بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله به طراحی فیلتر حذف باند قابل تنظیم با استفاده از رینگ رزوناتور های فرا مواد - CSRR - و سوییچهای RF-MEMS کانتیلور پرداخته شده است. فیلتر روی خطوط کوپلانار با زیر لایه سیلیکون با روش المان محدود شبیه سازی شده است. با ایجاد نقص در خط سیگنال کوپلنار و نیز استفاده از سوییچهای MEMS چند پایه کانتیلور فیلتری با قابلیت حذف باند از 36,5 تا 39,8 گیگاهرتز با ایزولاسیون بیش از -13 تا -17 دسیبل طراحی گردید. همچنین با تنظیم مجدد طول و عرض رینگهای مکمل رزوناتور برای سایر باندها از 23,6 تا 45,6 گیگاهرتز قابلیت تنظیم حذف باند شبیه سازی شده است. از مزایای این طراحی سادگی ساخت و سایز کوچک و قابل تنظیم بودن فیلتر حذف باند است.
-1 مقدمه
تدبیر ضریب شکست منفی توسط وسلاگو در دهه 60 میلادی پیشنهاد شد که در واقع امکان وجود موادی با ضریب نفوذ پذیری الکتریکی و مغناطیسی منفی به طور همزمان را مطرح کردند .[1] فیلترهای تخت در فرکانس های مایکروویو و امواج میلیمتری با استفاده از فرا مواد در 3]،[2 گزارش شده است. با بارگذاری یک خط انتقال با Complimentry Split Ring Resonator - CSRR - ، یک باند قطع در مجاورت فرکانس رزونانس پایه CSRR نیز نتیجه میشود. فیلترهای مایکروویوی در سیستمهای مخابراتی و تجهیزات الکترونیک و رادار برای انتخاب سیگنال مطلوب ضروری است. اما فیلتر قابل تنظیم بارگذاری با ورکتورنسبتاً حجیم و پرمصرف و گران و فرکانس عملکرد آنها محدود است .
در سال 2004 امکان فیلتر حذف باند مبتنی بر SRR قابل تنظیم با استفاده از دیود های خازنی ورکتور مطرح شد .[5] از طرفی تکنولوژی RF-MEMS با تلفات کم، خطینگی زیاد و کم مصرف سبب شده تا ترکیبی از RF-MEMS با SRR ها یا CSRR ها یک رویکرد جایگزین با کارایی زیاد در فرکانس بالای RF انجام شود
در سالهای اخیر، تکنولوژی RFMEMS رشد و پیشرفت زیادی داشته است 2]،8،.[9 از این رو کاربردهای جدید آن به طور مداوم گزارش میشوند. سوئیچهای RFMEMS کارایی عالی RF را نظیر تلفات بازگشتی مناسب و تلفات عبوری کم، توان مصرفی نزدیک صفر، ابعاد کوچک و سبک نسبت به سوئیچهایHEMT، FET، PINDiodارجحیت دارند .[10] البته سوییچهای MEMS چندین مشکل نظیر زمان سوئیچ زنی بالا و به ولتاژ تحریک نیاز دارد که همواره تلاش در کاهش ولتاژ عملکرد سوییچهای MEMS انجام شده است
یکی دیگر از رویکردها برای افزایش پهنای باند، طراحی ساختارهای متعدد میباشد، یعنی SRRs یا CSRRs، در فرکانس RF-MEMS رزونانس مختلف داخل باند توقف تنظیم شدهاند .[2] بر خلاف ساختارهای الکترون باند گپها - EBG - ، با استفاده از فرا مواد میتوان فیلترهای کوچکتر از طول موج و یا ابعاد انها با طول الکتریکی کوچک است، بنابراین فشردگی زیاد این فیلترها مورد انتظار است
در این مقاله، ابتدا به بیان مسئله فیلتر حذف باند با فرا مواد پرداخته شده و سپس با کمک مدل مدار معادل وابستگی فیلتر به CSRR را نشان داده است. در ادامه نیز فیلتر حذف باند بارگذاری شده با CSRR و سوییچ RF-MEMS را با روش المان محدود شبیه سازی شده است. در انتها، خط کوپلنار با 2 سوییچ به یک خط انتقال بدون حذف باند با تلفات عبوری کمتر از -0,5 دسیبل برای باند 11,6 تا 43 گیگاهرتز تبدیل میشود.
-2 فیلتر حذف باند قابل تنظیم با فرا مواد
رینگ رزوناتورها - SRR - به عنوان اجزای کلیدی در طراحی محیط موثر با ضریب نفوذپذیری مغناطیسی و یا مواد دست چپی شناخته شدهاند که در طبیعت وجود ندارد 13]،[5 در بیشتر موارد شکل هندسی ساختار و ابعاد آنها سبب خواص مورد نظیر ضریب گذردهی الکتریکی و ضریب نفوذ پذیری مغناطیسی میگردد. این رفتار انتخاب فرکانسی میتواند توسط حلقه جریانی القایی در رینگهای رزونانسی بیان شود .[5] حلقههای جریانی از طریق خازنهای توزیع شده بین رینگهای هم مرکز بسته میشوند. بنابراین SRR اگر به طور مناسب تنظیم گردد، میتواند به صورت یک مدار تانک LC مدل شود که با میدان مغناطیسی خارجی تحریک شده و سبب جلوگیری از انتشار سیگنال در باند باریک شود
مشخصات رزونانسی ذاتی رینگهای مکمل - CSRR - نیز در فیلتر هایی با باند قطع بحث داده شده است .[4] این تکنولوژی سبب تلفات کم، خطینگی زیاد در مقایسه با فیلترهای مدارات مجتمع دارد
از طرفی CSRR میتواند در مدارات مجتمع الکترونیکی تخت بر روی خطوط کوپلانار استفاده شود. یکی از مزایای این خطوط به کار گیری قطعات اکتیو و پسیو روی یک صفحه است. سوئیچ RF-MEMS روی خطوط Coplanar طراحی شده است. سیلیکون به عنوان ماده اصلی زیر لایه در مجتمع سازی مدارات الکترونی از ضروریات است.
