بخشی از مقاله
چکیده:
فیلتر یک شبکه دو پورتی برای کنترل پاسخ فرکانسی در سیستم های مخابراتی و حذف نویز و هارمونیکهای ناخواسته می-باشد.تکنیکهای مختلفی برای پیاده سازی انواع مختلفی از فیلترها با ساختار ریزنوار مورد بررسی قرار گرفته است.ساختار ریزنوار با توجه به مزایای زیادی مثل اندازه کوچک، پاسخ مطلوب و تلفات بازگشتی بسیارکم مورد توجه بسیاری از دانشمندان حوزه مایکروویو قرار گرفته است. استفاده از ساختار ریزنوارمخصوصا در مدارات مایکوویو به دلیل سهولت مجتمع سازی با دیگر مدارات پسیو و اکتیو از اهمیت خاصی برخوردار است.
در این مقاله فیلتر پایین گذر با استفاده از ریزنوارو رزوناتورهای پچ طوقهای و نیم دایره پیاده سازی شده است. این رزوناتورها به دلیل داشتن سطح وسیع، توانایی انتقال توان بالایی را دارند و نیز دارای تلفات رسانایی پایینی میباشند و در ساخت فیلترهای فرکانس بالا بسیار مورد توجه هستند.
فیلتر طراحی شده با استفاده از خاصیت تشدید رزوناتورهای مذکور، دارای باند عبور و توقف گسترده و تلفات جایگذاری پایین در ناحیه عبور و اندازهکوچک می باشد و به دلیل داشتن سطح تضعیف بالا در ناحیه توقف،توانایی حذف هارمونیک های مزاحم را در سطح بسیار خوبی دارد. شبیهسازی با نرم افزار ADS این ادعا را تایید میکند.
-1 مقدمه
استفاده از تکنولوژی ریزنوار علاوه بر اندازه و حجم مدارات بسیار کوچک،هزینه پایینی دارد. با توجه به نیاز امروز و به خصوص در مورد تجهیزات قابل حمل، حجم کم مزیت بسیار بزرگی به حساب میآید. عناصر فشرده سلفو خازن در فرکانس های بالا دارای تلفات نشتی بسیار بالایی هستند.
نتایج استفاده از آنها در عمل، اختلاف بارزی با پیش بینیهای تئوریک دارد در حالی که مدارات بر پایه ریزنوار پاسخهای بهتری را ارائه می-دهندعناصر. سلفو خازن معمولاً دارای مقادیر استاندارد و منفصل هستند که این امر طراحی مدارات را محدود میکند حال آنکه در تکنولوژی ریزنوار، مقادیر میتوانند به دلخواه کم و زیاد شوند که بدین ترتیب دست طراح برای استفاده از آنها باز است. بنابراین در فرکانس های بالا و به ویژه در فرکانس های ماکروویو، تکنولوژی ریزنوار تنها انتخاب معقول میباشد.
فیلتر پایین گذر یکی از اجزای مهم برای حذف هارمونیک و نویز میباشد. ویژگی فیلترهای بر پایه ریزنوار معمولا بر حسب پارامترهای پراکندگی بیان میشود. در شکل 1 نمایی کلی از پارامترهای پراکندگی S11 و S22 فیلتر پایین گذر واقعی نشان داده شده است. پارامتر S11 که نمایانگر تلفات بازگشتی است در باند عبور مقدار کمی دارد که بهتر است کمتر از -20دسی بل باشد اما در باند قطع این مقدار بزرگ بوده و بین 0 تا -3دسی بل است که نشاندهنده عدم عبور سیگنال از پورت 1 به پورت 2 است. پارامتر S21که گذردهی سیگنال را از ورودی به خروجی نشان میدهد در باند عبور مقدار زیادی داشته و در باند قطع کوچک است - با توجه به شکل - . در این شکل باند گذار نیز دیده میشود که باند فرکانسی شامل گذراز باند عبور به باند قطع است و مقدار دامنه سیگنال از -3 دسی بل به -20دسی بل می-رسد
شکل :1 منحنی های پارامترهای پراکندگی یک فیلتر پایین گذر عملی
معمولا برای طراحی فیلتر از رزوناتورها که قسمت اصلی ساختار یک فیلتر را تشکیل میدهند، استفاده میشود. در واقع ساختمان فیلترها معمولاً شامل یک یا چند رزوناتور است که به همراه چند قطعه ریزنوار دیگر که به عنوان ساختارهای ضد هارمونیک استفاده میشوند، در یک ساختار قرار میگیرند. در ساختار ریزنوار با توجه به انتشار سیگنال در دومحیط هوا و دی الکتریک، تعریف برخی پارامترها مثل ضریب دی الکتریک و امپدانس مشخصه بایستی به صورت زیر تغییر کنند:
و عرض و ضخامت لایه پچ ساختار مایکرواستریپ هستند. محققان زیادی روی رزوناتورهای دایروی شکل جهت طراحی انواع فیلتر کار کردهاند. برای مثال تغییراتی در رزوناتور دایروی در [2]ایجاد شده است. پاسخ فرکانسی این فیلتر تیزی خوبی ندارد و باند قطع نیز بسیار محدود است. در [3]فیلتر پایین گذر با استفاده از یک رزوناتور دایروی که در قسمت مرکزی آن از قطعه ای مشابه رزوناتور مارپیچ است استفاده شده است.
