Reconfigurable Millimeter-Wave Components Based on Liquid Crystal Technology for Smart Applications

This paper presents recent development of tunable microwave liquid crystal (LC) components in the lower millimeter wave (mmW) regime up to the W-band. With the utilization of increasing frequency, conventional metallic waveguide structures prove to be impractical for LC-based components. In particular, the integration of the electric bias network is extremely challenging. Therefore, dielectric waveguides are a promising alternative to conventional waveguides, since electrodes can be easily integrated in the open structure of dielectric waveguides. The numerous subcategories of dielectric waveguides offer a high degree of freedom in designing smart millimeter wave components such as tunable phase shifters, filters and steerable antennas. Recent research resulted in many different realizations, which are analyzed in this paper. The first demonstrators of phased array antennas with integrated LC-based phase shifters are reviewed and compared. In addition, beam steering with a single antenna type is shown. Furthermore, the possibility to realize tunable filters using LC-filled dielectric waveguides is demonstrated

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

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

Novel substrate integrated waveguides and components

This thesis examines the properties of novel waveguides at mm-wave frequencies as advanced alternatives to the conventional components used today in research as well as in commercial applications. The analysis begins with the folded waveguide, a space saving substitute for the well known Rectangular Waveguide (RWG). Folded waveguides are dielectric-filled metallic structures that preserve the original modes of a rectangular waveguide in a more compact geometry. There are two types of folded waveguides, type 1 and type 2 both of which are narrower than RWGs. Furthermore it is proved that the bandwidth characteristics of type 1 are by far superior to those of an RWG. Due to the closed nature of folded structures the dispersion characteristics are identical to those of RWG. This thesis presents design equations for type 1 and type 2 guides and discusses their fabrication process as well as their ability to form multilayer stacks with even greater benefits in bandwidth and reduced dimensions. By introducing discontinuities in the transmission line of a folded guide we create resonating cavities with controllable response i.e. a filter. Hence it is shown that folded guides form the basis for a new class of folded-based components with the benefit of small widths. Another novel type of waveguide analysed in this thesis is the Non Radiative Perforated Dielectric Waveguide (NRPD). The structure is based on the operating principle of the conventional Nonradiative Dielectric Waveguide (NRD) but, instead of air, the slab is surrounded by perforated dielectric. Our structure uses the same theory as the NRD with the only difference being the value of the surrounding permittivity which is equal to the equivalent permittivity of the perforated lattice. NRPD shows manufacturing superiority over conventional NRDs and allows the fabrication of NRPD components such as filters, based on the resonating cavity principle

Microwave Filters Based on New Design Concepts in Several Technologies with Emphasis on the Printed Ridge Gap Waveguide Technology

Microwave filters have been an interesting research topic for more than half a century. Since any communication system is required to use some microwave filters, considerable effort is being made to optimize the performance and size of these filters. As operating frequency is on the rise, filter design becomes more challenging with the demand for low insertion losses and low cost. As low cost might require the use of printed circuit technology, high performance demands waveguide technology that drives the cost to unacceptable levels. There is a need for a new technology that achieves both requirements of low cost and high performance. The new technology of ridge gap waveguide that was proposed in 2011 shows promising characteristics as a new guiding structure, especially for high-frequency bands. Therefore, it is necessary to design and propose classic or even new filtering devices on this technology. Here, we propose the use of this technology to design practical and efficient microwave filters. The work of this thesis can be divided into three major parts: (1) Developing efficient codes and methods to optimize the computationally expensive structure of ridge gap waveguide or any other large-scale microwave filter device. (2) Characterizing cavity structures on ridge gap waveguide and using them in the design of simple microwave filters. (3) The third part will discuss more advanced and practical filters, especially using printed ridge gap waveguide technology. The ultimate goal of this thesis is to design and propose state of the art designs in the field of microwave filters that can satisfy the requirements of today’s advanced communication systems and to be cost efficient and compete with other rival technologies. We achieved these objectives using efficient optimization, efficient design techniques, and fabrication of the models using advanced technology

Full-wave analysis and design of passive microwave and millimetre-wave devices based on dielectric-loaded cavity resonators

