Estudo e aplicação de guias de ondas integrados ao substrato em frequências de micro-ondas.

Esse trabalho de pesquisa apresenta um estudo detalhado sobre guias de ondas integrados ao substrato (SIW) operando em frequências de micro-ondas com base na teoria de guias de ondas retangulares (RWG). O estudo sobre guias SIW associa equações apresentadas na literatura e utiliza simulações eletromagnéticas para desenvolver um procedimento de projeto bem definido. É considerada a integração entre guias SIW e linhas de transmissão de microfita, projetando-se transições entre essas duas estruturas com o propósito de prover casamento de impedância e de viabilizar a caracterização em frequências de micro-ondas. São apresentadas considerações sobre processos de fabricação de circuitos SIW em substratos constituídos por laminados de alta frequência. Uma vez estabelecidos os procedimentos de fabricação e os critérios de projeto, a tecnologia SIW é aplicada ao projeto de três guias de ondas SIW nas bandas S e X, que foram fabricados empregando laminados de alta-frequência. Foram projetados dois filtros SIW passa-faixa empregando cavidades ressonantes e postes metálicos indutivos. Os dois filtros operam na frequência central de 10,61 GHz, sendo que um deles tem banda de passagem de 7,5%e é de 3ª ordem e o outro filtro tem banda de passagem de 15%, sendo de 5ª ordem. Foram realizadas comparações entre o desempenho simulado e experimental das estruturas SIW projetadas. Os resultados de simulações eletromagnéticas e experimentais demonstraram boa concordância. Os projetos em tecnologia SIW apresentados neste trabalho de pesquisa possuem perdas de retorno melhores que 10 dB na banda de operação e perdas por inserção de 1,0 dB a 1,5 dB. É apresentada a análise da sensibilidade do desempenho dos guias de ondas e filtros SIW projetados a desvios dimensionais típicos do processo de fabricação por microfresagem mecânica. Com os resultados experimentais e de simulação foi possível validar os procedimentos de projeto e de fabricação de circuitos SIW operando em frequências de micro-ondas.

Comparison of Electromagnetic Band Gap and Split-Ring Resonator Microstrip Lines as Stop Band Structures

In this paper, microstrip lines magnetically coupled to splitring resonators (SRRs) are conquved to electromagnetic bundgup (EBG) nr,rrostrip lines in terns q/ their stop-heard penjbrnmrnce and dimensions. In bath types o/ trunsmis•siou lines, signal propagation is inhibited in it certain jequency bwuL For EBG microstrip lines, the central frequency of such a forbidden band is determined by the period of the structure, whereas in SRR-hased microstrip lines the position of the frequency gap depends on the quasi-static resonant frequency of the rings. The main relevant conrributiun of this paper is to provide a tuning procedure to control the gap width in SRR microstrip lines, and to show that by using SRRs, device dimensions ale much smaller than those required by EBGs in order to obtain similar stop-banal performance. This has been demonstrated by fill-wave electromagnetic simulations and experimentally verified from the characterization ql two fabricated microstrip lines: one with rectangular SRRs etched on the upper substrate side, and the other with a periodic perturbation cf'strip width. For similar rejection and 1-(;H,. gap width centered at 4.5 Gllz, it has been found that the SRR microstrip line is•,fve times shorter. In addition, no ripple is appreciable in the allowed band for the .SRR-hared structure, whereas due to dispersion, certain mismatch is expected in the EBG prototype. Due to the high-frequency selectivity, controllable gap width, and small dimensions, it is believed that SRR coupled to planar transmission lines can have an actual impact on the design of stop-band filters compatible with planar technology, and can be an alternative to present solutions based on distributed approaches or EBG

Design of compact low pass filter with wide stop band using tri-section stepped impedance resonator

This paper reports the design of a compact low pass filter (LPF) with wide stop band region using trisection stepped impedance resonators in microstrip medium. Experimental results of a low pass filter designed at 1 GHz have been compared against the analytical and EM simulation results for the validation of the design. Results are satisfactorily matching each other. The maximum insertion of the measured filter is 0.2 dB and minimum return loss is 13.5 dB over the pass band. The stop band rejection is better than 20 dB from 1.5 GHz to 4.2 GHz and hence wide stop band performance is achieved. Overall size of the filter is 30 mm x 20 mm x 0.78 mm which is 0.1 lambda x 0.066 lambda. x 0.0026 lambda at 1 GHz. (C) 2011 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Low Insertion Loss Substrate Integrated Waveguide Quasi–Elliptic Filters for V- Band Wireless Personal Area Network Applications

Novel V-band substrate integrated waveguide (SIW) filters have been presented. Design procedures for the filters synthesis and mechanisms providing quasi-elliptic response have been explained. The insertion loss of the filters has been measured below 2 dB with microstrip-to-SIW transitions being included.

