NO323793B1

NO323793B1 - Filter element realized by DGS column.

Info

Publication number: NO323793B1
Application number: NO20053346A
Authority: NO
Inventors: Ola Alexander Vistnes
Original assignee: Ola Alexander Vistnes
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-07-09
Also published as: NO20053346D0; NO20053346L

Abstract

Styrt-DGS (Defected Ground Stucture) i transmisjonslinje, der DGS er en spalte/perforering i jord-planet/-referansen til transmisjonslinja, hvis påvirkning på transmisjonslinja gjøres styrbar/justerbar ved å koble en eller flere styrbar(e)/justerbar(e) elektronisk(e) komponent(er) i parallell med DGS-en.Defective Ground Stucture (DGS) in transmission line, where DGS is a slit / perforation in the ground plane / reference to transmission line, the effect of transmission line being made controllable / adjustable by connecting one or more controllable (s) / adjustable (s) ) electronic component (s) in parallel with the DGS.

Description

Oppfinnelsen angår et filterelement realisert ved DGS-spalte i transmisjonslinje, hvor en transmisjonslinje kan betraktes som et elektrisk ledende signalplan mot et jordplan/referanseplan, idet transmisjonslinjens karakteristiske impedans er bestemt av elektromagnetisk kobling mellom den elektriske leder/signalplan og jordplan/referanseplan, der DGS-spalten er en perforering i jordplanet/referanseplanet, som krysser signalretningen for transmisjonslinja og påvirker signalplanets impedans. The invention relates to a filter element realized by DGS gap in transmission line, where a transmission line can be considered as an electrically conducting signal plane against a ground plane/reference plane, the characteristic impedance of the transmission line being determined by electromagnetic coupling between the electrical conductor/signal plane and ground plane/reference plane, where DGS -the gap is a perforation in the ground plane/reference plane, which crosses the signal direction of the transmission line and affects the impedance of the signal plane.

Ved radiofrekvenser og mikrobølgerfekvenser (heretter omtalt som RF) vil elektriske ledere opptre som transmisjonslinjer. En type transmisjonslinje som er mye brukt er mikrostriplinje. En mikrostriplinje består av en leder med bredde W etset på et tynt, jordet dielektrisk substrat, med tykkelse d og relativ permittivitet er, som vist i Figur 1. Metallederen og jordplanet er adskilt av det dielektriske substratet. Det dielektriske substratet kan være luft eller et annet materiale som ikke leder strøm. Eksempler på oppfinnelsen vil bli skissert vha. mikrostirplinjer. In the case of radio frequencies and microwave frequencies (hereinafter referred to as RF), electrical conductors will act as transmission lines. One type of transmission line that is widely used is the microstrip line. A microstrip line consists of a conductor of width W etched on a thin, grounded dielectric substrate, with thickness d and relative permittivity er, as shown in Figure 1. The metal conductor and ground plane are separated by the dielectric substrate. The dielectric substrate can be air or another material that does not conduct electricity. Examples of the invention will be outlined using microstrip lines.

Impedansen til en elektrisk leder er viktig for egenskapene til lederen. Impedansen til en mikrostriplinje bestemmes av bredden på linja, avstanden mellom linja og jordplanet, og de elektriske egenskapene til dielektrikumet, linja og jordplanet. The impedance of an electrical conductor is important to the characteristics of the conductor. The impedance of a microstrip line is determined by the width of the line, the distance between the line and the ground plane, and the electrical properties of the dielectric, the line and the ground plane.

