Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist die Erforschung und anschließende Etablierung mittels additiver Fertigungsmethoden gefertigter Hochfrequenzsystemen für die Satellitenkommunikation. Hierbei werden rekonfigurierbare HF-Frontends mit adaptiven Antennensystemen benötigt. Eine besondere Herausforderung besteht in der Integration der Mikrowellen-Flüssigkristall-Technologie (µWLCTechnologie) mit additiven Fertigungsmethoden. Sehr neue Forschungsergebnisse für die Ansteuerung von Flüssigkristallkomponenten mit hybriden Steuerfeldern in Kombination mit einer durch eine phasenmodulierte elektrische Ansteuerung deutlich vereinfachten Elektronik erlauben erstmals einen insgesamt deutlich optimierten Aufbau von steuerbaren HF-Komponenten und Systemen. Nachdem auch die additive Fertigung von HF-Komponenten den Weg aus den Forschungslaboren in die Wirtschaft gefunden hat, ist der nächste logische Schritt diese beiden Technologien zu kombinieren.

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Die Hochfrequenzmesstechnik ist essenziell für vielfältige Forschungsaufgaben im Bereich der Kommunikations- und Medizintechnik. An beiden Forschungsschwerpunkten sind die Lehrstühle Kommunikations- und Hochfrequenztechnik und Elektronik mit entsprechenden Projekten beteiligt. Mit den hier beantragten Messystemen zur linearen und nicht-linearen Charakterisierung von Systemen, Komponenten sowie Materialien werden die Lehrstühle Hochfrequenz- und Kommunikationstechnik sowie Elektronik in die Lage versetzt, aktuelle Forschungsfragen im Frequenzbereich von wenigen MHz bis 120 GHz zu adressieren. Die Systeme können dabei unter anderem für folgende messtechnische Aufgabenstellung eingesetzt werden: (a) lineare on-Wafer- und koaxiale Messungen bis 120 GHz, (b) nicht-lineare Messungen und dielektrische Materialcharakterisierung bis 67 GHz und © Großsignalmessungen bis 40 GHz. Ziel des vorliegenden Großgeräteantrags ist es, die antragstellende Einrichtung durch einen Messplatz zur Erforschung neuer systematischer Ansätze, zur Systemevaluation und -demonstration als auch zur erforderlichen Materialcharakterisierung mit höchster Performanz auszustatten. Die beteiligten Lehrstühle sollen hierdurch für die nächsten Jahre nachhaltig für die Spitzenforschung auf dem Gebiet der neuartigen Konzepte und Technologien für adaptive Kommunikationssysteme und problemangepassten Sensorsystemen basierend auf elektromagnetischen Funktionsprinzipien erstausgestattet werden.

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Ferroelektrische Varaktoren, in denen metallische Elektroden mit (Ba,Sr)TiO3 kombiniert werden, werden in abstimmbaren elektrischen Bauteilen bei Gigahertz-Frequenzen verwendet. Die hohe Abstimmbarkeit der Permittivität, sowie Ausdauer, schnelle Abstimmgeschwindigkeit und geringer Stromverbrauch haben zur Entwicklung verschiedener integrierter Mikrowellenkomponenten beigetragen. Im Rahmen des vorhergehenden Antrags haben wir konzeptionell gezeigt, dass volloxidische, epitaktische Schichtstrukturen auf der Basis des hochleitfähigen Perowskits SrMoO3 den Weg in Richtung Dünnschichtvaraktoren ebnen. Diese haben aufgrund der in diesem Verfahren möglichen ultradünnen (Ba,Sr)TiO3 Funktionsschichten zwei Vorteile, die in konventioneller Technologie nicht möglich sind: Abstimmbarkeit bei niedrigen Spannungen auf Batterieniveau und Betrieb bei hohen Frequenzen. Um jedoch diese Vorteile und damit das volle Potential des Konzepts realisieren zu können, muss ein wesentlich verbessertes Verständnis der Oxidgrenzflächen und ihrer Defektchemie, die der Schlüssel zur Varaktor-Funktionalität sind, erzielt werden.Dieses Folgeprojekt zielt daher auf die Untersuchung der thermodynamischen und kinetischen Stabilität von epitaktischen Grenzflächen zwischen Materialien, die in extrem unterschiedlichen Bereichen des Temperatur-Sauerstoffpartialdruck-Phasendiagramms zu Hause sind. Dabei soll sowohl die Kinetik des