Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск

Широкополосный волноводно-микрополосковый переход зондового типа миллиметрового диапазона длин волн

https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-5-17-32

Полный текст:

Аннотация

Введение. Для увеличения скорости передачи данных в современных системах беспроводной радиосвязи необходимо существенное расширение полосы частот передаваемых сигналов, что возможно за счет увеличения рабочей частоты до миллиметрового диапазона. В системах радиосвязи миллиметрового диапазона соединение пассивных элементов антенно-фидерного тракта, реализованных на металлических волноводах, и активных элементов радиочастотного тракта, имеющих интерфейс на основе микрополосковых линий, осуществляется с помощью волноводно-микрополоскового перехода (ВМПП).

Цель работы. Разработка и исследование широкополосного ВМПП для частотного диапазона 60 ГГц с низким уровнем потерь для эффективной передачи сигналов между активными элементами радиочастотного тракта и пассивными элементами антенного тракта.

Материалы и методы. Оценка влияния материала подложки и свойств металлической фольги на характеристики печатных структур и расчет характеристик разработанного перехода выполнены с помощью электродинамического моделирования в системе автоматизированного проектирования CST Microwave Studio и подтверждены результатами экспериментального исследования изготовленных образцов широкополосного волноводно-микрополоскового перехода на векторном анализаторе цепей.

Результаты. Разработанный ВМПП основан на использовании проводящего зонда, реализованного на печатной плате, закрепленной между стандартным подводящим волноводом WR15 и четвертьволновой заглушкой того же сечения. Для уменьшения потерь в переходе на печатной плате выполнены сквозные неметаллизированные отверстия, симметрично расположенные вокруг зонда для уменьшения доли диэлектрика печатной платы в волноводном канале. По результатам экспериментального исследования изготовленных макетов переходов, реализованных на печатных платах, выполненных из материалов RO4350B и RT/Duroid 5880 производства компании "Rogers", было получено, что переход согласован по уровню коэффициента отражения S11 <-10 дБ в полосе частот 50...70 ГГц и обеспечивает потери на прохождение не более 0.4 и 0.7 дБ для материалов RT/Duroid 5880 и RO4350B соответственно.

Заключение. Предложенный метод снижения потерь в волноводно-микрополосковом переходе осуществляется за счет уменьшения влияния диэлектрической подложки при использовании различных СВЧ-материалов печатных плат. Это позволяет рассматривать разработанный волноводно-микрополосковый переход как перспективный для соединения различных микрополосковых и волноводных устройств миллиметрового диапазона длин волн.

Об авторах

А. В. Можаровский
ООО "Радио Гигабит"
Россия

Можаровский Андрей Викторович – старший инженер по СВЧ-устройствам и антенной технике ООО "Радио Гигабит". Окончил Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского (2011) по специальности "Информационные системы и технологии". Соискатель кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор 30 печатных работ. Сфера научных интересов – антеннофидерные устройства миллиметрового диапазона длин волн, включая печатные, волноводные и линзовые антенны и антенные решетки; планарные и волноводные дуплексирующие устройства и фильтры.

ул. Ошарская, д. 95, корп. 2, Нижний Новгород, 603105, Россия



О. В. Сойкин
ООО "Радио Гигабит"
Россия

Сойкин Олег Валерьевич – магистр радиофизических наук (2014), научный сотрудник ООО "Радио Гигабит". Исследователь. Преподаватель-исследователь (2018). Автор 13 научных публикаций. Сфера научных интересов – антенные системы для беспроводных систем связи; СВЧ-линии передачи/антенны и другие пассивные устройства; устройства миллиметрового диапазона длин волн.

ул. Ошарская, д. 95, корп. 2, Нижний Новгород, 603105, Россия



А. А. Артеменко
ООО "Радио Гигабит"
Россия

Артеменко Алексей Андреевич – кандидат технических наук (2013), директор по исследованиям и разработкам ООО "Радио Гигабит". Автор около 50 научных работ и 14 патентов. Сфера научных интересов – антенная техника, включая апертурные антенны, особенно антенны миллиметрового диапазона длин волн, антенные решетки, печатные антенны, антенны с электронным управлением лучом; СВЧ-техника, включая пассивные устройства и активные радиочастотные модули, такие, как волноводно-микрополосковые переходы, поляризационные селекторы, фильтры на металлических и поверхностных волноводах; СВЧприемопередатчики на современной электронной компонентной базе диапазонов частот от 0 до 90 ГГц.

ул. Ошарская, д. 95, корп. 2, Нижний Новгород, 603105, Россия



Р. О. Масленников
ООО "Радио Гигабит"
Россия

Масленников Роман Олегович – кандидат физико-математических наук (2012), генеральный директор ООО "Радио Гигабит". Автор более 100 печатных научных работ и более 30 изобретений. Сфера научных интересов – алгоритмы оптимальной обработки сигналов в современных беспроводных системах связи.

