Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Erzeugung ultrakurzer elektrischer Impulse, wie sie für Zwecke der Zeitbereichs-Meßtechnik, z.B. dem Aufbau einer On-Wafer-Streuparametermeßtechnik für Frequenzen von mehr als 100 GHz benötigt werden. Wanderwellenstrukturen in Form von monolithisch integrierten nichtlinearen Leitungen (NLTL) zeigen mit der Aufsteilung von Schockwellen und der Kompression von Impulsen ideale Eigenschaften geeignete Impulsformen mit Anstiegszeiten bzw. Halbwertsbreiten von weniger als 5 ps zu erzeugen. NLTL bestehen aus koplanaren Leitungsstrukturen, in die periodisch angeordnete Schottkydioden monolithisch integriert sind. An bisher im GaAs-System realisierten NLTL werden zwar hinreichend kurze Anstiegszeiten demonstriert, jedoch weisen die generierten Signalformen unerwünschte Nachschwingsignale und hohe Verluste auf. Ferner ist ein Defizit an systematischen Untersuchungen zur Pulskompression festzustellen, so daß eine Optimierung für praktische Anwendungen nur in Teilbereichen erfolgt ist. Das Ziel dieser Arbeit war daher, über eine systematische theoretische und experimentelle Untersuchung der Kompressionseigenschaften von NLTL, nichtlineare Leitungsstrukturen zu entwickeln, die zur Erzeugung ultrakurzer elektrischer Impulse mit Transienten von weniger als 5 ps Dauer und einer hinreichend starken Unterdrückung von Nachschwingsignalen geeignet sind. Weiterhin waren neue Verfahren aufzuzeigen, mit denen die Effektivität der Pulskompression auf NLTL verbessert wird.

Die Funktionsweise einer NLTL besteht darin, daß durch eine in Form von spannungsabhängigen Kapazitäten in die Leitung eingebrachte Nichtlinearität, zu einer sich auf der Leitung ausbreitenden Welle harmonische Komponenten generiert werden. Diese breiten sich ebenfalls auf der Leitung aus, wobei durch eine geeignete Leitungsstruktur in Ausbreitungsrichtung die Phasenbeziehung aller Wellen so gesteuert wird, daß die konstruktive Überlagerung der Aufsteilung einer Schockwelle oder der Kompression von Impulsen entspricht. Die Struktur der NLTL zeichnet sich in der Regel durch eine periodische Anordnung von in Sperrichtung betriebenen Schottkydioden in einer koplanaren Hochfrequenzleitung aus, wobei die Sperrschichtkapazitäten zusammen mit der Indultivität der ko-planaren Verbindungsleitungen im Sinne eines L-C-Kettenleiters als super-integriertes Tiefpaßfilter wirken. Aufgrund der endlichen Leitfähigkeit von Leitungsmetallisierung und Halbleiterschichten treten in technischen NLTL zusätzlich Verluste auf, die bei der Signalausbreitung auf der NLTL eine Dämpfung des Signales bewirken.

Um die Signalausbreitung auf NLTL numerisch zu untersuchen, ist ein Simula-tionsverfahren entwickelt worden, daß auf einer Beschreibung der Leitung durch ein differentielles Ersatzschaltbild beruht. Auf Basis dieses Ersatzschaltbildes ist eine nichtlineare Feldgleichung nach Art der generalisierten Korteweg-de Vries-Gleichung hergeleitet worden, bei deren numerischer Lösung der Einfluß von Nichtlinearität, Filterstruktur und Verlusten auf die Signalausbreitung unabhängig voneinander berücksichtigt wird. Die Anwendbarkeit dieses als KdV-Simulator bezeichneten Verfahrens ist bis weit in den Submillimeterwellenbereich durch Vergleichsrechnungen mit einem weiteren Simulationsverfahren im Zeitbereich belegt. Umfangreiche Berechnungen zur Pulskompression auf NLTL haben ergeben, daß die Kompressionseigenschaften durch eine verstärkte Nichtlinearität und durch die Strukturierung der NLTL in Form einer Gradienten-NLTL bedeutend verbessert wird. So führt eine gestufte Anordnung von Schottkydioden mit einer besonders stark ausgeprägten relativen Kapazitätsänderung, die bis zu höchsten Frequenzen wirksam ist, zu kürzeren Bauelementen und damit zu geringeren Leitungsverlusten, was große Signalamplituden am Ausgang der NLTL ermöglicht. Gleichzeitig bewirkt die gestufte Anordnung der Dioden, daß auf der NLTL aus einem sinusförmigen Eingangssignal nur ein Impuls pro Periode mit minimaler Anstiegszeit bzw. Halbwertsbreite erzeugt wird, wobei auftretende Nachschwingsignale ausreichend stark unterdrückt sind.

