Institut für Elektrodynamik, Mikrowellen- und Schaltungstechnik
Das EMCE-Institut zählt zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Hochfrequenz- und THz-Technik und integrierten Schaltungen. Mit einem interdisziplinären Ansatz verbindet das Institut grundlagenorientierte Forschung mit innovativen Anwendungen – von der Theorie elektromagnetischer Felder bis hin zur Entwicklung zukunftsweisender Technologien für Kommunikation, Sensorik und Optoelektronik. Die wissenschaftliche Arbeit konzentriert sich auf vier zentrale Themenfelder: Mikrowellentechnik für Informations- und Kommunikationstechnologien, Analoge, Mixed-Signal- und Optoelektronische Schaltungen, Terahertz(THz)-Quellen, Detektoren und Systeme und Mikro- und Nano-Halbleitertechnologie der quantenelektronischen Strukturen.
Die Arbeit des Instituts gliedert sich in drei spezialisierte Forschungsgruppen:
- Mikrowellentechnik (Leitung: Assoc.Prof. Dr. Holger Arthaber)
Fokus auf Hochfrequenzsysteme und deren Integration in moderne Kommunikationsinfrastrukturen. - Schaltungstechnik (Leitung: Univ.Prof. Dr. Horst Zimmermann)
Entwicklung innovativer Schaltungskonzepte für analoge, gemischte und optoelektronische Anwendungen. - THz-Elektronik (Leitung: Univ.Prof. Michael Feiginov)
Erforschung der THz Quellen, Detektoren und Systemen, im speziellen derjenigen, die auf Quentenhalbleiterstrukturen basierend sind.
Forschung
Microwave Electronics
Die Microwave Engineering Group deckt ein breites Spektrum von der Grundlagenforschung bis hin zur angewandten Forschung ab. Grundlage dafür ist das Mikrowellenlabor, in dem sowohl On-Wafer- als auch Gesamtsystemmessungen bis 110 GHz möglich sind, ergänzt durch moderne Simulatoren für Schaltungen, Systeme und elektromagnetische Felder. Das Know-how der Gruppe deckt nicht nur die klassische Mikrowellentechnik ab, sondern inkludiert den Entwurf hardware-orientierter Mikrowellensysteme, FPGA-basierte Echtzeit-Signalverarbeitung und Signalverarbeitungsalgorithmen.
Ein Schwerpunkt liegt dabei auf Hochfrequenz-Kommunikationsanwendungen. Die Gruppe arbeitet an effizienten, linearen und robusten Transceivern: auf der Sendeseite insbesondere an geschalteten Leistungsverstärkern (Switched-Mode Power Amplifiers, SMPAs), auf der Empfangsseite an interferenzrobusten Architekturen. Einen wesentlichen Teil der Arbeiten bildet der optimierte Entwurf von Gesamtsystemen, wie der für das L-Band Digital Aeronautical Communications System (LDACS) konzipierte und als Hardware-Demonstrator aufgebaute hochlineare Flugfunktransceiver zeigt. Grundlagenseitig liegt ein Fokus auf der nichtlinearen Charakterisierung und Modellierung von Mikrowellenbauelementen mittels Polyharmonic-Distortion-(PHD-)Ansätzen, gestützt auf Geräte für nichtlineare Vektornetzwerkanalyse (bis 67 GHz), Large-Signal-Messungen und Harmonic Load Pull.
Neben der langjährigen Arbeit an UHF-RFID (Reader-Design, Tag-Lokalisierung) gewinnt der Antennenentwurf einschließlich der zugehörigen Messtechnik zunehmend an Bedeutung. Hier erweitert die Gruppe derzeit ihre mathematischen Methoden für die Antennenmesstechnik auf große phasengesteuerte Antennenarrays. Ziel ist die effiziente Simulation dieser Arrays, die Optimierung der Speisenetzwerke, die Entwicklung optimaler Routing-Strategien sowie die Charakterisierung nichtlinearer Wechselwirkungen in aktiven Arrays, was unmittelbar an die PHD-basierte Bauelementmodellierung anschließt.
THz Electronics
Die Forschungsgruppe THz-Elektronik wurde im Jahr 2016 gegründet. Die Gruppe entwickelt THz-Quellen, -Detektoren und -Systeme. Der Hauptschwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Resonanztunneldioden (RTDs) und THz-RTD-Oszillatoren, die zu den höchstfrequenten aktiven elektronischen Bauteilen überhaupt zählen. Sie arbeiten bei Frequenzen bis knapp unter 2 THz. Die Gruppe hat kürzlich RTD-Oszillatoren mit einer Rekord-Ausgangsleistung von 2 µW bei 1.75 THz demonstriert. Darüber hinaus ist es der Gruppe vor Kurzem gelungen, äußerst kompakte RTD-Oszillatoren mit sogenannten Patch-Antennen bei Frequenzen bis zu 1.1 THz zu realisieren. Die Gruppe gehört weltweit zu nur zwei Forschungsgruppen, denen es gelungen ist, RTD-Oszillatoren bei Frequenzen von über 1 THz zu demonstrieren.
Neben experimentellen Arbeiten, die anspruchsvolle THz-Messtechnik sowie Nano- und Mikro-Halbleitertechnologie umfassen, leistet die Gruppe auch wesentliche Beiträge zur Theorie von Quantentunnelstrukturen, zu ultraschnellen Elektronentransportphänomenen sowie zu dynamischen und nichtlinearen Effekten in RTDs.
Außerdem untersucht die Gruppe Methoden zur Stabilisierung und Kontrolle von RTD-Oszillatoren. Diese Arbeiten sollen die Anwendung von THz-RTD-Oszillatoren in der drahtlosen Kommunikation und Radartechnik ermöglichen und den Weg zu einer Vielzahl praktischer THz-Anwendungen ebnen.