Wachstumsprozesses variiert werden, als auch durch geeignete Zwischenschichten Sauerstoffdiffusionsbarrieren genutzt werden. Die Materialparameter der hergestellten Mehrschichtstruktur (Kristall- und Elektronenstruktur, Permittivität, Stöchiometrie, Morphologie) werden mit den elektrischen Leistungsparametern des Varaktors wie Abstimmbarkeit, Leckstrom und Mikrowellenverluste korreliert. Dabei ist die elektrische Charakterisierung bei Gigahertz-Frequenzen nicht nur eine Bauteilcharakterisierungsmethode, sondern wird als hochempfindliche Sonde für die Materialeigenschaften genutzt. Die Bauteilmodellierung erlaubt hierbei die Extraktion von Parametern, die durch direkte Messungen nicht zugänglich sind. Wesentlich für diese Arbeit ist der interdisziplinäre Ansatz, der Materialwissenschaft und Hochfrequenzelektronik verbindet, um durch ein neues hochleitfähiges Material deutlich verbesserte Varaktoren zu ermöglichen.

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Durch die stetig steigende Anzahl an Funkdiensten und den schnellen Wandel in den Funkdienstanforderungen bezüglich ihrer Frequenzbandzuweisung erfordern zukünftige Kommunikationssysteme wie Satelliten und Basisstationen der 4. und 5. Generation mit langen Planungs- und Einsatzzeiten frequenzagile (rekonfigurierbare) Hochfrequenz-Frontends. Eine Schlüsselkomponente sind die Eingangsfilter. Stand der Technik sind Filterbänke, die eine Vielzahl von Frequenzbandparametern wie Mittenfrequenz und Bandbreite abdecken. Dieses Filterkonzept basiert auf einer festen Anzahl an Steuerzuständen (Filtern), die nur diskret eingestellt werden können und keine nachträgliche Rekonfiguration der Filter bzw. Frequenzbandzuweisungen erlauben. Weiterhin ist das große Volumen und hohe Gewicht von Filterbänken ein großes Problem insbesondere für Satelliten. Durch den Einsatz von elektronisch steuerbaren Filtern können Filterparameter wie Mittenfrequenz und Bandbreite in einem bestimmten Abstimmbereich kontinuierlich eingestellt werden. Dies ermöglicht eine annähernd unbegrenzte Anzahl von Rekonfigurationen des HF-Frontends im Laufe seiner Einsatzzeit, z. B. eines geostationären Satelliten von mehr als 15 Jahren. Weiterhin reduzieren sich das Volumen sowie das Gewicht des Filters auf einen Bruchteil dessen einer Filterbank. Primäres Ziel des vorliegenden Antrags ist daher die Analyse und Synthese allgemein elektrisch steuerbarer Flüssigkristall (Liquid Crystal, LC) Filter mit abstimmbarer Bandbreite und Mittenfrequenz für die Satellitenkommunikation (SatKom) im Ka-Band. Die Verwendung der in Darmstadt etablierten Mikrowellen-LC-Technologie bietet für die angestrebte SatKom-Anwendung zwei immense Vorteile, (1.) die neusten, speziell synthetisierten Flüssigkristalle weisen im Millimeterwellenbereich nur sehr geringe maximale Verluste auf und erlauben somit eine hohe Filtergüte, und (2.) diese Flüssigkristalle sind weltraumtauglich, d. h. strahlenfest. Die zu synthetisierenden LCbasierten Filter sollen sowohl in der Mittenfrequenz als auch in der Bandbreite abstimmbar sein. Deshalb werden zunächst verschiedene Ansätze für die Realisierung abstimmbarer Koppelaperturen sowie Resonatoren auf LC-Basis untersucht und geeignete Steuerelektroden entwickelt mit dem Ziel der maximalen Steuerbarkeit bei höchster Resonator-Güte. Aus den synthetisierten Einzelkomponenten wird anschließend das gesamte Filter höherer Ordnung zusammengefügt, wobei zuvor eine Untersuchung der für diese Anwendung optimalen Filtertopologie auf Basis der Koppelmatrix erfolgt. Für die finale Feinabstimmung des gesamten Filters wird das zugrundeliegende Simulationsmodell so weit vereinfacht, dass eine Simulation der gesamten LC-Filterstruktur in einer angemessenen Zeitdauer möglich. Eine Untersuchung zur schnellen Rekonfiguration des Filters im laufenden Betrieb sowie die Implementierung eines Diagnosealgorithmus zur Realisierung der thermischen Stabilität ist für den Abschluss des Projekts vorgesehen.

