Modelling and characterization of the spoof surface plasmon polariton waveguides and reconfigurable components for terahertz integrated systems
Terahertz entegre sistemler için yapay yüzey plazmon polariton dalga kılavuzları ve ayarlanabilir bileşenlerin modellenmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 714909
- Danışmanlar: DOÇ. MEHMET ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 254
Özet
Ultra geniş bantlı iletişim, yüksek çözünürlük ve yüksek hareket kabiliyetine sahip sistemler geçtiğimiz 20-30 yıl süresince araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Özgün terahertz sistemleri ise saniyede birkaç Giga-Bit'in üzerine çıkan bant genişliği ve sağladığı milimetre skalasındaki çözünürlük ile ultra geniş bantlı iletişim ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme problemlerine çözüm olma potansiyeline sahiptir. Araştırmacılar yüksek oranda yüksek mobiliteye sahip terahertz sistemlerin geliştirilmesini mümkün kılan çip seviyesi terahertz devre çalışması sunmuş olsalar da geniş alan kaplayan, geleneksel düzlemsel terahertz dalga kılavuzlarının doğurduğu yüksek orandaki terahertz kaybından dolayı, güncel terahertz entegre devreleri gerçek zamanlı iletişim ve radar görüntüleme uygulamaların hedeflediği bit-hata-oranı (BHO), sinyal/gürültü oranı (SGO) ve algılanabilir gücün çok uzağında kalmaktadır. Geçtiğimiz 20 yılda, tek iletkenden geliştirilen Yapay Yüzey Plazmon Polariton Dalga Kılavuzları (YYPP DK) sahip oldukları elektromanyetik dalgayı çevrelerinde hapsedebilme ve düşük kayıplarından dolayı yüksek performanslı terahertz entegre devrelerin geliştirilmesini engelleyen sinyal bütünlüğü, kanallar arası etkileşim ve yüksek ışınım kayıplarını bastırabilme potansiyellerinden dolayı birçok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Dolayısıyla, bu tez üretimi kolay, yüksek performanslı terahertz entegre devrelerinin geliştirilmesine olanak sağlayabilme ihtimalinden dolayı, düzlemsel terahertz YYPP DK'larını (THz-YYPP DK) yüksek mobiliteye sahip terahertz sistemlerinin geliştirilmesine olanak sağlayabilecek terahertz entegre devreleri için sahip oldukları potansiyelden ötürü farklı yönlerden incelemeye adanmıştır. İlk olarak, literatürde düzlemsel THz-YYPP DK'larının efektif dielektrik sabiti için sunulan ilk matematiksel formülün geliştirilmesi ile başlanmıştır. Geliştirilen model 20 farklı devre için 0.25 – 0.3 THz bandında üç farklı frekansta üretim ölçüm sonuçları %3'ten düşük bir hata oranı ile teyit edilmiştir. Ardından bu formül 0.3 THz ve 1 THz'de 2-bit'lik faz kaydırıcıların geliştirilmesinde kullanılmıştır. 0.3 THz'de elde edilen ölçüm sonuçları, simülasyon ve ideal faz değerlerine göre sadece yaklaşık sıfır hata ile çalışmakla kalmamış, aynı zamanda sahip oldukları yüksek elektromanyetik dalgayı yanal düzlemde hapsedebilme özelliğiyle dar alanda devre geliştirilmesini sağlama potansiyeline sahip THz-YYPP DK'ları için ilk ölçüm sonucu ile elde edilen kanıt olmuştur. 