Graphen Quadratur-Amplituden-Rückstreumodulator auf Papier

• Antragsteller: Dr.-Ing. Muhammad Yasir, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500122702

Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge und der allgegenwärtigen Datenverarbeitung wird die Zahl der Kommunikationsgeräte drastisch ansteigen. Die meisten dieser Geräte basieren auf konventionellen Materialien, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß recycelt werden, eine Gefahr für die Umwelt darstellen können. Außerdem erfordert die Funktionalität der meisten dieser Geräte einen sparsamen Stromverbrauch für eine zuverlässige Kommunikation. Daher sind ökologische Überlegungen und Energieeinsparungen für künftige Kommunikationsgeräte von entscheidender Bedeutung. Papier ist nicht nur biologisch abbaubar und umweltfreundlich, sondern auch ein ernsthafter Kandidat als Hochfrequenz (HF)-Substrat, da seine elektrischen Eigenschaften denen herkömmlicher HF-Substrate nahekommen. Rückstreuende Kommunikationsbaugruppen gelten als energieeffizient, da sie durch einfallende Wellen gespeist werden. Daher können rückstreuende Kommunikationssysteme, die auf einem Papiersubstrat entwickelt werden, eine gute Lösung darstellen, da sie umweltfreundlich und energieeffizient sind. Sie beruhen auf einem Schaltelement, das in der Regel aus konzentrierten Elementen oder HF-Schaltern besteht, welche alle auf herkömmlichen Materialien basieren. Die Forschung zu Graphen hat gezeigt, dass es ein variables Fermi-Energieniveau hat und sein Widerstand durch eine angelegte Vorspannung einstellbar ist. Außerdem ist dieser abstimmbare Widerstand im Zentimeter- und Millimeterfrequenzbereich wirksam. Das variable Fermi-Energie-Niveau von Graphen macht es zu einem guten Kandidaten für den Ersatz konventioneller Schaltelemente in rückstreuenden Kommunikationsbaugruppen.Ziel dieses Projekts ist es, einen auf Graphen basierenden Quadratur-Rückstreumodulator auf einem Papiersubstrat zu entwerfen, herzustellen und zu charakterisieren. Für die vorgeschlagenen Topologien werden äquivalente Schaltungsanalysen durchgeführt, gefolgt von Simulationen auf der Grundlage von Finite-Elemente-Modellen (FEM). Graphen wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und der Rastermikrowellenmikroskopie (SMM) charakterisiert und in geeigneter Weise als "lumped element" modelliert. Vorversionen von papierbasierten Quadratur-Amplituden-Modulatoren (QAM) werden mit modellierten Impedanzen („lumped element“) als Ersatz für Graphen auf Prototypen getestet. Nach der Optimierung der QAM, auf der Basis von konzentrierten Ersatzschaltbildelementen, werden Prototypen mit Graphen hergestellt und vermessen. Die Herstellung der Prototypen wird mit Hilfe eines mikrorobotischen Aufbaus erfolgen, um die Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses zu optimieren. Die elektrische Charakterisierung der Prototypen umfasst Streuparametermessungen und Demodulationsmessungen. Die Prototypen werden unter verschiedenen Umgebungsbedingungen getestet und auf eine bessere Leistung hin optimiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen