Колмаков Я. А. Вендік І. Б. Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет «ЛЕТІ» вул. Проф. Попова, Санкт-Петербург 197376, Росія Тел.: (8812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru

Анотація Спроектовано і експериментально досліджені мікрополоскових смугово-пропускають НВЧ фільтри 12-го порядку, матеріал провідників високотемпературний надпровідник (ВТНП) і фільтр 4-го порядку, матеріал провідників мідь. Особливістю фільтрів є використання пар резонаторів.

I. Вступ

Мікрополоскових пристрої мають безліч переваг: мініатюрність, мала вага, технологічність виробництва. Істотними недоліками, які яскраво проявляються в полоснопропускающіх фільтрах, є значні втрати в смузі пропускання та наявність паразитних зв’язків між не сусідніми резонаторами. Якщо рівень втрат можна радикально зменшити, використовуючи ВТСП для формування мікрополоскових ліній, то проблема паразитних зв’язків зазвичай вирішується збільшенням відстані між не сусідніми резонаторами [1], що призводить до збільшення розмірів фільтра.

В даній статті розглянуті топології резонаторів і спосіб їх розташування, які мінімізують вплив паразитних зв’язків на передавальну характеристику фільтра, не збільшуючи розмірів топології.

II. Основна частина

Першим фільтр, який був складений у вигляді решітки не з окремих резонаторів, а з пар резонаторів, був фільтр на півхвильових резонаторах у вигляді згорнутої в меандр, що складається з трьох паралельних відрізків микрополосковой лінії [2]. Пара таких резонаторів мала два нуля передачі симетрично розташованих відносно центральної частоти. Такий вид передавальної характеристики для пари став критерієм пошуку інших пар резонаторів.

Використовуючи пару модифікованих резонаторів “шпильок” був спроектований фільтр 12-го порядку.

Рис. 1. Топологія фільтра 12-го порядку Fig. 1. Layout ofthe 12-pole filter

При проектуванні фільтра для визначення відстані між резонаторами використовувалися коефіцієнти зв’язку для чебишовської фільтра. Підсумкова характеристика була отримана шляхом коригування відстаней між резонаторами з використанням пакета електромагнітного моделювання Sonnet.

На рис. 1 зображена розроблена топологія фільтру 12-го порядку. Фільтр був зроблений на підкладці 1_аАЮз товщиною 0.52 мм з нанесеною на неї з двох сторін плівкою надпровідника YBCO товщиною 700 нм. Фільтр займає площу 17×22 мм2. Вимірювання фільтра проводилися в корпусі розміром 30x30x7 мм3. На рис. 2 показана розрахункова характеристика і результати вимірювань при температурі Т = 50 К. Результати вимірювань дуже добре узгоджуються з результатами моделювання, при цьому підстроювання фільтру не проводилося. Втрати в середині смуги пропускання близько -0.2 дБ, крутизна схилів фільтра відповідає крутизні чебишовської фільтра 12-го порядку. Центральна частота 1.7475 ГГц, смуга пропускання 75 МГц, замикання поза смуги пропускання -60 дБ. За допомогою програми [3] були отримані параметри моделі плівки ВТНП [4] за результатами вимірювання фільтра при декількох температурах. Діелектрична проникність підкладки 23.6 при Т = 300 К, поверхневий опір плівки YBCO може бути описано наступними модельними параметрами: у = 2.2, а = 10, сп(Тс) = 3-106 (Ом-м) ‘1, Тз= 86.5 К.

На основі іншої пари згорнутих резонаторів був розроблений фільтр 4-го порядку, що має два симетрично розташованих нуля передачі. Топологія фільтра представлена ​​на рис. 3. Було виготовлено чотири зразки фільтрів (матеріал провідників мідь) на підкладці з Полікор

Рис. 2. АЧХ фільтра 12-го порядку (суцільна лінія експеримент, штрихова розрахунок)

Fig. 2. Performance of the 12-poie filter (firm line is measured, dashed is simulated)

Рис. 3. Фаза S ^ e функції прикладеної напруги

Fig. 3. Phase S12 measurement for different Vbias

пристроїв, в тому для підкладок антен. Отримані результати (наприклад, коефіцієнт перебудови діелектричної проникності, зсув фази) показують, що розроблений композитний матеріал з сегнетоелектрик може бути використаний при розробці нових типів керованих антен та НВЧ пристроїв.

