Diese Arbeit beschreibt den Entwurf, die Analyse und die Verifikation von integrierten Schaltungen zur Frequenzumsetzung für drahtlose Übertragungssysteme im Millimeterwellenbereich. Bei der Beschreibung der zur Verfügung stehenden Halbleitertechnologien und der Aufbau- und Verbindungstechniken wird deutlich, dass parasitäre Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sämtlicher Verbindungen Verluste und Reflexionen verursachen, die mit der Signalfrequenz ansteigen. Dies motiviert die Reduktion der Signalfrequenz zur Verringerung dieser Verluste, soweit wie dies in einem Millimeterwellensystem möglich ist. Neben den in drahtlosen Übertragungssystemen ohnehin erforderlichen Mischern zur Modulation und Demodulation werden in dieser Arbeit auch Frequenzmultiplizierer vorgestellt. Mit diesen Schaltungen ist es möglich, das hochfrequente Trägersignal direkt neben den Mischern zu erzeugen und mit möglichst kurzen Leitungen anzuschließen, sodass die parasitären Verluste dieser Verbindung sowie die Reflexionen minimal werden. Mit Ausnahme der Verbindungen zu den Antennen kann dadurch die Frequenz der restlichen extern anzuschließenden Signale, nämlich des zu übertragenden Basisbandsignals und des subharmonischen LO-Signals, wesentlich verringert werden, wodurch die Verluste insgesamt reduziert werden. In dieser Arbeit werden dafür zwei Frequenzverdoppler und ein Frequenzversechsfacher vorgestellt, die jeweils mit einer Eingangsfrequenz im Bereich um 30 GHz Ausgangssignale bei 60 GHz bzw. bei 180 GHz erzeugen. Diese drei Schaltungen wurden mit einem Schwerpunkt auf der Unterdrückung unerwünschter Harmonischer und einer gleichzeitig effizienten Erzeugung der gewünschten Harmonischen entworfen. Damit konnte der Stand der Technik für BiCMOS-Frequenzmultiplizierer mit einer Ausgangsfrequenz von bis zu 210 GHz verbessert werden. Sowohl hinsichtlich der absoluten DC-Leistung des Frequenzversechsfachers von lediglich 63 mW, als auch bezüglich der Effizienz (PAE) von 0,28 %, der Verstärkung von 10 dB und der Unterdrückung unerwünschter Harmonischer von bis zu 35 dB sind die erzielten Ergebnisse außerdem besser als von einigen Schaltungen aus leistungsfähigeren III-V-Halbleiterprozessen. Passend zur Mittenfrequenz von 180 GHz am Ausgang des Frequenzversechsfachers, die auch die Mittenfrequenz des IEEE G-Bands ist, werden außerdem integrierte Aufwärts- und Abwärtsmischer entwickelt, die auf der für Kommunikationssysteme vergleichsweise wenig beachteten Sechstor-Architektur basieren. Die Vorteile der Sechstor-Architektur wurden zuvor bereits bei niedrigeren Frequenzen sowohl mit integrierten als auch mit diskret aufgebauten Schaltungen demonstriert. Ein Ziel dieser Arbeit ist die darauf aufbauende Entwicklung und Untersuchung von integrierten I-Q-Mischern mit dieser Architektur für drahtlose Kommunikationssysteme bei 180 GHz in einem 130 nm-BiCMOS-Prozess. Dafür werden geeignete Detektoren und Reflektoren präsentiert, mit denen die Implementierung in diesem Frequenzbereich möglich ist. Mit den erzielten Ergebnissen konnte jeweils der Stand der Technik für integrierte Sechstor-Aufwärts- und -Abwärtsmischer verbessert werden: Im Fall der Sechstor-Aufwärtsmischer stellen die durchgeführten Messungen die erste Verifikation dieser Architektur im Millimeterwellenbereich dar. Auch im Fall der Abwärtsmischer ist die entworfene Schaltung die erste Realisierung bei einer Mittenfrequenz von über 120 GHz. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Sechstor-Architektur im Millimeterwellenbereich für die Anwendung in drahtlosen Übertragungssystemen geeignet ist. Hinsichtlich der HF-Eigenschaften sind die erzielten Ergebnisse vergleichbar mit oder besser als solche, die mit technologisch aufwendigeren und oftmals energieintensiveren Schalter-Mischern, wie z.B. den Gilbert-Mischern, erreicht werden. Darüber hinaus wird anhand von mathematischen Schaltungsanalysen gezeigt, dass sich diese Mischerarchitektur ebenfalls durch ihre gute analytische Modellierbarkeit auszeichnet. Selbst mit stark idealisierten und vereinfachten Modellen kann der Mischgewinn bei 180 GHz mit einer Abweichung zur Messung und zur Simulation von lediglich rund 5 dB berechnet werden.:Kurzfassung Abstract Symbolverzeichnis Vorveröffentlichungen 1. Einleitung 2. Fertigungsprozesse für Schaltungen im Millimeterwellenbereich 2.1. Halbleitertechnologien 2.2. Aufbau- und Verbindungstechnik 2.3. Reduktion von Verlusten mittels Frequenzumsetzung 3. Frequenzmultiplizierer 3.1. Frequenzverdoppler mit Polyphasenfilter 3.2. Frequenzverdoppler mit aktivem und passivem Balun 3.3. Frequenzversechsfacher 3.4. Anwendung in einem Millimeterwellensystem 4. Mischer 4.1. Sechstor-Interferometer 4.2. Sechstor-Abwärtsmischer 4.3. Sechstor-Aufwärtsmischer 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Betragsberechnungen der auslaufenden Wellen des Sechstors B. Lösung der nichtlinearen Differenzialgleichung C. Differenzen