FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING

AND INFORMATION TECHNOLOGY

Die Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie ist eine fortschrittliche medizinische Bildgebungstechnologie und spielt eine wichtige Rolle in der Erforschung der Gehirnfunktion und Neurobiologie. Sie ermöglicht Wissenschaftlern, detaillierte Bilder des Gehirns zu erfassen und funktionelle Aktivitäten in Echtzeit zu verfolgen. Dies kann zu einem besseren Verständnis von Gehirnerkrankungen, kognitiven Prozessen und neurologischen Störungen beigetragen. Das technische Ziel dieses Projektes ist die Realisierung einer universellen integrierten Konsole für Hochfeld-MRT-Systeme. Die in diesem Projekt entwickelte MRT-Konsole übertrifft alle bisher kommerziell oder als Eigenbau verfügbaren Systeme und ermöglicht es der OVGU und damit dem Land Sachsen-Anhalt, die Leuchtturmaktivitäten im Bereich MRT und Neurowissenschaften in den kommenden Jahren auszubauen und zu sichern. Ferner bietet das Projekt eine exzellente Möglichkeit der Einbindung in die
Hightech-Strategie des Landes Sachsen-Anhalt mit der Ansiedlung von Konzernen der Halbleitertechnologie und Mikroelektronik. Mit UIC4UHFMRI wird die Toolchain vom Design bis zur Systemintegration moderner Halbleiterbauelemente an der OVGU etabliert.

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Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist die Erforschung und anschließende Etablierung mittels additiver Fertigungsmethoden gefertigter Hochfrequenzsystemen für die Satellitenkommunikation. Hierbei werden rekonfigurierbare HF-Frontends mit adaptiven Antennensystemen benötigt. Eine besondere Herausforderung besteht in der Integration der Mikrowellen-Flüssigkristall-Technologie (µWLCTechnologie) mit additiven Fertigungsmethoden. Sehr neue Forschungsergebnisse für die Ansteuerung von Flüssigkristallkomponenten mit hybriden Steuerfeldern in Kombination mit einer durch eine phasenmodulierte elektrische Ansteuerung deutlich vereinfachten Elektronik erlauben erstmals einen insgesamt deutlich optimierten Aufbau von steuerbaren HF-Komponenten und Systemen. Nachdem auch die additive Fertigung von HF-Komponenten den Weg aus den Forschungslaboren in die Wirtschaft gefunden hat, ist der nächste logische Schritt diese beiden Technologien zu kombinieren.

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In dieser Phase werden die Bedarfe der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) ermittelt. Aus diesen customer requirements werden in einem weiteren Schritt die technischen Anforderungen herausgearbeitet und mit den technischen Möglichkeiten des Heinrich-Hertz-Satelliten (H2Sat) abgeglichen. Das globale Ziel des Gesamtprojektes liegt auf der Technologieentwicklung und anschließender -erprobung eines neuartigen integrierten Datenmodems für die BOS welches die Anforderungen der Nutzer an eine integrierte Satellitenkommunikation neben dem Regelfall auch den Katastrophen- und den Zivilschutzfall mit einem einheitlichen, selbst-orchestrierten Zugangspunkt abdecken kann. Hierzu werden im Projektverlauf Experten aus unterschiedlichen BOS und weitere Partner eingebunden.

