Sub-Terahertz Components and Systems Enabled by Silicon-micromachined Waveguide Circuits

Abstract

Sub-terahertz (Sub-THz) och THz-spektrum anv¨ands alltmer p˚agrund av dess korta v˚agl¨angden och breda tillg¨angliga bandbredden viddessa intervall. Dessa spektrum har stor betydelse i vetenskapliga ochkommersiella till¨ampningar som detektering, avst˚andsm¨atning, bildbehandling,s¨akerhetskontroll, bilradar f¨or passagerar¨overvakning och autonomk¨orning, telekommunikation, avk¨anning, spektroskopi och utforskningav rymden. Att implementera komponenter och kretsar i dessaspektrum har dock m˚anga utmaningar p˚a grund av h¨oga tillverkningstoleranskrav.D¨arf¨or finns det ett behov av att ¨overtr¨affa konventionellatillverkningstekniker som dator numerisk styrning (CNC) fr¨asning f¨oratt fullt ut utnyttja den stora potentialen hos dessa spektrum.

Mikromaskinbearbetade v˚agledare av kisel, realiserade genom djupreaktivjonetsning (DRIE) av kisel-p˚a-isolator (SOI) wafers och sidov¨aggsmetallisering, har anv¨ants f¨or att implementera olika komponenter i dennaavhandling. Kiselmikrobearbetning erbjuder flera f¨ordelar j¨amf¨ortmed andra tillverkningstekniker, s˚asom mikrometeromr˚adesnoggrannhet,mindre och l¨attare enheter, nanometers omr˚ade av ytj¨amnhet som ledertill l˚ag ins¨attningsf¨orlust, integrerbarhet av aktiva och passiva komponenterp˚a ett enda chip, l˚ag kostnad och volymtillverkning. Denna avhandlingpresenterar flera nya sub-THz-komponenter och system som¨ar sammansatta av flera element, alla designade f¨or att implementerasmed kiselmikrobearbetning.

Uppsatsen ¨ar uppbyggd enligt f¨oljande. Efter en kort introduktionger den f¨orsta delen av uppsatsen en detaljerad ¨oversikt av tillverkningsteknikenoch presenterar ett steg-f¨or-steg tillverkningsprocessfl¨ode sominkluderar olika processer. Det h¨ar avsnittet t¨acker ocks˚a utmaningarnaoch begr¨ansningarna f¨or mikrobearbetning av kisel och strategierna f¨oratt hantera dem.

Den andra delen av avhandlingen fokuserar p˚a att designa och karakteriseraolika kiselmikrobearbetade passiva v˚agledarkomponenter, s˚asomen fullbands E-plane-v˚agledar¨overg˚ang fr˚an reducerad h¨ojd in-planev˚agledare inb¨addade i kiselsubstratet till standard out-of-plane v˚agledarestorlekar, en rektangul¨ar v˚agledarbaserad magic-T och en 2 × 8 dubbelportsantennupps¨attning med tv˚a linjer med frekvensstr˚alestyrning.Karakteriseringsproceduren f¨or varje komponent presenteras grundligtoch de uppm¨atta resultaten diskuteras inom kort, eftersom resultatenredan publiceras i detalj i de bifogade publikationerna (Paper I, II ochIII).

Den tredje delen av avhandlingen utvecklar MEMS-baserade v˚agledaromkopplare(Paper IV och V). Den h¨ar delen f¨orklarar designen och karakteriseringenav en ny enkelpolig enkelkastsswitch (SPST) som arbetar i frekvensomr˚adet 220-290 GHz med utm¨arkt ins¨attningsf¨orlust ochisoleringsprestanda. SPST-omkopplaren integreras sedan i en mer komplexsignalkedja och kombineras med hybridkopplare f¨or att skapa en nycrossover omkopplingskrets. Den designade crossover-switchen fungerari frekvensomr˚adet 220-260 GHz med utm¨arkta ins¨attningsf¨orluster, returf¨orluster och isolering, vilket g¨or den v¨al l¨ampad f¨or mottagarkalibreringsapplikationer.Dessutom ¨ar den designade crossover-omkopplarenhelt symmetrisk vad g¨aller in- och utg˚angssignalv¨agar, vilket g¨or denl¨amplig f¨or applikationer med redundanskrav.

Slutligen presenterar den sista delen av avhandlingen en komplexrekonfigurerbar frontendkrets f¨or bilradar (Paper VI och VII). Flerakomponenter ¨ar integrerade i denna signalkedja med ett kompakt fotavtryckp˚a endast 20mm × 14mm × 1.2mm. Den designade radarfrontenhar frekvensstr˚alestyrning och str˚alform som v¨axlar mellan ett brettoch ett sk˚arat str˚alningsm¨onster. Den fungerar i frekvensomr˚adet 220-260 GHz med ett str˚alstyrningsomr˚ade p˚a 238-248 GHz. Funktionernahos den designade radarfronten g¨or den v¨al l¨ampad f¨or m˚aldetektering,avst˚andsavst˚and och avbildningstill¨ampningar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-345946