izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-8-48-55izmertech-2196Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSВолноводный адаптер с бесконтактным фланцем для работы в миллиметровом диапазоне длин волнWaveguide adapter with contactless flange for operation in the millimeter wavelength rangeМолчановС. Ю.MolchanovS. Yu.

Сергей Юрьевич Молчанов, Научный сотрудник

AuthorID: 789323

г. Черноголовка, Московская обл.

Chernogolovka, Moscow region

canishe@yandex.ruТитенкоА. А.TitenkoA. A.

Анатолий Анатольевич Титенко, лаборант

AuthorID: 1166016

г. Черноголовка, Московская обл.

Chernogolovka, Moscow region

toliatitenko@gmail.comБахтеевИ. Ш.BahteevI. Sh.

Игорь Шамильевич Бахтеев, научный сотрудник

AuthorID: 695659

г. Черноголовка, Московская обл.

Chernogolovka, Moscow region

b1984h@yandex.ruКукушкинИ. В.KukushkinI. V.

Игорь Владимирович Кукушкин, главный научный сотрудник, академик РАН

AuthorID: 23490

г. Черноголовка, Московская обл.

Chernogolovka, Moscow region

kukush@issp.ac.ruМуравьевВячеслав МихайловичMuravevV. M.

Вячеслав Михайлович Муравьев, ведущий научный сотрудник

AuthorID: 167383

г. Черноголовка, Московская обл.

Chernogolovka, Moscow region

muravev@issp.ac.ruИнститут физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН)РоссияOsipyan Institute of Solid State Physics Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН); ООО "МВЭЙВ"РоссияOsipyan Institute of Solid State Physics Russian Academy of Sciences; MWAVE CompanyRussian Federation2024300920247384855Copyright © Молчанов С.Ю., Титенко А.А., Бахтеев И.Ш., Кукушкин И.В., Муравьев В.М., 20242024Молчанов С.Ю., Титенко А.А., Бахтеев И.Ш., Кукушкин И.В., Муравьев В.М.Molchanov S.Y., Titenko A.A., Bahteev I.S., Kukushkin I.V., Muravev V.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2196

Рассмотрены методы повышения точности результатов измерений электрических параметров волноводных устройств, работающих в верхней области миллиметрового диапазона. Показано, что точность и надёжность измерений электрических параметров волноводных устройств зависит от качества контакта между волноводными фланцами: утечки электромагнитного излучения через зазоры представляют значительную проблему и могут привести к получению недостоверных результатов измерений вносимых потерь и коэффициента стоячей волны по напряжению. Поэтому ужесточаются требования к качеству контакта между измерительной системой и исследуемым устройством при работе в миллиметровом диапазоне длин волн. Разработан бесконтактный фланец волноводного адаптера для миллиметрового диапазона длин волн, нечувствительный к воздушному зазору в соединении с исследуемым устройством. Волноводный адаптер с бесконтактным фланцем представляет собой участок стандартного прямоугольного волновода WR10, ограниченный с одной стороны стандартным фланцем UG-387, а с другой – предложенным бесконтактным фланцем со штыреподобной структурой. Применение адаптера с бесконтактным фланцем позволяет нивелировать проблемы измерения прямых и обратных потерь, вызванные неполным контактом или его отсутствием при соединении двух волноводных фланцев. Фланцевое соединение данного типа можно использовать для экспресс-измерений, поскольку не требуется крепление с помощью фланцевых винтов. Сравнительный анализ стандартного адаптера и адаптера с бесконтактным фланцем проведён в волноводном канале WR10. Эффективность работы бесконтактного соединения экспериментально подтверждена во всём рабочем диапазоне 75–110 ГГц при неравномерном (с одного края) зазоре 100 мкм в волноводном соединении. Применение волноводного адаптера с бесконтактным фланцем позволяет быстрее и при этом точнее измерять электрические параметры исследуемых устройств. Данный адаптер незаменим для быстрой аттестации волноводных устройств миллиметрового диапазона современными метрологическими средствами (векторным анализатором цепей и скалярной панорамой).

