بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی با فرکانسهای مرکزی 2/5 گیگاهرتز و 3/8 گیگاهرتز برای کاربردهای مخابرات بیسیم و وایمکس طراحی شدهاست. فیلتر پیشنهادی شامل دو تشدیدگر حلقه باز با خطوط بار شده با یکدیگر تزویج شده میباشد. این فیلتر دارای پهنای باند فرکانس 300 مگاهرتز در فرکانس مرکزی 2/5 گیگاهرتز و دارای پهنای باند فرکانسی 250 مگاهرتز در فرکانس مرکزی 3/8 گیگاهرتز میباشد. مقدار تلفات عبوری1 درباند اول 0/1 dB و در باند دوم در حدود 0/12 dB است.
همچنین مقدار تلفات بازگشتی2 در باند عبور اول در حدود dB -25 و در باند عبور دوم در حدود dB -37 میباشد. وجود یک صفر انتقال در بین دو باند عبور و دو صفر انتقال دیگر در باند قطع، منجر به دامنهی تیز در لبهی باند عبور پاسخ فرکانسی میشود و این یک مزیت میباشد. فیلتر پیشنهادی دارای سایز کوچک 12/8*25/86 ملیمتر مربع میباشد.
مقدمه
فیلترمیانگذر دو بانده به طور گستردهای در سیستمهای مخابراتی استفاده میشود . 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 عبور تیز، ابعاد کوچک و کاهش هارمونیکهای نامطلوب تا حد ممکن در باند قطع طراحی کنند.
در مرجع [1] یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی با استفاده از رزوناتورهای حلقه باز ارائه شده است. از معایب این فیلتر می توان به کم بودن میزان تلفات بازگشتی در باندهای عبور اشاره کرد. نوع دیگر تشدیدگرها ، تشدیدگرهای حلقه بسته [2]، میباشد. وجود تلفات ورودی زیاد در باندهای عبور از معایب این فیلتر میباشد. تشدیدگرهای پله ای ساختاری دیگر میباشند [ 4,3]، این فیلترها دارای پهنای باند قطع وسیعی میباشند، اما مقدار تلفات عبوری در باندهای عبور مناسب نیست. همچنین ابعاد بزرگ از دیگر معایب آنها است.
در این مقاله طراحی یک فیلتر میانگذر مایکرواستریپ دو باندی برای کاربردهای مخابرات بیسیم و وایمکس با استفاده از ساختار جدیدی از تشدیدکنندههای مسطح گزارش شده است. از مشخصههای این فیلتر میتوان به سایز کوچک، تلفات پایین، پاسخ تیز اشاره کرد.
طراحی فیلتر
شکل 1 ساختار فیلتر پیشنهادی در این مقاله را به همراه ابعاد خطوط مختلف بر حسب میلیمتر نشان میدهد.
شکل :1 ساختار فیلتر پیشنهادی.
شکل :2یک سلول امپدانس بالا به همراه تشدیدگر حلقه باز.
ساختار یک سلول امپدانس بالا به همراه تشدیدگر حلقه باز در شکل 2 نشان داده شدهاست. این ساختار از طول الکتریکی a و b ، طول فیزیکی la و lb و امپدانس مشخصه za وzb می باشد.
با در نظر گرفتن طولهای الکتریکی برای هر قسمت میتوانیم ادمیتانس ورودی را از روش زیر محاسبه کرد :
براساس [4] فرکانس در مود زوج از رابطه 3 و در مود فرد از رابطهی 4 بدست میآید:
بنابراین فرکانس مود زوج و فرد به طولهای الکتریکی a ، 3 ،2 و 1 وابسته میباشد و میتوان فرکانس را از طریق این طولها کنترل نمود. حال با اضافه کردن یک خط بار شده به داخل حلقه باز این طول هم در فرکانسها تاثیر گذار است. برای نشان دادن اثر این خط انتقال میتوان از روش زیر استفاده کرد [6]، با فرض یکسان بودن تمام عرض تشدیگر حلقه باز، این ساختار از طول الکتریکی 1 و 2 ، طول فیزیکی l1 و l2 تشکیل شده است.
