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

Mode-Reconfigurable Bandpass Filters with Liquid Metal Enablement

The RF spectrum grows increasingly crowded every year due to technological advancement and more accessibility to wireless devices. Overcrowding leads to the desire for frequency agile microwave systems with dynamic spectrum access. One way to achieve this agility is by changing the frequency band of operation with mode-reconfigurable devices. This thesis presents three unique Butterworth bandpass mode-reconfigurable filters, designed to be enabled with the use of non-toxic Galinstan liquid metal. Galinstan is used to fill or empty certain vias and channels which change SIW cavity boundaries and external excitation to achieve reversible and repeatable operation. There are three states available in the filters within the C-band of 4-8 GHz: dual band, low band, and high band operation. To achieve low band operation by turning off the high band, a transmission zero is generated and centered over the high band resonant frequency. To achieve high band operation by turning off the low band, the first mode is shifted up to overlap with the second mode resonant frequency. The simulated and measured results showed that either band could effectively be turned off to allow multiband access or switching between the individual bands. The reconfigurable filters offer a promising technique for dynamic frequency access in future wireless systems

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

Design of new radiating systems and phase shifters for 5G communications at millimeter-wave frequencies

With the arrival of the new generation of communications, known as 5G, the systems that constitute it must offer better performance in terms of data speed, latency and connection density than the previous generation of communications. For 5G, an allocation of the frequency ranges that will support future wireless communications has been established. This allocation is formed by a range of frequencies corresponding to bands below 6 GHz and the other range of frequencies includes bands above 24 GHz. In the latter frequency range, which includes part of the millimeter-wave frequency band (from 30 GHz to 300 GHz), the development of new radio frequency (RF) components is necessary because their design and manufacture is a technological challenge. As the frequency that supports wireless communications increases, propagation losses also increase. Therefore, these losses must be compensated by the radiating systems in 5G to make these communications possible. The RF devices that make up these new systems must provide high antenna gain, be power efficient and offer spatial reconfigurability of the radiated signal. In this thesis, the main objective is the design of both guided and radiating RF devices to provide design solutions for future 5G systems at millimeter-wave frequencies. In particular, the contributions made have been to the design of phase shifters and antenna arrays. To improve efficiency at millimeter-wave frequencies, these devices have been designed in waveguide technology. Phase shifters are essential RF devices to control the phase shift of the electromagnetic wave that will be radiated to a certain spatial direction by an antenna array. The design of beamforming networks requires the implementation of phase shifters that produce a fixed or variable phase shift value. However, the design and fabrication of these devices at millimeter-wave frequencies is a complex task. In this thesis, four designs of waveguide phase shifters that produce both fixed and variable phase shift are presented. For phase shifters that provide a fixed phase shift, the value of this phase shift along the frequency is tuned in a desired manner by using periodic structures with higher symmetries. These types of configurations provide both flexibility in the design process and improved electromagnetic performance such as greater operating bandwidth. All the phase shifters have been implemented in gap-waveguide technology to demonstrate its effectiveness in these devices for millimeter-wave frequencies. Regarding the radiating systems, two feeding strategies have been considered in the design process. First, the design of a 70 GHz centered antenna array implemented in gap-waveguide technology combined with the use of separate waveguides in E-plane is proposed. In this design, the feed is guided through a waveguide corporate-feed network. Second, the design of a reflectarray whose unit cells are formed using three-dimensional geometries is presented. In this case, the feeding is done in free space by radiation from a source antenna. In the previous designs, the fabrication of the prototypes was done by 3D printing based on stereolithography. Finally, using unit cells with three-dimensional geometries, the design of radiating devices with more complex functionalities such as reflection/transmission with high directivity and reconfiguration of the reflected radiation by means of graphene structures are proposed.Con la llegada de la nueva generación de comunicaciones, denominada 5G, los sistemas que la conforman deben ofrecer unas mejores prestaciones en términos de velocidad de datos, latencia y densidad de conexiones respecto a la generación de comunicaciones anterior. Para 5G se ha establecido una asignación de los rangos de frecuencia que van a soportar las futuras comunicaciones inalámbricas. Esta asignación se compone por un rango de frecuencias correspondiente a las bandas por debajo de los 6 GHz y el otro rango de frecuencias engloba a las bandas por encima de los 24 GHz. En este ´ultimo rango de frecuencias, en el cual están incluidas parte de la banda de las frecuencias milimétricas (desde 30 GHz a 300 GHz), es necesario el desarrollo de nuevos componentes de radiofrecuencia (RF) ya que su diseño y fabricación supone un reto tecnológico. Al aumentar la frecuencia que soporta las comunicaciones inalámbricas, las pérdidas por propagación también aumentan. Es por ello por lo que estas pérdidas deben ser compensadas por los sistemas radiantes en 5G para que las comunicaciones sean posibles. Los dispositivos de RF que componen estos nuevos sistemas deben proporcionar una alta ganancia de antena, ser eficientes en términos de potencia y ofrecer reconfigurabilidad espacial de la señal radiada. En esta tesis, el objetivo principal es el diseño de dispositivos de RF tanto guiados como radiantes para ofrecer soluciones de diseño a los futuros sistemas 5G en frecuencias milimétricas. De manera particular, las contribuciones realizadas han sido al diseño de desfasadores y agrupaciones de antenas. Para mejorar la eficiencia en frecuencias milimétricas, estos dispositivos han sido diseñados en tecnología en guía de ondas. Los desfasadores son dispositivos RF esenciales para controlar el desfase de la onda electromagnética que será radiada hacia una cierta dirección espacial por una agrupación de antenas. Las redes de beamforming tienen la necesidad de implementar en su diseño desfasadores que producen un valor de desfase fijo o variable. Sin embargo, el diseño y fabricación de estos dispositivos en frecuencias milimétricas resulta una tarea de alta dificultad. En esta tesis se presenta cuatro diseños de desfasadores en guía de onda que producen un desfase tanto fijo como variable. Para los desfasadores que proporcionan un desfase fijo, el valor de este desfase a lo largo de la frecuencia es ajustado de manera deseada mediante el uso de estructuras periódicas con simetrías superiores. Este tipo de configuraciones proporcionan tanto flexibilidad en el proceso de diseño como una mejora de las características electromagnéticas como puede ser un mayor ancho de banda de operación. Todos los desfasadores realizados han sido implementados en tecnología gap waveguide para demostrar su efectividad en estos dispositivos para frecuencias milimétricas. Respecto a los sistemas radiantes, se han considerado dos estrategias de alimentación en el proceso diseño. En primer lugar, se propone el diseño de un array centrado a 70 GHz implementado en tecnología gap waveguide combinado con el uso de guías de onda separadas en plano E. En este diseño, la alimentación es guiada a través de una red de alimentación corporativa en guía de onda. En segundo lugar, se presenta el diseño de un reflectarray cuyas celdas unitarias son formadas mediante geometrías tridimensionales. En este caso, la alimentación se hace en el espacio libre mediante la radiación de una antena fuente. En los anteriores diseños, la fabricación de los prototipos se realizó mediante impresión 3D basado en estereolitografía. Finalmente, a través del uso de celdas unitarias con geometrías tridimensionales, se proponen el diseño de dispositivos radiantes con funcionalidades más complejas como la reflexión/transmisión con alta directividad y la reconfiguración de la radiación reflejada mediante estructuras con grafeno.Tesis Univ. Granada

Switchable and Tunable Ferroelectric Devices for Adaptive and Reconfigurable RF Circuits.