Methods of increasing accuracy of measurement results of S-parameters of waveguide devices operating in the upper part of extremely high frequency range are reviewed. It is shown that accuracy and reliability of measurements of S-parameters of waveguide devices depend on the quality of contact between waveguide flanges: leakage of electromagnetic radiation through gaps poses a significant problem and can lead to unreliable results in measuring insertion loss and voltage standing wave ratio. Therefore, particular attention is paid to quality of contact between the measurement system and the device under test when operating in the millimeter wavelength range. In this paper, a contactless waveguide adapter flange for millimeter wavelength range insensitive to any air gap when connected to the device under test is designed. The waveguide adapter with contactless flange constitutes a section of a standard WR10 rectangular waveguide terminated on one side by a standard UG-387 flange and on the other side by the proposed contactless flange with a pin-like structure. Use of an adapter with a contactless flange allows for minimizing issues related to measuring insertion loss and return loss caused by incomplete contact or lack of it when connecting two waveguide flanges. This type of flange connection can be used for rapid measurements because no flange screw fastening is required. A comparative analysis of a standard adapter and an adapter with a contactless flange is performed in a WR10 waveguide channel. Efficiency of contactless coupling is experimentally confirmed within the entire operating range of 75 to 110 GHz with a 100 μm gap at the edge of the waveguide coupling. Use of a waveguide adapter with a contactless flange allows for faster and at the same time more accurate measurement of S-parameters of the devices under test. This adapter is indispensable for quick certification of millimeter-wave waveguide devices by modern metrological tools (vector network analyzer and scalar network analyzer).

