CC BY
60
DESIGN OF MULTILAYER PCB FOR TUNABLE FREQUENCY-SELECTIVE METASURFACES
Alexander S. Kukharenko,
Ph. D., Head Researcher, Branch of united rocket and space corporation - Institute of space device engineering, Moscow, Russia, alexk.05@mail.ru
Keywords: metamaterial, frequency-selective surface, electronically tunable filter, PCB topology, printed component board.
In the current time metamaterials have more and more implementations during the UHF devices design. Their unusual properties, which are caused by a possibility of obtaining negative value of a refraction coefficient, allow upgrading the properties of UHF equipment, in which they are used. An additional advantage, which is given to developers, is a possibility of an electronic tuning of the metasurface working band. But such structures require special multilayer PCBs. The basic principles of tunable frequency-selective mushroom-type metamaterial-based metasurface PCB design and development are presented in the paper. A construction and the working algorithm of such structures is described in the beginning. After that, recommendations about the choice of a number and a construction of PCB layers and also basic rules of arranging the metamaterial elements and feeding and control networks in each layer are given. The main rule is placing the metamaterial resonant elements on the top layer and its ground plane on the next one. It is shown, that all metamaterial elements should be placed on the dielectric substrate, but not on the prepreg, what is caused by the requirements of permittivity stability and mechanical strength. A method of calculating the parameters of feeding and control net's vias, which should be separated from the metamaterial ground plane by capacitive gaps, is proposed. The gap width should be big enough for providing simultaneously a protection from the electrical breakdown on the PCB and decoupling on the metamaterial working frequencies. A method of calculating the parameters of metamaterial vias is also described. It is mentioned, that the metamaterial ground plane should be connected to a feeding and control net ground planes by a inductance to prevent the appearance of a voltage difference between them. In the conclusion an example of a tunable frequency-selective metasurface PCB, which acts as a filter with electronically tunable band gap, and its measured parameters are presented.
Для цитирования:
Кухаренко А.С. Проектирование многослойных печатных плат для перестраиваемых частотно-селективных метаповерхностей // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №6. - С. 62-68.
For citation:
Kukharenko A.S. Design of multilayer PCB for tunable frequency-selective metasurfaces. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.6, рр. 62-68.
Chips BF51 are taken as variable capacitance diodes. Their Volt-Farad characteristic is shown on the Fig. 10. Their capaci-tancc can be changed in the range from 7.5 to 2.5 pF. The tuning requires not a high voltage - up to +6 V.
Trc1 ■
| dBMag 5c®/ Ret-40d8 Ofls
Fig, 10. Volt-Farad characteristic of RF51 variable capacitance diodes, which were used in the tunable ill eta material construction.
| dBMag 5dB/Ref-40dB Offs
SB M1 M2 1 941201 GHz -5; £Hz -4 '.069 dB 518 dB
M 4 > M3 2 14080! РГ-Н7 31 GHz -3! ■ 457 dB Г98МВ-
Ъч
ЧИ1 f
CM Start 19 GHz
Pwr OdBrn
a)
Stop 2 2 GHz
| dBMag 5dBi Ret-41 dB Offs
m M t M2 1 941201 1 990401 GHz A' GHZ -51 .257 dB : &&Ч dB
M J *M4 '2.1Д1ЯпЦ 2.05ШХ ■kt-g л db Г57ЁТгв-
Ml M л
N 4 /
\ /
i
tv
CM Start 1 9 GHz
Stop 2 2 GHz
b)
an M t M 2 19412И 1990401 GHz A GHz -4! 537 dB ■ 628dB
M 1 м 3 ■M4 3T40SW 2 050001 GHz1 Л ■■ШОВ
2
CM Start 19 GHi
Pwr OdBin
C)
Stop 2 2 GHZ
SB M 1 M 2 1941201 1 990401 GHz -41 GHz A 2iedB 771 de
мз -M4 TTOEOt 2 050001 GHz -5! GHz -5 102 dB
M1 ,/ л '
/
У \ „ /
\ t
V
Chi Start 19GHz
Риг OdBm d)
Stop 2 2 GHz
Fig, 11. The tncasurcment results of tunable frcqucncy-selcctivc metasurtace band gap in case of different value of control voltage: a) - 0 V (7.5 pF), b) - 2 V (4 pF), c) - 4 V (3 pF), d) - 6 V (2.5 pF)
The results of metasurface measurements are shown on the Fig. 11. The construction excitement was made with the help of capacitive gaps, formed by two parallel microstrip lines, placed on the opposite sides of the PCB. It can be seen, that when the variable capacitance diode voltage increases from 0 up to 6V, the band gap central frequency goes up from 1941 MHz to 2137 MHz, providing the band gap tuning in the range 200 МГц (10%). The presented construction is a spaced fiiter with electronically tunable band gap.
