بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله روش جدیدی برای طراحی و ساخت فیلتر میان گذر فراپهن باند با ترکیب کردن فیلتر های پایین گذر و بالا گذر به کار گرفته شده است که سبب کاهش ابعاد فیلتر می گردد. در طراحی فیلتر بالا گذر از دو خط ریزنوازی با امپدانس پایین جدا شده با یک خط ریز نواری ربع موج اتصال کوتاه استفاده شده است.
یک الگوی ساختار زمین ناقص جدید با ابعاد کوچک و ضریب کیفیت بالا برای ایجاد لبه باند قطع تیز پیشنهاد شده است و طراحی فیلتر پایین گذر با استفاده از یک جفت ساختار زمین ناقص جدید و دو جفت ساختار زمین ناقص سنتی انجام می شود. برای بهبود عملکرد باند قطع فیلتر، تغذیه ی اصلاح شده برای فیلتر معرفی شده است تا هارمونیک های خارج باند را کاهش دهد. فیلتر پیشنهادی دارای ابعاد 34/8×12mm می باشد و روی فیبر مدار چاپی از جنس FR4 با ضخامت 1/6 میلیمتر و ثابت گذردهی 4/4 ساخته شده است.
-1 مقدمه
در سال 2002 با تخصیص باند فرکانسی 3/1 تا 10/6 گیگا هرتز توسط کیمته FCC علاقه مندی به سیستم های مخابراتی فراپهن باند برای کاربرد های برد کوتاه با سرعت بالا افزایش یافت. اگر چه مفهوم فراپهن باند در اوایل سال 1970 معرفی گردید اما پس از تخصیص این باند فرکانسی توجهات بیشتری از سوی صنعت و دانشگاه به این زمینه معطوف گردید و به طبع فیلتر ها به عنوان یکی از اجزای اساسی در سیستم های مخابراتی مورد توجه قرار گرفت.[1] فیلتر های فراپهن باند علاوه بر رعایت باند فرکانسی مذکور و داشتن تلفات کم در باند عبور باید لبه ی باند قطع تیز و همچنین تلفات بالایی در باند قطع داشته باشند.
روش ها و ساختار های متفاوتی برای طراحی فیلتر فراپهن باند وجود دارد اما روش های سنتی برای طراحی فیلتر های با پهنای باند بالا منجر به افزایش درجه ی فیلتر و در نتیجه افزایش ابعاد آن می شود. لذا ضرورت دارد تا ساختار ها و روش های جدیدی برای طراحی فیلتر های فرا پهن باند معرفی گردد تا ضمن دستیابی به پهنای باند مورد نظر و عملکرد مناسب در باند های عبور و قطع، از افزایش ابعاد فیلتر جلوگیری شود. چند نمونه از این روش ها در [2-12] مورد بررسی قرار گرفته است.
در مرجع [2] فیلتر فراپهن باند با استفاده از رزوناتور های چند مدی طراحی شده است اما این فیلتر قابلیت انطباق - selectivity - کمی دارد. برای افزایش قابلیت انطباق فیلتر در مراجع [3-4] از رزوناتور های چند مدی با خطوط ریز نواری مدار باز استفاده شده است. در این روش با قرار دادن صفر های تابع تبدیل در خارج باند عبور می توان عملکرد باند قطع بالا و پایین فیلتر را اصلاح کرد. با سری کردن فیلتر های پایین گذر و بالا گذر مانند مراجع [5-6] می توان فیلتر فراپهن باند طراحی کرد اما این فیلتر ها ابعاد بزرگی دارند.
با استفاده از ساختار های زمین ناقص پیشنهاد شده در مراجع [7-9] می توان عملکرد نامناسب باند قطع فیلتر های فراپهن باند که ناشی از باند های عبور جعلی است، را اصلاح کرد. در مرجع [10] روش جدیدی برای طراحی فیلتر های پایین گذر با استفاده از ساختار های زمین ناقص H شکل معرفی شده است. الگوی معرفی شده برای ساختار زمین ناقص قابلیت ایجاد ضریب کیفیت بالاتری نسبت به ساختار های سنتی زمین ناقص دارد.
در مرجع [11] عملکرد خارج باند فیلتر WLAN ساخته شده از دو رزوناتور حلقه باز با اصلاح خط تغذیه بهبود می یابد. اصلاح تغذیه در مرجع [11] با اضافه کردن دو خط ریز نواری مدار باز با ضخامت کم و ایجاد دو برش روی خط تغذیه انجام شده است. در این مقاله فیلتر میان گذر فراپهن باند با باند قطع بالای بهبود یافته با استفاده از یک الگوی ساختار زمین ناقص جدید طراحی شده است. در مراجع [5-6] فیلتر فراپهن باند با استفاده از سری کردن فیلتر های پایین گذر و بالا گذر طراحی شده است لذا فیلتر به دست آمده ابعاد بزرگی دارد.
