Developments in imaging at millimeter and submillimeter wavelengths

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-09-24
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
177
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 131/2013
Abstract
This thesis presents novel experimental results in the fields of millimeter- and submillimeter-wave imaging, reflectivity studies, as well as power detector characterization. The overlapping topics share key concepts of beam steering, holography, and antenna measurements. Indirect holographic imaging technique is verified experimentally for the first time. This method allows for coherent detection of a target, using a reference wave and simple direct detection receivers. This is very promising, since receiver complexity is seen as the greatest hindrance to the realization of large imaging arrays. In the holographic method, coherent detection and focusing of the image is a post-detection task. A novel computational technique is introduced, which removes the restrictions on the reference-wave direction. In the experimental work at 310 GHz, the slanted-edge method is applied for estimating the point spread function. Experimental data indicate a decrease in resolution of 20-30 % compared to a diffraction limited case. The noise-equivalent reflectivity difference (NERD) is found to be approximately constant (NERD = 0.002), down to the received signal SNR of 26 dB. Reflectarrays (RAs) are developed and characterized at 120 GHz. The RAs enable beam-steering, and they are designed to be compatible with MEMS microfabrication. Three static RAs are characterized in a near-field measurement range. The measured beamwidths are within 10 % of the simulated ones. The specular reflection from RAs is studied, and the concept of RA efficiency is introduced. The experimentally determined efficiency is found to be 0.11 while simulation results suggest an average efficiency of 0.54. Reflection- and transmission-type phase holograms are used to create a planar wave front, quiet zone (QZ), in a compact test range at both 310 and 650 GHz. The measured QZ variation is ±1.5 dB and ±5° at 310 GHz and ±3 dB and ±25° at 650 GHz. The holograms are suitable for use in radar-cross-section (RCS) measurements. The reflectivity of different radar-absorbing materials (RAMs) is studied in a RCS range. Commercial RAM and low-cost materials are compared for their monostatic reflectivity in an angular range of 45° and 12° at 310 and 650 GHz, respectively. It is found that common materials, such as carpets have reflectivity from −60 to −30 dB, and are suitable for use as RAM. Bolometers used in a submillimeter-wave imager are studied at 321-782 GHz. The antenna-coupled microbolometers are characterized in room temperature. They are coupled with an equi-angular spiral antenna and a silicon substrate lens. The beamwidth of the bolometers is found to follow an 8.5°/THz –relation across the band. A low-cost infrared detector is compared with dedicated power meters. It is found to have a sensitivity of 1700 V/W and noise-equivalent power (NEP) of 0.4 uW/rtHz. As such, it can be used as an ad hoc power detector.

Tämä väitöskirja käsittelee millimetri- ja alimillimetriaaltoalueen kuvantamista, materiaalien heijastavuusmittauksia ja tehoilmaisimien karakterisointia. Aihealueet liittyvät toisiinsa keilanohjauksen, holografian ja antennimittausten kautta. Epäsuora holografinen menetelmä on kokeellisesti varmennettu. Menetelmä mahdollistaa vaiheilmaisun referenssikentän ja yksinkertaisten tehovastaanottimien avulla. Tulokset ovat erittäin lupaavia, sillä vaihekoherentti vastaanotinryhmä on erittäin monimutkainen toteuttaa. Epäsuorassa holografisessa menetelmässä vaiheenilmaisu ja kuvan fokusointi tehdään teho-ilmaisun jälkeen laskennallisesti. Työssä esitellään uusi menetelmä, jossa referenssikentän tulosuuntaa ei ole rajoitettu. Taajuudella 310 GHz saaduista kuvista on approksimoitu impulssivaste käyttäen askel-tyyppistä kohdetta. Diffraktion rajoittamaan teoreettiseen arvoon verrattuna erotuskyky kokeellisissa tuloksissa oli 20-30 % alempi. Kohinatasoinen heijastavuusero on 0,002, kun ilmaistun tehon signaali-kohina –suhde on 26 dB. Työssä käsitellään 120 GHz:n heijastusantenniryhmää. Antenniryhmät ovat tarkoitettu käytettäviksi keilanohjauksessa, ja niiden valmistustekniikka soveltuu myös mikroelektro-mekaanisten komponenttien valmistukseen. Kolmea