Publication: Power enhancement in the terahertz band
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Publication date
2012-07
Defense date
2012-07-18
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Abstract
In the last years, the Terahertz band has achieved great importance due to its multiple applications in different fields. These applications may go from medicine, to defense and security. Additionally, its short wavelength allows to transmit large amount of data in a short period of time. Developing the Terahertz technology could lead to an improvement in the existing applications and to overcome different problems that actual technology presents. For example, harmful X-Ray scanners could be replaced by Terahertz technology avoiding that it affects negatively to the human health. Spectroscopies with higher resolution can also be performed thanks to the Terahertz waves. However, this band, sometimes called as frequency gap, presents some limitations related to the radiated power. Although big efforts have been made within the last decade to close the gap, obtaining high power in the THz band is still challenging. There exist two different alternatives so as to generate THz power. By using electronics, where higher power can be achieved or through optoelectronics using photomixing technics. This project is focused in the later alternative, where getting higher powers is more challenging. This work is part of a broader interdisciplinary project that involves experts from different fields, combining the expertise on antenna design at the Signal and Communications Theory Department at Universidad Carlos III de Madrid with the experience at the Max Planck Institute for the Science of light (Erlangen, Germany) on optoelectronic THz emitters. The specific aim of the thesis is to study different ways of enhancing the radiated THz power through simulation and through experimental results. Three different approaches are done in order to achieve the desired results. Firstly, a 2D-array of TSA antennas is intended. When constructing a 2D-array with end-fire antennas, the power will be increased due to the contribution of all antennas that compose the array. However, before constructing it, it is required to perfectly understand how these antennas behave under the circumstances that are required for designing an array. As second alternative, simple antenna emitters are used. These antennas are dipoles or spirals antennas connected to a photomixer device able to generate Terahertz power. The main task is to optimize all the designed structure so as to obtain a symmetric radiation pattern, and calculate its corresponding equivalent circuit. Lastly, some experimental measurements are done. These results are attained with dielectric horn antennas measured in the laboratory of the Max Plank Institute for the Science of Light in Erlangen. The efficiency of different antennas should be studied so as to know how the improvement introduced by the dielectric horn etched is. In these different ways, enhancement in the Terahertz power is achieved broadening the possible applications of this technology. ______________________________________________________________________________________________________________________________
En los últimos años, la banda de Terahercios ha obtenido una gran importancia debido a su múltiple número de aplicaciones en distintos campos. Estas aplicaciones van desde la medicina hasta defensa y seguridad. Además, su corta longitud de onda permite transmitir grandes cantidades de información en un pequeño periodo de tiempo. Desarrollar la tecnologÃa de Terahercios puede dar lugar a una mejora en las aplicaciones existentes y superar diferentes problemas que la tecnologÃa actual presenta. Por ejemplo, los dañinos escáneres de rayos X pueden ser remplazados por la tecnologÃa de Terahercios evitando que estos afecten negativamente a la salud. Espectroscopias con mayor resolución pueden realizarse también gracias a las ondas de Terahercios. Sin embargo, esa banda, a veces conocida como gap, presenta algunas limitaciones en relación a la potencia radiada. Aunque se han realizado grandes esfuerzos durante la última década para cerrar este gap, obtener altas potencias en la banda de Terahercios es aún desafiante. Este trabajo es parte de un amplio proyecto interdisciplinar que involucra expertos de diferentes campos, combinando la habilidad en el diseño de antenas en el Departamento de TeorÃa de la Señal y las Comunicaciones en la Universidad Carlos III de Madrid con la experiencia del Max Plank Institute for the Science of Light (Erlangen, Alemania) en emisores de Terahercios optoelectrónicos. El objetivo especÃfico de esta tesis es el estudio de diferentes formas de aumentar la potencia radiada en Terahercios mediante la simulación y mediante resultados experimentales. Se han hecho tres enfoques diferentes con el fin de conseguir los resultados deseados. En primer lugar, un array 2D formado por antenas TSA ha sido diseñado. Para construir un array 2D con antenas end-fire, la potencia incrementará debido a la contribución de todas las antenas que forman el array. Sin embargo, antes de su construcción, es necesario entender perfectamente como estas antenas se comportan bajos las circunstancias que se requieren para diseñar el array. Como segunda alternativa, se usan antenas emisoras. Estas antenas son dipolos y espirales conectadas a un fotomezclador capaz de generar potencia en Terahercios. La tarea principal es optimizar todas las estructuras diseñadas para obtener un diagrama de radiación simétrico y calcular los correspondientes circuitos equivalentes. Finalmente, algunas medidas experimentales son realizadas. Estas medidas son conseguidas por medio de bocinas dieléctricas medidas en el laboratorio del Max Plank Institute for the Science of Light en Erlangen. La eficiencia de las diferentes antenas ha de ser estudiada para saber las mejoras introducidas por la bocina dieléctrica. Con estas tres alternativas, se consiguen mejoras en la potencia en Terahercios, aumentando el número de aplicaciones que esta tecnologÃa presenta.
