Tunable RF devices : Examples of a tunable impedance matching network and an optically controlled filter
Dispositifs accordables en radiofréquence : Exemples d'un adaptateur d'impédance accordable et d'un filtre passe-bas contrôlé optiquement
Résumé
In the framework of higher need of tunable RF device in the telecommunication industry, the various technological options presently available need to be compared and benchmarked. To this purpose, this work has been dedicated to the design of tunable compact microwave devices. Two functions have been evaluated: a tunable impedance matching network at 1 GHz and a low-pass filter optically controlled at 6 GHz.
In the first study, a compact narrow band impedance matching network has been designed in hybrid technology, employing coplanar waveguide transmission lines and surface mounted components. This device is a Π-structure with tunable components made of varactors in series with inductors. Simulations and measurements have been found in good agreement. Measurements have been carried out using a new approach. They show that complex impedances with magnitudes varying from 6Ω to 1kΩ can be matched at 1GHz, with a 50% bandwidth.
A low pass filter has then been designed in the second study. It consists in a structure whose periodical variation of the characteristic impedance is introduced by the repetition microstrip line pattern. Its tunability has been introduced by additional periodical ground defects masked or not by illumination Thanks to analytical formulas derived from the coupled mode theory, the device scattering parameters excluding harmonic response (only one bandgap) have been extracted for a specific characteristic impedance variation. A prototype of this low pass filter has been fabricated in cleanroom, it demonstrates the tunability of this device.
In the first study, a compact narrow band impedance matching network has been designed in hybrid technology, employing coplanar waveguide transmission lines and surface mounted components. This device is a Π-structure with tunable components made of varactors in series with inductors. Simulations and measurements have been found in good agreement. Measurements have been carried out using a new approach. They show that complex impedances with magnitudes varying from 6Ω to 1kΩ can be matched at 1GHz, with a 50% bandwidth.
A low pass filter has then been designed in the second study. It consists in a structure whose periodical variation of the characteristic impedance is introduced by the repetition microstrip line pattern. Its tunability has been introduced by additional periodical ground defects masked or not by illumination Thanks to analytical formulas derived from the coupled mode theory, the device scattering parameters excluding harmonic response (only one bandgap) have been extracted for a specific characteristic impedance variation. A prototype of this low pass filter has been fabricated in cleanroom, it demonstrates the tunability of this device.
Ce travail avait pour objectif d'aborder la problématique des dispositifs accordables en radiofréquence. Il a été mené au travers des conceptions et caractérisations de deux fonctions : un adaptateur d'impédance à 1 GHz et un filtre passe-bas contrôlé optiquement à 6 GHz.
L'adaptateur d'impédance accordable a été réalisé en technologie hybride : structure coplanaire et composants montés en surface. La topologie choisie est une structure en Π avec comme composant accordable un varactor en série avec une inductance. Les simulations et les mesures sont en très bon accord. L'adaptateur couvre largement l'abaque de Smith, les impédances variant entre 6 Ω et 1 kΩ en module, avec un accord en fréquence sur une bande relative de 50%.
La seconde étude a porté sur un filtre passe-bas à structure périodique. Après avoir étudié une variation périodique particulière de l'impédance caractéristique (en forme d'exponentielle de sinusoïde) grâce à la théorie des modes couplés, une étude des possibilités d'utilisation du contrôle optique dans cette structure a été menée et un prototype de filtre passe bas a été réalisé avec les moyens de la salle banche de l'IMEP-LAHC. L'accord en fréquence du filtre est fait par le contrôle optique de défauts dans le plan de masse. Ceci permet une variation théorique de la fréquence de coupure de 1 GHz.
L'adaptateur d'impédance accordable a été réalisé en technologie hybride : structure coplanaire et composants montés en surface. La topologie choisie est une structure en Π avec comme composant accordable un varactor en série avec une inductance. Les simulations et les mesures sont en très bon accord. L'adaptateur couvre largement l'abaque de Smith, les impédances variant entre 6 Ω et 1 kΩ en module, avec un accord en fréquence sur une bande relative de 50%.
La seconde étude a porté sur un filtre passe-bas à structure périodique. Après avoir étudié une variation périodique particulière de l'impédance caractéristique (en forme d'exponentielle de sinusoïde) grâce à la théorie des modes couplés, une étude des possibilités d'utilisation du contrôle optique dans cette structure a été menée et un prototype de filtre passe bas a été réalisé avec les moyens de la salle banche de l'IMEP-LAHC. L'accord en fréquence du filtre est fait par le contrôle optique de défauts dans le plan de masse. Ceci permet une variation théorique de la fréquence de coupure de 1 GHz.
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