Frequency Agile Microwave Circuits Based on Ferroelectric Thin-Film Varactors

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2009-04-21
Issue Year
2009
Authors
Lourandakis, Errikos
Editor
Abstract

The trend for mobile communications is clearly moving toward increasing numbers of communication standards and services which occupy expanding wide frequency ranges. At the same time the physical dimensions of handheld user devices are shrinking, leading to even tighter specifications for the highly integrated front-end architectures of mobile radios. Modern front-end architectures use dedicated receive and transmit paths for each covered communication standard. Thus the overall complexity and occupied area is increasing as well. The wide frequency allocation of the regulated communication bands, which have to be covered by these radios, calls for reconfigurable and frequency agile microwave subsystems. One possibility to achieve tunability in microwave circuits is the introduction of tunable passive components, based on ferroelectric materials or microelectromechanical systems (MEMS). Both families of tunable passives are discussed in this work. Among the numerous ferroelectric materials, Barium-Strontium-Titanate (BST) is probably the most suitable candidate. Its RF behavior as well as its manufacturing technology have been investigated intensively over the past years. In this thesis, ferroelectric thin-film BST varactors serve as tuning elements in order to design frequency agile microwave circuits in the frequency region around 2GHz. Based on BST varactors several frequency agile subsystems, like filters, couplers and power dividers will be discussed. Analytical design procedures are presented and the suitability of the proposed designs is demonstrated with prototype boards. Novel filter topologies are presented along with one innovative concept for designing reduced size frequency agile circuits, such as power dividers and couplers. The operation of the implemented tunable microwave circuits is investigated in terms of simulation and measurement setups.

Abstract

Der Trend in der Mobilfunkkommunikation entwickelt sich dahin, dass immer mehr Standards und Anwendungen abgedeckt werden müssen. Diese funkbasierten Dienste erstrecken sich über einen sich stetig ausbreitenden Frequenzbereich. Gleichzeitig ist eine zunehmende Entwicklung in Richtung Miniaturisierung bei den Abmessungen der Mobilfunkgeräte festzustellen. Beide Entwicklungen kombiniert führen zu erhöhten Anforderungen an die Transceiver-Architekturen der Geräte. In modernen Sende- und Empfänger-Implementierungen werden dedizierte Kommunikationspfade für die jeweiligen Betriebsmodi eingesetzt. Somit ergeben sich eine hohe Anzahl von HF-Baugruppen und eine damit verbundene hohe Komplexität. Der weite Frequenzbereich, der für die verschiedenen Kommunikationsstandards abgedeckt werden muss, erklärt die Notwendigkeit für abstimmbare und frequenzagile HF-Schaltungen. Eine Möglichkeit um ein abstimmbares Verhalten von Mikrowellenschaltungen zu erzielen ist die Einführung von passiven abstimmbaren Komponenten. Diese können auf unterschiedlichen Technologien basieren, z.B. auf ferroelektrischen Materialien oder auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Beide technologischen Ansätze werden in dieser Arbeit untersucht. Unter einer Vielfalt an ferroelektrischen Materialien erscheint Barium-Strontium-Titanat (BST) als die wohl geeigneteste Wahl. Sowohl das HF-Verhalten als auch die Herstellungsprozesse von solchen ferroelekrischen Schichten wurden bereits intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit dienen BST-Varaktoren als abstimmbare Komponenten zum Entwurf von frequenzagilen Mikrowellenschaltungen im Frequenzbereich um 2GHz. Auf der Basis von BST-Varaktoren wurden unterschiedliche abstimmbare Schaltungen wie z.B. Filter, Koppler und Leistungsteiler untersucht. Analytische Entwurfsmethoden werden vorgestellt und implementierte Prototypschaltungen verifiziert. Die Funktion solcher abstimmbarer Schaltungen wird mit Hilfe von Simulationen und Messungen untersucht.

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