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Die Hochfrequenzmesstechnik ist essenziell für vielfältige Forschungsaufgaben im Bereich der Kommunikations- und Medizintechnik. An beiden Forschungsschwerpunkten sind die Lehrstühle Kommunikations- und Hochfrequenztechnik und Elektronik mit entsprechenden Projekten beteiligt. Mit den hier beantragten Messystemen zur linearen und nicht-linearen Charakterisierung von Systemen, Komponenten sowie Materialien werden die Lehrstühle Hochfrequenz- und Kommunikationstechnik sowie Elektronik in die Lage versetzt, aktuelle Forschungsfragen im Frequenzbereich von wenigen MHz bis 120 GHz zu adressieren. Die Systeme können dabei unter anderem für folgende messtechnische Aufgabenstellung eingesetzt werden: (a) lineare on-Wafer- und koaxiale Messungen bis 120 GHz, (b) nicht-lineare Messungen und dielektrische Materialcharakterisierung bis 67 GHz und © Großsignalmessungen bis 40 GHz. Ziel des vorliegenden Großgeräteantrags ist es, die antragstellende Einrichtung durch einen Messplatz zur Erforschung neuer systematischer Ansätze, zur Systemevaluation und -demonstration als auch zur erforderlichen Materialcharakterisierung mit höchster Performanz auszustatten. Die beteiligten Lehrstühle sollen hierdurch für die nächsten Jahre nachhaltig für die Spitzenforschung auf dem Gebiet der neuartigen Konzepte und Technologien für adaptive Kommunikationssysteme und problemangepassten Sensorsystemen basierend auf elektromagnetischen Funktionsprinzipien erstausgestattet werden.

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Ferroelektrische Varaktoren, in denen metallische Elektroden mit (Ba,Sr)TiO3 kombiniert werden, werden in abstimmbaren elektrischen Bauteilen bei Gigahertz-Frequenzen verwendet. Die hohe Abstimmbarkeit der Permittivität, sowie Ausdauer, schnelle Abstimmgeschwindigkeit und geringer Stromverbrauch haben zur Entwicklung verschiedener integrierter Mikrowellenkomponenten beigetragen. Im Rahmen des vorhergehenden Antrags haben wir konzeptionell gezeigt, dass volloxidische, epitaktische Schichtstrukturen auf der Basis des hochleitfähigen Perowskits SrMoO3 den Weg in Richtung Dünnschichtvaraktoren ebnen. Diese haben aufgrund der in diesem Verfahren möglichen ultradünnen (Ba,Sr)TiO3 Funktionsschichten zwei Vorteile, die in konventioneller Technologie nicht möglich sind: Abstimmbarkeit bei niedrigen Spannungen auf Batterieniveau und Betrieb bei hohen Frequenzen. Um jedoch diese Vorteile und damit das volle Potential des Konzepts realisieren zu können, muss ein wesentlich verbessertes Verständnis der Oxidgrenzflächen und ihrer Defektchemie, die der Schlüssel zur Varaktor-Funktionalität sind, erzielt werden.Dieses Folgeprojekt zielt daher auf die Untersuchung der thermodynamischen und kinetischen Stabilität von epitaktischen Grenzflächen zwischen Materialien, die in extrem unterschiedlichen Bereichen des Temperatur-Sauerstoffpartialdruck-Phasendiagramms zu Hause sind. Dabei soll sowohl die Kinetik des Wachstumsprozesses variiert werden, als auch durch geeignete Zwischenschichten Sauerstoffdiffusionsbarrieren genutzt werden. Die Materialparameter der hergestellten Mehrschichtstruktur (Kristall- und Elektronenstruktur, Permittivität, Stöchiometrie, Morphologie) werden mit den elektrischen Leistungsparametern des Varaktors wie Abstimmbarkeit, Leckstrom und Mikrowellenverluste korreliert. Dabei ist die elektrische Charakterisierung bei Gigahertz-Frequenzen nicht nur eine Bauteilcharakterisierungsmethode, sondern wird als hochempfindliche Sonde für die Materialeigenschaften genutzt. Die Bauteilmodellierung erlaubt hierbei die Extraktion von Parametern, die durch direkte Messungen nicht zugänglich sind. Wesentlich für diese Arbeit ist der interdisziplinäre Ansatz, der Materialwissenschaft und Hochfrequenzelektronik verbindet, um durch ein neues hochleitfähiges Material deutlich verbesserte Varaktoren zu ermöglichen.

