بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک فیلتر مایکرواستریپ پایین گذر فشرده با استفاده از رزوناتور پروانهای و لوزی شکل طراحی شده است. در روند طراحی ابتدا رزوناتور پروانهای شکل که هسته اصلی فیلتر موردنظر میباشد مورد بررسی قرار گرفته است. این رزوناتور دارای باند عبور صاف، باند قطع نسبتاً وسیع، سطح تضعیف کم و شیب مایل در فرکانس قطع میباشد. مشخصات این رزوناتور نشان میدهد که بهتنهایی نمیتواند یک فیلتر با مشخصات مطلوب باشد. بنابراین بهمنظور بهبود عملکرد آن، رزوناتور لوزی شکل معرفی و با ترکیبی هوشمندانه از این دو رزوناتور یک فیلتر پایین گذر با مشخصات نسبتاً مطلوب حاصل میشود.
از ضعفهای اساسی فیلتر حاصلشده کم بودن سطح تضعیف در باند قطع و همچنین وسیع نبودن این باند میباشد. در ادامه با سری کردن رزوناتور پرچمی مشکل باند عبور آن مرتفع میشود و در ادامه با اضافه کردن سلول تضعیف گر دیگر ضعفهای ساختار حاصله نیز برطرف شده استنهایتاً. یک فیلتر با فرکانس قطع 1.85GHz حاصلشده که این فیلتر دارای پهنای باند نسبی، باند قطع وسیع - RSB=1.74 - ، فاکتور تضعیف بالا - - SF=4، اندازه مداری کم - - 30*10 mm و شیب پاسخ مطلوب - roll off=390 dB/GHz - در باند گذار میباشد. فیلتر طراحی شده بر روی زیرلایه که قطعه بر روی آن ساخته شده دارای ضخامت 20 میل اینچ و ثابت دیالکتریک نسبی 2.2 میباشد و پارامترهای آن جهت مقایسه با مقادیر تئوری اندازهگیری شده است. نتایج ساخت و اندازهگیری این فیلتر، انطباق خوبی با نتایج شبیهسازی از خود نشان می دهد.
کلید واژه- تکنولوژی مایکرواستریپ، فیلتر پایینگذر، رزوناتور پروانهای و لوزی، باند قطع وسیع.
-1 مقدمه
فیلترها یکی از پرکاربردترین المانها در تمامی مدارهای مایکروویو هستند. فیلترها درواقع وظیفه جداسازی فرکانسهای مختلف را با توجه به محدودیت طیف فرکانسی و تقسیم آن برای کاربردهای مختلف، بر عهدهدارند. فیلتر پایینگذر، هم بهصورت مستقیم برای حذف هارمونیکها و سایر سیگنالهای ناخواسته فرکانس بالا و هم بهعنوان ساختار پایه برای سایر انواع فیلترها نقش مهمی را در این زمینه ایفا میکند. با توجه به این اهمیت، حجم گستردهای از تحقیقات طراحی فیلترهای پایینگذر انجامشده است که تحقق فیلترهای مختلف را با مشخصات موردنیاز، در قالب توابعی تحت عنوان چپیشف، باترورث، بیضوی و... میسر ساخته است. این فیلترها توسط مجموعهای از خازنها و سلفها قابل پیادهسازی هستند.
با افزایش فرکانس کاری، این فیلترها نیز کارایی خود را ازدستداده و استفاده از مایکرواستریپ در ساختار آن لزوم می یابد. بدین منظور میتوان در ابتدا با بکارگیری روشهای کلاسیک، فیلتر موردنظر را طراحی نموده و سپس هر خازن و سلف را در ساختار فیلتر با معادل مایکرواستریپی آن جایگزین نمود. یک فیلتر پایین گذر نوعی و معادل مایکرواستریپی آن در شکل1 نشان داده شده است.با توجه به اینکه فیلترهای مایکرواستریپ از طریق خطوط انتقالی با امپدانس مشخصهی خاص، به سایر قطعات متصل میشوند، لازم است که پورتهای ورودی و خروجی آنها با امپدانس مشخصهی خط انتقال، تطبیق داده شوند.
