بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله نتایج طراحی و ساخت یک داپلکسر موجبری برای کاربردهای موج میلیمتری ارایه شده است. داپلکسر طراحی شده دارای دو کانال فیلتری موجبر مستطیلی است. کانال ها دارای پهنای باند 053مگاهرتزی در باند Q طراحی شده اند. داپلکسر طراحی شده ساخته شده و نتایج اندازه گیری با شبیه سازی آن همخوانی مناسبی ارایه نموده است.
-1 مقدمه
اکثر سیستم های پیشرفته مخابراتی تجاری و نظامی از داپلکسرها برای بهینه سازی هزینه و ابعاد نهایی سیستم استفاده می نمایند. استفاده از داپلکسرها امکان استفاده از یک آنتن را برای هر دو حالت فرستندگی و گیرندگی بصورت همزمان مهیا می سازد. داپلکسرها از دو بخش اصلی تشکیل می گردند. مهمترین بخش تشکیل دهنده یک داپلکسر دو کانال آن است که دو فیلتر تیون شده در دو باند فرکانسی مختلف بوده و بخش دیگر مقسم توان است که با کنار هم قرار دادن دو کانال فوق و کمینه کردن اثرات متقابل دو کانال روی هم طرح مناسبی برای داپلکسر نهایی تشکیل می دهد.
فیلتر ها دارای خاصیت انتخاب باند فرکانسی برای سیگنال عبوری از آنها هستند. سیگنال عبوری از آنها در باند عبور تضعیف نشده و در باند قطع بشدت تضعیف می گردد. از اینرو می توان فیلتر ها را به دسته های متنوعی دسته بندی نمود. از نقطه نظر فرکانس آنها را به چهار دسته، پایین گذر، میانگذر، میان نگذر و باال گذر تقسیم بندی می نمایند که از این میان فیلترهای پایین گذر پایه طراحی برای سایر انواع، قرار می گیرند.
از دید دیگر نیز می توان فیلتر ها را بسته به شکل پاسخ فرکانسی یا نحوه و محل قرار گیری صفرها و قطب های آنها دسته بندی نمود. پاسخ باترورث در باند قطع و عبور کامال یکنواخت بوده در حالی که پاسخ چبیشف در باند عبور دارای نوسانات هم اندازه است. مطرح ترین پاسخ فرکانسی برای فیلترها پاسخ چبیشف با قطب های قرار گرفته در بینهایت بوده و آنرا فیلتر چبیشف تمام قطب می نامند.
پاسخ فرکانسی که نوسانات یکسانی هم در باند عبور و هم در باند قطع ایجاد می نماید پاسخ بیضوی گویندکه بیشترین تعداد قطب ها را در باند قطع و در فرکانسهای محدود و مشخصی قرار می دهد. هرچند که پاسخ های بیضوی شیب قطع بهتری نسبت به پاسخ های چبیشف تمام قطب ایجاد می نمایند اما پیاده سازی فیزیکی آنها بسیار پیچیده تر است. از اینرو برای استفاده از خاصیت این نوع فیلتر ها دسته دیگری با نام شبه بیضوی یا چبی شف کلی شده که دارای تعداد صفر کمتری نسبت به پاسخ بیضوی هستند، بوجود آمده اند.
یکی از مشکالت پایه ای در پیاده سازی فیلترهای مایکرویو تلفات ساختار مورد استفاده است. رزناتورهای مورد استفاده در فرکانسهای مایکرویو دارای ضریب کیفیت بارگذاری نشده - Q - محدود هستند. از آنجا که تلف عبوری فیلتر با معکوس پهنای باند فیلتر و ضریب کیفیت رزناتور و تعداد رزناتور های مورد استفاده، متناسب است لذا برای فیلترهای با باند بسیار باریک رزناتور های با ضریب کیفیت بسیار باال برای دستیابی به تلف عبوری کم مورد نیاز هستند .
