Konzepte und Synthese Flüssigkristallbasierter Filter mit kontinuierlich steuerbarer Mittenfrequenz und Bandbreite im Ka-Band

Durch die stetig steigende Anzahl an Funkdiensten und den schnellen Wandel in den Funkdienstanforderungen bezüglich ihrer Frequenzbandzuweisung erfordern zukünftige Kommunikationssysteme wie Satelliten und Basisstationen der 4. und 5. Generation mit langen Planungs- und Einsatzzeiten frequenzagile (rekonfigurierbare) Hochfrequenz-Frontends. Eine Schlüsselkomponente sind die Eingangsfilter. Stand der Technik sind Filterbänke, die eine Vielzahl von Frequenzbandparametern wie Mittenfrequenz und Bandbreite abdecken. Dieses Filterkonzept basiert auf einer festen Anzahl an Steuerzuständen (Filtern), die nur diskret eingestellt werden können und keine nachträgliche Rekonfiguration der Filter bzw. Frequenzbandzuweisungen erlauben. Weiterhin ist das große Volumen und hohe Gewicht von Filterbänken ein großes Problem insbesondere für Satelliten. Durch den Einsatz von elektronisch steuerbaren Filtern können Filterparameter wie Mittenfrequenz und Bandbreite in einem bestimmten Abstimmbereich kontinuierlich eingestellt werden. Dies ermöglicht eine annähernd unbegrenzte Anzahl von Rekonfigurationen des HF-Frontends im Laufe seiner Einsatzzeit, z. B. eines geostationären Satelliten von mehr als 15 Jahren. Weiterhin reduzieren sich das Volumen sowie das Gewicht des Filters auf einen Bruchteil dessen einer Filterbank. Primäres Ziel des vorliegenden Antrags ist daher die Analyse und Synthese allgemein elektrisch steuerbarer Flüssigkristall (Liquid Crystal, LC) Filter mit abstimmbarer Bandbreite und Mittenfrequenz für die Satellitenkommunikation (SatKom) im Ka-Band. Die Verwendung der in Darmstadt etablierten Mikrowellen-LC-Technologie bietet für die angestrebte SatKom-Anwendung zwei immense Vorteile, (1.) die neusten, speziell synthetisierten Flüssigkristalle weisen im Millimeterwellenbereich nur sehr geringe maximale Verluste auf und erlauben somit eine hohe Filtergüte, und (2.) diese Flüssigkristalle sind weltraumtauglich, d. h. strahlenfest. Die zu synthetisierenden LCbasierten Filter sollen sowohl in der Mittenfrequenz als auch in der Bandbreite abstimmbar sein. Deshalb werden zunächst verschiedene Ansätze für die Realisierung abstimmbarer Koppelaperturen sowie Resonatoren auf LC-Basis untersucht und geeignete Steuerelektroden entwickelt mit dem Ziel der maximalen Steuerbarkeit bei höchster Resonator-Güte. Aus den synthetisierten Einzelkomponenten wird anschließend das gesamte Filter höherer Ordnung zusammengefügt, wobei zuvor eine Untersuchung der für diese Anwendung optimalen Filtertopologie auf Basis der Koppelmatrix erfolgt. Für die finale Feinabstimmung des gesamten Filters wird das zugrundeliegende Simulationsmodell so weit vereinfacht, dass eine Simulation der gesamten LC-Filterstruktur in einer angemessenen Zeitdauer möglich. Eine Untersuchung zur schnellen Rekonfiguration des Filters im laufenden Betrieb sowie die Implementierung eines Diagnosealgorithmus zur Realisierung der thermischen Stabilität ist für den Abschluss des Projekts vorgesehen.

Concepts and synthesis of liquid crystal-based filters with continuously controllable center frequency and bandwidth in Ka-band

Due to the constantly increasing number of radio services and the rapid change in radio service requirements with regard to their frequency band allocation, future communication systems such as 4th and 5th generation satellites and base stations with long planning and deployment times require frequency-agile (reconfigurable) radio frequency front-ends. The input filters are a key component. State of the art are filter banks that cover a variety of frequency band parameters such as center frequency and bandwidth. This filter concept is based on a fixed number of control states (filters), which can only be set discretely and do not allow subsequent reconfiguration of the filters or frequency band assignments. Furthermore, the large volume and high weight of filter banks is a major problem, especially for satellites. By using electronically controllable filters, filter parameters such as center frequency and bandwidth can be continuously adjusted within a specific tuning range. This enables an almost unlimited number of reconfigurations of the RF front end over the course of its service life, e.g. a geostationary satellite of more than 15 years. Furthermore, the volume and weight of the filter is reduced to a fraction of that of a filter bank. The primary objective of the present application is therefore the analysis and synthesis of generally electrically controllable liquid crystal (LC) filters with tunable bandwidth and center frequency for satellite communication (SatCom) in Ka-band. The use of the microwave LC technology established in Darmstadt offers two immense advantages for the intended SatCom application: (1.) the latest, specially synthesized liquid crystals exhibit only very low maximum losses in the millimeter wave range and thus allow a high filter quality, and (2.) these liquid crystals are suitable for use in space, i.e. they are radiation-proof. The LC-based filters to be synthesized should be tunable both in the center frequency and in the bandwidth. For this reason, various approaches for the realization of tunable coupling apertures and LC-based resonators are initially investigated and suitable control electrodes are developed with the aim of achieving maximum controllability with the highest resonator quality. The entire higher-order filter is then assembled from the synthesized individual components, whereby the optimum filter topology for this application is first investigated on the basis of the coupling matrix. For the final fine-tuning of the entire filter, the underlying simulation model is simplified to such an extent that it is possible to simulate the entire LC filter structure in a reasonable amount of time. An investigation into the rapid reconfiguration of the filter during operation and the implementation of a diagnostic algorithm to realize thermal stability is planned for the end of the project.