IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

Steuerbare Dielektrika

Mikrowellenbauelemente für Kommunikationssysteme.

Projektbeschreibung

Der Bedarf an Mikrowellenbauelementen in Kommunikationssystemen wie Autotelefon, Verkehrsleitsysteme und KFZ-Radare wird in den nächsten Jahren stark zunehmen. Eine neue Generation von Antennen könnte diesen Markt beflügeln, falls es gelingt, Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung zu niedrigen Herstellungskosten zu fertigen.

Bild 1: Antenne mit steuerbarer Abstrahlrichtung mit Phasenschiebern an jedem Strahler

Ferroelektrische Keramiken erweisen sich als aussichtsreiche Kandidaten für Phasenschieber mit kleiner Steuerleistung, moderaten Verlusten und hohem Integrationsgrad, was ein kostengünstiges Antennen-Design ermöglichen sollte. Die für eine technisch relevante Anwendung als Phasenschieber im Mikrowellenbereich (bis 100 GHz) geforderten Eigenschaften, kleine Dielektrizitätszahl (er = 50), kleine Verluste (tanδ < 0.001), hohe Steuerbarkeit (tU=(er,U=0 - er,U) / er,U=0 >50%) und hohe Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen (Temperatur und Feuchte), wurden bisher nicht erreicht. Aus diesem Grund wird am Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik ein Werkstoff-Screening auf eine Realisierbarkeit passiver Phasensteuerungen durch eine spannungsgesteuerte Permittivität von ferroelektrischen aber auch paraelektrischen Materialien vorgenommen.

Abb. 2: Steuerbarer Phasenschieber

In diesem Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird (BMBF, NMT Nr. 03N10574), sollen die gewünschten Mikrowelleneigenschaften durch Dotierung am (Ba,Sr)TiO3 - Materialsystem (BST) verbessert, aber auch alternative Materialsysteme auf eine Eignung als steuerbare Mikrowellendielektrika untersucht werden.

Ein weiteres Ziel des Projektes ist der Transfer der optimierten funktionalen Eigenschaften dieser neuen Mikrowellenkeramiken, auf technisch relevante Dick- (Siebdrucktechnik) und Dünnschichten (Sputtertechnik).

Abb. 3: Steuerbarkeit der Permittivitätszahl er von (Ba0,3Sr0,7)TiO3 innerhalb des Temperaturbereichs von 140 K bis 500 K

Wissenschaftliche Ziele

  • Aufklärung der Ursachen der feldabhängigen Permittivität besonders in der paraelektrischen Phase. Damit sind verbunden die Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften von BST (Permittivität, Verluste und Steuerbarkeit) als Funktion der Dotierung, isovalenter Materialzugaben, der elektrischen Feldstärke (0 ? 2 kV/mm), der Temperatur (50 ? 500 K) und der Frequenz (1 kHz - 50 GHz)
  • Evaluation von alternativen Materialsystemen
  • Evaluation des technologischen und finanziellen Potentials dieser neuen Materialsysteme

Technische Ziele

  • Entwicklung neuer innovativer Mikrowellendielektrika mit steuerbarer Permittivität Transfers der Funktionalität der keramischen Bulkproben auf Dick- und Dünnschichten
  • Entwicklung und Adaption der HF-Messtechnik zur Untersuchung der Steuerbarkeit an Bulk, Dick- und Dünnschichten über einen weiten Feldstärke-, Temperatur- und Frequenzbereich