Enhancing the radiated power in the Terahertz bandReportar como inadecuado




Enhancing the radiated power in the Terahertz band - Descarga este documento en PDF. Documentación en PDF para descargar gratis. Disponible también para leer online.

Advisors: García Muñoz, Luis Enrique

Department-Institute: Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones

Issued date: 2013-12

Defense date: 2014-03-17

Committee: Presidente: Antti V. Räisänen; Vocal: Harald Georg Leonhard Schwefel; Secretario: Guillermo Carpintero del Barrio

Review: PeerReviewed

Keywords: Terahertz band , Photomixers , TSA antennas

Rights: Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España

Abstract: 

The needs of the Technology, Science and Communications to have availablethe Terahertz band has grown dramatically during the last years. This bandis still a challenge from the technological point of view. Considering two approximations,photonic and micrThe needs of the Technology, Science and Communications to have availablethe Terahertz band has grown dramatically during the last years. This bandis still a challenge from the technological point of view. Considering two approximations,photonic and microwave, the first is not capable of deliveringenough power to have a reliable communication or an efficient system. Regardingmicrowave, as the existing devices and systems should be scaled infrequency, the available manufacturing techniques and design processes arenot capable of providing enough precision for the miniaturized devices onthese frequencies. Despite these issues, the efficiency on the devices, eitherin the sources itself or in the antennas, regarding radiated power or couplingof electromagnetic fields, is not good enough, and most of the power is losteither on the lasers illuminating the devices, in the bias or simply in thecoupling and matching.It is important to know, also, that classical antenna theory, and the wellknown antenna topologies, need to be redesigned to allow the limitationsof the technology in manufacturing process and also in the measurement ofdevices, for example, the design in high permittivity substrates or semiconductors.Photomixers are, from the optics point of view, one of the most commonway to generate a Terahertz signal. Their properties, such as easinessin manufacturing, tunnability, high integrability, operation at room temperature,and reduced cost make them affordable devices to implement in newsystems, both with commercial purposes and also in the research field. Gatheringtogether all the circumstances, the optimization of the radiation elements that serves as a matching between free space and the feed, is a keypoint to develop efficient devices as well as reduced in cost. It is important todevelop radiating elements that can be processed and measured in the samewafe of the THz sources, reducing this way the complexity of the system.This means the radiating elements should be preferably in a technology thatallows the manufacturing at the same procedure than the source.The main goal of the proposed Thesis is the development and design ofnew devices, that allow the optimization of radiaton power and coupling betweenthe THz source and the radiating element. This goal has been achievedwith 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, allowingthe implementation of the next step, which are new 3D horns etched in thesemiconductor material where the PM is processed.The second block of the present work is the development of a modaltheory for TSA antennas together with some applications that allows thevalidation of the theory as well as the implementation over semiconductor orhigh permittivity substrates. The baseline of waveguide theory was employedfor the analysis with PMC conductors and air discontinuities. Three differentapplications have been designed, manufactured and measured, with goodresults in the band over study. The three of them are based on new geometrieson the substrate where the antenna is printed, including EBG, substratesuperstrateconfiguration and thick wedges.The third block is based on numerical methods, with the objective ofanalysis acceleration as well as the reduction of computational resources inthe calculations and in simulations. First of all, QO techniques are employed,with the aid of the BME coefficients of the feed. A complex optical systemincluding lens and mirrors can be analyzed in a matter of seconds, with areduced error. To continue with resources optimization and also the analysisof reflectors, a combination of MoM+PO has been developed based on Krylovsubspaces, imposing orthogonality on each step, together with the use ofMacro Basis Functions; the feed is analyzed with MoM, and the impedancesmatrix is obtained, while the matrix from the reflector is computed with aPO approach. The complexity of the problem is reduced by a Nf-P factorwith 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 onthe modification of the impedance matrix taking into account the effect onimpedance of the surrounding elements is developed. -+- 

