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. Ma o ell, L. P adell Dep . de T.S.C. - G up A.M.R. E.T.S.E. Telecomunicacio- U . P.C. Ap. 30002, 08080 - BARCELONA ABSTRACT In his pape , he design o a se o s anda ds o TRL calib a ion in inline a he K band (18 - 26.5 GHz) is desc ibed. Repea abili y measu emen s a e also p esen ed. INTRODUCCION Pa a ecuencias supe io es a 30 GHz. !as ca ac e s icas de Ios ci cui os en piano E en gu a de onda (es uc u as inline) les con ie en en ajas espec o ci cui os mas adicionales como el mic os ip. Pa a la ca ac e izaci6n de las es uc u as inline se desc iben me odos e6 icos [1][2] pe o pocos esul ados expe imen ales en la li e a u a. An es de acome e el diseiio de ci cui os mas complejos es impo an e dispone de un me odo expe imen al que pe mi a ca ac e iza !as dis in as pa es del mismo. La calib aci6n TRL [3][4] nos pe mi e lle a Ios pianos de e e encia al in e io de la es uc u a plana has a inclui en e Ios mismos solo aquella pa e co espondien e al elemen o que se desea medi . El desa ollo ha sido ealizado pa a inline unila e al po sus mul iples aplicaciones yen la banda K (18 - 26.5 GHz) como paso p e io an es de abaja en bandas supe io es. DISENO DE LOS PATRONES DE CALIBRACION TRL Los ac o es cla e son la epe ihilidad de !as ansiciones, la simili ud de I as dos ca gas de al o coe icien e de e lexion (REFLECTS) y la p ecision mecanica de la longi ud de Ias I neas de ansmision eque idas. Cada pa on co esponde a una c~ja dis in a. Ello simpli ica la mecanizaci6n pe o pod la e en ualmen e comp ome e la epe ibilidad, sin emba go se ha comp ohado que noes as segun se comen a en el siguien e apa ado. El diseiio de la gu a inline sigue el modelo p opues o po J.Meie [5] ya que la expe iencia p e ia ha demos ado su bondad. En el mismo la es uc u a plana se inse a en e !as dos mi ades de la gu a, siendo la anchu a del con ac o mecanico de .>-.diclcc ico/4 a la ecuencia cen al a in de p esen a un co oci cui o i ual en la pa ed de la gu a . L'l ansicion de gu a a in line es del ipo exponencial con una longi ud 1.5 >-.gu 1 a que es un comp omiso en e un hajo coe icien e de ellexion y una longi ud excesi a. Desde el inal de es a ansicion has a el piano de e e encia TRL enemos una longi ud supe io a A inlinc· Las ca ac e s icas de !as c1~jas son: a: 10.67 mm. b: 4.32 mm. I THRU: 80 mm. I LINE : 83.2 mm. (A inlin/4 m:is que el THRU ) I REFLECT : 40 mm. ( longi ud o al de la c~ja: 50 mm. ) Ma e ial c~ja: la on do ado. Anchu a slo inline: 0.3 mm . G oso conduc o : 0.0175 mm. G oso dielec ico: 0.254 mm. Cons an e die! ec ica: 2. 17 ( Cu-Clad 2. 17 ) Exis e una cua a caja de 88 mm. no u ilizada pa a la calib aci6n que pe mi e dispone como m nimo de dos longi udes dis in as ( 3.2 mm. co espondien es a la caja del LINE y 8 mm. de es a ul ima caja) en e pianos de e e encia. 595 Se han diseiiado dos ipos de pa on REFLECT: el p ime o inaliz.ado en pa ed elec ica a 40 mm. del inicio de la caja, el segundo co oci cui ando solo el slo a una dis ancia in e io ( pa a dos casos: a 34.4 mm. y a 29.6 mm. ) y man eniendo la pa ed a 40 mm. Con el segundo diseiio se espe aba dispone de una o ma sencilla de oh ene nue os pianos de e e encia. Sin emba go las medidas ealiz.adas en base a calib aciones que u iliz.an es e ipo de e lec no han esul ado sa is ac o ias. La az6n puede busca se en el compo amien o del mismo como eac ancia ( igu a 6 ) en luga de un co oci cui o ideal a odas las ecuendas. Tene o os pianos de e e encia supone que el inline debe acaba lsicamen e en una pa ed elec ica, simila a lo que ocu e en mic os ip. Median e una calib acion en gula se han medido las cajas de Ios pa ones TRL. P esen an una buena adap acion ( s 11 . < -20 dB en gene al) y bajas pe didas de inse ci6n ( s 12 > -0.5 dB ) como se e en la ig. I MEDIDA DE LA REPETIBILIDAD En lo que sigue ansici6n signi icani la pa e del sopo e del pa on de calib acion que a desde el inicio de la caja has a el piano de e e enda. La epe ibilidad puede de ini se [6] como el m6dulo del ec o di e encia en e medidas epe idas del coe icien e de e lexion. Deben dis ingui se di e en es casos de epe ibilidad pues di e en es hechos pueden al e a la medida. 