Measurement techniques of scattering parameters based on six-port technology for microwave applications

Barakat, Rabih (2022). Measurement techniques of scattering parameters based on six-port technology for microwave applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Vector network analyzers have been used to provide accurate measurements of the scattering parameters of a microwave network and are essential instruments that have gained more and more attention in biomedical industry. In this context, low-power electromagnetic waves that are transmitted into the cells under test can be successful in cancer detection due to the dielectric contrast between malignant tumors and normal cells at microwave frequencies. However, these instruments are often bulky and expensive which is not suitable for clinical and Point-of-care rapid tests. Therefore, many research activities have been made to replace them by low cost and portable alternative six-port measurement systems. The aim of this thesis is to present a wideband microwave six-port system that is able to measure the reflection and the transmission coefficients of a device under test (DUT). The proposed six-port design is required to give the accuracy needed for the measurements to be done in a wide band of operation in the S-band.

While many studies have been carried out to develop six-port reflectometers, there is still a need to optimize the six-port circuit performance by keeping the design complexity low and by reducing the computational effort for six-port calibration. To do this, hybrid couplers and power dividers need to be optimized as they are building blocks in the proposed six-port architecture. To this end, the design of a modified ring power divider, built by using a conventional ring power divider and an additional Stepped-Impedance Resonator (SIR) is introduced to improve its operational bandwidth and performance compared to the reported ring structure. A comparative study between the designed device and the previously reported ring power divider is conducted. The electromagnetic (EM) simulated results show that the proposed divider has a fractional bandwidth of 90.2 % at the center frequency of 3.17 GHz. The measurement results of the fabricated prototype demonstrate high performance over the considered operational bandwidth from 1.7 GHz to 4.64 GHz with a return loss lower than -10 dB while maintaining a good insertion loss and a good isolation between the output ports. The maximum amplitude imbalance is better than 0.21 dB and the phase imbalance is better than 2.5 degrees between the output signals. In addition, a compact two-section 90-degree coupler with a rounded structure is designed to operate at 3 GHz. The input reflection coefficient S11 is under -10 dB between 2.3 GHz and 3.96 GHz which means a wide operational bandwidth of the proposed coupler. In addition, the insertion loss is -3.09 dB at the center frequency with magnitude im alance less than ±1 dB between 2.6 GHz and 3.7 GHz.

The six-port junction made up of a modified ring power divider and three identical 90-degree hybrid couplers is then designed and fabricated to operate at the center frequency of 3 GHz. The six-port system's performance is demonstrated by measurements of the return loss S11 which is lower than -17 dB in the frequency band of 2.2 ˗ 3.67 GHz. Besides, the transmission coefficients with respect to port 1 are - 6.3 dB ± 1 dB from 2.2 to 3.55 GHz. These results show the excellent performance of the six-port junction.

In order to build the six-port reflectometer, the microwave source and the device under test (DUT) are connected to the six-port junction unit through an additional circuit formed by a 90- degree hybrid and a ring power divider. The performance of the six-port reflectometer is then evaluated for real-time measurements by measuring the reflection coefficient of different devices under test. The measured results are then corrected by a proper calibration method to remove hardware imperfection. Compared to conventional six-port calibration methods, the proposed calibration process is easy to use and allows accurate reflection coefficient measurements while reducing the complexity and computational efforts of traditional six-port calibration techniques.

Finally, a low-cost and portable six-port network analyzer (SPNA) for measuring the complex reflection and transmission coefficients is designed to operate at the center frequency of 3 GHz. The proposed network analyzer is built by two six-port junctions and 8 power detectors and an additional circuit for power distribution which is formed by one coupler and one power divider. The proposed measurement system combines the advantages of simplicity and real-time operation as well as low-cost fabrication since it is built on a single layer microstrip technology. A simplified approach for calibration based on two-port error correction with only four standards is implemented. After calibration, the measured complex reflection and transmission coefficients obtained from the different tests performed is evaluated which demonstrate the validity of calibration method. This thesis opens a new promising route for two-port Sparameter measurements based on low-cost six-port technique.

Titre traduit

Techniques de mesures des paramètres de dispersion basées sur la technologie six-port pour applications micro-ondes

Résumé traduit

Les analyseurs de réseaux vectoriels ont été utilisés pour fournir des mesures précises des paramètres-S d'un réseau micro-ondes et sont des instruments essentiels qui suscitent de plus en plus d'intérêt dans l'industrie biomédicale. Dans ce contexte, les ondes électromagnétiques de faible puissance qui sont transmises dans les cellules testées peuvent être efficaces dans la détection du cancer en raison de la différence de comportement diélectrique entre les tumeurs cancéreuses et les cellules normales aux fréquences micro-ondes. Cependant, ces instruments sont souvent encombrants et coûteux, ce qui ne convient pas aux tests de dépistage rapides aux points de service. Par conséquent, de nombreuses recherches ont été menées pour les remplacer par des systèmes de mesure alternatifs à base de la technologie six-port, peu coûteux et portatifs. L'objectif de cette thèse est de présenter un système micro-ondes à six-port largebande capable de mesurer les coefficients de réflexion et de transmission d'un dispositif sous test (DST). La conception du système de mesure proposé doit donner la précision nécessaire pour que les mesures soient effectuées dans une large bande de fréquences dans la bande S.

