بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک فیلتر میانگذر پهنباند فشردهشده جدید با استفاده از فناوری مایکرواستریپ و باند توقف بهبود یافته، ارائه شده است. در این فیلتر از ساختار تشدیدکننده چند مودی - MMR - برای ایجاد پهنای باند مطلوب دربازه فرکانسی 4 تا 8 گیگاهرتز و از دو استاب در لایه میانی برای افزایش اثر کوپلینگ استفاده شده است. همچنین برای ایجاد دو صفر انتقال و به منظور تیز نمودن لبههای بالایی و پایینی باند گذر از ساختار بین انگشتی در MMR و استاب اتصال کوتاه درلایه میانی استفاده شده است.
شبیهسازیهای انجام شده توسط نرمافزارهای CST و ADS صورت گرفته است. این فیلتر دارای ابعاد 21mm×5mm، تلف بازگشتی کمتر از 14/5 dB در باند عبور، حذف خارج از باند بیشتر از 15 dB تا فرکانس 14/8 GHz و دو لبه تیز در باند گذر است. در انتها مدار معادل فیلتر استخراج شده و نتایج حاصل از آن با نتایج شبیهسازی تمام موج مقایسه شدهاست که نشان دهنده تطابق خوبی بین آنهاست.
-1 مقدمه
امروزه با پیشرفت سیستمهای مخابراتی، افزایش باندهای ارتباطی، و نزدیکشدن این باندهای فرکانسی به یکدیگر نیاز به فیلترهای میانگذر با گزینندگی فرکانسی بالا و حذف خوب خارج از باند بیش از پیش احساس میشود. همچنین به دلیل کوچکشدن سیستمهای مخابراتی، فشردهبودن ابعاد فیلتر نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است، که یکی از روشهای فشردهسازی فیلتر استفاده از ساختارهای چهارلایه است .[3]-[1] یکی از مهمترین روشهای طراحی فیلترهای پهنباند و فراپهنباند استفاده از ساختارهای تشدیدکننده چندمودی1 است
در مرجعهای [1] و [2] فیلترهای میانگذر باند باریک، دو و سه باندی با استفاده از یک ساختار چهار لایه ارائه شده که باعث فشردهتر شدن ساختار فیلتر شده است. در مرجع [3] یک فیلتر میانگذر پهنباند شامل سه استاب اتصالکوتاه طراحی شده است که دو استاب در لایه بالایی و یکی در لایه میانی قرار گرفتهاست. مشکل این ساختار تیز نبودن لبههای بالا و پایین باندگذر است.
در مرجع [4] یک فیلتر میانگذر پهنباند مبتنی بر ساختار موجبر همصفحه2 ارائه شده است که با استفاده ساختار MMR، استاب اتصالکوتاه و ساختار تشدیدکننده امپدانس پلهای 3 بر روی زمین، فیلتری فشرده با لبههای تیز ایجاد شده است. در مرجع [5] دو فیلتر میانگذر با استفاده از ساختار MMR ارائه شده، که در هر دو ساختار از خطوط کوپل شده برای تحریک فیلترها استفاده شده است. ابعاد این فیلترها کوچک است، اما دارای معایبی از قبیل بالا بودن تلفات بازگشتی، تیز نبودن لبه-های بالا و پایین باند گذر و همچنین باند خارج از باند عبور نامناسب هستند.
در مرجع [6] یک تشدیدکننده مایکرواستریپ چند مودی بررسی شدهاست. در این فیلتر فاصله بسیار کم بین دو خط کوپلشده پیچیدگی ساخت را افزایش داده است. همچنین این فیلتر دارای گزینندگی پایین و باند توقف کمی است. در مرجعهای [7] و [8] از MMR بر روی موجبر همصفحه برای طراحی فیلتر استفاده شده است. در این فیلتر از CPW-MMR به عنوان تولیدکننده مودهای تشدیدی در قسمت باند گذر فیلتر پهنباند استفاده شده که شبیه مایکرواستریپ MMR است. از معایب این ساختار تیز نبودن لبههای فیلتر و نداشتن باند خارج از باند عبور مناسب است.
