Konzepte für hochintegrierte Silizium-Millimeterwellen-Schaltungen und Systeme mit messtechnischer Performanz (MilliMess)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jan Barowski; Professor Dr.-Ing. Nils Pohl
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551426719

Das primäre Ziel dieses Antrags ist die Erforschung von monolithisch in Silizium-Germanium (SiGe) basierten integrierten Schaltungen und Systemen für die höchstpräzise, hochfrequente Messtechnik. Das Projekt begleitet die Konzeption und den Entwurf integrierter Schaltungen und Komponenten durch eine systematische Eruierung hinsichtlich unerwünschter Fehlerquellen und deren Einfluss auf die Performanz des darauf aufbauenden vollständigen Messsystems. Als Fallbeispiel für die Evaluation auf Systemebene wird die vektorielle Netzwerkanalyse betrachtet. Da vektorielle Netzwerkanalysatoren die Möglichkeit zur vollständigen Systemfehlerkorrektur im Sinne der Netzwerkanalyse bieten und folglich kalibrierte und rückführbare Messungen mit einer sehr hohen Dynamik ermöglichen, eignen sich diese besonders gut als höchstperformante Referenzsysteme. In der Regel ist der Messbereich von vektoriellen Netzwerkanalysatoren (VNAs) auf maximal 70 GHz durch kommerzielle Geräte beschränkt. Um Messungen bei höheren Frequenzen bis ca. 1 THz zu ermöglichen, werden auf diskreten Hohlleiterkomponenten („Split Block“) basierende externe Module mit Frequenzvervielfachern, Richtkopplern und eigenen Abwärtsmischern in das vom VNA weiter verarbeitete Zwischenfrequenzband (ZF-Band) verwendet. In Kooperation beider Lehrstühle konnte bereits ein auf einem SiGe-MMIC basierendes Erweiterungsmodul (110 GHz bis 170 GHz) entwickelt werden. Dieses stellt die Ausgangslage dar und eignet sich als Fallstudie zur Untersuchung von Einflussfaktoren von SiGe integrierten Schaltungen auf hochperformante Messungen, da unterschiedliche Schaltungseigenschaften die Kalibrierfähigkeit des Moduls maßgeblich beeinflussen können. Da nichtlineare und stochastische Effekte nicht kalibrierbar sind, werden Frequenzvervielfacher mit hoher Nebenlinienunterdrückung und hochlineare sowie gleichzeitig rauscharme Empfangsschaltungen erforscht. Zusätzlich findet eine Untersuchung von Sendeverstärkern hinsichtlich ihres lastabhängigen Verhaltens („Load-Pull“) statt, um rückwirkungsfreie integrierte Schaltungen zu ermöglichen. Weiterhin liegt ein Augenmerk auf der Realisierung eines Frontends mit einer hohen Direktivität, um die Unterscheidung hin- und rücklaufender Wellen breitbandig zu ermöglichen. Aus diesem Grund werden auch Verkopplungen von benachbarten Schaltungskomponenten betrachtet. Im Anschluss wird die Integration von Signalquellen zur Erzeugung von Testport- und Lokaloszillatorsignalen auf einem Chip untersucht. Dies ermöglicht durch die Verwendung integrierter, über eine Phasenregelschleife stabilisierter, on-Chip Signalquellen die Messung mit weiteren Signalformen, wie z.B. schnellen linear/nichtlinear modulierten Frequenzrampen (FMCW-Verfahren). Diese neuen Ansätze in der Signalverarbeitung der ZF-Signale eröffnen neue Möglichkeiten zur Systemfehlerkorrektur sowie die Charakterisierung zeitvarianter linearer Messobjekte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen