بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، شبکه تطبیق امپدانس دوبانده جدید با استفاده از خط انتقال مایکرواستریپ دو-بخشه و شاخه مدار باز -Tشکل موازی، ارائه شده است. ابتدا، روابط تحلیلی حاکم بر ساختار، برپایه تئوری خطوط انتقال به دست میآید. سپس با اعمال شرط تطبیق در فرکانسهای موردنظر بر روی روابط، معادلات غیرخطی حاصل میشوند که با حل همزمان این معادلات، مشخصات الکتریکی و فیزیکی تمامی قسمتهای خط انتقال محاسبه میشوند.
برای تایید عملکرد شبکه پیشنهادی، امپدانس بار دلخواهی به منظور تطبیق آن با امپدانس منبع 50 اهم انتخاب میشود. طرح در نرمافزار HFSS ترسیم و شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهند که پهنای باند در باندهای اول و دوم به ترتیب برابر %76 و 11/8% است که در مقایسه با طرحهای مشابه، افزایش پهنای باند و کاهش سطح اشغالی را داشته است.
-1 مقدمه
شبکه تطبیق یا تبدیل کننده امپدانسی در مدارات RF، برای بیشینه کردن توان انتقالی یا دریافتی در فرستندهها و گیرنده-های بیسیم، نقش مهمی را ایفا میکند. در واقع یک شبکه تطبیق خوب، با کاهش ضریب برگشتی توان تحویلی بین دو مدار متصل شده به هم، میتواند سطح سیگنال به نویز سیستم را در حد مطلوب نگه دارد .[1] امروزه تلفنهای همراه، استانداردهای بی سیم متفاوتی همانند GSM، UMTS,، WLAN، GPS، Bluetooth و ... را همزمان پشتیبانی میکنند.
براساس سازمان استاندارد جهانی، باندهای فرکانسی مجزایی به هر یک از این استانداردها اختصاص داده شده است. بنابراین لزوم طراحی شبکههای تطبیق که توانایی پشتیبانی از چندین باند فرکانس رادیویی با پهنای باند مناسب را داشته باشند، مشخص میشود. ملاحظاتی که در طراحی شبکه تطبیق باید در نظر گرفته شود عبارتند از: میزان تلفات کم، اندازه فیزیکی، تلفات برگشتی و پهنای باند.
پژوهشگران طرحهای متعددی در مقالات برای دستیابی به مدارات تطبیق چند بانده ارائه دادهاند. در [1] یک مدار تطبیق امپدانس دوبانده با استفاده از خط انتقال دو-بخشه و شاخه مدار باز دو- بخشه موازی، برای دو باند دلخواه و امپدانس بار مختلط تحلیل و طراحی شده است. در [2] یک ترانسفورماتور یک سوم طول موج دو-بخشی، عمل تطبیق را در دو باند فرکانسی - فرکانس اصلی و هارمونیک اول - انجام میدهد. در [3] یک مدار تطبیق امپدانس، برای دو فرکانس دلخواه با استفاده از خط انتقال دو-بخشه، معرفی شده است. البته با این فرض که بار در هر دو فرکانس اهمی خالص است. طرح ارائه داده شده در [4]، ساختار بهبود یافته [3] است که برای امپدانس بار مختلط نیز صادق است.
تحلیل و طراحی مدار تطبیق امپدانس با خط انتقال سه -بخشهای که هر بخش دارای امپدانس مشخصه متفاوت است در [5] انجام شده است. هدف از طرح پیشنهاد شده، تطبیق خط با بار اهمی در 3 فرکانس دلخواه بوده است. طراحی مدار تطبیق امپدانس N بانده با خط انتقال -Nبخشه و با استفاده از روش بهینهسازی PSO در [6] آمده است. در [7] مدار تطبیق دو بانده با خط انتقال سه-بخشه، برای تطبیق امپدانس بارهای وابسته به فرکانس پیشنهاد شده است. در واقع، مقاله امپدانس بار را موهومی خالص فرض کرده است.
در این مقاله با استفاده از ایده پیشنهادی [1] ، مدار تطبیق جدیدی ارائه شده است؛ با این تفاوت که به جای شاخه مدار باز دو-بخشه موازی، از شاخه مدار باز -Tشکل موازی استفاده شده است. شاخه مدار باز -Tشکل در [8] برای طراحی داپلکسر با فرکانسهای کاری نزدیک به هم معرفی شده است. نتیجه به دست آمده طرح این است که در مقایسه با [1] پهنای باند وسیعتر در هر باند و اندازه کوچکتر حاصل شده است.
این مقاله در 4 بخش تنظیم شده است. بخش دوم به معرفی ساختار مدار تطبیق امپدانس دوبانده و روابط آن میپردازد. شبیه سازی ساختار با استفاده از نرم افزار های ADS و HFSS در بخش سوم ارائه شده است. نهایتا بخش 4 به جمعبندی مقاله پرداخته است.