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Das Vorhaben verfolgt das Ziel, anorganische Kompositmaterialien mit zur Dickschichttechnologie vergleichbaren Steuerbarkeiten, bei gleichzeitigen niedrigen dielektrischen Verlusten sowie geringen Permittivitäten zu realisieren. Hierzu werden unterschiedliche Gefüge aus einer steuerbaren, ferroelektrischen Phase, im vorliegenden Fall Barium-Strontium-Titanat (Ba0,6Sr0,4TiO3), und einer niederpermittiven, dielektrischen (nicht-ferroelektrischen) Phase, im vorliegenden Fall Magnesiumborat (Mg3B2O6) hergestellt. Der Schwerpunkt des Verlängerungsantrags liegt zum einen bei der systematischen Untersuchung des vielversprechenden Ansatzes der sogenannten Coating-Komposite sowie von ternären Kompositen, und zum anderen bei der Weiterentwicklung des Simulationsverfahrens, um die dielektrischen Eigenschaften der hergestellten Kompositgefüge modellieren zu können. Im Einzelnen ergeben sich folgende Teilziele: Etablierung einer nichtlinearen 3D EM-Simulation von nichtlinearen elektrisch steuerbaren Kompositgefügen, Entwicklung und Optimierung von Coating- Kompositen, Herstellung und Modellierung ternärer Komposite.

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Während moderne Kommunikation mit wachsenden Bandbreitenansprüchen einhergeht, ist das zugrundeliegende Hochfrequenzspektrum begrenzt. Es gibt nur wenige Möglichkeiten, den Datendurchsatz mit begrenzten Ressourcen zu erhöhen. Eine mögliche Lösung für Anwendungen mit besonders hoher Datenrate besteht darin, höhere Trägerfrequenzen im V- oder W-Band zu verwenden. Auch werden Anwendungen in den mm-Wellenbändern über 110 GHz intensiv diskutiert. Mit der Zunahme der Frequenz müssen viele neue, in niedrigeren Frequenzbändern bekannte und optimierte Komponenten skaliert, angepasst oder neu untersucht werden. Neben den aktiven Verstärker- und Mischschaltungen besteht ein großer Bedarf an passiven Bauelementen wie Filter oder Antennen. Während im unteren Frequenzbereich diese Komponenten üblicherweise als nicht-abstimmbare Komponenten realisiert werden, sind abstimmbare oder rekonfigurierbare Komponenten für mobile Kommunikationsanwendungen für die angestrebten Frequenzen von großer Bedeutung. Erforderliche Komponenten sind definitiv abstimmbare Antennen mit starker Richtwirkung, die in der Lage sind, die Strahlform und -richtung zu optimieren, um eine nahezu allgegenwärtige Verbindung mit konstanter Servicequalität zu garantieren. Auch abstimmbare Filter sind Schlüsselkomponenten, da sie die Rekonfiguration des gesamten Netzwerks ermöglichen. Dieses Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Realisierung eines abstimmbaren Filters, das sich besonders für den Betrieb bei hohen Frequenzen eignet. Frühere Forschungsergebnisse zeigen die Begrenzung der Standardtechnologien für Schaltungen im mm-Wellenbereich. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist es daher, grundlegende Untersuchungen an einstellbaren Dual-Mode LC-basierten Filtern durchzuführen, die eine substratintegrierte Wellenleitertechnologie verwenden. Der Vorteil der Verwendung von Dual-Mode-Filtern ist seine reduzierte Größe, während der Passband-Stopband-Übergang zur gleichen Zeit definierter realisiert werden kann. Neben den Untersuchungen zur Machbarkeit dieser neuen elektronisch abstimmbaren Dual-Mode-SIW-Bandpassfilter im W-Band werden zusätzliche Forschungsaktivitäten im Bereich Materialcharakterisierung, EM-Simulationen und Filteroptimierung durchgeführt. Das Konzept wird abschließend mit einem abstimmbaren Dual-Mode-SIW-Filter im W-Band demonstriert.

