بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله تلاش شده است در جهت بهبود روشهای پیادهسازی فیلترهای میاننگذر باند باریک به کمک خطوط انتقال ریزنوار گام برداشته شود. به این منظور از مشددهای دایرهای شکل که ساختاری بسیار ساده و ضریب کیفیت بالایی دارند به عنوان عنصر پایه ساختارهای تشدیدکنندههای تزویج شده بهره گرفته شده و آرایشهایی بر مبنای این ساختار جهت طراحی اینگونه فیلترها ارائه شده است.
بر اساس آرایش دو مشددی معرفی شده این ساختار، فیلتری طراحی شده که منجر به ضریب کیفیتی برابر با 84/22 و افت 20.85 dB در فرکانس 3.54 GHz شده است. بر اساس شبیهسازیها ساختار ارائه شده علاوه بر کاهش نشت امواج، سادهسازی طراحی و ساخت، کاهش هزینه تولید، و مهیا کردن شرایط مناسب طراحی در فرکانسهای بالا و پیادهسازی به صورت مدارات مجتمع یکپارچه، به دستیابی همزمان به ضریب کیفیت و افت بالا نیز کمک میکند.
.1 مقدمه
فیلترهای میاننگذر عناصر مهمی در کاربردهای مایکروویو و امواج میلیمتری هستند. این فیلترها در مدارها و سیستمهای بسیاری در این حوزه به منظور انجام اموری همچون تنظیم هارمونیکها در تقویتکنندههای قدرت، حذف باندهای عبور کاذب در فیلترهای میانگذر گسترده و حذف سیگنالهای تداخلگر، نویز و تک فرکانسهای مشخص مورد استفاده قرار میگیرند. در این میان فیلترهای میاننگذر باند باریک با توانایی انتخابگری بالا، به موجب وجود سیگنالهای ناخواسته یا تداخلگرهای بیشتر در محیطهای انتقال هوایی، اهمیت دوچندانی را در اکثر ارتباطات مایکروویو و سیستمهای رادار دارا میباشند.
فیلترهای مایکروویو توسط خطوط انتقال مختلفی محقق میشوند. در این بین استفاده از خط انتقال ریزنوار به دلیل توانایی در بکارگیری مواد متنوع به عنوان زیرلایه و در نتیجه استفاده در محدوده وسیعی از باندهای فرکانسی، امکان مجتمع شدن با سایر عناصر فشرده فعال و غیرفعال مایکروویو، ساخت آسان، هزینه کم تولید، وزن سبک و ابعاد کوچک بسیار متدوالتر میباشد
از جمله ساختارهایی که در طراحی فیلترهای میاننگذر باند باریک توسط خط انتقال ریزنوار استفاده میشوند، عبارتند از ساختارهای شکاف باند الکترومغناطیسی - EBGs - ، ساختارهای دارای نقص در لایه زمین - DGSs - ، ساختارهای دارای نقص در نوار هادی - DMSs - و ساختارهای تشدید کنندههای تزویج شده.
ساختارهای شکاف باند الکترومغناطیسی دارای انواع متفاوتی هستند که هر یک محدودیتهای خاص خود را دارند. دستیابی به پهنای باند باریک توسط ساختارهایی از این دسته که به وسیله ایجاد حفره در زیرلایه یا ایجاد نقص در لایه زمین ساخته میشوند نیازمند افزایش تعداد دورههای تناوب الگوی مربوطه میباشد .[2] ساختارهای شکاف باند الکترومغناطیسی قارچی شکل و چندلایه نیز که دارای فشردگی بیشتری هستند دارای ضریب کیفیت بالایی نمیباشند؛ به علاوه ساخت فیلتر به کمک ساختارهای چند لایه فرآیندی پیچیده میطلبد. به طور کلی مساله ضریب کیفیت نهچندان بالا برای تمامی ساختارهای شکاف باند الکترومغناطیسی مطرح است.
ساختارهای دارای نقص در لایه زمین موجب نشت موج از طریق این لایه میشوند . [3] مشکل دیگر آنها جعبهبندی و تحقق به وسیله مدارات مجتمع یکپارچه مایکروویو میباشد.[4] علاوه بر موارد مذکور فیلترهای ارائه شده مبتنی بر این ساختار دارای ضریب کیفیت بالایی نیز نمیباشند. ساختارهای دارای نقص در نوار هادی نیز دارای عملکردی مشابه با ساختارهای دارای نقص در لایه زمین میباشند و همچون آنها منجر ضریب کیفیت بالایی نمیشوند.