از طرفی با مقاومت تلفاتی سیلیکون نرمال به عنوان زیر لایه برای فیلتر های مناسب نیست. به همین دلیل باید RF-MEMS روی شیشه، کوارتز و یا آلومینا ساخته شود 2]،4،13،.[14 لایه نشانی خط کوپلانار در شبیه سازی با روش المان محدود برای تطبیق خط 50 اهم استفاده شده است. در این گزارش ابعاد خط سیگنال با CSRR که در 4]،14،[15 به صورت بهینه سازی با جستجوی پارامتری انجام و سپس در ساخته شده 13]،[7 است در شبیه سازی این مقاله با روش المان محدود استفاده شده است.
طراحی اصلی در کاربرد سوییچهای MEMS کانتیلور چند پایه ساده با قابلیت تنظیم باند قطع استفاده شده است. چنانچه سوییچها تحت بایاس DC به صورت کدگذاری شده میتوان سوییچها را باز و بسته کرد و خواص CSRR را برای حذف باند مطلوب تنظیم کرد و بنابراین فرکانس ذاتی تشدید را قابل تنظیم و یک فیلتر حذف باند قابل تنظیم است. قابلیت فیلتر حذف باند SRR یا CSRR بارگیری شده نیز میتواند از مدل مدار معادل عنصر توزیع شده سلول واحد این خطوط تفسیر شود.
-3 تحلیل و بررسی نتایج شبیه سازیها
در مدار معادل پلهای کانتیلور با خازن و مقاومت و نیز در حالت بسته به صورت سری در خط سیگنال با مدار RLC نیز مدل میگردد. خط انتقال کوپلنار با استفاده از مدل خط انتقال بدون تلف با L,C نیز مدل گردیده که در دو طرف خط قرار داده شده است که در شکل _1 الف نشان داده شده است. رابطه 1 که با فرکانس رزونانس CSRR محاسبه گردیده میشود
مدل مدار معادل خط انتقال کوپلانار با CSRR در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل1الف - مدار معادل خط CPW بارگذاری شده با CSRR و سوییچ RF-MEMS ب - نمودار ایزولاسیون S21 و تلفات بازگشتی S11
رزوناتورهای مرسوم SRR از جفت حلقه متمرکز با شکاف در دو انتهای مخالف است. شکل این حلقهها میتواند دایرهای، مربع یا حتی شکل u باشد. در مدل مدار معادل با سلف و خازن آورده شده است.
سوییچ S را به عنوان حالت باز و سوییچ ̅ را به عنوان سوییچ حالت بسته در نظر میگیریم.
از دیگر مزایا این طراحی اینکه اگر دو سوییچ مشخص با ارایه بسته باشند، تلفات بازگشتی از 11,6 تا 43 گیگاهرتز خط انتقال کمتر از -12 دسیبل و نیز تلفات عبوری نیز از -0,27 تا -0,5 دسیبل با روش المان محدود شبیه سازی شده است.
جدول.1 مقادیر فرکانس تشدید و ایزولاسیون S21 - dB - در حالتهای مختلف
در شکل _2الف مدل لایه نشانی خط CPW به همراه سوییچها که به رنگهای مختلف روی شکافهای CSRR را نشان میدهد. در جدول 1 با مقادیر w= 200um, a=600um محاسبه شده است. در شکل _2ب - نیز شبیه سازی جهت عبور جریانهای سطحی را هنگامی فیلتر با دو سوییچ کدگذاری 1 2 3 ̅4 5 6 7 ̅8 9 شده از مدار خارج می شود و سیگنال عبور می کند؛ و نتایج آن در شکل 5 و شکلB2ب نیز آورده شده است. سوییچ ها از جنس طلا و گپ آنها در حالت باز 1,5 میکرومتر است.
کدگذاری سوییچها در شکل .2الف - 5 سوییچ سمت راست از رنگ سبز به پایین به ترتیب با 5 4 3 2 1 نام گذاری شده با عرض 4 میکرومتر و نیز 2 سوییچ زرد رنگ با حفره و پایه انکور مشترک با 7 6 به ترتیب از بالا به پایین با عرض 40 میکرومتر و سوییچ قرمز رنگ سمت چپ شکل 2الف با 8 وعرض 8 میکرومتر و سوییچ دیگر با 9 با عرض 7 میکرومتر کدگذاری شده است.
شکل2الف - مدل خط انتقال کوپلانار با CSRR و 9 سوییچ کانتیلور کدگذاری شده ب - جریانهای سطحی ارایه 1 2 3 ̅4 5 6 7 ̅8 9
با عبور میدانهای الکترومغناطیسی متغیر با زمان به حلقههای فلزی نفوذ میکند، الگودهی الکترومغناطیسی فارادی را ایجاد می کند که به نوبه خود باعث ایجاد جریان میشود. از طرفی این حلقهها نیز میدانهای الکترومغناطیسی خود را تولید میکنند که با توجه به جهت شکافها سبب افزایش و یا مخالفت با میدان اولیه کند.
