Caracterización de estructuras finline en banda K mediante la técnica de calibración TRL

CARACTERIZACION DE ESTRUCTURAS FINLINE EN BANDA K MEDIANTE LA TECNICA DE CALIBRACION TRL J.M. Martorell, L. Pradell Dept. de T.S.C. - Grup A.M.R. E.T.S.E. TelecomunicacioU . P.C. Ap. 30002, 08080 - BARCELONA ABSTRACT In this paper, the design of a set of standards for TRL calibration in finline at the K band (18 - 26.5 GHz) is described. Repeatability measurements are also presented. INTRODUCCION Para frecuencias superiores a 30 GHz. !as caracterfsticas de Ios circuitos en piano E en gufa de onda (estructuras finline) les confieren ventajas respecto circuitos mas tradicionales como el microstrip. Para la caracterizaci6n de las estructuras finline se describen metodos te6ricos [1][2] pero pocos resultados experimentales en la literatura. Antes de acometer el diseiio de circuitos mas complejos es importante disponer de un metodo experimental que permita caracterizar !as distintas partes del mismo. La calibraci6n TRL [3][4] nos permite llevar Ios pianos de referencia al interior de la estructura planar hasta incluir entre Ios mismos solo aquella parte correspondiente al elemento que se desea medir. El desarrollo ha sido realizado para finline unilateral por sus multiples aplicaciones yen la banda K (18 - 26.5 GHz) como paso previo antes de trabajar en bandas superiores. DISENO DE LOS PATRONES DE CALIBRACION TRL Los fact ores clave son la repetihilidad de !as transiciones, la similitud de I as dos cargas de alto coeficiente de reflexion (REFLECTS) y la precision mecanica de la longitud de Ias I fneas de transmision requeridas. Cada patron corresponde a una c~ja distinta. Ello simplifica la mecanizaci6n pero podrla eventualmente comprometer la repetibilidad, sin embargo se ha comprohado que noes asf segun se comenta en el siguiente apartado. El diseiio de la gufa finline sigue el modelo propuesto por J.Meier [5] ya que la experiencia previa ha demostrado su bondad. En el mismo la estructura planar se inserta entre !as dos mitades de la gufa, siendo la anchura del contacto mecanico de .>-.diclcctrico/4 a la frecuencia central a fin de presentar un cortocircuito virtual en la pared de la gufa . L'l transicion de gu fa a fin line es del tipo exponencial con una longitud 1.5 >-.gu 1 a que es un compromiso entre un hajo coeficiente de rellexion y una longitud excesiva. Desde el final de esta transicion hasta el piano de referencia TRL tenemos una longitud superior a Afinlinc· Las caracterfsticas de !as c1~jas son: a: 10.67 mm. b: 4.32 mm. I THRU: 80 mm. I LINE : 83.2 mm. (A finlin/4 m:is que el THRU ) I REFLECT : 40 mm. ( longitud total de la c~ja: 50 mm. ) Material c~ja: laton dorado. Anchura slot finline: 0.3 mm . Grosor conductor: 0.0175 mm. Grosor dielectrico: 0.254 mm. Constante die! ectrica: 2. 17 ( Cu-Clad 2. 17 ) Existe una cuarta caja de 88 mm. no utilizada para la calibraci6n que permite disponer como mfnimo de dos longitudes distintas ( 3.2 mm. correspondientes a la caja del LINE y 8 mm. de esta ultima caja) entre pianos de referencia. 