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Durch die stetig steigende Anzahl an Funkdiensten und den schnellen Wandel in den Funkdienstanforderungen bezüglich ihrer Frequenzbandzuweisung erfordern zukünftige Kommunikationssysteme wie Satelliten und Basisstationen der 4. und 5. Generation mit langen Planungs- und Einsatzzeiten frequenzagile (rekonfigurierbare) Hochfrequenz-Frontends. Eine Schlüsselkomponente sind die Eingangsfilter. Stand der Technik sind Filterbänke, die eine Vielzahl von Frequenzbandparametern wie Mittenfrequenz und Bandbreite abdecken. Dieses Filterkonzept basiert auf einer festen Anzahl an Steuerzuständen (Filtern), die nur diskret eingestellt werden können und keine nachträgliche Rekonfiguration der Filter bzw. Frequenzbandzuweisungen erlauben. Weiterhin ist das große Volumen und hohe Gewicht von Filterbänken ein großes Problem insbesondere für Satelliten. Durch den Einsatz von elektronisch steuerbaren Filtern können Filterparameter wie Mittenfrequenz und Bandbreite in einem bestimmten Abstimmbereich kontinuierlich eingestellt werden. Dies ermöglicht eine annähernd unbegrenzte Anzahl von Rekonfigurationen des HF-Frontends im Laufe seiner Einsatzzeit, z. B. eines geostationären Satelliten von mehr als 15 Jahren. Weiterhin reduzieren sich das Volumen sowie das Gewicht des Filters auf einen Bruchteil dessen einer Filterbank. Primäres Ziel des vorliegenden Antrags ist daher die Analyse und Synthese allgemein elektrisch steuerbarer Flüssigkristall (Liquid Crystal, LC) Filter mit abstimmbarer Bandbreite und Mittenfrequenz für die Satellitenkommunikation (SatKom) im Ka-Band. Die Verwendung der in Darmstadt etablierten Mikrowellen-LC-Technologie bietet für die angestrebte SatKom-Anwendung zwei immense Vorteile, (1.) die neusten, speziell synthetisierten Flüssigkristalle weisen im Millimeterwellenbereich nur sehr geringe maximale Verluste auf und erlauben somit eine hohe Filtergüte, und (2.) diese Flüssigkristalle sind weltraumtauglich, d. h. strahlenfest. Die zu synthetisierenden LCbasierten Filter sollen sowohl in der Mittenfrequenz als auch in der Bandbreite abstimmbar sein. Deshalb werden zunächst verschiedene Ansätze für die Realisierung abstimmbarer Koppelaperturen sowie Resonatoren auf LC-Basis untersucht und geeignete Steuerelektroden entwickelt mit dem Ziel der maximalen Steuerbarkeit bei höchster Resonator-Güte. Aus den synthetisierten Einzelkomponenten wird anschließend das gesamte Filter höherer Ordnung zusammengefügt, wobei zuvor eine Untersuchung der für diese Anwendung optimalen Filtertopologie auf Basis der Koppelmatrix erfolgt. Für die finale Feinabstimmung des gesamten Filters wird das zugrundeliegende Simulationsmodell so weit vereinfacht, dass eine Simulation der gesamten LC-Filterstruktur in einer angemessenen Zeitdauer möglich. Eine Untersuchung zur schnellen Rekonfiguration des Filters im laufenden Betrieb sowie die Implementierung eines Diagnosealgorithmus zur Realisierung der thermischen Stabilität ist für den Abschluss des Projekts vorgesehen.

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Das Vorhaben verfolgt das Ziel, anorganische Kompositmaterialien mit zur Dickschichttechnologie vergleichbaren Steuerbarkeiten, bei gleichzeitigen niedrigen dielektrischen Verlusten sowie geringen Permittivitäten zu realisieren. Hierzu werden unterschiedliche Gefüge aus einer steuerbaren, ferroelektrischen Phase, im vorliegenden Fall Barium-Strontium-Titanat (Ba0,6Sr0,4TiO3), und einer niederpermittiven, dielektrischen (nicht-ferroelektrischen) Phase, im vorliegenden Fall Magnesiumborat (Mg3B2O6) hergestellt. Der Schwerpunkt des Verlängerungsantrags liegt zum einen bei der systematischen Untersuchung des vielversprechenden Ansatzes der sogenannten Coating-Komposite sowie von ternären Kompositen, und zum anderen bei der Weiterentwicklung des Simulationsverfahrens, um die dielektrischen Eigenschaften der hergestellten Kompositgefüge modellieren zu können. Im Einzelnen ergeben sich folgende Teilziele: Etablierung einer nichtlinearen 3D EM-Simulation von nichtlinearen elektrisch steuerbaren Kompositgefügen, Entwicklung und Optimierung von Coating- Kompositen, Herstellung und Modellierung ternärer Komposite.

