The increasing demands for high-speed wireless communication, intelligent sensing, and high-resolution imaging have driven interest toward the underutilized sub-terahertz (sub-THz) frequency spectrum. This region offers large bandwidths and high spatial resolution, making it a promising candidate for next-generation communication and sensing systems. However, realizing practical sub-THz systems presents several challenges, including severe path loss, low power efficiency, and significant hardware complexity due to frequency-dependent losses and fabrication constraints.

This thesis addresses these challenges by proposing a set of passive, highperformance components and system-level architectures focused on antenna design, beamforming techniques, channel modeling, and imaging methods. These components are fabricated using silicon micromachining, a scalable technology that enables the realization of compact, high-frequency passive structures with low loss and micrometer feature size. The thesis begins by developing a ray-tracing-based statistical channel model that captures essential propagation phenomena, including molecular absorption, reflection,scattering, and diffraction. The model evaluates the root-mean-square delay spread, coherence bandwidth, and subchannel stability under varying link distances, antenna gains, and misalignment scenarios. The results reveal that higher-frequency bands exhibit reduced delay spread variability and allow for more robust multi-carrier communication through channel bonding, forming the foundation for hardware-aware THz link design.

Two high-gain silicon micromachined lens antennas are introduced next. The first design is an elliptical Fresnel zone planar lens antenna that achieves circular polarization across the 500–750 GHz band. The return loss remains better than -15 dB across this range, with a measured gain of 25.7 dBi and an axial ratio below 2.5. The second design uses a circular Fresnel lens enhanced by a graded-index dielectric perforated disc, fabricated using DRIE on a silicon-on-insulator wafer. With 13 optimized Fresnel zones, this antenna achieves 35.9 dBi gain and maintains circular polarization with an axial ratio below 2.8 dB across 40% bandwidth. These antennas demonstrate state-ofthe-art performance in compact, planar form factors. Specifically, a single silicon wafer is etched on both sides using deep reactive ion etching (DRIE)and two lithographic masks, forming structures with fixed thickness and precise vertical profiles. This makes the fabrication process simple for purely dielectric-based lens antennas.

To address the limitations of wideband beamforming at sub-THz, the thesis presents a spatial-spreading approach using frequency-orthogonal passive beam steering. A multi-feed Fresnel lens system is designed to steer each frequency sub-band into a distinct spatial direction. Using four feeds and 75 GHz of total bandwidth, 16 beams are generated to cover a 32° field of view.

Experimental results show only 0.9dB steering loss, sidelobe suppression below –22dB, and a realized gain of 32.1 dBi. The lens is compact (15.8×15.8 mm, 526 μm thick) and requires only a single RF chain per feed, significantly reducing system complexity. The spatial-spreading antenna is then paired with a convolutional neural network for adaptive beam and power allocation. The CNN estimates user location using amplitude-only received signal features and dynamically assigns beam and transmit power. The system achieves up to 61% improvement in direction-of-arrival estimation accuracy, a 94% increase in data rate, and a 30% reduction in transmit power compared to static strategies.

The final chapter investigates the effect of antenna dispersion in wideband imaging. A comparison between silicon lens and metallic horn antennas reveals that the former enables higher effective bandwidth and preserves the time-domain pulse shape. Experimental results show that lens-based antennas reduce range and cross-range localization errors by up to 64% and 68%, respectively, and improve signal-to-clutter ratio by 2.7 dB. The system achieves millimeter-level resolution and resolves targets as close as 2mm in cross-range and 3mm in range.

Using this insight, a full imaging system is demonstrated by combining frequencyorthogonal beams and a time-reversal DORT algorithm. The system reconstructs images of multiple targets without mechanical scanning. Experimental reconstructions verify resolution of 0.6 mm-radius objects and accurate discrimination between targets spaced only 2mm apart, affirming the impact of dispersion-aware design for high-resolution THz imaging.

The thesis demonstrates how silicon-micromachined, high-gain antennas and passive beamforming can be effectively combined with machine learning and wideband imaging strategies to address key limitations in sub-THz systems. The proposed components are validated across communication and sensing contexts, establishing a robust framework for compact, scalable THz frontend architectures.

De ökande behoven av högkapacitets trådlös kommunikation, intelligent avkänning och högupplöst avbildning har drivit intresset mot det underutnyttjade sub-terahertz (sub-THz) frekvensområdet. Detta område erbjuder stora bandbredder och hög rumslig upplösning, vilket gör det till en lovande kandidat för nästa generations kommunikations- och sensorsystem. Realiseringen av praktiska sub-THz-system medför dock flera utmaningar, inklusive kraftiga förluster i fri rymd, låg energieffektivitet och betydande hårdvarukomplexitet på grund av frekvensberoende förluster och tillverkningsbegränsningar.

