Introduction to Terahertz Electronics

Preface......Page 6
Acknowledgments......Page 8
Contents......Page 9
About the Author......Page 12
1.1 Terahertz Band......Page 14
1.2 Properties of THz Waves......Page 19
1.3 Approaches to THz Systems......Page 22
1.3.1 Approaches to THz Signal Generation......Page 24
1.3.2 Approaches to THz Signal Detection......Page 26
1.4 THz Applications......Page 28
References......Page 30
2.1 Vacuum Device Sources......Page 31
2.1.1 Klystrons......Page 32
2.1.2 Traveling-Wave Tubes (TWTs)......Page 35
2.1.3 Backward Wave Oscillators (BWOs)......Page 38
2.1.4 Gyrotrons......Page 39
2.1.5 Free Electron Lasers (FELs)......Page 41
2.1.6 Magnetrons......Page 43
2.2 Diode Sources......Page 44
2.2.1 Gunn Diodes......Page 45
2.2.2 IMPATT Diodes......Page 47
2.2.3 Resonant Tunneling Diodes (RTDs)......Page 50
2.3.1 Oscillator Basics......Page 52
2.3.2 LC Cross-coupled Oscillators......Page 54
2.3.3 Colpitts Oscillators......Page 57
2.3.4 Ring Oscillators......Page 60
2.3.5 Voltage-Controlled Oscillators (VCOs)......Page 62
2.3.6 Phase-Locked Loops (PLLs)......Page 68
2.4.1 n-push Techniques......Page 73
2.4.2 Frequency Multipliers......Page 76
2.5 Power Enhancement Techniques......Page 79
2.5.1 Amplifying Techniques......Page 80
2.5.2 Power Combining Techniques......Page 86
2.5.2.1 Planar Power Combining......Page 87
2.5.2.2 Spatial Power Combining......Page 91
2.6 Beamforming Techniques......Page 93
2.6.1 Basics of Beamforming......Page 94
2.6.2 THz Phase Shifters and Phased Arrays......Page 97
References......Page 99
3.1 Thermal Detectors......Page 106
3.1.1 Bolometers......Page 108
3.1.2 Pyroelectric Detectors......Page 111
3.1.3 Thermopiles......Page 113
3.1.4 Golay Cells......Page 115
3.2 Diode Detectors......Page 116
3.2.1 Direct Detection vs. Heterodyne Detection......Page 117
3.2.2 Schottky Barrier Diodes (SBDs)......Page 121
3.2.3 SIS Mixers......Page 126
3.2.4 Superconducting Hot Electron Bolometers (HEBs)......Page 130
3.3 Transistor Circuit Detectors......Page 133
3.3.1 Direct Detectors......Page 134
3.3.1.1 Active-Mode Detection......Page 135
3.3.1.2 Passive-Mode Detection......Page 137
3.3.1.3 Plasma-Wave Resonant-Mode Detection......Page 139
3.3.2.1 Mixer Operation Basics......Page 142
3.3.2.2 Passive Mixers and Active Mixers......Page 144
3.3.2.3 Single-Ended Mixers and Differential Mixers......Page 145
3.3.2.4 Subharmonic Mixers......Page 147
3.3.2.5 Gm-Boosting Technique......Page 148
3.3.3 Low Noise Amplifiers (LNAs)......Page 150
3.3.3.2 Noise Characterization Methods......Page 151
3.3.3.3 THz LNA Performance......Page 155
3.3.4 Integrated Heterodyne Detectors......Page 156
3.4.1.1 Advantages of Array Detectors......Page 159
3.4.1.2 Challenges for Array Detectors......Page 160
3.4.1.3 Array Detector Schemes......Page 162
3.4.2 Array Detector Examples......Page 163
References......Page 167
4.1 Gaussian Beam......Page 173
4.1.1 Gaussian Beam Basics......Page 174
4.1.2 Gaussian Beam in Free Space......Page 178
4.1.3.1 Ray Transfer Matrix (RTM)......Page 182
4.1.3.2 RTM for Interface......Page 183
4.1.3.3 RTM for Lenses......Page 185
4.1.3.4 Application of RTM to Gaussian Beam......Page 187
4.2 Antennas......Page 191
4.2.1.1 Radiation Pattern......Page 192
4.2.1.2 Directivity, Radiation Efficiency, and Antenna Gain......Page 195
4.2.1.4 Friis Transmission Equation......Page 197
4.2.1.5 Equivalent Isotropic Radiation Power......Page 198
4.2.1.6 Polarization......Page 199
4.2.2 Types of Antennas......Page 202
4.2.3 Dipole Antennas......Page 206
4.2.4 Patch Antennas......Page 210
4.2.5.1 Spiral Antennas......Page 215
4.2.5.2 Log-Periodic Antennas......Page 216
4.3 Waveguides......Page 218
4.3.1 Rectangular Waveguides......Page 219
4.3.1.1 Propagation in TE Modes......Page 220
4.3.1.2 Cutoff Frequency......Page 222
4.3.1.3 Characteristic Impedance......Page 224
4.3.1.4 Loss......Page 225
4.3.1.5 TM Mode Basics......Page 226
4.3.2.1 Microstrip Lines......Page 228
4.3.2.2 Coplanar Waveguides......Page 232
4.3.2.3 Slot Lines......Page 233
4.3.3 Dielectric Waveguides......Page 235
4.3.4 Waveguide Transitions......Page 238
4.3.4.1 Ridge Waveguide Transition......Page 239
4.3.4.2 Fin-Line Transition......Page 240
4.3.4.3 E-plane Probe Transition......Page 242
References......Page 243
5.1 THz Pulse Generation......Page 248
5.1.1 Generation with Photoconductive Antennas......Page 249
5.1.2 Generation with Optical Rectification......Page 253
5.1.3.1 Generation by Surface Field......Page 256
5.1.3.2 Generation by Photo-Dember Effect......Page 257
5.2 THz CW Generation......Page 258
5.2.1.1 Photomixing Based on Photoconductive Material......Page 259
5.2.1.2 Photomixing Based on p-i-n Diodes......Page 262
5.2.2 Generation with Frequency Difference Mixing by Optical Rectification......Page 265
5.2.3.1 Lasers (Very) Basics......Page 266
5.2.3.2 p-type Ge Lasers......Page 267
5.2.3.3 Quantum Cascade Lasers......Page 269
5.2.3.4 Gas Lasers......Page 271
5.3.1 Detection with Photoconductive Antennas......Page 272
5.3.2 Detection with Electro-Optic Crystals......Page 276
References......Page 278
6.1.1 Overview......Page 281
6.1.2 Time-Domain Spectroscopy......Page 286
6.1.3 Frequency-Domain Spectroscopy......Page 290
6.2.1 Overview......Page 294
6.2.2 Active Imaging......Page 296
6.2.2.1 Transmission Imaging......Page 299
6.2.2.2 Reflection Imaging......Page 301
6.2.3 Passive Imaging......Page 303
6.2.4 Real-Time Imaging......Page 307
6.2.5 Tomographic Imaging......Page 309
6.3.1 Overview......Page 314
6.3.1.1 Opportunities and Challenges......Page 315
6.3.1.2 Application Scenes......Page 319
6.3.1.4 Standardization......Page 321
6.3.2 Modulation Schemes......Page 323
6.3.3 OOK Modulation Systems......Page 326
6.3.4 Quadrature Modulation Systems......Page 334
6.4.1 Overview......Page 339
6.4.2 Pulse Radars......Page 343
6.4.3 CW Radars......Page 347
References......Page 353
Index......Page 359