595 Se han diseiiado dos tipos de patron REFLECT: el primero finaliz.ado en pared electrica a 40 mm. del inicio de la caja, el segundo cortocircuitando solo el slot a una distancia inferior ( para dos casos: a 34.4 mm. y a 29.6 mm. ) y manteniendo la pared a 40 mm. Con el segundo diseiio se esperaba disponer de una forma sencilla de ohtener nuevos pianos de referencia. Sin embargo las medidas realiz.adas en base a calibraciones que utiliz.an este tipo de reflect no han resultado satisfactorias. La raz6n puede buscarse en el comportamiento del mismo como reactancia ( figura 6 ) en lugar de un cortocircuito ideal a todas las frecuendas. Tener otros pianos de referencia supone que el finline debe acabar flsicamente en una pared electrica, similar a lo que ocurre en microstrip. Mediante una calibracion en gula se han medido las cajas de Ios patrones TRL. Presentan una buena adaptacion ( s 11 . < -20 dB en general) y bajas perdidas de inserci6n ( s 12 > -0.5 dB ) como se ve en la fig. I MEDIDA DE LA REPETIBILIDAD En lo que sigue transici6n significani la parte del soporte del patron de calibracion que va desde el inicio de la caja hasta el piano de referenda. La repetibilidad puede definirse [6] como el m6dulo del vector diferencia entre medidas repetidas del coeficiente de reflexion. Deben distinguirse diferentes casos de repetibilidad pues diferentes hechos pueden alterar la medida. 1. Repetibilidad de Ios patrones. Afecta al proceso de calibracion y podemos distinguir entre: -Repetibilidad entre transiciones. Se miden I as transiciones de Ios diferentes patrones y se comparan entre si. Se han utiliz.ado dos tecnicas: por puerta temporal o midiendo la transicion entre dos pianos predefinidos ("adapter removal") . En el primer caso se obtiene una repetibilidad mejor que -30 dB para toda la banda. En el segundo caso se observa una repetibilidad superior a -40 dB para frecuendas inferiores a 22.25 GHz., -30 dB entre 22.25 y 25 GHz. y peor que -30 dB si f > 25 GHz. En la figura 2 se indica esta repetibilidad cuando se comparan las transiciones del THRU y el LINE. -Repetibilidad conexion -desconexion. Se mide el patron completo, se desmonta y monta de nuevo, vuelve a medirse. La comparacion de las medidas indica la bondad del proceso de monta,je de Ios circuitos y su correcta insercion en la gufa. La repetibilidad es del orden de -40 dB para el THRU ( figura 3 ) y el REFLECT, para e1 LINE resulta de -35 dB. 2. Repetibilidad de la calibracion. Se pretende medir la diferencia en la medida de un mismo circuito con dos calibraciones TRL distintas. Los peores resultados son del orden de -30 dB ( figura 4 ). 3. Repetibilidad de la medida. Con la rnisma calibracion TRL se mide el circuito, se desmonta, vuelve a montarse y se mide de nuevo. La diferencia entre las dos medidas da la repetibilidad de estas. Se obtiene un valor de -40 dB ( figura 5 ). MED ID AS Se han realiz.ado algunas medidas preliminares de cortocircuitos y camhios de impedancia en la linea finline que concuerdan con Ios valores te6ricos esperados. En la figura G se muestra la fase para un cortocircuito impreso en el slot. Son mejores Ios resultados cuando se especifica que el piano de referenda de la calibracion TRL esta dado por el REFLECT (de pared electrica) que por el THRU. CONCLUSIONES Las medidas de cortocircuitos demuestran que es conveniente utiliz.ar patrones reflect realiz.ados mediante una pared electrica en el piano transversal de la gufa. Se ha demostrado la viabilidad de utiliz.ar calibraciones TRL para la medida de estructuras planares en gufa de onda, en particular finline unilateral en banda K. Las colas de repetihilidad obtenidas son mc:jores que -30 dB ( en algunos casos -40 dB ) que son valores comparables e incluso mejores que Ios obtenidos en microstrip. 