بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، یک فیلتر میان گذر با استفاده از خطوط کوپل شده موازي مطرح شده است. فیلتر طراحی شده از چهار خط کوپل شده افقی موازي به صورت متقارن در چها گوشه و یکی به صورت عمودي در وسط ساختار، تشکیل شده است. فرکانس هاي قطع -3 دسی بل این فیلتر در3/26 گیگاهرتز 3/64 گیگاهرتز واقع شده اند. استفاده از خطوط کوپل شده موازي سبب شده است که در باند عبور فیلتر مطرح شده تلفات انتقالی بسیار پایین در حدود -0/5 دسی بل و میزان تلفات انتقالی از صفر تا 2/9 گیگاهرتز و از 4 تا 13 گیگاهرتز کمتر از -20 دسی بل بدست آید. از دیگر ویژگی هاي این ساختار توانایی تضعیف هارمونیک هاي ناخواسته دوم و سوم و ابعاد کوچک بدست آمده براي فیلتر در حدود 27/95میلی متر 15/88 میلی متر را می توان برشمرد. نتایج بدست آمده از شبیه سازي نشان دهنده عملکرد مناسب فیلتر مطرح شده می باشد.
-1 مقدمه
امروزه با گسترش روز افزون سیستم هاي ارتباط بی سیم، طراحی قطعاتی با ساختار جدید، ابعاد کوچک و همچنین داشتن پاسخی با کیفیت بالا یک چالش مهم محسوب می شود. به منظور رفع این مشکلات و یافتن راه حل هایی، طراحان مدار هاي مایکروویو ساختار هاي متفاوتی را موري بررسی و تحقیق قرار داده اند. فیلترهاي میان گذر که بر اساس خطوط کوپل شده میکرواستریپی هستند، به دلیل ساختار ساده، هزینه پایین و سادگی مجتمع سازي با قطعات دیگر به طور گسترده اي در سیستم هاي مایکروویو استفاده می شوند. اگرچه موارد استفاده آنها در کاربرد هایی با پهناي باند وسیع به وسیله دو فاکتور محدود می شود. اولین فاکتور مهم، وجود هارمونیک هاي دوم و سوم می باشد. هارمونیک ناخواسته دوم به دلیل تفاوت در سرعت فاز در مد زوج و فرد ساختار کوپل شده میکرواستریپ به وجود می آید. این تفاوت در سرعت فاز و همچنین مشکل ایجاد هارمونیک دوم هنگامی که یک زیرلایه با ثابت دي الکتریک بالا مورد استفاده قرار گیرد، بیشتر به چشم می آید. هارمونیک سوم به دلیل طبیعت خطوط کوپل شده میکرواستریپ به کار رفته، ظاهر می شود.
دومین فاکتور مهم، که استفاده از فیلترهاي میانگذر را در سیستم هاي با پهناي باند وسیع محدود می کند، نیاز ایجاد فاصله بسیار کم بین خطوط کوپل شده براي پهناي باند نسبی بیشتر از تقریبا %30 می باشد. تکنیک هاي متفاوتی به منظور رفع مشکلات گفته شده مطرح شده است. این ساختارها داراي انواع مختلف خطوط کوپل شده موازي، استاب ها و رزوناتورها هستند
در برخی از آنها به اصلاح خط کوپل شده پرداخته اند.[14-10] هر کدام از این فیلترها ویژگی هاي منحصر به فرد خود را دارند، اما هنگامی که به مرحله ساخت و استفاده می رسند محدودیت هاي آنها مانند وجود هارمونیک سوم بسیار شدید، ظاهر می شوند. روش استفاده شده در [6]، توانسته است سطح هارمونیک هاي دوم و سوم را کاهش دهد، اما نتوانسته آنها را به طور کامل از بین ببرد.به منظر طراحی یک فیلتر میان گذر می توان از روش ایجاد نقص در لایه زمین - DGS - استفاده کرد.