der Quadrate und Kuben harmonischer Summen Literaturverzeichnis Danksagung / In this thesis the design, analysis and verification of integrated circuits for wireless communication systems operating at millimeter waves is presented. During a review of the available manufacturing processes for integrated circuits, printed circuit boards, and interconnects, problems associated with these techniques are identified. Parasitic elements, such as resistors, capacitors, and inductors introduce losses that increase with the signal frequency. This motivates the reduction of the signal frequency wherever possible, so as to reduce these frequency-dependent losses. To achieve this, millimeterwave up- and downconverting mixers, which are anyway required in wireless systems for the modulation and demodulation of an rf carrier signal, and frequency multipliers for generation of those carrier signals are presented in this thesis. With the frequency multipliers it is possible to generate the carrier signals as spatially close to the mixers as possible, reducing the required length of the connection and the losses and reflecions associated with it. Two frequency doublers and a frequency sixtupler were designed for the conversion of input signals at 30 GHz to output signals at 60 GHz and at 180 GHz, respectively. The designs are focused on an energy-efficient generation of the desired harmonic and a large suppression of other undesired harmonics. In this way, the demonstrated results for the frequency sixtupler at 180 GHz improve the state-of-the-art for both BiCMOS and III-V circuits in terms of power consumption, power added efficiency (PAE), conversion gain and harmonic suppression. With the output frequency at up to 210 GHz and with a dc power consumption of 63 mW, a conversion gain of 10 dB, a PAE of 0.28 %, and a harmonic suppression of 35 dB is reached. Matching the output frequency of the sixtupler, two quadrature mixers operating at 180 GHz are presented. They are based on the six-port technique, which offers some promising features at millimeter wave frequencies, but is still not very popular for the application in integrated communication systems. Some research has already been conducted on six-port receivers for radar and communication systems operating at lower frequencies, both as integrated circuits and on printed circuit boards. In the case of six-port downconversion mixers, competetive results with discrete III-V diodes and transistors on printed circuit boards were demonstrated, but very little research on integrated realizations has been published to date. One goal of this thesis is therefore to design integrated six-port mixers at 180 GHz and investigate this architecture for the quadrature up- and downconversion in communication systems. Suitable active detectors and reflectors are proposed to enable the implementation of the six-port technique at these frequencies. In this way, the first implementation of the six-port technique for the upconversion at millimeterwave frequencies is demonstrated. For the downconversion, the rf center frequency at 180 GHz is the highest among six-port implementations to date. The results in terms of rf performance compare well against state-of-the-art switching mixers, such as Gilbert cells. Moreover, the six-port architecture is found to be much simpler in terms of the circuit complexity and it enables the circuit analysis using only simple and idealistic models. With such models, the conversion gain at 180 GHz can be calculated with an error of only about 5 dB. In its minimal realization, a quadrature mixer with a very low dc power consumption can be designed. This makes the six-port technique increasingly attractive as the rf frequency is increased and switching mixers consume a higher dc and rf power.:Kurzfassung Abstract Symbolverzeichnis Vorveröffentlichungen 1. Einleitung 2. Fertigungsprozesse für Schaltungen im Millimeterwellenbereich 2.1. Halbleitertechnologien 2.2. Aufbau- und Verbindungstechnik 2.3. Reduktion von Verlusten mittels Frequenzumsetzung 3. Frequenzmultiplizierer 3.1. Frequenzverdoppler mit Polyphasenfilter 3.2. Frequenzverdoppler mit aktivem und passivem Balun 3.3. Frequenzversechsfacher 3.4. Anwendung in einem Millimeterwellensystem 4. Mischer 4.1. Sechstor-Interferometer 4.2. Sechstor-Abwärtsmischer 4.3. Sechstor-Aufwärtsmischer 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Betragsberechnungen der auslaufenden Wellen des Sechstors B. Lösung der nichtlinearen Differenzialgleichung C. Differenzen der Quadrate und Kuben harmonischer Summen Literaturverzeichnis Danksagung

