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KIT-Forscher entwickeln günstige Tetrahertz-Empfänger aus einzelner Diode für Mobilfunkgeneration 6G

Mobilfunk-Generation
KIT-Forscher entwickeln günstige Tetrahertz-Empfänger für 6G

Mobilfunknetz der Zukunft: Kleine Funkzellen (orange) sind über drahtlose Terahertz-Verbindungen (grün) miteinander verknüpft. Bild IPQ, KIT/Nature Photonics
Mobilfunknetz der Zukunft: Kleine Funkzellen (orange) sind über drahtlose Terahertz-Verbindungen (grün) miteinander verknüpft.
Bild: IPQ, KIT/Nature Photonics
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Mobilfunknetze der zukünftigen sechsten Generation (6G) werden aus vielen kleinen Funkzellen bestehen. Um sie drahtlos zu verbinden, bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich (THz) an. Forscher am KIT haben ein Konzept für einfache und kostengünstige Terahertz-Empfänger entwickelt. Sie bestehen aus einer einzigen Diode und werden mit einem speziellen Signalverarbeitungsverfahren kombiniert.

Im Experiment konnten die Forscher so eine Datenübertragungsrate von 115 Gbit/s auf einer Trägerfrequenz von 0,3 THz über eine Entfernung von 110 Metern erreichen. Diese Ergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht..

5G ist noch nicht wirklich etabliert und schon forschen Wissenschaftler an 6G: Die sechste Generation des Mobilfunks verspricht noch höhere Datenübertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten und eine größere Dichte an Endgeräten. Zudem soll sie Künstliche Intelligenz integrieren, um etwa Geräte im Internet of Things oder autonome Fahrzeuge zu koordinieren.

„Um möglichst viele Nutzer gleichzeitig zu bedienen und dabei möglichst große Datenmengen möglichst schnell zu übertragen, müssen die drahtlosen Netze der Zukunft aus zahlreichen kleinen Funkzellen bestehen“, erklärt Prof. Christian Koos, der am KIT gemeinsam mit Prof. Sebastian Randel an Technologien für 6G forscht. Die Wege in diesen Funkzellen sind kurz, große Datenraten können also mit minimalem Energieaufwand und geringer elektromagnetischer Immission übertragen werden. Sie benötigen lediglich kleine Basisstationen, die etwa an Straßenlaternen angebracht werden können.

6G:  Leistungsfähige Funkstrecken im Tetrahertz-Bereich

Um die einzelnen Zellen anzubinden, bedarf es leistungsfähiger Funkstrecken, auf denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabits pro Sekunde (Gbit/s) auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen.

Das Problem: Entsprechende Empfänger sind noch vergleichsweise komplex und teuer; zudem stellen sie häufig den Flaschenhals für die erreichbare Bandbreite dar. Forscher am IPQ, am IMT sowie am IBPT des KIT haben nun mit dem Dioden-Hersteller Virginia Diodes (VDI) in Charlottesville (USA) einen einfachen und kostengünstig herzustellenden Empfänger für Terahertz-Signale entworfen. Die Partner haben ihn kürzlich in der Zeitschrift Nature Photonics vorgestellt.

KIT erreicht höchste Datenrate mit drahtloser THz-Übertragung

„“ls Empfänger dient eine einzige Diode, mit der das Terahertz-Signal zunächst einmal gleichgerichtet wird“, erklärt Tobias Harter, der den Empfänger gemeinsam mit Christoph Füllner im Rahmen seiner Dissertation aufgebaut hat. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Schottky-Diode, die sich durch hohe Geschwindigkeit auszeichnet.

Die Diode fungiert als Hüllkurven-Detektor und gewinnt die Amplitude der Terahertz-Signale zurück. Allerdings wird zur korrekten Dekodierung des Datensignals zusätzlich noch die zeitlich veränderliche Phase der Terahertz-Welle benötigt, die beim Gleichrichten üblicherweise verloren geht.

Die Forscher nutzen zur Lösung dieses Problems digitale Signalverarbeitungsverfahren in Kombination mit einer speziellen Klasse an Datensignalen, bei denen sich die Phase mithilfe der sogenannten Kramers-Kronig-Relationen aus der Amplitude rekonstruieren lässt. Bei der Kramers-Kronig-Relation handelt es sich um eine mathematische Beziehung zwischen dem Real- und dem Imaginärteil eines analytischen Signals.

Mit dem neuen Empfänger erreichten die Wissenschaftler eine Datenübertragungsrate von 115 Gbit/s auf einer Trägerfrequenz von 0,3 THz über eine Entfernung von 110 Metern.

„Dies ist die höchste Datenrate, die bis jetzt mit drahtloser Terahertz-Übertragung über mehr als 100 Meter demonstriert wurde“, erläutert Füllner. Der am KIT entwickelte Terahertz-Empfänger ist einfach aufgebaut und bietet sich für eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen an, schreibt das KIT. (wag)


Kontakt zum KIT

Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 6080
E-Mail: info@kit.edu
Website: www.kit.edu

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