ул. Ошарская, д. 95, корп. 2, Нижний Новгород, 603105, Россия



И. Б. Вендик
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Россия

Вендик Ирина Борисовна – доктор технических наук (1991), профессор (1993) кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), руководитель лаборатории СВЧ-микроэлектроники названного университета. Член ряда международных сообществ, в том числе IEEE (senior member) и EuMA. Автор более 300 научных работ. Сфера научных интересов – исследование свойств материалов для электроники (сверхпроводники, сегнетоэлектрики, метаматериалы); разработка устройств микроволнового и терагерцового диапазонов.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия



Список литературы

1. Five Disruptive Technology Directions for 5G / F. Boccardi, R. W. Heath, A. Lozano, T. L. Marzetta, P. Popovski // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52, iss. 2. P. 74–80. doi: 10.1109/MCOM.2014.6736746

2. 802.11-2016. IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks – Specific requirements. Pt. 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. doi: 10.1109/IEEESTD.2016.7786995

3. Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! / T. S. Rappaport, S. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi, F. Gutierrez // IEEE Access (Invited). 2013. Vol. 1. P. 335–349. doi: 10.1109/ACCESS.2013.2260813

4. Решение ГКРЧ от 20.12.2011 № 11-13-06-1. Об использовании радиоэлектронными средствами фиксированной службы полосы радиочастот 57–64 ГГц (в ред. от 10.03.2017 г. № 17-40-03). URL: http://grfc.ru/upload/medialibrary/713/Reshenie_GKRCH_ot_10.03.2017_17_40_03_15.02.2019.docx (дата обращения: 29.09.2019)

5. ETSI EN 302 217-3 V2.2.1 (2014-04): Harmonized European Standard. URL: https://www.etsi.org/deliver /etsi_en/302200_302299/30221703/02.02.01_60/en_30221703v020201p.pdf (дата обращения: 29.09.2019)

6. Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Operation in the 57–64 GHz Band. URL: http://fjallfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-13-112A1.pdf (дата обращения: 29.09.2019)

7. Stevens M., Grafton G. The Benefits of 60 GHz Unlisensed Wireless Communications. 10 p. URL: https://www.faltmann.de/pdf/white-paper-benefits-of-60ghz.pdf (дата обращения: 15.02.2019)

8. Богданов Ю., Кочемасов В., Хасьянова Е. Фольгированные диэлектрики – как выбрать оптимальный вариант для печатных плат ВЧ/СВЧ–диапазонов // Печатный монтаж. 2013. № 3. С. 142–147.

9. Felbecker R., Keusgen W., Peter M. Estimation of permittivity and loss tangent of high frequency materials in the millimeter wave band using a hemispherical open resonator // IEEE Intern. Conf. on Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems (COMCAS 2011), Tel Aviv, Israel, 7–9 Nov. 2011. P. 1–8. doi: 10.1109/COMCAS.2011.6105829

10. Signal transmission loss due to copper surface roughness in high-frequency region / E. Liew, T.-A. Okubo, T. Sudo, T. Hosoi, H. Tsuyoshi, F. Kuwako // IPC APEX EXPO 2014, Las Vegas, 25–27 March 2014. URL: http://www.circuitinsight.com/pdf/signal_transmission_loss_copper_surface_roughness_ipc.pdf (дата обращения: 29.09.2019)

11. Design of wideband waveguide to microstrip transition for 60 GHz frequency band / A. Artemenko, A. Maltsev, R. Maslennikov, A. Sevastyanov, V. Ssorin // Proc. of 41st European Microwave Conference (EuMC), 2011, Manchester, UK, 10–13 Oct. 2011. P. 838–841.

12. Millimeter-Wave Topside Waveguide-toMicrostrip Transition in Multilayer Substrate / Y. Ishikawa, K. Sakakibara, Y. Suzuki, N. Kikuma // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2018. Vol. 28, iss. 5. P. 380–382. doi: 10.1109/LMWC.2018.2812125

13. A V-band Waveguide Transition Design Appropriate for Monolithic Integration / J. L. Kook, H. L. Dong, J.-S. Rieh, M. Kim // Proc. of Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), Bangkok, Thailand, 11–14 Dec. 2007. P. 1–4. doi: 10.1109/APMC.2007.4554756

14. Kim J., Choe W., Jeong J. Submillimeter-Wave Waveguide-to-Microstrip Transitions for Wide Circuits/Wafers // IEEE Trans. on Terahertz Science and Technology. 2017. Vol. 7, iss. 4. P. 440–445. doi: 10.1109/TTHZ.2017.2701151

15. Kaneda N., Qian Y., Itoh T. A broad-band Microstripto-Waveguide Transition Using Quasi-Yagi Antenna // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1999. Vol. 47, iss. 12. P. 2562–2567. doi: 10.1109/22.809007

