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Enhancing the radiated power in the Terahertz band

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Publication date
2013-12
Defense date
2014-03-17
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The needs of the Technology, Science and Communications to have available the Terahertz band has grown dramatically during the last years. This band is still a challenge from the technological point of view. Considering two approximations, photonic and microwave, the first is not capable of delivering enough power to have a reliable communication or an efficient system. Regarding microwave, as the existing devices and systems should be scaled in frequency, the available manufacturing techniques and design processes are not capable of providing enough precision for the miniaturized devices on these frequencies. Despite these issues, the efficiency on the devices, either in the sources itself or in the antennas, regarding radiated power or coupling of electromagnetic fields, is not good enough, and most of the power is lost either on the lasers illuminating the devices, in the bias or simply in the coupling and matching. It is important to know, also, that classical antenna theory, and the well known antenna topologies, need to be redesigned to allow the limitations of the technology in manufacturing process and also in the measurement of devices, for example, the design in high permittivity substrates or semiconductors. Photomixers are, from the optics point of view, one of the most common way to generate a Terahertz signal. Their properties, such as easiness in manufacturing, tunnability, high integrability, operation at room temperature, and reduced cost make them affordable devices to implement in new systems, both with commercial purposes and also in the research field. Gathering together all the circumstances, the optimization of the radiation elements that serves as a matching between free space and the feed, is a key point to develop efficient devices as well as reduced in cost. It is important to develop radiating elements that can be processed and measured in the same wafe of the THz sources, reducing this way the complexity of the system. This means the radiating elements should be preferably in a technology that allows the manufacturing at the same procedure than the source. The main goal of the proposed Thesis is the development and design of new devices, that allow the optimization of radiaton power and coupling between the THz source and the radiating element. This goal has been achieved with different antenna topologies, either in planar structures and in 3D devices. The first block of the Thesis is based on the use of photomixing devices, framed in a research stage at FAU (Erlangen), for the optimization of the radiating element adapted to n-i-pn-i-p photomixers. From this optimization, a reduction in the size of the element has been achieved, allowing the implementation of the next step, which are new 3D horns etched in the semiconductor material where the PM is processed. The second block of the present work is the development of a modal theory for TSA antennas together with some applications that allows the validation of the theory as well as the implementation over semiconductor or high permittivity substrates. The baseline of waveguide theory was employed for the analysis with PMC conductors and air discontinuities. Three different applications have been designed, manufactured and measured, with good results in the band over study. The three of them are based on new geometries on the substrate where the antenna is printed, including EBG, substratesuperstrate configuration and thick wedges. The third block is based on numerical methods, with the objective of analysis acceleration as well as the reduction of computational resources in the calculations and in simulations. First of all, QO techniques are employed, with the aid of the BME coefficients of the feed. A complex optical system including lens and mirrors can be analyzed in a matter of seconds, with a reduced error. To continue with resources optimization and also the analysis of reflectors, a combination of MoM+PO has been developed based on Krylov subspaces, imposing orthogonality on each step, together with the use of Macro Basis Functions; the feed is analyzed with MoM, and the impedances matrix is obtained, while the matrix from the reflector is computed with a PO approach. The complexity of the problem is reduced by a Nf/P factor with Nf the number of unknowns in the reflector and P the number of MBFs. To continue with MoM, and the analysis of large arrays, a method based on the modification of the impedance matrix taking into account the effect on impedance of the surrounding elements is developed. -----------------------------------------------