волноводадаптербесконтактное соединениемиллиметровый диапазончастотно- селективная поверхностьштыреподобная структураwaveguideadaptercontactless connectionmillimeter wavefrequency selective surfacepin-like structureтеоретический расчёт и моделирование были выполнены в рамках работ по гранту РНФ 19-72-30003ReferencesШаров Г. А. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн. Горячая линия – Телеком, Москва (2016).Sharov G.A. Volnovodnie ustroystva santimetrovih I millimetrovih voln [Waveguide devices of centimeter and millimeter waves].Kerr A. R., Wollack E., Horner N. Waveguide flanges for ALMA instrumentation. ALMA Memo, (278) (1999).Moscow, Goryachaya liniya - Telecom. 2016. 640 p. (In Russ)Oleson C., Denning A. Millimeter wave vector analysis calibration and measurement problems caused by common waveguide irregularities. 56th ARFTG Conference Digest. IEEE, 38 (2000). https://doi.org/10.1109/ARFTG.2000.327428Kerr A. R., Wollack E., Horner N. Waveguide flanges for ALMA instrumentation //ALMA Memo. 1999. pp. 278. http://web.rfoe.net:8000/SENSORS/wy/mb.tem/gpw/gongnengfl/memo278.pdfСемёнов В. А., Бондаренко А. С., Малай И. М. О стандартизации присоединительных размеров элементов соединения СВЧ трактов электронных измерительных приборов. Альманах современной метрологии, (3(19)), 31–44 (2019). https://www.elibrary.ru/medevmOleson C., Denning A. Millimeter wave vector analysis calibration and measurement problems caused by common waveguide irregularities //56th ARFTG Conference Digest. IEEE, 2000. vol. 38. pp. 1-9. https://doi.org/10.1109/ARFTG.2000.327428Horibe M., Noda K. Modification of waveguide flange design for millimeter and submillimeter-wave measurements. 77th ARFTG Microwave Measurement Conference, IEEE (2011). https://doi.org/10.1109/ARFTG77.2011.6034557Semenov V.A., Bondarenko A.S., Malay I.M. About standardization of connection sizes of connection elements of assembly of microwave devices of electronic measuring instruments // Almanac of Modern Metrology. 2019. no. 3(19). pp. 31-44. (In Russ). https://asm.vniiftri.ru/wp-content/uploads/2022/05/Альманах-современной-метрологии-№-3-2019-стр-31–44.pdfHoribe M., Kishikawa R. Performance of new design of waveguide flange for measurements at frequencies from 800 GHz to 1.05 THz. 79th ARFTG Microwave Measurement Conference, IEEE (2012). https://doi.org/10.1109/ARFTG79.2012.6291186Horibe M., Noda K. Modification of waveguide flange design for millimeter and submillimeter-wave measurements //77th ARFTG Microwave Measurement Conference. IEEE, 2011. pp. 1-7. https://doi.org/10.1109/ARFTG77.2011.6034557Lau Y. S., Vondran D. J. An innovative waveguide interface and quarter-wavelength shim for the image band. 80th ARFTG Microwave Measurement Conference, IEEE (2012). https://doi.org/10.1109/ARFTG.2012.6422431Horibe M., Kishikawa R. Performance of new design of waveguide flange for measurements at frequencies from 800 GHz to 1.05 THz //79th ARFTG Microwave Measurement Conference. IEEE, 2012. pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/ARFTG79.2012.6291186Lau Y. S., Denning A. An innovative waveguide interface for millimeter wave and sub-millimeter wave applications. 69th ARFTG Microwave Measurement Conference, IEEE (2007). https://doi.org/10.1109/ARFTG.2007.5456318Lau Y. S., Vondran D. J. An innovative waveguide interface and quarter-wavelength shim for the 220∓ 325 GHz band //80th ARFTG Microwave Measurement Conference. IEEE, 2012. pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/ARFTG.2012.6422431Li H., Kerr A. R., Hesler J. L. et al. An improved ring-centered waveguide flange for millimeter- and submillimeter-wave applications. 76th ARFTG Microwave Measurement Conference, IEEE (2010). https://doi.org/10.1109/ARFTG76.2010.5700056Lau Y. S., Denning A. An innovative waveguide interface for millimeter wave and sub-millimeter wave applications //2007 69th ARFTG Conference. IEEE, 2007. pp. 1-8. https://doi.org/10.1109/ARFTG.2007.5456318Li H., Kerr A. R., Hesler J. L., Weikle R. M. Repeatability of waveguide flanges with worst-case tolerances in the 500–750 GHz band. 79th ARFTG Microwave Measurement Conference, IEEE (2012). https://doi.org/10.1109/ARFTG79.2012.6291185Li H., Kerr A. R., Hesler J. L. et al. An improved ring-centered waveguide flange for millimeter-and submillimeter-wave applications //2010 76th ARFTG Microwave Measurement Conference. IEEE, 2010. pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/ARFTG76.2010.5700056Li H., Arsenovic A., Hesler J. L., Kerr A. R., Weikle R. M. Repeatability and mismatch of waveguide flanges in the 500–750 GHz band. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 4(1), 39–48 (2013). https://doi.org/10.1109/TTHZ.2013.2283540Li H., Kerr A. R., Hesler J. L. & Weikle R. M. Repeatability of waveguide flanges with worst-case tolerances in the 500–750 GHz band //79th ARFTG Microwave Measurement Conference. IEEE, 2012. pp. 1-8. https://doi.org/10.1109/ARFTG79.2012.6291185Kerr A. R., Srikanth S. The ring-centered waveguide flange for submillimeter wavelengths. Proceeding 20th International Symposium on Space THz Tech. Charlottesville, 20–22 April 2009, 220–222 (2009).Li H., Arsenovic A., Hesler J. L., Kerr A. R. & Weikle R. M. Repeatability and mismatch of waveguide flanges in the 500–750 GHz band //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2013. vol. 4. no. 1. pp. 39-48. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2013.2283540Kildal P. S., Alfonso E., Valero-Nogueira A., Rajo-Iglesias E. Local metamaterial-based waveguides in gaps between parallel metal plates. IEEE Antennas and wireless propagation letters, 8, 84–87 (2008). https://doi.org/10.1109/LAWP.2008.2011147Kerr A. R., Srikanth S. The ring-centered waveguide flange for submillimeter wavelengths //Proc. 20th Int. Symp. on Space THz Tech. 2009. pp. 220-222. https://www.nrao.edu/meetings/isstt/papers/2009/2009220222.pdfRahiminejad S., Pucci E., Vassilev V. et al. Polymer gap adapter for contactless, robust, and fast measurements at 220– 325 GHz. Journal of Microelectromechanical Systems, 25, 160–169 (2015). https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.2500277Kildal P. S., Alfonso E., Valero-Nogueira A. & Rajo-Iglesias E. Local metamaterial-based waveguides in gaps between parallel metal plates //IEEE Antennas and wireless propagation letters. 2008. vol. 8. pp. 84-87. https://doi.org/10.1109/LAWP.2008.2011147Ebrahimpouri M., Brazalez A. A., Manholm L., Quevedo-Teruel O. Using glide-symmetric holes to reduce leakage between waveguide flanges. IEEE Microwave and wireless components letters, 28(6), 473–475 (2018). https://doi.org/10.1109/LMWC.2018.2824563Rahiminejad S., Pucci E., Vassilev V. et al. Polymer gap adapter for contactless, robust, and fast measurements at 220–325 GHz //Journal of Microelectromechanical Systems. 2015. vol. 25. no. 1. pp. 160-169. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.2500277Sun D., Chen X., Guo L. Compact corrugated plate for double-sided contactless waveguide flange. IEEE Microwave and wireless components letters, 31(2), 129–132 (2020). https://doi.org/10.1109/LMWC.2020.3042279Ebrahimpouri M., Brazalez A. A., Manholm L. & Quevedo-Teruel O. Using glide-symmetric holes to reduce leakage between waveguide flanges //IEEE Microwave and wireless components letters. 2018. vol. 28. no. 6. pp. 473-475. https://doi.org/10.1109/LMWC.2018.2824563Ren L., Doshi D., Shu Y. Contactless flanges and rail system for mm wand THz testing. 52nd European Microwave Conference (EuMC), IEEE, 13–15 (2022). https://doi.org/10.23919/EuMC54642.2022.9924266Sun D., Chen X., Guo L. Compact corrugated plate for double-sided contactless waveguide flange //IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2020. vol. 31. no. 2. pp. 129-132. 10.1109/LMWC.2020.3042279Pucci E., Kildal P. S. Contactless non-leaking waveguide flange realized by bed of nails for millimeter wave applications. 6th European Conference on antennas and propagation (EUCAP), IEEE, 3533–3536 (2012). https://doi.org/10.1109/EuCAP.2012.6206199Ren L., Doshi D., Shu Y. Contactless Flanges and Rail System for mm Wand THz Testing //2022 52nd European Microwave Conference (EuMC). IEEE, 2022. pp. 13-15. https://doi.org/10.23919/EuMC54642.2022.9924266Mayaka C., Shu Y., Doshi D. Robust contactless waveguide flange for fast measurements. IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 559–561 (2021). https://doi.org/10.1109/IMS19712.2021.9575029Pucci E., Kildal P. S. Contactless non-leaking waveguide flange realized by bed of nails for millimeter wave applications //2012 6th European Conference on antennas and propagation (EUCAP). IEEE, 2012. pp. 3533-3536. https://doi.org/10.1109/EuCAP.2012.6206199Yong W. Y., Vosoogh A., Bagheri A. et al. An overview of recent development of the gap-waveguide technology for mmwave and sub-THz applications, IEEE Access (2023). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3293739Mayaka C., Shu Y., Doshi D. Robust contactless waveguide flange for fast measurements //2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). IEEE, 2021. pp. 559-561. https://doi.org/10.1109/IMS19712.2021.9575029Yong W. Y., Vosoogh A., Bagheri A. et al. An Overview of Recent Development of the Gap-Waveguide Technology for mmWave and sub-THz Applications //IEEE Access. 2023. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3293739Yong W. Y., Vosoogh A., Bagheri A. et al. An Overview of Recent Development of the Gap-Waveguide Technology for mmWave and sub-THz Applications //IEEE Access. 2023. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3293739

The authors declare that there are no conflicts of interest present.