بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی با مشخصههای مناسب از جمله داشتن ابعاد بسیار کوچک، تلفات پایین، دامنهی تیز در لبههای باند عبور، تضعیف سطح هارمونیکهای نامطلوب در باند قطع و قابلیت تنظیمپذیری فرکانسی در باند عبور دوم طراحی، شبیهسازی و بهینهسازی شده است، که میتواند در مخابرات بیسیم مورد استفاده قرار گیرد. ساختار فیلتر پیشنهادی شامل یک حلقهی تشدید انتها باز بار شده با مشددهای امپدانس پلهای است، که این حلقه انتها باز از دو طرف با دو خم انتها باز کوپل شده است. به دلیل تقارنی که طرح فیلتر دارد تمایزی میان درگاههای ورودی و خروجی وجود ندارد. فیلتر طراحی شده دارای فرکانسهای عبور 3/6 GHz و 5/7 GHz میباشد. مقدار تلفات عبوری در باندهای عبور به ترتیب برابر با 0/32 dB و 0/37 dB و همچنین مقدار تلفات بازگشتی در این دو باند به ترتیب -26 dB و -24 dB هستند. فیلتر طراحی شده دارای ابعاد 12/5×5/7 mm2 میباشد.
واژه های کلیدی:تلفات بازگشتی، تلفات عبوری، تنظیمپذیر، فیلتر میانگذر
مقدمه
امروزه به علت نیاز به مخابرات بیسیم پیشرفته درخواست فیلترهای مایکرواستریپ با ابعاد کوچک، وزن کم، قیمت ارزان و کارایی بالا زیاد شده است. بنابراین همواره طراحان سعی داشتهاند که یک ساختار جدید با تلفات پایین، باند گذار تیز، ابعاد کوچک و کاهش هارمونیکهای نامطلوب تا حد ممکن در باند قطع طراحی کنند. با توجه به این مطلب در سالهای اخیر برای رسیدن به این مشخصهها ساختارهای متعددی طراحی شدهاند.در مرجع [1] یک فیلتر میانگدر دو باندی با استفاده از مشددهای مخروطی تاشده طراحی شده است، اما مقدار تلفات عبوری در باندهای عبور مناسب نمیباشد. در مرجع [2] فیلتر میانگذر دو باندی با فرکانسهای عبور قابل کنترل طراحی و ساخته شده است، اما این فیلتر دارای سایز بزرگی میباشد.
در مرجع [ 3 ] یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی با استفاده از مشددهای حلقه باز بارشده با سلولهای امپدانس پلهای طراحی شده است، از معایب این طرح میتوان به سایز نسبتا بزرگ فیلتر و کم بودن مقدارتلفات بازگشتی در باندهای عبور اشاره کرد. یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی براساس ساختار لایه زمین ناقص در مرجع [4] ارائه شده است. اگر چه این فیلتر دارای سایز نسبتا کوچکی است، اما بدلیل استفاده از ساختار لایه زمین ناقص میزان تلفات در آن افزایش یافته است. همچنین میزان سطح تضعیف بین دو باند قطع کم میباشد. در مرجع [ 5] یک فیلتر میانگذر دو باندی با استفاده از مشدد امپدانس پلهای طراحی شده است.
این فیلتر دارای پهنای باند قطع وسیعی میباشد، اما مقدار تلفات عبوری در باندهای عبور مناسب نمیباشد. یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی براساس ساختار مشددهای کوپل شده در مرجع [6] ارائه شده است، از معایب این فیلتر می توان به تیزی کم پاسخ در لبههای باند عبور اشاره کرد.در این مقاله طراحی یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی با استفاده از ساختار جدیدی از مشددهای مسطح گزارش شده است. از مشخصههای این فیلتر میتوان به سایز بسیار کوچک، تلفات پایین، پاسخ تیز، تضعیف سطح هارمونیکهای نامطلوب در باند قطع و تنظیمپذیری فرکانسی در باند عبور دوم اشاره کرد.
طراحی فیلتر
هدف طراحی فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی با فرکانسهای عبور 3/6 GHz و 5/7 GHz با قابلیت تنظیمپذیری فرکانسی در باند عبور دوم برای کاربرد در سیستمهای مخابرات بیسیم میباشد. شکل 1 طرح کلی فیلتر میانگذر پیشنهادی به همراه ابعاد آن - ابعاد برحسب - mm را نشان میدهد.همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، در ابتدا از ساختار حلقه انتها باز کوپل شده با زوج خطوط خمیده انتها باز برای این طراحی استفاده شده است.نتایج شبیهسازی در شکل 3 نشان میدهد که این پاسخ فرکانسی دارای دو باند عبور با فرکانسهای عبور 4/5 GHz و GHz 9/26 با مقادیر تلفات عبوری به ترتیب 0/2 dB و 1/6 dB و تلفات بازگشتی -32/8 dB و -14/7 dB میباشد.
