Pereira De Santana Elana2026-04-012026-04-012025https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/8755The terahertz (THz) frequency band is among the key technologies being investigated for future 6G communication systems. Over the past years, wireless communications have increasingly used higher frequency bands in pursuit of greater bandwidth and integration capabilities. This technological advancement has facilitated the emergence of short-range applications, including data kiosks, wireless chip interconnects, and intra-body networks, electronic components placed within the body to monitor health. Additionally, because passive devices are smaller at higher frequencies, it is possible to fit more antennas into the same area, resulting in arrays that produce increasingly focused beams. Given the significant spreading losses and molecular absorption at this frequency range, THz communications are particularly well-suited for short-range applications where spatial limitations are key or extremely high bandwidth is necessary. Moreover, the THz and millimeter wave (mm-wave) wireless communications for intra-chip and chip-to-chip connections can enhance the already constrained wired interconnects within computing packages, helping to alleviate communication bottlenecks in future computing platforms that may contain hundreds or thousands of processors in a single package. Adopting compact antennas and transceivers as wireless interconnects within computing packages will lead to low-latency and reconfigurable communication pathways, reducing the complexity of the dense wired interconnect network. The main problem with the current wireless network inside chips is the size of the antenna. Reducing the size of a metallic antenna to just a few micrometers leads to poor performance due to the low conductivity of the metal at these small dimensions, and using such small antennas would require very high frequencies, around hundreds of THz, which are not suitable for radio frequency (RF) wireless communications due to issues with signal loss and transceiver design. Hence, technological advances in antenna development are essential for implementing future communication systems at THz frequencies. Thus, graphene-based antennas appear as the ideal complement to traditional metallic antennas due to their potential for smaller dimensions and frequency tunability in the THz range. Graphene antennas operating at THz frequencies are smaller than their metallic counterparts functioning at the same frequency, thereby advancing the boundaries of integration further. The research, design, and investigation of THz graphene-based antennas are the focus of this thesis. This work addresses the graphene material characteristics and plasmonic behaviors directly related to a functioning THz graphene-based antenna. Moreover, three different graphene-based antenna types, with different working principles, operating at THz frequencies are investigated, i.e. two different types of photoconductive antennas (graphene dipole and graphene patch antennas), and an electronic antenna (graphene patch and graphene stack patch antennas). Theoretical explanations regarding the principles of THz emission of each antenna type are presented, as well as descriptions regarding the measurement systems utilized to characterize these antennas. Studies regarding antenna emission are made by electromagnetic (EM) simulations and proper measurements. The further investigation of antenna frequency tuning and antenna efficiency in the THz range is based on simulations varying important graphene antenna characteristics. The measurements show not only THz emission from the graphene-based antennas but also the THz emission tuning of the antennas based on an electrostatic bias. Additionally, a THz graphene antenna array is studied by means of simulations. Finally, the challenges and feasibility of having efficient THz graphene-based antennas are discussed, and possible future development steps are suggested.Das Terahertz-Frequenzband (THz) zählt zu den Schlüsseltechnologien, die für zukünftige 6G-Kommunikationssysteme erforscht werden. In den letzten Jahren wurden in der drahtlosen Kommunikation zunehmend höhere Frequenzbänder genutzt, um eine größere Bandbreite und bessere Integrationsmöglichkeiten zu erreichen. Dieser technologische