Oppfinnelsen er basert på et eksisterende prinsipp som har den engelske betegnelsen Defected Ground Structure (PGS). Et mulig norsk begrep er Perforert Jord Struktur, men forkortelsen DGS vil bli brukt videre i denne beskrivelsen. DGS er en videreutvikling av Photonic Band Gap (PBG), og går ut på å lage en spalte/perforering i deler av jordplanet slik at impedansen til transmisjonslinja blir endret. I praksis vil DGS innføre ekstra resistive og reaktive komponenter til transmisjonslinja. Et eksempel på utforming av DGS er vist i Figur 2 (a), der en mikrostriplinje (1) går over et jordplan (2) som er perforert av DGS (4). Dielektrisk substrat (3) og referanseplan (5) er også markert. Et annet eksempel er vist i Figur 3 der flere DGS i jordplanet er seriekoblet under en mikrostriplinje. The invention is based on an existing principle known as Defected Ground Structure (PGS). A possible Norwegian term is Perforert Jord Struktur, but the abbreviation DGS will be used further in this description. DGS is a further development of Photonic Band Gap (PBG), and involves creating a gap/perforation in parts of the ground plane so that the impedance of the transmission line is changed. In practice, DGS will introduce additional resistive and reactive components to the transmission line. An example of the design of the DGS is shown in Figure 2 (a), where a microstrip line (1) runs over a ground plane (2) that is perforated by the DGS (4). Dielectric substrate (3) and reference plane (5) are also marked. Another example is shown in Figure 3 where several DGS in the ground plane are connected in series under a microstrip line.

Formen og de fysiske dimensjonene for DGS kan variere avhengig av hvilke egenskaper en The shape and physical dimensions of the DGS can vary depending on the characteristics

ønsker. DGS vist i Figur 2 og Figur 3 kan deles inn i en spalte (1) og en loop (2) (vist i Figur 3). En mikrostriplinje med DGS, som vist i Figur 2 (a), kan modelleres som vist i Figur 2 (b). Kapasitansen Cg relateres til DGS-spalten, mens Induktansen Lg relateres til DGS-loopen. De wishes. The DGS shown in Figure 2 and Figure 3 can be divided into a slot (1) and a loop (2) (shown in Figure 3). A microstrip line with DGS, as shown in Figure 2 (a), can be modeled as shown in Figure 2 (b). The capacitance Cg is related to the DGS gap, while the inductance Lg is related to the DGS loop. The

resistive og reaktive komponentene som inngår i modellen vil, sammen med de fysiske dimensjoner til DGS, heretter omtales som DGS-parametre. the resistive and reactive components included in the model, together with the physical dimensions of DGS, will henceforth be referred to as DGS parameters.

Eksempler på bruk av DGS er vist i Figur 4 til Figur 7. Figur 4 viser et lavpassfilter lagd ved hjelp av tre DGS seksjoner. Figur 5 viser skjema for et ulpasningsnettverk til en utgangskrets for en klasse AB-forsterker der DGS inngår. Tre seksjoner med ekvivalentkretser for enhets DGS (1) er benyttet for å danne et optimalisert utgangstilpasningsnettverk (2). Figur 6 viser hvordan DGS kan benyttes for å oppnå en svært høyimpedant mikrostriplinje i en N:l ulik Wilkinson effektsplitter ved å la mikrostriplinja (1) gå over optimaliserte DGS-seksjoner (2) etset ut i jordplanet. Figur 7 viser en mikrostriplinje med DGS, hvor en MEMS bryter (1) er montert direkte på jordplanet ved DGS-spalten, og en bondetråd (2) er indikert som kobling fra MEMS bryteren over DGS-spalten. Hensikten er å kunne koble ut de elektriske effektene fra DGS-en ved å kortslutte DGS-spalten, slik at impedansen for mikrostriplinja blir tilnærmet lik impedansen til en mikrostriplinje uten DGS. Styresignal er ikke indikert. Dette kan benyttes for å koble inn og ut filtre og impedansnettverk, realisert ved DGS. Examples of the use of DGS are shown in Figure 4 to Figure 7. Figure 4 shows a low-pass filter created using three DGS sections. Figure 5 shows a scheme for an unmatching network to an output circuit for a class AB amplifier in which DGS is included. Three sections of unit DGS equivalent circuits (1) are used to form an optimized output matching network (2). Figure 6 shows how DGS can be used to achieve a very high impedance microstrip line in an N:l unlike Wilkinson power splitter by allowing the microstrip line (1) to pass over optimized DGS sections (2) etched into the ground plane. Figure 7 shows a microstrip line with DGS, where a MEMS switch (1) is mounted directly on the ground plane at the DGS gap, and a bond wire (2) is indicated as a connection from the MEMS switch over the DGS gap. The purpose is to be able to disconnect the electrical effects from the DGS by short-circuiting the DGS gap, so that the impedance of the microstrip line is approximately equal to the impedance of a microstrip line without a DGS. Control signal is not indicated. This can be used to connect and disconnect filters and impedance networks, realized by DGS.