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Während moderne Kommunikation mit wachsenden Bandbreitenansprüchen einhergeht, ist das zugrundeliegende Hochfrequenzspektrum begrenzt. Es gibt nur wenige Möglichkeiten, den Datendurchsatz mit begrenzten Ressourcen zu erhöhen. Eine mögliche Lösung für Anwendungen mit besonders hoher Datenrate besteht darin, höhere Trägerfrequenzen im V- oder W-Band zu verwenden. Auch werden Anwendungen in den mm-Wellenbändern über 110 GHz intensiv diskutiert. Mit der Zunahme der Frequenz müssen viele neue, in niedrigeren Frequenzbändern bekannte und optimierte Komponenten skaliert, angepasst oder neu untersucht werden. Neben den aktiven Verstärker- und Mischschaltungen besteht ein großer Bedarf an passiven Bauelementen wie Filter oder Antennen. Während im unteren Frequenzbereich diese Komponenten üblicherweise als nicht-abstimmbare Komponenten realisiert werden, sind abstimmbare oder rekonfigurierbare Komponenten für mobile Kommunikationsanwendungen für die angestrebten Frequenzen von großer Bedeutung. Erforderliche Komponenten sind definitiv abstimmbare Antennen mit starker Richtwirkung, die in der Lage sind, die Strahlform und -richtung zu optimieren, um eine nahezu allgegenwärtige Verbindung mit konstanter Servicequalität zu garantieren. Auch abstimmbare Filter sind Schlüsselkomponenten, da sie die Rekonfiguration des gesamten Netzwerks ermöglichen. Dieses Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Realisierung eines abstimmbaren Filters, das sich besonders für den Betrieb bei hohen Frequenzen eignet. Frühere Forschungsergebnisse zeigen die Begrenzung der Standardtechnologien für Schaltungen im mm-Wellenbereich. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist es daher, grundlegende Untersuchungen an einstellbaren Dual-Mode LC-basierten Filtern durchzuführen, die eine substratintegrierte Wellenleitertechnologie verwenden. Der Vorteil der Verwendung von Dual-Mode-Filtern ist seine reduzierte Größe, während der Passband-Stopband-Übergang zur gleichen Zeit definierter realisiert werden kann. Neben den Untersuchungen zur Machbarkeit dieser neuen elektronisch abstimmbaren Dual-Mode-SIW-Bandpassfilter im W-Band werden zusätzliche Forschungsaktivitäten im Bereich Materialcharakterisierung, EM-Simulationen und Filteroptimierung durchgeführt. Das Konzept wird abschließend mit einem abstimmbaren Dual-Mode-SIW-Filter im W-Band demonstriert.

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Electronically controllable antennas are an important component for future communications systems. For example, agile antennas are required for future space multiplexing methods in mobile communications, which makes it possible to permanently ensure a connection between a mobile station and a base station. Group antennas with electronically controllable beam steering are an important component for the above mentioned applications. Compared to antennas with mechanical beam steering, they have the advantage of a considerably lighter and more compact design and can be easily integrated. A problem with all group antennas is the reduction of the gain away from broadside. This is caused by the superimposition of the fields of the individual antenna elements, whichis given by the phase assignment, the geometrical arrangement and the directional characteristics of the individual antenna elements. In this research project, an antenna concept is being investigated for thefirst time, in which the radiation direction can be adjusted without using a group antenna or a reflectarray. The idea is based on a parallel plate lens with reconfigurable aperture. The basis for the electronic control are liquid crystals, which are used by means of a Rexolite container in a curved parallel plate environment and are controlled with a biasing network. The feasibility of such an antenna isto be evaluated with a demonstrator in the V-band.

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Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen Grundlagen für eine neuartige elektrisch steuerbare Wellenleitertechnologie geschaffen werden. Wissenschaftlicher Ansatz ist hierbei die Kombination von verlustarmen dielektrischen Wellenleitern mit der an der TU Darmstadt entwickelten Mikrowellen-Flüssigkristalltechnologie, um so einfache elektrisch steuerbare Wellenleiter, exemplarisch im W-Band, zu realisieren sowie deren Performanz und Einsatzpotential abzuschätzen. Diese einfachen, Flüssigkristall-gesteuerten Phasenschieber bilden anschließend den Grundbaustein für komplexere, hochperformante elektrisch steuerbare Wellenleiterkomponenten in zukünftig agilen Millimeterwellen- und THz-Systemen. Steuerbare planare Wellenleiterstrukturen sind trotz ihrer schnellen Reaktionszeit bei Frequenzen im W-Band und darüber hinaus nicht mehr sinnvoll einsetzbar, da ihre metallischen Verluste zu hoch sind. Steuerbare Hohlleiter sind aufgrund ihrer deutlich geringeren Verluste eine gute Alternative, insbesondere für Anwendungen mit hoher Performanz. Jedoch zeigen sie einen entscheidenden Nachteil. Durch die mit steigender Frequenz kleiner werdenden Dimensionen stellt die Implementierung des erforderlichen elektrischen Ansteuernetzwerks aufgrund der metallischen Berandung trotz großer Anstrengungen eine kaum lösbare technologische Herausforderung dar. Während man im Ka-Band relativ einfach elektrisch steuerbare Hohlleiterphasenschieber herstellen kann, konnten im W-Band bisher nur magnetisch gesteuerte Phasenschieber implementiert werden. Dielektrische Wellenleiter besitzen im Gegensatz zu Hohlleitern keine metallische Berandung. Daher lassen sich die elektrischen Ansteuernetzwerke sehr einfach außerhalb des Wellenleiters anbringen. Des Weiteren haben gerade die klassischen dielektrischen Wellenleiter den Vorteil, dass sie größer als vergleichbare Hohlleiterkomponenten im selben Frequenzbereich sind. Dies mag für den GHz-Bereich noch als Nachteil erscheinen, wird jedoch bei Frequenzen im THz-Bereich zum Vorteil, da steuerbare dielektrischen Wellenleiter noch handhabbar sind, wo Hohlleiter-basierte Flüssigkristall-Komponenten kaum mehr realisierbar sind. Ziel dieses Vorhabens ist eine umfassende Untersuchung unterschiedlicher dielektrischer Wellenleitertopologien, die sich besonders für neuartige elektrisch steuerbare Hochfrequenzkomponenten im Millimeterwellen- und THz-Bereich eignen. Der Fokus liegt dabei auf der Integration von Flüssigkristallkavitäten und dem Ansteuernetzwerk. Diese fundamentale Studie umfasst folgende Teilaspekte: (1) die Untersuchung unterschiedlicher dielektrischer Wellenleitertopologien hinsichtlich der Steuerbarkeit, (2) die Evaluierung geeigneter Materialien zu den ausgewählten Wellenleitertopologien, (3) die Untersuchungen zur verlustarmen Einkopplung des HF-Signals in den dielektrischen Wellenleiter sowie (4) die Hardwareimplementierung der Steuerbarkeit mittels Flüssigkristalltechnologie mit einer möglichst einfachen Ansteuerung.

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Novel Liquid Crystal (LC) technology, which has been innovatively adapted beyond optics during last decade by TU Darmstadt, appears to be the most promising approach for tunable components at millimeter waves, since LC losses decrease with frequency. At 30 GHz, it features very low dielectric losses of tand < 0.006 and continuous tunability up to 27 %, resulting in a Figure-of-Merit (FoM) defined by the ratio of the maximum differential phase shift over the highest insertion loss in all tuning states of about 200°/dB or 110° /dB for hollow waveguide or microstrip line phase shifters, respectively. Although planar technologies own system-inherently higher losses than hollow-waveguide topologies, they are low-profile and can easily be realized, utilizing automated manufacturing techniques similar to well-established LCD technology. This enables a low-cost fabrication of larger arrays even for a low-volume production. Since LC is a dielectric, its power consumption for tuning is extremely low. However,LC phase shifters face two critical parameters: too large length for 360°-phase shift, much more than for the restricted space beneath theantenna elements, and too slow response time (typically > 1 min), where at least less than 30 ms is required for high beam-steering rate in mobile applications. To overcome these problems, the proposed project aims for a new technology, enabling to satisfy all the addressed requirements, i.e. high FoM, low insertion loss, fast response time, low-power consumption, high linearity, low-cost, reliability, light-weight, compact (miniaturized) and flat (low-profile), simultaneously, by merging for the first time worldwide two independently developed innovative technologies: Liquid Crystal (LC) and Nanowire-filled Membrane (NaM) Technologies. The combined LC-NaM technology enables in general tunable microwave devices such as phase shifters miniaturized by factor of at least three, utilizingthe slow-wave effect. As a proof-of-concept of this new technology, tunable passive slow-wave microstrip line phase shifters will be designed, realized and investigated for the first time, exemplary for WPAN application at 60 GHz. The objective is to achieve effective LClayer thickness of few µm only between the top of the nanowires and signal electrode, thus, keeping high performances for the planar microstrip topology with FoM of at least 70°/dB at 60 GHz. At the same time, the device's response time will be reduced dramatically from more than 1 min down to 30 ms compared to conventional tunable LC-based microstrip lines with 50 to 150 µm distances between the biasing electrodes. Thus, with this technology, it is feasible to realize a new generation of miniaturized phase shifters, having a fast response time and high FoM at millimeter waves with very low power consumption, and which could easily be integrated into each antenna element of a large beam-steering antenna array.

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The aimed project addresses the challenges faced, when exhibiting high data rate mobile wireless communication links in the millimeter-wave band. The increase in free-space path loss and oxygen absorption in combination with a large bandwidth leads to a very stringent link budget. To achieve a reasonable high signal to noise ratio, the use of high gain antenna systems is inevitable. However, highly directive communication links necessitate for the ability to dynamically adjust the orientation of the antennas main beam. Thereby, the trend is towards replacing any mechanical component byelectronic steering mechanisms. Mechanically steered antennas are in general bulky, heavy, maintenance intensive and hence costly, making them unattractive for mobile applications and consumer products. However, the implementation of a phased array system comprising NxM array elements with the same amount of independentRF channels in order to apply the necessary phase and amplitude weighting in the baseband is as well complex, bulky and cost intensive. A more promising approach is to perform the phase weighting in the RF domain utilizing passive phase shifters, which reduces the amount of independent RF channels. This project focuses on the innovative application of liquid crystal as tunable material together with active components for the realization of hybrid array antenna systems. Here, one challenge lies in the requirements placed on the phase shifting component. Due to their assignment to each array element, they have to be that compact to fit behind one antenna. At the same time, they are required to be compact, flat and low-loss to meet the overall requirements for mobile applications. Further, the phase shift introduced has to be large enough to cover the angular steering range for the specific application. Although the low-loss properties of LC, it is still difficult to meet the above mentioned criteria altogether, especially concerning the losses. Therefore, this project aims for a new approach by combining, for the first time, active components and tunable passive LC phase shifters todiminish the strong requirements placed on the phase shifters. Further, the integration of variable gain amplifiers in such a system enables the possibility for full beam synthesis (i.e. phase and amplitude weighting). To accomplish the above mentioned goals, a systematic technique to design hybrid/active phased arrays will be developed. The passive phase shifters will be realized in innovative and promising low-loss LC technology. Transceiver ICs will be integrated and packaged into the antenna panel in order to increase the system performance in terms of SNR, size and power consumption. The challenges will be, to incorporate this concept into the design procedure as well as the integration of active with LC based passive components.

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