Efficient power conversion is essential to face the continuously increasing energy consumption of our society. GaN based vertical power field effect transistors provide excellent performance figures for power-conversion switches, due to their capability of handling high voltages and current densities with very low area consumption. This work focuses on a vertical trench gate metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) with conceptional advantages in a device fabrication preceded GaN epitaxy and enhancement mode characteristics. The functional layer stack comprises from the bottom an n+/n- drift/p body/n+ source GaN layer sequence. Special attention is paid to the Mg doping of the p-GaN body layer, which is a complex topic by itself. Hydrogen passivation of magnesium plays an essential role, since only the active (hydrogen-free) Mg concentration determines the threshold voltage of the MOSFET and the blocking capability of the body diode. Fabrication specific challenges of the concept are related to the complex integration, formation of ohmic contacts to the functional layers, the specific implementation and processing scheme of the gate trench module and the lateral edge termination. The maximum electric field, which was achieved in the pn- junction of the body diode of the MOSFET is estimated to be around 2.1 MV/cm. From double-sweep transfer measurements with relatively small hysteresis, steep subthreshold slope and a threshold voltage of 3 - 4 V a reasonably good Al2O3/GaN interface quality is indicated. In the conductive state a channel mobility of around 80 - 100 cm2/Vs is estimated. This obtained value is comparable to device with additional overgrowth of the channel. Further enhancement of the OFF-state and ON-state characteristics is expected for optimization of the device termination and the high-k/GaN interface of the vertical trench gate, respectively. From the obtained results and dependencies key figures of an area efficient and competitive device design with thick drift layer is extrapolated. Finally, an outlook is given and advancement possibilities as well as technological limits are discussed.:1 Motivation and boundary conditions 1.1 A comparison of competitive semiconductor materials 1.2 Vertical GaN device concepts 1.3 Target application for power switches 2 The vertical GaN MOSFET concept 2.1 Incomplete ionization of dopants 2.2 The pseudo-vertical approach 2.3 Considerations for the device OFF-state 2.3.1 The pn-junction in reverse operation 2.3.2 The gate trench MIS-structure in OFF-state 2.3.3 Dimensional constraints and field plates 2.4 Static ON-state and switching considerations 2.4.1 The pn-junction in forward operation 2.4.2 Resistance contributions 2.4.3 Device model and channel mobility 2.4.4 Threshold voltage and subthreshold slope 2.4.5 Interface and dielectric trap states in wide band semiconductors 2.4.6 The body bias effect 3 Fabrication and characterisation 3.1 Growth methods for GaN substrates and layers 3.2 Substrates and the desired starting material 3.2.1 Physical and micro-structural characterisation 3.2.2 Dislocations and impurities 3.3 Pseudo- and true-vertical MOSFET fabrication 3.3.1 Processing routes 3.3.2 Inductively-coupled plasma etching 3.3.3 Process flow modification 3.4 Electrical characterisation, structures and process control 3.4.1 Current voltage characterisation 3.4.2 C(V) measurements and charge carrier profiling 3.4.3 Cooperative characterisation structures 4 Properties of the functional layers 4.1 Morphology of the MOVPE grown layers 4.2 Hydrogen out-diffusion treatment 4.3 Morphology of the n+-source layer grown by MBE 4.4 N-type doping of the functional layers 4.5 P-type GaN by magnesium doping 4.6 Structural properties after the etching and gate module formation 4.7 Electrical layer characterization 4.7.1 Gate dielectric and interface evaluation 5 Pseudo- and true vertical device operation 5.1 Influences of the metal-line sheet resistance 5.2 Formation and characterisation of ohmic contacts 5.2.1 Ohmic contacts to n-type GaN 5.2.2 Ohmic contacts to p-GaN 5.3 The pn- body diode 5.4 MOSFET operation 5.4.1 ON-state and turn-ON operation 5.4.2 The body bias effect on the threshold voltage 5.4.3 Device OFF-state 6 Summary and conclusion 6.1 Device performance 6.2 Current limits of the vertical device technology 6.3 Possibilities for advancements Bibliography A Appendix A.1 Deduction: Forward diffusion current of the pn-diode A.2 Deduction: Operation regions in the EKV model Figures Tables Abbreviations Symbols Postamble and Acknowledgement

