Technology Development of a High Power Low-Cost Waveguide Switch for Satellite Transponder Applications

Sharifi Moghaddam, Elham; Shafeghati, Mohsen; Ahmadi, Behzad

doi:10.22034/jsst.2024.1501

Technology Development of a High Power Low-Cost Waveguide Switch for Satellite Transponder Applications

Document Type : Original Research Paper

Authors

Elham Sharifi Moghaddam ¹

Mohsen Shafeghati ²

Behzad Ahmadi ¹

¹ Assistant Professor, Satellite Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran

² MSc, Satellite Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2024.1501

Abstract

This article presents a double pole double throw (DPDT) waveguide switch in the Ku band with significantly lower manufacturing costs than competing switches. The switch structure consists of a fixed ring and a rotating cylinder at its center, separated by an unavoidable narrow air gap. An electromagnetic band gap (EBG) structure minimises leakage in this gap. Gap waveguide technology effectively mitigates leakage waves by incorporating a perfect magnetic conductor (PMC), restricting wave propagation within a specific frequency range. For cost-effective implementation of the EBG region, a glide-symmetric holey structure (GSHS) is proposed. This structure consists of two parallel perforated conductor plates with a narrow air gap, where the holes are arranged alternately in a triangular grid. In the proposed switch, the holes in the inner cylinder are offset from those in the outer ring by half a period, minimizing leakage effectively. Design and simulation results demonstrate that the switch achieves a transmission loss of 0.05 dB and a return loss of less than −35 dB at its ports. Additionally, the port isolation exceeds 80 dB, and the switch offers a relative bandwidth of more than 50%, outperforming similar designs.

Keywords

DPDT Switch: Glide Symmetric Holey Structure: Waveguide Switch: Gap Waveguide: Transponder: Ku Band: High Power

Subjects

communications

Article Title Persian

توسعه فناوری یک سوییچ موج‌بری توان بالای کم هزینه برای کاربرد در ترانسپوندر باند Ku ماهواره های مخابراتی

Authors Persian

الهام شریفی مقدم ¹

محسن شفقتی ²

بهزاد احمدی ¹

¹ استادیار، پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه هوافضا، تهران، ایران

² کارشناس ارشد، پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

Abstract Persian

در این مقاله یک سوییچ موجبری دو ورودی-دو خروجی در باند Ku ابداع شده است که نسبت به سوییچ های مشابه، ساخت آن بسیار کم هزینه تر است. ساختار سوییچ موجبری متشکل از حلقه ای ثابت و یک استوانه چرخان در میان آن است، در نتیجه تشکیل یک فاصل هوایی بین این دو قسمت سوییچ اجتناب ناپذیر است. برای محدود کردن نشتی موج از فاصله هوایی بین استوانه داخلی گردان و حلقه خارجی، از ساختار EBG جدیدی در سوییچ پیشنهادی این مقاله استفاده شده است. فناوری موجبر شیاردار یکی از روش هایی است که برای کاهش این موج نشتی استفاده می شود. در این روش با طراحی یک هادی مغناطیسی کامل (PMC) در ناحیه فاصله هوایی، انتشار موج در یک باند فرکانسی مشخص محدود می شود. راه حلی که در این مقاله برای پیاده سازی ناحیه محدود کننده انتشار موج پیشنهاد شده است، ساختار سوراخدار متقارن است. چینش سوراخ ها در این ساختار به نحوی است که سوراخ های استوانه داخلی به نسبت حلقه خارجی به اندازه نصف دوره تناوب سوراخ ها شیفت پیدا کرده اند. طبق نتایج طراحی و تحلیل، با استفاده از ساختار EBG پیشنهادی، میزان نشتی موج در فاصله هوایی به نحو قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و در نتیجه پارامترهای الکتریکی بهبود می یابند. نتایج طراحی و شبیه سازی نشان می دهد که تلف عبوری سوییچ طراحی شده کمتر از dB 0.05 و ضریب انعکاس پورت های آن کمتر از dB 35- است. همچنین ایزولاسیون بین پورت ها بیشتر dB 80 و پهنای باند نسبی این سوییچ بیشتر از 50% بدست آمد که نسبت به سوییچ های مشابه وضعیت بهتری دارد.