Application of fractional delay filters to tune the centre frequency location of single-band sigma-delta modulators

This paper presents a novel technique for the design of narrow-band sigma-delta modulators with an embedded tunable centre frequency mechanism. This method demonstrates that the use of sum filters combined with a fractional delayer provide the flexibility of tuning the noise shaping band for any desired variable centre frequency input signal.

Increasing the variability of centre frequency locations in multiple-band sigma-delta modulators via the use of fractional delay filters

This paper presents the design analysis of novel tunable narrow-band bandpass sigma-delta modulators, that can achieve concurrent multiple noise-shaping for multi-tone input signals. This approach utilises conventional comb filters in conjunction with FIR, or allpass IIR fractional delay filters, to deliver the desired nulls for the quantisation noise transfer function. Detailed simulation results show that FIR fractional delay comb filter based sigma-delta modulators tune accurately to most centre frequencies, but suffer from degraded resolution at frequencies close to Nyquist. However, superior accuracies are obtained from their allpass IIR fractional delay counterpart at the expense of a slight shift in noise-shaping bands at very high frequencies.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Improving the pass-band return loss in liquid crystal dual-mode bandpass filters by microstrip patch reshaping

In this paper, the design and experimental characterization of a tunable microstrip bandpass filter based on liquid crystal technology are presented. A reshaped microstrip dual-mode filter structure has been used in order to improve the device performance. Specifically, the aim is to increase the pass-band return loss of the filter by narrowing the filter bandwidth. Simulations confirm the improvement of using this new structure, achieving a pass-band return loss increase of 1.5 dB at least. Because of the anisotropic properties of LC molecules, a filter central frequency shift from 4.688 GHz to 5.045 GHz, which means a relative tuning range of 7.3%, is measured when an external AC voltage from 0 Vrms to 15 Vrms is applied to the device.

Analysis of single and multiple, non-permanent, tunable, birefringent spectral holes in a fibre-Bragg grating stop-band produced via uniaxial pressure

We present an experimental and numerical study of transversely loaded uniform fibre-Bragg gratings. A novel loading configuration is described, producing pressure-induced spectral holes in an initially strong uniform grating. The birefringence properties of these gratings are analysed. It is shown that the frequency splitting of the two spectral holes, corresponding to two orthogonal polarisation states, can be adjusted precisely using this loading configuration. We finally demonstrate a new and simple scheme to induce multiple spectral holes in the stop-band. © 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Two-Path All-pass Based Half-Band Infinite Impulse Response Decimation Filters and the Effects of Their Non-Linear Phase Response on ECG Signal Acquisition

This paper is based on the novel use of a very high fidelity decimation filter chain for Electrocardiogram (ECG) signal acquisition and data conversion. The multiplier-free and multi-stage structure of the proposed filters lower the power dissipation while minimizing the circuit area which are crucial design constraints to the wireless noninvasive wearable health monitoring products due to the scarce operational resources in their electronic implementation. The decimation ratio of the presented filter is 128, working in tandem with a 1-bit 3rd order Sigma Delta (ΣΔ) modulator which achieves 0.04 dB passband ripples and -74 dB stopband attenuation. The work reported here investigates the non-linear phase effects of the proposed decimation filters on the ECG signal by carrying out a comparative study after phase correction. It concludes that the enhanced phase linearity is not crucial for ECG acquisition and data conversion applications since the signal distortion of the acquired signal, due to phase non-linearity, is insignificant for both original and phase compensated filters. To the best of the authors’ knowledge, being free of signal distortion is essential as this might lead to misdiagnosis as stated in the state of the art. This article demonstrates that with their minimal power consumption and minimal signal distortion features, the proposed decimation filters can effectively be employed in biosignal data processing units.

Analysis And Design Of Two Layered Ultra Wide Band Filter

Design of an Ultra Wide Band (UWB) filter over 3.1 GHz to 10.6 GHz using broad side coupled and spur lines in microstrip medium suitable for UWB communications has been presented in this paper. Parameters of broad side coupled lines have been appropriately chosen to achieve ultra wide band response. Spur lines have been incorporated at the input and output feed lines of the filter to improve the stop band rejection characteristics of the filter. Filter has been analyzed based on circuit models and full wave simulations. Experimental results of the filter designed using the proposed structure has been verified against the results obtained from circuit models and full wave simulations. The results match satisfactorily. Stop band rejection of better than 20 dB was obtained over the frequencies of 13 GHz to 18.2 GHz. Overall size of the filter is 40 x 18 x 0.787 mm(3).

A rational approach to the synthesis of one-dimensional acoustic filters

The velocity ratio algorithm developed from a heuristic study of transfer matrix multiplication has been employed to bring out the relative effects of the elements constituting a linear, one-dimensional acoustic filter, the overall dimensions of which are fixed, and synthesize a suitable straight-through configuration for a low-pass, wide-band, non-dissipative acoustic filter. The potential of the foregoing approach in applications to the rational design of practical acoustic filters such as automotive mufflers is indicated.