Synthesized Waveguide Technology for Ultra-Broadband Signal Transmission

Les signaux électromagnétiques à très large bande (dc-à-ondes millimétriques ou dc-à-térahertz) sont essentiels pour de nombreuses applications telles que l'imagerie, la détection, la sécurité, les communications à haute capacité, les interconnexions à grande vitesse, les mesures dans le domaine temporel et les traitements biologiques avancés. Ceci a suscité un intérêt et une attention particulière concernant le problème technique fondamental, à savoir la transmission de signaux ultra-large bande [au niveau de la picoseconde (ps)] avec une intégrité du signal très élevée, ce qui nécessite une structure de guide d'ondes assez particulière à très faibles pertes, faible dispersion, et avec une transmission qui laisse tout passer (tout-passe). A notre connaissance, ce type de support de transmission n'existe pas encore du moins en pratique ; tous les supports conventionnels souffrent généralement des effets indésirables tels que des pertes et/ou de la dispersion liées à la coupure basse fréquence (passe-haut) et/ou à l'atténuation haute fréquence (passe-bas), sans oublier de mentionner la bande passante monomode habituellement limitée avec référence aux modes d'ordre supérieur. Bien que des efforts importants aient été faits pour explorer des supports de transmission à haute performance au cours des dernières décennies, ils sont souvent des améliorations incrémentales des structures conventionnelles. Afin de remédier et ainsi apporter une contribution à cette situation, le concept de ligne de transmission sélective de mode (MSTL) a récemment été proposé. Elle fonctionne sélectivement dans un mode dominant souhaité à différentes fréquences ou sur différentes gammes de fréquences (la sélectivité de mode dépendante de la fréquence). Cette propriété unique offre à MSTL la possibilité de guider efficacement les ondes électromagnétiques ultra-large-bandes avec les propriétés de transmission souhaitées. MSTL peut être considéré comme un système de transmission synthétisé en mode couplé qui diffère largement des lignes de transmission et des guides d'ondes conventionnels. Inspirée par ce concept MSTL, cette recherche vise à étudier et développer des systèmes de guide d'ondes synthétisés pour l'électronique ultrarapide du futur. Cette recherche débute par un traitement des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW) demi-mondes couplés. En tant que système de guide d'ondes simple, son comportement modal est d'abord examiné, et ensuite ses applications pratiques dans la conception de balun sont explorées.

Abstract

Ultra-broadband (dc-to-millimeter-wave or dc-to-terahertz) electromagnetic signals are instrumental for many applications such as imaging, sensing, security scanning, high-capacity communications, high-speed interconnects, time-domain measurements, and advanced biological treatments. This fact has drawn extensive interest and attention to the underlying fundamental but critical issue, namely ultra-broadband ultrafast signal transmission with picosecond (ps)-level high signal integrity, which requires a waveguiding structure in support of low-loss, low-dispersion, and all-pass transmission. To our knowledge, this type of transmission medium does not exist in practice yet; all conventional ones generally suffer from the prohibited effects of loss and/or dispersion in connection with low-frequency cutoff (high-pass) and/or high-frequency attenuation (low-pass), needless to mention usually limited mono-mode bandwidth with reference to high-order modes. Although significant efforts have been made for exploring high-performance transmission media over the past decades, they are often concerned with incremental or limited improvements in conventional structures. To remedy this situation, the concept of mode-selective transmission line (MSTL) has recently been proposed, which is set to selectively operate in a desired dominant mode at different frequencies or over different frequency ranges, namely frequency-dependent mode selectivity. This unique property offers MSTL the possibility of efficiently guiding ultra-broadband electromagnetic waves with desired transmission properties. MSTL can be viewed as a synthesized coupled-mode transmission system that differs greatly from common transmission lines and waveguides. Inspired by this MSTL concept, this research aims to investigate and develop promising synthesized waveguiding systems for ultrafast electronics. This research begins with a treatment of coupled half-mode substrate-integrated waveguides (SIWs). As a simple waveguiding system, its modal behavior is first examined, and its practical applications in balun design are then explored. A compact wideband balun is presented, operating at microwave and millimeter-wave frequencies with superior in-band performance in terms of bandwidth, loss, as well as amplitude and phase imbalances. This study provides a helpful intuitive concept for understanding the properties of a coupled transmission system. We then turn our attention to some basic properties of MSTL.