Regenerative, über fmax arbeitende, 3D-gedruckete Terahertz Kamera Transceiver (TeraCaT)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek
• 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
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468813342

THz-Signale haben einzigartige Eigenschaften. Anders als optischen Signale, können sie viele dielektrische Oberflächen durchdringen. Im Vergleich zu Mikrowellensignale ermöglichen sie aufgrund ihrer geringen Wellenlänge jedoch eine deutlich verbesserte Bildauflösung. Um diese Vorteile tatsächlich in praktischen Anwendungen nutzen zu können, bedarf es kompakter, sensitiver, kohärent arbeitender, multikanaliger THz-Kameras, deren Umsetzung bisher durch zwei fundamentale Herausforderungen verhindert wurde. Erstens haben konventionelle heterodyne Transceiver nur eine niedrige Verstärkung, insbesondere wenn sie nahe oder jenseits der Grenzfrequenz der Transistoren arbeiten. Somit sind das Rauschen, die Verlustleistung, die Erwärmung und die Abmessungen groß. Zweitens stützen sich gängig THz-Aufbau- und Verbindungstechniken auf Chip-Scale- oder Split-Block-Ansätze. Diese sind jedoch weder für große, mehrkanalige Aperturen noch für die in der Sensortechnik üblichen Produktionszahlen effizient skalierbar. Die genannten Probleme können in absehbarer Zukunft kaum durch inkrementelle Verbesserungen konventioneller Ansätze gelöst werden. Das Ziel von TeraCaT besteht somit darin, einen neuen alternativen Ansatz zu erforschen. Der Ansatz basiert auf einem innovativen ganzheitlichen THz-Systemkonzept. Er nutzt eine unkonventionelle Sendeempfängerarchitektur und eine komplett auf 3D-Druck und dielektrischen Wellenleitern basierende Integrations- und Herstellungstechnologie. Die geplante Technologieplattform deckt alle Aspekte von Chipintegration, Packaging bis zu den Antennen und deren Speisenetzwerk ab.In TeraCaT werden kompakte und extrem leistungseffiziente super-regenerative integrierte Empfängerschaltungen untersucht, die auch oberhalb der Transistor-Grenzfrequenz einen effizienten Betrieb und hohe Sensitivität ermöglichen. Dieses ehrgeizige Ziel wird mit einem neuartigen zweistufigen, auf einem gepulsten Oszillator basierenden, subharmonischen Abwärtsmischerkonzept mit regenerativer Verstärkung erreicht. Anstelle traditioneller Packaging, Aufbau- und Verbindungstechnologien wird das komplette System auf einer gemeinsamen Technologieplattform realisiert. Diese besteht aus 3D-gedruckten dielektrischen Leitungen und -HF-Strukturen welche zusammen mit den integrierten Schaltungen analysiert, simuliert, entworfen und gemeinsam zum additiv gefertigten Gesamtsystem integriert werden.Um die Praxistauglichkeit dieser innovativen THz-Systementwurfsmethodik nachzuweisen, wird TeraCaT ein vollfunktionsfähiges THz-Bildgebungssystem und die zugehörige Integrations- und Fertigungstechnikkette umsetzen und demonstrieren. TeraCaT kombiniert die komplementären und einschlägig nachgewiesen Kompetenzen der FAU Erlangen-Nürnberg (M. Vossiek, C. Carlowitz) im Bereich Radarbildtechnik, System-Entwurf und -Integration und der TU Dresden (F. Ellinger, C. Carta) im Bereich integrierter Halbleiterschaltungen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2314: Integrierte Terahertz-Systeme mit neuartiger Funktionalität (INTEREST)
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Christian Carlowitz