Figur 8 viser en mulig modell av DGS med en elektronisk komponent som kortslutter DGS-spalten. Modellen er en modifikasjon av Figur 2 (b). Den styrbare/justerbare elektroniske komponenten (1) er indikert ved R+ jX., som representerer et resistivt, og et reaktivt element. Figure 8 shows a possible model of DGS with an electronic component that short-circuits the DGS gap. The model is a modification of Figure 2 (b). The controllable/adjustable electronic component (1) is indicated by R+ jX., which represents a resistive and a reactive element.

De eksisterende løsningene er basert på en patent, EP 1 170 817 Al, heretter betegnet Dl, som omfatter en elektrisk leder plassert på en hovedside av et dielektrisk substrat, og et jordplan omfattende utskjæringer som danner en struktur plassert på substratets motstående hovedside, hvor transmisjonslinjens karakteristiske impedans er bestemt av den elektromagnetiske kobling mellom den elektriske lederen og jordplanet, for å definere en DGS. En eller flere resistive eller reaktive elektroniske komponenter, styrbare eller statiske, kortslutter deler av en hel DGS for å oppnå styring/justering av de elektroniske egenskapene DGS-en har på transmisjonslinjen, spesielt for å frembringe en resonator. The existing solutions are based on a patent, EP 1 170 817 A1, hereinafter referred to as D1, which comprises an electrical conductor placed on a main side of a dielectric substrate, and a ground plane comprising cut-outs that form a structure placed on the opposite main side of the substrate, where the transmission line's characteristic impedance is determined by the electromagnetic coupling between the electrical conductor and the ground plane, to define a DGS. One or more resistive or reactive electronic components, controllable or static, short-circuit parts of an entire DGS to achieve control/adjustment of the electronic properties of the DGS on the transmission line, in particular to produce a resonator.

Dl nevner at de elektroniske komponentene kan omfatte statiske som motstand, spole og kondensator, mens styrbare kan omfatte en varaktordiode. Resonatoren er realisert ved at en DGS spalte krysser eller interfererer en transmisjonslinje, og hvor de resistive og reaktive komponentene fra DGS spalten kan kobles inn/ut i varierende grad for å oppnå varierende grad av frekvens- og fasegang for signalet som går gjennom transmisjonslinjen, eller misstilpasning/endring av impedans for deler av transmisjonslinjen for et bestemt frekvensbånd, og dermed hel eller delvis refleksjon av signalet som går gjennom transmisjonslinja. Dl mentions that the electronic components can include static ones such as resistors, coils and capacitors, while controllable ones can include a varactor diode. The resonator is realized by a DGS slot crossing or interfering with a transmission line, and where the resistive and reactive components from the DGS slot can be switched on/off to varying degrees to achieve varying degrees of frequency and phase shift for the signal passing through the transmission line, or mismatch/change of impedance for parts of the transmission line for a specific frequency band, and thus full or partial reflection of the signal passing through the transmission line.