Die Etablierung der Telemedizin stellt neue Herausforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik. Neue medizintechnische Anwendungen für die breite Gesellschaft erfordern biokompatible, flexible und dehnbare Elektronik, die zugleich kostengünstig und individuell hergestellt werden kann. Einen vielversprechenden Ansatz bietet die Verwendung additiver Herstellungsverfahren. Gegenstand dieser Arbeit ist die Materialauswahl für flexible und dehnbare Mikrosysteme vor dem Hintergrund der Anforderungen für zukünftige biomedizinische Anwendungen und unter Verwendung ausschließlich additiver Verfahren. Der grundlegende Aufbau gedruckter Elektronik, bestehend aus Leiterzügen verschiedener Nanopartikeltinten und polymeren Substraten, wird hinsichtlich biologischer und mechanischer Eigenschaften untersucht. Diese Charakterisierung beinhaltet die Evaluation der Zytotoxizität, Haftfestigkeit, Biegebelastung und Dehnungsbelastung der Materialkombinationen. Im Fokus steht der Inkjetdruck von Platintinte auf flexiblen Polyimid- und dehnbaren Polyurethansubstraten. Aufgrund der Inkompatibilität zwischen der erforderlichen Sintertemperatur der Platintinte und der Erweichungstemperatur des Polyurethans, wird das photonische Sintern untersucht. Dafür kommen Lasersintern und Blitzlampensintern zum Einsatz. Die Platintinte zeigt ausgezeichnete Eigenschaften im Zytotoxizitätstest durch 98 %ige Zellvitalität im Vergleich zur biokompatiblen Referenz. Die bestimmten Haftfestigkeiten liegen zwischen 0,5N/mm2 und 2,5N/mm2 und entsprechen damit aktuellen Literaturwerten. Weiterhin zeigt das Ergebnis von Biegetests vielversprechende flexible Eigenschaften. Der Widerstand nach 180 000 Biegezyklen erhöht sich bei einem Biegeradius von 5mm um maximal 9,5% und bei 2mm um maximal 42 %. Die Dehnungstests mit Horseshoestrukturen aus Silbertinte zeigen ca. 400 Dehnungszyklen bei 10% Dehnung und ca. 400 Zyklen bei 20% Dehnung bis zur vollständiger Leiterzugunterbrechung. Zwei Demonstratoren validieren das Potential der ausschließlichen Nutzung von additiven Prozessen zur Herstellung biomedizinischer Mikrosysteme. Der erste Demonstrator ist eine Hautelektrode, welche sich durch temporären Elektroden-Hautkontakt zur Hautleitwertmessung eignet. Der zweite Demonstrator beinhaltet eine miniaturisierte, gedruckte Interdigitalelektrode, die durch die Anwendung von Nanosekundenimpulsen in der Lage ist, Zellen zu manipulieren. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit zeigen das große Potential der Nutzung additiver Prozesse für die Herstellung von Medizinprodukten.

Header compression is one of the technologies, which enables packet-switched computer networks to operate with higher efficiency even if the underlying physical link is limited. Since its inception, the compression was meant to improve dial-up Telnet connections, and has evolved into a complex multi-faceted compression library, which has been integrated into the third and fourth generation of cellular networks, among others. Beyond the promised benefit of decreased bandwidth usage, header compression has shown that it is capable of improving the quality of already existing services, such as real-time audio calls, and is a developing hot topic to this day, realising, for example, Internet Protocol (IP) version 6 support on resource constrained low-power devices. However, header compression is ill equipped to handle the stringent requirements and challenges, which are posed by the coming fifth generation of wireless and cellular networks (5G) and its applications. Even though it can be considered as an already well developed area of computer networks that can compress protocol headers with unparalleled efficiency, header compression is still operating under some assumptions and restrictions that could deny its employment outside of cellular Voice over IP transmissions to certain degrees. Albeit some improvements in the latency domain could be achieved with its help, the application of header compression in both largely interconnected networks and very dynamic ones – such as the wireless mesh and vehicular networks – is not yet assured, as the topic, in this perspective, is still relatively new and unexplored. The main goal of my theses is the presentation and evaluation of novel ideas, which support the application of header compression concepts for the future wireless use-cases, as it holds alluring benefits for the coming network generations, if applied correctly. The dissertation provides a detailed treatment of my contribution in the specific research areas of header compression and network coding, which encompass novel proposals for their enhancement in 5G uses, such as broadcastability and online optimisation, as well as their subsequent analysis from various perspectives, including the achievable compression gains, delay reduction, transmission efficiency, and energy consumption, to name a few. Besides the focus on enabling header compression in 5G, the development of traffic-agnostic and various network-coded compression concepts are also introduced to attain the benefits of both techniques at the same time, namely, reduced bandwidth usage and high reliability in latency sensitive heterogeneous and error prone mesh networks. The generalisation of compression is achieved by the employment of various machine learning concepts, which could approximate the compression characteristics of any packet-based communication flow, while network coding facilitates the exploitation of the low-latency benefits of error correcting codes in heavily interconnected wireless networks.

