Diseño y modelado de guías de onda coplanares para aplicaciones en comunicaciones en el dominio terahertz.

Abstract

El primer capítulo del presente trabajo describe la teoría de base acerca del funcionamiento de las guías de onda y de las líneas de transmisión. Una de las innovaciones de este trabajo es que se utiliza como substrato el polímero TOPAS. Enseguida se analizan los diferentes tipos de guías de onda utilizadas comúnmente en aplicaciones de altas frecuencias para llegar a la introducción de la teoría de las guías de onda coplanares y sus principales características y aspectos a considerar para su diseño. Posteriormente se presenta el estado del arte de los últimos años correspondiente a las pérdidas totales para distintos tipos de guías de onda en el dominio Terahertz. También se describe el estudio de caracterización de la función dieléctrica del TOPAS -(f)- por medio de espectroscopía Terahertz en el dominio del tiempo (THz-TDS). Estos datos son fundamentales ya que aseguran que el modelado sea apropiado. El segundo capítulo detalla la optimización de guías de onda coplanares (CPW) en el dominio Terahertz (THz) para minimizar sus pérdidas. Igualmente el capítulo 2 explica brevemente el funcionamiento del software de simulación electromagnética CST Studio y se describen los distintos tipos de solucionadores que ofrece dicho software y sus respectivas características. También se detalla una breve guía de cómo se debe configurar el espacio de trabajo dentro del software para poder realizar las simulaciones de forma adecuada y la importancia que tiene la definición de los puertos de excitación de la CPW. En este capítulo también se describe el proceso de modelado y obtención de pérdidas totales de una CPW. En el tercer capítulo se realiza una comparación entre dos distintas técnicas de obtención de pérdidas totales en CST Studio, de las cuales la segunda permite realizar el estudio de las CPW en frecuencias de 0.02 a 1.5 THz. En este capítulo también se presentan los niveles de pérdidas de 4 CPW diseñadas para ser físicamente compatibles con sondas de medición de equipos analizadores vectoriales de redes (VNA por sus siglas en inglés), esto quiere decir que no será necesario agregar adaptadores entre las sondas de medición y las placas metálicas de dichas CPW cuando se realicen las mediciones experimentales una vez construidas. Así mismo se realiza una optimización geométrica de la CPW variando la separación entre la placa central y las laterales. En el cuarto y último capítulo se presentan las conclusiones finales de este trabajo y se describen los trabajos que se pueden realizar a futuro tomando como punto de partida los resultados obtenidos en esta tesis. The first chapter of this work describes the base theory about the waveguides and transmission lines performance. One of the innovations of this work is that the polymer TOPAS is used as substrate. Then the different types of the commonly used waveguides in high frequency applications are analyzed to get to the introduction of the coplanar waveguides theory and its main characteristics and design considerations. After that, a state of the art of the last year is presented, corresponding to total losses for different types of waveguides in the Terahertz domain. The study of the TOPAS dielectric function characterization -(f)- by Terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) is also described. This information is fundamental do to it assures a appropriate modeling. The second chapter gives the details of the optimization of coplanar waveguides (CPW) in the Terahertz domain (THz) to minimize their losses. This chapter also explains briefly the electromagnetic simulation software CST Studio performance, its different solvers and their and their respective characteristics. It is also detailed a brief guide of how the workspace has to be configured in the software to carry out an appropriate modeling and the importance of the CPW’s excitation wave ports setup. In this chapter the modeling and the CPW’s total losses obtaining processes are also described. In the third chapter a comparison of the obtained results in the CST is done and an option to improve the total losses obtaining technique that allows to do the study of CPW at frequencies from 0.02 to 1.5 THz is shown. In this chapter there is also a comparison of the losses of 4 different CPW designed to be physically compatible with measuring probes of vector network analyzers (VNA). Likewise a geometric optimization of the CPW varying the spacing between the central and side strips is presented. In the fourth and final chapter the final conclusions of this work are presented and there is a description of the works that can be done in the future taking as start point the results obtained in this work.