Desde los primeros estudios desarrollados por S.B. Cohn a finales de los años 60, los resonadores dieléctricos, con factor de calidad elevado, han sido utilizados para el diseño de filtros paso-banda de microondas. A partir de la aparición en los años 70 de materiales dieléctricos con las propiedades eléctricas y estabilidad térmica idónes, los resonadores dieléctricos se convirtieron en elementos clave en numerosos diseños de filtros. De hecho, esta tecnología se encuentra frecuentemente en sistemas de comunicaciones míviles y por satélite debido a sus ventajas en términos de reducción de masa y volumen, bajas pérdidas, y estabilidad térmica. Por todo ello, el análisis y diseño riguroso de este tipo de filtros ha suscitado un gran interés en la literatura técnica. El objetivo principal de esta tesis doctoral es el desarrollo de una técnica modal eficiente para caracterizar el comportamiento electromagnético de cavidades resonantes cargadas con dieléctricos. Para ello, se presenta una nueva formulación de ecuación integral en el espacio de estados basada en el método BI-RME (del inglés, boundary integral-resonant mode expansion). En dicha formulación, para resolver la ecuación integral de volumen planteada, el resonador dieléctrico se caracteriza de manera rigurosa por medio de las densidades de carga y corriente de polarización equivalentes definidas en el volumen del objeto dieléctrico. Siguiendo este método, los modos resonantes de las cavidades se obtienen a través de la solución de un problema lineal de autovalres. Así mismo, se obtiene la matriz generalizada de admitancias de la cavidad resonante cargada con dieléctrico como una expansión en serie de polos en el dominio de la varable de Laplace. De esta manera, la respuesta electromagnética de las cavidades resonantes puede resolverse en un rango amplio de puntos de frecuencia haciendo uso de un reducido esfuerzo computacional, y evitando así, cálculos intensos en cada punto de frecuencia.Gil Raga, J. (2010). Full-wave analysis and design of passive microwave and millimetre-wave devices based on dielectric-loaded cavity resonators [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/7442Palanci

Contribution à la modélisation des structures SIW et SINRD pour application micro-ondes et télécommunication

Les développements technologiques en télécommunication et microondes tendent depuis plusieurs années vers la miniaturisation des circuits, une réduction des coûts, des masses et des pertes dans ces dispositifs. Les circuits SIW (Substrate Integrated Waveguide) s’inscrivent tout à fait dans cette mouvance et font à l’heure actuelle l’objet de nombreux sujets de recherche avec des applications directes dans l’industrie. Les circuits SINRD (Substrate Integrated Non Radiative Dielectric) utilisent eux les propriétés du substrat usiné (insertion de trous) pour la propagation du signal et des fonctions de l’électronique peuvent également être développées avec cette technologie. La conception de ces circuits passe généralement par des outils peu performants car non dédiés. Dans ce travail de thèse, une méthode numérique dédiée à ces circuits est développée. Elle est validée par comparaison à d’autres méthodes numériques et des mesures. Elle présente des temps de calcul très faibles. De nouveaux dispositifs pour des applications en télécommunications spatiales bas coûts et faibles pertes peuvent ainsi être développés grâce à elle. ABSTRACT : For several years, technological developments in telecommunications and microwave circuit tend to miniaturization, low cost and mass reduction, in these devices. SIW Circuits (Substrate Integrated Waveguide) are developed in this manner and are currently the subject of numerous research topics with direct applications in industry. SINRD circuits (Substrate Integrated Non Radiative Dielectric) use micro machined substrate properties (insertion of holes) for signal propagation and electronic functions can be developed with this technology. The design of these circuits generally use unefficient tools that are not dedicated to these circuits. In this thesis, a numerical method dedicated to these circuits is developed. It is validated by comparison with other numerical methods and measurements. It presents very low computation time. New designs for applications in space communications and low-cost lowloss circuits may be developed through it

Ultra Low Latency 71~76/81~86GHz E-band Radiolink Design

Department of Electrical EngineeringFor the special purpose of a time-sensitive system, such as a financial network, banking network, or medical network for real-time access in hospital, a very low latency of several tenths of a nano-second with a 1.25 Gbps transceiver is required. However, most commercial radiolinks are too slow at 5 ~ 350 ???s of latency through the use of Layer-2 topology with higher-level digital modulation. In this work, a unique topology of an ultra low latency transceiver was implemented by using high-speed ASK modulation with the scheme of physical Layer-1 transmission. In order to achieve a range of tenths of a nano-second of ultra-low latency with simple low cost, the direct conversion architecture was tried first. It was simple but still needed to be revised to address several problems. First, it was too difficult to build an ASK modulator directly at a 70/80 GHz millimeter-wave as it was too sensitive at its physical dimension. Secondly, the flatness was important, but it was difficult to secure the required bandwidth. Most of all, the conversion loss was significantly increased when the received power is low. In order to solve these problems, a heterodyne transceiver was considered. The ASK modulation was conducted at the IF stage. By adopting the heterodyne topology, the burdens of building an ultra wideband ASK modulator in 70/80 GHz millimeter-wave range was alleviated. However, building a 1.25 Gbps ASK modulator in the IF stage presented another new challenge. Several wide band design techniques were proposed as well as trial and error. According to the measurement results, the sensitivity was -45 dBm for 1.25 Gbps under BER 10-12, or error free, and one-way latency was measured by 19.1 ns, which is a superior achievement compared to existing commercial radiolinks worldwide. It was field tested at 4.1 km and showed a good match with its link budget. As a field proven solution, this research result has been partially adapted to a financial network in service between Chicago and New York.ope

Tatsuo Itoh : discurs llegit a la cerimònia d'investidura celebrada a la Sala d'Actes del Rectorat el dia 14 d'octubre de l'any 2015

Tatsuo Itoh va ser investit doctor honoris causa per la UAB per les seves rellevants contribucions a l'enginyeria de radiofreqüència/microones i de les telecomunicacions.Nomenament 19/03/2015. A proposta de l'Escola d'Enginyeria. L'acte d'investidura va tenir lloc el 14 d'octubre de 201