Die Vermischung von Mikrowellen- und optischen Technologien – Mikrowellenphotonik – ist ein neu aufkommendes Feld mit hohem Potential. Durch die Nutzung der Vorzüge beider Welten hat die Mikrowellenphotonik viele Anwendungsfälle und ist gerade erst am Beginn ihrer Erfolgsgeschichte. Der Weg für neue Konzepte, neue Komponenten und neue Anwendungen wird dadurch geebnet, dass ein höherer Grad an Integration sowie neue Technologien wie Silicon Photonics verfügbar sind. In diesem Werk werden zuerst die notwendigen grundlegenden Basiskomponenten – optische Quelle, elektro-optische Wandlung, Übertragungsmedium und opto-elektrische Wandlung – eingeführt. Mithilfe spezifischer Anwendungsbeispiele, die von Chipebene bis hin zur Systemebene reichen, wird der elektrooptische Codesign-Prozess veranschaulicht. Schließlich werden zukünftige Ausrichtungen wie die Unterstützung von elektrischen Trägern im Millimeterwellen- und THz-Bereich sowie Realisierungsoptionen in integrierter Optik und Nanophotonik diskutiert. / The hybridization between microwave and optical technologies – microwave photonics – is an emerging field with high potential. Benefitting from the best of both worlds, microwave photonics has many use cases and is just at the beginning of its success story. The availability of a higher degree of integration and new technologies such as silicon photonics paves the way for new concepts, new components and new applications. In this work, first, the necessary basic building blocks – optical source, electro-optical conversion, transmission medium and opto-electrical conversion – are introduced. With the help of specific application examples ranging from chip level to system level, the electro-optical co-design process for microwave photonic systems is illustrated. Finally, future directions such as the support of electrical carriers in the millimeter wave and THz range and realization options in integrated optics and nanophotonics are discussed.

The advancements in wireless communications are the key-enablers of new applications with stringent requirements in low-latency, ultra-reliability, high data rate, high mobility, and massive connectivity. Diverse types of devices, ranging from tiny sensors to vehicles, with different capabilities need to be connected under various channel conditions. Thus, modern connectivity and network techniques at all layers are essential to overcome these challenges. In particular, the physical layer (PHY) transmission is required to achieve certain link reliability, data rate, and latency. In modern digital communications systems, the transmission is performed by means of a digital signal processing module that derives analog hardware. The performance of the analog part is influenced by the quality of the hardware and the baseband signal denoted as waveform. In most of the modern systems such as fifth generation (5G) and WiFi, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is adopted as a favorite waveform due to its low-complexity advantages in terms of signal processing. However, OFDM requires strict requirements on hardware quality. Many devices are equipped with simplified analog hardware to reduce the cost. In this case, OFDM does not work properly as a result of its high peak-to-average power ratio (PAPR) and sensitivity to synchronization errors. To tackle these problems, many waveforms design have been recently proposed in the literature. Some of these designs are modified versions of OFDM or based on conventional single subcarrier. Moreover, multicarrier frameworks, such as generalized frequency division multiplexing (GFDM), have been proposed to realize varieties of conventional waveforms. Furthermore, recent studies show the potential of using non-conventional waveforms for increasing the link reliability with affordable complexity. Based on that, flexible waveforms and transmission techniques are necessary to adapt the system for different hardware and channel constraints in order to fulfill the applications requirements while optimizing the resources. The objective of this thesis is to provide a holistic view of waveforms and the related multiple access (MA) techniques to enable efficient study and evaluation of different approaches. First, the wireless communications system is reviewed with specific focus on the impact of hardware impairments and the wireless channel on the waveform design. Then, generalized model of waveforms and MA are presented highlighting various special cases. Finally, this work introduces low-complexity architectures for hardware implementation of flexible waveforms. Integrating such designs with