Development of sub-millimetre wave band subsystems and packaging techniques

Abstract

En esta tesis se investigan técnicas de diseño y fabricación de dispositivos, ya sean transmisores o receptores, a frecuencias de THz y submilimétricas y técnicas de empaquetado con el objetivo de que el dispositivo final sea más compacto. Esto es interesante sobre todo pensando en uso comercial o en la integración en satélites, ya que en ambos casos la portabilidad y facilidad de uso son muy importantes. El contenido de la tesis puede dividirse en dos partes bien diferenciadas. La primera de ellas parte de la base de que no hay conectores a tan alta frecuencia y es necesario el uso de equipamiento basado en guía de onda para medir y caracterizar los dispositivos fabricados en estas bandas de frecuencia. Por lo tanto, la primera parte está orientada hacia el diseño de transiciones de tecnología planar con la tecnología en guía de onda partiendo de un análisis teórico y con el objetivo de un ensamblado sencillo. Este método ha sido aplicado a guía de onda rectangular estándar y también a tecnologías novedosas tales como Gap waveguide. Concretamente, en este trabajo se presentan cuatro transiciones en línea cuyo diseño provee ventajas desde el punto de vista computacional, por el ahorro de recursos y tiempo, además de la sencillez desde el punto de vista de fabricación y ensamblado. La segunda parte trata el diseño, análisis y fabricación de dispositivos integrados compactos basados en diodos Schottky. Específicamente, dos mezcladores de frecuencia con ocilador local basado en MMIC y un transmisor optoelectrónico. Uno de los prototipos es un mezclador cuarto armónico y el otro es un mezclador subarmónico, que usa el mismo LO e integra un multiplicador de frecuencia en el mismo substrato. Por medio de esta integración se consigue dispositivos de ensamblado más sencillo y más compactos, cuyo comportamiento es cercano al estado del arte. Además, el transmisor optoelectrónico integra el mismo substrato un fotodiodo UTC y un triplicador de frecuencia basado en diodos Schottky. De esta manera, el rango de operación del fotodiodo UTC puede ser extendido a frecuencias más altas, manteniendo sus ventajas, tales como la posibilidad de integración con fibra óptica para enlaces de alta capacidad. Por último, se ha diseñado un mezclador sexto armónico basado en la tecnología membrana de arseniuro de galio. Esta tecnología permite la integración de los diodos Schottky en la membrana junto con la circuiterí a microstrip, de tal forma que los diodos no tienen que ser soldados. En este diseño, además, un triplicador de frecuencia se integra también en la misma membrana que el mezclador armónico. Por lo tanto, el comportamiento final del mezclador sexto armónico es similar al de un mezclador subarmónico. De esta forma es más fácil encontrar fuentes con bastante potencia dado que el oscilador trabaja a una frecuencia más baja. Asimismo, gracias a la integración, los problemas causados por desalineamiento durante el ensamblado de los componentes individuales se evitan.

In this thesis, different design and fabrication techniques for devices, both receiver and transmitter, working in the THz and sub-mm wave bands are investigated. Different packaging and integration techniques have also been evaluated, so that the final devices can be more compact. This is of great interest from the point of view of commercial communication systems and space instruments, since in both cases portability, compactness and reduced size is imperative. The thesis outline covers two aspects of the system integration and packaging. The first one is based on the fact that sub-mm and THz device packaging requires transitions to waveguides, since there are not connectors for such high frequencies. According to this, the first part of the thesis is orientated to the design of planar to waveguide transitions based on a straightforward theoretical analysis and with simple assembly. This method has been applied to standard rectangular waveguides and also to innovative technologies such as gap waveguide. This last technology simplifies assembly and improves the performance with respect to standard split-block technology. Concretely, four inline transitions are proposed providing several advantages from the point of view of simple analytic design, which saves computational resources and time, manufacturing and ease of assembly. The second part of the thesis focuses on the design, analysis and fabrication of Schottky diode based compact integrated devices. Specifically, two frequency mixers with a MMIC based local oscillator for integrated packaging and an optoelectronic transmitter. One of the prototypes is a fourth harmonic mixer and the other one is a subharmonic mixer, which uses the same LO and integrates a frequency multiplier in the same substrate. By means of this integration procedure we achieve a more compact and simpler assembly device, with close to the state of the art performance. Besides, the optoelectronic transmitter integrates an UTC-Photodiode and a Schottky diode frequency tripler in the same substrate. This way, the operation frequency range of the UTC photodiodes can be extended to higher frequencies, while keeping their advantages, such as the possibility of integration with an optical ber for high data rate links. Finally, a sixth harmonic mixer based on GaAs membrane technology has been designed. This technology allows the integration of the Schottky diodes with the membrane in which the microstrip lines are printed. This fabrication process provides a solution to the discrete diodes circuit design, whose performance and functionality is limited, mainly because the diodes needs to be welded to the substrate. In this design, furthermore, a frequency tripler is integrated in the same membrane that the harmonic mixer. Therefore, the final behaviour of the sixth harmonic mixer is more similar to the subharmonic mixer behaviour. This way, it is easier to nd sources with enough power insomuch as the local oscillator works at a relatively low frequency. In addition, thanks to the integration, problems caused by misalignments during assembly of the individual components are avoided.