Advances in pedestal substrate integrated waveguide filters
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This dissertation presents a set of advances to the recently proposed Pedestal Substrate
Integrated Waveguide (SIW) structure as a solution to various problem areas in the field
of microwave filters. The structure consists of an evanescent-mode SIW cavity that is
loaded with a square pedestal connected to the ground with a metal post. This structure
is firstly investigated and compared to other common microwave resonators. It is then
utilized in 3 different ways.
The work includes the design of a coupled resonator filter with both positive and negative
cross-coupling. Electric coupling is obtained with an I-shaped line between pedestal tops,
while positive coupling is obtained in the traditional manner with inductive irises. Both
types of couplings offer large ranges of coupling values and are easily implemented in this
structure. The proposed structure can also introduce mixed coupling. A proof-of-concept
sixth order cross-coupled bandpass filter, with a 5 % bandwidth at 5 GHz, and both real
and imaginary axis transmission zeros, is designed and measured.
Secondly, the dissertation presents a novel partially air filled pedestal resonator. The
pedestal SIW topology is adapted to create partially air filled pedestal SIW resonators
to reduce losses and increase Q factors while maintaining small sizes. A comparison of
three different types of pedestal resonators is done between a totally filled pedestal SIW
resonator, a partially air-filled pedestal resonator and an empty pedestal resonator, show ing the increase in Q factor for the same size. Then the use of micro-machining to create
these novel resonators is illustrated and explained. A resonator and second order filter
prototypes are manufactured, using the manufacturing process explained, and tested. It
was shown that the Q factor can be increased from 186 for a fully filled dielectric resonator
to 285 for a partially air filled resonator. This shows a 34.7 % increase.
The last application of the pedestal resonator is in the use of tunable structures. The
pedestal resonator is shown to be made easily tunable by the addition of PIN diodes to
the pedestal post, seperated with an annular ring. Four separate stages of frequency are
obtained in this manner. Two resonators and one third order filter are designed, manufac tured and tested. Good frequency tunability is obtained in simulation and measurement,
but high losses were observed in the measured prototypes.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie verhandeling bied ’n aantal uitbreidings ann tot die onlangse voorgestelde voet stuk oppervlak geïntegreerde golfleier struktuur, as ’n oplossing vir verskeie probleemareas op die gebied van mikrogolffilters. Die struktuur bestaan uit ’n onder afsny holte wat ge vul is met ’n vierkantige voetstuk, gekonnekteer aan die grond met metaal. Eerstens is die struktuur ondersoek en vergelyk met ander algemene mikrogolfresoneerders. Daarna is dit op 3 verskillende maniere toegepas. Hierdie werk sluit die ontwerp van ’n gekoppelde resoneerder filter in met beide positiewe en negatiewe kruis-koppeling. Elektriese koppeling is bereik met ’n I-vormige lyn tussen die voetstuk toppe, terwyl positiewe koppeling op die tradisionele manier van induktiewe openinge bereik is. Beide tipe koppelings bied ’n wye reeks van koppelingwaardes en kan maklik geimplementeer word in hierdie struktuur. Die voorgestelde struktuur kan ook gemengde koppelings voorstel. Om die konsep te bewys is ’n sesde orde kruiskoppeling banddeurlaat filter met ’n 5% bandwydte teen 5 GHz is ontwerp en gemeet. Die verhandeling bied die nuwe gedeeltelike luggevulde voetstuk resoneerder aan. Die voetstuk oppervlak geïntegreerde golfleier topologie is aangepas om ’n gedeeltelike lugge vulde voetstuk oppervlak geïntegreerde golfleier resoneerder te maak om die verliese en toegevoegde Q faktore te verminder terwyl die kleiner vorm behou is. ’n Vergelyking van drie verskillende tipe pedestal resoneerders is gedoen. ’n Geheelgevulde pedestal SIW resoneerder, ’n gedeeltelik luggevulde voetstuk resoneerders en ’n leë voetstuk resoneerder is met mekaar vergelyk om die toenname in Q faktor aan te dui vir dieselfde grootte. Daarna word die gebruik van mikro-masjinerie geillustreer om hierdie nuwe resoneerder te vervaardig en te bespreek. Prototipes van ’n resoneerder en ’n tweede orde filter is vervaardig deur gebruik te maak van die bespreekte proses en daarna getoets. Dit het aangedui dat die Q faktor van 186 vir ’n ten volle di-elektriese resoneerder toe kan neem tot 285 vir ’n gedeeltelike luggevulde resoneerder. Hierdie is ’n toenname van 34,7%. Die laaste toepassing van die voetstuk resoneerder is met die gebruik van verstelbare strukture. Die voetstuk resoneerder blyk maklik verstelbaar te wees met die toevoeging van PIN diodes aan die voetstuk, wat met ’n annular ring geskei word. Vier verskillende frekwensie stadia word op hierdie manier bereik. ’n Resoneerder ’n derde orde filter is ontwerp, vervaardig en getoets. Goeie verstelbare frekwensie is bereik in simulasie en metings, maar groot verliese is gesien tydens metings.