Conclusion
The paper presents the basic principles of tunable mushroom-type metamaterial based frequency-selective surface PCB architecture and design. A methodology of via parameters calculation is suggested. Recommendations for choosing the PCB layers number and construction are given, and rules of arranging the metamaterial elements and feeding and control nets in each layer are provided. They are:
PUBLICATIONS IN ENGLISH
• the metamaterial resonant elements should be placed on the top (working) layer of the PCB;
• a union conducting ground plane of the metamaterial should be realized on the next layer;
• all metamaterial elements should be made on a dielectric substrate - not on prepreg;
• control and feeding net's vias should be isolated from the metamaterial conducting ground plane by eapaeitive clearances, which width is enough to prevent the electric breakdown on the PCB and to provide the decoupling of structure elements in the metamatirial operating frequency band;
• metamaterial conducting ground plane should be connected to wide wires of control and feeding nets by an inductive wire to prevent the voltage potential difference appearance between them.
In the conclusion an example of a tunable frequency-selective metasurface, which is a spaced filter with an electronically tunable band gap, and results of its parameter measurements are presented.
References
1. Caloz Ch„ Itoh T, Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications (the engineering approach), New Jersey, John Wiley & Sons Inc., 2006. 352 p.
2. Engheta N.. Ziolkowsky R. W. Metamaterials - physics and engineering exploration, Danvers, John Wiley & Sons Inc., 2006. 414 p,
3. Kim N.. Seo C. Inverse Class-F Power Amplifi er Using the Metamaterial Structure on the Harmonic Control Circuit, Microwave and Optical Technology Letters. 2008. Vol. 50. No 2, pp. 2881-2884.
4. Awasthi S„ Biswas A., Akhtar M. J. Compact Bandstop Fill er Using Triangular Metamaterial Mushroom Resonators, Asia-Pacifl c Microwave Conference Proceedings (APMC) 2012, pp. 217-219.
5. Morata M„ Gil !., Fernandez-Garcia R. Parametric Design of Stop Band Pass Filter Based on RF Metamaterials in LTCC Technology, Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings. 2012. No's, pp. 813-817.
6. BoykoS.N.. VeselagO V. G, Vinogradov KG., Vinogradov Y.A. Antenny. 2012. No 12, pp. 32-41. (hi Russian)
I. Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. Analysis of metamaterial physical features and constituted frequency-selective devices , T-Comm, 2015. Vol 9. No.5, pp. 36-41. (inRussian).
8. Boyko S.N.. Yelizarov A.A., Zakirova E.A., Kukharenko AS. Small-sized decoupling microwave filler oil the meta material investigation // APEP-2014. Saratov. 2014. Vol. 1, pp.218-225. (In Russian).
9. Yelizarov A.A.. Kukharenko A.S. Frequency selective surface-based metamaterial with a band gap electronic adjustment // Proceedings of II all-Russian scientific conference "Problems of microwave electronics" M1EM USE - "Innovative solutions" Keysiglit Technologies. Moscow, 2015. - Pp. 45-48. (In Russian).
!0. Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. Methods for Extension of the Rejection Band of Microwave Devices on the Basis of Planar Modified Mushroom - Shaped Metamaterial Structures H Journal of Communications Technology and Electronics. 2016. Vol. 61. No. 2. P. 204-210.
II. Yelizarov A.A., Zakirova E.A. Microstrip microwave devices oil primed circuit boards with multilayer dielectric substrates. - M.: Publishing Flouse "Media publisher", 2016. - 122 p. (InRussian).
