Silicon micromachinable slotted waveguide antenna for sub-THz applications

Driven by the continuous increase of wireless data traffic in the currently used electromagnetic spectrum and the desperate need for more bandwidth availability, a constant tendency to go towards higher frequencies is observed. However, due to the technological challenges faced in the past, the terahertz spectrum has remained largely unexploited, earning the epithet of "THz gap". Thanks to recent advancements in research, it is now possible to exploit it in various fields, first and foremost high data-rate communication systems. In particular, D band has been investigated for the impending standardization of the sub-THz spectrum and is expected to play a key role in the near future. To overcome the free space loss suffered by the signal, though, high-gain antennas are necessary. In this thesis we presents the design of a 16×16 slotted waveguide antenna array for D band with a gain of 30 dBi and broadside radiation. The task has been carried out with the aid of the electromagnetic simulation software Ansys HFSS. Forecasting a major demand of THz devices in the future, the structure has been made compatible with silicon micromachining. It is a parallel manufacturing technique, borrowed from the field of MEMS, which is able to pattern complex waveguide circuits with excellent product uniformity and dimensional accuracy, at a lower cost than high precision milling. The operational range of the definitive design is comprised between 144.7 GHz and 161.7 GHz, corresponding to a fractional bandwidth of slightly more than 10 %. Only five wafer layers and eight lithographic masks are needed to pattern the whole antenna and its input port, which is compatible with a standard WR6 waveguide flange.

Spinti dal continuo aumento del traffico di dati wireless nello spettro elettromagnetico attualmente utilizzato e il disperato bisogno di una maggiore disponibilità di banda, si osserva una costante tendenza ad andare verso frequenze più elevate. Tuttavia, a causa delle sfide tecnologiche affrontate in passato, lo spettro dei terahertz è rimasto in gran parte inutilizzato, guadagnando l’epiteto di "THz gap". Grazie ai recenti progressi della ricerca, è ora possibile sfruttarlo in vari campi, primo fra tutti i sistemi di comunicazione ad alto data-rate. In particolare, la banda D è stata studiata per l’imminente standardizzazione dello spettro sub-THz e si prevede che giocherà un ruolo chiave nel prossimo futuro. Anche se, per superare l’importante attenuazione in spazio libero subita dal segnale, sono necessarie antenne ad alto guadagno. Questa tesi presenta la progettazione di un antenna array 16×16 di tipo slotted waveguide per la banda D con un guadagno di 30 dBi e radiazione broadside. Il lavoro è stato svolto con l’aiuto del software di simulazione elettromagnetica Ansys HFSS. In previsione di una grande richiesta di dispositivi THz in futuro, la struttura è stata resa compatibile con la microlavorazione del silicio. Si tratta di una tecnica di fabbricazione parallela, presa in prestito dal campo dei MEMS, che è in grado di definire complessi circuiti a guida d’onda con un’eccellente uniformità di prodotto e accuratezza dimensionale, a un costo inferiore rispetto alla fresatura di alta precisione. Il range operativo del design definitivo è compreso tra 144.7 GHz e 161.7 GHz, corrispondente a una larghezza di banda frazionaria di un po’ più del 10 %. Servono solo cinque strati di wafer e otto maschere litografiche per definire l’intera antenna e la sua porta di ingresso, che è compatibile con una flangia di guida standard WR6.