هرچند استفاده از ساختار - DGS - به طور کارآمدي ابعاد مدار را کاهش می دهد و هارمونیک هاي ناخواسته را در رنج وسیعی فرکانسی تضعیف کند، اما داراي مشکلات قابل توجهی در فرایند ساخت مدار میکرواستریپ می باشد. به عنوان مثال به منظور کاهش خطاي ساخت، شکاف هاي ایجاد شده در بالا و پایین ساختار باید به طور دقیقی در یک راستا قرار بگیرند تا مدار ساخته شده تا حد قابل قبولی مشابه با مدل طراحی شده با نرم افزار باشد. در-18] [20، روش هاي دیگري از طراحی فیلتر هاي میان گذر بیان شده است که می توان استفاده از رزوناتورهاي رینگی شکل، سنجاق سري و همچنین فیلتر هایی که در آنها از خطوط کوپل شده استفاده شده است را نام برد. استفاده رزوناتورهاي حلزونی شکل نیز از دیگر روش هاي طراحی فیلتر میان گذر است که مزایایی همچون کارایی بالا، انتقال توان مناسب و فرایند آسان را دارند
پاسخ الپتیک در سیستم هاي ارتباطی به دلیل اینکه داراي درجه آزادي بالا و تلفات تزریقی پایین هستند، بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. رزوناتورهاي حلقه باز میکرواستریپ براي طراحی فیلترهایی با رزوناتورهاي کوپل شده، بسیار متداول هستند.[31-27] هرچند این ساختارهاي میان گذر مسطح، مساحت زیادي را اشغال می کنند و در نتیجه باعث ایجاد کوپلاژ متقابل با قطعات دیگر در ساختار سیستم هاي مدرن می شوند. در [32]، یک فیلتر میان گذر با استفاده از رزوناتور حلقه باز و یک امپدانس پله اي سه قسمتی طراحی شده است. تلفات تزریقی این ساختار در باند عبور 2/5 دسی بل و میزان تلفات بازگشتی آن بهتر از -10 دسی بل می باشد.در
[32]، فیلتر میان گذري با استفاده از یک موجبر براي کار در باند-X طراحی شده است. استفاده از این موجبر با ساختار مثلثی شکل باعث شده که ابعاد مدار حتی در باند-X به شدت بزرگ شود. در [33]، یک فیلتر میان گذر میکرواستریپی با پنج صفر انتقال طراحی شده است. در این ساختار براي ایجاد صفرهاي انتقال از خطوط انتقال کوپل شده موازي که در هر دو انتهاي ساختار قرار گرفته اند، استفاده شده است. این صفرها می توانند به گونه اي تنظیم شوند که یک پاسخ تیز با پهناي باند و سطح تضعیف مناسب حاصل شود. میزان تضعیف بدست آمده در باند توقف در حدود 29 دسی بل و پهناي باند نسبی در حدود % 60 براي این فیلتر گزارش شده است.
در این مقاله، یک فیلتر میان گذر میکرواستریپ با استفاده از خطوط کوپل شده موازي متقارن طراحی شده است. ساختار مطرح شده براساس ایجاد کوپلاژ بین دو خط میکرواستریپ -Tشکل ساده می باشد. در ابتدا باتنظیم طول، عرض و فاصله بین خطوط کوپل شده سعی شده یک فرکانس کاري اولیه بدست آید. سپس با استفاده از همین ایده اولیه ساده یک فیلتر میان گذر با پهناي باند و تیزي قابل قبول و همچنین میزان تلفات تزریقی در باند عبور 0/5 دسی بل، طراحی شده است. تمام شبیه سازي ها بر روي یک زیر لایه از جنس RO4006 با ثابت دي الکتریک 3/38، تانژانت تلفات 0/0021 و ضخامت 0/508میلی متر انجام شده است.
-2 طراحی فیلتر پیشنهاد شده
ساختار فیلتر میان گذر مطرح شده در شکل - 1 - نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، این فیلتر از خطوط کوپل شده موازي متقارن تشکیل شده است. چهار خط کوپل شده موازي متقارن هم اندازه در چهار گوشه ساختار و یک خط کوپل شده به صورت عمودي در وسط ساختار قرار گرفته است. براي ایجاد ارتباط بین پورت ورودي و خروجی و همچنین نیمه بالا و پایین ساختار، در دو طرف خط کوپل شده عمودي، دو خط انتقال موازي هم شکل کوپل شده A و B نیز به کار رفته است. ابعاد این فیلتر به صورت زیر می باشد - همه ابعاد به صورت میلی متر هستند -
شکل :1 ساختار فیلتر طراحی شده.
در مرحله اول، به منظور طراحی یک فیلتر میان گذر همانطور که در شکل -2 - الف - نشان داده شده است، دو خط انتقال -T شکل میکرواستریپ ساده با هم کوپل شده اند. شکل -2 - ب - مدار معادل این رزوناتور میان گذر را نشان می دهد.
