Grundlegende Untersuchungen von abstimmbaren Flüssigkristall-Filtern für Hochfrequenzanwendungen

In dieser Arbeit werden abstimmbare Bandpassfilter für rekonfigurierbare Hochfrequenzanwendungen im Millimeterwellenbereich (30 GHz bis 300 GHz) untersucht. Hier für werden Flüssigkristalle (Liquid Crystal, LC) verwendet, die speziell für diesen Frequenzbereich optimiert sind und niedrige Verluste aufweisen. Aufgrund der richtungsabhängigen Anisotropie der Permittivität ist die Realisierung von kontinuierlich abstimmbaren hochperformanten Hochfrequenzkomponenten möglich. Ferner weist die LC-Technologie aufgrund der hohen Leistungstragfähigkeit, der hohen Linearität und einem sehr geringen Energieverbrauch ein sehr großes Potenzial für den Einsatz in zukünftigen flexiblen Transceivern auf. Für einen präzisen Filterentwurf müssen die dielektrischen Eigenschaften des verwendeten LCs bei der Operationsfrequenz bekannt sein, weshalb die Charakterisierung des LCs bei den in dieser Arbeit angestrebten Frequenzen einen Ausgangspunkt bildet. Da resonante Methoden eine genaue Bestimmung der Materialeigenschaften ermöglichen, wurde zunächst ein Resonator bei 60 GHz entworfen und anschließend ein automatisierter Messaufbau entwickelt, mit welchem die LCs über die Temperatur für die parallele und orthogonale LC-Ausrichtung charakterisiert werden. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt bei dem Entwurf, der Realisierung und der messtechnischen Charakterisierung von rekonfigurierbaren LC-Filtern. Dabei wurden verschiedene Wellenleitertopologien und neuartige LC-Ansteuerungskonzepte untersucht und miteinander verglichen. Zunächst wurde ein in der Mittenfrequenz-abstimmbares Filter mit einem speziellen Wellenleiter, mit einem nicht-abstrahlenden Dielektrikum (Non-Radiative Dielectric, NRD), bei 60 GHz entworfen. Mit einer rein elektrischen LC- Ansteuerung wurde eine Abstimmbarkeit von 2,9 % und einem maximalen Einfügeverlust von 6,2 dB erzielt. Des Weiteren wurden vollständig rekonfigurierbare Filter mit voneinander unabhängig abstimmbarer Bandbreite und Mittenfrequenz untersucht, die eine Abstimmung mit konstanter Filtercharakteristik ermöglichen. Das erste vollständig rekonfigurierbare LC-Filter wurde mit dem Rechteckhohleiter bei 30 GHz realisiert, welches mit einer rein elektrisch LC-Ansteuerung eine Bandbreitenabstimmbarkeit von 24 % und eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 3 % erreichte. Die Einfügeverluste variieren zwischen 3,5 dB und 4,2 dB. Daraufhin wurde ein Filter entworfen, das einen offenen Wellenleiter, den sogenannten Groove Gap Waveguide (GGW) verwendet, der aus einer metallischen Platte (Perfect Electrical Conductor, PEC) und einer im Abstand kleiner einer viertel Wellenlänge gegenüberliegenden Metaoberfläche besteht, die einen künstlichen magnetischen Leiter (Artificial Magnetic Conductor, AMC) darstellt, erzeugt durch periodische Strukturen, hier speziell einer Anordnung aus metallischen Pins oder Stiften (Bed of Nails, BoN). Die für die DC-Entkopplung beider Platten (PEC und AMC) erforderliche offene Struktur dieser GGW-Filter vereinfacht die Integration der Elektrodenanordnung für die kontinuierliche Ausrichtung der LC-Moleküle. Im konkreten Fall wurde hierzu erstmalig eine hybride LC-Ansteuerung, einer Kombination aus elektro- und magnetostatischen Steuerfeldern, ausprobiert. Das GGW-Filter erzielte eine Bandbreitenabstimmbarkeit von 6,5 % und eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 3,4 % mit geringen Einfügeverlusten zwischen 1,65 dB und 1,95 dB.

This work depicts fundamental investigations on reconfigurable filters based on liquid crystal (LC) for high frequency applications. The used LCs mixtures are specially synthesized for the millimeter wave (mmWave) regime (30 GHz to 300 GHz). The LC’s anisotropy of the permittivity, which depends on the direction of the molecules to the RF field, enables the design and production of high performance continuous tunable mmWave components. Due to its low loss characteristic, high power handling and linearity, and low power consumption, it has a very high potential to be used for future flexible transceiver architectures in the mmWave regime. For accurate filter design, the LC’s dielectric material properties must be known precisely at the desired frequency. Therefore, in this work, a resonant LC characterization has been performed, since the material properties can be extracted more precisely as for broadband methods. First, a V-band waveguide resonator has been designed at 60 GHz and afterwards an automated measurement setup has been developed, which allows a characterization over temperature for both parallel and orthogonal LC orientation. The main focus of this dissertation is on the design, realization and metrological characterization of reconfigurable LC filters. Different waveguide topologies and bias concepts have been investigated and compared. First, a center frequency tunable filter has been designed with a special dielectric waveguide, which is, in contrast to other dielectric waveguides, not prone to radiation losses. The filter achieved a center frequency tunability of 2,9 % with electric biasing, accompanied by a maximum insertion loss of 6.2 dB. Afterwards, two fully reconfigurable filters with tunable bandwidth and center frequency have been designed, which enable a tuning with constant filter characteristic. The first fully reconfigurable LC-filter is based on rectangular waveguide topology with solely electric LC biasing. It obtained a bandwidth and center frequency tunability of 24 % and 3 %, respectively, at 30 GHz. The insertion losses were ranging between 3.5 dB and 4.2 dB. The second fully reconfigurable LC-filter is based on groove gap waveguide (GGW) topology. Due to a DC decoupling, it has an open structure, which simplifies the integration of the bias electrodes. Furthermore, a novel hybrid bias concept has been proposed and verified, which is combining electric and magnetic bias fields. The GGW filter achieved a bandwidth and center frequency tunability of 6.5 % and 3.4 %, respectively, at 30 GHz and the insertion loss varies between 1.65 dB and 1.95 dB.