در مرجع [8] از روش مرجع [7] استفاده شده است، با این تفاوت که از دو تشدیدکننده حلقوی شکافدار1 در قسمت CPW به عنوان ایجاد کننده صفر انتقال و از دو استاب در قسمت مایکرواستریپ، برای بهبود باند توقف استفاده شده است. در مرجع [9] یک فیلتر میانگذر پهن باند با استفاده از ساختار MMR طراحی شده است که برای تحریک بهتر فیلتر و افزایش کوپلینگ از خطوط مایکرواستریپی بینانگشتی استفاده شده است.
نمونه دیگری از فیلتر پهنباند میانگذر استفاده از MMR به همراه استاب مدار باز موازی با آن است .[10] در این ساختار نیز برای افزایش کوپلینگ از دو خط مایکرواستریپ بین-انگشتی استفاده شده است. مشکل این ساختار فاصله کم بین خطوط بینانگشتی و تیز نبودن لبه پائینی باند گذر است. روش دیگر برای طراحی فیلتر استفاده از ترکیب ساختارهای بالاگذر و پایینگذر است .[11] در این مرجع از SIR برای ایجاد قسمت پایینگذر فیلتر و از استاب های اتصال کوتاه موازی با SIR به عنوان قسمت بالاگذر فیلتر استفاده شده است. مشکل این ساختار، تیز نبودن لبههای بالا و پایین فیلتر طراحی شده است.
در این مقاله یک فیلتر میانگذر پهن باند با استفاده از ساختار MMR و با گزینندگی بالا بر روی مایکرواستریپ ارائه شده است. با تعیین محل مودهای اول و دوم در باند فرکانسی 4 تا 8 گیگاهرتز، باند عبور در این محدوده ایجاد شده است. برای افزایش تیزی لبههای باند گذر از ساختارهای بینانگشتی روی MMR و استاب اتصال کوتاه در لایه میانی استفاده شده است. مدار معادل فیلتر نهایی استخراج و پاسخ آن با نتایج حاصل از شبیهسازی تمام موج مقایسه شده است که تطابق خوبی بین آنها دیده میشود.
-2 تحلیل و طراحی فیلتر میانگذر MMR با دو صفر انتقال
نمای کلی فیلتر پیشنهادی، در شکل 1 نشان داده شده است، که از سه لایه مایکرواستریپ و دو زیرلایه تشکیل شده است. در لایههای اول و دوم، قسمت اصلی فیلتر که یک ساختار تشدیدکننده چند مودی است قرار دارد و از دو طرف با خط میزبان بهصورت کوپلینگ خازنی تغذیه میشود. فیلترهای مبتنی بر MMR، توسط دو خط مایکرواستریپ که موازی با ساختار MMR قرار میگیرد، بهصورت کوپل شده تحریک میشوند. برای تحریک مؤثر باید فاصله دو خط، بسیار به هم نزدیک باشد که مشکلات ساخت را درپی خواهد داشت. در فیلتر ارائه شده، برای رفع این مشکل در لایه میانی و زیر دو خط کوپلینگ، خط انتقال مایکرواستریپ قرار داده شده است. با این کار فاصله دو خط کوپلینگ به میزان چشمگیری افزایش یافته است. دلیل این امر را می توان افزایش میدان الکتریکی بین دو خط کوپلینگ و صفحه زیر دو خط که در لایه میانی قرار گرفته است، دانست.
شکل :1 نمای فیلتر پیشنهادی. قسمتهای سیاه و زرد رنگ بهترتیب خطوط لایه بالایی و میانی را نشان میدهد.
