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Projekt
Regenerative, über fmax arbeitende, 3D-gedruckete Terahertz multikanalige Kamera Transceiver - TeraCaT II
Fachliche Zuordnung
Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468813342
Der THz-Bereich ermöglicht die hochauflösende Bildgebung. Zu den Herausforderungen zählen ausreichende Verstärkungen. Diese ist in herkömmlichen Schaltungen durch die Kleinsignalverstärkung (KSV) limitiert. Verstärkungen von > 6 dB pro Stufe sind nur für Frequenzen < 1/3 der maximalen Transistoroszillationsfrequenz (fmax) möglich. Verstärkungen > 30 dB sind erst durch Kaskadierung vieler Stufen, hohe DC-Leistung und sperrigen Hornantennen realisierbar. Um diese Grundlagenprobleme für THz-Kameraempfänger zu lösen, untersuchten wird in TeraCaT deshalb super-regenerative Oszillatoren (SRO), die lediglich eine KSV von leicht über 1 benötigen, um durch die positive Rückkopplung eine hohe Großsignalverstärkung (GSV) zu erreichen. In SiGe BiCMOS demonstrierten wir eine GSV von 50-60 dB bei 182 GHz. Durch ein neuartiges subharmonisch-gepumptes SRO-Konzept zeigten wir erstmals eine hohe Mischverstärkung von 600 auf 200 GHz von 37 dB bei nur 12 mW PDC. Diese Ergebnisse sind wegweisend für FMCW-Radare bei Frequenzen oberhalb der Halbleiter-Technologielimitationen. Neuartige Signalverteilnetzwerke basierend auf 3D-gedruckten dielektrischen Wellenleitern erlauben eine verlust- und dispersionsarme Übertragung von THz-Signalen bei geringer Komplexität und hoher Flexibilität. Im Fortsetzungsprojekt TeraCaT II werden wir den 600 GHz Empfänger aus TeraCaT zu einem mehrkanalfähigen Kamera-Transceiver erweitern. Um auch für den Sender bei 600 GHz hohe Verstärkungen zu erreichen, nutzen wir ebenfalls die SRO-Vorteile. Ein neuartiger Ansatz zur Integration einer Vielzahl von Sendeelementen wird untersucht. Durch Leistungsakkumulation und Generierung großer virtueller Aperturen wird eine hohe Sensitivität und Auflösung realisiert. Mittels variabler Phasenverschiebungen bei Sendesignalen und unterschiedlichen Sende-Empfangskonfigurationen erzeugen wir trotz statischer Arrays zufällige Beleuchtungsmuster. Dank zahlreicher Empfänger ermöglicht dies die Bildrekonstruktion mittels Compressed-Sensing-Algorithmen, unter Verwendung weniger Einzelmessungen, ohne Array-Bewegung oder schwenkbare Richtdiagramme. Additiv gefertigte, dielektrische Spiegelleitungen steigern durch Laserstrukturierung die Skalierbarkeit des kohärenten Lokaloszillator-Verteilnetzwerks, sodass eine komplizierte Bestückung von zusätzlichen Wellenleiterelementen oder spanender Nachbearbeitungen erstmals komplett entfällt. Verlustarme, baumartig verzweigte, aus monolithischen 3D-stereolithographisch gedruckten Antennenarrays ersetzen die bisher einzeln bestückten vertikalen dielektrischen Wellenleiter-Antennen. Insgesamt wird erstmals ein effizientes, skalierbares, komplexes 3D-THz-Transceiver-Array-Konzept bei 600 GHz experimentell demonstriert, das mit wenigen Technologiebausteinen auskommt. Die SRO-Theorie wird bzgl. THz Systeme erweitert. Wir kombinieren auch in TeraCaT II wieder die komplementären Kompetenzen der Gruppen von Vossiek (HF-Systeme, Algorithmen & Antennen) und Ellinger (IC-Design).
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Mitverantwortlich
Dr.-Ing. Christian Carlowitz
