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Präzise Materialforschung für die Hochfrequenz-Technik

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei der Hochfrequenz-Technik kommt es auf das Material an. Im Rahmen eines Projekts untersuchen Forscher Materialien für HF-Anwendungen. Künftig ist auch in Richtung Materialentwicklung zu gehen. Es kommt auf die Performance der Materialien an.

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Nichts für grobe Hände: Um zu messen, wie gut sich ein Material für Hochfrequenzsignale eignet, müssen feinste Messgeräte auf die Strukturen gesetzt werden.
Nichts für grobe Hände: Um zu messen, wie gut sich ein Material für Hochfrequenzsignale eignet, müssen feinste Messgeräte auf die Strukturen gesetzt werden.
(Bild: Fraunhofer IZM/Volker Mai)

Für die Leistungsfähigkeit von Hochfequenzanwendungen wie 5G oder auch Radar sind die verwendeten Materialien wichtig. Jetzt arbeiten Fraunhofer-Forscher an den entsprechenden Hochfrequenz-Strukturen, damit mit diesen eine optimale Wellenübertragung möglich ist. Unter der Leitung von Oliver Schwanitz untersuchen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin, wie Hochfrequenzmaterialien und deren Verbindungstechniken aufgebaut sein müssen.

Die Entscheidung des zu verwendeten Substratmaterials ist ausschlaggebend, wie viel Leistung transportiert wird und somit welche Anwendungen möglich werden. In der neu gegründeten Gruppe „RF Materials & Interconnectors“ untersuchen die Wissenschaftler, welche Materialien sich eignen, um HF-Anwendungen zu bestehen. Dabei darf es weder zu Einbußen noch Veränderungen in der Performance kommen.

Dazu sind auch unterschiedliche Messungen notwendigen, wie beispielsweise Simulationen, um den idealen Signalverlauf in der Realität nachzustellen. Mit den Simulationsergebnissen als Grundlage testen die Forscher dann Materialien und Verbindungen, so das die Anwendungen möglichst nah an der Simulation und verlustarm umgesetzt werden können.

Permittivität und der dielektrische Verlustfaktor

Die Forscher wollen ein besseres Verständnis über die Einflüsse von Hochfrequenzeigenschaften von Materialien gewinnen. Zentral dabei ist, dass die Permittivität und der dielektrische Verlustfaktor eines Materials einen wesentlichen Anteil an der zu erwartenden Performance von HF-Strukturen haben. Um sich in einem höheren Frequenzbereich zu bewegen, wie es beispielsweise für 5G und Radar notwendig ist, müssen im Vornherein genau diese Werte bestimmt werden – nur dann ist zu erwarten, dass das System bei der ausgelegten Frequenz funktioniert und seine entsprechende Performance liefert.

Mit einem herkömmlichen Multimeter zu messen ist in der Hochfrequenztechnik unmöglich, denn es handelt sich um so kleine, ortsabhängige Amplituden wie den Millimeter-Wellen. Hierfür sind andere Messtechniken zur Validierung bzw. Verifizierung notwendig.

Zur Untersuchung von Hochfrequenz-Materialien und deren Verbindungen haben die Forscher der Gruppe einen halbautomatischen Helfer: einen Netzwerkanalysator mit Wafer-Prober, der Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland im Fraunhofer IZM ist. Damit können die Forscher HF- Strukturen in unterschiedlichsten Temperaturbereichen von -20 bis 150 °C und bis zu einer Frequenz von 500 GHz untersuchen.

Grundlagen für Materialforschung

Die Expertise der Gruppe ist gefragt – doch sie haben auch eigene Zukunftspläne. Gruppenleiter Schwanitz erläutert: „Mein Wunsch ist es, auch in Richtung Materialentwicklung zu gehen. Insbesondere sind für uns so genannte Metamaterialien interessant, also solche, deren elektrische Eigenschaften natürlicherweise nicht vorkommen. Damit können ganz besondere Eigenschaften geschaffen werden, wie wesentlich geringere Verlusteigenschaften, bei steigender Temperatur. Noch ist das jedoch Zukunft. Doch um die Ziele zu erreichen, muss eine Transformation vom theoretischen Forschungsvehikel zum konkreten und funktionierenden Prototypen erfolgen“.

Die Gruppe legt ihren Fokus auf bestehende Projekte und untersucht Materialien und Verbindungstechniken. Eines der wesentlichen Vorhaben ist dabei das Projekt 6GKom der Förderrichtlinie ForMikro des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. In diesem Projekt wird mit anderen Projektpartnern ein Modul entwickelt, welches für die kommende 6. Mobilfunkgeneration vorgesehen ist. „Dies mag zwar kurios klingen“, erzählt Schwanitz, „da der 5G Mobilfunkausbau in Deutschland gerade erst begonnen hat, jedoch ist es essentiell für den Forschungsstandort Deutschland, hier nicht den internationalen Anschluss zu verlieren.“

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