<< Volver atrás

Tesis:

Design and experimental validation of antenna-coupled devices for terahertz applications

  • Autor: FERRERAS MAYO, Marta

  • Título: Design and experimental validation of antenna-coupled devices for terahertz applications

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72960/

  • Director/a 1º: GRAJAL DE LA FUENTE, Jesús

  • Resumen: Electromagnetic radiation in the frequency range from 100 GHz to 10THz exhibits several unique properties appealing to market applications, such as the large allocated bandwidth, the high transparency of several materials, or the harmless efect on biological tissue. The research conducted in this Thesis is devoted to the development of millimeter-wave and terahertz technology, with focus on compact and cost-efective antenna-coupled devices for imaging, radar, and other wireless applications. The miniaturization of silicon transistors has led to the possibility of using this mainstream technology above the millimeter-wave regime. At these frequencies, the efective wavelength becomes smaller than the typical size of the dies, allowing distributed passives and antennas to be realized in the same process as the semiconductor devices. For further development of this research feld, the frst part of the Thesis explores both fronts of an all-silicon free-space terahertz system. Considering the challenges of coupling terahertz radiation into (or out of) silicon devices which operate close to their performance limits, co-designing the electromagnetic aspects of the antenna and the transistor circuit becomes a crucial task for optimizing the global performance of the systems. In the feld of terahertz detection, a set of silicon-based antenna-coupled detectors was prototyped for operation from 300 GHz to 2.2 THz and experimentally characterized in terms of their frequency-dependent sensitivity. On the emitter side, the problem of generating 300-GHz signals from a silicon die is explored, as well as the possibility of achieving coherent radiation from various coupled sources. For these purposes, several harmonic oscillator circuits with fundamental signal at 150 GHz and second-harmonic radiation through on-chip antennas were prototyped and validated via experimental measurements. The second part of the Thesis deals with the design of a compact feed chain for a 94GHz radar. Considering the application requirements, full-metal waveguide manufacturing was used in this case. The proposed feed is a three-port multifunctional structure covering three essential functions of the radar frontend: optimum illumination of the refector system, transmit–receive duplexing, and monopulse tracking. A prototype of the 94-GHz feed was fabricated and experimentally characterized. The used topology is especially appealing for on-board radar applications, as it only requires two synchronous receiver branches for target tracking in three dimensions. RESUMEN La radiación electromagnética en el margen de frecuencias entre 100 GHz y 10THz posee propiedades únicas como el gran ancho de banda disponible, la transparencia de ciertos materiales o la inocuidad sobre tejidos biológicos, que la hacen atractiva para su uso en diversas aplicaciones de mercado. La investigación realizada en el marco de la Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de tecnología a frecuencias de ondas milimétricas y de terahercios, con énfasis en la implementación de dispositivos compactos y asequibles para aplicaciones inalámbricas como el radar o la adquisición de imágenes. La miniaturización de los transistores basados en silicio ha permitido que esta tecnología de bajo coste y uso masivo se pueda utilizar para diseñar circuitos que operen por encima del rango de frecuencias milimétricas. A frecuencias tan altas, la longitud de onda efectiva del circuito es inferior al tamaño típico de los chips. Por lo tanto, se pueden fabricar componentes circuitales distribuidos y antenas planas en el mismo proceso de fabricación que los dispositivos semiconductores. La primera parte de la Tesis explora ambos extremos de un sistema de terahercios inalámbrico totalmente integrado en silicio. Para optimizar el comportamiento de los circuitos propuestos ha sido esencial acoplar varias herramientas de diseño y tratar simultáneamente (“codiseñar”) los aspectos electromagnéticos y electrónicos del circuito. En el campo de la detección, se han diseñado una serie de detectores directos basados en tecnología de silicio y acoplados a antenas integradas que operan entre 300 GHz y 2.2 THz. Los detectores se han caracterizado experimentalmente en términos de su sensibilidad en función de la frecuencia. Por el lado de los transmisores, se ha explorado el problema de la generación de señales a 300 GHz directamente a partir de señales continuas. Con este propósito, se han diseñado y caracterizado una serie de osciladores armónicos capaces de oscilar a 150 GHz y radiar la potencia contenida en el segundo armónico por medio de antenas integradas. Además, se estudia la posibilidad de sincronizar varios osciladores para que radien potencia de forma coherente. La segunda parte de la Tesis afronta el diseño y validación experimental de un alimentador de bocina compacto para un radar a 94 GHz. Teniendo en cuenta los requisitos de la aplicación, se optó por utilizar tecnología de guía de onda. El alimentador propuesto es una estructura multifuncional de tres puertos que cubre tres funciones del radar: la iluminación óptima del refector, la separación de los canales de recepción y de transmisión, y el seguimiento monopulso de blancos. La topología propuesta resulta especialmente atractiva para aplicaciones de radar embarcado, ya que únicamente se deben demodular coherentemente dos canales de recepción para conseguir seguimiento de blancos en tres dimensiones.