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Glas macht mobil

Der künftige 5G-Mobilfunk und der Trend zu Hochfrequenz-Anwendungen ebnen die ultraschnellen Datenwege für das Internet der Dinge. Dabei überraschen Glas und Glaskeramik als potente Antennenmaterialien.

Der künftige 5G-Mobilfunk und der Trend zu Hochfrequenz-Anwendungen ebnen die ultraschnellen Datenwege für das Internet der Dinge. Dabei überraschen Glas und Glaskeramik als potente Antennenmaterialien.

Technologen zeichnen unsere Zukunft in schillernden Farben: Autos fahren autonom, unser Kühlschrank bestellt Milch und Fabriken ordern selbstständig Nachschub für den Produktionsprozess. Das ist die Vision des Internets der Dinge, in dem Geräte und Sensoren umfassend vernetzt sind und Abläufe automatisiert steuern. Dazu gilt es, weltweit immer mehr Daten immer schneller zu transportieren – vor allem via Mobilfunk. Schon jetzt verdoppelt sich die mobile Datenmenge alle zwei Jahre.

Der künftige Mobilfunkstandard 5G soll Übertragungsraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde ermöglichen und damit das LTE-Netz (4G) bis um das Hundertfache übertreffen. Erst dann sind zum Beispiel Datenbrillen zur Wartung von Maschinenparks praxistauglich, erst mit 5G lassen sich Milliarden Geräte gleichzeitig vernetzen. Zugleich soll damit die Reaktionszeit für die Übertragung eines Befehlssignals auf unter eine Millisekunde sinken. Das ist nötig, etwa um Autos per Assistenzsystem zu steuern oder Energienetze problemlos zu regeln. Nicht zuletzt soll 5G den Ressourcenverbrauch pro übertragenem Bit deutlich reduzieren.

Für den neuen Mobilfunkstandard, den Optimisten schon 2020 am Start sehen, ist ein deutlich größeres Frequenzspektrum zur Übertragung der Datenmengen vorgesehen. Werden heute Bänder im Bereich von bis zu 2,6 Gigahertz (GHz) genutzt, sollen künftig auch Frequenzräume bis 6 und dann weiter bis zu 89 GHz eine Rolle spielen. Dies hat tiefgreifende Folgen: Die übertragungsstarke Mehrantennentechnik (MIMO/Multiple In Multiple Out) wird nicht mehr nur mit zwei bis vier Antennenelementen auskommen, sondern benötigt davon Dutzende (Massive MIMO). Hardware-Hersteller müssen daher das Kunststück fertigbringen, kleinere und effizientere Antennen mit noch größerer Präzision zu fertigen.

Für diese wachsenden Ansprüche an Design und Substrat solcher Komponenten empfiehlt sich eine Materialgattung, die in der Mobilfunkwelt noch wenig bekannt ist: Spezialgläser und Glaskeramiken. Diese transparenten Werkstoffe bringen die anspruchsvollen dielektrischen Eigenschaften und die thermische Ausdehnung mit, die 5G verlangt. Vor allem aber haben sie eine hohe Materialhomogenität und Fertigungsgenauigkeit. Sie bieten entsprechend weniger Schwankungen in ihrem Eigenschaftsprofi l als bisher eingesetzte Keramiken. Auch die mechanische Stabilität ist höher. Das erleichtert die Serienproduktion. „Von diesen Vorzügen und unseren Kompetenzen für eine hochpräzise Fertigung konnten wir schon einige potenzielle Marktpartner überzeugen und für Entwicklungsprojekte gewinnen“, berichtet Dr. Martin Letz, Senior Principal Scientist bei SCHOTT.

So präsentierte der weltgrößte Antennenhersteller Kathrein bereits 2017 den Prototypen eines Antennen-Arrays mit Strahlsteuerung (Beam Steering) für Massive-MIMO-Anwendungen im 5G-Standard – gemeinsam entwickelt mit SCHOTT. Das voll funktionsfähige Sende- und Empfangs-Modul bündelt und lenkt die Funkübertragung sehr hoher Datenmengen gezielt auf die Position des jeweiligen Smartphones. Basis für das Array ist SCHOTT Material: Glaszylinder aus LASF 35-Glas und Würfel aus POWERAMIC® GHz 33 Glaskeramik für Frequenzen um 3,6 GHz. POWERAMIC® Komponenten gingen auch in andere Projekte ein. Etwa in dielektrische Antennen für die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug sowie GNSS (Global Navigation Satellite System)-Antennen in Flugzeugen zur hochgenauen Navigation beim Starten und Landen.

Zwar entstehen solche Hardware-Entwicklungen derzeit noch nicht in großer Zahl, weil vorher erst die Software-Standards und -Protokolle für den 5G-Standard feststehen müssen. Dennoch ist SCHOTT bereits jetzt gut aufgestellt: Der Technologiekonzern ist in Kontakt mit großen Herstellern von Feldsimulations- Software wie CST (Deutschland) oder Ansys HFSS (USA). Deren Programme brauchen Hardware-Hersteller für die Entwicklung von Bauteilen und Geräten. Dafür hat SCHOTT viele Daten relevanter Materialien bereitgestellt, ein Großteil wurde schon in die Materialdatenbanken der Programme aufgenommen. Dr. Letz: „Wir sind in jeder Hinsicht startklar für weitere Projekte.“

Antennenhersteller Kathrein macht es vor: Prototyp eines 5G-Antennen-Arrays
Antennenhersteller Kathrein macht es vor: Prototyp eines 5G-Antennen-Arrays
Die Glaskeramik POWERAMIC® unterstützt die Funkübertragung hoher Datenmengen.
Die Glaskeramik POWERAMIC® unterstützt die Funkübertragung hoher Datenmengen.

14. Februar 2019

Kontakt

Martin Letz
Tubing
SCHOTT AG

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