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Elektronisch steuerbare Antennen sind eine wichtige Komponente zukünftiger Kommunikations-dienste. Beispielsweise sind agile Antennen für zukünftige Raummultiplexverfahren im Mobilfunkbereichnotwendig, die es erlauben eine Funkverbindung zwischen Mobilstation und Basisstation dauerhaft sicherzustellen. Gruppenantennen mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung sind für die genannten Anwendungsgebiete eine wichtige Komponente. Im Vergleich zu Antennen mit mechanischer Strahlschwenkung haben sie den Vorteil einer deutlich leichteren und kompakteren Bauweise und können einfach integriert werden. Problematisch bei allen Gruppenantennen ist die Gewinnreduktion beiStrahlschwenkung. Diese entsteht durch die Überlagerung der Felder der einzelnen Antennenelemente, welche durch die Phasenbelegung, die geometrische Anordnung und die Richtcharakteristiken der einzelnen Antennenelemente gegeben ist. In diesem Forschungsprojekt wird erstmals ein Antennenkonzept untersucht, in dem die Abstrahlungsrichtung einstellbar ist, ohne dabei eine Gruppenantenne oder ein Reflectarray zu verwenden. Dabei handelt es sich um eine Parallelplattenleiterlinse mit rekonfigurierbarer Apertur. Basis für die elektronische Steuerung sind Flüssigkristalle, die mittels Rexolite Container in einem gekrümmten Parallelplattenleiter eingesetzt werden und über ein Biasingnetzwerk angesteuert werden. Die Machbarkeit einer solchen Antenne soll dabei exemplarisch an einem Demonstrator im V-Band nachgewiesen werden.

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Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen Grundlagen für eine neuartige elektrisch steuerbare Wellenleitertechnologie geschaffen werden. Wissenschaftlicher Ansatz ist hierbei die Kombination von verlustarmen dielektrischen Wellenleitern mit der an der TU Darmstadt entwickelten Mikrowellen-Flüssigkristalltechnologie, um so einfache elektrisch steuerbare Wellenleiter, exemplarisch im W-Band, zu realisieren sowie deren Performanz und Einsatzpotential abzuschätzen. Diese einfachen, Flüssigkristall-gesteuerten Phasenschieber bilden anschließend den Grundbaustein für komplexere, hochperformante elektrisch steuerbare Wellenleiterkomponenten in zukünftig agilen Millimeterwellen- und THz-Systemen. Steuerbare planare Wellenleiterstrukturen sind trotz ihrer schnellen Reaktionszeit bei Frequenzen im W-Band und darüber hinaus nicht mehr sinnvoll einsetzbar, da ihre metallischen Verluste zu hoch sind. Steuerbare Hohlleiter sind aufgrund ihrer deutlich geringeren Verluste eine gute Alternative, insbesondere für Anwendungen mit hoher Performanz. Jedoch zeigen sie einen entscheidenden Nachteil. Durch die mit steigender Frequenz kleiner werdenden Dimensionen stellt die Implementierung des erforderlichen elektrischen Ansteuernetzwerks aufgrund der metallischen Berandung trotz großer Anstrengungen eine kaum lösbare technologische Herausforderung dar. Während man im Ka-Band relativ einfach elektrisch steuerbare Hohlleiterphasenschieber herstellen kann, konnten im W-Band bisher nur magnetisch gesteuerte Phasenschieber implementiert werden. Dielektrische Wellenleiter besitzen im Gegensatz zu Hohlleitern keine metallische Berandung. Daher lassen sich die elektrischen Ansteuernetzwerke sehr einfach außerhalb des Wellenleiters anbringen. Des Weiteren haben gerade die klassischen dielektrischen Wellenleiter den Vorteil, dass sie größer als vergleichbare Hohlleiterkomponenten im selben Frequenzbereich sind. Dies mag für den GHz-Bereich noch als Nachteil erscheinen, wird jedoch bei Frequenzen im THz-Bereich zum Vorteil, da steuerbare dielektrischen Wellenleiter noch handhabbar sind, wo Hohlleiter-basierte Flüssigkristall-Komponenten kaum mehr realisierbar sind. Ziel