IV. Список літератури

[1] F. De Flaviis, N. G. Alexopoulos, О. M. Stafsudd. Planar microwave integrated phase-shifter design with high purity ferroelectric material. IEEE Trans. MTT, Vol. 45, NO. 6, June 1997, pp. 963-969.

[2]  Yu Liu, A. S. Nagra, E. G. Erker, P. Periaswamy, T. R. Taylor, J. Speck, R. A. York. BaSrTi03lnterdigitated Capacitors for Distributed Phase Shifter Applications. IEEE Microwave and wave letters, Vol. 10, N0.11, November 2000

[3] B. J. Kim, S. Baik, Y. Poplavko, Y. Prokopenko. Epitaxial BST thin film as microwave phase shifter. ISIF 2000 Abstracts, Aachen, p. 180.

[4] E. Jaszczyszyn, M. Szafran, J. Modelski, E. Bobryk. Badanie wtasciwosci materiatow ferroelektrycznych w zakresie mikrofal. Kwartalnik elektroniki i telekomunikacji PAN. 2003. 49. z.2. str. 245 -254.

PHASE SHIFTER ON COMPOSITE FERROELECTRIC SUBSTRATE

Modelski J., Yashchyshyn Y.

Institute of Radioelectronics,

Warsaw University of Technology Nowowiejska 15/19, 00-665 Warsaw, Poland e-mail: e.jaszczyszyn@ire.pw.edu.pl; j. modelski@ire.pw. edu.pl

Abstract Tunable phase shifter on ceramic-polymer composite (with modified ferroelectric powder and appropriate polymer) substrate is realized and tested. This composite ferroelectric material has been synthesized and investigated for microwave applications.

I.  Introduction

The main reason why ferroelectric materials have not been used at microwave range had been high losses. The familiar ferroelectric phase shifters (e.g., [1], [2] and [3]) use paraelectric thin film technology for decreasing losses. In this paper the new ferroelectric materials in ceramic-polymer form for the realization of phase shifter operating at microwave range have been presented. Ceramic-polymer composite with modified ferroelectric powder Ba0,65Sr0,35TiO3 and appropriate polymer (grains of the powder have been sprayed into polymer with specific method) have been synthesized and investigated.

II.  Main part

As an example of possible use of ceramic-polymer ferroelectric material a tunable phase shifter operating in the frequency range between 2 GHz and 3 GHz is realized and tested. The photograph of ferroelectric tunable phase shifter is shown in Fig. 1. There is two filter band-pass in the picture. They ensure isolation of the bias from the microwave signal within a reasonably wide bandwidth.

The microstrip transmission line is printed on 200|jm ceramic-polymer ferroelectric substrate and has a width of 200|jm. The length ofthe strip will determine the maximum phase shift, which can be obtained for a fixed change of the propagation constant, associated with the maximum bias voltage applied. This means that longer strips will give larger phase shift for a fixed change in the propagation constant. In our case the length of the strip has been 55mm. The bias of the substrate is achieved using special DC-block. Measurement results of the correspondence between the effective permittivities and bias voltage for some sample are reported in Fig. 2. It can be seen that maximum tunability is about 37%. Obtained losses (tanS) have been 0.05. Time-domain method (TDM) allows to determine ferroelectric permittivity by measuring the time delay of signal propagating through the microstrip transmission line printed on ferroelectric sheets [4].

The results of measurement of S12 parameter phase is shown in Fig. 3. More than 70° phase shift is achieved with bias voltage below 800V. The insertion loss at 2.4 GHz is about

0.         7dB with no bias field, and increases to 2.8dB when a bias field of 800V is applied. The maximum total change of insertion loss is about 2.1dB.

III.  Conclusion

A novel technique for production of low-cost ferroelectric ceramic-polymeric material for microwave applications has been introduced. New design for a low-loss broad-band planar phase-shifter operating at 2.4 GHz has been discussed. Obtained results (e.g. tuning ability coefficient of the effective permittivity and phase shift) show that ferroelectric ceramicpolymer material can be utilized in designing new type of antennas and microwave devices.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.