La necesidad de la Tecnología, la Ciencia y las Comunicaciones de tener disponible la banda de Terahercios ha crecido drásticamente durante los últimos años. Esta banda es todavía un reto desde el punto de vista tecnológico. Considerando dos aproximaciones, desde el punto de vista de la Fotónica y desde el de las Microondas, la primera no es capaz de entregar, o generar, suficiente potencia para conseguir un sistema de comunicaciones fiable y eficiente. Con respecto a la aproximación basada en Microondas, los dispositivos y sistemas que existen actualmente, se escalan en frecuencia, utilizando las técnicas de fabricación disponibles en la industria. Estos procesos, todavía no son capaces de proporcionar una precisión suficientemente alta para dispositivos miniaturizados y escalados a esta banda de frecuencias. A pesar de estas limitaciones, la eficiencia de los dispositivos, tanto en las mismas fuentes como en las antenas utilizadas, con respecto a la potencia radiada o el acoplo de los campos electromagnéticos, no es lo suficientemente buena, por lo que la mayoría de la potencia se pierde o bien en la iluminación de los dispositivos con láseres, en la corriente de alimentación o en el acoplo y adaptación. Es importante destacar también que la teoría clásica de antenas, y las bien conocidas formas, necesitan ser rediseñadas para contrarrestar las limitaciones en la tecnología y procesos de fabricación y también en los procesos de medida, por ejemplo en el diseño con sustratos y semiconductores de alta permitividad. Los fotomezcladores son, desde el punto de vista de la óptica, una de las formas más comunes de generar una señal en Terahercios. Sus propiedades, como por ejemplo la facilidad en la fabricación, alta integrabilidad, ajuste en frecuencia, operación a temperatura ambiente y coste reducido, los convierten en dispositivos asequibles para implementar en nuevos sistemas, tanto con fines comerciales como en el campo de la investigación. Teniendo en cuenta todos estos factores, la optimización de los elementos radiantes que sirven de adaptación entre el espacio libre y el propio generador es un factor clave en el desarrollo de dispositivos eficientes así como de bajo coste. Es muy importante desarrollar estos dispositivos lo más eficientes posible así como de bajo coste. Otro punto con mucha relevancia es también que estos sistemas se puedan procesar y medir en la misma oblea o sustrato que la fuente de Terahercios, reduciendo de esta forma la complejidad de todo el sistema. Esto obliga a que los elementos radiantes se desarrollen en una tecnología que permita la fabricación al mismo tiempo de antena y fuente. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo y diseño de nuevos dispositivos que permitan la optimización de la potencia y eficiencia de radiación y el acoplamiento entre la fuente de Terahercios y el elemento radiante. Este objetivo se ha conseguido con la utilización de diferentes formas de antena, tanto en estructuras planas como en dispositivos 3D. El primer bloque de esta tesis se basa en el uso de fotomezcladores, enmarcado en una estancia de investigación en FAU (Erlangen), con el objetivo de optimizar el elemento radiante adaptado a sistemas n-i-pn-i-p. A raíz de este trabajo, se ha conseguido una reducción en el tamaño del elemento, permitiendo la implementación del siguiente objetivo: bocinas 3D grabadas en material semiconductor, donde se implementa el fotomezclador. El segundo bloque del presente trabajo es el desarrollo de una teoría modal para antenas de tipo TSA junto con varias aplicaciones que permiten la validación de esta teoría, así como la implementación sobre sustratos semiconductores o de alta permitividad. Se ha empleado como punto de referencia teoría de guías de onda clásica, para su análisis con conductores magnéticos perfectos e interfaces aire-sustrato. Se han desarrollado tres aplicaciones para esta teoría, además de fabricadas y medidas, con buenos resultados sobre la banda de frecuencias bajo estudio. Las tres aplicaciones están basadas en nuevas geometrías en el sustrato donde se implementa la antena, incluyendo EBG, configuración sustrato-superestrato y cuñas gruesas. El tercer bloque de esta tesis se centra en métodos numéricos, con el objetivo de la aceleración del análisis así como la reducción del coste computacional y de los recursos empelados en cálculos y simulaciones. El primer método que se ha estudiado se basa en técnicas quasi-ópticas, con la ayuda de desarrollos de BME para obtener los coeficientes de las fuentes. Un sistema complejo incluyendo lentes y espejos se puede analizar en cuestión de segundos, con un bajo error. Para continuar con la optimización de recursos y con el análisis de elementos ópticos, se ha desarrollado una combinación de MoM+PO basada en subespacios de Krylov, imponiendo ortogonalidad en cada paso, junto con el uso de MBFs; la fuente se analiza con MoM, obteniendo la matriz de impedancias, mientras que la matriz correspondiente al reflector se calcula con PO. La complejidad del sistema se reduce en un factor Nf=P, con Nf el número de incógnitas en el reflector y P el número de MBFs. Para continuar con MoM, y el análisis de arrays con un número elevado de elementos, se ha desarrollado un método basado en la modificación de la matriz de impedancias teniendo en cuenta el efecto en esta impedancia de los elementos circundantes.
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Terahertz band, Photomixers, TSA antennas
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