Ultrakurzpulslaser ebnen 5G den Weg

Mobilfunkmasten bekommen aktuell Zuwachs durch 5G-Antennenmodule. Darin arbeiten je 64 aktive Antennen, deren Abstrahlung sich überlagert und für optimale räumliche Abdeckung sorgt. Die Fachwelt spricht von „Massive Multiple Input Multiple Output“. Massive MIMO prägt auch das Bild auf der Gegenseite: Damit Smartphones, autonome Fahrzeuge und Industrie-4.0-Anlagen im 5G-Netz mitfunken können, sind MIMO-kompatible Antennen gefragt. Dabei handelt es sich um hochkomplexe Module mit 16 und mehr Einzelantennen. Diese Module versetzen mobile Geräte und Anlagen in die Lage, gleichzeitig Signale verschiedener Sender zu nutzen und so die übertragenen Datenraten bei gleichbleibender Sendeleistung um ein Vielfaches zu steigern.

Doch es gibt Herausforderungen: 5G-Netze arbeiten mit unterschiedlichen Gigahertz-Millimeterwellen (GHz mmWave)-Frequenzen. Das Spektrum reicht von 3,3 - 77 GHZ. Je geringer die Frequenz, desto größer muss die Antenne sein. Umgekehrt sind bei den höchsten Frequenzen winzige, höchst präzise Antennenmodule gefragt. Bei der Kombination von winzigen Antennen mit GHz mmWave-Frequenzen sind allerdings Störungen vorprogrammiert. So können Finger und Hände der Smartphone-Nutzer die Datenübertragung blockieren.

Drei und mehr Antennenmodule pro Smartphone

Um diese Herausforderungen zu meistern – also robuste MIMO-Datenübertragung in verschiedenen Frequenzen zu gewährleisten – werden Smartphone-Hersteller mindestens drei Antennenmodule in verschiedenen Bereichen ihrer 5G-Geräte montieren. Damit steigt der Bedarf an Antennenmodulen signifikant. Zugleich lauern bei der Fertigung der fein verästelten teils dreidimensionalen 5G-Antennen weitere Herausforderungen. „Je höher die Frequenz, desto feiner sind die Strukturen der Antennen“, beschreibt die LPKF Laser & Electronics AG die grundlegende Situation. Das Unternehmen bietet ein Laser-Direktstrukturierungsverfahren an, mit dem sich beliebig geformte Antennen, Leiterbahnen und Isolationskanäle in Auflösungen bis 25 Mikrometer (µm) direkt auf dreidimensionale Kunststoffbauteile aufbringen lassen.

Auch Coherent hat sich früh auf die Nachfrage nach Fertigungslösungen für 5G-Antennen eingestellt. In einem aktuellen Fachaufsatz erläutern die Coherent-Experten Hatim Haloui und Dirk Müller, warum Ultrakurzpulslaser auch hier ihre Stärken ausspielen können: „Die Antennen werden aus laminierten Substraten hergestellt, die aus einer Kupferschicht, einem Isolator wie LCP (Liquid Crystal Polymer) oder modifizierten Polyimiden und einer Verbindungsschicht bestehen“. Im Fertigungsprozess werden die Antennenstrukturen dann per Laser zugeschnitten und freigelegt. Doch weil Kupfer und Polymere sehr unterschiedliche Ablationsschwellen aufweisen, ist dabei höchste Sorgfalt geboten. Denn wird das elektromagnetische Antennenmaterial durch eingebrachte Hitze in Mitleidenschaft gezogen, dann drohen Funktionseinbußen, verkürzte Lebensdauern oder sogar Kurzschlüsse. Um diese Gefahren zu umgehen, setzt Coherent das entsprechende Verfahren auf neuen Pikosekunden-Lasern mit bis zu 30 Watt Leistung auf, die im ultravioletten Wellenlängenbereich von 355 Nanometern arbeiten. „Damit sind Scan-Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde möglich, bei typischerweise etwa 10 Durchgängen, die für die Verarbeitung der neuesten Antennendesigns erforderlich sind“, berichten die Autoren.

Hoch entwickelte UKP-Bearbeitungsstrategie

Um thermische Einflüsse auf das empfindliche Antennenmaterial zu minimieren, setzt Coherent auf die „Pulse EQ“-Bearbeitungsstrategie. Dabei wird die Pulsfrequenz in Echtzeit daran angepasst, ob der Laser auf gerader Strecke oder in engen Kurvenverläufen arbeitet. Dabei sorgt eine integrierte aktive Pulssteuerung für stabile Pulsenergien. Resultat sind äußerst homogene Schnittbilder ohne thermische Beeinträchtigung der Kupfer-LCP-Laminate.

Antenne im Display

Auf weltweite Resonanz stieß jüngst ein Forschungsbericht von einem Team um Prof. Wonbin Hong von der südkoreanischen Pohang University of Science and Technology. Analog zur Integration von Tastaturen in Touch-Displays arbeiten die Forscher daran, nicht sichtbare 5G-Antennen in Displays zu integrieren. In einem Konsortium mit Industriepartnern wie SK Telecom oder LG Electronics hat das Team erstmals ein solche „Antenna-on-Display“ AOD im ultrahochauflösenden Touch-Display eines 28 GHz 5G Smartphones realisiert. Damit begegnen die Forscher der Schwierigkeit, drei bis vier Module mit Dutzenden Antennen in dem ohnehin knappen Bauraum von Smartphones unterzubringen. Die Unsichtbarkeit der AOD erreicht das Team durch den Einsatz von Nanostrukturen. Laut ihrem Aufsatz ist es mit ihrem Verfahren möglich, Antennen in die gesamte Fläche von OLED- oder LCD-Displays zu integrieren, selbst dann, wenn diese faltbar sind oder in Wearables eingearbeitet werden.

Ob die 5G-Zukunft nun in der Laser-Direktstrukturierung, der Antennenfertigung per UKP-Laser oder der Antenna-on-Display-Technologie liegt – eines steht fest: Der Photonik kommt in jedem Falle eine Schlüsselrolle zu.

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