که در آن C سرعت نور ، ثابت دی الکتریک زیرلایه و را نشان میدهد. بر اساس روابط 10 و 12 نتیجه میگیریم که در مود فرد طول l1 تاثیر گذار است و در مود زوج هر دو طول l1 و l2 تاثیرگذار میباشد. به صورت کلی تشدیدگر حلقه باز بر فرکانس هر دو مد و خط بار شده در مود زوج موثر میباشد.
مراحل طراحی فیلتر
پاسخ فرکانسی ساختار اولیه فیلتر بر اساس تلفات عبوری و تلفات بازگشتی در شکل 4 نشان داده شدهاست. همانطور که مشاهده میشود پاسخ فرکانسی فیلتر تنها دارای یک باند عبور در فرکانس مرکزی 2/5 گیگاهرتز میباشد. در تمام مراحل طراحی فیلتر از نرم افزار شبیه ساز ADS استفاده شده است.
شکل :4 طرح اولیه فیلتر پیشنهادی در حضور دو تشدیدگر حلقه باز و نتایج شبیهسازی شده آن.
در مرحلهی بعد طراحی فیلتر برای تبدیل پاسخ فرکانسی از یک باند به دو باند، یک خط انتقال انتها باز به تشدیدگر حلقه باز مطابق شکل 5 اضافه میکنیم. این امر موجب پیدایش دو باند عبور در فرکانسهای 2/5 گیگاهرتز و 4/2 گیگاهرتز میشود.
شکل :3ساختار یک خط انتقال بار شده .
در حالت مود فرد، فرکانس از رابطه 10 بدست میآید:
شکل :5 طرح فیلتر پیشنهادی بعد از اضافه کردن خطوط انتها باز به حلقه
شکل :6 طرح فیلتر پیشنهادی بعد از اضافه کردن دو خط انتها باز باریک به حلقه تشدید و نتایج شبیهسازی شده آن.
همانطور که دیده میشود سطح تلفات در باند دوم تاحدی بهبود یافت اما تلفات بازگشتی تاحدی نامطلوب است برای بهبود تلفات در باند عبور دوم خطوط باریک انتقال را به خم مطابق شکل7 تبدیل میکنیم. با این عمل میتوانیم میزان تلفات بازگشتی را با تغییر طول خطوط انتقال خم شده به راحتی کنترل کنیم.
شکل :8 طرح فیلتر پیشنهادی بعد از اضافه کردن خطوط خم و نتایج شبیهسازی شده آن.
تاثیر تغییر برخی از ابعاد در پاسخ فرکانسی
میتوان با تغییر طولها و عرضهای مختلف پاسخهای متفاوتی برای این فیلتر بدست آورد. بنابراین با تنظیم طولها و عرضهای قطعات فیلتر بهترین پاسخ که در شکل 7 نشان داده شده بدست آمده است.
با افزایش مقدار W1 همانطور که در شکل 8 مشاهده میشود، فرکانس های هر دو باند تغییر میکنند.
شکل :7 طرح کلی فیلتر پیشنهادی و نتایج شبیهسازی شده آن.
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 31 mil میباشد. این فیلتر دارای پهنای باند فرکانس 300 مگاهرتز در فرکانس مرکزی 2/5 گیگاهرتز و دارای پهنای باند فرکانسی 250 مگاهرتز در فرکانس مرکزی 3/8 گیگاهرتز میباشد. مقدار تلفات عبوری درباند اول 0/1 dB و در باند دوم در حدود 0/12 dB است. همچنین مقدار تلفات بازگشتی در باند عبور اول در حدود -25 dB و در باند عبور دوم در حدود dB - 37 میباشد. میزان تضعیف، قبل از باند عبور اول، بین دو باند عبور و بعد از باند عبور دوم زیر -20 dB است.
بررسی چگالی جریان سطحی
مکانیزم عملکرد فیلتر پیشنهادی از طریق جریان سطحی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که شکل 8 نشان میدهند، بیشترین توزیع جریان وقتی که فیلتر در فرکانس 2/5 گیگاهرتز
شکل : 8 تاثیر افزایش W1 و تاثیر آن بر هر دو باند عبور.
همچنین با تغییر طول L1 تغییرات فرکانسی در باند عبور دوم بیشتر است. همانطور که در شکل 9 نشان داده است، با کاهش طول L1، فرکانس باند دوم به فرکانسهای بالاتر انتفال پیدا میکند.
شکل : 10 تاثیر افزایش W1 و تاثیر آن بر هر دو باند عبور.
