Functional spherical dielectric resonators at microwave and millimeter-wave frequency

Abstract

Es werden die empfindlichsten elektromagnetischen Sensoren zur Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante für Mikrowellen und mm-Wellen vorgestellt, bewertet und verglichen. Es werden eigene Definitionen der Empfindlichkeit präsentiert, um den Stand der Technik vergleichen zu können. Die kugelförmigen dielektrischen Resonatoren-Sensoren sind die empfindlichsten Sensoren bei mm-Wellen Frequenzen und skalierbar bis zu THz-Frequenzen. Flüssigkeiten werden im Durchfluss gemessen und ihre Permittivität bei Mikrowellen, mm-Wellen und Sub-THz-Frequenzen bestimmt. Das benötigte Volumen von den Flüssigkeiten konnte bis auf 0.35 nl reduziert werden. Auch Partikel in Flüssigkeiten konnten bei Mikrowellen- und mm-Wellen im Durchfluss im Sub-Wellenlängenbereich detektiert werden. Es werden Lösungen zur Temperaturkontrolle bzw. zum Herausrechnen des Temperatureinflusses mit Hilfe einer zusätzlichen elektromagnetischen Resonanzmode vorgestellt. Die Probleme bei der Verwendung eines metallischen Hohlleiters mit einem Loch und einem Rohr dadurch im Inneren zur breitbandigen Bestimmung der Permittivität von Materialien werden erläutert. Silizium- und insbesondere BiCMOS-SiGe-Chips-Anwendungen wie Antennen, Filter und Oszillatoren, die mit der IHP-Technologie SG13G2 hergestellt wurden, werden vorgestellt und mit dem Stand der Technik verglichen. Die Vorteile sowie Details zur Verbesserung der spherischen dielektrischen Resonator-Antennen auf Siliziumchips werden für passive und aktive Multi-Port-Fälle hervorgehoben. Der vorgestellte Resonator oder auch Filter mit einer Keramikkugel hat den höchsten Qualitäts-Faktor aller bisher vorgestellten On-Silizium-Chips. Auch eine spannungsabstimmbare Version des Resonators wird vorgestellt und in einem Spannungsgesteuertem Oszillator zum Frequenzverstimmmen des Oszillators verwendet. Der Oszillator erzeugt ein Signal bei ca. 100GHz und ist 100MHz abstimmbar. Die Oszillation ist extrem stoß- und druckempfindlich und bietet daher Raum für Verbesserungen.