Zur anschließenden systematischen experimentellen Untersuchung der hergestellten NLTL wurden die Methoden der Netzwerkanalyse, des elektrooptischen Meßver-fahrens und eines neu entwickelten Feldsondenmeßplatzes eingesetzt. Dabei haben die Messungen im Frequenz- und Zeitbereich zu folgenden wichtigen Ergebnissen geführt. So ist hier insbesondere im Vergleich mit Literaturangaben experimentell nachgewiesen, daß der Einsatz von InP-HFET-Dioden anstelle von GaAs-Schottky-dioden auf NLTL zu einer verstärkten Nichtlinearität und bei vergleichbaren Ausgangssignalen zu eine reduzierten Bauelementlänge führt. Vergleiche zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen haben weiterhin ergeben, daß diese Nichtlinearität mit einer Bandbreite von über 450 GHz bei der Impulsformung auf den Leitungen wirksam ist. Ferner ist die Entstehung von Schockwellen und die weitere Kompression zu nadelförmigen Impulsen, auf einer anhand von Simulations-ergebnissen optimal strukturierten Gradienten-NLTL, numerisch vorhergesagt und experimentell bestätigt worden. Diese Leitung liefert Flanken mit den kürzesten hier gemessenen Fallzeiten von 3,6 ps, wobei nur ein Impuls pro Periode des Eingangs-signales generiert wird. Weitere Untersuchungen haben ergeben, daß stark frequenzabhängige Resonanzen an den Leitungsenden zu erhöhten Spannungs-amplituden mit einer örtlich modulierten Verteilung auf der NLTL führen, so daß teilweise nur an bestimmten Orten in der Leitung optimale Kompressionsergebnisse erzielt werden.

Damit ist gezeigt, daß InP-HFET-Dioden sehr gut für den Einsatz in NLTL zur Erzeugung von elektrischen Impulsformen mit Fallzeiten von weniger als 5 ps geeignet sind. Sie weisen eine starke Kapazitätsänderung auf und bewirken eine entsprechend stark ausgeprägte Nichtlinearität in NLTL, was zu kurzen, kompakten Bauelementen führt. Ferner können InP-HFET-NLTL in idealer Weise zusammen mit weiteren Hochfrequenzschaltungen (Generatoren, Verstärker) auf Basis des InP-HFET-Substrates monolithisch integriert werden, so daß durch geeignet gewählte Impedanzen optimale Arbeitsbedingungen für NLTL zu erreichen sind.

Zu einer weiteren Verbesserung der Kompressionseigenschaften der hier darge-stellten NLTL würde eine zusätzliche galvanische Verstärkung der Leitungs-metallisierungen führen. So würde eine Metallisierungsdicke von 2 µm auf der Gradienten NLTL grad-E3-H eine abgeschätzte Dämpfung von lediglich 5 dB (6,5 GHz) bei einer Gesamtlänge der Leitung von 12 mm bewirken. Einerseits würde damit, durch größere Signalamplituden vor allem im fein strukturierten Endbereich der Leitung, die Nichtlinearität effektiver zur Impulsformung und somit zur Erzeugung großer Ausgangsamplituden beitragen. Andererseits würde auch eine geringere Eingangsleistung zur Erzeugung hochwertiger Signalformen ausreichen. Ebenfalls einen positiven Einfluß auf die Kompressionseigenschaften kann die Anwendung einer neuen Art von Koplanarleitung haben. Bei dieser Leitung ist der Innenleiter um ca. 3 µm vom Substrat abgehoben, was zu einem um den Faktor 4 geringeren Kapazitätsbelag, einem mehr als halbierten Dämpfungsbelag und einer Verdopplung der Phasengeschwindigkeit gegenüber einer gewöhnlichen Koplanar-leitung gleicher Abmessung führt [133,134]. Durch den Einsatz dieses Leitungstyps in periodischen oder Gradienten-NLTL wird also die Signalausbreitungsgeschwin-digkeit erhöht, so daß größere Abstände zwischen den Dioden vor allem im Endbereich von Gradienten-NLTL möglich sind. Neben einer effektiveren Impulsformung aufgrund der wirksameren Induktivität werden auch gleichzeitig die Leitungsverluste deutlich minimiert.

