Analysis and design of efficient passive components for the millimeter-wave and THz bands

Abstract

This thesis tackles issues of particular interest regarding analysis and design of passive components at the mm-wave and Terahertz (THz) bands. Innovative analysis techniques and modeling of complex structures, design procedures, and practical implementation of advanced passive devices are presented.

The first part of the thesis is dedicated to THz passive components. These days, THz technology suffers from the lack of suitable waveguiding structures since both, metals and dielectric, are lossy at THz frequencies. This implies that neither conventional closed metallic structures used at microwave frequencies, nor dielectric waveguides used in the optical regime, are adequate solutions. Among a variety of new proposals, the Single Wire Waveguide (SWW) stands out due to its low attenuation and dispersion. However, this surface waveguide presents difficult excitation and strong radiation on bends. A Dielectric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW) can be used to alleviate these problems, but advantages of the SWW are lost and new problems arise.

Until now, literature has not given proper solution to radiation on bends and, on the other hand, rigorous characterization of these waveguides lacks these days. This thesis provides, for the first time, a complete modal analysis of both waveguides, appropriated for THz frequencies. This analysis is later applied to solve the problem of radiation on bends. Several structures and design procedures to alleviate radiation losses are presented and experimentally validated.

The second part of the thesis is dedicated to mm-wave passive components. These days, when implementing passive components to operate at such small, millimetric wavelengths, to ensure proper metallic contact and alignment between parts results challenging. In addition, dielectric absorption becomes significant at mm-wave frequencies. Consequently, conventional hollow metallic waveguides and planar transmission lines present high attenuation so that new topologies are being considered. Gap Waveguides (GWs), based on a periodic structure introducing an Electromagnetic Bandgap effect, result very suitable since they do not require metallic contacts and avoid dielectric losses.

However, although GWs have great potential, several issues prevent GW technology from becoming consolidated and universally used. On the one hand, the topological complexity of GWs difficulties the design process since full-wave simulations are time-costly and there is a lack of appropriate analysis methods and suitable synthesis procedures. On the other hand, benefits of using GWs instead of conventional structures are required to be more clearly evidenced with high-performance GW components and proper comparatives with conventional structures. This thesis introduces several efficient analysis methods, models, and synthesis techniques that will allow engineers without significant background in GWs to straightforwardly implement GW devices. In addition, several high-performance narrow-band filters operating at Ka-band and V-band, as well as a rigorous comparative with rectangular waveguide topology, are presented.

Esta tesis aborda problemas actuales en el análisis y diseño de componentes pasivos en las bandas de onda milimétrica y Terahercios (THz). Se presentan nuevas técnicas de análisis y modelado de estructuras complejas, procedimientos de diseño, e implementación práctica de dispositivos pasivos avanzados. La primera parte de la tesis se dedica a componentes pasivos de THz. Actualmente no se disponen de guías de onda adecuadas a THz debido a que ambos, metales y dieléctricos, introducen grandes pérdidas. En consecuencia, no es adecuado escalar las estructuras metálicas cerradas usadas en microondas, ni las guías dieléctricas usadas a frecuencias ópticas. Entre un gran número de recientes propuestas, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca por su baja atenuación y casi nula dispersión. No obstante, como guía superficial, la SWW presenta difícil excitación y radiación en curvas. El uso de un recubrimiento dieléctrico, creando la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alivia estos inconvenientes, pero las ventajas anteriores se pierden y nuevos problemas aparecen.

Hasta la fecha, no se han encontrado soluciones adecuadas para la radiación en curvas de la SWW. Además, se echa en falta una caracterización rigurosa de ambas guías. Esta tesis presenta, por primera vez, un análisis modal completo de SWW y DCSWW, adecuado a la banda de THz. Este análisis es aplicado posteriormente para evitar el problema de la radiación en curvas. Se presentan y validan experimentalmente diversas estructuras y procedimientos de diseño.

