Капитанова П В, Серебрякова Є В, Холодняк Д В, Вендік І Б Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет «ЛЕТІ» м Санкт-Петербург, 197376, Росія e-mail: D VKholodnyal < @ mail . eltech. ru

Анотація – Представлені оригінальні конструкції інтегральних СВЧ-пристроїв, що використовують штучні лінії передачі з негативною дисперсією, – дискретних октавних СВЧ-фазовращателей і мініатюрного диференціального дільника-суматора потужності НВЧ

I                                      Введення

останнім часом посилився інтерес до застосування в СВЧ-пристроях так званих «лівосторонніх» ліній передачі (Left-Handed Transmission Lines

– LH TL) або лінії з негативною дисперсією (ЛОД), в яких фазова і групова швидкості протівонаправлени [1] Комбінуючи ЛОД і традиційні лінії передачі з позитивною дисперсією (ЛПД), в яких поширення електромагнітної хвилі

описується правої трійкою векторів Е, Н і к (Right-Handed Transmission Lines – RH TL), можна створювати СВЧ-пристрої з принципово новими властивостями [1], в тому числі широкосмугові пристрої з робочої смугою частот рівний октаві і більше і пристрої з зменшеними габаритами

У даній роботі представлено застосування штучних ЛОД для розробки широкосмугових дискретних СВЧ-фазовращателей і малогабаритного диференціального дільника потужності на основі гібридного кільця, виконаного на квазісосредото-чинних елементах Всі пристрої реалізовані у вигляді багатошарових ІС НВЧ по сендвіч-технології [2]

II Широкосмугові фазовращателі

в основі широкосмугового дискретного фазовращателя (ФВ) на ЛПД і ЛОД (Мал 1) лежить перемикання шляху поширення хвилі між двома каналами з однаковим нахилом ФЧХ [3] В одному стані хвиля, проходячи по відрізку ЛПД, отримує негативний фазовий набіг φι (ί) =-0i (f), де Θ – електрична довжина лінії В іншому стані, коли хвиля проходить через ЛОД, що має негативну електричну довжину, фазовий набіг – позитивний: Φ2 (ί) = -02 (f) Диференціальний фазовий зсув становить Δφ (ί) = ψ2 (ί) – φι (ί)

Можна теоретично показати, що смуга частот ПО мінімуму помилки фазового зсуву максимізують

Рис 1 Дискретний ФВ на перемиканні ЛПД і ЛОД

Fig 1 Digital phase shifter based on switching between RH TL and LH TL

ється в разі рівності нахилів ФЧХ на центральній частоті fo, яке має місце при однаковій ПО модулю електричної довжині відрізків ЛОД і ЛПД, рівний | 0 (fo) | = Δφ (ίο) / 2 Теоретична межа помилки фазового зсуву в цьому випадку становить ± 3% для смуги частот дорівнює одній октаві і ± 12,5% в двухоктавной смузі При цьому робоча смуга частот такого ФВ обмежена тільки допустимої помилкою фазового зсуву, так як належний вибір хвильового опору відрізків ЛОД і ЛПД теоретично забезпечує ідеальне узгодження по входу в як завгодно широкій смузі частот

Відрізки ЛОД, яких в явному вигляді в природі не існує, виконують у вигляді штучних довгих ліній на зосереджених елементах В якості елементарного осередку виступає Т-або П-схема, що складається з послідовних ємностей і паралельних индуктивностей У свою чергу, відрізки ЛПД можуть бути реалізовані як у вигляді штучних, так і у вигляді реальних ліній передачі

Оскільки значення елементів LC-осередків визначаються на центральній частоті, в широкій смузі частот ФЧХ штучних довгих ліній, що складаються з таких осередків, будуть відрізнятися від теоретичних ФЧХ ідеальних довгих ліній: для ЛОД на частотах нижче, а для ЛПД – вище центральної частоти Було показано, що для октавного 180 ° ФВ достатню наближення до характеристик ідеальних довгих ліній вже забезпечує використання двох елементарних осередків (Мал 2), а для менших значень фазового зсуву, – досить усього одного осередку [4], [5]

На Рис 3, а показана конструкція 180 ° ФВ, в якому ЛОД виконана у вигляді каскадного зєднання двох однакових Т-схем на квазісосредоточенних елементах, що забезпечують фазовий набіг +45 ° ка

Рис 2 Вплив числа LC-осередків на ФЧХ штучних ЛПД і ЛОД (одна осередок – пунктир, два осередки – штрих-пунктир, ідеальні довгі лінії – суцільні лінії)

Fig 2 Influence ofLC-cells number on phase response of artificial RH TL and LH TL (single LC-cell – dashed lines, two cascaded LC-cells – dash-dot lines, and ideal transmission line sections – solid lines)

Рис 3 Конструкція (а), розрахункові (пунктир) і виміряні (суцільні лінії) характеристики (b) – (d) 180 ° ФВ Fig 3 Design (а), simulated (dashed lines) and measured (solid lines) characteristics (b) – (d), ofthe 180° phase shifter

