Silicon-Micromachined High-Gain Antennas and Beamforming Architectures for Sub-Terahertz Communication and Sensing

QC 20251006

Abstract

De ökande behoven av högkapacitets trådlös kommunikation, intelligent avkänning och högupplöst avbildning har drivit intresset mot det underutnyttjade sub-terahertz (sub-THz) frekvensområdet. Detta område erbjuder stora bandbredder och hög rumslig upplösning, vilket gör det till en lovande kandidat för nästa generations kommunikations- och sensorsystem. Realiseringen av praktiska sub-THz-system medför dock flera utmaningar, inklusive kraftiga förluster i fri rymd, låg energieffektivitet och betydande hårdvarukomplexitet på grund av frekvensberoende förluster och tillverkningsbegränsningar.

Denna avhandling tar itu med dessa utmaningar genom att föreslå en uppsättning passiva, högpresterande komponenter och systemarkitekturer med fokus på antenndesign, strålformningstekniker, kanalkarakterisering och avbildningsmetoder. Komponenterna tillverkas med kiselmikromekanik, en skalbar teknik som möjliggör kompakta, högfrekventa passiva strukturer med låg förlust och mikrometerskala.

Avhandlingen inleds med utvecklingen av en statistisk kanalmodell baserad på strålspårning som fångar upp centrala propagationsfenomen, inklusive molekylär absorption, reflektion, spridning och diffraktion. Modellen används för att utvärdera root-mean-square-fördröjningsspridning, koherensbandbredd och delkanalers stabilitet vid olika länklängder, antennvinster och feljusteringar. Resultaten visar att högre frekvensband ger lägre variation i fördröjningsspridning och möjliggör mer robust flerbärarkommunikation genom kanalkoppling, vilket utgör grunden för hårdvaruanpassad THz-länkutformning.

Därefter introduceras två högvinst-linsantenner tillverkade med kiselmikromekanik. Den första designen är en elliptisk Fresnel-zonlins som uppnår cirkulär polarisation över 500–750GHz-bandet. Returförlusten är bättre än –15dB över hela bandet, med en uppmätt vinst på 25,7dBi och en axialkvot under 2,5. Den andra designen använder en cirkulär Fresnel-lins förbättrad med en graderad dielektrisk perforerad skiva, även den tillverkad med djupreaktiv jonetsning (DRIE) på ett SOI-substrat. Med 13 optimerade Fresnel-zoner uppnår denna antenn en vinst på 35,9dBi och bibehåller cirkulär polarisation med en axialkvot under 2,8dB över 40% bandbredd. Dessa antenner uppvisar topprestanda i kompakta, plana formfaktorer. I synnerhet etsas ett enda kiselchip från båda sidor med DRIE och två litografimasker, vilket skapar strukturer med fast tjocklek och exakt vertikal profil, vilket förenklar tillverkningen av rent dielektriska linsantenner.

För att hantera begränsningarna i bredbands-strålformning vid sub-THzfrekvenser presenterar avhandlingen en spatial-spridningsmetod baserad på frekvensortogonal passiv strålstyrning. Ett multifött Fresnel-linssystem är utformat för att styra varje frekvenssubband i en unik riktning. Med fyra matningar och totalt 75GHz bandbredd genereras 16 strålar som täcker ett synfält på 32°. Experimentella resultat visar endast 0,9dB styrförlust, sidlobdämpning bättre än –22dB och en realiserad vinst på 32,1dBi. Linsen är kompakt (15,8×15,8mm, 526μm tjock) och kräver endast en RF-kedja per matning, vilket kraftigt reducerar systemkomplexiteten.

Den spatiala spridningsantennen kombineras därefter med ett konvolutionellt neuronnät för adaptiv strål- och effektallokering. Genom att använda endast amplitudbaserade mottagarsignaler uppskattar nätverket användarens position och tilldelar dynamiskt optimal stråle och sändareffekt. Systemet uppnår upp till 61% förbättrad noggrannhet i riktninguppskattning, 94% ökning i datatakt och 30% minskning i sändareffekt jämfört med statiska strategier.

Avhandlingens sista kapitel undersöker effekten av antenndispersion i bredbandsavbildning. En jämförelse mellan kiselbaserade linser och metallhornantenner visar att de förra möjliggör högre effektiv bandbredd och bevarar pulsformen i tidsdomänen. Experimentella resultat visar att linsantenner minskar fel i avstånds- och tvärlägeslokalisering med upp till 64% respektive 68% och förbättrar signal-till-störförhållandet med 2,7dB. Systemet uppnår millimeterupplösning och kan särskilja mål med 2mm avstånd i sidled och 3mm i längsled.

Med dessa insikter demonstreras ett komplett bildsystem som kombinerar frekvensortogonala strålar och en tidsreversalbaserad DORT-algoritm. Systemet rekonstruerar flera mål utan mekanisk skanning. Experimentellaåteruppbyggnader bekräftar en upplösning på 0,6mm och korrekt identifiering av objekt separerade med endast 2mm, vilket visar på effekten av dispersionsanpassad design för högupplöst THz-avbildning.

Sammanfattningsvis visar avhandlingen hur kiselmikromekaniska högvinstantenner och passiv strålformning effektivt kan kombineras med maskininlärning och bredbandsavbildning för att hantera centrala begränsningar i sub-THz-system. De föreslagna komponenterna valideras i både kommunikations-och sensorsammanhang, och etablerar en solid grund för kompakta och skalbara THz-fronter.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-371159