Weiterhin kann im Rahmen der Entwicklung von NLTL das Entwurfsverfahren wie folgt verbessert werden. Zunächst ist mit dem KdV-Simulator die Leitungsstruktur auf die gewünschten Kompressionseigenschaften hin zu optimieren. Der sich daraus ergebende Leitungsentwurf dient dann als Basis für ein weiteres Zeitbereichs-verfahren, mit dem unter Berücksichtigung von Reflexionen bei der Signalaus-breitung der Leitungsentwurf weiter optimiert wird. Gleichzeitig ist das vorgesehene Layout einzelner Dioden mit Hilfe eines dreidimensionalen Feldsimulationsver-fahrens, z.B. der FDTD-Methode (engl.: Finite Difference Time Domain) hinsicht-lich parasitärer Beiträge, wie etwa die Induktivität der Metallkontakte an den Dioden oder die Streukapazität der Metallkontaktanordnung, zu untersuchen (siehe z.B. [136]). Alle Ergebnisse fließen im Rahmen einer Synthese in den Optimie-rungsprozeß ein, der in einen entsprechend geeigneten Leitungsentwurf mündet.

Nichtlineare Leitungen, die zur Erzeugung hochwertiger ultrakurzer elektrischer Impulse optimiert sind, haben neben ihrem Einsatz zur Charakterisierung von Bauelementen im Höchstfrequenzbereich, weitere Anwendungen, von denen zwei in den folgenden Beispielen kurz dargestellt sind:

• Die auf NLTL generierten Impulsformen weisen eine große Anzahl an harmonischen Frequenzkomponenten mit hinreichend großen Amplituden auf, so daß mit ihrer Abstrahlung über breitbandige Antennen der Spektralbereich von ca. 300 - 3000 GHz abgedeckt wird. In diesem Bereich liegen Resonanzen von Molekülen verschiedener Gase, die zum großen Teil Bestandteile der Erd-atmosphäre sind. So ist daher zu erwarten, daß der Einsatz von NLTL in der quasioptischen THz-Spektroskopie, wie in [137,138,139] dargestellt, eine besondere Bedeutung für den Bereich der Umweltanalytik erlangen wird.
• Solche über Breitbandantennen in den freien Raum abgestrahlten Impulse stellen weiterhin kurze elektromagnetische Wellenpakete dar, die bei einer Anwendung im Bereich der Nahfeld-Radartechnik eine Ortsauflösung von wenigen Millimetern erwarten lassen. Ein derartiges Radarsystem ließe sich daher z.B. als Sensor für neuartige Anwendungen in der Steuer- und Regelungstechnik, wie etwa in der Verkehrssicherheits und -leittechnik, einsetzen.

Gegenstand weiterer, z.Zt. laufender Untersuchungen ist ferner die Frage nach Möglichkeiten mit denen sich das Konzept der NLTL auch zur Optimierung anderer Bauelemente, wie z.B. Oszillatoren, Frequenzvervielfacher und Mischer, einsetzen läßt. Unter Anwendung dieses Konzeptes - Erzeugung harmonischer Wellen durch Nichtlinearität und Steuerung ihrer Überlagerung durch ein superintegriertes Filter - zeigen erste Simulationen zur Frequenzerzeugung auf RTD-NLTL und zur Frequenzvervielfachung mittels doppeltperiodischen Varaktor-NLTL eindrucks-volle Ergebnisse [39-44]. So werden z.B. Oszillationen bei Frequenzen von 190 GHz mit einer Leistung von 0 dBm vorhergesagt. Bei der Frequenz-verdopplung sind Frequenzen von 200 GHz mit einem Wandlungswirkungsgrad von über 70 % und bei der Frequenzverdreifachung 198 GHz mit einem Wirkungsgrad von über 25 % zu erwarten.

Insgesamt ist also festzustellen, daß das Konzept der nichtlinearen Leitungen zu bedeutenden Fortschritten im Bereich der Entwicklung von Wanderwellen-Bauelementen für den Millimeter- und Submillimeterwellenbereich führt.