Non-Linear Transmission Lines for Pulse Generation, Compression, Shaping, and Transmission for Ultrafast Electronics

RÉSUMÉ L'électronique ultrarapide se distingue dans les sciences et technologies émergentes axées sur les phénomènes ultrarapides, notamment à l'échelle de temps de la picoseconde et en dessous. Elle a un large éventail d'implications et d'applications dans de nombreux domaines tels que les sciences fondamentales, la détection et l'imagerie térahertz (THz), les mesures à haute fréquence, les communications à haute capacité, ainsi que la biologie et la médecine. Cela a attiré l'attention sur la question la plus critique, à savoir la génération, la compression, la mise en forme et la transmission d'impulsions électriques ultracourtes. En outre, dans les systèmes à bande ultralarge, y compris le système UWB, nous avons besoin d'un signal ultrarapide pour les applications de détection et d'imagerie, ainsi que pour les traitements médicaux avancés, notamment la détection du cancer du sein et des tumeurs, les mesures quantiques et les explorations géophysiques. Dans toutes ces applications, le défi et les limites sont la génération, la compression et la mise en forme des transitoires à grande vitesse, puis leur transmission correspondante. La ligne de transmission non linéaire (NLTL) est généralement un réseau en échelle LC qui comprend des composants non linéaires chargés périodiquement, soit des inductances, soit des condensateurs. Elle peut être, par exemple, chargée périodiquement par des diodes varactor et Schottky polarisées en inverse. Le NLTL a déjà trouvé une large gamme d'applications dans les dispositifs et les systèmes, notamment le générateur de peignes, la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR), le synthétiseur de fréquence, l'oscilloscope à échantillonnage à grande vitesse et le générateur de stimulus ou d'impulsions. NLTL a la capacité de générer des impulsions gaussiennes grâce au concept de soliton. Les solitons sont générés dans le NLTL lorsque la non-linéarité et la dispersion s'opposent exactement l'une à l'autre. Ce phénomène crée donc une opportunité pour les ingénieurs en micro-ondes d'aborder la non-linéarité de manière utile. Ce travail présente des générateurs d'impulsions picosecondes propres pour l'électronique ultra-rapide, l'électromagnétique biologique, la détection THz, l'exploration géophysique, le radar à pénétration de sol (GPR), le plasma à décharge, la détection des tumeurs du sein et les futurs oscilloscopes basés sur différentes classes de NLTL. De nouvelles classes de NLTL sont établies et la transformation des NLTL en un domaine magnétique est étudiée.

Abstract

ABSTRACT Ultrafast electronics stands out in emerging ultrafast sciences and technologies, particularly on the picosecond phenomena-focused timescale and shorter. It has a wide range of implications and applications in many fields such as basic science, terahertz (THz) detection, imaging, sensing, high-frequency measurement, high-capability communications, as well as biology and medicine. This has drawn extensive attention to the most critical and foundational aspect in the field, that is, ultrashort electrical pulse generation, compression, shaping, and transmission. Also, in the development of well-publicized ultrabroadband (UWB) systems and technologies, we need an ultrafast signal for sensing, imaging, and communication applications, and advanced medical treatments including breast cancer detection and tumor detection, high-speed digital circuits and systems, quantum measurement, and geophysical explorations. In all these applications, the challenge and limitation are fundamentally related to the generation, compression, and shaping of high-speed transients and their corresponding transmission. Nonlinear transmission line (NLTL) is generally an LC ladder network that comprises of periodically loaded nonlinear components in terms of either inductors or capacitors. It can be, for example, periodically loaded by reversely biased varactors and Schottky diodes. NLTL has already found a wide range of applications in devices and systems including comb generator, time domain reflectometry (TDR), frequency synthesizer, high-speed sampling oscilloscope, and stimulus or pulse generator. NLTL has the capability of generating Gaussian pulses through the concept of soliton. Solitons are generated in NLTL when the nonlinearity and dispersion effects exactly counteract with each other. So this phenomenon creates an opportunity for microwave engineers to tackle non-linearity in a useful way. This work presents a series of picosecond pulse generators for ultra-fast electronics, biological electromagnetics, THz detection, geophysical exploration, ground penetrating radar (GPR), discharge plasma, breast tumor detection, and future oscilloscopes based on different classes of NLTLs. New classes of NLTLs are established and the transformation of NLTLs through the use of magnetic materials is investigated. In this regard, a new class of NLTLs is developed, termed as a non-linear magnetic transmission line (NLMTL).