Integrated Circuits
Die Arbeitsgruppe Schaltungstechnik wurde im Jahr 2000 mit der Berufung von Prof. Zimmermann gegründet und startete mit dem EU-Projekt INSPIRED zur Integration einer PIN-Fotodiode und neuen Schaltungskonzepten von optischen Sensoren. Mit den Ergebnissen dieses Projektes gründete sich im Jahr 2005 das Start-up A3PICs aus. Ein weiterer Schwerpunkt wurden analoge ICs in mehreren FFG-Projekten mit Infineon bis hin zu analogen ICs in Nanometer CMOS. Der Anwendungsbereich der mit XFAB entwickelten PIN-Fotodiodentechnologie wurde auf Avalanche Fotodioden und diese weiter zu Einzelphotonenlawinendioden erweitert. Highlights waren optische Freiraumübertragung und die elektronisch-photonische Integration. Zu dieser wurden drei EU-Projekte (HELIOS, IRIS und EPIQUS) durchgeführt. Mit EPIQUS, einem Projekt zu einem Quantensimulator, wurde das Gebiet der photonischen Quantenanwendungen betreten. Zudem wurden im Grundlagenbereich FWF-Projekte zu 3D-Sensor-ICs und zur Einzelphotonendetektion durchgeführt. Im bahnbrechenden FWF-Projekt USPAR gelang es mit PIN-Fotodioden-Empfänger- ICs dieselbe Empfindlichkeit wie mit SPAD-Empfängern zu erreichen. Aktuelle Arbeiten und Projektplanung konzentrieren sich auf die Anwendung der USPAR-Methode auf die Detektion einzelner Photonen.
Lehre
Im Rahmen des Bachelorstudiums hat das Institut maßgeblich zu den Lehrveranstaltungen in den zentralen Disziplinen Elektrodynamik und Schaltungstechnik beigetragen. Derzeit konzentriert sich das Institut auf Vertiefungslehrveranstaltungen im Bereich THz-Technik und Schaltungstechnik sowie auf die Betreuung von Bachelorarbeiten. Im Masterstudium folgt eine gezielte Spezialisierung durch eine Reihe von hochfrequenztechnischen und schaltungstechnischen Vorlesungen sowie begleitenden Laborübungen. Die Schwerpunkte liegen dabei auf den zukunftsweisenden Bereichen Telekommunikation, Mikroelektronik sowie Hochfrequenz- und THz-Technik. Diese Ausrichtung ermöglicht es den Absolvent_innen, sich in dynamischen und technologisch anspruchsvollen Feldern zu profilieren. Das Institut legt großen Wert darauf, nicht nur theoretisches Wissen zu vermitteln, sondern die Inhalte auch durch eine experimentelle und praxisorientierte Ausrichtung zu untermauern. Dies wird insbesondere in den Lehrveranstaltungen zur Hochfrequenz- und THz-Technik im Masterstudium deutlich.
Mitwirkende
Holger Arthaber erhielt den Dr.-techn.-Grad sowie die Habilitation in Hochfrequenz- und Informationstechnik an der TU Wien in den Jahren 2004 bzw. 2017. Er ist derzeit assoziierter Professor. Er ist (Mit-)Autor von mehr als 120 begutachteten Publikationen. Seine Forschungsinteressen umfassen die Charakterisierung von Mikrowellenmaterialien, Indoor-Lokalisierung, Antennendesign und -messung, EMV-Messungen, softwaredefinierte Funkgeräte sowie das Design von HF-Systemen. Dr. Arthaber ist Mitglied des Technical Program Committee des International Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimetre-wave Circuits sowie Mitglied des Editorial Boards des International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. Zudem war er Gasteditor für verschiedene IEEE- und MDPI-Zeitschriften. Er ist IEEE Senior Member.
Dr. Horst Zimmermann erwarb 1984 sein Physik-Diplom an der Universität Bayreuth und 1991 den Dr.-Ing. an der Universität Erlangen-Nürnberg in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS-B). Anschließend war er bis 1992 Alexander-von-Humboldt-Stipendiat an der Duke University (USA) und forschte zur Diffusion in Si, GaAs und InP. 1993 wechselte er an die Universität Kiel, wo er Optoelektronik lehrte und zur optoelektronischen Integration arbeitete. Seit 2000 ist er Professor für Elektronische Schaltungstechnik an der TU Wien. Seine Schwerpunkte sind analoge und nanometrische CMOS-Schaltungen, optoelektronisch integrierte CMOS/BiCMOS-Schaltungen, optische Funkkommunikation, Einzelphotonendetektion und elektronische-photonische Integration. Er ist Autor mehrerer Fachbücher sowie von über 600 Publikationen. Seit 2002 ist er Senior Member der IEEE und war 2014 Gasteditor einer IEEE-Sonderausgabe zu optischen Detektoren.
Michael Feiginov erhielt 1994 den M.Sc.-Abschluss in Elektrotechnik und Physik am Moskauer Institut für Physik und Technologie (Russland) sowie 1999 den Ph.D. in der Physik von Halbleitern und Dielektrika am Institut für Radiotechnik und Elektronik der Russischen Akademie der Wissenschaften. Von 1994 bis 2000 war er dort als Junior Scientist, Scientist und Senior Scientist tätig. 2001 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Chemnitz. Von 2002 bis 2013 war er Senior Researcher an der Technischen Universität Darmstadt. 2013–2014 war er Gastwissenschaftler am Tokyo Institute of Technology (Japan). Von 2014 bis 2016 war er Scientific Manager am Frontier Research Center von Canon Inc. in Tokio. Seit 2016 ist er Professor an der Technischen Universität Wien. Seine Forschungsgebiete umfassen THz-Elektronik und -Photonik.