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Konzepte und Synthese Flüssigkristallbasierter Filter mit kontinuierlich steuerbarer Mittenfrequenz und Bandbreite im Ka-Band

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424862129
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projekts wurden drei unterschiedliche Mikrowellenfilter auf Basis von Flüssigkristall (Liquid Crystal, LC) simuliert, gefertigt und vermessen. Zunächst wurde ein Hohlleiterfilter bei 30 GHz entworfen und gefertigt. Das Filter zweiter Ordnung nutzt zusätzliche Resonatoren, um die Abstimmbarkeit der Bandbreite zu ermöglichen. Hierzu enthält jede Hohlraumkavität einen Behälter aus Rexolite, welcher mit LC gefüllt ist. Weiterhin sind jeweils unter- und oberhalb der Kavitäten dünne Elektroden angebracht, um ein elektrisches Feld zur Orientierung der stabähnlichen LC-Moleküle anlegen zu können. Hierdurch ändert sich die effektive Permittivität des LCs in Abhängigkeit der angelegten Spannung, wodurch die elektrische Länge des Resonators und somit die Resonanzfrequenz variiert wird. Die 3dB-Bandbreite des Filters ist von 655 MHz bis 872 MHz kontinuierlich steuerbar, was einer Abstimmbarkeit von 24 % entspricht. Die Mittenfrequenz kann um 3 % variiert werden. Der durch die Elektroden benötigte modulare Aufbau verursacht verhältnismäßig hohe Einfügeverluste von 3,5 dB bis 4,2 dB, je nach gewähltem Übertragungszustand. Daher wurde ein weiteres Filter mit identischen Spezifikationen in „Groove Gap Waveguide“(GGW)-Technologie untersucht. Vorteilhaft ist, dass die Seitenwände aus mehreren Reihen Pins bestehen, die keinen Kontakt zum Deckel haben müssen. Hierdurch wird die Implementierung der Elektroden vereinfacht. Zudem wurde ein neuartiges hybrides Ansteuerungskonzept entwickelt und als Patentantrag eingereicht. Die LC-Kavitäten können durch ein überlagertes elektrisches und magnetisches Feld mit relativ niedrigem Implementierungsaufwand für die Steuerung mit einer hohen Steuerbarkeit beeinflusst werden. Zwei Permanentmagneten erzeugen ein orthogonales Magnetfeld, während die Elektrode, welche weiterhin oberhalb der mit LC gefüllten Kavität positioniert ist, ein paralleles elektrisches Feld erzeugt. Somit ist es möglich durch Variation der elektrischen Feldstärke, die LC-moleküle kontinuierlich zwischen dem orthogonalen und parallelen Zustand auszurichten. Diese verbesserte Ansteuerung reduziert die benötigte Spannung in den Elektroden auf Vpp,max = 100 V. Die Mittenfrequenz des Filters kann wiederum kontinuierlich um 3 % abgestimmt werden. Die Bandbreitenabstimmbarkeit liegt bei ca. 6,5 %. Durch die beschriebenen Maßnahmen konnten die Verluste des Demonstrators deutlich auf 1,65 dB bis 1,95 dB reduziert werden. Dies entspricht einem unbelasteten Gütefaktor von Qu ≈ 300. Zum Schluss wurde ein weiteres GGW-Filter mit der hybriden Ansteuerung entworfen. Bei diesem Filter wurde die Filterordnung auf drei erhöht, eine übergroße Kavität zur Erzeugung einer Übertragungsnullstelle und eine höhere Betriebsmode im Durchlassbereich verwendet. Im direkten Vergleich zum vorherigen Demonstrator weißt das Filter eine ähnliche Abstimmbarkeit auf, bietet jedoch eine steilere Flanke, aufgrund der höhere Filterordnung und der Übertragungsnullstelle.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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