Design, Optimierung und Prototyping von mikroskopischen THz-Kommunikationssystemen mit auf resonanten Tunneldioden basiertem Energy-Harvesting

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Schober; Professor Dr. Nils Weimann
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556167353

Das Internet der Dinge ("Internet of Things", IoT) ist zu einem integralen Bestandteil des modernen menschlichen Lebens geworden. Für bestimmte Anwendungen ist jedoch die vergleichsweise große Größe der existierenden IoT-Knoten problematisch. Für IoT-Netzwerke, die am Körper getragen werden um Vitalfunktionen zu überwachen, sind beispielsweise Geräte im Mikromaßstab wünschenswert. Es wird allgemein erwartet, dass solche Mikro-IoT-Geräte im Terahertz-Frequenzband (THz) (300 GHz - 10 THz) betrieben werden, wo kleine Antennen eingesetzt werden können und eine extrem große Bandbreite zur Verfügung steht. Allerdings sind solche THz-IoT-Geräte im Mikromaßstab heute nicht verfügbar. Ein limitierender Faktor in diesem Zusammenhang ist das Fehlen einer dauerhaften Stromversorgung für IoT-Knoten im Mikromaßstab. Bei niedrigeren Frequenzen hat sich die drahtlose Energieübertragung (DEU) als praktikable Option erwiesen um IoT-Knoten, die mit Energy-Harvesting (EH)-Schaltkreisen ausgestattet sind, mit Strom zu versorgen. Um die Effizienz solcher Systeme zu steigern, wurde die DUE gemeinsam mit der Informationsübertragung im Downlink und Uplink konzipiert, was zur simultanen drahtlosen Informations- und Energieübertragung (SDIE) bzw. "Wireless Powered Communication Networks" (WPCNs) führte. Die Übertragung dieser Konzepte auf IoT-Netzwerke im Mikromaßstab ist jedoch eine große Herausforderung. Erstens basieren die bei niedrigeren Frequenzen standardmäßig eingesetzten EH-Schaltkreise auf Schottky-Dioden, die bei THz-Frequenzen weniger effizient sind. Stattdessen haben sich hier resonante Tunneldioden (RTD) als geeignet erwiesen. Zweitens ist der Entwurf von SDIE- und WPCN-Systemen eng mit den (im Allgemeinen nichtlinearen) Eigenschaften der EH-Schaltung verknüpft. Da sich die Eigenschaften von RTD völlig von denen von Schottky-Dioden unterscheiden, sind neue Ansätze für das SDIE- und WPCN-Design notwendig. Drittens sind die Eigenschaften elektronischer Komponenten (nicht nur der EH-Schaltung) frequenzabhängig. Beispielsweise sind praktische THz-Lokaloszillatoren, Mischer und Modulatoren weniger stabil als solche bei niedrigeren Frequenzen und führen zu Phasenrauschen. Viertens ist die Erzeugung von THz-Signalen mit hoher Leistung eine Herausforderung und der Pfadverlust drahtloser Kanäle nimmt mit der Frequenz zu. Um nennenswerte Energiemengen zu gewinnen, sollten sich Sender und Empfänger daher in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, so dass Nahfeldeffekte auftreten. Im vorgeschlagenen Projekt gehen die Antragsteller die oben genannten Herausforderungen ganzheitlich an und nutzen dabei ihr kombiniertes Fachwissen in der theoretischen Modellierung und im SDIE/WPCN-Design sowie im THz-Hardware-Design und der experimentellen Realisierung. Das Ziel des Projekts ist es, tragfähige Konzepte für das Design, die Optimierung und das Prototyping integrierter THz-Kommunikations- und EH-Systeme mit Knoten im Mikromaßstab zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen