Motivation

Motivation & Anwendungsfelder

Intelligente, frequenz- und raum-agile Sensor- und Kommunikationssysteme kommender Generationen erfordern steuerbare, integrierbare Komponenten der Mikrowellentechnik und Optik. Beispiele sind elektronisch-steuerbare Antennen für Umweltmonitoring, Sicherheits­systeme und Satellitenkommunikation, steuerbare Hochfrequenzmodule wie Anpassnetz­werke, Duplexer und Multibandantennen für kognitive Mobilfunksysteme, leistungseffiziente RFIDs zur Identifikation von Gefahrengütern sowie abstimmbare Filter und Laser zur Kanal­selektion in optischen Übertragungssystemen und zur Gassensorik.

In Bild 1 sind symbolisch einige konkrete und potenzielle Anwendungsfelder von steuerbaren, integrierbaren Komponenten der Mikrowellentechnik und Optik dargestellt. Diese erstrecken sich über einen extrem weiten Frequenzbereich. Dieser umfasst sowohl den

Bild 1: Anwendungsfelder und wichtigste Frequenzbereiche bzw. Wellenbereiche
Bild 1: Anwendungsfelder und wichtigste Frequenzbereiche bzw. Wellenbereiche

Je nach Anwendung und Frequenzbereich müssen diese steuerbaren Komponenten unter­schiedlichen, teilweise disjunktiven Anforderungen wie hohe Steuerbarkeit, hohe Güte (geringe Verluste), hohe Empfindlichkeit/Selektivität, hohe Frequenzstabilität, geringes Rauschen, z.B. im Hinblick auf ein geringes Phasenrauschen in Oszillatoren, hohe Band­breite, geringe Ansprechzeit, hohe Leistungsverträglichkeit sowie hohe Linearität (geringe Intermodulation) bei möglichst niedrigen Steuerspannungen und nahezu strom- bzw. leis­tungsloser Steuerung gerecht werden. Gleichzeitig sollen diese Komponenten möglichst kom­pakt (miniaturisierbar) und leicht sein, d.h. geringe Abmessungen und Gewicht besitzen, und möglichst einfach mit bestehenden Standardtechnologien wie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) voll integrierbar oder mit „Packaging“-Lösungen hybrid integrierbar sein, hohe Zuverlässigkeit vorweisen und technologisch kosteneffizient realisiert werden können mit Blick auf möglichst geringe Herstellungs- und Systemintegrationskosten.

Die Realisierung solcher agilen Komponenten stellt eine Herausforderung dar, die mit heutigen Technologien nur un­zurei­chend gelöst werden kann. Innerhalb des Kollegs zielen wir auf eine Lösung mit neuarti­gen „steuer­baren“ Funktionsmaterialien und MEMS sowie entsprechenden innovativen Pro­zesstech­nologien. Hierbei werden die elektrischen, magnetischen oder mikro­geometrischen Eigenschaften durch äußere Spannung oder Strom gesteuert. Zusätzlich erfor­dert der gesamte Entwicklungs­zyklus neue Bauelementkonzepte, Entwurfsmethoden mit Multiskalen-Model­lierung, eine dedizierte Material- und Bauteilcharakterisierung sowie Tests und Optimierung der Kompo­nenten über einen Frequenzbereich von etwa 800 MHz bis 800 THz.

Diese Forschungsarbeiten von Grundlagen bis zur industriellen Anwendung erfordern alle Funktionsbausteine („building blocks“) des gesamten Entwicklungszyklus bzw. Herstellungs­prozess (development cycle or value-creation chain) gemäß Bild 2.

Bild 2: Schematische Darstellung des gesamten Entwicklungszyklus mit den erforderlichen Funktions­bausteinen, der den interdisziplinären, mehrstufigen Ansatz des Programms charakterisiert.
Bild 2: Schematische Darstellung des gesamten Entwicklungszyklus mit den erforderlichen Funktions­bausteinen, der den interdisziplinären, mehrstufigen Ansatz des Programms charakterisiert.