dieses Vorhabens ist eine umfassende Untersuchung unterschiedlicher dielektrischer Wellenleitertopologien, die sich besonders für neuartige elektrisch steuerbare Hochfrequenzkomponenten im Millimeterwellen- und THz-Bereich eignen. Der Fokus liegt dabei auf der Integration von Flüssigkristallkavitäten und dem Ansteuernetzwerk. Diese fundamentale Studie umfasst folgende Teilaspekte: (1) die Untersuchung unterschiedlicher dielektrischer Wellenleitertopologien hinsichtlich der Steuerbarkeit, (2) die Evaluierung geeigneter Materialien zu den ausgewählten Wellenleitertopologien, (3) die Untersuchungen zur verlustarmen Einkopplung des HF-Signals in den dielektrischen Wellenleiter sowie (4) die Hardwareimplementierung der Steuerbarkeit mittels Flüssigkristalltechnologie mit einer möglichst einfachen Ansteuerung.

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Die Flüssigkristall (LC) Technologie, welche im letzten Jahrzehnt von der TU Darmstadt innovativ für den Mikrowellenbereich angepasst wurde, ist eine der vielversprechendsten Lösungen zur Herstellung von kontinuierlich steuerbaren Komponenten im Millimeterwellen Bereich, da ihre Verluste bei steigender Frequenz sinken. Bei 30 GHzzum Beispiel weisen sie sehr geringe dielektrische Verluste tand < 0,006 und eine kontinuierliche Steuerbarkeit von bis zu 27% auf, was in einer Gütezahl (FoM), definiert als das Verhältnis der maximalen differentiellen Phasenverschiebung über der maximalen Einfügedämpfung, von ca. 200°/dB oder 110°/dB für Hohlleiter bzw. invertierte Mikrostreifenleitungsphasenschieber resultiert. Trotz ihrer höheren Verluste im Vergleich zu Hohlleitern, zeichnen sich planare Strukturen durch ihre geringe Dicke aus, sie sind einfach herzustellen und man kann auf automatisierte Herstellungsmechanismen, ähnlich der der LC-Display Technologie, zurückgreifen. Da LC ein Dielektrikum ist, ist der Leistungsverbrauch zur Ansteuerung sehr gering. Nichtsdestotrotz sehen sich LC Phasenschieber zwei kritischen Parametern konfrontiert: Sie benötigen eine zu lange physikalische Länge für die Bereitstellung einer differentiellen Phase von 360°, was viel mehr ist als die vorgegebene Fläche eines Antennenelements, und sie besitzen zu lange Reaktionszeiten (typischerweise > 1 Min), wo für Strahlsteuerungen in mobilen Anwendungen Reaktionszeiten von weniger als 30 ms benötigt werden. Um diese Probleme zu überwinden zielt dieses Projekt auf eine neue Technologie ab, welche alle Anforderungen wie die hohe FoM, geringe Einfügedämpfung, schnelle Reaktionszeiten etc., durch die erstmalige Kombination zweier unabhängig entwickelter, innovativer Technologien, der Flüssigkristalle und der Nanodraht befüllten Membran (NaM) Technologie, erfüllen kann. Die kombinierte LC-NaM Technologie ermöglicht somit durch die Ausnutzung des sogenannten Slow-Wave Effekts die Miniaturisierung von steuerbarenMikrowellenkomponenten um mindestens einen Faktor 3. Als Machbarkeitsnachweis dieser neuen Technologie werden in diesem Projekt erstmals weltweit passive, kontinuierlich steuerbare Slow-Wave Phasenschieber für WPAN Anwendungen bei 60 GHz entworfen, realisiert und untersucht. Das Ziel ist es mit Hilfe des Slow-Wave Effekts Phasenschieber mit LC Schichtdicken von wenigen µm herzustellen, welche eine hohe FoM von mindestens 70°/dB bei 60 GHz erreichen und gleichzeitig ihre Reaktionszeiten von mehr als 1 min, bei bisherigen LC Schichtdicken von 50 bis 150 µm oder mehr, auf 30 ms oder weniger zu verringern. Damit soll es möglich sein eineneue Generation von miniaturisierten Phasenschiebern zu realisieren,welche schnelle Reaktionszeiten und hohe FoM im Millimeterwellenbereich haben, kombiniert mit geringem Leistungsverbrauch, und welche sich einfach in jedes Antennenelement einer großen Gruppenantenne integrieren lassen.

