Future Wireless THz Communication Devices and Systems

Drahtlose Kommunikations- und Positionierungssysteme sind allgegenwärtig und stellen einen unverzichtbaren Bestandteil modernen Infrastruktur dar. Die Kapazität des genutzten Hochfrequenz- (HF)-Spektrums wird jedoch allmählich erschöpft. Angesichts des steigenden Bedarfs nach drahtlosen Kommunikations- und Positionierungssystemen ist eine Erweiterung auf Sub-THz- und THz-Frequenzen unvermeidlich. Dies wird jedoch durch das Fehlen kostengünstiger und energieeffizienter Bauelemente erschwert. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, sind THz-Festkörperbauelemente erforderlich. Eine der vielversprechendsten Optionen sind Resonanz-Tunnel-Dioden (RTD)-Oszillatoren, die derzeit bis fast 2 THz arbeiten. Durch gegenseitige Kopplung oder injection locking (IL) in einem Array erzeugen RTD-Oszillatoren Ausgangsleistungen von bis zu 10 mW. Für die THz-Kommunikation und - Positionierung ist zusätzlich die präzise Steuerung der Phase und Frequenz der Oszillatoren erforderlich, was durch IL erreicht werden könnte. Dabei ergeben sich jedoch zwei Probleme: Erstens erfolgt die Analyse der IL-Mechanismen aktuell auf einem sehr vereinfachten Niveau. Zweitens sind die internen Parameter der IL-Oszillatoren (Steuerspannungen, Schwingungsamplituden, Phasen usw.) bei Sub-THz- und THz-Frequenzen praktisch nicht messbar und können nur grob abgeschätzt werden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wollen wir ein genaues Analyse- und Modellierungsverfahren für IL etablieren, präzise IL-Messungen durchführen und erstmals eine Phasen-/Frequenzsteuerung für Kommunikation und Positionierung mit IL-RTD-Oszillatoren demonstrieren. Dies umfasst: (i) die Entwicklung präziser semi-analytischer Modelle, (ii) numerische Simulationsmethoden für IL, (iii) exakte IL-Messverfahren und Modellvalidierung, beginnend mit frequenzskalierten RTD-Oszillatoren bei 50 GHz, da für diese derzeit präzise Messungen möglich sind. Die Demonstration der kohärenten und nicht-kohärenten IL-Kommunikation/-Positionierung (iv) rundet das Projekt ab. Damit dieses Projekt erfolgreich umgesetzt werden kann, wird die Expertise der TU Wien (TUW) in den Bereichen Mikro- und Nanofabrikation, physikalische Modellierung von THz-Bauelementen, HF/THz-Messtechnik und Kommunikationssysteme mit dem Know-how der FH Oberösterreich (FHOÖ) in der numerischen und symbolischen Modellierung, Simulation und Optimierung von HF- Schaltungen und -Bauelementen ergänzt. Das strukturierte, systematische Doktoratsprogramm umfasst Lehrveranstaltungen, wöchentliche gemeinsame Seminare, gemeinsame Betreuung, Lab-Rotation, Teilnahme an internationalen Sommerschulen und Konferenzen usw. Spezielle Kurse behandeln den aktuellen Stand der Technik in den jeweiligen Forschungsfeldern der Betreuenden. Das Projekt soll ein langfristiges gemeinsames Doktoratsprogramm zwischen TUW und FHOÖ etablieren. Die komplementären Forschungsbereiche der Beteiligten bilden die Grundlage für eine dauerhafte Zusammenarbeit.