software-defined radio (SDR) contributes to the development of practical real-time flexible PHY.:1 Introduction 1.1 Baseband transmission model 1.2 History of multicarrier systems 1.3 The state-of-the-art waveforms 1.4 Prior works related to GFDM 1.5 Objective and contributions 2 Fundamentals of Wireless Communications 2.1 Wireless communications system 2.2 RF transceiver 2.2.1 Digital-analogue conversion 2.2.2 QAM modulation 2.2.3 Effective channel 2.2.4 Hardware impairments 2.3 Waveform aspects 2.3.1 Single-carrier waveform 2.3.2 Multicarrier waveform 2.3.3 MIMO-Waveforms 2.3.4 Waveform performance metrics 2.4 Wireless Channel 2.4.1 Line-of-sight propagation 2.4.2 Multi path and fading process 2.4.3 General baseband statistical channel model 2.4.4 MIMO channel 2.5 Summary 3 Generic Block-based Waveforms 3.1 Block-based waveform formulation 3.1.1 Variable-rate multicarrier 3.1.2 General block-based multicarrier model 3.2 Waveform processing techniques 3.2.1 Linear and circular filtering 3.2.2 Windowing 3.3 Structured representation 3.3.1 Modulator 3.3.2 Demodulator 3.3.3 MIMO Waveform processing 3.4 Detection 3.4.1 Maximum-likelihood detection 3.4.2 Linear detection 3.4.3 Iterative Detection 3.4.4 Numerical example and insights 3.5 Summary 4 Generic Multiple Access Schemes 57 4.1 Basic multiple access and multiplexing schemes 4.1.1 Infrastructure network system model 4.1.2 Duplex schemes 4.1.3 Common multiplexing and multiple access schemes 4.2 General multicarrier-based multiple access 4.2.1 Design with fixed set of pulses 4.2.2 Computational model 4.2.3 Asynchronous multiple access 4.3 Summary 5 Time-Frequency Analyses of Multicarrier 5.1 General time-frequency representation 5.1.1 Block representation 5.1.2 Relation to Zak transform 5.2 Time-frequency spreading 5.3 Time-frequency block in LTV channel 5.3.1 Subcarrier and subsymbol numerology 5.3.2 Processing based on the time-domain signal 5.3.3 Processing based on the frequency-domain signal 5.3.4 Unified signal model 5.4 summary 6 Generalized waveforms based on time-frequency shifts 6.1 General time-frequency shift 6.1.1 Time-frequency shift design 6.1.2 Relation between the shifted pulses 6.2 Time-frequency shift in Gabor frame 6.2.1 Conventional GFDM 6.3 GFDM modulation 6.3.1 Filter bank representation 6.3.2 Block representation 6.3.3 GFDM matrix structure 6.3.4 GFDM demodulator 6.3.5 Alternative interpretation of GFDM 6.3.6 Orthogonal modulation and GFDM spreading 6.4 Summary 7 Modulation Framework: Architectures and Applications 7.1 Modem architectures 7.1.1 General modulation matrix structure 7.1.2 Run-time flexibility 7.1.3 Generic GFDM-based architecture 7.1.4 Flexible parallel multiplications architecture 7.1.5 MIMO waveform architecture 7.2 Extended GFDM framework 7.2.1 Architectures complexity and flexibility analysis 7.2.2 Number of multiplications 7.2.3 Hardware analysis 7.3 Applications of the extended GFDM framework 7.3.1 Generalized FDMA 7.3.2 Enchantment of OFDM system 7.4 Summary 7 Conclusions and Future works

This work presents design and full implementation of a fast switchable and band-tunable 5 - 7.5 GHz low noise amplifier (LNA) in a 45nm CMOS SOI technology. The target application are wake-up receivers that employ aggressive duty cycling. Based on a cascode topology, the LNA utilizes a transformer for its 50 input matching as well as a balun with a capacitor bank to realize 8 digitally selectable bands. According to measurement results, the fabricated LNA exhibits a voltage gain of 18 - 21 dB while drawing a current of merely 2.2mA from a 1V supply. At all the 8 bands from 5 to 7.5 GHz, the input reflection coefficient lies below -8 dB, and the noise figure ranges from 7.8 to 6.2 dB. The LNA is able to settle in less than 9.5 ns

In the semiconductor industry the reliability of devices is of paramount importance. Therefore, after removing the defective ones, one wants to detect irregularities in measurement data because corresponding devices have a higher risk of failure early in the product lifetime. The paper presents a method to improve the detection of such suspicious devices where the screening is made on transformed measurement data. Thereby, e.g., dependencies between tests can be taken into account. Additionally, a new dimensionality reduction is performed within the transformation, so that the reduced and transformed data comprises only the informative content from the raw data. This simplifies the complexity of the subsequent screening steps. The new approach will be applied to semiconductor measurement data and it will be shown, by means of examples, how the screening can be improved.