12. Sievenpiper D.. Zhang L. Broas R J., Alexopolous N.G.. and Yablonovich E. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band. IEEE Trans. M ¡crow. Theory Tech., Nov. 1999, No. II, Vol. 47, pp. 2059-2074.
13. Froozesh A.. Shafai L. Investigations in to the application of artificial magnetic conductors to bandwidth broadening, gain enhancement and beam shaping of low profile and conventional monopole antennas. IEEE AP Trans., Jan. 2011, No. 11, Vol. 59, pp. 4-20.
14. Lee H., Ford K.L., Langley R.J. Independently tunable low-profile dual-band high-impedance surface antenna system lor application in UHF band. IEEE AP Trans., Sep. 2012, No. 9, Vol. 60, pp. 4092-4101.
15. Lito Z.. Chen X.. Long J.. Quarforth R. and Sievenpiper D. Nonlinear power-dependent impedance surface. IEEE AP Trans., Apr. 2015, No. 4, Vol. 63, pp. 1736-1745.
16. Uvarov A.S. P-CAD design and constructing of electronic devices, Moscow, Goriachaya lin ¡a - telecom, 2004. 700 p. (In Russian)
17. Ardizzoni J. A guide for developing PCBs for accurate schémas. Components and technologies. 2007. No 12, pp. 157-162. (In Russian)
18. Ardizzoni J. Keep high-speed cirquit-board layout on track. EE times. 2005. May 23.
19. OOST 23751 -86. (In Russian).
20. Chernushenko A.M., Melanchenko N.E., Maloratsky L.G., Perrov B V. UHF devises and shields construction, Moscow, Radio i svias, 1983.400 p. (In Russian).
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ДЛЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ
Кухаренко Александр Сергеевич, к.т.н., с.н.с., Филиал открытого акционерного общества "Объединенная ракетно-космическая корпорация" "Научно-исследовательский институт космического приборостроения", Москва, Россия, alexk.05@mail.ru
Аннотация
В последнее время метаматериалы находят все большее применение при конструировании различных СВЧ устройств. Их необычные свойства, связанные с возможностью получения отрицательного коэффициента преломления, позволяют существенно улучшить характеристики приборов СВЧ, в которых они используются. Дополнительные преимущества разработчикам предоставляет возможность электронной перестройки рабочей полосы метаповерхностей. Однако такие структуры требуют разработки специализированных многослойных печатных плат. Представлены основные принципы построения и проектирования плат перестраиваемых частотно-селективных метаповерхностей на основе грибовидных метаматериалов. В начале, кратко описана сама конструкция таких структур и основной принцип их работы. Далее даны рекомендации по выбору количества и конструкции слоев печатной платы, а также изложены основные правила размещения элементов метаматериала и цепей питания и управления в
PUBLICATIONS IN ENGLISH
каждом слое. При этом основным правилом является размещение резонансных элементов метаматериала на верхнем (рабочем) слое платы, а его общего проводящий экран - на следующем. Показано, что строго обязательным является исполнение всех элементов частотно-селективной поверхности на диэлектрической подложке - не на препрэге, что обусловлено вопросами механической прочности и стабильности диэлектрической проницаемости подложки. Предложена методика расчета параметров переходных отверстий цепи питания и управления, которые должны быть отделены от проводящего экрана метаматериала емкостными зазорами. Необходимо, чтобы ширина этих зазоров была достаточна одновременно для предотвращения электрического пробоя на плате и для обеспечения развязки на частоте работы метаматериала. Также описана методика расчета параметров переходных отверстий конструкции самого метаматериала. Указано, что проводящий экран метаповерхности должен быть соединен с заземляющим проводником цепи питания и управления при помощи индуктивного проводника для предотвращения накопления разности потенциалов между ними. В заключении, представлен образец платы перестраиваемой частотно-селективной метаповерхности, выполняющей роль пространственного фильтра с электронной перестройкой полосы запирания, и результаты измерения его параметров.
Ключевые слова: метаматериал, частотно-селективная поверхность, электронно-перестраиваемый фильтр, топология печатных проводников, печатная плата.