16. Low-Radiation-Loss Waveguide-to-Microstrip Transition Using a Double Slit Configuration for Microstrip Array Feeding / H. Aliakbarian, A. Enayati, M. Yousefbeigi, M. Shahabadi // Asia-Pacific Microwave Conf. Bangkok, Thailand, 11–14 Dec. 2007. Piscataway: IEEE, 2007. P. 737–740. doi: 10.1109/APMC.2007.4554952

17. Low-Radiation-Loss Waveguide-to-Microstrip Transition Using a Double Slit Configuration for Microstrip Array Feeding / H. Aliakbarian, A. Enayati, M. Yousefbeigi, M. Shahabadi // Asia-Pacific Microwave Conf., Bangkok, Thailand, 11–14 Dec. 2007. doi: 10.1109/APMC.2007.4554952

18. Design of a Wideband Transition from DoubleRidge Waveguide to Microstrip Line / Y. Zhou, H. Liu, E. Li, G. Guo, T. Yang // Intern. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology, Chengdu, China, 8–11 May 2010. Piscataway: IEEE, 2010. doi: 10.1109/icmmt.2010.5525049

19. Wideband Tapered Antipodal Fin-Line Waveguide-to-Microstrip Transition for E-band Applications / A. Mozharovskiy, A. Artemenko, V. Ssorin, R. Maslennikov, A. Sevastyanov // Proc. of 43st Europ. Microwave Conf. (EuMC), Nuremberg, Germany, 6–10 Oct. 2013. In 3 Vols. Vol. 3. P. 1187–1190.

20. Zhang C. W. A Novel W-Band Waveguide-ToMicrostrip Antipodal Finline Transition // IEEE Intern. Conf. on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices. Beijing, China, 25–27 Oct. 2013. P. 166–168. doi: 10.1109/ASEMD.2013.6780735

21. Beam-Steerable Integrated Lens Antenna with Waveguide Feeding System for 71-76/81-86 GHz point-topoint Applications / A. Mozharovskiy, A. Artemenko, A. Sevastyanov, V. Ssorin, R. Maslennikov // 10th Europ. Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, 10–15 Apr. 2016. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481774

22. Broadband and Planar Microstrip-to-Waveguide Transitions in Millimeter-Wave Band / K. Sakakibara, M. Hirono, N. Kikuma, H. Hirayama // Intern. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology, Nanjing, China, 21–24 Apr. 2008. Piscataway: IEEE, 2008. doi: 10.1109/ICMMT.2008.4540667

23. Broadband and planar microstrip-to-waveguide transitions in millimeter-wave band / K. Sakakibara, M. Hirono, N. Kikuma, H. Hirayama // Intern. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology, Nanjing, China, 21–24 Apr. 2008. doi: 10.1109/ICMMT.2008.4540667

24. Refined characterization of E-plane waveguide to microstrip transition for millimeter-wave applications / Y. Tikhov, J.-W. Moon, Y.-J. Kim, Y. Sinelnikov // Asia-Pacific Microwave Conf. Sydney, NSW, Australia, 3–6 Dec. 2000. P. 1187–1190. doi: 10.1109/APMC.2000.926043

25. Wideband Probe-Type Waveguide-to-Microstrip Transition for V-band Applications / O. Soykin, A. Artemenko, V. Ssorin, A. Mozharovskiy, R. Maslennikov // Proc. of 46th Europ. Microwave Conf. (EuMC). London, UK, 4–6 Oct. 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/EuMC.2016.7824262

26. Shireen R., Shi S., Prather D. W. W-band microstripto-waveguide transition using via fences // Progress In Electromagnetics Research Lett. 2010. Vol. 16. P. 151–160.

27. A novel microstrip-to-waveguide transition using electromagnetic bandgap structures / Y. Tahara, A. Ohno, H. Oh-hashi, S. Makino, M. Ono, T. Ohba // Proc. of Intern. Symp. on Antennas and Propagation (ISAP), 2005. P. 459–462.

28. Pat. US 6 967 542 B2. Int. Cl. H01P 5/107; H01P 5/10; H01P 005/107 (2006.01). Microstrip-Waveguide Transition / M. E. Weinstein. Publ. 2005/11/22.

29. Пат. RU 2 600 506 С1. H01P 5/107 (2006.01). Волноводно-микрополосковый переход / О. В. Сойкин, В. Н. Ссорин, А. В. Можаровский, А. А. Артеменко, Р. О. Масленников; опубл. 20.10.2016. Бюл. 29.


Для цитирования:


Можаровский А.В., Сойкин О.В., Артеменко А.А., Масленников Р.О., Вендик И.Б. Широкополосный волноводно-микрополосковый переход зондового типа миллиметрового диапазона длин волн. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2019;22(5):17-32. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-5-17-32

For citation:


Mozharovskiy A.V., Soykin O.V., Artemenko A.A., Maslennikov R.O., Vendik I.B. Wideband Waveguide-to-Microstrip Transition for mm-Wave Applications. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019;22(5):17-32. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-5-17-32

Просмотров: 10


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)