با بررسی پاسخ این فیلتر نیز میتوان دریافت که تیزی پاسخ آن مطلوب نیست و تلفات بازگشتی زیادی در باند عبور دارد. در [4]رزوناتور پیشنهادی پچ نیم دایروی دارد که شامل خطوط ریزنوار با امپدانس بالا نیز میباشد. با توجه به درجه آزادی و تنظیم پارامترهای این فیلتر، تیزی خوبی حاصل شده اما باند قطع آن خراب شده است و همانطور که از نتایج بر میآید این رزوناتور دارای ناحیه توقف باریکی میباشد. بنابراین دارای حذف هارمونیکی خوبی نمیباشد.
در ادامه همان مقاله برای رسیدن به یک ناحیه توقف گسترده از اتصال چندین رزوناتوربه صورت سری استفاده شده است که پاسخ فرکانسی بهتری حاصل شده است .[4]همانطور که از نتایج بر میآید این فیلتر دارای ناحیه توقف گسترده و باند عبور تیز و نازک میباشد اما عیب اصلی این فیلتر تلفات برگشتی نامناسب و اندازه بسیار بزرگ آن می-باشد. طرح دیگری بر مبنای رزوناتور نیمدایروی با تغییر در سطح پچ با شکلهای دلتا استاب متوازی الاضلاع و مثلث در[5]بیان شده است و از خطوط باریک با امپدانس بالا تشکیل شده است.
طراحی فیلتر با استفاده از این رزوناتور آزادی عمل بیشتر طراح را در انتخاب ساختار رزوناتور و اندازهها را موجب میشود اما روند طراحی این رزوناتور نسبتاً فرآیند زمانبری است و از طرف دیگر ارائه مدل های ریاضی برای توصیف آن امری بسیار پیچیده میباشد. از طرف دیگر پاسخ این فیلتر دارای ناحیه توقف باریک میباشد و حذف هارمونیکی خوبی ندارد.
به همین دلیل در همان مقاله،از اتصال 3 رزوناتور با همین شکل با اندازههای مختلف به صورت سری استفاده شده است که پاسخ فرکانسی بهتری به دست آمده است. همانگونه که از نتایج مقاله برمیآید این فیلتر دارای ناحیه توقف گسترده، پاسخ نسبتاً تیز از ناحیه عبور به توقف میباشد اما از نکات منفی این فیلتر این است که معمولاً دارای ساختارهایی به مراتب پیچیدهتر از رزوناتور های پایه بوده که علاوه بر ناممکن ساختن ارائه مدل های توصیفی ریاضی برای آن، در برخی موارد، فرآیند ساخت این مدارات را نیز با مشکل مواجه می سازد. از دیگر عیبهای این فیلتر اندازه بزرگ آن و نامناسب بودن تلفات برگشتی میباشد.
در تمام کارهای بالا رزوناتور پچ دایرهای بعنوان پایه در نظر گرفته شده وبا ایجاد تغییراتی روی آن به یک کار جدید دست پیدا کرده وسعی در بهبود پاسخ فیلتر نمودهاند.درتمام کارها یک رزوناتور با ابعاداولیه در نظر گرفته می شود؛ سپس با کم وزیاد کردن ابعاد واضافه نمودن اجزای دیگر به پاسخ بهینه میرسند. در اینجا فضاهای خالی وحجمها باعث افزایش راکتانس وخطوط باریک باعث ایجاد اندوکتانس میشوند که با کم وزیاد کردن آنها میتوان به یک پاسخ مناسب دست یافت.در بخش بعد به طراحی فیلتر پیشنهادی بر مبنای رزوناتور دایروی پرداخته و نتایج را با روشهای دیگر مقایسه میکنیم.
در ادامه ابتدا در بخش دوم به مدل پایه فیلتر پیشنهادی و مدار معادل آن میپردازیم. در بخش 3 مراحل گام به گام رسیدن به طرح نهایی فیلتر را بحث میکنیم و در بخش 4 مقایسه ویژگیهای فیلتر پیشنهادی را با سایر فیلترها بررسی میکنیم. در انتها نیز که بخش 5 است نتیجهگیری بیان میشود.
-2 مدل پایه فیلتر پایین گذر با استفاده از رزوناتور دایرهای
در شکل 2طرح رزوناتور اصلی ودر شکل 3 مدار معادل سلف وخازن آن نشان داده شده است. دقت شود که ابعاد مختلف رزوناتور در شکل 2 به صورت پارامتری نشان داده شده است.
شکل .2 رزوناتور پایه فیلتر پایین گذر پیشنهادی
