بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک طرح جدید فیلتر پایینگذر مایکرواستریپ با ابعاد فشرده، پهنای باند قطع وسیع، پاسخ تیز و تلفات عبوری کم ارائه شده است. فیلتر پیشنهادی شامل دو نوع رزوناتور با ساختارهای مختلف است، که هریک از این رزوناتورها میتوانند صفرهای انتقال متعددی را در باند قطع ایجاد کنند و ساختار کلی فیلتر دایرهای شکل میباشد.
این فیلتر دارای فرکانس قطعی برابر با 1/77 GHz، پهنای باند قطع وسیعی از 1/91 GHz تا 16 GHz با سطح تضعیفی بهتر از 20 dB است و حداکثر تلفات عبوری و تلفات بازگشتی در باند عبور به ترتیب 0/16 dB و 14/35 dB میباشند. نرخ تیزی فیلتر 121/4 dB/GHz میباشد. فیلتر طراحی شده دارای ابعاد 14/813×11/605mm2 است و نهایتا دارای بالاترین مقدار درجه شایستگی 41122 میباشد. نتایج شبیهسازی، عملکرد مناسب فیلتر را در مقایسه با ساختارهای پیشین ارائه شده تایید مینماید.
مقدمه
فیلترهای پایینگذر مایکرواستریپ نقش بسیار مهمی را در کاربردهای سیستمهای ارتباطی مایکروویو متنوع بازی میکنند. از جمله مشخصههای یک فیلتر ایدهآل که در مخابرات بیسیم مورد نیاز است داشتن ابعاد کوچک، تلفات پایین، دامنه تیز در لبه باند عبور و تضعیف سطح هارمونیکهای مزاحم در باند قطع میباشد. با توجه به این مطلب در سالهای اخیر برای رسیدن به این مشخصهها ساختارهای متعددی طراحی شدهاند.
در مرجع [1] یک فیلتر پایینگذر مایکرواستریپ با استفاده از چند رزوناتور دایرهای با انشعاب شعاعی که با مسیرهای چند گوشه بار شدهاند، برای رسیدن به یک پهنای باند قطع وسیع و پاسخ تیز ارائه شده است. در مراجع [ 2] و [ 3] فیلترهای پایینگذر مایکرواستریپ با پهنای باند قطع وسیع و پاسخ تیز ارائه شدهاند، اما این فیلترها دارای سایز بزرگی میباشند. یک فیلتر پایینگذر مایکرواستریپ در مرجع [4] با استفاده از رزوناتور شعاعی، پچهای مثلثی و استابهای انتها باز معرفی شده است.
این ساختار تیزی پاسخ خوبی دارد، اما دارای پهنای باند قطع نسبتا باریکی می باشد. در مرجع [5] یک فیلتر پایینگذر با پاسخ شبه الیپتیک مورد مطالعه قرار گرفته است. این ساختار دارای پهنای باند قطع وسیعی میباشد و از معایب آن میتوان به تیزی کم پاسخ و سطح تضعیف کم در باند قطع اشاره کرد. در مرجع [6] یک فیلتر پایینگذر مایکرواستریپی با استفاده از رزوناتورهای پچ دایروی و خطوط تاشده برای رسیدن به یک پهنای باند قطع وسیع ارائه شده است، که از معایب آن میتوان به سایز بزرگ و پاسخ نسبتا تدریجی در باند گذار اشاره کرد.
یکی دیگر از ساختارهایی که برای طراحی فیلترها استفاده میشود، ساختار لایه زمین ناقص میباشد [ 7] و .[8] این ساختار مشخصههای باند قطع را بهبود میبخشد، اما سایز کلی فیلتر را افزایش میدهد و همچنین تلفات تشعشعی ایجاد میکند. در این مقاله طراحی و شبیهسازی یک فیلتر پایینگذر مایکرواستریپ با استفاده از ساختار جدیدی از رزوناتورهای مسطح گزارش شده است. این ساختار شامل خطوط امپدانس بالا بار شده با حلقههای شعاعی و رزوناتورهای پچ شعاعی میباشد. از مشخصههای این فیلتر میتوان به سایز کوچک، پهنای باند قطع وسیع، پاسخ تیز و تلفات عبوری کم اشاره کرد.
طراحی فیلتر
هدف طراحی فیلتر مایکرواستریپ پایینگذر با فرکانس قطع 1/77GHz میباشد. در تمام مراحل طر احی فیلتر از نرم افزار شبیهساز ADS استفاده شده است. شکل 1 طرح کلی فیلتر پایین گذر پیشنهادی به همراه ابعاد آن - ابعاد بر حسب - mm را نشان میدهد. فیلتر پیشنهادی شامل دو نوع رزوناتور میباشد. برای نشان دادن فرآیند طراحی این فیلتر، پاسخ فرکانسی رزوناتورهای مختلف را بطور جداگانه مورد بررسی قرار میدهیم. طرح رزوناتور پیشنهادی اولیه به همراه نتایج شبیهسازی شده این رزوناتور در شکل 2 نشان داده شده است.