در این مدار معادل C1 خازن معادل دو استاب نشان داده شده، Cg خازن معادل ایجاد شده به وسیله فضاي خالی بین این دو استاب و La سلف معادل خطوط ورودي و خروجی مدار اولیه میان گذر است. پاسخ فرکانسی این ساختار اولیه در شکل - 2 - -ج - نشان داده شده است.
شکل :2 الف- نمونه اولیه فیلتر میان گذربا دو خط انتقال -T شکل میکرواستریپ ساده کوپل شده ب- مدار معادل نمونه اولیه ج- پاسخ فرکانسی.
همانطور که از پاسخ فرکانسی این رزوناتور مشخص است، فرکانس -3 دسی بل اول روي 10 گیگاهرتز و فرکانس -3 دسی بل دوم روي 11/7 گیگاهرتز قرار گرفته است. در این محدوده فرکانسی کمترین میزان تلفات بازگشتی -10 دسی بل است، که مطلوب نیست. همچنین میزان تلفات انتقالی از 10/57 تا 11/1
گیگاهرتز زیر -1 دسی بل است. همانطور که مشخص می باشد، فرکانس مرکزي این ساختار از فرکانس مورد نظر 3/5 گیگاهرتز فاصله چشم گیري داشته و تلفات بازگشتی نیز مطلوب نیست.
همانطور که در شکل - 3 - الف - نشان داده شده است، استفاده از دو خط انتقال کوپل شده به جاي خطوط منفرد انتقال ورودي و خروجی استفاده شده در شکل - 2 - الف - ، می تواند فرکانس مرکزي را تا حدود 1 گیگاهرتز به سمت فرکانس مطلوب جابه جا کند. هرچند این کار میزان تلفات بازگشتی را به -8/4 دسی بل می رساند و تلفات تزریقی باند عبور رانیز نامطلوب می سازد.
نتایج شبیه سازي استفاده از این روش در شکل - 3 - ب - آمده است. به منظور ایجاد فرکانس مورد نظر 3/5 گیگاهرتز می توان از یک فیلتر میانگذر دو بانده که هر دو فرکانس مرکزي آن در حوالی فرکانس مورد نظر3/5 گیگاهرتزاست، استفاده کرد. در شکل - 4 - الف - ساختار این فیلتر میان گذر نشان داده شده است. با توجه به پاسخ فرکانسی این فیلتر، دو فرکانس مرکزي در 2/4 گیگاهرتز و 3/1 گیگاهرتز واقع شده اند. این دو فرکانس مرکزي می توانند در پاسخ فرکانسی شکل - 3 - ب - ، در اطراف فرکانس 3/5 گیگاهرتز دو تضعیف در تلفات انتقالی ایجاد کنند.
همچنین فیلتر دو بانده بدست آمده توانایی تضعیف فرکانس هاي ناخواسته در محدوده ي 6/43 گیگاهرتز تا 13/27 گیگاهرتز با میزان تضعیف حداقل -20 دسی بل را دارد. که مفهوم آن براي یک فیلتر میان گذر با فرکانس مرکزي 3/5 گیگاهرتز، تضغیف هارمونیک دوم و سوم می باشد. یعنی در حقیقت با ترکیب مناسب ساختار دو بانده با پاسخ فرکانسی نامطلوب و ساختار اولیه شکل - 3 - الف - ، می توان فرکانس مرکزي را به فرکانس مورد نظر 3/5 گیگاهرتز منطبق کرد و هم هارمونیک هاي دوم و سوم را با سطح تضعیف بیشتر از -20 دسی بل تضعیف نمود. ابعاد مدارهاي شکل هاي - 2 - الف - ، - 3 - الف - و - 4 - الف - همان ابعاد ساختار نشان داده شده در شکل - 1 - می باشد.
در نهایت با قرار دادن فیلتر شکل - 3 - الف - در وسط ساختار دو بانده شکل - 4 - الف - فیلتر میان گذري با فرکانس مرکزي 3/5 گیگاهرتز و با قابلیت تضعیف هارمونیک هاي دوم و سوم بدست آمده است. توجه به این نکته که با ترکیب دو فیلتر فرکانس هاي کاري هردو فیلتر تغییر می کند، که با تغییر ابعاد می توان به فرکانس مطلوب رسید. در این مورد فرکانس فیلتر دو بانده تا حد کمی به سمت فرکانس هاي بالا رفته، اما فرکانس فیلتر تک بانده تا حد چشم گیري به سمت فرکانس هاي پایین شیفت پیدا کرده است. با روش بیان شده می توان فیلترهاي میان گذر با هر فرکانس دلخواهی را طراحی کرد.
