Frequency reconfigurable terahertz sources using nano-actuators
Nano-anahtarlama yöntemi ile frekansı ayarlanabilir terahertz kaynaklar
- Tez No: 739021
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Terahertz teknolojisi, diğer teknolojilere kıyasla sahip olduğu üstün özellikleri sayesinde algılama, yüksek-hızlı haberleşme, görüntüleme ve spektroskopi gibi birçok alanda yeni çözüm imkanları sağlamaktadır. Eşi benzeri olmayan uygulama alanları ile terahertz teknolojisi, kullanım alanlarını daha da güçlendirecek ve başka alanlara uygulanabilmesi için yeni imkânlar doğuracak, yeni yüksek performansı komponentlere ihtiyaç duymaktadır. Terahertz kaynak ve detektörler bu anlamda büyük rol oynamaktadır. Terahertz sinyal üretimi ve tespiti amacıyla kullanılan çeşitli kaynak ve detektörler arasından foto-iletken antenler, foto-karıştırıcılar ve bunların dizi-anten versiyonları önemli yere sahiptir. Fakat, sınırlı çıkış gücü seviyelerine sahip olmaları sebebiyle kullanım alanları sınırlı kalmaktadır ve bu anlamda geliştirilmelerine ihtiyaç bulunmaktadır. Her ne kadar son on yılda yarı-iletken malzeme teknolojisinde meydana gelen gelişmeler sayesinde ve anten besleme bölgesinde gerçekleştirilen yenilikler sayesinde büyük yol alınmış olsa da optik-terahertz dönüşüm verimliliğinin ve anten-kaynak empedans uyumu verimliliğinin düşük olması sebebiyle performansları hala düşük seviyelerdedir. Bu nedenle, söz konusu antenlerin çalışma ve ışıma özelliklerinin doğru bir şekilde karakterize edilmeleri ve daha iyi bir performans için optimizasyon çalışmalarının yapılması ihtiyacı vardır. Bu tez çalışmasında, çeşitli terahertz foto-iletken ve foto-karıştırıcı anten tasarımları incelenmiş, analiz edilmiş ve benzer özellikte antenler tasarlanarak üretim işlemleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra üretilen antenlerin zaman-tanımlı terahertz spektroskopi ölçüm yöntemi kullanılarak karakterize edilmiştir. Ölçümleri geçekleştirilen geniş ve dar bant özellikli antenlerden elde edilen sonuçlar ışığında, foto-karıştırıcı antenler için nano-elektriksel-mekanik (NEMS) anahtarlama yöntemiyle elektriksel uzunluklarının değiştirilerek rezonans frekanslarının değişimini sağlayan ve bu şekilde çalışma frekans kontrolü imkânı sunan yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Ayrıca, yarı-sonsuz yalıtkan üzerinde kullanılan katlı-çift kutuplu antenlerin giriş empedans performanslarını 3 THz'e kadar çok geniş bir bantta doğru bir şekilde hesaplayabilen analitik modelleme geliştirilmesi yapılmış ve sonuçlar HFSS elektromanyetik simülasyonları ile doğrulanmıştır. NEMS anahtarlar ile elektriksel uzunluğu ayarlanabilen iki tipte rezonant anten tasarımı gerçekleştirilmiştir: çift-kutuplu anten ve katlı-çift kutuplu anten. Ayarlanabilir katlı çift-kutuplu anten, ayarlanabilir çift kutuplu antene göre daha yüksek bir ışıma direncine sahiptir ve bu özelliği sebebiyle çift kutuplu antenin geliştirilmiş bir versiyonu olarak tasarlanmıştır. NEMS anahtarlar frekansı ayarlanabilir çift-kutuplu ve katlı-çift kutuplu anten boyutlarına uygun olarak tasarlanmıştır. NEMS anahtarlar, antenlerin farklı frekanslardaki rezonans modlarına ait performansını etkilemeyecek şekilde çalışabilmesi için gerekli olan mekanik, elektromekanik ve elektromanyetik isterleri sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. NEMS anahtarların anten üzerindeki yön ve pozisyonları ile anahtarlama amacıyla kullanılacak olan aktivasyon pedi ölçüleri ve pede bağlı besleme hatlarının özellikleri ile antene bağlantı noktalarının konumları anten performansına minimum etki edecek şekilde optimize edilmiştir. NEMS anahtarların konumunu belirleyen en önemli parametre, NEMS konumlarının ayarlanan modlardaki elektriksel uzunlukları belirleyerek antenlerin çalışma frekanslarını belirliyor olmasıdır. NEMS aktivasyonu için kullanılan anahtarlama hatlarından ayrı olarak foto-karıştırıcı ve foto-iletken antenlerin çalışması için de anten kollarına DC besleme uygulanması gerekmektedir. Foto-karıştırıcı tasarımları için kullanılan besleme hatlarının tasarımları ve anten üzerindeki konumları da antenlerin çalışma frekanslarındaki performansları üzerinde minimum etki edecek şekilde optimize edilmiştir. Bütün besleme hatları, hat üzerinde oluşabilecek ışımayı engellemek amacıyla, çalışma frekansındaki λ/10 aralıklarla periyodik olarak yüksek dirençli silikon-krom alaşım ile yüklenmiştir. Tasarımları tamamlanan foto-karıştırıcı antenlerin ON ve OFF konumlarına denk gelen ideal durumdaki NEMS-siz tasarımları, tek frekansta çalışan foto-karıştırıcı anten tasarımları ve geniş bantlı foto-iletken anten tasarımları 3" LT-GaAs substrat çeyrek parçası üzerine üretilmişlerdir. Substrat üzerine üretimleri tamamlanan antenler daha sonra ölçüm sistemi üzerine monte edilecek PCB tasarımı üzerine yapıştırılmak üzere 2×2 ve 4×4 mm^2 ebatlarındaki küçük çipler halinde kesilmişlerdir. Ölçüm sistemine yerleştirilen PCB üzerine yapıştırılan antenler terahertz zaman-tanımlı spektroskopi kullanılarak karakterize edilmiş ve ölçüm sonucunda elde edilen ışıma bilgisi ile elektromanyetik simülasyon sonuçları karşılaştırılarak antenin frekansa bağlı ışıma performansı ile frekansa bağlı simülasyon davranışı ilişkilendirilmiştir. Frekansı ayarlanabilir katlı-çift kutuplu foto-karıştırıcı 200 ve 450 GHz ile 780 GHz arasındaki üç rezonans modu arasında anahtarlanabilirken; ayarlanabilir çift-kutuplu foto-karıştırıcı 290 ve 550 GHz arasındaki iki rezonans mod arasında anahtarlanabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Terahertz technologies, due to their unique functionalities, have been offering novel solutions