596 ~~l la9 MAG ~12 la9 MAG REF 0.0 dB REF 0.0 dB 1.0.0 oiB/ 0.2 dB/ p - -- I ~ ~ ~ r-'~ .-vi' _,~, ''Illvy I""''' 1----- + --- /~ _,---1\ jj_ w1\ [ ~ 11 1\ -- \I \ V r- -V START 19.000000000 GHz START 19.00000000a GHz STOP 2b.~~0000000 GHz ~DP 26.~00000000 GHz Fig. I Meuiua caja THRU. ~11-Ml log MAG REF 0.0 dB .21!.B r:tB/ p .. 1--- H 1--- -- -- - r-- 1--- ~~ D ~ ,..r-- ~ V'\.... ------ r"' 1--- ~TART 1.8.000000000 GHz 5TOP 26.~00000000 GHz ~ Fig.3 Repetibilidau conexi6ndesconexi6n THRU. \ "',., 597 ~11-Ml log MAG REF 111.0 dB 10.0 d9/ · 'P -- ~ f---.---' - r-- START l8 . 00e000000 GHz STOP 26.500000000 GHz _...,.-- V Fig.2 Repetibiliuad entre transiciones. sll (THRU) - sll (LINE) ....---' ~11-Ml leg MAG ~12-M2 lag MAG REI= 0.0 dB REF a.0 dB 10. B dB/ l0.B dB/ · 'P ~ ~ 'IN"\ .I!\ ~ V b _:\ Th ~ :r 'IV r YYVJ V I ~IV l 3TART 19.000000000 GHz START 19.000000000 ~ ¥~ ~ 26.500000000 GHz ~ 26.~00000000 GHz Fig.4 Repetibiliuau de la calibraci6n. s 11 (TRL)- s 11 (TRL') .. H H "'l1-M1 REF 0.0 d8 10.0 dB/ f1 I 1-- IPg MAG ""'--"'~. (\_ -~ 'YV'Y IV' "\ START 18 . 0B000BB0B GHz STOP 26.5000BBB0a GHz I"~ \,.J' Fig.5 Repetibilidad de la medida. p - ~ART 16 . 000000002 GHz ~ 26.~00000000 GHz --- ~ - Fig .6 Medida de cortocircuito en el slot. Anchura del slot: 0.3 mm 1h \ f\ ,_... --- i-·- -- r--- Valor inductancia equivalente: L = 0.18 nH 598 .. Foto I: Caja ahierta del LINE s11 ~ 311 ~ REF 0 . 0 • REF CL0 • 1. 100 . 0 ./ 8 100.0 ./ ~7~--- - -r---.---~1 ~ -~1~7rs ~ 7 ~ ~~-----,-~~~ M <.ER 1 I-- -+--t- ----, l--tJt- - - ·- - 2.2 Gl-z b H f-IHt-1----t--- - 1--tl-t---11- · --t-- ---- 1--- ---+ --t---j -- · --1-·r- · --t-- -1---1 1--1- - ---- - --- - ~---j a r--- - r----f---1---1--- 1-- - I-- -- - -- -- 1---- -·- -- 1- -- '--- '----'----.L.---'--- - '--- ~- --- - '' ----' '-----' 5TART 18.000000000 GHz ~ART 18.000000000 GHx ~ 2G.~00000000 GHz ~nDP 2G.500000000 GHz Fig. 7 Comparacion de la fase medida en un cortocircuito de pared electrica. a: plane de referencia dado por el THRU. b: piano de referencia dado per el REFLECT. REFERENCIAS [l] Tatsuo IToh "Numerical Techniques for Microwave and Millimeter-Wave Passive Structures" Ed. John Wiley & Sons. 1989 [2] Barathi Bhat, Shiban K. Koul "Analysis, Design and Applications of Fin Lines" Ed. Artech House. 1987 [3] G.F. Engen, C.A. Hoer "Thru-Reflect-Line: An improved technique for calibrating the dual six-port automatic network analyzer" IEEE Trans M.T.T ., vol. MTT-27, no. 12, pp. 987-993, Dec 1979 [4] HEWLETTPACKARD Co. Product Note 8510-8 "Applying the HP 8510B TRL calibration for non-coaxial measurements" [5] P.J. Meier "Integrated Finline Millimeter Components" IEEE Trans M.T.T., vol. MTT-22, no. 10, pp. 1209-1216, Dec 1974 [6] CASCADE MICROTECH, Inc. "Repeatability: The key to accurate microstrip measurements" Microwave Journal, vol. 31, no. 4, pp. 160-163, Apr 1988 599