Planar tunable metamaterials for microwave applications, including matching circuits and leaky wave antennas based on liquid crystals

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Metamaterialien bieten durch die großen Freiheitsgrade beim Design der Materialeigenschaften sowie durch erweiterte Funktionalität, verglichen mit konventionellen Materialien, viele für die Mikrowellentechnik interessante Eigenschaften. Insbesondere abstimmbare Materialien, die gezielt während des Betriebes auf sich ändernde Rahmenbedingungen angepasst werden können, sind von großem Interesse, wie bereits vorangehende Untersuchungen von auf Ferroelektrika und Halbleitern basierende abstimmbare Metamaterialien gezeigt haben. Diese sind jedoch durch Nichtlinearitäten und Verluste in Frequenzbereich und Performanz begrenzt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, zielt dieses Projekt auf grundlegende Untersuchungen und der Machbarkeits-/Konzeptstudie einer neuen Klasse von steuerbaren Metamaterialstrukturen. Die Steuerbarkeit wird erreicht durch Integration von miniaturisierten Flüssigkristall- Parallelplattenkondensatoren in die Einheitszelle der periodischen Struktur. Mit einigen µm Plattenabstand und Elektrodengrößen von einigen hundert µm sind diese sehr klein gegenüber der Wellenlänge. Einzigartige Flüssigkristalle mit der weltweit höchsten Materialgüte von η>40 @ 30GHz (Steuerbarkeit r=25% und tanδ<0.006) und hoher Linearität (IP3>66dBm) stehen den Antragstellern zur Verfügung. Das Konzept und die Performanz werden anhand von zwei unterschiedlichen Prototypen im Mikrowellenbereich demonstriert: Eine Leckwellenantenne als Beispiel für offene abstrahlende Strukturen und ein Anpassnetzwerk für geschlossene wellenführende Strukturen, jeweils leistungsarm elektrisch abstimmbar durch Änderung der effektiven Permittivität der LC-Elemente aufgrund einer äußeren Gleichspannung.