Neuartige planare Slow-Wave-Strukturen für breitbandige Leistungs-TWT bei Millimeterwellen und Terahertz Frequenzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Viktor Krozer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430109039

Die Miniaturisierung und Verfügbarkeit von Vakuumröhren ist eine Voraussetzung für zukünftige Anwendungen in der Radartechnik, drahtlosen und Satelliten-Kommunikation bei Millimeterwellen und darüber. Es ist unerlässlich neuartige Herstellungsmethoden für kosteffiziente und zuverlässige Vakuumbauelemente für Betriebsfrequenzen oberhalb von 100 GHz zu entwickeln, aufgrund der Beschränkungen herkömmlicher Herstellungsverfahren. Eine Schlüsselrolle spielt hierbei die Herstellung der Slow-Wave-Struktur (SWS). Übliche SWS sind aufgrund ihrer 3D-Geometrie, der geforderten Genauigkeiten in der Herstellung im Mikrometerbereich und der gleichzeitig ausgedehnten Strukturen von mehreren Zentimetern, schwierig herzustellen. 2D SWS-Strukturen können mit photolithographischen Prozessen realisiert werden, was die obige Einschränkung überwindet, jedoch bei gleichzeitigen Einbußen bei den Signalverlusten, geringen Bandbreite und sehr kleinen Interaktion in der Vakuumröhre. Das Anliegen in diesem Projekt ist es neuartige 2D SWS zu entwickeln, welche die derzeitigen Beschränkungen überwinden können und damit eine Möglichkeit anbieten für die kosteneffiziente Realisierung von Wanderfeldverstärkern bei Millimeterwellen. In diesem Projekt sollen Vakuumröhren mit 2D SWS weit über den Stand der Technik im Bezug auf die Betriebsparameter und die Herstellungskomplexität entwickelt und realisiert werden. Insbesondere, ist das Anliegen des Projektes Wanderfeldverstärker bei 220 GHz mit einer Bandbreite von 10 GHz mit planaren SWS zu entwickeln und zu verifizieren. Diese Verstärker benötigen grundlegende Studien zu neuartigen 2D SWS über die üblichen Meanderstrukturen hinaus. Es sollen Strukturen auf der Grundlage der Metamaterialien gezielt entwickelt werden mit Mehrschichtsubstrataufbau. Für die Herstellung sollen die benötigten photolithographischen Prozesse und die Prozesse der Laserstrukturierung entwickelt und demonstriert werden. Damit können die benötigten SWS kosteneffizient und mit hoher Genauigkeit prozessiert werden. Für die Entwicklung der 2D SWS werden theoretische Studien und Simulationen durchgeführt um die Bandbreite und die Kopplungsimpedanz der SWS zu verbessern, die anhand experimenteller Realisierung der SWS validiert werden sollen. Der Erfolg des Projektes rührt von der geplanten intensiven Zusammenarbeit und komplementären Arbeiten zum Entwurf und EM-Simulationen der beteiligten Gruppen. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse werden beiden Gruppen im Rahmen einer gemeinsamen Entwurfsplattform zur Verfügung gestellt um eine systematische Evaluation der jeweiligen Strukturen zu ermöglichen. Insbesondere, wird GUF die SWS mit optischer Lithographie entwickeln und realisieren, wogegen die Russische Gruppe die besten SWS mit Hilfe der Laserstrukturierung prozessieren wird. Eine erste Kooperation resultierte in einer gemeinsamen Veröffentlichung der beiden Gruppen, die auf der diesjährigen internationalen Konferenz IVEC 2019 präsentiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Nikita M. Ryskin, Ph.D., bis 3/2022