Compact Microwave Phase Shifter Based on Metamaterials // GP // Dr. Ahmed Fawzy ( 2018 - 2019 )
Mahmoud Mohsen Egela 152407
Compact Microwave Phase Shifter Based on Metamaterials // GP // Dr. Ahmed Fawzy ( 2018 - 2019 ) - Giza MSA 2019 - 89 P. - Engineering Distinguished Graduation 2018 - 2019 .
A phase shifter is a device with two ports that gives changes in the input signal phase. The output of the
phase shifter has approximately a trivial amount of attenuation. Current phase shifter designs are centered on
enhancing insertion loss, switching speed, size, financial cost and bandwidth. Phase shifters are essential in
microwave communication systems. Applications of microwave Phase shifters are almost in all
communication systems such as mobile phones, smart antennas in base stations, radar, satellite and missile
applications. Although phase shifters are fundamentally used for electronic beam steering in phased array
antenna systems. A phase shifter should have stable phase shift in a wide frequency, small size and low losses.
By using metamaterial (MTM) transmission line (TL) these characteristics will be achieved.
In this thesis, a compact metamaterial phase shifter is designed, implemented, simulated and measured.
The composite right/left-handed unit cells will improve the compactness for the configuration. The composite
right/left handed (CRLH) metamaterial (MTM) has extraordinary phase characteristics. Positive, negative,
and zero phase speeds can be achieved by these characteristics. The compact phase shifter can be achieved
using these characteristics. Loaded line phase shifter type is selected among other types of the phase shifters
as it can have a broad range of phase shifts. The Loaded line phase shifter is a quarter-wavelength transmission
line with shunt reactance at each end. The compactness of the proposed phase shifter will be achieved by using
a simplified composite right/left-handed transmission line (S-CRLH-TL) as the loaded structure of the loaded
line phase shifter.
A compact metamaterial phase shifter is designed to be used with reconfigurable phased array antenna
systems. The proposed phase shifter provides a constant phase shift of 8° between the main line and the
reference line. MTM transmission lines are recently used while designing passive microwave devices. This
method is a good choice for achieving the compactness of the designed device. This method also has a simple
fabrication process. The phase shifter was measured to have a bandwidth about 82% (2.9 GHz to 7 GHz) for
a maximum phase deviation of 3.3°. The proposed phase shifter achieves (7.6° ± 3.3°). The proposed phase
shifter has a compact size of 13.5 mm × 9 mm. جهاز تغيير الطور هو جهاز به منفذين يوفران تغييرات في مرحلة إشارة الدخل. ناتج المرحلة شيفتر لديه ما يقرب
من كمية تافهة من التوهين. تتركز تصميمات ناقل الحركة الحالية للمرحلة على تعزيز فقد اإلدراج ، وسرعة التبديل والحجم
والتكلفة المالية وعرض النطاق الترددي. المغيرون المرحلة ضرورية في أنظمة االتصاالت الميكروويف. تطبيقات
الموجات الصغرية تعمل أدوات تبديل الطور في جميع أنظمة االتصاالت تقريبًا ، مثل الهواتف المحمولة والهوائيات الذكية
في المحطات األساسية والرادار وتطبيقات األقمار الصناعية والصواريخ. على الرغم من أن مبدالت الطور تستخدم بشكل
أساسي لتوجيه الحزمة اإللكترونية في أنظمة هوائيات المراحل. يجب أن يكون لمحول الطور تحول طور ثابت في تردد
واسع وصغر الحجم وخسائر منخفضة. تم تصميم ناقل الحركة الطور للمادة باستخدام هياكل من الميتاماتيريال وتطبيقه ومحاكاته
وقياسه. سوف خاليا وحدة اليمين / اليسار مركب تحسين االكتناز للتكوين. تتميز الميتاماتيريال ذات اليد اليمنى / اليسرى
(MTM) (CRLH (بخصائص المرحلة االستثنائية. يمكن تحقيق سرعات المرحلة اإليجابية والسلبية والصفرية من خالل
هذه الخصائص. يمكن تحقيق ناقل الطور المدمج باستخدام هذه الخصائص. يتم تحديد نوع ناقل الحركة الطولي للخط المحمل
من بين األنواع األخرى من مغير الطور حيث يمكن أن يكون لديه نطاق واسع من تحوالت الطور. إن ناقل الحركة الطولي
للخط المحمل هو خط نقل بطول ربع الموجة مع مفاعلة التحويل في كل طرف. سيتم تحقيق انضغاط ناقل الحركة المقترح
باستخدام خط نقل مبسط يمين / يسار مركب )TL-CRLH-S )كهيكل محمل لمحول طور الخط المحمل. تم تصميم ناقل الحركة الطور للمادة ليتم استخدامه مع أنظمة الهوائيات ذات الصفيف التدريجي القابل إلعادة
التكوين. يوفر ناقل الطور المقترح انتقا 8 درجات بين الخط الرئيسي والخط المرجعي. يتم استخدام ًال ثابتًا في الطور قدره
خطوط نقل MTM مؤخ ًرا أثناء تصميم أجهزة الميكروويف المنفعلة. هذه الطريقة هي اختيار جيد لتحقيق ضغط الجهاز
المصمم. هذه الطريقة لديها أيضا عملية تصنيع بسيطة. تم قياس شيفتر الطور للحصول على عرض نطاق يبلغ حوالي 82 ٪
)من 9.2 جيجاهيرتز إلى 7 جيجاهرتز( النحراف أقصى طور قدره 3.3 .° المرحلة الناقلة المقترحة تحقق )6.7 ± ° 3.3
°(. يبلغ حجم ناقل الطور المقترح 5.13 مم × 9 مم.