1. Repe ibilidad de Ios pa ones. A ec a al p oceso de calib acion y podemos dis ingui en e: -Repe ibilidad en e ansiciones. Se miden I as ansiciones de Ios di e en es pa ones y se compa an en e si. Se han u iliz.ado dos ecnicas: po pue a empo al o midiendo la ansicion en e dos pianos p ede inidos ("adap e emo al") . En el p ime caso se ob iene una epe ibilidad mejo que -30 dB pa a oda la banda. En el segundo caso se obse a una epe ibilidad supe io a -40 dB pa a ecuendas in e io es a 22.25 GHz., -30 dB en e 22.25 y 25 GHz. y peo que -30 dB si > 25 GHz. En la igu a 2 se indica es a epe ibilidad cuando se compa an las ansiciones del THRU y el LINE. -Repe ibilidad conexion -desconexion. Se mide el pa on comple o, se desmon a y mon a de nue o, uel e a medi se. La compa acion de las medidas indica la bondad del p oceso de mon a,je de Ios ci cui os y su co ec a inse cion en la gu a. La epe ibilidad es del o den de -40 dB pa a el THRU ( igu a 3 ) y el REFLECT, pa a e1 LINE esul a de -35 dB. 2. Repe ibilidad de la calib acion. Se p e ende medi la di e encia en la medida de un mismo ci cui o con dos calib aciones TRL dis in as. Los peo es esul ados son del o den de -30 dB ( igu a 4 ). 3. Repe ibilidad de la medida. Con la nisma calib acion TRL se mide el ci cui o, se desmon a, uel e a mon a se y se mide de nue o. La di e encia en e las dos medidas da la epe ibilidad de es as. Se ob iene un alo de -40 dB ( igu a 5 ). MED ID AS Se han ealiz.ado algunas medidas p elimina es de co oci cui os y camhios de impedancia en la linea inline que concue dan con Ios alo es e6 icos espe ados. En la igu a G se mues a la ase pa a un co oci cui o imp eso en el slo . Son mejo es Ios esul ados cuando se especi ica que el piano de e e enda de la calib acion TRL es a dado po el REFLECT (de pa ed elec ica) que po el THRU. CONCLUSIONES Las medidas de co oci cui os demues an que es con enien e u iliz.a pa ones e lec ealiz.ados median e una pa ed elec ica en el piano ans e sal de la gu a. Se ha demos ado la iabilidad de u iliz.a calib aciones TRL pa a la medida de es uc u as plana es en gu a de onda, en pa icula inline unila e al en banda K. Las colas de epe ihilidad ob enidas son mc:jo es que -30 dB ( en algunos casos -40 dB ) que son alo es compa ables e incluso mejo es que Ios ob enidos en mic os ip. 596 ~~l la9 MAG ~12 la9 MAG REF 0.0 dB REF 0.0 dB 1.0.0 oiB/ 0.2 dB/ p - -- I ~ ~ ~ -'~ .- i' _,~, ''Ill- y I""''' 1----- + --- /~ _,---1 jj_ w- 1 [ ~ 11 1 -- I V - -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 : B/ p .. 1--- H 1--- -- -- - -- 1--- ~~ D ~ ,.. -- ~ V' .... ------ "' 1--- ~TART 1.8.000000000 GHz 5TOP 26.~00000000 GHz ~ Fig.3 Repe ibilidau conexi6n- desconexi6n THRU. "',., 597 ~11-Ml log MAG REF 111.0 dB 10.0 d9/ · 'P -- ~ ---.---' - -- START l8 . 00e000000 GHz STOP 26.500000000 GHz _...,.-- V Fig.2 Repe ibiliuad en e ansiciones. 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 ~ : 'IV YYVJ V I ~IV l 3TART 19.000000000 GHz START 19.000000000 ~ ¥~ ~ 26.500000000 GHz ~ 26.~00000000 GHz Fig.4 Repe ibiliuau de la calib aci6n. s 11 (TRL)- s 11 (TRL') .. H H "'l1-M1 REF 0.0 d8 10.0 dB/ 1 I 1-- IPg MAG ""'--"'~. ( _ -~ 'YV'Y IV' " START 18 . 0B000BB0B GHz STOP 26.5000BBB0a GHz I"~ ,.J' Fig.5 Repe ibilidad de la medida. p - ~ART 16 . 000000002 GHz ~ 26.~00000000 GHz --- ~ - Fig .6 Medida de co oci cui o en el slo . Anchu a del slo : 0.3 mm 1- h ,_... --- i-·- -- --- Valo induc ancia equi alen e: L = 0.18 nH 598 .. Fo o I: Caja ahie a del LINE s11 ~ 311 ~ REF 0 . 0 • REF CL0 • 1. 100 . 0 ./ 8 100.0 ./ ~7~--- - - ---.---~1 ~ -~1~7 s ~ 7 ~ ~~-----,-~~~ M <.ER 1 I-- -+-- - ----, l-- J - - - ·- - 2.2 Gl-z b H -IH -1---- --- - 1-- l- ---11- · -- -- ---- 1--- ---+ -- ---j -- · --1-· - · -- -- -1---1 1--1- - ---- - --- - ~---j a --- - ---- ---1---1--- 1-- - I-- -- - -- -- 1---- -·- -- 1- -- '--- '----'----.L.---'--- - '--- ~- --- - '' ----' '-----' 5TART 18.000000000 GHz ~ART 18.000000000 GHx ~ 2G.~00000000 GHz ~nDP 2G.500000000 GHz Fig. 7 Compa acion de la ase medida en un co oci cui o de pa ed elec ica. a: plane de e e encia dado po el THRU. b: piano de e e encia dado pe el REFLECT. REFERENCIAS [l] Ta suo IToh "Nume ical Techniques o Mic owa e and Millime e -Wa e Passi e S uc u es" Ed. John Wiley & Sons. 1989 [2] Ba a hi Bha , Shiban K. Koul "Analysis, Design and Applica ions o Fin Lines" Ed. A ech House. 1987 [3] G.F. Engen, C.A. 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