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Elektronisch steuerbare Dual-mode Flüssigkristall-basierte substrat-integrierte Wellenleiter-Bandpassfilter für das W-Band

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414102181
 
Erstellungsjahr 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel dieses Projekts war die Realisierung von abstimmbaren kompakten mmW-Filtern, in dem die Mikrowellen-Flüssigkristall (LC) Technologie mit dem substratintegrierten Wellenleiter (SIW) kombiniert wird. Ursprünglich sollten die Untersuchungen im W-Band bei 100 GHz stattfinden, jedoch wurde auf Anraten der Gutachter das Ka-Band für die Untersuchungen gewählt. Zusätzlich sollte aber eine Flüssigkristallcharakterisierung bei 100 GHz durchgeführt werden. Für die LC-Charakterisierung wurde ein automatisierter Messaufbau realisiert, der es ermöglicht Flüssigkristalle über die Temperatur und für parallele und orthogonale Ausrichtung zum HF-Feld zu charakterisieren. Die Materialeigenschaften werden anschließend anhand der Messergebnisse mittels Vollwellensimulationen extrahiert. Da sich die Charakterisierung bei 100 GHz sich als zu herausfordernd herausstellte, wurde die Charakterisierung im V-Band bei 60 GHz durchgeführt. Die in diesem Projekt verwendete LC-Mischung GT7- 29001 wurde hierbei von 15°C bis 40°C charakterisiert und mit den Herstellerangaben bei 19 GHz verglichen. Die vorgestellte automatisierte Messaufbau und die Messergebnisse bildeten die Grundlage für den Aufbau einer temperaturabhängigen Hochfrequenz-Charakterisierung verschiedener LC-Komponenten, u.a. für dielektrische Spiegelleitungs-Phasenschieber im Frequenzbereich von 75 GHz bis 110 GHz. Die Realisierung von elektrisch-steuerbaren SIW-LC-Filtern ist nur durch die Integration von Steuerelektroden innerhalb der Resonatoren möglich. Hierfür wird ein Mehrlagenaufbau benötigt, um sowohl die LC-Kavität in das Substrat zu fräsen und die Elektroden zu integrieren. Jedoch stellte sich heraus, dass dies mit Standard-PCB- Verfahren nicht möglich ist, da das Prepreg, mit dem die Leiterplatten miteinander verbunden werden, bei der Herstellung in die LC-Kavität fließen würde. Aus diesem Grund wurde eine alternative Herstellung, zunächst anhand eines SIW-LC-Phasenschiebers im Ka-Band untersucht. Der Lagenaufbau besteht aus zwei Leiterplatten: in die eine Leiterplatte wird die LC-Kavität gefräst und in die andere werden die Elektroden realisiert. Anschließend werden diese miteinander verlötet, wodurch die LC-Kavität versiegelt wird. Durch zwei Befülllöcher kann das LC in die Kavität eingebracht werden. Um die Performanz der Filter gegenüber voll-elektrischer Ansteuerung mittels einer komplexen Elektrodenanordnung deutlich zu verbessern und den technischen Aufwand, d.h. die Anzahl der Elektroden pro Resonator zu reduzieren, wurde ein hybrides Ansteuerungskonzept für Flüssigkristallfilter entwickelt, eingesetzt und erprobt, bei dem die LC-Moleküle durch das gleichzeitige Anlegen eines magnetischen und elektrischen Feldes kontinuierlich in ihrer Orientierung gesteuert werden können. Dies reduziert die erforderliche maximale Steuerspannung und erhöht die Steuereffizienz bis nahezu 100%. Es wurden zwei Filtern entworfen und hergestellt, ein Filter zweiter Ordnung, bestehend aus einem einzelnen LC-Dual-Mode Resonator, und einem Filter vierter Ordnung, bestehend aus zwei miteinander gekoppelten LC-Dual-Mode Resonatoren. Das Filter zweiter Ordnung wurde für eine relative Bandbreite von 1,5 % entworfen und erzielte in der Simulation eine Abstimmbarkeit der Mittenfrequenz von 7,4 %, wobei die Einfügeverluste zwischen 2,12 dB und 2,38 dB variieren. Das Filter vierter Ordnung wurde mit einer relativen Bandbreite von 2,4 % entworfen und erreichte eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 5,4 % mit Einfügeverlusten zwischen 4,80 dB und 5,00 dB. Die Filter wurden zusammen mit einem entworfenen TRL-Kalibrationskit hergestellt, verlötet und mit LC befüllt. Jedoch war eine messtechnische Charakterisierung aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung nicht möglich. Röntgenaufnahmen der verlöteten Filter zeigten, dass an den Stellen wo sich die Ein- und Auskopplung befinden die Leiterplatten nicht miteinander verlötet waren, da die galvanisch aufgetragene Zinnschicht nicht gleichmäßig aufgetragen wurde. Hierdurch war in den Messungen keine Filtercharakteristik erkennbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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