En los últimos años, la banda de Terahercios ha obtenido una gran importancia debido a su múltiple número de aplicaciones en distintos campos. Estas aplicaciones van desde la medicina hasta defensa y seguridad. Además, su corta longitud de onda permite transmitir grandes cantidades de información en un pequeño periodo de tiempo. Desarrollar la tecnologÃa de Terahercios puede dar lugar a una mejora en las aplicaciones existentes y superar diferentes problemas que la tecnologÃa actual presenta. Por ejemplo, los dañinos escáneres de rayos X pueden ser remplazados por la tecnologÃa de Terahercios evitando que estos afecten negativamente a la salud. Espectroscopias con mayor resolución pueden realizarse también gracias a las ondas de Terahercios. Sin embargo, esa banda, a veces conocida como gap, presenta algunas limitaciones en relación a la potencia radiada. Aunque se han realizado grandes esfuerzos durante la última década para cerrar este gap, obtener altas potencias en la banda de Terahercios es aún desafiante. Este trabajo es parte de un amplio proyecto interdisciplinar que involucra expertos de diferentes campos, combinando la habilidad en el diseño de antenas en el Departamento de TeorÃa de la Señal y las Comunicaciones en la Universidad Carlos III de Madrid con la experiencia del Max Plank Institute for the Science of Light (Erlangen, Alemania) en emisores de Terahercios optoelectrónicos. El objetivo especÃfico de esta tesis es el estudio de diferentes formas de aumentar la potencia radiada en Terahercios mediante la simulación y mediante resultados experimentales. Se han hecho tres enfoques diferentes con el fin de conseguir los resultados deseados. En primer lugar, un array 2D formado por antenas TSA ha sido diseñado. Para construir un array 2D con antenas end-fire, la potencia incrementará debido a la contribución de todas las antenas que forman el array. Sin embargo, antes de su construcción, es necesario entender perfectamente como estas antenas se comportan bajos las circunstancias que se requieren para diseñar el array. Como segunda alternativa, se usan antenas emisoras. Estas antenas son dipolos y espirales conectadas a un fotomezclador capaz de generar potencia en Terahercios. La tarea principal es optimizar todas las estructuras diseñadas para obtener un diagrama de radiación simétrico y calcular los correspondientes circuitos equivalentes. Finalmente, algunas medidas experimentales son realizadas. Estas medidas son conseguidas por medio de bocinas dieléctricas medidas en el laboratorio del Max Plank Institute for the Science of Light en Erlangen. La eficiencia de las diferentes antenas ha de ser estudiada para saber las mejoras introducidas por la bocina dieléctrica. Con estas tres alternativas, se consiguen mejoras en la potencia en Terahercios, aumentando el número de aplicaciones que esta tecnologÃa presenta.
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Keywords
Banda de Terahercios, TecnologÃa de Terahercios, Antenas