Millimeterwellen- & Terahertz-Schaltungen

Innerhalb des Forschungsprogramms Hochfrequenz-Schaltungen ist die Realisierung von integrierten Millimeterwellen-Schaltungen ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt. Dazu zählen sowohl Sende- und Empfangsschaltungen als auch Frequenz-Synthesizer für Systeme mit Arbeitsfrequenzen bis zu 720 GHz. Die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben konzentrieren sich auf den Entwurf von Schaltungen für die IHP-eigenen SiGe-BiCMOS-Prozesse. 

In der Zukunft sollen Radarsensoren in robusten und hochauflösenden Systemen eingesetzt werden, die neuartige innovative Anwendungen im Bereich der kontaktlosen Sensorik und mehrdimensionalen Umfelderfassung mit hohem Miniaturisierungsgrad ermöglichen. Um vielfältige Anwendungen vom einfachen Radarsensor bis hin zu Multiple-In-Multiple-Out (MIMO)-Systemen mit den ähnlichen Front-End-ICs bedienen zu können, wurde eine Plattform mit kaskadierbaren Radar-ICs entwickelt. Die Palette der entwickelten Radar-Transceiver deckt Arbeitsfrequenzen von 60 - 256 GHz ab. Ab einer Frequenz von 120 GHz ist die Integration von On-Chip-Antennen (hier gefaltete Dipol-Antennen) möglich, was bei geeigneter Anordnung sowohl Distanz- als auch Winkelmessungen in sehr kompakter und auch kostengünstiger Form  möglich macht. Neue Antennenkonzepte mit veränderten Abstrahl-Charakteristiken für die On-Chip-Integration werden entwickelt. Spezielle Modulationstechniken und die dazugehörige Basisband-Signalverarbeitung erlauben eine Ortsauflösung im Mikrometerbereich, was neue Anwendungsgebiete in der Medizintechnik und bei der Mensch-Maschine-Interaktion erschließt. 

Mit der Steigerung der Arbeitsfrequenzen in den THz-Bereich hinein ist es zunehmend möglich, Schaltungen für Anwendungen im Bereich der Spektroskopie und der Sensorik zur Stoffanalyse bereitzustellen. Auch in Zukunft wird das Ziel verfolgt, Mikrofluidik, Nahfeldsensoren und Ausleseelektronik auf einem Chip zu integrieren, um so höchstkompakte und preiswerte Lab-on-Chip-Lösungen zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung von integrierten Schaltungen für die Analyse des menschlichen Atems mittels Gasspektroskopie bei Frequenzen von 220 - 270 GHz. Durch die On-Chip-Integration von Bow-Tie-Antennen in Kombination mit Si-Linsen zur Strahlfokussierung konnte eine signifikante Verbesserung der Sensitivität des Analysesystems erreicht werden. Aktuell wird an der Einführung eines Bandes bei der doppelten Frequenz (440 - 540 GHz) in das System gearbeitet, was die Anwendungsvielfalt der Gasanalyse erneut signifikant erweitern wird.

Forschungsziele

  • Schaltungen für drahtlose Kommunikation im Millimeterwellenbereich
  • Schaltungen für Sensorsysteme im Millimeterwellen- und Terahertz-Bereich 
  • Mikro- und Millimeterwellen-Biosensorik 
  • Schaltungen für heterointegrierte SiGe-InP-Mikrochiplösungen

Forschungsschwerpunkte

  • Sub-​THz-Spektroskopie-Schaltungen
  • dielektrische Sensoren
  • Millimeterwellen-Radar-​Schaltungen

Der Hauptschwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Entwicklung von Millimeterwellen- und Terahertz-Schaltungen für Kommunikation und sensorische Anwendungen. Hierzu zählen beispielsweise Mehrkanal-Transceiver-Chips mit On-Chip-Antennen und Funktionen wie Beamstearing. Zu den Komponenten, die für den Aufbau zum Einsatz kommen, zählen sehr leistungsfähige Schaltungsblöcke wie rauscharme Verstärker, Leistungsverstärker und auch größere Schaltungseinheiten wie Frequenzsynthesizer. Die Gruppe ist zudem beteiligt an dem Entwurf von SiGe-InP-Chips, welche durch Heterointegration realisiert werden können. Ein weiterer zentraler Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung sehr hoher Frequenzen und Bandbreiten sowie die Ergründung potentieller Anwendungsfelder, wie radarbasiertes hochauflösendes Imaging. Auf dem Gebiet der Sensorik arbeitet die Forschungsgruppe an hochintegrierten Transceivern für Radar und Gasspektroskopie. Zusätzlich werden integrierte biomedizinische Sensoren für Anwendungen wie Zytometrie und Gewebsanalyse basierend auf Nahfeldsensorik entwickelt und untersucht. 

Forschungsergebnisse

  • 245-GHz-Datenübertragung
    • Übertragung ohne Linsen      
    • integrierter Receiver mit On-Chip-Antennen
  • 245-GHz-Frontends für Gasspektroskopie
    • Einsatz externer Linsen 
    • ~ 1 m Übertragungsentfernung
  • 0.5-THz-Transmitter und Empfänger
    • circa 13 dBm Ausgangsleistung bei 490 - 500 GHz
  • X-band Sensorarrays für Mikro-Imaging biologischer Materialien mittels kapazitivem Sensor
  • Ka-Band-Biosensor zur Integration in Katheter, um Plaqueschichten zu charakterisieren
    • Detektion von fett- und kalkhaltigen Proben in Wasser und Blut

Auf dem Gebiet der Nahfeldsensorik für biomedizinische Anwendungen konnte ein Glukosesensor erfolgreich im Labor demonstriert werden, dessen Testergebnisse im Vergleich zu Referenzmessungen vielversprechend sind. Diese und andere Lösungen des Projektes NexGen haben das Potential, zukünftig hilfebedürftigen Menschen das Leben zu erleichtern und wurden mit dem „CATRENE Innovation Award 2019“ ausgezeichnet. Die Arbeiten werden fortgeführt, um längerfristig eine Verwertung der Forschungsergebnisse zu ermöglichen.

Prof. Dr. Corrado Carta

IHP 
Im Technologiepark 25
15236 Frankfurt (Oder)
Deutschland

Sekretariat:
Manja Schütze
Telefon: +49 335 5625 432
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