Miniaturization of Planar Microwave Components Based on Semi-Lumped Elements and Artificial Transmission Lines: Application to Multi-Band Devices and Filters

Abstract

La miniaturización de componentes de microondas es uno de los retos de los dispositivos de comunicación actuales y futuros. Por esta razón, esta tesis está orientada al estudio de nuevas estrategias de miniaturización de componentes planares de microondas no radiativos. A lo largo de este trabajo, se han aplicado diferentes técnicas de miniaturización para el diseño de diversos componentes de microondas como dispositivos multi-banda o filtros, incluyendo también implementaciones eléctricamente reconfigurables. Para obtener esta compactación de tamaño requerida y/o funcionalidad multi-banda, se proponen nuevas líneas artificiales basadas en los resonadores semi-discretos open split ring resonators (OSRRs) y open complementary split ring resonators (OCSRRs). De esta forma, se presentan nuevas líneas de transmission compuestas zurdo diestras (composite right-left handed o CRLH) aplicándose al diseño de inversores de impedancia, divisores de potencia y filtros paso banda de banda ancha. Adicionalmente, mediante la combinación de estos resonadores con componentes semi-disctretos adicionales, se presentan líneas CRLH extendidas (E-CRLH) y se aplican a la implementación de inversores de impedancia, divisores de potencia y híbridos en cuadratura con funcionalidad en cuatro bandas (quad-band), así como filtros paso banda de banda dual. Para demostrar y validar su funcionalidad, se implementan y fabrican diferentes demostradores de prueba de concepto para todos los dispositivos anteriormente mencionados, obteniendo un buen ajuste entre las simulaciones y la medida. Además, también se presentan los modelos circuitales, así como la metodología de diseño basada en el método de extracción de parámetros. A través de este método, se demuestra que los modelos circuitales proporcionan una descripción precisa de las estructuras consideradas. También se estudia la reconfigurabilidad de las líneas CRLH presentadas considerando sustratos ferroeléctricos, específicamente titanato de bario estroncio (barium-strontium-titanate o BST). Mediante esta técnica, se demuestra la reconfigurablidad de estas líneas CRLH, obteniendo un rango de sintonía simulada y medida del 36.6%. Una vez experimentalmente validada esta técnica, se dota de reconfigurabilidad a los componentes mono banda y de banda dual basados en líneas CRLH previamente presentados, explorando tanto la metodología como sus limitaciones. Finalmente, también se presentan nuevos filtros compactos con respuestas abruptas basados en los resonadores de salto de impedancia (stepped-impedance-resonators o SIRs) acoplados a una línea de transmisión coplanar. Tras analizar el resonador aislado y su modelo circuital, se diseñan filtros elípticos paso bajo y paso alto, así como filtros paso banda con ceros de transmisión mediante la teoría de filtros convencional, obteniendo estructuras con un alto grado de compactación y buena funcionalidad.

The miniaturization of microwave components is one of the challenges of present and future communication devices. For this reason, this thesis is focused on the study of new miniaturization strategies for planar non-radiating microwave components. Throughout this work, different miniaturization approaches have been applied to the design of several microwave components such as multi-band devices and filters, including also electronically tunable implementations. To obtain the required compact sizes and/or multi-band functionality, new artificial lines based on the semi-lumped open split ring resonators (OSRRs) and open complementary split ring resonators (OCSRRs) are proposed. Firstly, composite right-/ left-handed (CRLH) transmission lines are presented, applying such lines to the design of dual-band impedance inverters and Y-junction power dividers, as well as wideband band-pass filters. In addition, by combining these resonators with additional semilumped components, extended composite right-/left-handed (E-CRLH) transmission lines are also reported and applied to implement quad-band impedance inverters, power dividers, branch-line couplers and dual-band band-pass filters. To demonstrate and validate its functionality, different proof-of-concept demonstrators for all the aforementioned devices are implemented and fabricated, where a good agreement between simulations and measurement is obtained. Furthermore, the circuit models and the design methodology for all the presented devices are also reported, based on a parameter extraction method. Through this method it is demonstrated that the circuit models provide an accurate description of the considered structures. The tunability of such CRLH lines is also analyzed by means of barium-strontiumtitanate (BST) thick-films. With this approach, a tunable CRLH line with simulated and measured tunability range of 36.6% is demonstrated. Once this approach is experimentally validated, the previously presented mono-band and dual-band components based on the CRLH lines are provided with this tunability, exploring both its methodology and limitations. Finally, new compact filters with sharp responses are also presented based on stepped-impedance-resonators (SIRs) coupled to coplanar waveguide (CPW) host transmission lines. After analyzing the isolated resonator and its circuit model, elliptictype low-pass and high-pass filters, as well as band-pass filters with transmission zeros are designed through the conventional filter theory, where a high-degree of compactness as well as good performance is demonstrated.