1 THz'de geliştirilen faz kaydırıcı devresinin ölçümler ile teyit edilmesi ise yakın bir gelecekte sunulacaktır. Tezde terahertz faz kaydırıcılara ek olarak, 7.15 GHz'de geliştirilen 2-bit'lik bir faz kaydırıcı ise matematiksel denklemler yardımıyla tasarımı hedefleyen yaklaşımı öz mod simülasyonları ile elde edilen sonuçların ölçüm sonuçlarına göre hata oranlarının karşılaştırılarak sınanmasını sağlamıştır. Hata oranlarının çok yakın çıkması da tezde önerilen matematiksel hesaplara dayalı çözüm yönteminin ise öz mod simülasyonlarının gerektirdiği uzun simülasyon zamanlarını göz önüne alınca avantajını ortaya koymaktadır. Tezde ayrıca THz-YYPP DK'larının gerçek potansiyelini araştırmak amacıyla birim-mesafedeki-kayıp oranı sınanmış ve düzlemsel terahertz dalga kılavuzları arasında incelenmiştir. Elde edilen ölçüm sonuçları sadece rekor seviyedeki düşük birim-mesafedeki-kayıp oranına ulaşmakla kalmamıştır, ayrıca rekor seviyede yükseklikteki (°/dB) performansını yakalamıştır. Tüm bunların ötesinde, elde edilen sonuçlar incelenerek hiçbir ön hazırlık simülasyonu gerektirmeyen matematiksel hesaplara dayalı sistematik bir metot ile optimum performans ile çalışmak üzere THz-YYPP DK seçimini sağlayan bir yaklaşım önerilmiştir. Önerilen metot farklı boyutlara sahip YYPP DK'larının dispersiyon diyagramlarının hesabını ve birbiri ile karşılaştırılmasını temel almaktadır. Bunların yanında, tezde bütün YYPP DK'ları için ilk defa olarak mod çeviricilerin, yani geleneksel dalga kılavuzları ile YYPP DK'ları arasındaki geçişin matematiksel hesaplara dayalı tasarımı, ölçüm amacıyla eş düzlemsel dalga kılavuzu için sunulmaktadır. Tez de sunulan efektif dielektrik sabiti formülünün de kullanılmasıyla, giriş ve çıkışlarındaki kılavuzlu-dalga numaralarının bilinmesi durumunda, geçişlerdeki her bir oluğun boyutlarının hesabı mümkün olmaktadır. Ayrıca, tezde THz-YYPP antenlerin boyutları ile kılavuzlu-dalga boyu arasındaki ilişki incelenmiştir ve elde edilen sonuçların gelecekte yüksek performanslı THz-YYPP antenlerin geliştirilmesine olanak sağlayacağı beklenilmektedir. Ek olarak, 1 THz'de fotonik entegre devrelerde sıklıkla kullanılan bir grup devre tasarlanmıştır. Bu devreler THz-YYPP DK bükümleri, bölücüler ve Mach-Zehnder-İnterferometresidir ve bu devrelerin ölçüm sonuçlarının yakın bir gelecekte sunulması hedeflenmektedir. Yukarıda bahsedilen tüm teorik çalışmalar ve uygulamaların yanında, adaptif sistemlerin geliştirilebilmesine olanak sağlayan nano elektromekanik sistem (NEMS) teknolojisi ile kontrol edilebilen THz-YYPP gecikme hatları tasarlanmış ve üretimi tamamlanmıştır. Üretimi tamamlanan gecikme devreleri 0.3 THz'de 1-bit'lik 90° faz kaydırıcı işlemini gerçekleştirecektir. NEMS ile kontrol edilebilir THz-YYPP gecikme hatlarının ölçümlerinin yakın bir gelecekte literatüre sunulması hedeflenmektedir.
