بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله مراحل طراحی، تحلیل، شبیهسازی و ساخت یک فیلتر دومدی موجبری با استفاده از مشدد تمامالقایی در باند فرکانسی Q تشریح شده است. علت موجبری بودن ساختار، تحمل توان بالا و تلفات پائین و دلیل دومدی بودن ساختار، امکان تعبیه صفر انتقال در حجم کمتر است. به دلیل کوچک بودن طول موج در محدوده موج میلیمتری، حساسیت پاسخ به ابعاد ساختار زیاد است و عدم دقت در فرآیند ساخت میتواند باعث نرسیدن به پاسخ مطلوب شود؛ لذا یکی از مسائل مهم در طراحی این نوع فیلترها، انتخاب پیکربندی مناسب برای تحقق ساختار است. یک نمونه فیلتر با فرکانس مرکزی 42.175 GHz و پهنای باند 350 MHz طراحی و تست شده است.
-1 مقدمه
فیلترهای موجبری به دلیل تحمل توان بالا و تلفات پائین در صنایع نظامی و ماهواره کاربرد فراوانی دارند. امروزه در صنایع الکترونیک و مخابرات، یکی از اهداف مهم و پیش رو، فشردهسازی ادوات برای کاهش فضای مصرفی و هزینههای تولید میباشد؛ به ویژه در ماهواره که فضای موجود بسیار گرانقیمت است و توان بالا و تلفات کم، از اولویتهای طراحی هستند، ایده بهرهگیری از فیلترهای مد دوگانه و چندگانه موجبری از دهه 70 میلادی توسط آقایان آتیا و ویلیامز [4]-[1] مطرح شده و پس از آن توسط صنایع فضایی پیشرفت کرده است .[8]-[5]
یکی از معمولترین معماریهای مد دوگانه که در ابتدا مطرح شد و تاکنون نیز بهطور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از دو مد تبهگن TE111 با پلاریزاسیون عمود برهم در موجبر دایروی است .[2] مورد مشابه در موجبر مستطیلی با استفاده از تنظیم ابعاد به نحوی که تبهگونیِ مدهای TE011 و TE101 را برقرار کند، پیشنهاد شده است .[1] در سالهای اخیر نیز چند ساختار فیلتری مد دوگانه که با موجبر مستطیلی محقق میشوند، مطرح شده است.
یکی از ساختارها از بزرگ کردن ابعاد یک محفظه تشدید برای جا دادن دو مد تبهگن TE102 و TE201 یا TE102 و TE301 در خود بهره میگیرد .[9] ایده پیشنهاد شده در ارتباط با استفاده از موجبر برآمده برای تحقق محفظه تشدید، موجب کاهش چشمگیر حجم محفظه و در نهایت کل فیلتر میشود .[10] بهرهگیری از مدهای TM و گرههای غیر تشدیدی به جای استفاده از مدهای TE منجر به ارائه ساختار فیلتری دیگری شده است .[11] در مقاله حاضر، ابتدا ساختار فیلتری مناسب انتخاب شده و ویژگیهای آن تشریح میشود؛ سپس مراحل طراحی برای حصول مشخصه فیلتری داده شده در باند فرکانسی Q توضیح داده میشود. در نهایت فرآیند ساخت و نتایج اندازهگیری مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
-2 انتخاب ساختار فیلتری مناسب
با توجه به باند فرکانسی Q که بایستی فیلتر در آن محقق شود، ابعاد فیلتر کوچک خواهد بود. دقت دستگاههای ماشینکاری محدود است و لذا بایستی ساختاری را انتخاب نمود که بتوان آن را با دقت لازم ساخت؛ همچنین به دلیل کوچک بودن طول موج، اگر پیکربندی مناسب برای فیلتر انتخاب نشود و ملاحظات لازم صورت نگیرد، تلفات ناشی از شکافهای موجود در ساختار فیلتر، میتواند موجب تلفات عبوری زیادی در باند عبور گردد. پیکربندیهای گوناگون در حوزه فیلترهای مد دوگانه موجبری مطالعه گردید و در نهایت ساختار مد دوگانه تمامالقایی به دلیل سادگی ساخت انتخاب گردید. همچنین با تکنیکی که در بخش فرآیند ساخت بیان خواهد شد، میتوان تا حد زیادی بر مشکل ناشی از تلفات ناشی از نشت جریان به دلیل شکافهای موجود در ساختار فائق آمد.