عالوه بر اینها برای افزایش شیب قطع فیلتر بایستی تعداد رزناتورهای مورد استفاده را افزایش داد که به نوبه خود باعث افزایش طول فیلتر و تلف عبوری از آن می شود. بنابراین، برای غلبه بر مشکالت فوق ساختارهای فیزیکی متنوعی برای رزناتورها پیشنهاد شده که سه دسته فیلترهای خط انتقالی TEM ، فیلترهای موجبری و فیلترهای رزناتور عایقی مهمترین آنها هستند.
انواع متفاوتی از فیلترهای خط انتقالی TEM مانند فیلتر خطوط موازی تزویجی ]3[، خطوط سنجاقی ]4[، پچ های دو مودی و فیلترهای حلقه ای >4@ تاکنون مورد استفاده قرار گرفته اند که آنها را در ساختارهای مایکرواستریپی پیاده سازی نموده اند. نوع دیگری از این فیلترها که بسیار مورد استفاده قرار گرفته فیلترهای خطوط شانه ای >5@هستند این فیلتر ها دارای رزناتورهای هم اندازه بوده که در انتها اتصال کوتاه می شوند.
سر دیگر این رزناتورها با یک خازن به زمین متصل می شود. از اینرو این فیلترها برای کاربردهایی که نیاز به تغییر الکتریکی باند انتخابی - تیون کردن - دارند مناسب هستند. دسته دیگر فیلترهای انتردیجیتال ]6[ هستند که از خطوط موازی تزویجی که یک در میان اتصال باز یا کوتاه شده اند، تشکیل می شوند. رزناتور های موجبری در طراحی فیلترها بسیار مورد توجه اند زیرا عالوه بر اینکه ضریب کیفیت بسیار باالتری نسبت به رزناتورهای خط TEM تولید می نمایند، همچنین می توانند توان بسیار بیشتری را نیز تحمل نمایند.
در فیلترهای میانگذر متعارف موجبری رزناتورهای غیر مجاور به همدیگر تزویج نمی گردند بعبارت ساده تر رزناتورها بشکل ساده و پشت سرهم به یکدیگر تزویج می شوند. این فیلترها دارای پاسخ فرکانسی نامتقارن بوده زیرا موجبرها دارای فرکانس قطع محدود هستند. شیب قطع فیلترهای رزناتوری با تزویج مستقیم را با افزایش تعداد رزناتورها می توان بهبود بخشید اما بهر حال تلف عبوری نیز افزایش می یابد.
نقطه ضعف دیگر فیلترهای موجبری ابعاد بسیار بزرگ آنها در فرکانسهای پایین است.>1@ برای مینیاتور سازی این فیلترها استفاده از رزناتورهای موج میرا >7@ یا موجبرهای پشته ای >8@ پیشنهاد شده که هرچند ضریب کیفیت پایین تری دارند اما در محدوده وسیعتری تک مود عمل می نمایند. عالوه براینها برای غلبه بر معایب فوق دسته دیگری از این فیلترها با نام رزناتورهای با تزویج متقابل نیز ایجاد گردیده اند. که در آنها با افزودن یک یا چند تزویج میان رزناتورهای غیر همجوار پاسخ فرکانسی بیضوی پیاده سازی می گردد.