Özet (Çeviri)
The demand in ultrawideband (UWB) communications, high-resolution imaging, and high-mobility systems attracted interest of researchers in the last decades. The novel terahertz technologies have the potential for solving UWB communications and high-resolution imaging problems providing a bandwidth wider than a few Giga-Bit-per-Second and a resolution in milli-meter scale. In spite of the fact that the researchers have presented a high number of on-chip terahertz circuit solutions, which enable the development of highly-mobile terahertz systems, the severe terahertz attenuation that the integrated circuits experience due to the lossy and large scale conventional planar terahertz waveguides, the state-of-the-art terahertz integrated circuit technology is far behind the industrial standards which are crucial for demonstration of a high-performance wireless network with high bit-error-ratio (BER), signal-to-noise ratio (SNR), and detectable power in long-range wireless data transmission for communications or radar imaging applications. In the last two decades, the Spoof Surface Plasmon Polaritons waveguides (SSPP WGs), which are single-conductor waveguides attracted interest of researchers with their high electromagnetic wave confinement and low loss properties as a potential solution for overcoming signal integrity, interchannel interference, and high radiation loss challenges that tackle the high-performance terahertz integrated circuits. This thesis work is dedicated to examining the planar terahertz SSPP WGs (SSPP WGs), which are easy to fabricate, in different aspects to investigate their potential for high-performance terahertz integrated circuits, that may enable novel, high-mobility terahertz systems. First, the first example of a closed-form mathematical formulation of the effective dielectric constant for the planar SSPP WGs in the literature is presented. The proposed mathematical model reaches an error rate lower than 20 different devices at three different frequencies at the frequency band of 0.25 to 0.3 THz with respect to the measurement results. The formulation is also employed for a rapid demonstration of a 2-bit terahertz phase-shifter at 0.3 THz and 1 THz. The measurement results at 0.3 THz not only reaches a near zero error rate between the measurements, simulations, and the ideal phase-states of the proposed phase-shifter, but also can be considered to be the first measurement-based evidence for the SSPP WGs providing high lateral confinement and hence occupation of smaller chip area. The experimental verification of the 2-bit SSPP phase-shifter at 1 THz will be presented in a near future. The thesis also examines the performance of the proposed idea that employs the closed form mathematical formulation in the design in comparison with the performance of eigenmode simulations at 7.15 GHz. The proposed designs show that the proposed mathematical calculation-based design approach and eigenmode analysis result in a very close error rate with each other verifying that the proposed idea is superior over the time consuming eigenmode simulations. The thesis work also examines the SSPP WGs to investigate their real-potential for minimizing the insertion-loss-per-unit-length for a planar terahertz waveguide. The proposed results not only achieved the record-low-insertion-loss-per-unit-length but also the record-high-figure-of-merit, i.e., (°/dB) performance in accordance with the measurement data. Above all, the proposed results are also employed for developing a systematic methodology without needing any preliminary simulation for selecting the SSPP WG dimensions for optimum performance. The algorithm is based on entirely mathematical calculations of the dispersion diagrams of different SSPP WGs and comparison with each other. The thesis also introduces the first-time mathematical calculation-based design approach of the mode-converters, namely the transitions between the conventional waveguides, the coplanar waveguide for measurement purposes for this case. The proposed results show that the calculation of the guided-wavenumbers at the input and the output of the transition enables the determining the corrugation dimensions by using the effective dielectric constant formulation for a tapered conversion of the guided-wavenumber from input to the output of the transition. Furthermore, the thesis work also investigates the relationship between the dimensions of an SSPP antenna and the guided-wavelength at the frequency of operation and preliminary results are presented paving way to the further analysis on the SSPP antennas with higher performance. Additionally, a group of fundamental circuits that are commonly employed in photonic integrated circuits is presented. The proposed designs include SSPP WG bending circuits, power splitters, and a Mach-Zehnder-Interferometer at 1 THz, whose measurement results are expected to be presented in a near future. In addition to all the above-mentioned theory and applications, the nano-electro-mechanical-system (NEMS) reconfigurable SSPP delay lines are designed and fabricated for demonstrating a 1-bit 90° phase-shifter at 0.3 THz, which is real-time controllable for demonstrating adaptive systems. The measurement results of the NEMS reconfigurable SSPP delay lines are expected to present in a near future.
Benzer Tezler
- Design, characterization, and optimization of terahertz spoof surface plasmon polariton waveguides and transitions
Terahertz sahte yüzey plazmon polariton dalgakılavuzları ve geçişlerinin tasarımı, karakterizasyonu ve optimizasyonu
GÜLAY ÖZŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ÜNLÜ
- Modelling and characterization of porous fabric reinforcement permeability and compressibility in composite materials manufacturing
Kompozit malzeme imalatında gözenekli kumaş takviye geçirgenliği ve sıkıştırılabilirliğinin modellenmesi ve karakterizasyonu
DENİZ SAYINBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCÜMENT MURAT SÖZER
- Channel modelling and characterization for visible light communications
Görülebilir ışık haberleşmesi için kanal modelleme ve karakterizasyonu
ELHAM SARBAZİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. MURAT UYSAL
- Modelling and characterization of a solenoid as a proportional actuator
Solenoidin oransal eyleyici olarak modellenmesi ve karakterizastonu
CAVİT ÇAĞRI ÖZKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NEZİH TOPALOĞLU