2؛-1 مشدد مد دوگانه تمامالقایی
مشدد مد دوگانه تمامالقایی در واقع یک محفظه تشدید مکعب مستطیل است. در شکل 1، یک نمونه از این مشدد دیده میشود. ابعاد محفظه تشدید بهگونهای تعیین میگردد که دو مد تشدیدی مد نظر، فرکانس تشدیدی برابر با فرکانس مرکزی فیلتر داشته باشند. مقدار ویژه متناظر با ارتفاع محفظه، صفر در نظر گرفته میشود؛ این درجه آزادی به ما کمک میکند تا با تنظیم ارتفاع محفظه، به ضریب کیفیت بارنشده لازم دست یابیم؛ از طرفی اگر ارتفاع محفظه تشدید برابر با ارتفاع موجبر ورودی و خروجی باشد، ساختار تنها حاوی ناپیوستگیهای القایی خواهد بود .[9]
-3 طراحی فیلتر
3؛-1 مشخصات فیلتری مورد نیاز
مشخصات فیلتری مورد نیاز توسط سفارشدهنده تعریف شده است و در جدول 1 قرار دارد. با دانستن مشخصات، هزینه لازم برای ساخت فیلتر مشخص میگردد؛ به این معنا که بر اساس افت بازگشتی لازم در باند عبور، مکان صفر انتقال و حداقل افت عبوری لازم در گلبرگ مجاور صفر انتقال، حداقل درجه لازم برای تحقق مشخصه فیلتری تعیین میگردد .[12] که در آن SWR و RL به ترتیب معرف نسبت موج ایستا و افت بازگشتی هستند.
همانطور که در توضیح عملکرد مشدد تمامالقایی آمد، از مدهای تشدیدی TEm0n استفاده میشود. در این پروژه، مدهای TE301 و TE102 انتخاب شدهاند. بر اساس فرکانس مرکزی فیلتر، طول و عرض اولیه محفظه تشدید، به ترتیب برابر 7.4392 mm و 12.1481 mm خواهد بود. ابتدا برای ساده شدن کار تنها یک محفظه تشدید را در نظر میگیریم و سعی میکنیم تخمینی از عرض روزنه اول که بین موجبر ورودی و محفظه تشدید اول قرار دارد و همچنین آفست بین موجبر ورودی و محفظه تشدید اول بدست آوریم.
با توجه به تجربه قبلیِ طراحی فیلترهای مشددی، میدانیم که حساسیت پاسخ فیلتر به ضخامت روزنهها زیاد نیست، بنابراین یک مقدار اولیه منطقی، مثلاً 2mm برای آنها در نظر میگیریم. مقدار اولیه مناسب برای عرض روزنه و آفست آن نسبت به مرکز محفظه تشدید با المان MS1 از ماتریس تزویج در ارتباط است. نقطه آغاز برای آفست روزنه اول، جایی است که تزویج بین موجبر ورودی و مد تشدیدی اول که TE102 در نظر گرفته شده است خیلی بیشتر از تزویج با مد دیگر یعنی TE301 باشد. همانطور که در شکل 4 نیز مشاهده میشود، در آفست برابر با 2 mm از مرکز مشدد که یکششم عرض محفظه تشدید است، شدت میدان مد تشدیدی TE301 صفر است و لذا نقطه آغازین مناسبی برای آفست روزنه اول میباشد.
که در آن Qext ، f0 و BW به ترتیب ضریب کیفیت بارشده، فرکانس مرکزی و پهنای باند فیلتر هستند و MS1 عنصری از ماتریس تزویج نرمالیزه فیلتر است که ارتباط بین ورودی و محفظه تشدید اول از لحاظ میزان تزویج را مشخص میکند. ضریب کیفیت مد تشدیدی TE301 بایستی بسیار بزرگ باشد به این معنا که تزویج بسیار اندکی بین موجبر ورودی و این مد وجود داشته باشد. به ازای مقادیر مختلف عرض روزنه اول، مقادیر ضریب کیفیت بارشده محاسبه گردید و این نتیجه حاصل شد که به ازای آفست تعیین شده، مقدار مطلوب ضریب کیفیت بارشده بدست نمیآید؛ بنابراین مقدار آفست روزنه اول را تغییر میدهیم و برابر 1mm قرار میدهیم.
