Revolutionäres 6G-Antennen-Design ebnet Weg zu Terabit-Datenraten

Eine kompakte Antenne soll die besonders datenintensiven Terahertz-Signale verarbeiten können, die zum kommenden 6G-Mobilfunkstandard gehören. Entwickelt wurde sie in Zusammenarbeit von Forschern aus Singapur, Frankreich und den USA.

Neues Konzept in einem Chip

Das Team um Ranjan Singh von der University of Notre Dame berichtet in der Fachzeitschrift Nature Photonics, dass der Ansatz zukünftig eine Schlüsselrolle beim Aufbau ultraschneller 6G-Mobilfunknetze spielen könnte. 6G-Technologien sollen Datenraten von bis zu einem Terabit pro Sekunde ermöglichen. Das ist genug, um innerhalb einer Sekunde etwa die Hälfte des Speicherinhalts eines durchschnittlichen Smartphones zu übertragen.

Um solche Geschwindigkeiten zu erreichen, müssen drahtlose Systeme in den Terahertz-Frequenzbereich vordringen, der weit oberhalb der heutigen 5G-Frequenzen liegt. Doch bislang stellen die benötigten Antennen eine große technische Hürde dar: Viele bestehende Konzepte setzen auf komplexe mechanische Steuerungen oder immer größere Antennenfelder, was Kosten, Energieverbrauch und Ausfallrisiken erhöht.


Die Forschenden gingen daher einen anderen Weg und griffen auf Konzepte aus der topologischen Photonik zurück. Dieses Forschungsfeld beschäftigt sich mit künstlich strukturierten Materialien, die elektromagnetische Wellen entlang robuster, störungsresistenter Pfade lenken.

Das Team entwickelte dafür einen Siliziumchip, der mit unterschiedlich großen, dreieckigen Öffnungen versehen ist. Durch gezielte Anordnung dieser Mikrostrukturen kann gesteuert werden, ob Terahertzstrahlung im Chip geführt oder kontrolliert nach außen abgestrahlt wird. Auf diese Weise entsteht ein gerichteter Signalkegel, der die Struktur effektiv in eine Antenne verwandelt.

Übertrifft vorhandene Technik

Ein besonderer Vorteil des Designs ist seine große räumliche Abdeckung: Die Antenne kann als Sender etwa drei Viertel des umgebenden Raums erreichen, das ist deutlich mehr als bei vielen bisherigen Terahertz-Antennen. Gleichzeitig eignet sich dieselbe Struktur auch als Empfänger, indem sie Signale aus unterschiedlichen Richtungen aufnimmt und in den Chip leitet. Dabei erzielte das System Datenraten, die um ein Vielfaches über denen anderer moderner Terahertz-Technologien liegen.

Statt beweglicher Bauteile wird die Signalsteuerung allein durch die Geometrie des Chips bestimmt. Das könnte nicht nur die Zuverlässigkeit erhöhen, sondern auch Herstellung und Betrieb günstiger machen. Langfristig plant das Forschungsteam, sämtliche Komponenten eines Terahertz-Kommunikationssystems - von Sende- und Empfangseinheiten bis zur Signalverarbeitung - auf einem einzigen Chip zu vereinen. Dies könnte den Weg zu leistungsfähigen, alltagstauglichen 6G-Netzen ebnen.


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