Microwave
621
Compact Microwave Phase Shifter Based on Metamaterials // GP // Dr. Ahmed Fawzy ( 2018 - 2019 ) - Giza MSA 2019 - 89 P. - Engineering Distinguished Graduation 2018 - 2019 .
A phase shifter is a device with two ports that gives changes in the input signal phase. The output of the
phase shifter has approximately a trivial amount of attenuation. Current phase shifter designs are centered on
enhancing insertion loss, switching speed, size, financial cost and bandwidth. Phase shifters are essential in
microwave communication systems. Applications of microwave Phase shifters are almost in all
communication systems such as mobile phones, smart antennas in base stations, radar, satellite and missile
applications. Although phase shifters are fundamentally used for electronic beam steering in phased array
antenna systems. A phase shifter should have stable phase shift in a wide frequency, small size and low losses.
By using metamaterial (MTM) transmission line (TL) these characteristics will be achieved.
In this thesis, a compact metamaterial phase shifter is designed, implemented, simulated and measured.
The composite right/left-handed unit cells will improve the compactness for the configuration. The composite
right/left handed (CRLH) metamaterial (MTM) has extraordinary phase characteristics. Positive, negative,
and zero phase speeds can be achieved by these characteristics. The compact phase shifter can be achieved
using these characteristics. Loaded line phase shifter type is selected among other types of the phase shifters
as it can have a broad range of phase shifts. The Loaded line phase shifter is a quarter-wavelength transmission
line with shunt reactance at each end. The compactness of the proposed phase shifter will be achieved by using
a simplified composite right/left-handed transmission line (S-CRLH-TL) as the loaded structure of the loaded
line phase shifter.
A compact metamaterial phase shifter is designed to be used with reconfigurable phased array antenna
systems. The proposed phase shifter provides a constant phase shift of 8° between the main line and the
reference line. MTM transmission lines are recently used while designing passive microwave devices. This
method is a good choice for achieving the compactness of the designed device. This method also has a simple
fabrication process. The phase shifter was measured to have a bandwidth about 82% (2.9 GHz to 7 GHz) for
a maximum phase deviation of 3.3°. The proposed phase shifter achieves (7.6° ± 3.3°). The proposed phase
shifter has a compact size of 13.5 mm × 9 mm. جهاز تغيير الطور هو جهاز به منفذين يوفران تغييرات في مرحلة إشارة الدخل. ناتج المرحلة شيفتر لديه ما يقرب
من كمية تافهة من التوهين. تتركز تصميمات ناقل الحركة الحالية للمرحلة على تعزيز فقد اإلدراج ، وسرعة التبديل والحجم
والتكلفة المالية وعرض النطاق الترددي. المغيرون المرحلة ضرورية في أنظمة االتصاالت الميكروويف. تطبيقات
الموجات الصغرية تعمل أدوات تبديل الطور في جميع أنظمة االتصاالت تقريبًا ، مثل الهواتف المحمولة والهوائيات الذكية
في المحطات األساسية والرادار وتطبيقات األقمار الصناعية والصواريخ. على الرغم من أن مبدالت الطور تستخدم بشكل
أساسي لتوجيه الحزمة اإللكترونية في أنظمة هوائيات المراحل. يجب أن يكون لمحول الطور تحول طور ثابت في تردد
واسع وصغر الحجم وخسائر منخفضة. تم تصميم ناقل الحركة الطور للمادة باستخدام هياكل من الميتاماتيريال وتطبيقه ومحاكاته
وقياسه. سوف خاليا وحدة اليمين / اليسار مركب تحسين االكتناز للتكوين. تتميز الميتاماتيريال ذات اليد اليمنى / اليسرى
(MTM) (CRLH (بخصائص المرحلة االستثنائية. يمكن تحقيق سرعات المرحلة اإليجابية والسلبية والصفرية من خالل
هذه الخصائص. يمكن تحقيق ناقل الطور المدمج باستخدام هذه الخصائص. يتم تحديد نوع ناقل الحركة الطولي للخط المحمل
من بين األنواع األخرى من مغير الطور حيث يمكن أن يكون لديه نطاق واسع من تحوالت الطور. إن ناقل الحركة الطولي
للخط المحمل هو خط نقل بطول ربع الموجة مع مفاعلة التحويل في كل طرف. سيتم تحقيق انضغاط ناقل الحركة المقترح
باستخدام خط نقل مبسط يمين / يسار مركب )TL-CRLH-S )كهيكل محمل لمحول طور الخط المحمل. تم تصميم ناقل الحركة الطور للمادة ليتم استخدامه مع أنظمة الهوائيات ذات الصفيف التدريجي القابل إلعادة
التكوين. يوفر ناقل الطور المقترح انتقا 8 درجات بين الخط الرئيسي والخط المرجعي. يتم استخدام ًال ثابتًا في الطور قدره
خطوط نقل MTM مؤخ ًرا أثناء تصميم أجهزة الميكروويف المنفعلة. هذه الطريقة هي اختيار جيد لتحقيق ضغط الجهاز
المصمم. هذه الطريقة لديها أيضا عملية تصنيع بسيطة. تم قياس شيفتر الطور للحصول على عرض نطاق يبلغ حوالي 82 ٪
)من 9.2 جيجاهيرتز إلى 7 جيجاهرتز( النحراف أقصى طور قدره 3.3 .° المرحلة الناقلة المقترحة تحقق )6.7 ± ° 3.3
°(. يبلغ حجم ناقل الطور المقترح 5.13 مم × 9 مم.
Microwave
621