Fortschritt hat die Entstehung von Nahbereichskommunikationsanwendungen ermöglicht, darunter Datenkioske, drahtlose Chipverbindungen und Intrabody-Netzwerke – elektronische Komponenten, die im Körper platziert werden, um den Gesundheitszustand zu überwachen. Zusätzlich ist es möglich, mehr Antennen in denselben Fläche unterzubringen, da passive Geräte bei höheren Frequenzen kleiner sind, was zu Arrays führt, mit denen die Strahlen zunehmend/stärker fokussieren können. Angesichts der erheblichen Ausbreitungsverluste und der molekularen Absorption in diesem Frequenzbereich sind THz-Kommunikationen besonders gut für Anwendungen im Kurzstreckenbereich geeignet, bei denen räumliche Einschränkungen eine Schlüsselrolle spielen oder extrem hohe Bandbreiten erforderlich sind. Darüber hinaus kann die drahtlose THz- und Millimeterwellen (mm-Wave) Kommunikation in Intra-Chip- und Chip-to-Chip-Verbindungen die bereits begrenzten Drahtverbindungen innerhalb von Computerpaketen verbessern und dazu beitragen, Kommunikationsengpässe in zukünftigen Computerplattformen zu verringern, die Hunderte oder Tausende von Prozessoren in einem einzigen Paket enthalten können. Der Einsatz kompakter Antennen und Transceiver als drahtlose Verbindungen innerhalb von Computerpaketen wird zu einer geringen Latenz und rekonfigurierbaren Kommunikationswegen führen, wodurch die Komplexität des dichten Verdrahtungsnetzwerks verringert wird. Das Hauptproblem der aktuellen drahtlosen Netzwerke in Chips ist die Größe der Antenne. Die Verkleinerung einer metallischen Antenne auf nur wenige Mikrometer führt aufgrund der geringen Leitfähigkeit des Metalls bei diesen kleinen Abmessungen zu einer schlechten Leistung. Die Verwendung derart kleiner Antennen würde zudem sehr hohe Frequenzen im Bereich von Hunderten von THz erfordern, die aufgrund von Problemen mit Signalverlust und Transceiver-Design nicht für drahtlose Hochfrequenzkommunikation (RF) geeignet sind. Daher sind technologische Fortschritte in der Antennenentwicklung für die Implementierung zukünftiger Kommunikationssysteme mit THz-Frequenzen unerlässlich. Entsprechend erscheinen Antennen auf Graphenbasis aufgrund ihres Potenzials für kleinere Abmessungen und ihrer Frequenzabstimmung im THz-Bereich als idealer Erzatz für traditionelle metallische Antennen. Graphenantennen, die bei THz-Frequenzen arbeiten, sind kleiner als ihre metallischen Gegenstücke, die mit der gleichen Frequenz funktionieren, und erweitern somit die Grenzen der Integration weiter. Die Erforschung, das Design und die Untersuchung von THz-Antennen auf Graphenbasis stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Diese Arbeit befasst sich mit den Materialeigenschaften von Graphen und dem plasmonischen Verhalten, die in direktem Zusammenhang mit einer funktionierenden THz-Antenne auf Graphenbasis stehen. Darüber hinaus werden drei verschiedene Typen von Graphen-basierten Antennen mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien, die bei THz-Frequenzen arbeiten, untersucht, d. h. zwei verschiedene Typen von photoleitfähigen Antennen (Graphen-Dipol und Graphen-Patch Antennen) und eine elektronische Antenne (Graphen-Patch und Graphen-Stack-Patch Antennen). Es werden theoretische Erklärungen bezüglich der THz-Emission jedes Antennentyps, ebenso wie Beschreibungen der Messsysteme, die zur Charakterisierung dieser Antennen verwendet wurden, vorgestellt. Untersuchungen zur Antennenemission werden mittels elektromagnetischer (EM) Simulationen und Messungen durchgeführt. Die weitergehende Untersuchung der Antennenfrequenzabstimmung und der Antenneneffizienz im THz-Bereich basiert auf Simulationen, bei denen wichtige Graphen-Antenneneingeschften variiert werden. Die Messungen zeigen nicht nur die THz-Emission der Graphenantennen, sondern auch die THz-Emissionsabstimmung der Antennen basierend auf einer elektrostatischen Vorspannung. Zusätzlich wird ein THz-Graphenantennen-Array mittels Simulationen untersucht. Abschließend werden die Herausforderungen und die Machbarkeit effizienter THz-Graphenantennen diskutiert und mögliche zukünftige Entwicklungsschritte vorgeschlagen.enAttribution 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/621.3 Elektrotechnik, ElektronikGrapheneGraphenAntenna6GCommunicationAntenneKommunikationDoctoral ThesisPeter Haring Bolívarurn:nbn:de:hbz:467-87552