heijastusantenniryhmää, joiden keilat ovat pysyvästi fokusoitu, on karakterisoitu lähikenttämittauspaikalla. Mitatut keilanleveydet vastaavat 10 %:n tarkkuudella simuloituja. Heijastusantenniryhmien peiliheijastusta kuvaamaan on määritelty hyötysuhde. Hyötysuhteeksi saatiin kokeellisesti 0,11, kun teoreettinen hyötysuhde on keskimäärin 0,54. Heijastus- ja läpäisytyyppisiä vaihehologrammeja on käytetty tasomaisen kentän eli hiljaisen alueen luomiseen kompaktissa mittauspaikassa. Mitattu amplitudi- ja vaihevaihtelu hiljaisessa alueessa on ±1,5 dB ja ±5° 310 GHz:llä sekä ±3 dB ja ±25° 650 GHz:llä. Hologrammeja voidaan käyttää tutkapoikkipinta-alan mittaukseen. Tässä työssä verrattiin tarkoitusta varten valmistettujen vaimennusmateriaalien ja muiden materiaalien heijastavuutta. Takaisin-heijastavuus mitattiin 45°:n ja 12°:n kulma-alueessa 310 ja 650 GHz:llä. Matoille mitattiin heijastavuuksia −60 dB:stä −30 dB:iin, joten ne soveltuvat vaimennusmateriaaliksi. Kuvantamisessa käytettäviä NbN -bolometrejä on tutkittu taajuusalueessa 321-782 GHz. Antennikytkettyjä bolometrejä on karakterisoitu huoneenlämpötilassa tehonmittaukseen perustuvassa antennimittauspaikassa. Bolometrit on kytketty spiraali-antenniin pii-substraattilinssin pinnalla. Bolometri-ilmaisimien keilanleveys noudattaa 8,5°/THz –lakia mitatulla taajuusalueella. Edullista infrapunailmaisinta on verrattu tarkoituksenmukaisiin tehomittareihin. Ilmaisimen kokeellisesti mitattu herkkyys ja kohinaekvivalentti teho ovat 1700 W/V ja 0,4 uW/rtHz, joten se soveltuu ad hoc tehonilmaisuun alimillimetriaaltoalueella.
Description
Supervising professor
Räisänen, Antti, Professor, Aalto University, Finland
Thesis advisor
Ala-Laurinaho, Juha, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
bolometer, hologram, imaging, reflectarray, reflectivity, bolometri, heijastavuus, heijastusantenniryhmä, hologrammi, kuvantaminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Tamminen, J. Ala-Laurinaho, and A. V. Räisänen, “Indirect holographic imaging at 310 GHz,” in Proceedings of the 5th European Radar Conference, Amsterdam, the Netherlands, 2008, pp. 168-171.
  • [Publication 2]: A. Tamminen, J. Ala-Laurinaho, and A. V. Räisänen, “Indirect holographic imaging: evaluation of image quality at 310 GHz,” in Proceedings of SPIE, Passive Millimeter-Wave Imaging Technology XIII, vol. 7670, Orlando, Florida, USA, 2010, publication no. 76700A.
  • [Publication 3]: A. Enayati, A. Tamminen, J. Ala-Laurinaho, A. V. Räisänen, W. D. Raedt, G. A. Vandenbosch, “THz holographic imaging: a spatial-domain technique for phase retrieval and image reconstruction,” in IEEE International Microwave Symposium Digest, Montreal, 2012, publication no. TU1A-5.
  • [Publication 4]: A. Tamminen, S. Mäkelä, J. Ala-Laurinaho, P. Koivisto, P. Rantakari, J. Säily, J. Häkli, A. Luukanen, and A. V. Räisänen, “Reflectarray design for 120-GHz radar application: measurement results,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, accepted for publication, 2013.
  • [Publication 5]: A. Tamminen, A. Karttunen, M. Vaaja, E. Noponen, J. Ala-Laurinaho, J. Mallat, and A. V. Räisänen, “Reflection-type phase hologram for beam shaping: experimental results at 310 GHz,” in Proceedings of the 30th ESA Antenna Workshop on Antennas for Earth Observation, Science, Telecommunication and Navigation Space Missions, Noorwijk, The Netherlands, 2008, pp. 470-473.
  • [Publication 6]: A. Lönnqvist, A. Tamminen, J. Mallat, and A. V. Räisänen, “Monostatic reflectivity measurement of radar absorbing materials at 310 GHz,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 9, pp. 3486-3491, 2006.
  • [Publication 7]: A. Tamminen, A. Lönnqvist, J. Mallat, and A. V. Räisänen, “Monostatic reflectivity and transmittance of radar absorbing materials at 650 GHz,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 56, no. 3, pp. 632-637, 2008.
  • [Publication 8]: A. Tamminen, J. Ala-Laurinaho, J. Mallat, A. Luukanen, E. N. Grossman, and A. V. Räisänen, “Wide-band measurements of antenna-coupled microbolometers for THz imaging,” Journal of The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 10, no. 3, pp. 132-137, 2010.
  • [Publication 9]: A. Tamminen, J. Ala-Laurinaho, and A. V. Räisänen, “Submillimeter-wave power measurements with commercial infra-red detectors,” in Proceedings of the 5th European Radar Conference, Paris, France, 2010, pp. 288-291.
Citation