for sensing, high-speed communication, imaging, and spectroscopy in the last two decades. The unprecedented applications of terahertz require high-performance components to accomplish the expected performance of the state-of-the-art terahertz systems and diversify them into new areas where sources and detectors play a critical role. Among various sources and detectors used in terahertz, photoconductive antennas, photomixers, and the arrayed forms of them are very common elements preferred for the generation and detection of terahertz signals. However, output power limitations of these devices still need more progress for them to be used more effectively. Although a considerable progress has been made by the improvements in semiconductor technology and the manipulations inside the antenna active region in the last decade, low efficiency of the terahertz generation due to the low optical-to-terahertz conversion and antenna-to-source matching efficiencies are still a research problem. Thus, they must be characterized accurately for their operation and radiation properties to further improve and optimize the system performance. In this thesis work, various types of terahertz photoconductive antenna and photomixer designs have been investigated, analyzed, fabricated, and characterization results are given obtained using a time-domain spectroscopy system. With the observed performances of the fabricated narrow-band and wide-band antennas, a new approach is proposed for photomixers which helps them to operate at multiple operation frequencies by changing the electrical length of the resonator with the actuation of integrated NEMS switches. Furthermore, the thesis provides a solid theoretical analysis for the folded dipole antenna on a semi-infinite dielectric which arrives an analytical expression for the input impedance. The analytical model is verified with the HFSS electromagnetic (EM) simulations and showed validity up to 3 THz. There are two types of resonant antennas designed for frequency reconfiguration with NEMS switches: reconfigurable dipole and reconfigurable folded dipole. The folded dipole antenna is an improved version of the reconfigurable dipole antenna with a higher radiation resistance. Increased radiation resistance is needed for a better impedance matching to high source resistance photomixer. NEMS switches are specially designed to be compatible with the designed reconfigurable dipole and reconfigurable folded dipole antenna geometries. They meet the needed mechanical, electrostatic, and electromagnetic specifications for the proper operation of antennas at multiple resonant modes without disturbing the antenna performance. The directions and positions of the NEMS switches on the antennas, the dimensions and positions of the actuation pads and the bias line connection points to the actuation pads are optimized to make them have a negligible effect on the antenna performance. The main parameter determining the positions of the NEMS switches on the antenna is that their positions determine the operation frequencies of the antennas by determining the electrical lengths at modes. Apart from the bias lines used for the actuation of the NEMS switches, the antenna DC bias lines are needed for the operation of the photomixer and photoconductive antennas. The design and positions of the antenna DC bias lines for the designed photomixers are also optimized to have minimum effect on the antenna performance. The bias lines are loaded periodically with high resistance silicon-chromium alloy at a period of λ/10 at the operation frequency to prevent them to operate as a part of the radiating element. The ideal ON- and OFF-state forms of designed reconfigurable terahertz photomixers without NEMS switches, single-frequency photomixer designs, and wide-band photoconductive antenna designs have been fabricated on a quarter piece of 3" GaAs substrate. After the fabrication of antennas on LT-GaAs substrate is complete, the wafer is diced into small chips with sizes 2×2 and 4×4 mm2 to fixate on specially-designed PCBs which is to be mounted on measurement system. The mounted PCBs are characterized by using terahertz time-domain spectrometry (THz-TDS) system and the obtained frequency dependent results are compared with the electromagnetic simulation results to understand the relation between the frequency dependent behavior in the design model and radiation performance in the measurement. While the reconfigurable folded dipole photomixer design can be switched between resonant modes of 200, 450 MHz and 780GHz; the reconfigurable dipole antenna can be switches between 290 GHz and 550 GHz resonance modes.
Benzer Tezler
- From media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions
Ortam-tabanlı modülasyon'dan uyarlanabilir akıllı yüzeylere: Özgün indis modülasyon çözümleri
ZEHRA YİĞİT
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks
İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri
AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- 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
MUHAMMED ABDULLAH UNUTMAZ
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. MEHMET ÜNLÜ
- Graphene-based electrically tunable terahertz optoelectronics
Grafen-tabanlı elektrik ayarlı terahertz optoelektroniği
NURBEK KAKENOV
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. COŞKUN KOCABAŞ
- Modeling and characterization of a propagation channel for terahertz wireless communications
Terahertz kablosuz haberleşme için yayılım kanalının modellenmesi ve karakterizasyonu
KÜRŞAT TEKBIYIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT