مقاله طراحی مدار تطبیق امپدانس دوبانده با استفاده از شاخه موازی T شکل

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 موازي، ارائه شده است. ابتدا، روابط تحلیلی حاکم بر ساختار، برپایه تئوري خطوط انتقال به دست میآید. سپس با اعمال شرط تطبیق در فرکانسهاي موردنظر بر روي روابط، معادلات غیرخطی حاصل میشوند که با حل همزمان این معادلات، مشخصات الکتریکی و فیزیکی تمامی قسمتهاي خط انتقال محاسبه میشوند. براي تایید عملکرد شبکه پیشنهادي، امپدانس بار دلخواهی به منظور تطبیق آن با امپدانس منبع 50 اهم انتخاب میشود. طرح در نرمافزار HFSS ترسیم و شبیهسازي شده است. نتایج شبیهسازي نشان میدهند که پهناي باند در باندهاي اول و دوم به ترتیب برابر %76 و 11/8% است که در مقایسه با طرحهاي مشابه، افزایش پهناي باند و کاهش سطح اشغالی را داشته است.

کلید واژه- خط انتقال مایکرواستریپ، شبکه تطبیق امپدانس دو بانده ، معادلات غیرخطی.

-1  مقدمه

شبکه تطبیقفیا تبدیل کننده امپدانسی در مدارات RF، براي بیشینه کردن توان انتقالی یا دریافتی در فرستندهها و گیرنده-هاي بیسیم، نقش مهمی را ایفا میکند. در واقع یک شبکه تطبیق خوب،فبا کاهش ضریب برگشتی توان تحویلی بین دو مدار متصل شده به هم، میتواند سطح سیگنال به نویز سیستم را در حد مطلوب نگه دارد ]ل[چفامروزه تلفنهايفهمراه،ف استانداردهايف بیفسیمفمتفاوتیفهمانندفGSM، UMTS,، WLAN، GPS، Bluetoothفو ... رافهمزمان پشتیبانیفمیکنند. براساس سازمان استاندارد جهانی، باندهاي فرکانسیفمجزاییفبه هرفیکفاز اینفاستانداردها اختصاص داده شده است.

فبنابراین لزوم طراحی شبکههاي تطبیق کهفتواناییفپشتیبانی فاز چندینفباند فرکانس رادیوییفبا پهناي باند مناسب را داشته باشند، مشخصف میشودچفملاحظاتی که در طراحی شبکه تطبیق باید در نظر گرفته شود عبارتند از: میزان تلفات کم، اندازه فیزیکی، تلفات برگشتی و پهناي باندچ پژوهشگران طرحهاي متعددي در مقالات براي دستیابی به مدارات تطبیق چند بانده ارائه دادهاند. در ]ل[فیک مدار تطبیق امپدانس دوبانده با استفاده از خط انتقال دونبخشه و شاخهفمدار باز دونبخشه موازي، براي دو باند دلخواه و امپدانس بار مختلط تحلیل و طراحی شده است. در ]ه[فیک ترانسفورماتور یک سوم طول موج دو نبخشی، عمل تطبیق را در دو باند فرکانسی - فرکانس اصلی و هارمونیک اول - انجام میدهد.

در ]م[فیک مدار تطبیق امپدانس، براي دو فرکانس دلخواه با استفاده از خط انتقال دونبخشه، معرفی شده است. البته با این فرض که بار در هر دو فرکانس اهمی خالص است. طرح ارائه داده شده در ]ت[، ساختار بهبود یافته ]م[فاست که براي امپدانس بار مختلط نیز صادق است. تحلیل و طراحی مدار تطبیق امپدانس با خط انتقال سهنبخشهاي که هر بخش داراي امپدانس مشخصه متفاوت است در ]ز[فانجام شده است. هدف از طرح پیشنهاد شده، تطبیق خط با بار اهمی در مففرکانس دلخواه بوده است. طراحی مدار تطبیق امپدانس Nفبانده با خط انتقال Nنبخشه و با استفاده از روش بهینهسازي PSOفدر ]ذ[فآمده است. در ]غ[فمدار تطبیق دو بانده با خط انتقال سهنبخشه، براي تطبیق امپدانس بارهاي وابسته به فرکانس پیشنهاد شده است. در واقع، مقاله امپدانس بار را موهومی خالص فرض کرده است.

در این مقاله با استفاده از ایده پیشنهادي ]ل[، مدار تطبیق جدیدي ارائه شده است؛ با این تفاوت که به جاي شاخه مدار باز دونبخشه موازي، از شاخه مدار باز Tنشکل موازي استفاده شده است. شاخه مدار باز Tنشکل در ]ه[فبراي طراحی داپلکسر با فرکانسهاي کاري نزدیک به هم معرفی شده است. نتیجه به دست آمده طرح این است که در مقایسه با ]ل[فپهناي باند وسیعتر در هر باند و اندازه کوچکتر حاصل شده است.این مقاله در تفبخش تنظیم شده است. بخش دوم به معرفی ساختار مدار تطبیق امپدانس دوبانده و روابط آن میپردازد. شبیه سازي ساختار با استفاده از نرم افزار هاي ADSفو HFSSفدر بخش سوم ارائه شده است. نهایتا بخش تفبه جمعبندي مقاله پرداخته است.

-2 معرفی ساختار مدار تطبیق پیشنهادي

مدار تطبیق پیشنهادي، مطابق شکل داده شده در - ل - ، از دو قسمت تشکیل شده است؛ قسمت اول خط انتقال دو نبخشه و قسمت دوم شاخه مدار باز Tنشکل. با توجه به این که ادمیتانس دیده شده در قسمت دوم، موهومی خالص است میتوان گفت که قسمت اول طرح پیشنهادي براي تبدیل قسمت حقیقی ادمیتانس بارفبه مقدار ٠/ Z١فو قسمت دوم براي خنثی کردن قسمت موهومی ادمیتانس قسمت اول به کار گرفته شده است.ف براي روشن شدن عملکرد طرح پیشنهادي، فرض میشود که مدار در در فرکانس ١f به بار ١ZL فو در فرکانس ٢f فبه بار ٢ZL فختم شده است که ١ZL فو ٢ZL فبه ترتیب برابرند با:

با فرض معلوم بودن    Z فو Z ف - براي کاهش تعداد مجهولات ودر روابط بالا  a فو b فطول الکتریکی خطوط انتقال aفو bفدرفرکانس ١f فو ضریب k فنسبت فرکانس دوم به فرکانس اول است.انتهاي قسمت اول باید مجهولات که شامل  a فو b هستند به گونهاي تعیین شوند که بخش حقیقی بار در دو فرکانس به امپدانس ٠Z فمنبع تبدیل شود. مقدار موهومی این قسمت با قسمت دوم طرح خنثی میشود. مجددا با فرض معلوم بودن امپدانس مشخصه Zc ، Zd فو Ze فامپدانس دیده شده از قسمت ابتداي شاخه Tنشکل به صورت رابطه زیر نوشته میشود:سادگی روابط، تمامی امپدانس مشخصهها معلوم در نظر گرفته میشوند - ، امپدانس ورودي از قسمت a فو bفبه صورت روابط داده شده زیر، در دو فرکانس ١f فو ٢f فنوشته میشود:                           در تطبیق کامل لازم است که شرط تطبیق داده شده در رابطه پذ - برقرار باشد:
حال باید این معادلات غیرخطی به دست آمده به طور همزمان حل شده تا تمامی مجهولات براي اقناع شرط - ذ - محاسبه شوند. این کار توسط نرم افزار تجاري MATLABفانجام میشود.

-3 نتایج عددي و شبیهسازي

در این مقاله هدف طراحی مدار تطبیق براي تلفن همراه در باندهاي GSMفو بلوتوث است. مدارفبا استفاده از خط مایکرواستریپی که بر روي زیرلایه FR4فبا ثابت ديالکتریک ذقتف و ضخامت ذقلفمیلیمتر قرار دارد، تحقق یافته است . براي اینکه قابلیت ساخت، ساده باشد امپدانس مشخصه تمامی خطوط بین حتفتا حللفاهم انتخاب میشوند. مقادیر انتخاب شده براي امپدانس مشخصه قسمتهاي مختلف در جدول - ل - آمده است. براي مقایسه این کار با ]ل[، امپدانس بار همانند مقاله به صورت ترکیب سري خازن زفپیکوفارادي و مقاومت ححلفاهمی درنظر گرفته میشود. حال با فرض GHz٩.٠  ١f فو GHz۴.٢  ٢f ف معادلات غیرخطی - ذ - در برنامه MATLABفبراي به دست آوردن طولهاي الکتریکی خطوط انتقال حل میشوند.

نتایج به دست آمده بعد از تبدیل به مشخصات فیزیکی طرح توسط نرم-افزار ADS، در نرمافزار HFSSفترسیم میشود. شکل - ه - طرح پیشنهاديفرا در نرمافزار HFSSفنشان میدهد. ابعاد ساختار g٢.٠ g ٣.٠فاست در حالی که طرح داده شده در ]ل[فداراي مساحت تقریبی g١٨.٠ g ۵.٠فاست که g فطول موج هدایت در فرکانس 0.9 GHzفاست. طراحی و شبیهسازي ساختار براي بار ذکر شده، در نرمافزارهاي MATLAB، ADSفو HFSSفانجام شده است. نتیجه شبیهسازي ساختار در شکل - م - آمده است. همانگونه که از شکل معلوم است نتایج دو نرمافزار ADSفو HFSSفتطبیق نسبتا خوبی با هم دارند.

اما ضریب انعکاس بازگشتی با مقادیر اولیه از فرکانسهاي موردنظر، کمی انحراف دارد. حال میتوان با بهینهسازي ابعاد ساختار در نرمافزار HFSS، ضریب انعکاس بازگشتی در پورت لفرا بر روي فرکانسهاي دلخواه تنظیم کرد. مقدار بهینه شدهي ابعاد در جدول - ل - آمده است. همچنین از شکل واضح است که به دلیل وسیع بودن پهناي باند اول، مدار تطبیق پیشنهادي استاندارد GPSفو DCS1800فرا هم پشتیبانی میکند.

-4 نتیجهگیري

مدار تطبیق امپدانس دوبانده با استفاده از خط انتقال دونبخشه و شاخه مدار باز Tنشکل موازي، در مقاله تحلیل و طراحی شده است. ابتدا معادلات غیرخطی به دست آمده بر روي روابط حاکمف بر طرح پیشنهادي به منظور اقناع شرط تطبیق در فرکانسهاي مورد نظر،فبا نرمافزار MATLAB فحلفو مقادیر الکتریکی طرح محاسبه شدند. سپس با تبدیل این مقادیر به مشخصات فیزیکی،ف ساختار در نرمافزار HFSSفترسیم و شبیهسازي شدچفنتایج شبیه-سازي نشان میدهند کهفپهناي باند به دست آمده براي طرح، در باند اول ساختار %ذغ فو در باند دوم %هقلل فاست. طرح پیشنهادي داراي مساحت اشغالشده کمتري نسبت به طرحهايف قبلی است.