Development of new passive technologies for millimetre wave and terahertz systems

Abstract

Esta Tesis Doctoral aborda el desarrollo de nuevas tecnologías pasivas para su implementación a altas frecuencias, concretamente en la región de las ondas milimétricas (mmWave) y del Terahercio (THz) – hasta 300 GHz – con el objetivo de mejorar las prestaciones y eficiencia de dichos sistemas. Este objetivo se aborda desde tres puntos distintos: la integración de fuentes de alta frecuencias, la propagación no-radiada de las señales generadas por dichas fuentes, y la radiación de las mismas y el control de dicha radiación. El enfoque original de la Tesis, reflejado en la primera parte de la misma, pasa por la integración de fotodiodos uni-travelling carrier (UTC-PD) en módulos con salida en guía de onda rectangular. Con este objetivo en mente, se han propuesto dos diseños de transición a guía de onda, uno de ellos sirviendo simultáneamente como combinador de potencia. Estos diseños han sido elaborados en base a la premisa fundamental de adaptar la impedancia compleja de los fotodiodos. La segunda parte de esta Tesis aborda la concepción, desarrollo y validación de una nueva tecnología de línea de transmisión para altas frecuencias, acuñada como Gap Coplanar Waveguide, la cual permite prevenir la propagación de modos de sustrato, así como reducir las pérdidas debidas a los materiales dieléctricos empleados en la línea. Finalmente, la tercera parte de esta Tesis rescata el concepto de las redes de conformado de haz basadas en estructuras periódicas de radiación coherente (CORPS-BFN), un tipo de redes desarrolladas por nuestro grupo hace casi dos décadas. El objetivo de esta Tesis para con este tipo de redes ha sido el estudio de su viabilidad en sistemas de Terahercios, algo que se ha validado experimentalmente con la fabricación de un prototipo a 300 GHz y la demostración de la capacidad de controlar la dirección de radiación de un arreglo de antenas alimentado por este tipo de redes en un entorno 2D.

This Doctoral Thesis deals with the development of new passive technologies for their implementation at high frequencies, specifically in the millimetre wave (mmWave) and Terahertz (THz) region – up to 300 GHz – with the aim of improving the performance and efficiency of such systems. This objective is approached from three different points: the integration of high-frequency sources, the non-radiated propagation of the signals generated by these sources, and the radiation of these signals and the control of this radiation. The original approach of the Dissertation, reflected in its first part, is the integration of uni-travelling carrier photodiodes (UTC-PD) in modules with rectangular waveguide output. To this end, two waveguide transition designs have been proposed, one of them serving simultaneously as a power combiner. These designs have been developed based on the fundamental premise of matching the complex impedance of the photodiodes. The second part of this Thesis deals with the conception, development and validation of a new transmission line technology for high frequencies, coined as Gap CoplanarWaveguide, which allows preventing the propagation of substrate modes, as well as reducing the losses due to the dielectric materials used in the line. Finally, the third part of this Thesis revisits the concept of Coherent Radiation Periodic Structure-Based Beamforming Networks (CORPS-BFN), a type of network developed by our group almost two decades ago. The objective of this Thesis in this regard has been to study the feasibility of these networks in Terahertz systems, which has been experimentally validated with the fabrication of a prototype working at 300 GHz and the demonstration of the ability to control the radiation direction of an antenna array fed by this type of network in a two-dimensional environment.