ждая В якості ЛПД з фазовим набігом -90 ° використовується відрізок копланарного хвилеводу відповідної довжини [3] – [5] Перемикання між ЛПД і ЛОД здійснюється за допомогою навісних pin діодів Ланцюги подачі зміщення виконані на навісних LC-елементах Розміри ІС пристрої, реалізованого no МНОГОСЛОІНОІ сендвіч-технології на підкладці з поликор товщиною 1 мм з одним додатковим діелектричним шаром товщиною 60 мкм, складають 21x14x11 мм ^

Електродинамічне моделювання багатошарової структури 180 ° ФВ з урахуванням еквівалентної схеми pin діода в двох станах продемонструвало, що фазовий зсув 180 +5 ° забезпечується в смузі частот більш ніж одна октава (18-41 ГГц, тобто 85%) У цій же смузі частот узгодження по входу в обох станах краще, ніж -15 дБ, а вносяться втрати не перевищують 055 дБ

Експериментальне дослідження резонатора виявило хороший збіг виміряних характеристик з результатами електродинамічного моделювання, за винятком появи паразитного резонансу на частоті 375 ГГц, який викликаний впливом ланцюгів подачі зміщення, не враховуються при моделюванні Тим не менш, в смузі частот 20

Рис 4 Еквівалентна схема (а), топологія (Ь) і характеристики (с) диференціального дільника Fig 4 Equivalent circuit (а), layout (b), and characteristics (c) ofthe balun

36 ГГц виміряний фазовий зсув склав 180 ± 7 ° Експериментальне значення вхідного коефіцієнта відображення в цій смузі частот склало не більше -11 дБ в каналі ЛПД і не більше -14 дБ в каналі ПОД Виміряні вносяться втрати склали близько 07 дБ в каналі ЛПД і не більше 09 дБ в каналі ЛОД Експериментальні характеристики ФВ представлені на Рис 3, bd у порівнянні з результатами електродинамічного моделювання

4 Аналогічним чином у вигляді багатошарових керамічних структур були реалізовані дискретні ФВ з фазовим зрушенням 45 +2 ° і 90 +3,5 ° у смузі частот 2ГГц Габарити пристроїв склали 165x11x11 мм ^ і 13x0x11 мм ^, відповідно Окремі фазовращательние розряди були обєднані в єдину ІС трехразрядного широкосмугового ФВ

III Мініатюрний диференційний дільник-суматор потужності СВЧ

в якості узгодженого диференціального дільника-суматора потужності СВЧ широко застосовується гібридне кільце, що складається з трьох відрізків лінії передачі з електричною довжиною 90 ° і одного відрізка з довжиною 270 ° Проте великі габарити пристрою ускладнюють його використання в нижній частині СВЧ-діапазону Заміна відрізка ЛПД з електричною довжиною 270 ° на штучну ЛОД з електричною довжиною -90 °, виконану у вигляді П-схеми на квазісосредоточенних елементах, значно зменшує габарити гібридного кільця Чвертьхвильові відрізки ЛПД, також можуть бути реалізовані у вигляді П-схеми на квазісосредоточенних реактивностях Такий підхід дозволяє реалізувати

мініатюрні диференціальні подільники-сума-тори потужності СВЧ для систем бездротового звязку

При зєднанні П-схем, що реалізують ЛПД і ЛОД, на входах 1 і 4 утворюються паралельні контури, настроєні на центральну частоту, які можуть бути виключені зі схеми (Мал 4, а) з повним збереженням поведінки пристрої на цій частоті

Реалізація пристрою по багатошарової сендвіч-технології дозволяє зменшити вплив паразитних ємностей на заземлений екран за рахунок використання товстої підкладки [2] Топологія розробленої ІС диференціального дільника-суматора представлена ​​на Рис 4, Ь Пристрій з центральною частотою 245 ГГц має розміри 13x12x11 мм ® За результатами електродинамічного моделювання з урахуванням втрат в провідних і діелектричних шарах такий дільник-суматор забезпечує в смузі частот 22-27 ГГц (Мал 4, с) рівне розподіл потужності між виходами 2 і 4с нерівномірністю ± 1 дБ При цьому різниця фаз хвиль у вихідних плечах становить 180 ± 5 ° У зазначеній смузі частот узгодження по входу – краще, ніж -25 дБ, розвязка – не гірше -20 дБ, вносяться втрати – близько 02 дБ

IV Висновок

На комбінації ЛПД, виконаних як штучні або реальні лінії передачі, і штучних ЛОД на квазісосредоточенних елементах розроблений ряд октавних дискретних СВЧ-фазовращателей і мініатюрний диференційний дільник-суматор потужності НВЧ Пристрої реалізовані у вигляді багатошарових ІС НВЧ по сендвіч-технології

Робота виконана за підтримки Мережі досконалості та майстерності «Метаморфоза» 6-ї рамкової програми Європейської Комісії (проект № 500252)

V                            Список літератури

[1] с Caioz and Т Itoh, Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications, Wiley, 2006

[2]  P Kapitanova, A Simine, D Kholodnyak, and I Vendik, «Application of sandwich multilayer technology to MICs design», Proc of 35th European Microwave Conf, Paris, France, Oct 2005, pp 389-392

