In this modern age of information, the demands on data transmission networks for greater capacity, and mobile accessibility are increasing drastically. The increasing demand for mobile access is evidenced by the proliferation of wireless systems such as mobile phone networks and wireless local area networks (WLANs). The frequency range over which an oxygen resonance occurs in the atmosphere (~58-62 GHz) has received recent attention as a possible candidate for secure high-speed wireless data networks with a potentially high degree of frequency reuse. A significant challenge in implementing data networks at 60 GHz is the manufacture of low-cost RF transceivers capable of satisfying the system requirements. In order to produce transceivers that meet the additional demands of high-volume, mobility, and compactness, monolithic millimeter wave integrated circuits (MMICs) offer the most practical solution. In the design of radio tranceivers with a high degree of integration, the receiver front-end is typically the most critical component to overall system performance. High-performance low-noise amplifiers (LNAs) are now realizable at frequencies in excess of 100 GHz, and a wide variety of mixer topologies are available that are capable of downconversion from 60 GHz. However, local oscillators (LOs) capable of providing adequate output power at mm-wave frequencies remain bulky and expensive. There are several techniques that allow the use of a lower frequency microwave LO to achieve the same RF downconversion. One of these is to employ a subharmonic mixer. In this case, a lower frequency LO is applied and the RF mixes with a harmonic multiple of the LO signal to produce the desired intermediate frequency (IF). The work presented in this thesis will focus on the development of a GaAs MMIC 4-X subharmonic mixer in Finite Ground Coplanar (FGC) technology for operation at 60 GHz. The mixer topology is based on an antiparallel Schottky diode pair. A discussion of the mechanisms behind the operation of this circuit and the methods of practical implementation is presented. The FGC transmission lines and passive tuning structures used in mixer implementation are characterized with full-wave electromagnetic simulation software and 2-port vector network analyzer measurements. A characterization of mixer performance is obtained through simulations and measurement. The viability of this circuit as an alternative to other high-frequency downconversion schemes is discussed. The performance of the actual fabricated MMIC is presented and compared to currently available 60 GHz mixers. One particular MMIC design exhibits an 11.3 dB conversion loss at an RF of 58.5 GHz, an LO frequency of 14.0 GHz, and an IF of 2.5 GHz. This represents excellent performance for a 4X Schottky diode mixer at these frequencies. Finally, recommendations toward future research directions in this area are made. / Master of Science

Avec l'ouverture de la bande 57-66 GHz en Europe, de nouvelles technologies de communication sans fil à haut débit sont en cours de développement. De nombreux avantages liés à cette bande de fréquence ont notamment conduit à envisager la transposition du principe de l'identification par radiofréquence (RFID) en bande millimétrique : la MMID. Les réglementations internationales font notamment apparaître une bande passante commune de 5 GHz qui permettrait la mise en place de solutions universelles. De plus la sécurisation des communications point-à-point et la directivité des réseaux d'antennes offrent des perspectives intéressantes.Les travaux présentés dans cette thèse visent à contribuer au développement de la MMID. Ils soulignent les principaux verrous de cette technologie et présentent les différentes solutions proposées qui couvrent de multiples aspects : conception d'antennes et de réseaux d'antennes, conception de prototypes de tags MMID passifs, caractérisation et méthodologie de mesure dont la conception intégrale d'un banc de mesure en bande V, amélioration des performances des tags, et étude de fonctionnalités de capteur intégrées aux tags. Les différents prototypes de tags MMID fabriqués ont permis de réaliser des communications passives de type rétro-modulation jusqu'à 20 cm. De plus, des fonctions de capteur d'humidité et capteur de pression intégrées aux tags MMID ont été montrées expérimentalement. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour les domaines des télécommunications et des réseaux de capteurs en bande millimétrique. / With the opening of the 57-66 GHz band in Europe, new high data-rate wireless communication technologies are currently under development. Numerous advantages linked to the frequency band conducted to consider the transposition of the radiofrequency identificaion (RFID) principle to the millimeter frequency band: the MMID. The international regulations provide a common bandwidth of 5 GHz allowing universal solutions. Moreover, the communication security of point-to-point networks and the directivities of the antennas present interesting perspectives.The presented work in this thesis looks for contributing to the development of MMID. The work underlines the principal locks of this technology and it presents the different proposed solutions covering multiple aspects: conception of antennas and antennas arrays, conception of MMID tags prototypes, characterization and measurement methodology including the complete conception of a measurement bench in V-band, improvement of the tags performances and study of sensing functionalities integrated in the tags. Different prototypes of MMID tags are fabricated and passive communications based on the backscattering of the tags were demonstrated up to 20 cm. In addition, humidity and pressure sensing functionalities were proved by experimentations. The overall of these results pave the way for new perspectives for the wireless communication domain and sensors networks in the millimeter-wave band.

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. / Berenguer Verdú, AJ. (2017). Analysis and design of efficient passive components for the millimeter-wave and THz bands [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84004