در این مقاله برای ترکیب کردن فیلتر های پایین گذر و بالا گذر روش دیگری به کار گرفته شده است که سبب کاهش ابعاد فیلتر میان گذر به دست آمده می شود. در این روش فیلتر بالا گذر روی فیبر مدار چاپی پیاده سازی می شود و فیلتر پایین گذر طراحی شده با ساختار های زمین ناقص در پشت فیبر مدار چاپی قرار می گیرد. در این روش طراحی، می توان با کنترل فرکانس های قطع فیلتر های بالا گذر و پایین گذر، فیلتر های میان گذر با پهنای باند های متفاوتی ایجاد کرد . این مقاله الگوی ساختار زمین ناقص جدیدی با ابعاد کوچک و ضریب کیفیت بالا را پیشنهاد می کند که برای ایجاد لبه باند قطع تیز کاربرد دارد.
همچنین مقایسه ای بین ساختار جدید معرفی شده و ساختار های زمین ناقص سنتی انجام می شود. علاوه بر این، در این مقاله روشی برای اصلاح خط تغذیه فیلتر های فراپهن باند پیشنهاد می شود که سبب بهبود عملکر باند قطع بالای فیلتر و کاهش هارمونیک های ناخواسته خارج باند می گردد. ساختار نهایی فیلتر میانگذر فرا پهن باند روی فیبر مدار چاپی FR4 با ضریب دی الکتریک 4/4 و ضخامت 1/6 میلیمتر طراحی می شود که علاوه بر قیمت ارزان، به راحتی قابلیت مجتمع شدن با دیگر قطعات فیبر مدار چاپی را دارد.
-2 طراحی فیلتر فراپهن باند
ابتدا فیلتر بالاگذر طراحی شده سپس الگوی جدید ساختار زمین ناقص برای طراحی فیلتر پایین گذر ارائه می شود. این دو فیلتر ترکیب شده و فیلتر میان گذر فراپهن باند بدست خواهد آمد. در پایان، خط تغذیه اصلاح شده و به فیلتر متصل می گردد.
1؛-2 فیلتر بالا گذر
شکل 1 ساختار فیلتر بالا گذر پیشنهادی و پارامتر های پراکندگی حاصل از شبیه سازی در نرم افزار HFSS را نشان می دهد. این فیلتر از دو خط ریزنوازی با امپدانس پایین و طول الکتریکی g/4 ، جدا شده با یک خط ریز نواری ربع موج اتصال کوتاه تشکیل شده است. g طول موج هدایت شده، d1 و w3 به ترتیب طول و عرض خط ریز نواری اتصال کوتاه شده و d2 و w2 طول و عرض دو خط ریز نواری با امپدانس پایین است. w1 ضخامت خط ریز نواری تغذیه فیلتر است که برای تضمین امپدانس مشخصه 50 اهم انتخاب شده است. ابعاد فیلتر طراحی شده در جدول 1 آورده شده است.
2؛-2 فیلتر پایین گذر
یکی از روش های طراحی فیلتر های پایین گذر استفاده از ساختار های زمین ناقص قرار گرفته در پشت فیبر مدار چاپی است. در این قسمت برای طراحی فیلتر پایین گذر سه جفت ساختار زمین ناقص به کار گرفته شده است در حالی که بر روی فیبر مدار چاپی، یک خط ریز نواری با امپدانس پله ای قرار دارد. ساختار زمین ناقصی که برای طراحی فیلتر های پایین گذر مورد استفاده قرار می گیرند باید تلفات ذاتی کم و تضعیف گسترده و عمیقی در نزدیکی فرکانس رزونانس داشته باشند.
پس از بررسی الگو های متفاوت ساختار زمین ناقص به سراغ طراحی فیلتر پایین گذر با استفاده از این ساختار ها می رویم. دو جفت از ساختار T-head معرفی شده را برای لبه باند قطع تیز استفاده می کنیم و فرکانس رزونانس آن را نزدیک فرکانس قطع بالای فیلتر پایین گذر قرار می دهیم. هم چنین دو جفت الگوی سنتی ساختار زمین ناقص در فرکانس های رزونانس دور از فرکانس قطع بالای فیلتر پایین گذر به کار گرفته می شود.
شکل 4 ساختار فیلتر پایین گذر و پارامتر های پراکندگی شبیه سازی شده را نشان می دهد و در جدول 3 ابعاد فیلتر پایین گذر آورده شده است. با توجه به شکل 4 فرکانس قطع بالای فیلتر در فرکانس 11 گیگا هرتز رخ می دهد و دست یابی به چنین لبه باند قطع با استفاده از دو جفت ساختار زمین ناقص T-head امکان پذیر شده است.