Denna avhandling tar itu med dessa utmaningar genom att föreslå en uppsättning passiva, högpresterande komponenter och systemarkitekturer med fokus på antenndesign, strålformningstekniker, kanalkarakterisering och avbildningsmetoder. Komponenterna tillverkas med kiselmikromekanik, en skalbar teknik som möjliggör kompakta, högfrekventa passiva strukturer med låg förlust och mikrometerskala.

Avhandlingen inleds med utvecklingen av en statistisk kanalmodell baserad på strålspårning som fångar upp centrala propagationsfenomen, inklusive molekylär absorption, reflektion, spridning och diffraktion. Modellen används för att utvärdera root-mean-square-fördröjningsspridning, koherensbandbredd och delkanalers stabilitet vid olika länklängder, antennvinster och feljusteringar. Resultaten visar att högre frekvensband ger lägre variation i fördröjningsspridning och möjliggör mer robust flerbärarkommunikation genom kanalkoppling, vilket utgör grunden för hårdvaruanpassad THz-länkutformning.

Därefter introduceras två högvinst-linsantenner tillverkade med kiselmikromekanik. Den första designen är en elliptisk Fresnel-zonlins som uppnår cirkulär polarisation över 500–750GHz-bandet. Returförlusten är bättre än –15dB över hela bandet, med en uppmätt vinst på 25,7dBi och en axialkvot under 2,5. Den andra designen använder en cirkulär Fresnel-lins förbättrad med en graderad dielektrisk perforerad skiva, även den tillverkad med djupreaktiv jonetsning (DRIE) på ett SOI-substrat. Med 13 optimerade Fresnel-zoner uppnår denna antenn en vinst på 35,9dBi och bibehåller cirkulär polarisation med en axialkvot under 2,8dB över 40% bandbredd. Dessa antenner uppvisar topprestanda i kompakta, plana formfaktorer. I synnerhet etsas ett enda kiselchip från båda sidor med DRIE och två litografimasker, vilket skapar strukturer med fast tjocklek och exakt vertikal profil, vilket förenklar tillverkningen av rent dielektriska linsantenner.

För att hantera begränsningarna i bredbands-strålformning vid sub-THzfrekvenser presenterar avhandlingen en spatial-spridningsmetod baserad på frekvensortogonal passiv strålstyrning. Ett multifött Fresnel-linssystem är utformat för att styra varje frekvenssubband i en unik riktning. Med fyra matningar och totalt 75GHz bandbredd genereras 16 strålar som täcker ett synfält på 32°. Experimentella resultat visar endast 0,9dB styrförlust, sidlobdämpning bättre än –22dB och en realiserad vinst på 32,1dBi. Linsen är kompakt (15,8×15,8mm, 526μm tjock) och kräver endast en RF-kedja per matning, vilket kraftigt reducerar systemkomplexiteten.

Den spatiala spridningsantennen kombineras därefter med ett konvolutionellt neuronnät för adaptiv strål- och effektallokering. Genom att använda endast amplitudbaserade mottagarsignaler uppskattar nätverket användarens position och tilldelar dynamiskt optimal stråle och sändareffekt. Systemet uppnår upp till 61% förbättrad noggrannhet i riktninguppskattning, 94% ökning i datatakt och 30% minskning i sändareffekt jämfört med statiska strategier.

Avhandlingens sista kapitel undersöker effekten av antenndispersion i bredbandsavbildning. En jämförelse mellan kiselbaserade linser och metallhornantenner visar att de förra möjliggör högre effektiv bandbredd och bevarar pulsformen i tidsdomänen. Experimentella resultat visar att linsantenner minskar fel i avstånds- och tvärlägeslokalisering med upp till 64% respektive 68% och förbättrar signal-till-störförhållandet med 2,7dB. Systemet uppnår millimeterupplösning och kan särskilja mål med 2mm avstånd i sidled och 3mm i längsled.

Med dessa insikter demonstreras ett komplett bildsystem som kombinerar frekvensortogonala strålar och en tidsreversalbaserad DORT-algoritm. Systemet rekonstruerar flera mål utan mekanisk skanning. Experimentellaåteruppbyggnader bekräftar en upplösning på 0,6mm och korrekt identifiering av objekt separerade med endast 2mm, vilket visar på effekten av dispersionsanpassad design för högupplöst THz-avbildning.

Sammanfattningsvis visar avhandlingen hur kiselmikromekaniska högvinstantenner och passiv strålformning effektivt kan kombineras med maskininlärning och bredbandsavbildning för att hantera centrala begränsningar i sub-THz-system. De föreslagna komponenterna valideras i både kommunikations-och sensorsammanhang, och etablerar en solid grund för kompakta och skalbara THz-fronter.