Oppfinnelsen går ut på å finne en form på DGS spalten for å oppnå en kombinasjon av lavest mulig tap/refleksjon av signalet, og størst mulig fasedreining gjennom fllterelementet ved endring av resistiv og/eller reaktiv verdi på en eventuell elektronisk komponent plassert i parallell med DGS spalten. The invention involves finding a shape for the DGS slot to achieve a combination of the lowest possible loss/reflection of the signal, and the greatest possible phase shift through the filter element when changing the resistive and/or reactive value of any electronic component placed in parallel with the DGS the column.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved et filterelement som angitt innledningsvis, ved at perforeringen er utformet ved en spalte, som er smal i forhold til transmisjonslinjens bredde (figur 11 pkt. 2), idet spalten forløper under transmisjonslinjen, hovedsakelig på tvers, ut i en bredere spalte i et område i avstand fra transmisjonslinjen (figur 9 pkt. 2, og figur 11 pkt. 3), og at en eller flere elektroniske komponenter er anbrakt i parallell med DGS-spalten i avstand fra transmisjonslinjen i retning mot den bredere spalten (figur 9 pkt. 3, og figur 11 pkt. 4), for å kunne endre den totale resistive, eller reaktive verdien, der betegnelsen elektronisk komponent inkluderer styrbare elektroniske komponenter og statiske elektroniske komponenter. Innskuddstap er videre forsøkt redusert ved at transmisjonslinjas signalplan er gjort bredere i området for DGS-spaltens plassering (figur 11 pkt. 7). According to the invention, this is achieved by a filter element as stated in the introduction, in that the perforation is formed by a slit, which is narrow in relation to the width of the transmission line (figure 11 point 2), the slit extending below the transmission line, mainly across, into a wider gap in an area at a distance from the transmission line (figure 9 point 2, and figure 11 point 3), and that one or more electronic components are placed in parallel with the DGS gap at a distance from the transmission line in the direction of the wider gap (figure 9 point 3, and Figure 11 point 4), in order to be able to change the total resistive or reactive value, where the term electronic component includes controllable electronic components and static electronic components. Insertion losses have also been tried to be reduced by making the transmission line's signal plane wider in the area where the DGS slot is located (figure 11 point 7).

Eksempel på statiske elektroniske komponenter er motstand, kondensator og spole. Eksempel på styrbare elektroniske komponenter er Pin-diode, Varaktor-diode, MEMS-bryter, og andre elektroniske brytere, eksempelvis realisert ved nanoteknologi. Examples of static electronic components are resistors, capacitors and coils. Examples of controllable electronic components are Pin diode, Varaktor diode, MEMS switch, and other electronic switches, for example realized by nanotechnology.

Transmisjonslinjer hvor Filterelement realisert ved DGS-spalte kan implementeres karakteriseres av at den karakteristiske impedansen er bestemt av elektromagnetisk kobling mellom en elektrisk leder og et jordplan/referanse. Eksempler på slike transmisjonslinjer er mikrostriplinje, parallell plate-linje, striplinje, koplanar bølgeleder, og koaksialkabel. Transmission lines where Filter Element realized by DGS gap can be implemented are characterized by the fact that the characteristic impedance is determined by electromagnetic coupling between an electrical conductor and a ground plane/reference. Examples of such transmission lines are microstrip line, parallel plate line, strip line, coplanar waveguide and coaxial cable.

Filterelement realisert ved DGS-spalte gjør det mulig å styre impedansen til transmisjonslinja, og dermed de høyfrekvente egenskapene til kretsen hvori transmisjonslinja inngår, for å oppnå fasedreining av signalet, samtidig som størst mulig del av signalet passerer den interfererende DGS spalten. Filterelement realisert ved DGS-spalte vil blant annet gjøre det mulig å lage styrbare faseskiftere, samt omkonfigurere/kalibrere filtre og forsterkerkretser. Eksempler på realisering av Filterelement realisert ved DGS-spalte er vist i Figur 9, Figur 10 og Figur 11. Figur 9 viser en mikrostriplinje (1) med DGS (2), der en elektronisk komponent (3) er plassert på oversiden av kortet, i parallell med DGS-loopen. Kontakt med jordplanet oppnås ved via-tilkobling (4) gjennom substratet. Figur 10 viser en variant der mikrostriplinja er gjort bredere (1) over DGS-spalten for å oppnå andre DGS-parametre. Filter element realized by DGS slot makes it possible to control the impedance of the transmission line, and thus the high-frequency characteristics of the circuit in which the transmission line is included, to achieve phase rotation of the signal, at the same time that the largest possible part of the signal passes the interfering DGS slot. Filter element realized by DGS slot will, among other things, make it possible to create controllable phase shifters, as well as reconfigure/calibrate filters and amplifier circuits. Examples of realization of Filter element realized by DGS slot are shown in Figure 9, Figure 10 and Figure 11. Figure 9 shows a microstrip line (1) with DGS (2), where an electronic component (3) is placed on the upper side of the card, in parallel with the DGS loop. Contact with the ground plane is achieved by via connection (4) through the substrate. Figure 10 shows a variant where the microstrip line is made wider (1) over the DGS gap to obtain other DGS parameters.

