Tunable Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filter and Amplitude Tuner Based on Microwave Liquid Crystal Technology
Tunable Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filter and Amplitude Tuner Based on Microwave Liquid Crystal Technology
Tunable microwave devices are needed to fulfill the requirement of the modern wireless systems. In this work, two major devices have been developed: a tunable filter and an amplitude tuner. Specifically synthesized liquid crystals (LC) have been employed as tuning elements for those devices due to their low loss property at frequency bands above 10 GHz, where printed circuit board (PCB) and low temperature co-fired ceramic (LTCC) technologies are employed for the hardware implementation.
By inserting the LC inside a filter structure, a tunable filter is obtained, so that the center frequency can be altered by using either magnetic alignment or electric biasing. To achieve a low loss filter with a high quality factor (Q-factor) and maintain the compactness, substrate integrated waveguide (SIW) structure is combined with the LC as the tuning element. Consequently, some magnetically aligned structures, which are implemented by using PCB technology, are verified first because of their simplicity. To begin with, a single resonator, which is the important constituent of the filter, is designed, fabricated and measured, resulting in a device with unloaded Q-factor of 102 to 105.6 and a tuning range of 412 MHz around a frequency of 22 GHz. In addition, 3 resonators are cascaded, forming a 3-pole Chebyshev filter. Following results are yielded: center frequency range of 21.45 to 22.06 GHz, insertion loss of 6 dB and fractional bandwidth of 2.81 to 3.54 %. Furthermore, electrically biasing systems for these PCB-based devices, have also been investigated by using glass fabrication technique. A simple demonstrator, which utilizes a tunable delay line structure, provides the following results: FoM of 32 °/dB and a response time of 5 s.
In contrary to the PCB technology, the LTCC technology enables the integration of both the microwave and biasing structures. A single resonator is fabricated first with unloaded Q-factor of 68 to 100, a tuning range of 840MHz (30.16 to 31 GHz) and a response time faster than 2 s. A 3-pole Chebyshev filter is also fabricated with the following results: operating frequency of 29.4 to 30.1 GHz, fractional bandwidth of 11.2 to 11.6% and insertion loss 2 to 4 dB.
The second device, which is the amplitude tuner, changes the amplitude of the input signal in dependence of an applied voltage. For this purpose, tunable resistors and varactors can be employed. However, with the usage of LC, a device with a lower power consumption can be obtained at frequencies above 10 GHz. The proposed amplitude tuner uses the interference concept, splitting the input signal into two branches and at the end, combining it together again at the output port. By using a tunable LC phase shifter in one of the branches, the output amplitude is controllable. Therefore, the required subcomponents are the phase shifters, power divider and combiner as well as transitions. The amplitude tuner is fabricated with the LTCC technology, yielding a device with amplitude range of 11 to 30 dB at around 30 GHz. Thus, an LC-based amplitude tuner operating at the lower millimeter wave band is achieved for the first time.
Steuerbare Mikrowellenkomponenten erlauben eine flexible Anpassung in modernen drahtlosen Systemen. Zwei Komponenten wurden in dieser Arbeit entwickelt: ein steuerbares Filter und ein Amplitudensteller. Als Steuerelement wurden Flüssigkristalle (engl. liquid crystal, LC) speziell synthetisiert für den Mikrowellenbereich eingesetzt, da diese LCs niedrige Verluste für Frequenzen über 10 GHz aufweisen. Die Komponenten wurden in Printed Circuit Board (PCB) und Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) Technologie realisiert.
Durch Einfügen von LC in der Filterstruktur wird ein steuerbares Filter ermöglicht. Hierbei ist die Mittenfrequenz vom Filter sowohl mit einem magnetischen als auch elektrischen Netzwerk steuerbar. Um ein verlustarmes Filter mit hoher Güte (Q-Faktor) zu erreichen und gleichzeitig die Kompaktheit beizubehalten, wurde ein Substrate Integrated Waveguide (SIW) mit dem LC als Steuerelement kombiniert. Um dieses neuartigen Filter zu untersuchen, wurden Zunächst einige einfache PCB-Strukturen nur mit magnetischen Biasing entwickelt. Dazu wurde ein einzelner Resonator entworfen, hergestellt und gemessen. Die Ergebnisse sind: Güte von 102 bis 105.6, eine Steuerbarkeit von 412 MHz bei einer Arbeitsfrequenz von 22 GHz. Zusätzlich wurde 3 Resonatoren miteinander kaskadiert, die ein 3-pol Tschebyscheff-Filter bilden. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Arbeitsfrequenzbereich von 21.45 bis 22.06 GHz, Verlust von 6 dB und Bandbreite von 2.81 bis 3.54 %. Als erster Test wurde auch ein elektrisches Ansteuernetzwerk für diese PCB-basierten Komponenten anhand eines einfachem Verzögerungsleitung (Phasenschieber) hergestellt und untersucht mit folgendem Ergebniss: FoM von 32 °/dB und Schaltzeit von 5 s.
Im Gegensatz zur PCB-Technologie, hat die LTCC-Technologie den Vorteil, die Ansteuersschaltung einfacher in die SIW-Filterstruktur integrieren zu können. Ein einzelner Resonator wurde hierzu Zunächst hergestellt: Güte von 68 bis 100, Steuerbereich von 840MHz (30.16 bis 31 GHz) und Schaltzeit besser als 2 s. Anschließend erfolgte die Realisierung eines 3-pol Tschebyscheff-Filter mit folgenden Charakteristika: Arbeitsfrequenz von 29.4 bis 30.1 GHz, Bandbreite von 11.2 bis 11.6% und Verluste von 2 bis 4 dB.
Die zweite Komponente, der Amplitudensteller, ändert die Amplitude des Eingangssignals abhängig von der Steuerspannung. Für diese Zweck können sowohl steuerbare Widerstände als auch Varaktoren verwendet werden. Um ein Gerät mit geringer Leistungsaufnahme bei Frequenzen über 10 GHz zu erhalten, sind LC-basierte Komponenten besonders vielversprechend. Der vorgeschlagene Amplitudensteller verwendet das Interferenzkonzept, welches das Eingangssignal in zwei Zweige aufteilt und wieder am Ausgangsport addiert. Durch die Verwendung eines steuerbaren LC-Phasenschiebers in einem der Zweige ist die Ausgangsamplitude steuerbar. Diese Amplitudenstellerteilkomponenten wurden entworfen: Phasenschieber, Leistungsteiler und Kombinierer sowie die Übergänge. Der Amplitudensteller wurde mit der Hilfe der LTCC-Technologie hergestellt mit einem Amplitudeneinstellbereichs von 11 bis 30 dB bei einer Arbeitsfrequenz um 30 GHz. Damit wurde ein LC-basierter Amplitudenschieber im unteren Millimeterwellenband zum ersten Mal implementiert.