Keywords Persian

سوییچ دو ورودی-دو خروجی

ساختار سوراخ‌دار متقارن

سوییچ موج‌بری

موج‌بر شکاف‌دار

ترانسپوندر

باند Ku

توان بالا

[1] V. K. Varadan, K. J. Vinoy, and K. A. Jos, RF MEMS & Their Applications, John Wiley & Sons, Ltd, 2003, https://doi.org/ 10.1002/0470856602.

[2] L. A. Belov, S. M. Smolskiy, and V. N. Kochemarov, Handbook of RF, Microwave & Millimeter Wave Components, Artech house, 2012, https://doi.org/10.3390/ELECTRONICS2010035

[3] Z. N. Chen, D. Liu, H. Nakano, X. Qing, and T. Zwick, Handbook of Antenna Technologies, Singapore: Springer, 2016, https://doi.org/10.1007/978-981-4560-44-3.

[4] J. Tayebpour, B. Ahmadi, M. Fallahzadeh, O. Shekoofa, and A. Torabi, "A waveguide switch based on contactless gap waveguide technology," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 29, No. 12, pp. 771-774, 2019, https://doi.org/10.1109/LMWC.2019.2950164.

[5] A. J. Alazemi, D. Zarifi, and A. Farahbakhsh, "A broadband contactless gap waveguide microwave switch for X- and Ku-bands applications," AEU-International Journal of Electronics and Communications, vol. 139, 2021, Art. no. 153929, https://doi.org/10.1016/j.aeue.2021.153929.

[6] M. Ebrahimpouri, O. Quevedo-Teruel, and E. Rajo-Iglesias, "Design guidelines for gap waveguide technology based on glide-symmetric holey structures," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, no. 6, pp. 542-544, 2017, https://doi.org/10.1109/LMWC.2017.2701308 .

[7] M. Ebrahimpouri, E. Rajo-Iglesias, Z. Sipus, and O. Quevedo-Teruel, "Cost-effective gap waveguide technology based on glide-symmetric holey EBG structures," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 2, pp. 927-934, 2018, https://doi.org/10.1109/TMTT.2017.2764091.

[8] E. Alfonso, A. U. Zaman, E. Pucci, and P. S. Kildal, "Gap waveguide components for millimetre-wave systems: Couplers, filters, antennas, MMIC packaging," in International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Nagoya, Japan 2012, pp. 243–246.

[9] E. A. Alós, A. U. Zaman, and P. S. Kildal, "Ka-band gap waveguide coupled-resonator filter for radio link diplexer application," IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 3, no. 5, pp. 870–879, 2013, https://doi.org/10.1109/TCPMT.2012.2231140.

[10] B. Ahmadi and A. Banai, "Direct coupled resonator filters realized by gap waveguide technology," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 10, pp. 3445–3452, 2015, https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2457916.

[11] B. Ahmadi and A. Banai, "Substrateless amplifier module realized by ridge gap waveguide technology for millimeter-wave applications," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 64, no. 11, pp. 3623–3630, 2016, https://doi.org/10.1109/TMTT.2016.2607177.

[12] B. Ahmadi and A. Banai, "Substrate-less oscillator module realized by gap waveguide technology for millimeter wave applications," in 47th European Microwave Conference (EuMC), Nuremberg, Germany, 2017, pp. 1116–1119, https://doi.org/10.23919/EuMC.2017.8231043.

[13] M. G. Silveirinha, C. A. Fernandes, and J. R. Costa, "Electromagnetic characterization of textured surfaces formed by metallic pins," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 2, pp. 405–415, 2008, https://doi.org/10.1109/TAP.2007.915442.

[14] E. Rajo Iglesias and P. S. Kildal, "Numerical studies of bandwidth of parallel-plate cut-off realised by a bed of nails, corrugations and mushroom-type electromagnetic bandgap for use in gap waveguides," IET Microwaves, Antennas Propagation, vol. 5, no. 3, pp. 282–289, 2011, https://doi.org/10.1049/iet-map.2010.0073.

[15] M. Ebrahimpouri, A. A. Brazalez, L. Manholm, and O. Quevedo Teruel, "Using glide-symmetric holes to reduce leakage between waveguide flanges," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 6, pp.473-475, 2018, https://doi.org/10.1109/LMWC.2018.2824563.

[16] J. A. Ruiz Cruz, M. M. Fahmi, and R. R. Mansour, "Generalized multiport waveguide switches based on multiple short-circuit loads in power-divider junctions," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 59, no. 12, pp. 3347–3355, 2011, https://doi.org/ 10.1109/TMTT.2011.2170089.