3D für 5G: Keramikantennen für 5G-Netze günstig drucken

| Redakteur: Johann Wiesböck

Die „Passive Beam Steering”-Lösung der University of Delaware – eine 5G-Antenne, die eine 3D-gedruckte dielektrische Gradientenlinse (Beamforming) verwendet
Die „Passive Beam Steering”-Lösung der University of Delaware – eine 5G-Antenne, die eine 3D-gedruckte dielektrische Gradientenlinse (Beamforming) verwendet (Bild: UDEL)

Mittels „Nano Particle Jetting“ will die University of Delaware passives Beamforming in superschnellen 5G-Antennen 3D-drucken. Damit soll eine Kostenreduzierung trotz hoher Genauigkeit der Antennen erreicht werden.

Die University of Delaware (UDEL) verwendet Keramik-3D-Drucker von XJet zur Entwicklung der Antennentechnologie „Passive Beam Steering“, die neben anderen Anwendungen für das 5G-Netz eingesetzt wird. 5G-Signale übertragen Daten 10 bis 20 Mal schneller als 4G/3G. Sie reagieren jedoch empfindlicher auf Objekte und Interferenzen. Zur Lösung dieses Problems wird eine hohe Anzahl von Antennen benötigt.

Die bestehende Antennentechnologie ist in vielen Fällen zu kostspielig, um die von 5G benötigte Infrastruktur zu skalieren. Das 3D-Drucksystem Carmel 1400 von XJet, bei dem die NanoParticle Jetting-(NPJ-)Technologie des Unternehmens zum Einsatz kommt, adressiert diese mit der Einführung des 5G-Netzes verbundenen Probleme.

Laut Mark Mirotznik, Professor of Electrical Engineering an der University of Delaware, hat das Forschungsteam der Universität Spezialsoftware und Algorithmen entwickelt, die die Konstruktion kleiner, leichter und kosteneffektiver 5G-Antennen ermöglichen. Das Hauptproblem des Forschungsteams der Universität bestand darin, dass es noch keinen Prozess zur Herstellung einer Linse mit der komplexen Struktur, den kleinen Kanälen und den Materialeigenschaften gab, die diese Anwendung erforderte. Dann wurde die Universität auf XJet aufmerksam.

„Die Entdeckung der NanoParticle-Jetting-Technologie von XJet war ein echtes Aha-Erlebnis. Sie löste auf einen Schlag unser bisheriges Problem: die Materialeigenschaften und die geometrischen Eigenschaften zu erzielen, die für unsere Lösung entscheidend waren. NPJ ist der einzige Prozess, der in der Lage ist, die Innenwände jedes Kanals mit der Genauigkeit und Gleichmäßigkeit herzustellen, die erforderlich sind, um die Wellenrichtung beizubehalten. Das von XJet verwendete Material ist ein isotroper, 100 % hochdichter Keramikwerkstoff mit der richtigen Dielektrizitätskonstante, der das Signal nicht absorbiert oder abschwächt. Jede noch so geringe Toleranzschwankung kann zur Umleitung des Signals zum falschen Ort führen, und das können wir uns nicht leisten”, erklärt Mirotznik.

Die an der Youngstown State University (YSU) mit einem XJet Carmel 1400 System (Eigentum von Youngstown Business Incubator und von der Universität betrieben) durchgeführten Forschungsarbeiten untermauern die von der University of Delaware erzielten Ergebnisse in Bezug auf die Dichte, die isotropen Eigenschaften, die Dielektrizitätskonstante und die Verwendung des XJet für die Entwicklung von Geräten wie 5G-Antennen.

„Wir haben Forschungen durchgeführt, um die Art und die Eigenschaften von Zirkonoxid beim Druck mit dem XJet-System zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kristallstruktur der Drucke fast gleichförmig ist; die Dielektrizitätskonstante ist hoch, während die Verlusttangente niedrig ist. Beide sind nahezu mit dem Wert identisch, den man von einem nicht gedruckten Kristall erwarten würde. Diese Dielektrizitätskonstante mit geringem Verlust erschließt uns neue Möglichkeiten für den 3D-Druck einer Vielzahl von Mikrowellengeräten, einschließlich Antennen, Linsen und Filtern. Es wurden zwei einfache mit dem Material hergestellte dielektrische Resonatorantennen vorgeführt, um zu zeigen, dass die gemessenen Materialeigenschaften für das präzise Design derartiger Geräte mit elektromagnetischen Simulationstools verwendet werden können,” sagt Professor Eric MacDonald, Friedman Chair for Manufacturing, YSU.

„Die Anwendung der NanoParticle-Jetting-Technologie für Antennen an der University of Delaware ist eine bahnbrechende Entwicklung. 5G wird zweifellos eine Revolution in der Wireless-Technologie herbeiführen und die Konnektivität mit sich bringen, um alles von fahrerlosen Autos über Smart Cities bis zu Telechirurgie, Live-Streaming von Virtual-Reality-Inhalten und die Aussicht auf ein unbegrenztes Internet of Things zu unterstützen,” sagte XJet CEO Hanan Gothait.

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„Um dies zu erreichen, muss die Technologie außerordentlich zuverlässig sein. Wir sind überzeugt, dass NPJ über ideale Voraussetzungen dafür verfügt. 5G-Antennen müssen in millionenfacher Stückzahl hergestellt werden, um ein erfolgreiches, voll funktionsfähiges globales 5G-Netz aufzubauen - und millionenfache Stückzahlen entsprechen genau der Produktivität, für die dieses System entwickelt wurde”, sagt Gothait.

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