La necesidad de la Tecnología, la Ciencia y las Comunicaciones de tenerdisponible la banda de Terahercios ha crecido drásticamente durante los últimosaños. Esta banda es todavía un reto desde el punto de vista tecnológico.Considerando dos aproximaciones,La necesidad de la Tecnología, la Ciencia y las Comunicaciones de tenerdisponible la banda de Terahercios ha crecido drásticamente durante los últimosaños. Esta banda es todavía un reto desde el punto de vista tecnológico.Considerando dos aproximaciones, desde el punto de vista de la Fotónica ydesde 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 dispositivosy sistemas que existen actualmente, se escalan en frecuencia, utilizando lastécnicas de fabricación disponibles en la industria. Estos procesos, todavíano son capaces de proporcionar una precisión suficientemente alta para dispositivosminiaturizados y escalados a esta banda de frecuencias. A pesarde estas limitaciones, la eficiencia de los dispositivos, tanto en las mismasfuentes como en las antenas utilizadas, con respecto a la potencia radiada oel 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 delos dispositivos con láseres, en la corriente de alimentación o en el acoplo yadaptación.Es importante destacar también que la teoría clásica de antenas, y lasbien conocidas formas, necesitan ser rediseñadas para contrarrestar las limitacionesen la tecnología y procesos de fabricación y también en los procesosde medida, por ejemplo en el diseño con sustratos y semiconductores de altapermitividad.Los fotomezcladores son, desde el punto de vista de la óptica, una de lasformas más comunes de generar una señal en Terahercios. Sus propiedades, como por ejemplo la facilidad en la fabricación, alta integrabilidad, ajuste enfrecuencia, operación a temperatura ambiente y coste reducido, los conviertenen dispositivos asequibles para implementar en nuevos sistemas, tanto confines comerciales como en el campo de la investigación. Teniendo en cuentatodos estos factores, la optimización de los elementos radiantes que sirvende adaptación entre el espacio libre y el propio generador es un factor claveen el desarrollo de dispositivos eficientes así como de bajo coste. Es muyimportante desarrollar estos dispositivos lo más eficientes posible así comode bajo coste. Otro punto con mucha relevancia es también que estos sistemasse puedan procesar y medir en la misma oblea o sustrato que la fuente deTerahercios, reduciendo de esta forma la complejidad de todo el sistema.Esto obliga a que los elementos radiantes se desarrollen en una tecnologíaque permita la fabricación al mismo tiempo de antena y fuente.El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo y diseño de nuevos dispositivosque permitan la optimización de la potencia y eficiencia de radiacióny el acoplamiento entre la fuente de Terahercios y el elemento radiante. Esteobjetivo se ha conseguido con la utilización de diferentes formas de antena,tanto en estructuras planas como en dispositivos 3D. El primer bloque de estatesis se basa en el uso de fotomezcladores, enmarcado en una estancia de investigaciónen FAU Erlangen, con el objetivo de optimizar el elemento radianteadaptado a sistemas n-i-pn-i-p. A raíz de este trabajo, se ha conseguidouna reducción en el tamaño del elemento, permitiendo la implementación delsiguiente objetivo: bocinas 3D grabadas en material semiconductor, donde seimplementa el fotomezclador.El segundo bloque del presente trabajo es el desarrollo de una teoríamodal para antenas de tipo TSA junto con varias aplicaciones que permitenla validación de esta teoría, así como la implementación sobre sustratos semiconductoreso de alta permitividad. Se ha empleado como punto de referenciateoría de guías de onda clásica, para su análisis con conductores magnéticosperfectos e interfaces aire-sustrato. Se han desarrollado tres aplicaciones paraesta teoría, además de fabricadas y medidas, con buenos resultados sobre labanda de frecuencias bajo estudio. Las tres aplicaciones están basadas ennuevas geometrías en el sustrato donde se implementa la antena, incluyendoEBG, configuración sustrato-superestrato y cuñas gruesas.El tercer bloque de esta tesis se centra en métodos numéricos, con elobjetivo de la aceleración del análisis así como la reducción del coste computacionaly de los recursos empelados en cálculos y simulaciones. El primermétodo que se ha estudiado se basa en técnicas quasi-ópticas, con la ayudade desarrollos de BME para obtener los coeficientes de las fuentes. Un sistemacomplejo incluyendo lentes y espejos se puede analizar en cuestión de segundos, con un bajo error. Para continuar con la optimización de recursosy con el análisis de elementos ópticos, se ha desarrollado una combinación deMoM+PO basada en subespacios de Krylov, imponiendo ortogonalidad encada paso, junto con el uso de MBFs; la fuente se analiza con MoM, obteniendola matriz de impedancias, mientras que la matriz correspondiente alreflector se calcula con PO. La complejidad del sistema se reduce en un factorNf=P, con Nf el número de incógnitas en el reflector y P el número deMBFs. Para continuar con MoM, y el análisis de arrays con un número elevadode elementos, se ha desarrollado un método basado en la modificaciónde la matriz de impedancias teniendo en cuenta el efecto en esta impedanciade los elementos circundantes.+- 







Autor: Andrés García, Belén

Fuente: http://e-archivo.uc3m.es


Introducción



Universidad Carlos III de Madrid Repositorio institucional e-Archivo http:--e-archivo.uc3m.es Tesis Tesis Doctorales 2013-12 Enhancing the radiated power in the Terahertz band Andrés García, Belén http:--hdl.handle.net-10016-19313 Descargado de e-Archivo, repositorio institucional de la Universidad Carlos III de Madrid UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID TESIS DOCTORAL Enhancing the Radiated Power in the Terahertz Band Autor: Belén Andrés García Director: Luis Enrique García Muñoz Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones Universidad Carlos III de Madrid Leganés, Madrid, Diciembre de 2013 UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID TESIS DOCTORAL Enhancing the Radiated Power in the Terahertz Band Autor: Belén Andrés García Director: Luis Enrique García Muñoz Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones Universidad Carlos III de Madrid Leganés, Madrid, Diciembre de 2013 TESIS DOCTORAL ENHANCING THE RADIATED POWER IN THE TERAHERTZ BAND Autor: Belén Andrés García Director: Luis Enrique García Muñoz Firma del tribunal calificador: Nombre y apellidos Firma Presidente: Vocal: Secretario: Calificación: Leganés, de de A mi familia Los números primos sólo son exactamente divisibles por 1 y por sí mismos. Ocupan su sitio en la infinita serie de los números naturales y están, como todos los demás, emparedados entre otros dos números, aunque ellos más separados entre sí.
Son números solitarios, sospechosos, y por eso encantaban a Mattia, que unas veces pensaba que en esa serie figuraban por error, como perlas ensartadas en un collar, y otras veces que también ellos querrían ser como los demás, números normales y corrientes, y que por alguna razón no podían.
Esto último lo pensaba sobre todo por la noche, en ese estado previo al sueño en que la mente produce mil imágenes caóticas y es demasiado débil para engañarse a sí misma. Abstract The needs of the Technology, Science and Communication...





Documentos relacionados