FRENCH RESUME: Cette thèse concerne l’étude de structures de type guide d’ondes intégrés aux substrats (Substrate Integrated Waveguide - SIW) et plus particulièrement les structures appelées Pedestal Substrate Integrated Waveguide. Celle-ci est constituée d’une cavité SIW fonc tionnant sur des modes évanescents, chargée par une capacité, laquelle est physiquement constituée d’une plaque métallique située sur un plan intermédiaire et reliée au plan mé tallique inférieur par un trou métallisé. Ce type de structures, récemment apparue dans la littérature scientifique, apparait comme l’une des solutions pertinentes aux problèmes rencontrés dans le domaine de la conception et l’intégration de filtres micro-ondes. Cette topologie Pedestal SIW est présentée et son fonctionnement est détaillé, puis elle est com parée à d’autres résonateurs micro-ondes classiquement utilisés. Trois axes de travail autour de cette structure sont ensuite présentés. Le premier concerne la conception de filtres s’appuyant sur ce type de résonateur et présentant des couplages croisés électriques et magnétiques. Le couplage électrique est obtenu grâce à l’introduc tion d’une ligne en forme de I située au niveau des plaques métalliques chargeant les cavités SIW, tandis que le couplage magnétique est obtenu de façon plus traditionnelle via des iris de couplages. Ces deux types de couplages offrent de larges plages de valeurs de couplage et la configuration proposée peut également produire un couplage mixte. Afin de démontrer la pertinence et la facilité de mise en œuvre, une preuve de concept a été réalisée grâce à un filtre passe-bande d’ordre six à couplage croisé générant des zéros de transmission situés sur les axes réels et imaginaires (zéros de transmission visibles sur la réponse en amplitude et en phase), a été conçu, réalisé et mesuré. Ce filtre présente une bande passante relative de 5 % à 5 GHz. Le deuxième axe investigué concerne l’utilisation de résonateurs de type Pedestal SIW au sein de structures accordables. Il est démontré que le résonateur est facilement rendu accordable par l’ajout de diodes PIN connectées sur la face supérieure du résonateur sur laquelle est gravée une bague annulaire. Deux résonateurs et un filtre d’ordre trois ac cordables sur quatre états ont été conçus, réalisés et testés. Finalement, le troisième axe porte sur le développement de résonateurs Pedestal SIW partiellement vides. L’objectif de l’utilisation d’une telle configuration technologique est de réduire les pertes et d’augmenter les facteurs Q tout en conservant une bonne compac ité. Après une étude théorique, les éléments de réalisation technologique sont présentés puis l’optimisation de différentes configurations est menée. Ensuite, La conception, la réalisation et la mesure d’un résonateur et d’un filtre de second ordre sont présentées. Les résultats démontrent une augmentation du facteur de de qualité de l’ordre de 35% par rapport à une structure entièrement emplie de diélectrique, permettant d’atteindre un facteur de qualité de 285.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie verhandeling bied ’n aantal uitbreidings ann tot die onlangse voorgestelde voet stuk oppervlak geïntegreerde golfleier struktuur, as ’n oplossing vir verskeie probleemareas op die gebied van mikrogolffilters. Die struktuur bestaan uit ’n onder afsny holte wat ge vul is met ’n vierkantige voetstuk, gekonnekteer aan die grond met metaal. Eerstens is die struktuur ondersoek en vergelyk met ander algemene mikrogolfresoneerders. Daarna is dit op 3 verskillende maniere toegepas. Hierdie werk sluit die ontwerp van ’n gekoppelde resoneerder filter in met beide positiewe en negatiewe kruis-koppeling. Elektriese koppeling is bereik met ’n I-vormige lyn tussen die voetstuk toppe, terwyl positiewe koppeling op die tradisionele manier van induktiewe openinge bereik is. Beide tipe koppelings bied ’n wye reeks van koppelingwaardes en kan maklik geimplementeer word in hierdie struktuur. Die voorgestelde struktuur kan ook gemengde koppelings voorstel. Om die konsep te bewys is ’n sesde orde kruiskoppeling banddeurlaat filter met ’n 5% bandwydte teen 5 GHz is ontwerp en gemeet. Die verhandeling bied die nuwe gedeeltelike luggevulde voetstuk resoneerder aan. Die voetstuk oppervlak geïntegreerde golfleier topologie is aangepas om ’n gedeeltelike lugge vulde voetstuk oppervlak geïntegreerde golfleier resoneerder te maak om die verliese en toegevoegde Q faktore te verminder terwyl die kleiner vorm behou is. ’n Vergelyking van drie verskillende tipe pedestal resoneerders is gedoen. ’n Geheelgevulde pedestal SIW resoneerder, ’n gedeeltelik luggevulde voetstuk resoneerders en ’n leë voetstuk resoneerder is met mekaar vergelyk om die toenname in Q faktor aan te dui vir dieselfde grootte. Daarna word die gebruik van mikro-masjinerie geillustreer om hierdie nuwe resoneerder te vervaardig en te bespreek. Prototipes van ’n resoneerder en ’n tweede orde filter is vervaardig deur gebruik te maak van die bespreekte proses en daarna getoets. Dit het aangedui dat die Q faktor van 186 vir ’n ten volle di-elektriese resoneerder toe kan neem tot 285 vir ’n gedeeltelike luggevulde resoneerder. Hierdie is ’n toenname van 34,7%. Die laaste toepassing van die voetstuk resoneerder is met die gebruik van verstelbare strukture. Die voetstuk resoneerder blyk maklik verstelbaar te wees met die toevoeging van PIN diodes aan die voetstuk, wat met ’n annular ring geskei word. Vier verskillende frekwensie stadia word op hierdie manier bereik. ’n Resoneerder ’n derde orde filter is ontwerp, vervaardig en getoets. Goeie verstelbare frekwensie is bereik in simulasie en metings, maar groot verliese is gesien tydens metings.
FRENCH RESUME: Cette thèse concerne l’étude de structures de type guide d’ondes intégrés aux substrats (Substrate Integrated Waveguide - SIW) et plus particulièrement les structures appelées Pedestal Substrate Integrated Waveguide. Celle-ci est constituée d’une cavité SIW fonc tionnant sur des modes évanescents, chargée par une capacité, laquelle est physiquement constituée d’une plaque métallique située sur un plan intermédiaire et reliée au plan mé tallique inférieur par un trou métallisé. Ce type de structures, récemment apparue dans la littérature scientifique, apparait comme l’une des solutions pertinentes aux problèmes rencontrés dans le domaine de la conception et l’intégration de filtres micro-ondes. Cette topologie Pedestal SIW est présentée et son fonctionnement est détaillé, puis elle est com parée à d’autres résonateurs micro-ondes classiquement utilisés. Trois axes de travail autour de cette structure sont ensuite présentés. Le premier concerne la conception de filtres s’appuyant sur ce type de résonateur et présentant des couplages croisés électriques et magnétiques. Le couplage électrique est obtenu grâce à l’introduc tion d’une ligne en forme de I située au niveau des plaques métalliques chargeant les cavités SIW, tandis que le couplage magnétique est obtenu de façon plus traditionnelle via des iris de couplages. Ces deux types de couplages offrent de larges plages de valeurs de couplage et la configuration proposée peut également produire un couplage mixte. Afin de démontrer la pertinence et la facilité de mise en œuvre, une preuve de concept a été réalisée grâce à un filtre passe-bande d’ordre six à couplage croisé générant des zéros de transmission situés sur les axes réels et imaginaires (zéros de transmission visibles sur la réponse en amplitude et en phase), a été conçu, réalisé et mesuré. Ce filtre présente une bande passante relative de 5 % à 5 GHz. Le deuxième axe investigué concerne l’utilisation de résonateurs de type Pedestal SIW au sein de structures accordables. Il est démontré que le résonateur est facilement rendu accordable par l’ajout de diodes PIN connectées sur la face supérieure du résonateur sur laquelle est gravée une bague annulaire. Deux résonateurs et un filtre d’ordre trois ac cordables sur quatre états ont été conçus, réalisés et testés. Finalement, le troisième axe porte sur le développement de résonateurs Pedestal SIW partiellement vides. L’objectif de l’utilisation d’une telle configuration technologique est de réduire les pertes et d’augmenter les facteurs Q tout en conservant une bonne compac ité. Après une étude théorique, les éléments de réalisation technologique sont présentés puis l’optimisation de différentes configurations est menée. Ensuite, La conception, la réalisation et la mesure d’un résonateur et d’un filtre de second ordre sont présentées. Les résultats démontrent une augmentation du facteur de de qualité de l’ordre de 35% par rapport à une structure entièrement emplie de diélectrique, permettant d’atteindre un facteur de qualité de 285.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Pedestal substrate, UCTD, Substrate integrated waveguides, Microwave filters, Coupled systems