hauptautor der Studie Can Wu.

Das Prinzip der Phased-Array-Antennen ist natürlich nicht neu. Sie werden bereits seit Jahrzehnten in Langstreckenkommunikationssystemen wie Radarsystemen, Satelliten und Mobilfunknetzen eingesetzt, aber die Entwicklung des Forscherteams verleiht ihnen eine andere Flexibilität. Denn faktisch wäre es möglich, die großflächige Elektronik als Dünnschicht-Technologie auf einem flexiblen Substrat zu integrieren – beispielsweise auf einer Breite von mehreren Metern. Für die Studie verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Glassubstrat, aber auch Kunststoff wäre als Trägermaterial denkbar.

Die Forschenden stellen sich zum Beispiel eine entsprechend modifizierte Tapete vor. Sie könnte eine schnelle, sichere und energieeffiziente Kommunikation mit einem verteilten Netzwerk von IoT-Geräten wie Temperatur- oder Bewegungssensoren ermöglichen. Auch Tragflächen von Flugzeugen oder Fassaden könnten damit ausgestattet werden – 6G rückt einen Schritt näher.

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