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Air-Filled Substrate Integrated Waveguide Components : Design Techniques and Integration Technologies

Nhu Huan Nguyen

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Over the past twenty years, the substrate integrated waveguide (SIW) has shown its irreplaceable position in the development of high performance RF, microwave, and millimeter wave integrated circuits and systems. Inheriting the good characteristics of the metallic waveguide and the microstrip line, the SIW features low cost, compact, self shielded, easy to integrate, and has good thermal dissipation. To improve further the performance of the conventional SIW, multilayer air filled SIW (AFSIW) was introduced in 2014 at the expense of a larger footprint. By using channelized air region to transmit the electromagnetic power, the AFSIW structure reduces the dielectric loss significantly, especially at millimeter wave frequencies, thus increasing the average power handling capability as well as the quality factor. Since then, many efforts have been invested to develop the high performance AFSIW technological platform. However, most of the research works were focused on the middle layer to develop the functionalities. The top and bottom layers were mainly used to enclose the AFSIW structure. Nevertheless, the AFSIW is a multilayer structure and there are still many degrees of freedom to exploit so to further increase the integration density and to benefit from the multilayer PCB process. In this thesis, the degree of freedom in connection with the empty air filled space as well as the multilayer aspect, is explored and used. Regarding the freedom obtained from the empty space, an alternative guided wave structure named slab AFISW (SAFSIW) is introduced and demonstrated as a compromise between the conventional SIW and the upgraded AFSIW structures in terms of loss and footprint, but with a larger mono mode bandwidth. Then, numerous components and structures are developed and prototyped based on the SAFSIW such as half-mode SAFSIW, broadband compensating phase shifter, and antenna. The compensating phase shifter and the antenna are then integrated into a mono pulse antenna array. Regarding the freedom obtained from the multilayer aspect of the technology, a new multiport structure called balanced delta port magic tee is presented with theoretical analysis. This proposed structure enhances the power handling capability compared to the conventional magic tee and is implementable in a multilayer AFSIW structure. Based on the balanced delta port magic tee, several isolated power dividers/combiners have been investigated and demonstrated including the resistive based and the absorptive based solutions.

Résumé

Depuis une vingtaine d'années, le guide d'ondes intégré au substrat (SIW en anglais) a démontré ses nombreux avantages pour le développement de circuits et systèmes intégrés à hautes performances dans les bandes RF, micro ondes, et millimétriques. Le SIW hérite des caractéristiques du guide d'ondes métallique et de la ligne micro ruban telles qu'un faible coût, une taille compacte, un blindage intrinsèque, une facilité d'intégration, et une bonne dissipation thermique. Afin d'améliorer les performances du SIW, le SIW creux (AFSIW en anglais) a été introduit en 2014. En utilisant de l'air pour transmettre le signal électromagnétique, l'AFSIW réduit significativement les pertes diélectriques. Grâce à cela, la capacité de tenue en puissance ainsi que le facteur de qualité d'une structure AFSIW sont augmentés. Depuis son introduction, de nombreux travaux ont été investis pour développer cette nouvelle technologie. Cependant, la plupart des recherches se sont concentrées uniquement sur la couche centrale pour réaliser la conception des fonctions hyperfréquences, les couches du dessus et du dessous n'étant utilisées que pour fermer la structure. Hors, l'AFSIW étant une structure multicouche, il reste plusieurs degrés de liberté à exploiter pour accroître la densité d'intégration et pour mettre à profit les couches du dessus et du dessous. Dans le cadre de cette thèse, la couche centrale ainsi que les couches du dessus et du dessous sont exploitées et utilisées afin de développer de nouvelles fonctions hyperfréquences. Concernant le degré de liberté offert par la couche creuse au centre, une structure alternative que nous avons nommée AFSIW à barreau diélectrique (SAFISW en anglais) a été introduite dans le cadre de cette thèse. Elle offre un bon compromis entre le SIW traditionnel et l'AFSIW en termes de pertes et d'empreinte, mais avec une bande passante monomode plus large. Basés sur le SAFSIW, de nombreux composants ont été développés et prototypés comme le SAFSIW à demi mode, des déphaseurs compensés à large bande, et des antennes. Ce type de déphaseurs et d'antennes ont été ensuite conjointement intégrés ensemble pour concevoir un réseau d'antennes mono-pulse. Concernant le degré de liberté offert par la structure multicouche, une nouvelle structure multiport appelée jonction T magique aux ports delta équilibrés (balanced delta port magic tee en anglais) a été introduite avec des analyses théoriques. Cette structure donne une capacité de tenue en puissance plus haute que celle de la jonction T magique traditionnelle.

Department: Department of Electrical Engineering
Program: Génie électrique
Academic/Research Directors: Ke Wu, Tan-Phu Vuong, Anne Vilcot and Anthony Ghiotto
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9907/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 21 Apr 2022 11:06
Last Modified: 20 May 2023 07:44
Cite in APA 7: Nguyen, N. H. (2021). Air-Filled Substrate Integrated Waveguide Components : Design Techniques and Integration Technologies [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9907/

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