Es gibt eine Vielzahl von Kommunikationsanwendungen, die hochgradig konfigurierbare HF- und Mikrowellenkomponenten erfordern, um Spitzenleistungen und neue Nutzungsmöglichkeiten bieten zu können. Unter diesen Anwendungen erfordern Militär-, mobile Kommunikations- sowie Internet der Dinge/Machine-to-Machine (IoT/M2M)-Lösungen von der RF-Frontend-Elektronik eine Einstellbarkeit der nächsten Generation, um den verfügbaren umfassenden Bereich an Frequenzen und Protokollen ausnutzen zu können.
Für kabellose Militäranwendungen sind das Vermeiden von Störungen, Sicherstellen der zuverlässigsten Frequenzen sowie Betriebsprotokolle in hochkritischen Implementierungen ausschlaggebend. Bei IoT/M2M-Anwendungen kann die schnelle und zuverlässige Einstellung eines Geräts auf ein geringer belastetes Frequenzband in einer lauten und überfüllten kabellosen Welt eine Qualität auf Betreiberniveau sicherstellen. Forschern der NC State University in North Carolina ist der entscheidende Durchbruch bei der Herstellung von ausschließlich elektromechanisch gesteuerten Antennen aus Flüssigmetall gelungen, die ihre Resonanzfrequenz über mehrere Gigahertz anpassen können.
Es erfordert verschiedene materielle und technologische Innovationen, um das Zeitalter der Vernetzung einzuleiten und eine nahtlose kabellose Konnektivität zu schaffen. Einer der Schwerpunkte der Bemühungen von Forschung und Industrie war die Entwicklung von HF-Kommunikationssystemen, die sich digital neu programmieren lassen und sogar entscheiden können, wie sie am besten funktionieren. Diese Geräte, bekannt als kognitive Funkgeräte, sowie eine ihrer Komponenten, softwarebasierte Funkgeräte wie das ADC34J22 von Dallas Logic oder das ARRadio von Analog Device, nutzen moderne Computertechniken zur Schaffung intelligenter Funksysteme. Obwohl diese Kommunikationssysteme sich an eine Vielzahl von Modulationen und elektromagnetischen Umgebungsvariablen anpassen können, schränken die Grenzen der anpassbaren Hardware letztlich die Leistung der HF-Transceiver ein, die eine entscheidende Rolle in diesen Systemen übernehmen.
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Die Einführung steuerbarer leitfähiger Flüssigkeiten wurde von vielen Forschern mit Begeisterung für die Herstellung von HF-Komponenten und -Geräten erforscht, welche zur Schaffung fein einstellbarer Systeme eingesetzt werden können. Obwohl sich die von diesen Forschern entwickelten Filter, frequenzselektiven Oberflächen (Frequency Selective Surfaces, FSS) und Antennen als konfigurierbar erwiesen haben, erfordern die meisten darunter pneumatische Systeme, um funktionieren zu können. Die Integration eines Pneumatiksystems erhöht die Komplexität, Kosten und potenziellen Fehlermodi eines Geräts. Mit einer elektromechanisch steuerbaren Antenne jedoch, kann die Geschwindigkeit, Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und der Einstellbereich einer Antenne aus flüssigem Material deutlich verbessert werden. Genau dies konnten die Forscher der NC State feststellen, als sie einen Prototyp einer Antenne aus Flüssigmetall in Form von eutektischem Galliumindium (EGaIn) innerhalb einer Kapillarstruktur entwickelten.
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Abbildung 2: Die an die Kapillarstruktur angelegte Gleichspannung ermöglicht dem Flüssigmetall EGaIn, in die Kapillaren zu fließen, sobald die Spannung angelegt wird, und wieder zurückzufließen, sobald die Spannung unterbrochen wird. (Quelle: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))
Bei Anwendung einer einfachen Niedergleichspannung kann die EGaIn-Antenne kontinuierlich und reversibel innerhalb eines 5:1-Einstellbereichs eingestellt werden. Dies erfolgt durch Hinzufügen oder Entfernen eines dünnen Oberflächenoxids auf das EGaIn mittels des elektrischen Potenzials, das die Grenzflächenspannungen auf der Kapillarstruktur variierbar beeinflusst. Die Bildung dieses Oxids ist nur durch die Integration eines Elektrolyts in die Kapillarstruktur möglich, der die permanente Entwicklung und Haftung des EGaIn-Oxids an den Kapillarwänden verhindert. Genau diese an dieses System angelegte Gleichspannung, lässt das EGaIn in oder aus dem mit EGaIn gefüllten Reservoir fließen.
