بخشی از مقاله
خلاصه
دراین مقاله، یک از مقسم توان یک به دو با بستر موجبر مجتمعشده بر زیرلایه ارائه شده است. در این ساختار توسط خط مایکرواستریپ تیپر شده تغذیه میشود. توان خروجی از هر یک از دهانههای خروجی با هم برابر و - 3 dB از توان ورودی است. همچنین سیگنال خروجی، با اختلاف فاز 90 درجه دریافت میشود. مقسم توان مورد نظر با هدف عملکرد در باند وسیع طراحی شده و در محدوده تمام باند فرکانسی X عملکرد مطلوبی نشان داده است. ابعاد ساختار پیشنهادی 20*40*0,508 میلیمتر مکعب بر بستر زیرلایه Rogers 4003c با ضریب دیالکتریک 3/38 و تانژانت تلفات 0/0027 است که یک زیرلایهی متداول و ارزان قیمت در کاربرد ریزموج به حساب میآید.
.1 مقدمه
تقسیم کنندههای توان از عناصر غیر فعال مایکروویوی هستند که برای تقسیم یا ترکیب توان به کار میروند. در تقسیم توان، یک سیگنال ورودی توسط تزویجگر به دو سیگنال با توان کمتر تقسیم میشود. این عناصر ویژگیهای بسیاری دارند و مطالعات زیادی در زمینه موج میلیمتری بر روی آنها انجام گرفته است.[1]-[3] سیگنال خروجی از مقسمهای توان هم از تقسیم مساوی سیگنال ورودی و هم به صورت نسبت دلخواهی از ورودی حاصل میشود.
همچنین بین دهانههای خروجی، معمولا جابجایی فاز 90 درجه یا به اصطلاح تربیعی و یا 180 درجه وجود دارد. مقسمهای توان میتوانند شبکههای سه دهانهای باشند که قابلیت آن را دارند تا توان ورودی را با هرنسبتی قسمت نمایند. این عناصر قابلیت پیادهسازی بر روی هر نوع خط انتقالی نظیر موجبر، مایکرواستریپ و استریپلاین را دارند. انتقال توان بالا و تقسیم توان دلخواه، پهنای باند وسیع و قابلیت جابجایی فاز سیگنالهای خروجی از دیگر ویژگی های این ساختارها است.
ساختار پیشنهادی در این مقاله، نمونهای از مقسم توان پهن باند فشرده شده بر روی موجبر مجتمع شده بر زیرلایه است. مقسم توان طراحی شده ساختاری متقارن داشته و توان ورودی را به صورت یکسان بین دو پورت خروجی تقسیم میکند. ساختار پیشنهادی دارای مزایای طراحی ساده، پهنای باند وسیع، قابلیت جداسازی نسبتا خوب سیگنال در دهانه-های خروجی، اندازه فشرده، تلفات بسیار پایین توان عبوری به علت استفاده از موجبر مجتمع شده بر زیرلایه و تغذیه دهی خط مایکرواستریپ است. همچنین ساختار با پهنای باند وسیع در محدوده تمام باند فرکانسی X طراحی و ساخته شده است.
.2 مقسم توان فشرده شده بر روی موجبر مجتمع شده بر زیرلایه
مقسمهای توان موجبری در محدوده فرکانسی مایکروویو، به دلیل تلفات ناشی از زیرلایه در ساختارهای مایکرواستریپ، ارجحیت پیدا کردهاند. البته ساختارهای موجبر مستطیلی نسبت به ساختارهای مایکرواستریپ معایبی از جمله ابعاد بسیار بزرگ، وزن بسیار زیاد و هزینهی ساخت بالاتر، نیز دارند [4]و .[5] همچنین اتصال آنها به ادوات مایکروویوی دیگر با مشکل مواجه است. البته به علت تلفات کم و توان نشتی پایین، به عنوان گونهای کم تلف برای مصارف خاص مورد استفاده قرار میگیرد. با توجه به معایب ذکر شده از ساختارهای موجبری و مایکرواستریپی، در سالهای اخیر به سمت موجبرهای مجتمع شده بر زیرلایه، روی آورده شده است.
در این مقاله نیز به منظور فشردهسازی ساختار و نیز کاهش تلفات، از ساختار موجبر مجتمع زیر لایه ای برای طراحی استفاده شده است. سیگنال ورودی از طریق پورت SMA به دهانه 1 ساختار وارد میشود. مدار انتقال فشرده بین خط مایکرواستریپ و موجبر مجتمع در زیرلایه، هم به عنوان یک خط انتقال و هم به عنوان یک مقسم توان ایفای نقش میکند. از ویژگیهای مهم این طراحی، امپدانس تطبیق مناسب در ساختار تغذیه و ساختار مقسم توان است. درواقع به منظور ایجاد یک مقسم توان پهن باند با ابعاد کوچک، سعی گردیده با ایجاد یک خط تغذیه مناسب، از تلفات بازگشتی تا جای ممکن جلوگیری شود و در عین پهن باند بودن ابعاد کوچک و توان عبوری مناسب حفظ شود.
در ساختار تغذیه این مقسم توان از روش کاهندهی تدریجی استفاده شده است تا مقاومت خط انتقال را به تدریج به مقاومت ساختار برسانیم و مانع از برگشت توان شویم. همچنین برای ایجاد اختلاف فاز 90 درجه بین دو دهانه خروجی، از خط انتقال مایکرواستریپ یک چهارم طول موج، استفاده شده است. این مقسم توان به منظور پاسخ دهی در محدوده تمام باند فرکانسی X طراحی شده است. پاسخهای دریافت شده در شبیه سازی کارکرد صحیح این مقسم توان را تایید می-کنند. تلفات عبوری در تمام مسیر بهتر از 3dB و تلفات بازگشتی در تمام ناحیهی پهنای باند بهتر از 10dB است.
.3 طراحی و شبیه سازی مقسم توان
ابعاد ساختار پیشنهادی 20*40*0,508 میلیمتر مکعب بر بستر زیرلایه Rogers 4003c با ضریب دیالکتریک 3/38 و تانژانت تلفات 0/0027 است .
برای تحلیل بهتر عملکرد مقسم توان و بررسی نتایج آن، ساختار در نرمافزار HFSS شبیهسازی، و ابعاد ساختار بهینه سازی شده است. ابعاد بهینه شده و طرحوارهای از ساختار ، به ترتیب در جدول 1 و شکل 1 آورده شده است.
جدول :1 ابعاد ساختار پیشنهادی برحسب میلیمتر
شکل :1 طرحوارهای از ساختار مقسم توان
از آنجا که این ساختار متقارن میباشد، به منظور تقسیم توان یکسان، دهانه ورودی در راستای خط منصف مقسم توان قرار گرفته است. برای بهبود میزان تلفات بازگشتی شکافهایی همراستا با بازوی ورودی در درون ساختار مایکرواستریپ ایجاد شده است. به علاوه ایجاد این شکافها موجب افزایش پهنای باند میشود. در واقع شکافهای ایجاد شده بر روی سطح بالایی مقسم توان پارامترهای مقسم توان را تا حدود زیادی بهبود داده است. پاسخ فرکانسی تلفات بازگشتی و تلفات عبوری مقسم توان مورد نظر در شکل 2 نشان داده شده است.
