THzSenSo

Eine rekonfigurierbare Terahertz-Sensorik- und Soundingplattform

In zukünftigen mobilen Kommunikationssystemen in der Evolution von 5G- zum 6G-Mobilfunkstandard sowie bei der drahtlosen Vernetzung von digitaler Infrastruktur im heimischen, industriellen als auch im hochmobilen Umfeld werden sowohl die höheren Frequenzen im Millimeterwellenbereich (mmWave) als auch im Terahertz-Bereich (THz) aufgrund ihrer enormen Bandbreiten an Bedeutung gewinnen. Dabei wird der Fokus von mmWave- und THz-Systemen mit Bandbreiten bis zu 10 Gigahertz nicht unmittelbar nur bei den extrem hohen Datenraten über 100 Gigabit pro Sekunde liegen, sondern auch in der Kombination von verschiedenen Applikationen. Beispiele hierfür sind Radaranwendungen und Kommunikationsfunktionalität in einem System, HealthCare-Anwendungen in Smart-Devices zur Unterstützung von Menschen mit Beeinträchtigungen sowie zur besseren medizinischen Vorsorge im heimischen Umfeld im THz-Frequenzbereich, drahtlose Strukturerkennung und hypergenaue Lokalisierung. Zurzeit werden intensive Anstrengungen in der Standardisierung für Systeme im mmWave-Bereich (5G NR FR2) unternommen.

Elektromagnetische Wellen im mmWave- und THz-Bereich eignen sich gleichzeitig sehr gut für unterschiedliche Fragestellungen im Bereich des Sensings, insbesondere auch im Bereich der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Gegenüber alternativen Modalitäten kommen hier einige grundsätzliche Vorteile zum Tragen. Zum einen besitzen elektromagnetische Wellen im THz-Bereich sehr gute Durchdringungseigenschaften bestimmter nichtleitender Materialien wie etwa Kunststoffe. Kombiniert mit den sehr kurzen Wellenlängen und der sehr hohen verfügbaren Bandbreite ergibt sich eine außerordentlich gute Ortsauflösung, welche hochauflösendes Imaging sowie präzise Spektroskopie ermöglicht. Somit lassen sich selbst kleinste Defekte und Anomalien detektieren. Ein weiterer Vorteil, insbesondere im Vergleich mit der Röntgentechnik, liegt in der Ungefährlichkeit: Aufgrund der niedrigen Strahlungsenergie von elektromagnetischen Wellen im niedrigen THz- und sub-THz-Bereich (~0,4135 meV bei 0,1 THz) kann eine ionisierende Wechselwirkung mit biologischer Materie  ausgeschlossen werden, was einen erheblich niedrigeren Arbeitssicherheitsaufwand und hervorragende Eignung für portable In-situ-Messysteme bedeutet.

Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung und Beschaffung einer adaptiven Hardwareplattform im THz-Frequenzbereich, welche sowohl für Sensing- als auch Sounding-Applikationen genutzt werden kann. Dabei sollen Frequenzen im Submillimeterwellenbereich von 110 bis 220 Gigahertz adressiert werden, welche resultierend aus den sehr kurzen Wellenlängen sowie den verfügbaren großen Bandbreiten attraktive Kandidaten für hochauflösende Sensing-Applikationen, zum Beispiel zerstörungsfreie Prüfverfahren, und zukünftige Funkkommunikation, wie dem 6G-Mobilfunkstandard, sind.

Mittels eines dual polarisierten Front-Ends und breitbandiger Signalerfassung im Basisband können so zum Beispiel Materialprüfungsmessungen mit einer sehr hohen Detailtiefe und Genauigkeit sowie Charakterisierungsmessungen des Funkkanals in unterschiedlichsten Umgebungen hochpräzise durchgeführt werden.

Das vom Freistaat Thüringen geförderte Vorhaben wurde durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.