Development and evaluation of a GaAs based 300 GHz module

Radar based technologies become increasingly important in security applications for today's connected industry and society. These systems can be used, e.g., as distance meters in a wide variety of tasks. Imaging systems can be build by utilizing a large number of radar modules. Millimeter waves, in contrast to conventional wavelengths, offer the advantage of being reflected by objects a few millimeters in size, while still being able to penetrate particle clouds. Higher frequencies in combination with the frequency modulated continuous wave radar technology have the ability to achieve very high resolutions. However, the construction of modules and the design of antennas becomes more and more laborious due to increasing accuracy demands. The goal of this thesis is to design and demonstrate the manufacture of the sub-terahertz antennas and the construction of individual modules for the same frequency range. Simulations of the antennas are presented in comparison to the experimental results. Several concepts are proposed for on-chip and off-chip antennas. Additionally, a fabrication process is introduced for the latter. Possible extension to increase the performance are discussed as well. For the final system, an extensive simulation tool has been developed which is used to review and investigate the signal's integrity. In parallel to the design process, selected simulations of the system follow, starting with the low input frequencies up to the high frequencies at the antenna. Finally, the system is equipped with a lens to improve the radiation characteristics and to protect the build-up from basic external influences. The development of the integrated circuits, as well as the evaluation electronics and algorithms, is not part of this work. However, the individual circuits utilized are described. Various measurements characterize the antennas and the finished modules. This thesis presents a novel antenna with two modules, a transmitter module and a radar module which can be used as front-end components. Due to their construction, they can be placed and used like regular packages on printed circuit boards.

Radarbasierte Sicherheitsanwendungen werden in der heutigen Gesellschaft immer wichtiger. Diese können beispielsweise als Abstandsmesser in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden. Bildgebende Systeme können durch eine große Anzahl von Radarmodulen aufgebaut werden. Millimeterwellen bieten im Gegensatz zu herkömmlichen längeren Wellenlängen den Vorteil, dass sie von Objekten, die wenige Millimetern groß sind, reflektiert werden und dennoch in der Lage sind, Partikelwolken zu durchdringen. Höhere Frequenzen in Kombination mit der frequenzmodulierten Dauerstrichradartechnologie haben dabei die Eigenschaft sehr hohe Auflösungen zu erzielen. Jedoch nimmt die Schwierigkeit des Aufbaus von Modulen und der Konstruktion von Antennen für höhere Frequenzen zu, diese wird bedingt durch die notwendige Genauigkeit. Das Ziel der Arbeit ist die Konstruktion und Demonstration der Herstellung von Antennen und vom Aufbau der Module. Es werden Simulationen der Antennen und die dazugehörigen Messungen dargestellt. Mehrere Konzepte für On-Chip- und Off-Chip-Antennen werden vorgeschlagen. Zusätzlich wird für letzteres ein Fertigungsprozess eingeführt. Mögliche Verbesserungen zur Performanz werden ebenfalls diskutiert. Für das System wurde ein umfangreiches Simulationsskript erstellt, welches zur Überprüfung und Untersuchung der Signalintegrität dienen soll. Parallel zum Entwurfsprozess folgen ausgewählte Simulationen des Systems, beginnend bei den niedrigen Eingangsfrequenzen bis hin zu den hohen Frequenzen an der Antenne. Das System wird schließlich mit einer Linse versehe, welche die Abstrahlcharakteristik verbessert und den Aufbau vor grundlegenden äußeren Einflüssen schützt. Die Entwicklung der integrierten Schaltungen sowie die Auswerteelektronik und -algorithmen ist dabei nicht Teil dieser Arbeit. Die einzelnen benutzten Schaltungen werden aber beschrieben. Diverse Messungen charakterisieren die Antennen und die fertigen Module. Am Ende stehen eine neuartige Antenne mit zwei Modulen zur Verfügung, ein Sendemodul und ein Radarmodul, die beliebig als Front-End-Komponenten eingesetzt werden können. Aufgrund der Bauweise können sie wie reguläre Chips auf Leiterplatten platziert und genutzt werden.