This thesis explores the design, fabrication, characterization, and performance of frequency-diverse antennas and frequency-scanning notch-beam antennas for high-resolution radar detection and imaging at sub-THz frequencies ranging from 220 to 330 GHz. 

Utilizing cutting-edge silicon micromachining techniques, the body of work presents innovative solutions that address the challenges of high-resolution radar imaging, focusing on improving imaging performance, reducing hardware complexity, and enhancing signal processing techniques.

At the heart of this research is analyzing, characterizing, and evaluating a minimalistic beam-shape switching frequency-scanning notch and broad-beam radar systems. A two-antenna system was designed to switch between broad and notch beam patterns, improving imaging resolution and hardware efficiency. The system's ability to operate with fewer components while maintaining high performance was further augmented through advanced signal processing algorithms like TwIST and MUSIC, which offered superior image reconstruction in noisy scenarios.

A key aspect of this research was the experimental validation of the scanning notch antenna, which demonstrated its capability for sub-THz imaging. This work evaluated various algorithms, including FISTA, MUSIC, and matched filter methods, highlighting MUSIC's limitations when multiple targets were present. To overcome the challenge of multi-target scenario failure, a novel adaptive IFFT range-gating method was introduced, which markedly enhanced the radar’s ability to distinguish closely spaced targets by separating the return signals more effectively.

Further advancing in sub-THz imaging systems, we explored designing and fabricating a Mills-cross frequency-diverse antenna using slot radiators and a direct waveguide feed network. This configuration allows for efficient radiation pattern diversity over the operating bandwidth, contributing to enhanced imaging resolution without complex mechanical scanning or phase shifters. 

Following this, we developed a more advanced wideband frequency-diverse antenna for 220 to 330 GHz, featuring an array of silicon-micromachined cross-slot radiators. The frequency-diverse antenna using a cross-slot is incorporated with direct and distributed feed networks. This configuration, which utilizes cross-slot radiators and a distributed feed network, significantly improved radiation pattern diversity and imaging resolution. The performance of these frequency-diverse antennas was evaluated using advanced imaging algorithms, with FISTA and CoSaMP emerging as the preferred algorithms for efficient, high-resolution image reconstruction under various noise conditions. These antennas are designed for short-range, high-resolution imaging and eliminate the need for phase shifters or mechanical scanning, achieving diverse radiation patterns across a broad frequency range.

Finally, this work culminated in a detailed investigation of imaging performance using these frequency-diverse antennas, where the comparison of direct and distributed feed networks provided key insights into optimizing feed designs for enhanced imaging quality and spatial resolution. Furthermore, we investigated the influence of sparse data collection on imaging performance, considering sparsity in three major areas: 1) when the imaging antenna array is sparsely populated, 2) when sparse frequency sampling is applied across the total available bandwidth, and 3) when the bandwidth is divided among multiple transmitters, each operating over a partial bandwidth, while the receiver utilizes the full bandwidth. 

These scenarios provided a comprehensive understanding of how sparsity affects overall imaging performance and resolution, enabling more efficient data acquisition without compromising image quality.

This thesis substantially contributes to advancing sub-THz radar detection and computational imaging. By integrating innovative antenna designs, adaptive signal processing techniques, and advanced fabrication methods, this research presents a comprehensive solution for achieving high-resolution radar imaging with minimal hardware complexity, paving the way for practical applications in security, medical diagnostics, and structural monitoring.

Denna avhandling utforskar design, tillverkning, karakterisering och prestanda hos frekvensdiverse antenner och frekvensskannande notchstråleantenner för högupplöst radardetektion och avbildning vid sub-THz-frekvenser i intervallet 220 till 330 GHz.

Genom att använda banbrytande kiselmikromaskineringstekniker presenterar arbetet innovativa lösningar som adresserar utmaningar inom högupplöst radaravbildning, med fokus på att förbättra avbildningsprestanda, minska hårdvarukomplexiteten och stärka signalbehandlingstekniker.