Bien que de nombreuses études aient été menées pour développer des réflectomètres six-port, il est toujours essentiel d'optimiser les performances des circuits six-port en gardant une faible complexité de conception et aussi en réduisant l'effort de calcul pour le calibrage. Pour ce faire, le coupleur hybride et le diviseur de puissance doivent être optimisés car ils constituent les éléments de base de l’architecture six-port proposée. À cette fin, la conception d'un diviseur de puissance en anneau modifié, construit à l'aide d'un diviseur de puissance en anneau classique et d'un résonateur à impédance échelonnée supplémentaire, est présentée afin d'améliorer sa bande passante et ses performances. Une étude comparative entre le dispositif conçu et le diviseur de puissance en anneau classique est accomplie. Les résultats de la simulation électromagnétique (EM) montrent que le diviseur proposé présente une largeur de bande fractionnelle de 90.2 % à la fréquence centrale de 3.17 GHz. Les résultats de mesure du prototype fabriqué démontrent une haute performance sur la bande passante opérationnelle considérée de 1.7 GHz à 4.64 GHz avec une perte de retour inférieure à -10 dB tout en maintenant une bonne perte d'insertion et une bonne isolation entre les ports de sortie. Le déséquilibre d'amplitude maximal est inférieur à 0.21 dB et le déséquilibre de phase est inférieur à 2.5 degrés entre les signaux de sortie. En outre, un coupleur à 90-degrés compact à deux-sections avec une structure arrondie est conçu pour fonctionner à 3 GHz. Le coefficient de réflexion d'entrée S11 est inférieur à -10 dB entre 2.3 GHz et 3.96 GHz, ce qui signifie une large bande de fréquences opérationnelle du coupleur proposé. De plus, la perte d'insertion est de -3.09 dB à la fréquence centrale avec un déséquilibre d'amplitude inférieur à ±1 dB entre 2.6 GHz et 3.7 GHz.

La jonction six-port composée d'un diviseur de puissance en anneau modifié et de trois coupleurs hybrides identiques à 90 degrés est ensuite conçue et fabriquée pour fonctionner à la fréquence centrale de 3 GHz. Les performances du système six-port sont démontrées par des mesures de la perte de retour S11 qui est inférieur à -17 dB dans la bande de fréquence de 2.2- 3.67 GHz. En outre, les coefficients de transmission par rapport au port 1 sont de – 6.3 dB ± 1 dB de 2.2 GHz à 3.55 GHz. Ces résultats montrent l'excellente performance de la jonction sixport.

Afin de réaliser le réflectomètre six-port, la source micro-ondes et le dispositif à tester sont connectés à la jonction six-port par le biais d'un circuit additionnel formé par un hybride 90- degrés et un diviseur de puissance en anneau modifié. Les performances du réflectomètre sixport sont ensuite évaluées en effectuant des mesures en temps réel et en mesurant le coefficient de réflexion de différents dispositifs testés. Les résultats mesurés sont ensuite corrigés par une méthode de calibration appropriée pour supprimer les imperfections du système. Comparé aux méthodes de calibration six-port classiques, le processus de calibration proposé est facile à utiliser et permet des mesures précises du coefficient de réflexion tout en réduisant la complexité et les efforts de calcul des techniques de calibration six-port classiques.

Enfin, un analyseur de réseau six-port portatif et peu coûteux pour mesurer les coefficients de réflexion et de transmission complexes est conçu pour fonctionner à la fréquence centrale de 3 GHz. L'analyseur de réseau proposé est constitué de deux jonctions six-port avec des détecteurs de puissance connectés aux ports de sortie, ainsi que d'un circuit additionnel pour la distribution de la puissance, formé d'un coupleur et d'un diviseur de puissance. Le système de mesure proposé combine les avantages de la simplicité et du fonctionnement en temps réel ainsi que la fabrication à faible coût car il est construit en technologie micro-ruban. Une approche simplifiée de calibration basée sur la correction d'erreur à deux ports avec seulement quatre standards est mise en œuvre. Après la calibration, les coefficients de réflexion et de transmission complexes obtenus à partir des différents tests effectués sont évalués, ce qui démontre la validité de la méthode de calibration. Cette thèse ouvre une nouvelle voie prometteuse pour la mesure des paramètres S à deux ports, basée sur la technique six-port à faible coût.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 115-122).
Mots-clés libres:	microruban, diviseur de puissance en anneau, résonateur à impédance échelonnée, réflectomètre six-port, analyseur de réseau à six ports, permittivité complexe, micro-ondes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nerguizian, Vahé
Codirecteur:	Codirecteur Tatu, Serioja
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 mai 2022 13:40
Dernière modification:	27 mai 2022 13:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2999

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