[3]  O Vendik, I Vendik, D Kliolodnyak, S Zubko, and E Serebryakova, «Electronically controlled phase shifters based on right/left-handed transmission lines», Proc of 35th European Microwave Conf, Paris, France, Oct, 2005, pp 909-912

[4]  I Vendik, O Vendik, D Kliolodnyak, E Serebryakova, and P Kapitanova, «Digital phase shifters based on right- and left-handed transmission lines», Proc of European Microwave Association, Vol 2, No 2, 2006 (in print)

[5]  D Kholodnyak, E Serebryakova, I Vendik, and O Vendik, «Broadband digital phase shifter based on switchable right- and left-handed transmission line sections», IEEE Microwave and Wireless Comp Lett, Vol 16, No 5, pp 258-260, 2006

MICROWAVE MICROELECTRONIC DEVICES BASED ON ARTIFICIAL TRANSMISSION LINES WITH NEGATIVE DISPERSION

P Kapitanova, E Serebryakova,

D                             Kholodnyak, I Vendik St Petersburg Eiectrotechnicai University «LETi»

St Petersburg, 197376, Russia e-maii: D VKhoiodnyak@maii eitechru

Abstract – Original designs of integrated microwave devices such as digital phase shifters with one octave operational bandwidth and miniaturized balun using artificial transmission lines with negative dispersion are presented

I                                       Introduction

Left-handed transmission lines (LH TL) is characterized by negative dispersion with the opposite directions of the phase and group velocities A combination of LH TL and conventional right-handed transmission lines (RH TL) with positive dispersion gives a possibility to design novel microwave devices with unusual properties [1] Presented in this paper is design of broadband digital phase shifters and miniaturized balun using artificial LH TL sections All the devices were realized as multilayer MICs using sandwich technology [2]

II                  Broadband Digital Phase Shifters

The operational principle of digital phase shifter based on switchable RH TL and LH TL is shown in Fig 1 [3] Switching between the RH TL and LH TL sections with the electrical lengths, which are the same by absolute value at the central frequency and differ in sign, results in rather parallel runs of the phase characteristics providing almost constant phase shift over a wide frequency band One can easily show that the phase shift error of ±3 % is achieved in one octave bandwidth and ±125 % over two octaves

Since the real LH TL does not exist, artificial implementation of the LH TL based on lumped-element T- or Π-networks has to be used while the RH TL can be realized as either a lumped- element structure or the natural TL It was ascertained [4], [5] that for the smaller phase shifts (Δφ < 90°) operational bandwidth of one octave is achieved using a single T- or Π-cell In the case of the 180° phase shifter two cascaded single cells are enough to provide the same bandwidth regarding both the flat phase shift and suitable input matching (Fig 2)

Fig 3, a shows coplanar design of the 180° phase shifter using artificial LH TL implemented as two cascaded quasi-lumped- element T-networks providing +45° phase incursion each The RH TL is realized as the natural coplanar waveguide [3]-[5] Surface mounted p-i-n diodes are used as switching elements The device dimensions are 21x14x11 mm^ According the results of EM simulation the device provides phase shift of 180±5° in more than one octave bandwidth (18-41 GHz, I e, 85%) A good agreement between measured and simulated data is observed (Fig 3) except parasitic resonance in the LH TL characteristics at 375 GHz, which is caused by influence of the surface mounted p-i-n diodes and biasing networks Within the frequency range 20-36 GHz the experimentally observed phase shift was 180±7° Measured return loss was not worse than 11 dB for the RH TL being switched on and not less than 14 dB in the case of the LH TL The insertion loss was not higher than 07 dB for the RH TL and no more than 09 dB for the LH TL

The same approach was applied to design the 45±2° and 90±35° phase shifters operating in the frequency range 2-4 GHz The 3-bit digital phase shifter based on switchable RH TL and LH TL was designed by cascading three one-bit phase shifters

III                                Miniaturized Balun

The rat-race ring is often used as a matched balun However, a large size limits its application at telecommunication frequencies Replacing the 270° TL section by the -90° artificial LH TL may overcome the problem Moreover, other three 90° TL sections can be realized as artificial RH TL The parallel tanks, which appear when all the TL sections in a rat-race ring are replaced by lumped-element Π-networks, can be removed from the equivalent circuit (Fig 4, a) without changes in characteristics at the central frequency Using the thick ceramic substrate allows eliminating an influence of parasitic capacitance to the ground [3] The size of the matched balun (Fig 4, b) designed for the frequency 245 GHz is 13x12x11 mm

Results of EM simulation of the lossy balun structure are presented in Fig 4, c In the frequency range 22-27 GHz the device provides an equal power division with the amplitude unbalance, which does not exceed ±1 dB The return loss is better than 25 dB and the isolation is not worse than 20 dB The insertion loss is about 02 dB The phase difference is 180±5°

IV                                       Conclusion

The phase shifters with the operational bandwidth of one octave and the miniaturized balun were designed on a combination of RH TL and LH TL and realized by means of the sandwich multilayer technology

This work was supported by the Network of Excellence «Metamorphose» of the 6-th Framework Program of the European Commission (Project No 500252)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р