الگوریتم طراحی تغییر دهنده فاز تک-چنبره‌ای مبتنی بر فرامواد

شفاعی, میثم; رضوی, سید محمد جواد; حمیدی, عماد

الگوریتم طراحی تغییر دهنده فاز تک-چنبره‌ای مبتنی بر فرامواد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر

² دانشگاه صنعتی مالک اشتر-تهران-ایران

³ دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در این مقاله، الگوریتم طراحی تغییر فاز دهنده تک-چنبرهای فریتی مبتنیبر فراماده باند X معرفی شده است. برای طراحی چنین تغییردهنده فاز ابتدا هسته فریتی MNG (با تراوایی مغناطیسی منفی) در مد بایاس غیرمعمولی پیادهسازی میشود. سپس بخش ENG (با نفوذپذیری الکتریکی منفی) که از خطوط متالیزه روی زیرآیند تشکیل شده، طراحی میگردد. در نهایت برای تطبیق امپدانس ورودی و خروجی تغییردهنده فاز، از ساختار دولایه دیالکتریکی به روش دوجملهای استفاده میشود. نتایج شبیهسازیها، نشان میدهد که بهکارگیری شکل چنبرهای تغییردهنده فاز، نقص بزرگ تغییردهندههای فاز فریتی مبتنیبر فراماده که در قالب موجبری ساخته میشوند را مرتفع ساخته است، بهطوریکه ساختار بسیار پیچیده آزمایشگاهی بایاس با دامنه میدان مغناطیسی kOe 6-7 را به زیر Oe 50 کاهش داده است به نحوی که به راحتی با یک سیم تحریک جایگزین شده است. به علاوه، با معرفی ساختار جدید هسته مرکزی و شبکه تطبیق امپدانس، دومین ایراد عمده تغییردهندههای فاز فریتی مبتنیبر فراماده که تلفات آنهاست، از dB 10 به dB 5/2 کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455153.1398.7.1.6.9

عنوان مقاله [English]

Metamaterial Based, Single Toroidal Phase Shifter Design Algirithm

نویسندگان [English]

Meisam Shafaee ¹
sayed mohammad javad razavi ²
Emad hamidi ³

¹ Malek-e-Ashtar University of Technology

² Malek e Ashtar University -Tehran_Iran

³ Malek e Ashtar University

چکیده [English]

In this paper, a metamaterial based toroidal ferrite phase shifter design algorithm has been introduced in X band. For the design of such a phase shifter, first the MNG (negative μ) ferrite core in extraordinary bias mode should be implemented. Then, the ENG (negative ε) part composed of parallel metallized lines should be designed on a substrate board. Finally, the input and output port impedance matching could be accomplished by using two section dielectric step transformers layout using binomial tapering method. According to the simulation results, the closed toroidal ferrite core shape, has treated the main disadvantage of metamaterial waveguide phase shifter’s experimental bias complications, and it has reduced the amplitude of magnetic bias filed from the typical range of (6-7 kOe) to under the acceptable 100 Oe value, which could be achieved using a simple wire. Moreover, by introducing a new core structure and an impedance matching network in the proposed phase shifter, the second main disadvantage of the metamaterial-based ferrite phase shifter which is their high insertion loss, has decreased from 10 dB to 3.2 dB.

کلیدواژه‌ها [English]

Toroidal Phase shifter
metamaterial
ferrite
insertion loss

مراجع

[1] D. Parker, D. C. Zimmermann, “Phased Arrays—Part II: Implementations, Applications, and Future Trends,” IEEE Transation on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 3, March 2002.

[2] Shiban K. Koul, Bharathi, “Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters: Dielectric and Ferrite Phase Shifters,” vol. I. Boston, MA: Artech House, 1991.

[3] M. A. Y. Abdalla, “Metamaterial-Inspired CMOS Tunable Microwave Integrated Circuits for Steerable Antenna Arrays,” [Ph.D. Dissertation], Dept. ECE, University of Toronto, 2009.

[4] P. He, P. V. Parimi, Y. He, V. G. Harris, and C. Vittoria, “Tunable negative refractive index metamaterial phase shifter,” Electronics Leters 6th December 2007, vol. 43, no. 25, 2007.

[5] Peng He, P. V. Parimi, H. Mosallaei, V. G. Harris, and C. Vittoria, “Tunable Negative Refractive Index Metamaterial Phase Shifter,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007.

[6] Peng He, Jinsheng Gao, P. V. Parimi, C. Vittoria, and V. G. Harris,” Tunable Negative Refractive Index Metamaterials and Applications at X and Q-bands,” U. S. Army Research Office, 4300 S. Miami Blvd, Durham NC 27703.

[7] Hossam S. Tork, “Tunable ferroelectric meta-material phase shifter embedded inside low temperature co-fired ceramics (LTCC),” Ph.D. Dissertation, Dept. ECE, University of Idaho, December 2012.

[8] M. Maassel, “A metamaterial-based multiband phase shifter”, Ph.D. Dissertation, Dept. ECE, North Dakota State.

[9] N. Engheta and R. W. Ziolkowski, “Metamaterials, Physics and Engineering Explorations,” Piscataway, NJ: IEEE Press, Wiley Interscience, 2006.

[10] M. A. Antoniades and G. V. Eleftheriades, "Compact linear lead/lag metamaterial phase shifters for broadband applications,” in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 2, pp. 103-106, 2003.

[11] M. Maassel, “A metamaterial-based multiband phase shifter,” [Ph.D. Dissertation], Dept. ECE, North Dakota State University of Agriculture and Applied Science, Fargo, October 2013.

[12] R. E. Collin, “Foundation for Microwave Engineering,” 2nd ed. Cleveland, OH: IEEE Press, Wiley, 2001.

[13] D. M. Pozar, “Microwave Engineering,” 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2012.

[14] Peng He, “Tunable Ferrite-Based Negative Index Metamaterials for Microwave Device Applications,” [Ph.D. Dissertation], Electrical Engineering, Northeastern University Boston, Massachusetts, December 2009.

[15] Xudong Chen, Tomasz M. Grzegorczyk, Bae-Ian Wu, Joe Pacheco, Jr., and Jin Au Kong, “Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials,” Phys. Rev. E, vol. 70, no. 1, pp. 016608-016614 , July 2004.

[16] Magnus W. Haakestad and Johannes Skaar, “Causality and Kramers-Kronig relations for waveguides,” Optical Society of America, vol. 13, no. 24, 28 November 2005.

[17] Hakki Ilhan Altan, “X-Band high power ferrite phase shifter,” [M.S.C Thesis]. Dept. IEEE, Middle East Technical University, 2010.

[18] Guillermo Gonzalez, “Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design,” Pearson, 2 edition, August 1996.