Resumen de Study and develpment of technologies for telecommunicatio systems at terahertz frequencies: applications to imaging systems at Band 90GHz-100GHz
- español
La radiación electromagnética de Terahercios (desde 0.1 THz hasta 10 THz), que se sitúa en la región limítrofe entre las frecuencias de microondas y el infrarrojo, ha suscitado un gran interés en los últimos años debido a sus interesantes y destacables propiedades. Este rango de frecuencias destaca por su gran capacidad de penetración en materiales no conductores (ropa, papel, cartón y plásticos) con una baja atenuación, obteniendo una alta resolución en técnicas de Imaging, además de ofrecer mayor resolución que otras frecuencias inferiores, de acuerdo con su menor longitud de onda. Un aspecto muy importante a tener en cuenta, es que a pesar de encontrarnos en frecuencias elevadas, se trata de una energía no ionizante, por lo que no es perjudicial para la salud de los seres humanos.
Existen numerosas aplicaciones a frecuencias de Terahercios y haciendo uso de la propiedad de reflejar la radiación emitida al chocar con metales, surgen aplicaciones relacionadas con la seguridad de las personas, tales como sistemas de “Imaging” para detección de armas ocultas bajo la ropa.
El trabajo presentado es esta tesis se enfocará en las tecnologías necesarias para el desarrollo de dicha aplicación y su objetivo principal es adquirir el conocimiento y la experiencia necesarios sobre las frecuencias de Terahercios para poner estas tecnologías a disposición del sistema I+D+i a nivel nacional, haciendo aportaciones a su evolución y desarrollo.
Cabe destacar que, en estas elevadas frecuencias, existen varias limitaciones tecnológicas tales como: las dimensiones reducidas de los circuitos debido a la pequeña longitud de onda, un número limitado de empresas que ofrezcan componentes en estas bandas y las limitaciones en equipos en términos de coste elevado, mayor rendimiento y una precisión más exigente. Todas estas restricciones hacen más complejo el desarrollo de sistemas a estas frecuencias comparado con frecuencias más bajas de microondas. Por este motivo el trabajo ha contribuido al avance y la extensión de los rangos frecuenciales cubiertos hasta ahora por las tecnologías de fabricación y medida con las que se tenía experiencia en nuestro grupo de investigación, llevándonos a cubrir la banda W, puerta de los Terahercios.
Centrándonos en el trabajo en la banda W, comprendida entre 75 y 110 GHz, se ha realizado una comparativa entre dos tipos de sistemas de Imaging, activos y pasivos, analizando sus parámetros característicos. Y para ello, se han llevado a cabo estudios sobre las tecnologías disponibles y se han desarrollado los diseños de estructuras y circuitos necesarios para implementarlos. Así, se han caracterizado e integrado en montajes con accesos en guía de onda de amplificadores de bajo ruido, de media potencia, detectores de RF y radiómetro de potencia total combinando los anteriores. Se han diseñado y fabricado un filtro de líneas acopladas, así como diferentes versiones de detectores basados en un diodo zero bias, el cual ha sido previamente modelado. Además se ha modelado el ruido en baja frecuencia de diodos que forman parte de detectores ya disponibles en más baja frecuencia, como paso previo para hacerlo después en banda W.
Para tener una perspectiva de sistema, más allá de los componentes individuales, se han llevado a cabo algunos experimentos sencillos para evaluar la fiabilidad de los procedimientos de simulación EM de los escenarios de obtención de imágenes y su interacción con simulaciones de circuitos y sistemas.
- English
Terahertz electromagnetic radiation (from 0.1 THz up op 10 THz) lies in the boundary region between microwave frequencies and infrared and has attracted a great deal of attention in recent years due to all its interesting and remarkable properties. This frequency range is notable for its ability to penetrate non-conductive materials (clothes, paper, cardboard and plastics) with low attenuation, providing a high resolution in imaging techniques, in addition to offering higher resolution than other lower frequencies according to their lower wavelength. A very important aspect to take into account is that, despite being at high frequencies, it is a non-ionizing energy, so it is not harmful to the health of humans.
There are numerous applications at Terahertz frequencies, for example making use of their property to be reflected after hitting with metals, arise applications related to people security, such as imaging systems for detection of concealed weapons under clothes.
The work presented is this thesis will be focused in the technologies required for this application and its main objective is to acquire the necessary knowledge and experience on Terahertz frequencies to make these technologies available to the national R&D&I system, contributing to its development and evolution.
It is remarkable to say that in these high frequencies there are several technology limitations such as: the reduced dimensions of the circuits due to the small wavelength, a very limited number of companies offering components in these bands and limitations in manufacturing and measuring equipment in terms of high cost, higher performance and demanded accuracy. All this restrictions make more complex the development of systems at these frequencies compared to lower frequencies. This work has contributed to extend the previous background of our research group from lower microwave frequencies to reach the W band, starting point of the Terahertz range.
Focusing the work in W band which ranges from 75 up to 110 GHz, a comparison between two types of active and passive Imaging systems has been done, analyzing their characteristic parameters. For that, studies have been carried out on the available technologies and several designs of structures and circuits necessary to implement them have been developed. Thus, low noise amplifiers, medium power amplifier, RF power detectors and total power radiometer combining the previous ones have been characterized and integrated in waveguide assemblies. A coupled microstrip band pass filter has been designed and manufactured, as well as different versions of detectors based on a zero bias diode, which has been previously modeled. In addition, it has been modeled the low frequency noise of diodes part of already available detectors in lower frequency, as a preliminary step to afford later the same task in W band detectors.
To have a system perspective, beyond the individual components, some basic experiments have been carried out to evaluate reliability of EM simulation procedures of imaging scenarios and its connection to circuit and system simulations.
