Tesis:
Design and optimization of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter-wave bands (diseño y optimización de multiplicadores y mezcladores de frecuencia en bandas milimétricas y submilimétricas).
- Autor: SILES PEREZ José Vicente
- Título: Design and optimization of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter-wave bands (diseño y optimización de multiplicadores y mezcladores de frecuencia en bandas milimétricas y submilimétricas).
- Fecha: 2008
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: GRAJAL DE LA FUENTE, Jesús
- Resumen: La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz ha experimentado un creciente interés en los últimos años, lo cual se ha visto traducido en la aparición de un gran número de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, comunicaciones, radar, medicina, seguridad, etc. El estudio de esta región del espectro requiere el desarrollo de nuevos circuitos de estado sólido para cubrir el vacío tecnológico existente, comúnmente conocido como 'Terahertz Gap'. Esta tesis doctoral trata sobre el diseño y optimización de circuitos en bandas de milimétricas (30 - 300 GHz) y submilimétricas (300 GHz - 3 THz) mediante una herramienta CAD propia basada en modelos físicos precisos del dispositivo no lineal. El objetivo principal es el diseño y optimización de multiplicadores y mezcladores basados en diodos Schottky de GaAs en dichas bandas de frecuencia. La primera parte de la tesis está enfocada en el modelado físico de diodos Schottky para aplicaciones en milimétricas y submilimétricas. Las diferentes alternativas disponibles van desde los modelos más simples (modelos analíticos) hasta los modelos más complicados (modelos basados en simulación de Monte Carlo), pasando por soluciones intermedias basadas en simplificaciones de la ecuación de Boltzmann (modelos basados en la teoría de Arrastre-Difusión y modelos hidrodinámicos). Cuanta mayor sea la complejidad, mayor será el coste computacional requerido en la simulación. Los modelos de arrastre-difusión representan un buen compromiso entre precisión y tiempo de simulación. Sin embargo, estos modelos presentan algunas limitaciones que deben ser analizadas y tenidas en cuenta en el diseño de circuitos a estas bandas de frecuencias. En este sentido, la simulación de Monte Carlo puede ser empleada para identificar estas limitaciones, entender los fenómenos físicos asociados a ellas y refinar los modelos existentes de arrastre-difusión con el fin de mitigar el impacto de las limitaciones de los modelos en la simulación de circuitos de milimétricas y submilimétricas. El estudio en profundidad de la física de los diodos Schottky mediante técnicas de Monte Carlo, así como la utilización de los resultados de Monte Carlo para la mejora de los modelos de arrastre-difusión tradicionales para simulación de circuitos en milimétricas y submilimétricas, es la principal aportación de esta parte de la tesis. La segunda parte consiste en el diseño y optimización de circuitos hasta 2.4 THz por medio de un herramienta propia de simulación de circuitos en bandas de milimétricas y submilimétricas. Esta herramienta incorpora modelos físicos precisos de los diodos Schottky basados en la teoría de arrastre-difusión. El empleo de técnicas de balance armónico permite una optimización conjunta tanto de la estructura interna de los diodos como del circuito exterior. La aportación principal de la tesis en esta parte es la extensión de las técnicas tradicionales de balance armónico al análisis de circuitos excitados por señales multi-tono, como es el caso de los mezcladores. Para ello, se ha adoptado un nuevo algoritmo basado en la transformada de Fourier cuasi-periódica (APFT). De esta forma, y análogamente al caso de multiplicadores, se puede realizar una optimización conjunta de la estructura de los diodos y del circuito exterior sin realizar ninguna aproximación en lo que se refiere a las frecuencias de oscilador local (OL) y radiofrecuencia (RF) y a las potencias disponibles a cada frecuencia. Por un lado, el simulador se aplica al diseño y optimización de cadenas multiplicadoras hasta 2.4 THz. Se han tomado como referencia las cadenas correspondientes al proyecto Herschel de la Agencia Espacial Europea (ESA) con dos propósitos. En primer lugar, realizar una comparación entre las medidas disponibles y simulaciones con el objetivo de validar la herramienta de simulación. En segundo lugar, para demostrar que es posible mejorar las prestaciones de las etapas multiplicadoras a altas frecuencias mediante una correcta optimización de la estructura de los diodos, básicamente en lo que respecta a las áreas y dopajes de los mismos. Esto justifica la necesidad de disponer de herramientas de simulación físicas a frecuencias de THz. Por otro lado, el simulador se ha aplicado al diseño de mezcladores basados en diodos Schottky. Se han analizado diferentes topologías de mezcladores, las cuales pueden ser englobadas en dos grupos: Mezcladores fundamentales y subarmónicos. La elección de la topología más adecuada para un diseño específico depende de diferentes aspectos tales como la potencia disponible de oscilador local (OL), las características de los diodos Schottky, la dificultad de la síntesis de las redes de adaptación, la posibilidad del uso de polarización, etc. Todos estos aspectos se analizan en este bloque. Para completar la tesis doctoral, se presenta el diseño y fabricación de un doblador Schottky a 190 GHz con una nueva topología de doble 'chip'. Esta topología permite incrementar el número de diodos en el multiplicador, permitiendo así incrementar la máxima potencia de entrada soportada por el multiplicador. El doblador ha sido diseñado con una herramienta de simulación propia, junto con programas comerciales para el diseño de circuitos (ADS, de Agilent Technologies) y de simulación electromagnética (HFSS, de Ansoft). La fabricación está realizada completamente con tecnología europea: los diodos Schottky fueron suministrados por United Monolithic Semiconductors (UMS), el post-procesado se realizó en la Universidad de Bath (Reino Unido) y la mecánica se ha construido en el Rutherford Appleton Laboratory (Oxford, Reino Unido).