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Abbildung 3: Der elektromechanische Steuervorgang ermöglicht, anders als bei vielen Einstellungstechnologien mit Speichereffekten, eine komplett reversible Einstellung sowie ein gleichbleibendes Verhalten. (Quelle: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))
Die Gesamtleistung bei 0,66 GHz betrug 41 Prozent gegenüber einer Leistung von 70 Prozent bei 3,4 GHz. Dies vergleicht eine schwache Strahlungsleistung mit einer ca. 95 Prozent starken Strahlungsleistung von Dipolantennen mit Reinmetallstrukturen.
Dennoch wird die Strahlungsleistung verringert, sobald eine Antenne nicht genau auf die Übertragungs- oder Empfangsfrequenz eingestellt ist oder bei dieser schwingt. Auch wenn die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung Natriumhydroxid (NaOH) dieses Prototyps die gesamte Strahlungsleistung der Antenne reduziert, kann das Potenzial künftiger Entwicklungen von Elektrolyten mit geringerer Auswirkung auf die Leistung als NaOH mit fortschreitender Forschungsarbeit realisierbar werden.
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Abbildung 4: Obwohl die Strahlungsleistung des Prototyps unter dem nicht optimalen Elektrolytverhalten litt, könnten zukünftige Entwicklungen die Leistung und Einstellbarkeitsparameter von Antennen aus Flüssigmetall verbessern. (Quelle: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))
Diese Entwicklung sowie künftige Fortschritte haben das Potenzial, Antennenstrukturen – ob einfach oder hochkomplex – zu schaffen, die mit softwarebasierten Funkgeräten zur Entwicklung von Hardware und Software für hochkonfigurierbare HF- und Mikrowellen-Kommunikationssysteme verwendet werden können. Z. B. lag der Schwerpunkt des von den Forschern der NC State University entwickelten Prototyps auf einer einzelnen Dipolantenne, wobei das Potenzial eines rekonfigurierbaren Arrays solcher Antennen den Nutzen der derzeitigen Antennen-Array-Technologie erheblich verbessern könnte.
Andere Möglichkeiten wären u. a. Antennen, die ihre Strahlungsmuster deutlich verändern, um sich an verschiedene elektromagnetische Umgebungen anzupassen, als eine Form einer elektromechanischen Strahlungssteuerung, die nicht zu einem Verschleiß von Antennensteuerelementen führt. Ein solches System könnte die Kosten und Komplexität von strahlungssteuernden Anwendungen reduzieren, die mehrere Leistungsteiler/-koppler sowie Elektronik mit Amplituden-/Phasenausgleich erfordern können.
Aktuelle Smartphones und tragbare Elektronikgeräte enthalten üblicherweise verschiedene leistungsschwache Antennendesigns, die sehr starken Designeinschränkungen aufgrund von Formfaktor und Antennennähe innerhalb des Geräts unterliegen. Eine rekonfigurierbare Antenne, die über einen großen Frequenzbereich einstellbar ist, könnte zur Optimierung der leistungsstärksten Frequenz für Kommunikationen eingesetzt werden und den Stromverbrauch sowie die Kosten von Filter und Netzwerkanpassung im Gerät deutlich senken.
Obwohl die digitale Rekonfigurierbarkeit sich in HF- und Mikrowellen-Kommunikationsbranchen als realisierbar erwiesen hat, war rekonfigurierbare Hardware bislang schwer zugänglich. Kosten und Komplexität spielten eine entscheidende Rolle bei der Einführung wirkungsvoller und effizienter rekonfigurierbarer Hardware. Antennen aus Flüssigmetall mit elektromechanischer Steuerung können die erforderliche Dimension an Konfigurierbarkeit bieten und Anwendungen von handelsüblichen und industriellen IoT/M2M-Anwendungen bis hin zum neuesten kabellosen Militärnetzwerk sowie Anforderungen elektronischer Kampfführung (EKF) ermöglichen.