Kärnan i denna forskning är att analysera, karakterisera och utvärdera minimalistiska system med strålformsväxling i frekvensskannande notch- och bredstråleradarsystem. Ett system med två antenner designades för att växla mellan breda och smala strålmönster, vilket förbättrade avbildningsupplösning och hårdvarueffektivitet. Systemets förmåga att arbeta med färre komponenter samtidigt som hög prestanda bibehålls, förstärktes ytterligare genom avancerade signalbehandlingsalgoritmer som TwIST och MUSIC, vilka erbjöd överlägsen bildrekonstruktion i bullriga miljöer.

En viktig aspekt av denna forskning var experimentell validering av den skannande notch-antennen, som visade sin kapacitet för sub-THz-avbildning. Arbetet utvärderade olika algoritmer, inklusive FISTA, MUSIC och matched filter-metoder, och framhöll MUSICbegränsningar när flera mål var närvarande. För att övervinna utmaningen i scenarion med flera mål introducerades en ny adaptiv IFFT-range-gating-metod, som avsevärt förbättrade radarens förmåga att särskilja tätt placerade mål genom att effektivare separera de mottagna signalerna.

Vidareutveckling inom sub-THz-avbildningssystem utforskades genom design och tillverkning av en Mills-cross frekvensdivers antenn med slot-radiatorer och en direktvågledarförsörjningsnät. Denna konfiguration möjliggör effektiv diversitet i strålningsmönster över arbetsbandbredden, vilket bidrar till förbättrad avbildningsupplösning utan komplex mekanisk skanning eller fasskiftare.

Därefter utvecklade vi en mer avancerad bredbands frekvensdivers antenn för 220 till 330 GHz, med en array av kiselmikromaskinerade korsslitsradiatorer. Den frekvensdiversa antennen med korsslits kombineras med direkt och distribuerat matningsnätverk. Denna konfiguration, som använder korsslitsradiatorer och ett distribuerat matningsnätverk, förbättrade avsevärt strålningsmönsterdiversiteten och avbildningsupplösningen. Prestandan hos dessa frekvensdiverse antenner utvärderades med avancerade avbildningsalgoritmer, där FISTA och CoSaMP visade sig vara de föredragna algoritmerna för effektiv, högupplöst bildrekonstruktion under olika brusförhållanden. Dessa antenner är utformade för kortdistans och högupplöst avbildning och eliminerar behovet av fasskiftare eller mekanisk skanning, vilket uppnår olika strålningsmönster över ett brett frekvensområde.

Slutligen resulterade detta arbete i en detaljerad undersökning av avbildningsprestanda med dessa frekvensdiverse antenner, där jämförelsen av direkt och distribuerade matningsnätverk gav viktiga insikter för att optimera matningsdesigner för förbättrad bildkvalitet och rumslig upplösning. Dessutom undersökte vi inverkan av gles datainsamling på avbildningsprestanda, med hänsyn till gleshet i tre huvudsakliga områden: 1) när antennarrayen för avbildning är glesbefolkad, 2) när gles frekvenssampling appliceras över den tillgängliga bandbredden, och 3) när bandbredden delas mellan flera sändare, var och en som arbetar över en del av bandbredden, medan mottagaren använder hela bandbredden.

Dessa scenarier gav en omfattande förståelse för hur gleshet påverkar den övergripande avbildningsprestandan och upplösningen, vilket möjliggör effektivare datainsamling utan att kompromissa med bildkvaliteten.

Denna avhandling bidrar avsevärt till att driva fram sub-THz radardetektion och datorbaserad avbildning. Genom att integrera innovativa antenndesigner, adaptiva signalbehandlingstekniker och avancerade tillverkningsmetoder presenterar denna forskning en heltäckande lösning för att uppnå högupplöst radaravbildning med minimal hårdvarukomplexitet, vilket banar väg för praktiska tillämpningar inom säkerhet, medicinsk diagnostik och strukturell övervakning.