این فیلترها را با تاکردن ساختار برای ایجاد تزویج اضافی پیاده سازی می کنند.>9-11@ مکانیزم دیگر برای ایجاد صفرهای محدود در باند قطع استفاده از رزناتورهای دو مودی است که از نظر ابعاد و هزینه مقرون بصرفه تراند.>12-13@ استفاده از رزناتورهای عایقی کم تلف با ضریب گذردهی باال در طراحی فیلتر ها امکان ساخت فیلترهای موجبری بسیار کم اتالف و فشرده را ایجاد نموده است. این فیلتر ها معموال با استفاده از گوی های استوانه ای از سرامیک معلق در حفاظی فلزی ساخته می شوند.>1@ این ساختارها می توانند بصورت تک مود یا چند مودی عمل نمایند. فیلترهای موجبری عایقی تک مودی قابلیت کاهش ابعاد باال و پایداری حرارتی بسیار خوبی را نشان داده اند.>14@
این مقاله با استفاده از سنتز چبی شف یک ساختار فیلتری مناسب برای کاربرد موج میلیمتری را طراحی نموده و جزییات فرآیند طراحی را بیان نموده است. ساختار فیزیکی که برای طراحی فیلترهای باند موج میلیمتری انتخاب شده اند فیلترهای مرسوم آیریسی می باشند. این ساختارها برای پیاده سازی در قالب موجبرها ساده تر از سایر ساختارهای موجود هستند. سپس با ترکیب دو فیلتر طراحی شده برای کانال های A و A' و با استفاده از یک اتصال T به پیاده سازی داپلکسر نهایی پرداخته شات.
-2 طراحی و ساخت فیلتر
فیلترهای مورد نیاز برای پیاده سازی داپلکسر موج میلیمتری مد نظر دارای مشخصات ارایه شده در جدول - 1 - می باشند. شکل فیزیکی این نوع فیلتر ها در شکل - 1 - نشان داده شده است. شاید بتوان این فیلتر ها را پرمصرف ترین نوع فیلترهای موجبری دانست. قدمت این فیلترها از لحاظ تاریخی بیش از نیم قرن می باشد. برای طراحی این فیلتر ها از روش سنتز بیان شده در]15[ استفاده شده است. در این روش با استفاده از مدل مبدل ها و معکوس کننده های امپدانسی و خطوط انتقال طراحی فیلتر به انجام می رسد. ابعاد طراحی شده برای دو فیلتر مورد نیاز فوق در جدول - - 2 ارایه شده اند.
اثر گرد شدن لبه ها در ساخت
با توجه به نوع پیاده سازی فیلتر با استفاده از ماشین کاری روی فلز و مونتاژ دو بخش تشکیل دهنده روی هم، برخی از لبه های فیلتر گرد خواهند شد. شمای کلی از این پدیده در شکل - - 3 نشان داده شده است. این اثر باعث انتقال پاسخ فرکانسی بسمت فرکانس های باالتر می گردد که برای جبران سازی آن بایستی مقداری طول رزناتورها را افزایش دهیم. شکل - - 4 پاسخ بهینه شده فیلتر A را بعد از در نظر گرفتن شعاع گرد شدگی نیم میلیمتری برای لبه های فیلتر و جبران سازی آن ارایه کرده است.
ساخت فیلتر A
بمنظور اطمینان از پیاده سازی صحیح داپلکسر و بررسی میزان خطاهای ساخت ابتدا به ساخت فیلتر A اقدام نمودیم. شکل - 5 - شمای ساخته شده این فیلتر را نشان داده است. پاسخ اندازه گیری شده این فیلتر بهمراه پاسخ شبیه سازی آن نیز در شکل - - 6 ارایه شده است. همانطور که مشاهده می گردد میان نتایج اندازه گیری و شبیه سازی همخوانی مناسبی وجود دارد.
بررسی مشخصات فیلتر شامل پهنای باند و فرکانس مرکزی با دو معیار -3 dB روی پاسخ انتقال و -20 dB روی پاسخ تلف بازگشتی نیز در جدول - - 3 ارایه شده است. همانطور که مشاهده می گردد پاسخ شبیه سازی و اندازه گیری داری شیفت فرکانسی ناچیز نسبت به همدیگر می باشند. همچنین تلف اندازه گیری شده برای فیلتر ساخته شده برنجی - برنج 65 درصد - 1.55 dB است که ضریب کیفیت بار نشده 1451 را برای فیلتر بدست می دهد. جدول - 4 - نتایج شبیه سازی میزان ضریب کیفیت بار نشده یک رزناتور مستطیلی ساخته شده با مواد مختلف را نشان می دهد.
