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Synthese steuerbarer Hochfrequenzschaltungen und Analyse Flüssigkristall-basierter Leitungsphasenschieber in Gruppenantennen für Satellitenanwendungen im Ka-Band

Gaebler, Alexander :
Synthese steuerbarer Hochfrequenzschaltungen und Analyse Flüssigkristall-basierter Leitungsphasenschieber in Gruppenantennen für Satellitenanwendungen im Ka-Band.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Synthese steuerbarer Hochfrequenzschaltungen und Analyse Flüssigkristall-basierter Leitungsphasenschieber in Gruppenantennen für Satellitenanwendungen im Ka-Band
Language: German
Abstract:

Die richtungsabhängige Permittivität mikrowellenoptimierter Flüssigkristalle (LCs) ermöglicht den Aufbau vergleichsweise hochgütiger, kontinuierlich abstimmbarer Hochfrequenzkomponenten. Ihre Charakterisierung, Modellierung und die Auslegung steuerbarer Verzögerungsleitungen für den Einsatz in elektrisch schwenkbaren Gruppenantennen und analogen HF-Schaltungen bilden den inhaltlichen Schwerpunkt dieser Arbeit. Hierfür werden zunächst Entwurfsverfahren für steuerbare Schaltungen entwickelt, um die modernen Syntheseverfahren analoger Netzwerke auf die Vorgabe veränderlicher Übertragungsfunktionen zu erweitern. Daran schließt sich die Entwicklung neuer Charakterisierungsverfahren und Messsysteme zur genauen Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften nematischer Flüssigkristalle im Mikrowellenbereich an. Ihre Kenntnis ist sowohl für die Modellierung und den Entwurf LC-basierter HF-Komponenten als auch für die zielgerichtete Synthese der daraufhin vorgestellten Flüssigkristalle mit verbesserten Materialparametern notwendig. Im Anschluss wird die Anwendung der flexiblen Finite-Differenzen-Methode zur breit- und schmalbandigen Charakterisierung sowie deren implizite Verknüpfung mit den "`klassischen"' Verfahren diskutiert. Zusammen mit der erstmals vorgestellten Eigendielektrik-Formulierung ermöglicht sie die effiziente und sehr genaue Bestimmung der komplexen Permittivität beliebiger Materialproben mit einer einzigen Simulation. Die so gewonnenen dielektrischen LC-Eigenschaften bilden den Ausgangspunkt einer umfassenden Untersuchung verschiedener Wellenleitertopologien für ihre Eignung als steuerbare Verzögerungsleitung. Ihre wesentlichen Kenngrößen wie die Phasenschieberperformanz, Steuerbarkeit und das transiente Schaltverhalten werden mit dem hierfür entwickelten Multiphysik-Simulationswerkzeug berechnet. Neben dem Einblick in die Wirkungsweise derartiger Strukturen wird ihre optimale Auslegung und darüber hinaus die Überprüfung neuartiger Steuerkonzepte und Leitungstopologien LC-gefüllter Wellenleiter ermöglicht. Auf dieser Grundlage werden anschließend variable Verzögerungsleitungen für phasengesteuerte Gruppenantennen in "Low Temperature Cofired Ceramics" (LTCC)- und Hohlleitertechnologie im Ka-Band aufgebaut. LTCC ist eine HF-Standardtechnologie und ermöglicht durch die Integration benötigter Steuerelektronik zusammen mit weiteren Elementen innerhalb eines Moduls die Umsetzung äußerst kompakter und preiswerter HF-Komponenten. Teilweise LC-gefüllte Hohlleiter hingegen weisen eine elektrische Performanz auf, welche die Güte aller bisher veröffentlichten Phasenschieber übertrifft. Ihr Einsatz bietet sich beispielsweise für die Realisierung schwenkbarer, stark gerichteter Gruppenantennen im Raumsegment an.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Optimized Liquid Crystals (LCs) for microwave applications enable the design of low loss and, due to their direction dependent permittivity, continuously tunable RF components. The development of methods concerning their numerical modeling and dielectric characterization within the microwave region as well as the design of tunable transmission line phase shifter and analog RF circuits constitute the main content of this thesis. For this purpose, design techniques for tunable circuits are derived, in order to expand the modern network synthesis by considering the specification of variable transfer functions. To enable the modeling and hence the design of lc-based rf-components, new material characterization methods and measurement setups have been developed. This allows the accurate estimation of the anisotropic dielectric properties of nematic liquid crystal followed by the synthesis of LCs with improved performance. Further investigations combine numerically aided broad- and narrowband characterization methods with analytical techniques. This enables an efficient and accurate estimation of the complex dielectric properties by performing just one simulation in conjunction with the described Eigen-dielectric formulation. Using the knowledge thus obtained, various LC-filled waveguide topologies are extensively investigated regarding their suitability as tunable transmission line phase shifter. Their characteristics like tunability, switching behavior and loss mechanism are calculated by using a multiphysics simulation tool which has been developed for this purpose. Beside the provided insight into the physical working mechanism behind these structures, also there optimal design, new topologies and advanced steering concepts for transmission line phase shifters are discussed. Based on this, variable Ka-band delay line phase shifters for phased array antennas in "Low Temperature Cofired Ceramics" (LTCC)-and hollow waveguide technology are designed, fabricated an measured. The commonly used multi-layer LTCC-technology enables the integration of digital and analog circuitry, bias networks and rf-elements within a single module and features a very high package density. On the other hand, accordingly designed hollow waveguides with partially LC filling, lead to the highest electrical performance which has been published in recent works. They offer the development of components like electronically tunable high gain antennas for space applications.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Flüssigkristall Materialcharakterisierung Hochfrequenztechnik Schaltungsentwurf anisotrope Materialien
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Liquid crystal microwave material characterization complex mediaEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
Date Deposited: 24 Aug 2015 06:46
Last Modified: 24 Aug 2015 06:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46912
Referees: Jakoby, Prof. Rolf and Schmidt, Prof. Lorenz-Peter
Refereed: 19 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4691
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