Submillimeterwellen-Schaltungstechnik (FOR 0)

Der Frequenzbereich oberhalb 100 GHz, insbesondere derjenige der Submillimeterwellen, ist heute für technische Anwendungen noch nicht erschlossen. Es finden sich vereinzelt physikalische Anwendungen wie die Radioastronomie und Laborspektroskopie. Andererseits sind technische Anwendungen dieses Frequenzbereiches denkbar und hoch interessant. Dazu zählen die Fernerkundung von Erdoberfläche und Atmosphäre, mikrozellulare Mobilfunksysteme, Intersatelliten-Kommunikation, Umweltüberwachung, Mess- und Regelaufgaben in der Robotik, vielfältige Messaufgaben in Meteorologie und Klimaforschung usw. Diesen Frequenzbereich für solche Anwendungen erschließen zu helfen, ist ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten im Arbeitsbereich.

Es sind zunächst zwei grundsätzliche Probleme zu lösen: Die Entwicklung einer kostengünstigen Schaltungstechnik sowie die Erzeugung nennenswert großer Hochfrequenzleistung aus Halbleiterbauelementen. Für beide Probleme gibt es inzwischen Lösungsansätze: Die Schaltungen werden in Koplanartechnik auf dünnen, nur wenige Mikrometer starken Membranen ausgeführt, so dass die aus der Millimeterwellentechnik bekannten Eigenschaften CAD-geeignet, billig, hoch präzise, reproduzierbar, einfach zu vervielfältigen auch in den Frequenzbereich der Submillimeterwellen übertragen werden. Diese Membrantechnologie stammt ursprünglich aus den USA und wird inzwischen weltweit weiter entwickelt.

Beim Problem der Leistungserzeugung aus Halbleiterquellen wirkt sich eine physikalische Grenze bestimmend aus, dass nämlich die Leistungsausbeute bei hohen Frequenzen monoton zumindest mit der inversen zweiten Potenz aus der Frequenz fällt. Mit höher werdender Frequenz kommt man schließlich nicht mehr darum herum, eine nennenswerte Leistung durch Bündelung vieler Einzelleistungen aus leistungsschwachen Quellen zu erzeugen. Damit stellt sich das Problem der Leistungsaddition, worunter man die schaltungstechnische Zusammenfassung dieser vielen Einzelleistungen versteht. Bei Frequenzen oberhalb 100 GHz gibt es hierzu weltweit nur einen einzigen Ansatz, der in der Dissertation Shahabadi am Arbeitsbereich Hochfrequenztechnik entwickelt wurde: die so genannte holografische Leistungsaddition. Das ist eine quasi-optische Leistungsaddition im Freiraum. Damit werden sich vollständige Schaltungen aus zwei Teilen zusammensetzen: den Membranschaltungen zur Einbettung der Halbleiterbauelemente, in denen passive Schaltungsfunktionen wie Anpassung und Filterung zusammengefasst werden, und quasi-optischen Schaltungen zur Bündelung von Leistungsflüssen.

Zur Entwicklung einer solchermaßen hybriden "Submillimeterwellen-Schaltungstechnik" wurde im September 1998 eine überregionale Forschergruppe gleichen Namens der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gegründet, die die Kompetenzen der in diesem hohen Frequenzbereich bereits tätigen deutschen Ingenieurinstitute in sich vereinigte. Sie besteht aus den Instituten für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Darmstadt sowie der Universität Erlangen-Nürnberg und den Arbeitsbereichen Mikrosystemtechnik und Hochfrequenztechnik der TUHH, dem auch die Koordinierung der Arbeiten obliegt. Das Aufgabengebiet ist in vier Bereiche gegliedert, in denen es in einer Reihe von Teilprojekten bearbeitet wird: Herstellung der Halbleiter Bauelemente (Bereich A), Bauelement-Halterungen mit MEMS-Technologie (Bereich B), quasi-optische Schaltungstechnik sowie Schaltungsaufbau (Bereich C) und Messtechnik (Bereich D).

In einer ersten Dreijahresphase wurden die folgenden Teilprodukte begonnen:Teilprojekt A1 (Prof. Hartnagel, Ins-titut für Hochfrequenztechnik der TU Darmstadt): Herstellung von Varaktoren und Varistoren. Teilprojekt A2 (Prof. Schünemann, TUHH): Herstellung von IMPATT-Dioden. Teilprojekt B1 (Prof. Schüneman,TUHH): Entwurf und Entwicklung von Membranschaltunen. Teilprojekt B2 (Prof. Müller, TUHH): Herstellung von Membranschaltungen. Teilprojekt C1 (Prof. Schünemann, TUHH): Entwicklung eines Multi-Dioden-Oszillators. Teilprojekt C2 (Prof. Schünemann, TUHH): Entwicklung von Multi-Dioden-Frequenzvervielfachern. Teilprojekt D1 (Prof. Brand, Universität Erlangen-Nürnberg): Entwicklung einer vektoriellen Feldmesstechnik.

In einer zweiten Dreijahresphase werden diese Teil-projekte fortgesetzt und abgeschlossen sowie durch die folgenden beiden Teilprojekte C3 und C4 ergänzt, wovon C3 von der TUHH, C4 von der DFG finanziell gefördert wird:Teilprojekt C3 (Prof. Schünemann, TUHH): Entwicklung quasi-optischer Komponenten für Mehrfrequenzbetrieb. Teilprojekt C4 (Prof. Schünemann, TUHH): Entwicklung von Empfangsmischern. Die Forschergruppe wird ihr Programm bis September 2004 abschließen. Der Aufbau der Systeme erfolgt beispielhaft in drei Frequenzbändern um 150, 300 und 450 GHz. Im folgenden werden die Teilprojekte B1 (Nr. 72) sowie C1, C3 und C4 (Nr.: 63,73,74) beschrieben.

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• Submillimeterwellen