Die steigende Nachfrage nach erneuerbarer elektrischer Energie erfordert neue photovoltaische Technologien. Effiziente organische Solarzellen mit gemischten, absorbierenden organischen Molekülen wandeln Sonnenlicht in Elektrizität um und die jüngsten Rekorde des Wirkungsgrads zeigen das Potenzial für eine alternative Energieerzeugung. Trotz dieser Durchbrüche führt die Verwendung komplexer organischer Moleküle, die zu einer selbstorganisierten Absorberschicht zusammengemischt werden, zu komplizierten Morphologien, die bisher nur unzureichend abgebildet werden konnten. Die Morphologie hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Umwandlung von Photonen in Elektronen und auf den Photostrom, was sich auf die Gesamtleistung der Solarzelle auswirkt. Diese Dissertation ist eine Studie über die Morphologie organischer Dünnfilm-Mischschichten in verschiedenen organischen Solarzellen unter Verwendung analytischer Elektronenmikroskopietechniken (REM, TEM, EDX). In einem weiteren Schritt werden auch die Einflüsse der Mikrostruktureigenschaften dieser im Vakuum abgeschiedenen organischen Solarzellen auf ihre elektronischen Eigenschaften untersucht. Diese Studie umfasst bekannte Zinkphthalocyanin- (ZnPc) und Fulleren (C60) Mischschichten (ZnPc:C60) sowie neu entwickelte Materialien, DTDCTB und NGX gemischt mit C60. Auf mikroskopischer Skala wurde der Einfluss der Abscheidung der oben genannten Schichten auf unterschiedlich erhitzte Substrate, sowie deren Auswirkungen auf die elektronische Leistungsfähigkeit untersucht. Es wurden drei sehr unterschiedliche Wachstumssysteme beobachtet: • Filme mit guter Phasentrennung (ZnPc:C60) • Gut gemischte dünne Schichten (DTDCTB:C60) • Selbstorganisierende Nanodrähte (NGX:C60) Um die gewachsene Mikrostruktur zu erklären werden thermodynamische Modelle zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse eingesetzt. Diese Arbeit bietet daher einen Rahmen, der die Planung zukünftiger Experimente leiten kann. Für die in dieser Arbeit untersuchten Schichtsysteme konnte die Korrelation zwischen den Präparationsbedingungen und der Leistungsfähigkeit der Solarzellen durch die beobachtete Mikrostruktur und die Phasenseparation von Donor und Akzeptor gut erklärt werden.:1 MOTIVATION AND INTRODUCTION 5 2 THEORETICAL FUNDAMENTALS 2.1 BASICS OF ORGANIC SOLAR CELLS 2.1.1 Organic semiconductors materials 2.1.2 Working principle of organic solar cells 2.1.3 Characteristic curves of solar cells 2.1.4 Concept of bulk heterojunction 2.1.5 Morphology and phase separation 2.2 RELEVANT LENGTH SCALES IN THE STUDY OF ORGANIC SOLAR CELLS 2.3 THE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE 2.3.1 Introduction and working principle 2.3.2 Interaction of primary electrons with sample 2.3.3 Detecting SE and BSE electrons 2.3.4 SEM tool with FIB 2.4 THE TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE 2.4.1 Working principle and components of TEM 2.4.2 Scattering in TEM 2.4.3 Operation modes in TEM 2.5 ANALYTICAL ELECTRON MICROSCOPY 2.5.1 EDX in TEM 2.5.2 EDX with high-tech detectors 2.6 CHALLENGES OF ELECTRON MICROSCOPY ON ORGANIC MATERIALS 2.6.1 Contrast formation and electron scattering 2.6.2 Damage induced by electron beam 2.6.3 Contrast formation and electron scattering 2.6.4 Necessity of low energy microscopy 3 MATERIALS AND METHODS 3.1 DONORS AND ACCEPTOR 3.1.1 The donor ZnPc 3.1.2 The donor DTDCTB 3.1.3 The donor NGX 3.1.1 The acceptor C60 3.2 FABRICATION OF ORGANIC SOLAR CELL DEVICES AND THIN FILMS 3.2.1 Vacuum deposition 3.2.2 Solar cell devices 3.2.3 Electrical Characterization 3.2.4 Organic thin films on the substrate 3.3 ELECTRON MICROSCOPES AND SAMPLE PREPARATION 3.3.1 Cross-sections using focused ion beam 3.3.2 Experimental details used in TEM/SEM 4 RESULTS AND DISCUSSIONS 4.1 ZNPC AS DONOR MATERIAL 4.1.1 Morphology of ZnPc:C60 thin films 4.1.2 Solar cell devices with ZnPc:C60 active layer 4.1.3 Conclusions and discussion 4.2 DTDCTB AS DONOR MATERIAL 4.2.1 Peculiar performance of the solar cell 4.2.2 Morphology of DTDCTB:C60 thin films 4.2.3 Solar cell devices with DTDCTB:C60 active layer 4.2.4 Conclusions and discussion 4.3 NGX AS DONOR MATERIAL 4.3.1 Morphology of NGX:C60 thin films 4.3.2 Conclusions and discussion 5 CONCLUSION AND OUTLOOK 6 APPENDIX A1 NEAREST NEIGHBOR DISTANCE A2 FROM DARK FIELD TEM IMAGES TO THE ELEMENTAL MAP A3 COMPARING THE COMPOSITION OF DARK AND BRIGHT POINTS IN THE EDX-ELEMENTAL A4 ROUGHNESS MEASUREMENTS FROM EDX IMAGES A5 SPECTROSCOPY MEASUREMENTS ON DTDCTB:C60 7 LISTS 7.1 ABBREVIATIONS 1.: Acronyms B2.: Materials B3.: Symbols 7.2 LIST OF FIGURES 7.3 LIST OF TABLES BIBLIOGRAPHY

