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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-19072021-095616
Documento
Autor
Nome completo
Ricardo Caranicola Caleffo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Correra, Fatima Salete (Presidente)
Bianchi, Ildefonso
Mathias, Marcio Antonio
Pouzada, Eduardo Victor dos Santos
Trintinalia, Luiz Cezar
Título em português
Estruturas passivas sintonizáveis em tecnologia SIW no espectro de micro-ondas.
Palavras-chave em português
Circuitos de micro-ondas
Eletricidade e eletrônica
Eletromagnetismo
Tecnologia de micro-ondas
Telecomunicações
Resumo em português
Este trabalho de pesquisa visou ao desenvolvimento de estruturas passivas eletronicamente sintonizáveis operando em frequências da rede 5G abaixo de 6 GHz e sensor de caracterização de líquidos, estabelecendo metodologias de projeto e propondo contribuições originais, no qual, todas as estruturas foram projetadas em tecnologia SIW. Estudos realizados sobre perturbações em cavidades ressonantes, filtros em guias de ondas retangulares, elementos de chaveamento operando em frequências de micro-ondas e sensores de caracterização de líquidos forneceram a base para a elaboração dos procedimentos de projeto. Empregando-se os procedimentos de projeto propostos, foram desenvolvidos: chave eletrônica a diodo PIN de baixas perdas e custo reduzido; três cavidades ressonantes sintonizáveis mecânica e eletronicamente; filtro passa-faixa com largura de banda sintonizável eletronicamente; e sensor de caracterização de líquidos. A chave a diodo PIN utiliza linhas de transmissão ao invés de componentes concentrados, reduzindo perdas por inserção e custo de fabricação, e foi projetada para operar na frequência de 3,5 GHz. Duas cavidades ressonantes, sendo uma retangular e outra quadrada, têm sua sintonia feita de maneira mecânica, ou seja, pela conexão direta de poste metálico alocado no centro da cavidade, interligando paredes superior e inferior. A cavidade retangular é sintonizável nas frequências de 5,0 GHz e 6,0 GHz, já a cavidade quadrada é sintonizável nas frequências de 6,0 GHz e 7,2 GHz. A terceira cavidade é sintonizável eletronicamente nas frequências de 3,4 GHz e 4,0 GHz por meio de uma chave a diodo PIN alocada sobre a parede superior da cavidade, no qual, a chave eletrônica utiliza linhas de transmissão e somente um capacitor de bloqueio de corrente contínua, sendo a integração dessa chave à estrutura SIW uma contribuição original. O filtro passa-faixa tem frequência central de 3,5 GHz e largura de banda sintonizável, larguras de banda de 10 dB de 6,23% e 0,714%, por meio de oito chaves a diodos PIN, chaves eletrônicas que utilizam linhas de transmissão e somente um capacitor, alocadas sobre a parede superior do guia de ondas e são responsáveis pelo chaveamento de oito postes metálicos, que atuam como descontinuidades indutivas, de mesmo diâmetro inseridos no volume interno do guia de ondas em tecnologia SIW. Este filtro passa-faixa apresentou duas contribuições originais: uma nova configuração no posicionamento das descontinuidades indutivas que permitiu a miniaturização do filtro; é o primeiro a utilizar várias chaves a diodos PIN com linhas de transmissão e somente um capacitor. O sensor de caracterização de líquidos proposto é uma nova alternativa de baixo custo e confiável para obter a constante dielétrica e caracterizar líquidos, sendo composto por uma cavidade ressonante híbrida, que utiliza conceitos das tecnologias dos guias de ondas retangulares e SIW. Os comportamentos previstos teoricamente para as estruturas projetadas são confirmados por meio de simulação eletromagnética computacional e medição experimental, indicando a validade dos métodos adotados. Os avanços obtidos neste trabalho de pesquisa são identificados examinando-se outros trabalhos científicos já publicados. Este trabalho foi desenvolvido de maneira integral no Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Título em inglês
Tunable passive structures in SIW technology in the microwave spectrum.
Palavras-chave em inglês
Frequencies of 5G technology
Perturbation in resonant cavities
PIN diode switches
SIW technology
Tunable circuits
Resumo em inglês
This research work aimed at the development of electronically tunable passive structures operating in frequencies of 5G network below 6 GHz and liquids electrical characterization sensor, establishing design methodologies and proposing novel contributions, where all structures were designed in SIW technology. Studies performed on perturbations in resonant cavities, filters in rectangular waveguide technology, switching devices operating in microwave frequencies, and liquids electrical characterization, provided the theoretical base to develop the design procedures. Employing the proposed design procedures were developed: a low-cost and low losses PIN diode switch; three tunable resonant cavities with mechanical and electronic tuning; a tunable bandpass filter; and a liquids electrical characterization sensor. The PIN diode switch uses transmission lines instead of lumped components, reducing the insertion losses and fabrication cost, is designed to operate at 3.5 GHz. Two resonant cavities, a square cavity and a rectangular cavity, have a mechanical tuning by a direct connection of the metal post located at the center of the resonant cavities, connecting the bottom and top walls. The rectangular cavity is tunable at the frequencies of 5,0 GHz and 6,0 GHz, and the square cavity is tunable at 6,0 GHz and 7,2 GHz. The third cavity is electronically tunable at the frequencies of 3,4 GHz and 4,0 GHz by a PIN diode switch with transmission lines and only one DC block capacitor, where the assembling of this switch is a novel contribution. The bandpass filter has a central frequency of 3,5 GHz and tunable bandpass, 10 dB bandpass of 6,23% and 0,714%, by eight PIN diode switches, electronic switches employing transmission lines and one DC block capacitor, located on the top wall of the waveguide and are responsible by the switching of the eight metal posts, acting as inductive discontinuities, with the same diameter inserted into the internal volume of the waveguide in SIW technology. This bandpass filter presented two novel contributions: a novel offset post arrangement that allowed a compact structure; it is the first filter that uses various PIN diode switches employing only one DC block capacitor and transmission lines assembled on the top wall. The proposed liquids electrical characterization sensor is low-cost and reliable, being considered a new alternative to obtain the dielectric constant and characterize liquids. The sensor is composed of a hybrid resonant cavity, using concepts of rectangular waveguide and SIW technologies. The theoretically predicted behaviors for the designed structures are confirmed by computational electromagnetic simulations and experimental results, indicating the validity of the adopted methods. The obtained achievements in this research work are identified by others published works. This work was fully developed in the Microelectronics Laboratory of the Polytechnic School of the University of São Paulo.
 
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Data de Publicação
2021-07-19
 
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