نکتهای که انعطاف فراوانی را درزمینه طراحی فیلترهای مایکرواستریپ ایجاد میکند، این است که یک خازن یا سلف را میتوان بهوسیلهی ساختارهای مایکرواستریپی بسیار متنوعی تحقق بخشید که استفاده از هرکدام از این ساختارها تأثیرات خاص خود را بر روی پارامترهای فیلتر از قبیل تلفات تشعشعی، پهنای باند، اندازه و...دارد. با توجه به این تنوع، در سالهای اخیر حجم زیادی از تحقیقات انجامشده درزمینه ی مایکروویو، شامل طراحی و بهینه سازی فیلترهای مایکرواستریپ با استفاده از ساختارهای مختلف شده است. رزوناتورها ساختار پایهای هستند که برای پیادهسازی فیلترها استفاده میشوند.[2]
فیلتر ایدهال دارای تلفات صفر در باند عبور، تضعیف نامحدود در باند توقف و یک پاسخ فازی خطی - برای جلوگیری از اعوجاج سیگنال - در باند عبور میباشد. البته چنین فیلترهایی در عمل وجود ندارند. بنابراین باید یک سری مصالحه بین مشخصات فیلتر صورت گیرد و این در واقع هنر طراحی فیلتر میباشد.طراحی فیلترها در باند فرکانسی مایکروویو، قبلاً بر اساس دو روش مختلف صورت میگرفت. روش اول که اصطلاحاً روش پارامتر تصویر نام دارد بر اساس سری کردن شبکههای سادهی دو پورتی، برای دستیابی به مشخصهی خواستهشده - شامل فرکانس قطع و مشخصات تضعیف - ، استوار میباشد. روش دوم، روش افت عبوری است که با استفاده از فنهای سنتز شبکه، مدارهایی را طرح میکند که دارای مشخصات خواستهشده باشد.
اگرچه هر دو روش به نوبه خود از مزایا و معایبی برخوردار هستند ولی امروزه استفاده از روش افت عبوری در طراحی فیلترها بیشتر مرسوم است. - یکی از مهمترین دلایل این امر دقت و کنترل این روش بر روی مشخصه فیلترها میباشد، علاوه بر اینکه درروش تصویر مشخصات فیلتر فقط در محدوده محدود فرکانسی مشخص میشود - روش طراحی با استفاده از روش افت عبوری با مشخص کردن عناصر فیلتر نمونه پایینگذر که نسبت به امپدانس و فرکانس نرمالیزه شدهاند آغازشده و سپس تبدیلهای مختلف بهمنظور دستیابی به مشخصات خواستهشده - افت عبوری در باند فرکانسی معین - انجام میگیرد.
روش پارامتر تصویر ممکن است یک پاسخ فیلتری مناسب و مفید ارائه دهد. ولی واردکردن یک پاسخ فرکانسی دلخواه تثبیتشده در طراحی مشکل است. و هیچ روش واضح و روشنی برای توسعه و تغییر طراحی وجود ندارند. اما روش درج تلفات درجه آزادی بیشتری را بهمنظور کنترل دامنه باند عبور و باند توقف و مشخصات فازی به دست میدهد و همچنین روشی متقارن را بهمنظور ساخت پاسخ موردنظر ارائه میدهد. در هنگام طراحی میتوان با روش سعی و خطا موارد موردنیاز عملی را به بهترین وجه به دست آورد. بهطور مثال اگر مهمترین مسئله تلفات مینیمم باشد، میتوان از پاسخ دوجملهای استفاده نمود ودرصورتیکه تیزترین پاسخ مدنظر باشد میتوان از پاسخ چپی-شف استفاده کرد.
اگر امکان داشته باشد که از نرخ تضعیف صرفنظر کنیم، میتوان برای به دست آوردن پاسخ فازی بهتر از طراحی فیلتر با فاز خطی بهره جست. در تمام حالات روش تلفات عبوری اجازه میدهد که عملکرد فیلتر را تقویت نموده و توسعه دهیم و این کار با استفاده از فیلتر با درجات بالاتر بهصورت مستقیم ساده انجام میگیرد.هر دو روش مذکور بعد از طرح فیلتر، المانهای فشرده را بهعنوان عناصر مدار ارائه میدهند. در باندهای فرکانسی بالا و مایکروویو این طرحها باید بهگونهای اصلاح شوند که از المانهای گسترده شامل خطوط انتقال مایکرواستریپ استفاده شود. در ساخت فیلترهای موردنیاز در فرکانسهای مایکروویو استفاده از خطوط انتقال مایکرواستریپ، با توجه به ویژگیهای منحصربهفرد این ساختارها، یکی از تکنولوژیهای پرکاربرد در این زمینه میباشند.