ساختارهای تشدید کنندههای تزویج شده بسته به نوع مشدد عملکردی متفاوت دارند. دو مشدد متداول در این زمینه مشدد یک دوم طولموج مدار باز و مشدد حلقوی شکافدار - SRR - میباشند. در مشددهای خط انتقال ریزنوار زمانی که عرض مشدد کاهش مییابد تلفات توان افزایش پیدا میکند؛ این مشددها از این حیث در مقابل مشددهای لکهای از جمله مشدد دایرهای شکل قرار میگیرند
مشددهای نصف طولموج مدار باز در اشکال زیر طولموج به ازای فرکانسهای بالا ابعاد بسیار کوچکی پیدا میکنند که فرایند ساخت آنها را سختتر میکند و البته خطاهای ناشی از ساخت نیز نتیجتا افزایش مییابد. مشدد حلقوی شکافدار نیز از آنجایی که یک مشدد زیر طولموج میباشد، در فرکانسهای بالا مشکلی مشابه دارد. به علاوه اگرچه این مشدد به طور کلی منجر به پهنای باند باریک میشود، اما جهت دستیابی توامان به ضریب کیفیت و افت بالا مناسب نمیباشد.
در این مقاله به منظور رفع کاستیهای مذکور در زمینه فیلترهای میاننگذر باند باریک، فیلترهایی مبتنی بر ساختارهای متناوب مشددهای تزویج شده با بهرهگیری از مشددهای دایرهای شکل ارائه شدهاند. مشدد دایرهای شکل عنصری با ضریب کیفیت بالا و تلفات پایین میباشد. ساختار فوق العاده ساده این مشدد موجب سهولت در طراحی فیلتر میشود. علاوه بر اینها از آنجایی که این مشدد ابعادی نسبتا بزرگ دارد، به طراحی فیلتر در فرکانسهای بالا نیز یاری میرساند.
در راستای طراحی فیلترهای میاننگذر به کمک ساختار ارائه شده، آرایشهای مختلف مشددهای دایرهای شکل جهت دستیابی به پاسخ فرکانسی با ضریب کیفیت بالا بررسی و سپس فیلترهایی بر مبنای آنها طراحی و شبیهسازی شدهاند. جهت افزایش توانایی ساختار معرفی شده در طراحی فیلترهای با پهنای باند بیشتر نیز کوشش شده و آرایشهایی همراه با روابط مربوطه ارائه شدهاند.
.2 فیلتر میاننگذر ریزنوار مبتنی بر مشدد دایرهای شکل
ساختار پایه مورد استفاده در طراحی فیلترهای معرفی شده، خط انتقال ریزنواری است که هادی مرکزی آن از میان تعدادی مشدد دایرهای شکل تزویج شده به آن عبور میکند. شکل 1 آرایش تک مشددی این ساختار را به همراه ابعاد آن نشان میدهد.
شکل-1 ابعاد خط انتقال ریزنوار تزویج شده توسط تک مشدد دایرهای شکل
.1.2 فیلتر میاننگذر با ضریب کیفیت بالا
ساختار معرفی شده به طور کلی منجر به پاسخ میاننگذری با پهنای باند باریک میشود اما دستیابی به پاسخی با حداقل افت 20 dB در باند توقف و ضریب کیفیت بالا وابسته به تعداد مشددها، آرایش آنها و فاصله بین آنها و مابین آنها و نوار هادی است که انتخاب مناسب این موارد نیز تحت تاثیر مشخصات زیرلایه میباشد.
بررسی آرایشهای مختلف مشددها بر روی زیرلایههای متعدد نشان داده است آرایشهای 2RH، 3RH، 4RH و 6RH - در این نامگذاری عدد اول بیانگر تعداد مشددها، حرف R به معنی تشدید کننده و شعاع آن، عدد احتمالی قرار گیرنده بعد از آن نمایانگر شعاع مشددها و حرف H به معنای چیدمان افقی میباشد - ، نشان داده شده در شکل 2، از عمده آرایشهایی هستند که به ازای فواصل مختلف میان مشددها و مابین مشددها و نوار هادی و شعاعهای مختلف مشددها میتوانند به طراحی فیلترهایی با ضریب کیفیت بالا یاری رسانند.