Figur 11 viser eksempel på realisering av et filterelement/faseskifter langs en mikrostriplinje (1). Mikrostriplinja er gjort bredere over DGS-spalten (2). DGS-loopen (3) kan kortsluttes med en elektronisk komponent som plasseres på oversiden av kortet (5). Vias (4) og styresignal (6) for å koble bryteren inn og ut er indikert. Mikrostriplinjen er gjort bredere ved DGS-spaltens plassering (7) for å oppnå bedre ytelse. En realisering på Rogers 4003 substrat (tykkelse d=0. 813mm, relativ permittivitet er=3. 38) ved S.8GHz gjr følgende resultat ved montering av kondensator som elektronisk komponent: Figure 11 shows an example of the realization of a filter element/phase shifter along a microstrip line (1). The microstrip line has been made wider over the DGS gap (2). The DGS loop (3) can be short-circuited with an electronic component that is placed on the upper side of the card (5). Vias (4) and control signal (6) for switching the switch in and out are indicated. The microstrip line is made wider at the location of the DGS slot (7) to achieve better performance. A realization on Rogers 4003 substrate (thickness d=0.813mm, relative permittivity is=3.38) at S.8GHz produces the following result when installing a capacitor as an electronic component:

Innskuddsfasen varierer mye innenfor et smalt kapasitansområde. Dette er en fordel ved realisering i integrert krets. I en praktisk realisering er det aktuellt å benytte varaktordiode i kombinasjon med en AV/PÅ bryter som elektronisk komponent. Da kan en utnytte hele faseområdet. Filterelementet i Figur 11 kan enkelt realiseres med få komponenter og har lavt innskuddstap. I tillegg kreves lite areal. Det burde dessuten være mulig å oppnå enda lavere tap og større variasjon i innskuddsfase ved å justere DGS-formen ytterligere. Designet er dessuten robust mot elektromagnetisk kobling til nærliggende metall fordi den elektriske karakteristikken bestemmes av DGS-formen, som ligger i selve jordplanet. Alle disse egenskapene bidrar til et enkelt, billig og robust design med lav vekt. The deposit phase varies widely within a narrow capacitance range. This is an advantage when implemented in an integrated circuit. In a practical implementation, it is relevant to use a varactor diode in combination with an OFF/ON switch as an electronic component. Then the entire phase range can be utilized. The filter element in Figure 11 can be easily realized with few components and has low insertion loss. In addition, little space is required. It should also be possible to achieve even lower losses and greater variation in the deposit phase by further adjusting the DGS form. The design is also robust against electromagnetic coupling to nearby metal because the electrical characteristic is determined by the DGS shape, which lies in the ground plane itself. All these properties contribute to a simple, cheap and robust design with low weight.

Referanser: Figuroversikt: References: Figure overview:

Claims

1. Filter element realized by DGS gap in transmission line, where a transmission line can be considered as an electrically conducting signal plane against a ground plane/reference plane, the characteristic impedance of the transmission line being determined by dextromagnetic coupling between the electrical conductor/signal plane and ground plane/reference plane, where the DGS gap is a perforation in the ground plane/reference plane, which crosses the signal direction of the transmission line and affects the impedance of the signal plane, characterized in that the perforation is formed by a slot, which is narrow in relation to the width of the transmission line (figure 11 point 2), as the slot runs under the transmission line, mainly on across, out into a wider gap in an area at a distance from the transmission line (figure 9 point 2, and figure 11 point 3), and that one or more electronic components are placed in parallel with the DGS gap at a distance from the transmission line in the direction towards the wider gap (figure 9 point 3, and figure 11 point 4), in order to be able to change the total resistive, or reactive value, where the term electronic component includes controllable electronic components and static electronic components.

2. Filter element realized by DGS slot in transmission line according to claim 1, in that the transmission line's signal plane is made wider in the area of the location of the DGS slot (figure 11 point 7).