این ساختارها در ابتدا حالت خوبی از سنتز میباشند، ولی در حالتی که فیلترهایی با مشخصات بهتر نظیر پهنای باند عبور وسیع، باند گذار تیز، باند توقف وسیع و فاکتور تضعیف بالا موردنیاز باشد، کارایی لازم را نداشته و نمیتواند جوابگوی نیازهای مخابرات سیار و سایر کاربردهای حوزه مایکروویو باشند. یکی از راهحلهایی که در ابتدا جهت رسیدن به نیازهای فوق وجود دارد، استفاده از رزوناتورهای مایکرواستریپ و افزایش تعداد این رزوناتورها میباشد. که این افزایش میتواند بهصورت سری و موازی شدن آنها و یا ترکیبی از این دو حالت باشد، بسته به تابع تبدیل فیلتر سنتز شده یک یا ترکیبی از این حالتها را میتوان انتخاب کرد.
با توجه به موارد مذکور، رزوناتورهای امپدانس پلهای به جهت سادگی در طراحی و ساخت، در ابتدا بهترین و سادهترین گزینه هستند. اما به دلیل اینکه اتصال سری این رزوناتورها در ابتدا سبب افزایش اندازه مدار شده و همچنین به دلیل اثرات کوپلینگ متقابل مابین آنها باعث افزایش تلفات تزریقی و تلفات برگشتی میشود، پاسخ مورد انتظار را به دست نمیدهند. اما درصورتیکه در تحلیل شبکه موردنظر اثرات کوپلینگ متقابل نادیده گرفته شود، این روش، یکراه حل به شمار میرود، که نتایج حاصل از تحلیل الکترومغناطیسی توسط شبیهسازهای الکترومغناطیسی مشکلات این روش را نشان میدهد. بنابراین جهت رفع این مشکلات، رزوناتورهای مختلفی با ساختار مایکرواستریپ در مقالات مختلف پیشنهادشده است که مورد بررسی قرار میگیرند.
1؛-1 مشخصههای اساسی در طراحی و مقایسهی فیلترهای پایینگذر
در این قسمت به تحلیل میزان کارا بودن یک فیلتر پایین-گذر پرداخته و برخی شاخص مهم و استاندارد معرفی میگردد. می دانیم عملکرد فیلترها درواقع عبور سیگنال در طیفی از فرکانسها و عدم عبور سیگنال در طیفهای دیگر است. چنانچه ما سیستم را طوری طراحی کنیم که در فرکانسهای مطلوب، حتیالامکان همه سیگنال از پورت ورودی به پورت خروجی برود - یعنی S11=0 و S21=1 باشد - و در فرکانسهای دیگر هیچ سیگنالی به پورت خروجی نرود - یعنی S11=1 و S21=0 باشد - ، آنگاه توانستهایم یک فیلتر ایدهال را طراحی کنیم.
2؛-1 مایکرواستریپ و قطعات و ناپیوستگیهای آن
1؛2؛-1 خط انتقال در مایکرواستریپ
خطوط مایکرواستریپ، یکی از متداولترین خطوط انتقال مسطح در تکنولوژی مدارهای مجتمع مایکروویو، تلقی میگردد. زیرا بهسادگی و با استفاده از روشهای مدار چاپی میتوان آنها را تولید نمود. اتصالات داخلی شبکه و جایگذاری عناصر فشرده و افزارههای ترانزیستوری را بهسادگی میتوان در سطح فلز محقق نمود. بنا به تعریف، خط مایکرواستریپ خط انتقالی است که شامل یک هادی نواری و یک صفحه زمین است که توسط محیطی عایق، از یکدیگر جداشدهاند. شکل2 ساختار هندسی مایکرواستریپ را نشان میدهد. ماده عایق بهعنوانیک بستر عمل نموده و بین مایکرواستریپ و لایه زمین قرار میگیرد.[3]ازآنجاکه مایکرواستریپ شامل دو رسانا و یک دیالکتریک یکسان است قادر به پشتیبانی امواجTEM میباشد و این مدل معمول انتقال امواج TEM میباشد. همچنین مایکرواستریپ قادر به پشتیبانی مرتبههای بالای مدهای TM و TE میباشد، اما در عمل در مدهای TM و TE استفاده نمیشود. مشکل مهمی که برای استفاده از مایکرواستریپ وجود دارد این است که بهسادگی