سایز یکی از مهمترین مشخصات و پارامترهای یک فیلتر مایکرواستریپ است. از این رو برای کوچک سازی همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، انتهای خطوط حلقه انتها باز بصورت 90 درجه خم شدهاند. این کار باعث کوچک شدن ابعاد فیلتر بدون تغییر محسوس در پاسخ فرکانسی که در شکل 5 نشان داده شده است، میشود.همانطور که در شکل 5 مشاهده میشود، فرکانسهای عبوری که این طرح ارائه داده است، با مقادیری که برای طراحی مد نظر ما بود تفاوت دارد. همچنین میزان تلفات عبوری و تلفات بازگشتی در باند عبور دوم مطلوب نیستند.درواقع با این کار فرکانسهای عبور به فرکانسهای مطلوب برای طراحی نزدیکتر شدند و همچنین مقادیر تلفات عبوری و تلفات بازگشتی در باند عبور دوم بهبود یافتند.
در مرحله بعدی به منظور رسیدن به فرکانسهای مطلوب برای طراحی، یک ساختار امپدانس پلهای دیگر به وسط حلقه انتها باز اضافه شده است. شکل 8 این ساختار را نشان میدهد.پاسخ فرکانسیای که این طرح ارائه داد، در شکل 9 آمده است. همانطور که در این شکل مشاهده میشود، فرکانسهای عبور به مقادیر 3/66 GHz و 7/94 GHz منتقل شدهاند.همانطور که مشاهده شد اضافه کردن ساختار امپدانس پلهای در وسط حلقه انتها باز فرکانس عبور دوم را به مقادیر پایینتر انتقالمیدهد. پس در مرحله بعد یک ساختار امپدانس پلهای دیگر مطابق شکل 10 به ساختار قبلی اضافه میکنیم.پاسخ فرکانسی در این مرحله مطابق شکل 11 شد. در واقع در این حالت فرکانسهای عبور در 3/66 GHz و 7/3 GHz قرار گرفتند.
نهایتا در مرحله آخر طراحی فیلتر ساختار امپدانس پلهای سوم نیز به وسط حلقه انتها باز اضافه شد. پاسخ فرکانسی شبیهسازی شده نهایی فیلتر پیشنهادی در شکل 12 مشاهده میشود.از نتایج شبیهسازی میتوان دریافت که این فیلتر دارای دو باند عبور با فرکانسهای 3/6 GHz و 5/7 GHz، با پهنای باندهای بهترتیب حدود 90 MHz و 120 MHz میباشد. میزان تضعیف، قبل از باند عبور اول، بین دو باند عبور و بعد از باند عبور دوم زیر dB -20 است. مقدار تلفات عبوری بهترتیب برابر با 0/32 dB و dB 0/37 و مقدار تلفات بازگشتی -26 dB و -24 dB میباشند. همچنین پهنای باند قطع بعداز باند عبور دوم تا فرکانس 14 GHz گسترش یافته است. زیر لایهای که برای طراحی این فیلتر مورد استفاده قرار گرفته RT/Duorid 5880 با ثابت دیالکتریک 2/2، تانژانت تلفات 0/0009، و ضخامت 15 mil است. لازم به ذکر است تمام شبیهسازیهای صورت گرفته در این مقاله توسط نرمافزار ADS انجام شده است.
بررسی تنظیمپذیری فیلتر پیشنهادی
در فیلتر میانگذر مایکرواستریپ طراحی شده با تغییر تنها طول یکی از المانها، بدون نیاز به ایجاد تغییر در شماتیک و یا اضافه کردن المان دیگری به ساختار فیلتر میتوان فرکانس عبور باند دوم - 5/7 GHz - را تغییر داد، بدون اینکه در فرکانس عبور باند اول - 3/6 GHz - تغییری ایجاد شود. این المان همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است L - میزان بلندی مشددهای امپدانس پلهای وسط - نام دارد.با کم شدن طول L همانطور که در اشکال13 تا 15 نشان داده شده است، فرکانس عبور باند دوم به فرکانسهای بالاتر منتقل میشود.برای مشاهده بهتر این تغییرات نتایج شبیهسازیهای شکلهای 13 تا 15 به همراه پاسخ فرکانسی اصلی بصورت یکجا در شکلهای16 و 17 آورده شده است.