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Das angestrebte Projekt befasst sich mit den Herausforderungen bei der Entwicklung von mobilen Funkverbindungen mit hoher Datenrate im Millimeterwellenbereich. Hierbei führt die Zunahme der Freiraumdämpfung in Kombination mit dem vermehrten Auftreten von Sauerstoff- und Wasserresonanzen zu einer sehr knappen Leistungsübertragungsbilanz. Daher ist zum Erreichen eines genügenden Signal-Rauschabstandes der Einsatz von hochdirektivenAntennen unabdingbar. Zur Aufrechterhaltung der Funkverbindung ist,besonders bei mobilen Anwendungen, eine Nachführung der Antennenkeule notwendig. Da mechanisch gesteuerte Antennen im Allgemeinen sperrig, schwer, wartungsintensiv und teuer sind, geht man mehr und mehr dazu über, die mechanischen Komponenten durch elektronische Steuermechanismen zu ersetzen. Die Implementation dieser phasengesteuerten Gruppenantennen ist allerdings komplex und teuer, wenn jede Einzelantenne einer NxM Antennenmatrix über einen separaten HF-Kanal angesteuert wird, umdie notwendige Amplituden- und Phasenbelegung im Basisband einzustellen. Vielversprechender ist, die Phasenbelegung im HF-Bereich mittels passiver Phasenschieber zu realisieren, was die Zahl unabhängiger HF-Kanäle drastisch reduziert. In diesem Projekt wird die innovative Anwendung von Flüssigkristall als steuerbares Material in Kombination mit aktiven Komponenten zur Realisierung einer hybriden Antennenmatrix angestrebt. Hierbei spielen die Anforderungen an die Phasenschieber eine entscheidende Rolle. Da sie jedem Antennenelement zugewiesen sind, müssen sie kompakt genug sein, um in eine Einheitszelle der Antennenmatrix zu passen. Gleichzeitig sollten sie kompakt, flach und verlustarm sein, um den Anforderungen für mobile Anwendungen gerecht zu werden. Des Weiteren muss der erzeugte Phasenhub groß genug sein, um den anwendungsspezifischen Steuerbereich abzudecken. Trotz der guten Verlusteigenschaften des LCs ist es schwierig, allen oben genannten Anforderungen zugleich gerecht zu werden. Daher wird in diesem Projekt zum ersten Mal die Kombination aktiver Komponenten mit steuerbaren passiven LC basierten Phasenschiebern angestrebt, um die hohen Anforderungen an die Phasenschieber zu entschärfen. DesWeiteren ermöglicht dieses Konzept durch die Anwendung von steuerbaren Verstärkern auch die uneingeschränkte Fernfeldsynthese(d.h. Steuerung der Phasen- und Amplitudenbelegung). Um die oben genannten Ziele zur erreichen, wird zuerst ein systematisches Verfahren zum Entwurf hybrider/aktiver phasengesteuerter Gruppenantennen entwickelt. Die passiven Phasenschieber werden mittels innovativer und vielversprechender LC-Technik realisiert. Zur Steigerung der Systemperformanz bzgl. SNR, Größe und Leistungsaufnahme, werden aktive Sende-Empfangs-Schaltungen in das Antennenpanel integriert. Die Herausforderungen werden insbesondere in der Anpassung des Entwurfsverfahrens auf dieses Konzept als auch in der Integration von aktiven und LC basierten Komponenten liegen.

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