Mobile Netzwerke der fünften Generation zeichen sich aus durch vielfältigen Anforderungen und Einsatzszenarien. Drei unterschiedliche Anwendungsfälle sind hierbei besonders relevant: 1) Industrie-Applikationen fordern Echtzeitfunkübertragungen mit besonders niedrigen Ausfallraten. 2) Internet-of-things-Anwendungen erfordern die Anbindung einer Vielzahl von verteilten Sensoren. 3) Die Datenraten für Anwendung wie z.B. der Übermittlung von Videoinhalten sind massiv gestiegen. Diese zum Teil gegensätzlichen Erwartungen veranlassen Forscher und Ingenieure dazu, neue Konzepte und Technologien für zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme in Betracht zu ziehen. Ziel ist es, aus einer Vielzahl neuer Ideen vielversprechende Kandidatentechnologien zu identifizieren und zu entscheiden, welche für die Umsetzung in zukünftige Produkte geeignet sind. Die Herausforderungen, diese Anforderungen zu erreichen, liegen jedoch jenseits der Möglichkeiten, die eine einzelne Verarbeitungsschicht in einem drahtlosen Netzwerk bieten kann. Daher müssen mehrere Forschungsbereiche Forschungsideen gemeinsam nutzen. Diese Arbeit beschreibt daher eine Plattform als Basis für zukünftige experimentelle Erforschung von drahtlosen Netzwerken unter reellen Bedingungen. Es werden folgende drei Aspekte näher vorgestellt: Zunächst erfolgt ein Überblick über moderne Prototypen und Testbed-Lösungen, die auf großes Interesse, Nachfrage, aber auch Förderungsmöglichkeiten stoßen. Allerdings ist der Entwicklungsaufwand nicht unerheblich und richtet sich stark nach den gewählten Eigenschaften der Plattform. Der Auswahlprozess ist jedoch aufgrund der Menge der verfügbaren Optionen und ihrer jeweiligen (versteckten) Implikationen komplex. Daher wird ein Leitfaden anhand verschiedener Beispiele vorgestellt, mit dem Ziel Erwartungen im Vergleich zu den für den Prototyp erforderlichen Aufwänden zu bewerten. Zweitens wird ein flexibler, aber echtzeitfähiger Signalprozessor eingeführt, der auf einer software-programmierbaren Funkplattform läuft. Der Prozessor ermöglicht die Rekonfiguration wichtiger Parameter der physikalischen Schicht während der Laufzeit, um eine Vielzahl moderner Wellenformen zu erzeugen. Es werden vier Parametereinstellungen 'LLC', 'WiFi', 'eMBB' und 'IoT' vorgestellt, um die Anforderungen der verschiedenen drahtlosen Anwendungen widerzuspiegeln. Diese werden dann zur Evaluierung der die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung herangezogen. Drittens wird durch die Einführung einer generischen Testinfrastruktur die Einbeziehung externer Partner aus der Ferne ermöglicht. Das Testfeld kann hier für verschiedenste Experimente flexibel auf die Anforderungen drahtloser Technologien zugeschnitten werden. Mit Hilfe der Testinfrastruktur wird die Leistung des vorgestellten Transceivers hinsichtlich Latenz, erreichbarem Durchsatz und Paketfehlerraten bewertet. Die öffentliche Demonstration eines taktilen Internet-Prototypen, unter Verwendung von Roboterarmen in einer Mehrbenutzerumgebung, konnte erfolgreich durchgeführt und bei mehreren Gelegenheiten präsentiert werden.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part list / The demand to achieve higher data rates for the Enhanced Mobile Broadband scenario and novel fifth generation use cases like Ultra-Reliable Low-Latency and Massive Machine-type Communications drive researchers and engineers to consider new concepts and technologies for future wireless communication systems. The goal is to identify promising candidate technologies among a vast number of new ideas and to decide, which are suitable for implementation in future products. However, the challenges to achieve those demands are beyond the capabilities a single processing layer in a wireless network can offer. Therefore, several research domains have to collaboratively exploit research ideas. This thesis presents a platform to provide a base for future applied research on wireless networks. Firstly, by giving an overview of state-of-the-art prototypes and testbed solutions. Secondly by introducing a flexible, yet real-time physical layer signal processor running on a software defined radio platform. The processor enables reconfiguring important parameters of the physical layer during run-time in order to create a multitude of modern waveforms. Thirdly, by introducing a generic test infrastructure, which can be tailored to prototype diverse wireless technology and which is remotely accessible in order to invite new ideas by third parties. Using the test infrastructure, the performance of the flexible transceiver is evaluated regarding latency, achievable throughput and packet error rates.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part list