با تغییر در ابعاد تشدیدکننده چند مودی و در نتیجه تعیین محل مودها، می توان باند عبور فیلتر را در بازه فرکانسی دلخواه تنظیم کرد. بنابراین در ساختار طراحی شده توسط ساختار MMR پهنای باند اصلی ساختار در بازه فرکانسی 4-8 GHz قرار گرفته است. برای افزایش گزینندگی فیلتر و بهبود باند توقف، از روزنههای بینانگشتی در ساختار MMR و استاب اتصال کوتاه در لایه میانی فیلتر استفاده شده است که با انتخاب مناسب ابعاد آنها، دو صفر انتقال بهترتیب در لبههای بالایی و پایینی قرار میگیرند و باعث افزایش تیزی در لبههای باند عبور و باند توقف میشوند. در ادامه روش طراحی فیلتر در دو بخش طراحی MMR و تولید صفرهای انتقال بیان خواهد شد.
-1-2 طراحی ساختار تشدیدکننده چند مودی
یک ساختار تشدیدکننده چند مودی، دارای تعدادی مود تشدیدی است که به دو دسته مودهای زوج و فرد تقسیم می شوند. این مودها، با توجه به تغییر در پهنا و طول ساختار MMR میتوانند در محلهای متفاوتی از باند فرکانسی قرار گیرند. در نهایت، با توجه به محل قرار گرفتن مودها، میتوان پهنای باند مورد نظر را ایجاد نمود. برای طراحی فیلتر پهنباند، باید حداقل دو مود تشدیدی در پهنای باند فرکانسی مورد نظر در فاصله مناسبی از یکدیگر قرار گیرند.
هرچه تعداد مودها در باند فرکانسی مورد نظر بیشتر باشد، فیلتری با تعداد قطب های بیشتر ایجاد میشود که باعث افزایش کیفیت در پهنای باند فیلتر می شود. اما مشکلی که ممکن است بهوجود آید، ایجاد مودهای ناخواسته است که در فرکانسهای نامناسب - خارج از باند گذر و نزدیک به لبههای باند گذر - تولید میشوند و باعث کاهش حذف خارج از باند گذر میشوند. بنابراین، باید محل قرار گرفتن مودها و چگونگی تغییر محل آنها را کنترل کرد و مودهای مفید را به سمت پهنای باند حرکت داد و مودهای غیرمفید را تا آنجایی که امکان دارد از پهنای باند دور نمود تا حذف خارج از باندگذر افزایش یابد. در ادامه، روش یافتن محل مودها نشان داده شده است و پارامترهایی از ساختار MMR که باعث جابجاشدن مودها میشوند، معرفی شدهاند.
در شکل 2، ساختار تشدیدکننده چند مودی و مدل خط انتقال آن نشان داده شده است که دارای امپدانسهای مشخصه
شکل :2 - الف - ساختارMMR فیلتر پیشنهادی و - ب - مدار معادل خط انتقال آن.
برای محاسبه محل مودها که همان فرکانسهای تشدید ساختار MMR هستند، ابتدا باید ادمیتانس ورودی نشان داده شده در شکل 2 را بدست آورد و شرط تشدید را برقرار نمود :
شکل 3، تغییرات سه فرکانس اول تشدید مربوط به معادله-های - 4 - و - 5 - را به ازای تغییر در مقدار RZ نشان میدهد، که فرکانسهای تشدید دوم و سوم نسبت به اولین فرکانس تشدید نرمالیزه شدهاست. همانطور که از شکل مشخص است با افزایش RZ، فرکانس تشدید دوم بسیار سریعتر از فرکانس تشدید سوم به فرکانس تشدید اول نزدیک میشود، در نتیجه فرکانس های تشدید اول و دوم، با افزایش RZ میتوانند در مجاورت هم قرار گیرند و فیلتر پهنباندی را ایجاد کنند
شکل :3 فرکانسهای تشدید نرمالیزه شده بهازای 2 2.86 1 که توسط نرمافزار متلب رسم شده است.