La segunda parte de la tesis abarca componentes pasivos de ondas milimétricas. Actualmente, estos componentes sufren una importante degradación de su respuesta debido a que resulta difícil asegurar contacto metálico y alineamiento adecuados para la operación a longitudes de onda tan pequeñas. Además, la absorción dieléctrica incrementa notablemente a estas frecuencias. En consecuencia, tanto guías metálicas huecas como líneas de transmisión planares convencionales presentan gran atenuación, siendo necesario considerar topologías alternativas. Las Gap Waveguides (GWs), basadas en una estructura periódica que introduce un efecto de Electromagnetic Bandgap, resultan muy adecuadas puesto que no requieren contacto entre partes metálicas y evitan las pérdidas en dieléctricos.

No obstante, a pesar del potencial de las GWs, varias barreras impiden la consolidación y uso universal de esta tecnología. Por una parte, la compleja topología de las GWs dificulta el proceso de diseño dado que las simulaciones de onda completa consumen mucho tiempo y no existen actualmente métodos de análisis y diseño apropiados. Por otra parte, es necesario evidenciar el beneficio de usar GWs mediante dispositivos GW de altas prestaciones y comparativas adecuadas con estructuras convencionales. Esta tesis presenta diversos métodos de análisis eficientes, modelos, y técnicas de diseño que permitirán la síntesis de dispositivos GW sin necesidad de un conocimiento profundo de esta tecnología. Asimismo, se presentan varios filtros de banda estrecha operando en las bandas Ka y V con altas prestaciones, así como una comparativa rigurosa con la guía rectangular.

Aquesta tesi aborda problemes actuals en relació a l'anàlisi i disseny de components passius en les bandes d'ona mil·limètrica i Terahercis. Es presenten noves tècniques d'anàlisi i modelatge d'estructures complexes, procediments de disseny, i implementació pràctica de dispositius passius avançats.

La primera part de la tesi es focalitza en components passius de THz. Actualment no es disposen de guies d'ona adequades a THz causa que tots dos, metalls i dielèctrics, introdueixen grans pèrdues. En conseqüència, no és adequat escalar les estructures metál·liques tancades usades en microones, ni les guies dielèctriques usades a freqüències òptiques. Entre un gran nombre de propostes recents, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca per la seua baixa atenuació i quasi nul·la dispersió. No obstant això, com a guia superficial, la SWW presenta difícil excitació i radiació en corbes. L'ús d'un recobriment dielèctric, creant la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alleuja aquests inconvenients, però els avantatges anteriors es perden i nous problemes apareixen.

Fins a la data, no s'han trobat solucions adequades per a la radiació en corbes de la SWW. A més, es troba a faltar una caracterització rigorosa d'ambdues guies. Aquesta tesi presenta, per primera vegada, un anàlisi modal complet de SWW i DCSWW, adequat a la banda de THz. Aquest anàlisi és aplicat posteriorment per evitar el problema de la radiació en corbes. Es presenten i validen experimentalment diverses estructures i procediments de disseny.

La segona part de la tesi es centra en components passius d'ones mil·limètriques. Actualment, aquests components pateixen una important degradació de la seua resposta a causa de que resulta difícil assegurar contacte metàl·lic i alineament adequats per a l'operació a longituds d'ona tan menudes. A més, l'absorció dielèctrica incrementa notablement a aquestes freqüències. En conseqüència, tant guies metàl·liques buides com línies de transmissió planars convencionals presenten gran atenuació, sent necessari considerar topologies alternatives. Les Gap Waveguides (GWs), basades en una estructura periòdica que introdueix un efecte de Electromagnetic Bandgap, resulten molt adequades ja que no requereixen contacte entre parts metàl·liques i eviten les pèrdues en dielèctrics.

No obstant, tot i el potencial de les GWs, diverses barreres impedixen la consolidació i ús universal d'aquesta tecnologia. D'una banda, la complexa topologia de les GWs dificulta el procés de disseny atés que les simulacions d'ona completa consumeixen molt de temps i no existeixen actualment mètodes d'anàlisi i disseny apropiats. D'altra banda, és necessari evidenciar el benefici d'utilitzar GWs mitjançant dispositius GW d'altes prestacions i comparatives adequades amb estructures convencionals. Aquesta tesi presenta diversos mètodes d'anàlisi eficients, models, i tècniques de disseny que permetran la síntesi de dispositius GW sense necessitat d'un coneixement profund d'aquesta tecnologia. Així mateix, es presenten diversos filtres de banda estreta operant en les bandes Ka i V amb altes prestacions, així com una comparativa rigorosa amb la guia rectangular.