مقاله طراحی فیلتر میان نگذر با استفاده از ساختار زمین ناقص

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله یک شکل جدیدي از ساختار زمین ناقص - defected ground structure - براي طراحی فیلتر میاننگذر با پهناي باندقطع نسبتاً عریض ارائه شده است. این ساختار از سلولهاي زمین ناقص در صفحه زمین و استابهاي پلهاي موازي در خط مایکرواستریپ تشکیل شده است. پارامترهاي پراکندگی فیلتر با استفاده از شبیهساز الکترومغناطیسی تمام موج HFSS که مبتنی بر روش المانهاي محدود میباشد، به دست آمده است. همچنین پارامترهاي مدار معادل کلی ساختار فیلتر میاننگذر با استفاده از انطباق نتایج شبیهسازي تمام موج با الگوي فیلتر پایینگذر تک قطبی باترورث استخراج شده است و سرانجام تطابق خوب نتایج شبیهسازي مداري با نتایج شبیهساز الکترومغناطیسی تمام موج نشان داده شده است.

کلید واژه- ساختار زمین ناقص - DGS - ، فرکانس قطع، فیلتر میاننگذر.

-1  مقدمه

در سال 1999  براي اولین بار ساختارهاي زمین ناقص - 1DGS - توسط Park پیشنهاد شد که ایده اولیه آن مبتنی بر ساختارهاي باند ممنوعه فرکانسی - 2PBG - بود.[1]همانطور که میدانیم ساختارهاي باند ممنوعه فرکانسی، ساختارهاي متناوبی هستند که از انتشار باند فرکانسی خاصی - در ناحیه نور مرئی - جلوگیري میکنند. اخیراً علاقه زیادي به کاربرد ساختارهاي زمین ناقص در طراحی مدارات مسطح مایکروویوي و آنتنهاي مایکرواستریپی ایجاد شده است.[2]-[4]ساختار زمین ناقص به وسیله حککردن الگوهاي مختلف در صفحه زمین مدارات مسطح ایجاد میشود. این ساختار جریان سطحی در صفحه زمین را آشفته کرده و مشخصات امپدانسی خط انتقال از جمله: اندوکتانس و ظرفیت خازنی را تغییر میدهد، بنابراین معادل یک مدار رزوناتوري LCرفتار میکند. از آنجائیکه ساختارهاي زمین ناقص ذاتاً داراي خاصیت رزونانسی هستند، بسیاري از آنها در طراحی فیلترهاي فشرده به کار میروند.[5]

-2  طراحی فیلتر میاننگذر

طرح پیشنهادي براي فیلتر میاننگذر در شکل 1 نشان داده شده است که از 3 واحد سلولی در راستاي محور X تشکیل شده است. هر واحد سلولی از یک ساختار زمین ناقص در صفحه زمین و همچنین یک استاب پلهاي موازي در خط مایکرواستریپ تشکیل شده است. در این طراحی از زیرلایهRo4003 - tm - با ۵۵/۳εr= و ضخامتmm۱۸/۰ استفاده شده است. عرض خط مایکرواستریپ به منظور به دست آمدن امپدانس پورت 50 اهم، W0=1/85mm انتخاب شده است.تلفات برگشتی فیلتر پیشنهادي در شکل 2 نشان داده شده است که از شبیه ساز الکترومغناطیسی تمام موج HFSS [6] V.11 به دست آمده است.Fc1 و Fc2 لبههاي 3dB باند قطع فرکانسی و Fo فرکانس مرکزي را نشان میدهد که معمولاً به عنوان میانگین هندسی فرکانسهاي قطع انتخاب میشود. پهناي باند 3دسیبل براي این طراحی در حدود 31 درصد میباشد.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، الگوي ساختار زمین ناقص که در صفحه زمین فیلتر قرار دارد، از دو بخش تشکیل شده است. بخش اول شامل شکافهاي دیجیتالشده3بوده و بخش دوم شامل پچ مستطیلی حک شده میباشد که به صورت LdCd در شکل 3 مدل شده است. ظرفیت خازنی - Cd - و اندوکتانس - Ld - به ترتیب به تعداد شکافهاي دیجیتال شده و اندازه پچ مستطیلی حک شده در صفحه زمین بستگی دارد. از طرف دیگر استابهاي پلهاي موازي در خط مایکرواستریپ به صورت LsCp در شکل 3 مدل شدهاند.ازآنجائیکه طول الکتریکی استاب L1  کمتر از λ/2 براي رنج فرکانسی مورد نظر بوده و داراي امپدانس خط بالاي 133 اهم میباشد، به عنوان یک اندوکتانس - - Ls مدل میشود.

علاوه بر این، استاب L1 به استاب L2 با امپدانس خط پایین44 اهم ختم شده است که این قسمت به صورت خازن - Cp - مدل شده است. در این مقاله، پارامترهاي مدار معادل سلول واحد از انطباق نتایج شبیهسازي تمام موج ساختار با الگوي فیلتر پایینگذر باترورث که در شکل 4 نشان داده شده است، استخراج خواهد شد.مقدار راکتانس معادل بخش ساختار زمین ناقص سلول واحد به صورت زیر محاسبه میشود.پارامترهاي استخراج شده براي سلول واحد Cd=1/14PF،Ld=1/2nH، Ls=2/96nH و Cp=0/38PF میباشند. این مقادیر اندوکتانس و ظرفیت خازنی را میتوان با تغییر ابعاد پارامترهاي سلول واحد کنترل کرد ودر نتیجه فرکانسهاي قطع و پهناي باند قطع را تنظیم کرد.

مدار معادل کلی فیلتر میاننگذر در شکل 5 نشان داده شده است. پارامترهاي پراکندگی مدار معادل در شکل 6 ارائه شده است که با استفاده از شبیهساز مدار Microwave [7] Office به دست آمده است.با استفاده از مقادیر المانهاي پاسخ الگوي فیلتر پایینگذر قطبی باترورث داریم:

در رابطه - 5 - ۱ω'=، Ω۰۵Zo= و g1 به ترتیب فرکانس قطع3-dB نرمالیزه شده، امپدانس پورت و مقدار المان الگوي تک قطبی فیلتر پایینگذر میباشند.با استفاده از رابطههاي - 6 - - - 3 - داریم:در رابطه fo - 7 - و fc بر حسب GHz و همچنین Cd بر حسب PF و Ld بر حسب nH میباشند.