بخشی از مقاله
چکیده -
این مقاله طراحی یک فیلتر میانگذر مسطح میکرواستریپ پهنباند را ارائه میکند. عملکرد پهنباند این فیلتر به این معنی است که دارای تلفات بازگشتی ناچیز بوده و فاکتور انتقال در حدود 0 dB، در رنج فرکانسی 3.5 GHz تا 6.5 GHz، است - بر اساس -10 dB، یعنی . - VSWR ≤ 2 برای فشرده سازی ساختار از جایگزینی خطوط انتقال شاخهای با خطوط انتقال متداول استفاده شده است.
این ساختار برای ساخت به دلیل طراحی روی زیر لایه FR4 کم هزینه بوده و به دلیل عدم پیچیدگی ساختار نیازی به تکنولوژی پیچیده ساخت ندارد و میتواند به سادگی بر روی بوردهای مدارچاپی بدون استفاده از المانهایی از جمله سلف و خازن آنها را پیادهسازی نمود. فیلتر ارائه شده دارای تلفات بازگشتی کمتر از -15 dB و فاکتور انتقال بالای -3 dB در بیش از 70% پهنای باند با فرکانس مرکزی 5 GHz است.
-1 مقدمه
فیلترهای مایکروویو امروزه نقش مهمی در سیستمهای مخابراتی ایفا میکنند. مفهوم مد دوگانه بر اساس دو مد رو به انحطاط در یک تشدیدکننده هندسی متقارن است. برای اینکه هر تشدیدکننده مد دوگانه بتواند در یک مدار تشدیدگر تغییریافته شده مورد استفاده قرار گیرد تعداد تشدیدگرهای مورد نیاز برای یک فیلتر به نصف کاهش مییابد و آن را به یک پیکربندی جمعوجور فیلتر منجر میشود.[1] در این مقاله به طراحی فیلتری بر اساس کوپلرهای تربیعی شاخهای خواهیم پرداخت. طراحی فیلترهای مایکرواستریپ روشهای متنوعی دارد، برخی از این روشهای طراحی عبارتند از:
براساس یک تحقیق میتوان از خطوط تزویج شدهی موازی برای فیلترینگ میانگذر استفاده کرد.[3] علاوه بر این میتوان با استفاده از المانهایی از جمله شبکههای فیلترینگ، که بصورت عرضی قرار میگیرند، به فیلترهایی مسطح دست یافت.[6] براساس یک روش دیگر، با استفاده از نوسانگرهای امپدانس پله-ای فیلترهای میانگذر قابل تحقق است.
برای دستیابی به ساختارهایی با چند باند عبور فیلترهایی با نوسانگرهای حلقوی پیشنهاد شده است.[5] با بکارگیری از ساختارهایی که خود دارای خاصیت فیلتری هستند و ترکیب آنها برای دستیابی به فیلترهای نوین نیز ساختارهای برجستهای را ارائه میکند
خطوط میکرواستریپ برای طراحی فیلترها استفاده شده است. بهرحال، تعداد اندکی از مطالعات صورت گرفته دربرگیرندهی مباحث جزئی در فرآیند طراحی فیلترها با استفاده از کوپلرها است. در این مقاله، یک روش جدید برای طراحی فیلترهای میانگذر با تکیه بر افزایش پهنای باند ارائه میشود. همچنین با استفاده از روش شبه اقدام به فشردهسازی ساختار خواهد شد تا از تلفات ساختار بکاهد.
فشردهسازی با بکارگیری از چندین استاپ اتصال باز موازی - شکل 5 - ، که میتواند از خطوط با امپدانس بالا و امپدانس پایین استفاده شود، میتوان خطوط انتقال کوپلر عادی و هایبرید پهنباند - شکل - 2 را جایگزین کرد. المان ارائه شده نه تنها فضای کمی را اشغال میکند بلکه عملکرد خوبی در مقایسه با ساختارهای متداول نیز دارد. در بخش دوم، فرمولهای محاسباتی را ارائه خواهیم کرد که برای طراحی خطوط انتقال مورد استفاده قرار گرفتهاند. نتایج شبیه سازیها در بخش سوم ارائه شدهاند. نهایتاً نتیجهگیری ما در بخش چهارم آمده است.
شکل 1 طراحی فیلتر با استفاده از کوپلرهای 90 درجه
-2 فرآیند طراحی
با توجه به ساختار و عملکرد کوپلر 90 درجه میتوان این ساختار مایکروویوی را به گونهای تغییر داد که رفتار فیلتری داشته باشد. برای این منظور به دو روش کلی مطابق آنچه در ذیل بیان خواهد شد میتوان طراحی را پیش برد.
در روش اول میتوان با حذف دو پورت 3 و 4 - و یا دو پورت 2 و - 4 کوپلر 90 درجه در شکل 2 آن را به یک المان دو پورتی تبدیل کرد؛ و سپس با نامتعادل سازی در بازوهای افقی مطابق روابط مربوطه کل توان انتقالی را در یک پورت خروجی متمرکز ساخت
در این روش به دلیل نامتعادل سازی مقداری تلفات به سیستم در پهنای باند کاری وارد خواهد شد که برای پیاده-سازی فیلترهایی با پهنای باند باریک میتواند قابل قبول باشد؛ ولی در کاربردهایی با پهنای باند عریض مسئلهساز خواهد بود.
