This thesis investigates advanced silicon micromachined passive component design solutions for high-performance millimetre and sub-millimetre-wave systems, representing the state-of-the-art in modern microwave and RF systems. The proposed designs are fabricated through deep reactive ion etching (DRIE). Silicon micromachining using DRIE offers the ability to fabricate small feature sizes, making it ideal for millimetre and submillimeter-wave systems applications, with low surface roughness and manufacturing tolerances in a scalable process. The proposed design solutions utilize waveguide-based technologies with the goal of advancing future generations of satellite communications, radar, remote sensing, and biomedical instrumentation. 

The core of this work is to propose design solutions to overcome manufacturing limitations, reduce transmission losses, introduce new design methods to enhance component performance, and simplify overall design complexity. 

The first part of the thesis introduces new platforms for transferring electromagnetic waves within silicon micromachined chips. Two structures are presented: a silicon-micromachined E-plane waveguide bend for flange-to-chip connection and a broadband on-chip rectangular waveguide 90º twist both for 220-325 GHz. The E-plane bend is crucial for transferring waves from outside the chip to the inside and eliminating reliance on external fixtures. The on-chip silicon micromachined twist enables interconnection of H-plane and E-plane waveguide subsystems, that increases fabrication flexibility. 

The second part discusses several novel filter design solutions operating at different frequency ranges from 90 to 300 GHz, each exhibiting state-of-the-art performance. An ultra-narrowband 4thorder filter with a wide spurious-free rejection band is developed for183 GHz. This filter utilizes high-Q-factor TM330 mode resonators and exhibits a measured Q-factor of 1000, surpassing any previously reported values in this frequency range. Additionally, a new negative coupling structure suitable for rectangular waveguide filters is proposed, offering compatibility with various fabrication methods, such as CNC milling and silicon micromachining. Using this negative coupling, a 4th-order quasi-elliptic bandpass filter with a centre frequency of 270 GHz and a fractional bandwidth of 2.2%is developed. Furthermore, a frequency variant coupling structure designed for rectangular cavities is proposed, enabling in-line filters with N+1 transmission zeroes, which can be easily manufactured and integrated with other subsystems. Using the proposed coupling structure, two filters are developed at 270 GHz: one 4th-order with 3transmission zeroes (TZs) and one 2nd-order with 3 TZs. Moreover, an integrated eighth-degree lowpass waveguide filter having a cut-off frequency of 280 GHz is presented. The lowpass filter is also fabricated using DRIE, with the aid of the twist proposed in section one. Furthermore, a compact band-pass filter with triplet response using one triangular singlet and two iris resonators is developed. Finally, a filtenna is introduced, combining a 4th-order filter with two slot antennas. The utilized filter employs 4 rectangular singlets introducing 4 transmission zeroes. The measured gain of the structure is 7 dBi, considering the use of on-chip E-plane bend transition to enable a direct connection to the flange.

Denna avhandling undersöker avancerade designlösningar för passiva komponenter tillverkade av mikromaskinerat kisel för högpresterande millimeter och sub-millimeter vågsystem, vilket representerar den senaste teknologin inom moderna mikrovågs och RF system. De föreslagna konstruktionerna tillverkas genom djup reaktiv jonetsning (DRIE). Kisermikromaskinering med DRIE erbjuder möjligheten att tillverka små detaljstorlekar, vilket gör den idealisk för tillämpningar inom millimeter och sub-millimeter vågsystem, med låg ytjämnhet och tillverkningstoleranser i en skalbar process. De föreslagna designlösningarna använder vågledarbaserade teknologier med målet att främja framtida generationer av satellitkommunikation, radar, fjärranalys och biomedicinsk instrumentering.

Kärnan i detta arbete är att föreslå designlösningar för att övervinna tillverkningsbegränsningar, minska transmissionsförluster, introducera nya designmetoder för att förbättra komponentprestanda och förenkla den övergripande designkomplexiteten.

Den första delen av avhandlingen introducerar nya plattformar för att överföra elektromagnetiska vågor inom kisermikromaskinerade chip. Två strukturer presenteras: en kisermikromaskinerad Eplan vågledarböjning för fläns-till-chip-anslutning och en bredbandig på-chip rektangulär vågledare 90º vridning, båda för 220-325 GHz. E-planböjningen är avgörande för att överföra vågor från utsidan av chipet till insidan och eliminera beroendet av externa fästanordningar. Den på-chip kisermikromaskinerade vridningen möjliggör sammankoppling av H-plan och E-plan vågledarsystem, vilket ökar tillverkningsflexibiliteten. 

Den andra delen diskuterar flera nya filterdesignlösningar som arbetar vid olika frekvensområden från 90 till 300 GHz, var och en med toppmoderna prestanda. Ett ultrasmalt 4:e ordningens filter med ett brett störningsfritt avvisningsband utvecklas för 183 GHz. Detta filter använder hög-Q-faktor TM330-lägesresonatorer och uppvisar en uppmätt Q-faktor på 1000, vilket överträffar alla tidigare rapporterade värden inom detta frekvensområde. Dessutom föreslås en ny negativ kopplingsstruktur lämplig för rektangulära vågledarfilter, som erbjuder kompatibilitet med olika tillverkningsmetoder, såsom CNC-fräsning och kisermikromaskinering. Med denna negative koppling utvecklas ett 4:e ordningens kvasi-elliptiskt bandpassfilter med en mittfrekvens på 270 GHz och en fraktionell bandbredd på 2,2%. Vidare förklaras en dispersiv kopplingsstruktur designad för rektangulära kaviteter, som möjliggör in-line filter med N+1 överföringsnollor, vilka enkelt kan tillverkas och integreras med andra delsystem. Med den föreslagna kopplingsstrukturen utvecklas två filter vid 270 GHz: ett 4:e ordningens med 3 överföringsnollor och ett 2:a ordningens med 3 TZ. Dessutom presenteras ett integrerat åttonde gradens lågpassvågledarfilter med en avskärningsfrekvens på 280 GHz. Lågpassfiltret tillverkas också med DRIE, med hjälp av den föreslagna vridningen i avsnitt ett. Slutligen introduceras en filtreringsantenn, som kombinerar ett 4:e ordningens filter med två slitsantenner. Det använda filtret utnyttjar 4 rektangulära singletter som introducerar 4 överföringsnollor. Den uppmätta förstärkningen av strukturen är 7 dBi, med tanke på användningen av på-chip E-plan böjövergång för att möjliggöra en direkt anslutning till flänsen.