As wireless communication systems have become more prevalent, their role has broadened from simply a means of connecting individuals to one another to a means of connecting individuals to the vast information and social network of the Internet. The resulting exponential increase in the utilization of wireless communication systems, the fundamental limitation of the finite wireless spectrum, and the use of conventional wireless communication systems that are designed to operate at fixed predetermined carrier frequencies pose a significant challenge. One method to address this problem is to use adaptive and reconfigurable wireless communication systems that can change their frequency and mode of operation. Unfortunately, currently available RF and microwave circuit components cannot meet the frequency agility specifications, performance requirements, and cost constraints necessary for the widespread commercialization of such systems. This thesis explores how the multifunctional properties of ferroelectrics such as barium strontium titanate (BST) can be used to design switchable and tunable RF circuits for use in adaptive and reconfigurable wireless communication systems. In particular, the electric field dependent permittivity, electrostriction, and electric field induced piezoelectricity of BST are utilized for the design of electroacoustic resonators and filters. The main contribution of this thesis is the demonstration of several different intrinsically switchable, tunable, and reconfigurable resonator and filter designs. First, BST film bulk acoustic wave resonators (FBARs), which exhibit electric resonances that are controlled by an applied dc bias voltage, are designed, fabricated, and characterized. In addition, reconfigurable dual-frequency resonators that utilize intrinsically switchable and tunable BST FBARs are demonstrated for the first time. Second, intrinsically switchable and tunable ferroelectric FBAR filters with insertion losses as low as 4.1 dB at 1.6 GHz are presented. Furthermore, dual-band BST FBAR filters that exhibit two different pass band responses in the low GHz range are demonstrated for the first time. Third, intrinsically switchable and tunable lateral (contour) mode resonators with frequencies as high as 1.67 GHz are demonstrated for the first time. Last of all, an RF magnetron sputtering system dedicated to BST thin film deposition is designed, assembled, and configured for continuing the improvements in ferroelectric thin film performance.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/107304/1/viclee_1.pd

Integrated Filtering Antennas for Wireless Communications

In traditional radio frequency (RF) front-end subsystems, the passive components, such as antennas, filters, power dividers and duplexers, are separately designed and cascaded via the 50 ? interfaces. This traditional approach results in a bulky and heavy RF front-end subsystem, and suffers from compromised efficiency due to the losses in the interconnections and the mismatching problems between different components. The frequency responses of the antennas such as the frequency selectivity and bandwidth are usually degraded, especially for microstrip antennas. To improve the frequency responses and reduce the size of RF front ends, it is important to investigate novel highly integrated antennas which exhibit multiple functions such as radiation, filtering, power dividing and combining or duplexing, simultaneously. In this thesis, several innovative designs of compact, multi-functional integrated an-tennas/arrays are proposed for wireless communication applications. First, new methods of designing integrated filtering antenna elements with broadband or dual-band performance are investigated. These antennas also feature high frequency selectivity and wideband harmonic suppression. Based on these studies, several integrated filtering array antennas with improved gains and frequency responses are developed for the first time. Compared with traditional array antennas, these proposed antennas exhibit improved bandwidths, out-of-band rejection and wideband harmonic suppression. The application of the filtering antennas in millimeter-wave (mm-Wave) frequency band is also investigated as it can potentially reduce the cost of the mm-Wave front-end subsystems significantly while providing the improved impedance bandwidth. The integrated design techniques are further developed to design novel dual-port highly integrated antennas with filtering and duplexing functions integrated. Such a new concept and the prototypes could find poten-tial applications in wireless communication systems and intelligent transportation system (ITS). In this thesis, comprehensive design methodologies and synthesis methods are provid-ed to guide the design of the integrated filtering antennas. The performance is evaluated with the help of full-wave electromagnetics (EM) simulations. All of the prototypes are fabricated and tested for validating the design concepts. Good agreement between the simulation and measurement results is achieved, demonstrating the integrated antennas have the advantages of compact size, flat gain performance, low losses and excellent harmonic suppression performance. These researches are important for modern wireless communication systems