Литература
1. Caloz Ch., Itoh T. Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications (the engineering approach). -New Jersey: A John Wiley & Sons Inc., 2006. - 352 p.
2. Engheta N., Ziolkowsky R.W. Metamaterials - physics and engineering exploration. - Danvers: John Wiley & Sons Inc., 2006. - 414 p.
3. Kim H. and Seo C., Inverse Class-F Power Amplifi er Using the Metamaterial Structure on the Harmonic Control Circuit. // Microwave and Optical Technology Letters. 2008. - Vol. 50. No 2. - Pp. 2881-2884.
4. Awasthi S., Biswas A., Akhtar M. J. Compact Bandstop Filt er Using Triangular Metamaterial Mushroom Resonators // Asia-Pacifi c Microwave Conference Proceedings (APMC). 2012. - Pp. 217-219.
5. Morata M., Gil I., Fernandez-Garcia R. Parametric Design of Stop Band Pass Filter Based on RF Metamaterials in LTCC Technology // Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings. 2012. - No 8. - Pp. 813-817.
6. Бойко С.Н., Веселаго В.Г., Виноградов Е.А., Жуков А.А. Малогабаритные антенны на основе метаматериалов (практические аспекты) // Антенны. 2012. - №12. - C. 32-41.
7. Кухаренко А.С., Елизаров А.А. Анализ физических особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ устройств на их основе // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. - Том 9. - №5. - С. 36-41.
8. Бойко С.Н., Елизаров А.А., Закирова Э.А., Кухаренко А.С. Исследование малогабаритного развязывающего СВЧ фильтра на метаматериале // Материалы международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2014", Саратов, 2014. - Т.1. - С. 218-225.
9. Кухаренко А.С., Елизаров А.А. Частотно-селективная поверхность на основе метаматериала с электронной перестройкой полосы запирания // Труды II Всероссийской научной конференции "Проблемы СВЧ-электроники" МИЭМ НИУ ВШЭ - "Инновационные решения" Keysight Technologies. Москва, 2015. - С. 45-48.
10. Кухаренко А.С., Елизаров А.А. Методы расширения полосы заграждения сверхвысокочастотных устройств на основе планарных модифицированных грибовидных структур метаматериалов // Радиотехника и электроника. 2016. - Т. 61. - № 2. - С. 192-198.
11. Елизаров А.А., Закирова Э.А. Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками. - М.: ИД Медиа Паблишер, 2016. - 122 с.
12. Sievenpiper D., Zhang L., Broas R. J., Alexopolous N. G., and Yablonovich E. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. Nov. 1999. - No. 11. - Vol. 47. - Pp. 2059-2074.
13. Froozesh A., Shafai L. Investigations in to the application of artificial magnetic conductors to bandwidth broadening, gain enhancement and beam shaping of low profile and conventional monopole antennas // IEEE AP Trans. - Jan. 2011 - No. 11. - Vol. 59. - Pp. 4-20.
14. Lee H., Ford K. L., Langley R. J. Independently tunable low-profile dual-band high-impedance surface antenna system for application in UHF band // IEEE AP Trans. - Sep. 2012. - No. 9. - Vol. 60. - Pp. 4092-4101.
15. Luo Z., Chen X., Long J., Quarforth R. and Sievenpiper D. Nonlinear power-dependent impedance surface // IEEE AP Trans. - Apr. 2015. - No. 4. - Vol. 63. - pp. 1736-1745.
16. Уваров А.С. P-CAD. Проектирование и конструирование электронных устройств. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 760 с.
17. Ардизони Д. Практическое руководство по разработке печатных плат для высокоточных схем // Компоненты и технологии. -2007. - №12. - С. 157-162.
18. Ardizzoni J. Keep high-speed cirquit-board layout on track // EE times. - 2005. - May 23.
19. ГОСТ 23751-86. Печатные платы. Основные параметры конструкции.
20. Чернушенко А.М., Меланченко Н.Е., Малорацкий Л.Г., Петров Б.В. Конструкции СВЧ устройств и экранов: учебное пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1983. - 400 с.
