Novel Aspects in Terahertz: Channel Measurements, Modeling and Material Characterization
The new "Tera-Era" visions extreme high speed wireless data transfer of 100 Gb/s and beyond, machines computing at rates of teraflops, and electronic devices performing operations on the femtosecond time scale. The key to break this 100 Gb/s barrier by wireless means incites numerous applications in wireless communications, material characterization, spectroscopy, imaging, sensing, and screening. In fact, to achieve 100 Gb/s wireless links anywhere and anytime, a bandwidth of several gigahertz (GHz) is enforced, best sheltered in the targeted terahertz (THz) frequency range ( f ~ 0.25 – 4 THz; λ ~ 1.2– 0.075 mm). For instance, to transmit at 300 GHz, this carrier frequency is the choice of fortune for four reasons: (i) it is five times higher than the highest frequency of 60 GHz used in wireless communications today; (ii) the atmospheric attenuation is of less extreme amounts to no more than 2.8 dB/km while falling within the spectral windows; (iii) it procures a 47 GHz of continuous bandwidth which is larger than the unified spectral resources globally available for all kinds of wireless systems; and (iv) this former barely accessible spectral window due to technological limitations allows a 100 Gb/s high throughput even with a simple modulation scheme for short-range wireless communications. The wireless data transmission of 100 Gb/s and beyond in the THz range is referred to as THz Communications. Helping this technological development is the rapid improvement in silicon germanium (SiGe), gallium nitride (GaN), and graphene technology, so that THz science and technology becomes a highly investigated research topic.
Yet despite the various advantages offered, the venture of employing the targeted frequency range in real world applications still sounds quite elusive. In order to realize the design of an efficient and reliable THz indoor communication system in the presence of rough surfaces and also taking into account the substantial research gaps, this dissertation aims to fill in these gaps by exploring and unfolding each of the four emphases described in the following:
Emphasis 1 ...... to thoroughly study, analyze and model the THz wave characteristics,
Emphasis 2 ...... to classify rough surfaces and propose the advances in THz scattering models,
Emphasis 3 ...... to develop novel THz ray-tracing algorithms with distinct THz wave characteristics to support the proposed THz scattering models,
Emphasis 4 ...... to characterize indoor materials at THz frequencies using state-of-the-art instrumentation and techniques.
Die neue "Tera-Ära" steht für extreme Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen von 100 Gb/s und mehr, die drahtlos ermöglicht werden sollen, für Rechenleistungen von TeraFLOPS pro Prozessor und für elektronische Schaltungen mit Schaltgeschwindigkeiten im Bereich von Femtosekunden. Das Durchbrechen der 100 Gb/s Grenze im drahtlosen Bereich wird vielfältige Anwendungen in den Bereichen drahtlose Kommunikation, Materialcharakterisierung, Spektroskopie, Bildverarbeitung, Sensorik und Screening ermöglichen. Tatsächlich wird zwingenderweise eine Bandbreite von mehreren Gigahertz (GHz) benötigt, bestens abgeschirmt im angestrebten Terahertz (THz) Frequenzbereich ( f ~ 0.25 – 4 THz; λ ~ 1.2– 0.075 mm) , um überall und zu jeder Zeit drahtlose Verbindungen mit 100 Gb/s zu erreichen. Beispielsweise ist aus den folgenden vier Gründen das Senden bei 300 GHz eine gängige Wahl: (i) es ist fünfmal höher als die höchste derzeit verwendete Frequenz bei 60 GHz; (ii) die Dämpfung durch die Atmosphäre ist mit 2,8 dB/km weniger stark als in benachbarten Frequenzbereichen; (iii) es stellt ein zusammenhängendes Spektrum von 47 GHz bereit, mehr Bandbreite als alle derzeit betriebenen Funksysteme zusammen erfordern; (iv) dieser früher aufgrund von eingeschränkten technologischen Möglichkeiten nur schwer zugängliche Frequenzbereich erlaubt Datenraten von 100 Gb/s selbst mit einfachen Modulationsverfahren für die drahtlose Nahbereichskommunikation. Die drahtlose Datenübertragung mit Raten von 100 Gb/s und mehr im THz Bereich wird als THz Kommunikation bezeichnet. Große Fortschritte in der Silizium-Germanium (SiGe), Gallium Nitrit (GaN) und der Graphen–Technologie unterstützen diese Entwicklung, so dass die THz Wissenschaft und Technologie ein schnell wachsender Forschungsbereich geworden ist.
Trotz der vielen Vorteile erscheint das Vorhaben, die Anwendungen im angestrebten Frequenzbereich unter realen Bedingungen umzusetzen, doch noch sehr utopisch. Um ein effizientes und zuverlässiges THz Kommunikationssystem, das die in Innenräumen vorhandenen rauen Oberflächen mit berücksichtigt, zu designen, ist es das Ziel dieser Dissertation, Forschungslücken durch das Entfalten der folgenden vier Schwerpunkte zu schließen:
Schwerpunkt 1 ...... sorgfältige Studie, Analyse und Modellierung der THz Wellencharakteristik,
Schwerpunkt 2 ...... Klassifizierung von rauen Oberflächen und Vorschlagen eines fortschrittlichen THz Streumodels,
Schwerpunkt 3 ...... Entwicklung neuer Strahlverfolgungs Algorithmen für den THz Bereich mit eindeutigen THz Wellencharakteristiken, die die vorgeschlagenen THz Streumodelle unterstützen,
Schwerpunkt 4 ...... Charakterisierung von Innenraummaterialien mit Hilfe von dem Stand der Technik entsprechenden Messgeräten und –techniken.