در روش دوم میتوان دو کوپلر پهنباند در باند محدوده فرکانسی فیلتر مدنظر طراحی کرده و سپس آن دو را به صورت متوالی به هم دیگر متصل کرد - شکل . - 1 در این توپولوژی اگر توانی از پورت 1A وارد شود کل توان در پورت 3B ظاهر خواهد شد، به شرطی که در محدوده فرکانسی کوپلر باشد، و در غیر اینصورت هیچ توانی به خروجی انتقال نخواهد یافت .
پس پورت 1A به عنوان پورت ورودی و پورت 3B به عنوان خروجی فیلتر عمل خواهد کرد. به طور مشابه میتوان از پورتهای 4A و 2B نیز به عنوان پورتهای ورودی و خروجی استفاده کرد. همچنین با توجه به اینکه کوپلرهای 90 درجه المانهایی دو طرفه هستند، پس در نتیجه این فیلترها نیز به صورت دوطرفه عمل خواهند کرد. توجه شد که در روش دوم از دو کوپلر به صورت متوالی استفاده شده است، بنابراین حجم اشغالی قطعه دو برابر شده است، بنابراین برای جبران این افزایش حجم از تئوریهای فشردهسازی استفاده خواهد شد. در انتخاب تئوری فشرده سازی باید به این نکته توجه شود که این فشردهسازی علاوه بر این که نباید تلفات زیادی به سیستم اعمال کند، میبایست در پهنای باند مد نظر نیز کارآمد باشد.
به منظور طراحی فیلتر مد نظر ابتدا باید کوپلر پهن باند فشرده-ای با پهنای باند مورد نظر طراحی کنیم، و سپس با توجه به تئوری فشرده سازی ادامه خواهیم داد.
برای شروع کار از ساختار کوپلرهای پهنباند - شکل - 2 جهت رسیدن به پهنای باند وسیع استفاده میکنیم، و سپس با اعمال تئوری فشرده سازی پیشنهادی اقدام به فشرده سازی خواهیم کرد.
شکل 2 کوپلر 90 درجهی پهنباند
در این طراحی برای کار در رنج فرکانسی 3.5GHz تا 6.5GHz طولهای الکتریکی مورد نظر را با فرکانس مرکزی 5GHz انجام میدهیم، و ربع طول موج موثر در این فرکانس برابر λ/4=8.2mm است، و امپدانسهای مورد استفاده برابر با Z1=46 و Z2=71 و Z3=110 است. حال بعد از طراحی نوبت به سنتز کوپلر میرسد، که بدین منظور از دو روش میتوان اقدام کرد، روش اول محاسبه خطوط با استفاده از فرمولهای ارائه شده در [2]، که با توجه به پیچیدگی فرمولها استفاده از برنامه MATLAB راه گشا خواهد بود. و روش دوم استفاده از نرم افزارهای محاسبه مشخصات فیزیکی خطوط انتقال است، و با توجه به کاربردها و نیاز بسیار زیاد این عملیات، این قابلیت این نرم افزارها در خود برنامه ADS در نوار ابزار LineCalc تعبیه حال اگر مدار معادل شبه متعادل خط انتقال شده است. و با استفاده از این ابزار به محاسبه طول و عرض استفاده کنیم و تمام خطوط کوپلر 90 درجهی پهن باند نشان خطوط انتقال خواهیم پرداخت، که طول و عرض خطوط انتقال داده شده در شکل 2 با آن جایگزین کنیم به مدار معادل عبارتند از: L1=8.1mm، W1=1.7mm، L2=8.5mm، پیشنهادی اول در شکل 6 الف خواهیم رسید. W2=0.8mm، L3=8.9mm و W3=0.8mm میباشد.
شکل 3 لیاوت کوپلر 90 درجه پهنباند به عنوان المان پایه - نرم افزار - ADS
نتایج شبیه سازیهای تحلیل Momentum Microwave با استفاده از نرم افزار ADS در شکل 4 نشادن داده شده است.
- ب - شکل 4 - الف - پارامترهای پراکندگی و - ب - اختلاف فاز کوپلر 90 درجهی پهن
باند متداول
شکل 5 - الف - خط انتقال متداول، - ب - ساختار مدل شبه π و - ج - ساختار مدل شبه π متعادل
برای این که مداری با ساختار متقارن داشته باشیم، و همچنین بازوهای خط انتقال Z2 با خط انتقال Z3 دچار انطباق نشوند می-توان بازوهای خط انتقال Z2 را بصورت بازوهای متقارن به صورتی که در شکل 6 الف نشان داده شده است استفاده کرد.
توجه شود که در پیاده سازی کوپلر با توجه به این که خط انتقال با امپدانس Z3 در کنارهها قرار گرفته و هنگام اتصال به المان مجاور در مدارات مجتمع مایکروویو ایجاد مزاحمت خواهد کرد، به جای استفاده از مدار معادل متعادل از استابهای مدار باز عادی - استابهای نامتقارن - استفاده شده است.