-2 معرفی ساختار مدار تطبیق پیشنهادی
مدار تطبیق پیشنهادی، مطابق شکل داده شده در - 1 - ، از دو قسمت تشکیل شده است؛ قسمت اول خط انتقال دو-بخشه و قسمت دوم شاخه مدار باز -Tشکل. با توجه به این که ادمیتانس دیده شده در قسمت دوم، موهومی خالص است میتوان گفت که قسمت اول طرح پیشنهادی برای تبدیل قسمت حقیقی ادمیتانس بار به مقدار 1/ Z0 و قسمت دوم برای خنثی کردن قسمت موهومی ادمیتانس قسمت اول به کار گرفته شده است. برای روشن شدن عملکرد طرح پیشنهادی، فرض میشود که مدار در در فرکانس f1 به بار ZL1 و در فرکانس f2 به بار ZL 2 ختم شده است که ZL1 و ZL 2 به ترتیب برابرند با:
با فرض معلوم بودن Za و Zb - برای کاهش تعداد مجهولات و سادگی روابط، تمامی امپدانس مشخصهها معلوم در نظر گرفته میشوند - ، امپدانس ورودی از قسمت a و b به صورت روابط داده شده زیر، در دو فرکانس f1 و f2 نوشته میشود:
شکل .1 مدار تطبیق امپدانس پیشنهادی
-3 نتایج عددی و شبیهسازی
در این مقاله هدف طراحی مدار تطبیق برای تلفن همراه در باندهای GSM و بلوتوث است. مدار با استفاده از خط مایکرواستریپی که بر روی زیرلایه FR4 با ثابت دیالکتریک 4/6 و ضخامت 1/6 میلیمتر قرار دارد، تحقق یافته است. برای اینکه قابلیت ساخت، ساده باشد امپدانس مشخصه تمامی خطوط بین 40 تا 110 اهم انتخاب میشوند. مقادیر انتخاب شده برای امپدانس مشخصه قسمتهای مختلف در جدول - 1 - آمده است.
برای مقایسه این کار با [1]، امپدانس بار همانند مقاله به صورت ترکیب سری خازن 5 پیکوفارادی و مقاومت 100 اهمی درنظر گرفته میشود. حال با فرض f1 0.9GHz و f2 2.4GHz معادلات غیرخطی - 6 - در برنامه MATLAB برای به دست آوردن طولهای الکتریکی خطوط انتقال حل میشوند. نتایج به دست آمده بعد از تبدیل به مشخصات فیزیکی طرح توسط نرم-افزار ADS، در نرمافزار HFSS ترسیم میشود.
شکل - 2 - طرح پیشنهادی را در نرمافزار HFSS نشان میدهد. ابعاد ساختار 0.3 g 0.2 g است در حالی که طرح داده شده در [1] دارای مساحت تقریبی 0.5 g 0.18 g است که g طول موج هدایت در فرکانس 0.9 GHz است. طراحی و شبیهسازی ساختار برای بار ذکر شده، در نرمافزارهای MATLAB، ADS و HFSS انجام شده است. نتیجه شبیهسازی ساختار در شکل - 3 - آمده است. همانگونه که از شکل معلوم است نتایج دو نرمافزار ADS و HFSS تطبیق نسبتا خوبی با هم دارند. اما ضریب انعکاس بازگشتی با مقادیر اولیه از فرکانسهای موردنظر، کمی انحراف دارد. حال میتوان با بهینهسازی ابعاد ساختار در نرمافزار HFSS، ضریب انعکاس بازگشتی در پورت 1 را بر روی فرکانسهای پهنای باند اول، مدار تطبیق پیشنهادی استاندارد GPS و DCS1800 را هم پشتیبانی میکند.
شکل .2 طرح پیشنهادی در نرمافزار HFSS
-4 نتیجهگیری
مدار تطبیق امپدانس دوبانده با استفاده از خط انتقال دو-بخشه و شاخه مدار باز -Tشکل موازی، در مقاله تحلیل و طراحی شده است. ابتدا معادلات غیرخطی به دست آمده بر روی روابط حاکم بر طرح پیشنهادی به منظور اقناع شرط تطبیق در فرکانسهای مورد نظر، با نرمافزار MATLAB حل و مقادیر الکتریکی طرح محاسبه شدند. سپس با تبدیل این مقادیر به مشخصات فیزیکی، ساختار در نرمافزار HFSS ترسیم و شبیهسازی شد. نتایج شبیه-سازی نشان میدهند که پهنای باند به دست آمده برای طرح، در باند اول ساختار 76% و در باند دوم 11/8% است. طرح پیشنهادی دارای مساحت اشغالشده کمتری نسبت به طرحهای قبلی است.