ساختار این رزوناتور شامل خطوط امپدانس بالاست که با حلقههای شعاعی بار شدهاند. رزوناتور پیشنهادی بگونهای طراحی شده که در فرکانسهای پایین دارای صفر انتقال باشد تا بتواند تیزی پاسخ مناسبی را ایجاد کند، بنابراین رزوناتور دارای یک صفر انتقال در فرکانس 2/25 GHz با سطح تضعیف -43 dB میباشد، که این صفر انتقال پاسخ نسبتا تیزی را ایجاد میکند.
از نتایج شبیهسازی مشاهده میشود که رزوناتور پیشنهادی دارای فرکانس قطع 1/556 GHz است و همچنین دارای تلفات عبوری 0/217 dB و مقدار تلفات بازگشتی بهتر از -26/4 dB میباشد. اما همانطور که پاسخ فرکانسی شبیهسازی شده نشان میدهد، این رزوناتور دارای پهنای باند نسبتا باریکی است و همچنین سطح تضعیف آن در باند قطع کم است.
شکل 3 طرح رزوناتور پیشنهادی دوم به همراه نتایج شبیهسازی شده این رزوناتور را نشان میدهد. همانطور که از نتایج شبیهسازی مشاهده میشود، این رزوناتور فرکانس قطعی برابر با 1/77 GHz دارد، همچنین دارای دو صفر انتقال در فرکانسهای 3 GHz و4/8 GHz میباشد. این صفرهای انتقال دارای سطوح تضعیف به ترتیب -60 dB و -59 dB میباشند. این رزوناتور نیز دارای پهنای باند باریکی میباشد، اما سطح تضعیف در باند قطع حدود -25/4dB است که نسبت به رزوناتور اول بهتر است.
همانطور که گفته شد هرکدام از دو رزوناتور قبلی صفرهای انتقال مختلفی در باند قطع ایجاد میکردند، برای ایجاد پهنای باند قطع بیشتر و همچنین رسیدن به سطح تضعیف کمتر از -20 dB از ترکیب این دو رزوناتور استفاده میکنیم . شکل 4 ترکیب دو رزوناتور پیشنهادی به همراه نتایج شبیهسازی شده این ترکیب را نشان میدهد. فرکانس قطعی که توسط ترکیب این دو رزوناتور ایجاد شده است برابر با 1/73 GHz است.
ترکیب دو رزوناتور دارای تلفات عبوری و تلفات بازگشتی مناسبی میباشد، همچنین میزان سطح تضعیف در باند قطع و تیزی پاسخ در باند گذار نسبت به پاسخ شبیهسازی شدهی هرکدام از رزوناتورهای اول و دوم بطور جداگانه بهبود یافته است. پهنای باند قطع بهتر شده اما هنوز مقدار مطلوبی نیست. در نهایت برای رسیدن به فیلتری با پهنای باند قطع وسیع نیاز به سلول تضعیفگر که دارای صفر انتقال در فرکانسهای بالا باشد داریم. با اضافه نمودن تضعیفگر که نیز دارای ساختار شعاعی شکل است به دو رزوناتور قبلی، پاسخ فرکانسی نهایی فیلتر به صورت شکل 5 حاصل میشود.
فیلتر پایین گذر بر روی زیرلایه RT/Duorid 5880 با ثابت دیالکتریک 2/2، تانژانت تلفات 0/0009، و ضخامت 20 mil طراحی شده است. از نتایج میتوان دریافت که فیلتر دارای فرکانس قطع 3 dB برابر با 1/77 GHz و تلفات جایگذاری کمتر از dB 0/16 در باند عبور میباشد. تلفات بازگشتی در ناحیهی عبور بهتر از 14/35 dB است و نشاندهندهی توانایی خوب فیلتر در عبور توان از پورت 1 به پورت 2 میباشد، بنابراین ما مشکل برگشت توان در باند عبور را نداریم.
تیزی پاسخ این فیلتر با معیار فاصله 3 dB تا 20dB برابر با 0/14 GHz است و پهنای باند قطع فیلتر با میزان تضعیف هارمونیکی بالا از فرکانس 1/91 GHz تا 16 GHz گسترش یافته است، که توانایی خوب فیلتر را در حذف هارمونیکهای ناخواسته نشان میدهد و آن را در رده فیلترهایی با پهنای باند قطع بسیار وسیع قرار میدهد. اندازه فیلتر ساخته شده برابر با 0/111 g×0/085 g است، که g طول موج هدایت شده در فرکانس 1/77 GHz میباشد.
بررسی چگالی جریان سطحی
مکانیزم عملکرد فیلتر پیشنهادی از طریق جریان سطحی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. شکل های 6 و 7 چگالی توزیع جریان سطحی را در فیلتر نشان میدهند. فرکانس 0/8 GHz به عنوان نمایندهای از فرکانسهای پایین و فرکانس 9/5 GHz به عنوان نمایندهای از فرکانسهای بالا به منظور بررسی این اثر انتخاب شدهاند.
همانطور که مشاهده میشود در فرکانسهای پایین خطوط امپدانس بالا از رزوناتور اول و همچنین قسمتهایی از رزوناتور دوم دارای ماکزیمم چگالی جریان هستند و نقش اساسی در تعیین رفتار پاسخ فرکانسی فیلتر دارند. در فرکانسهای بالا تضعیفگر دارای بیشترین چگالی جریان عبوری میباشد و تغییرات در هریک از این بخشها تاثیرات بیشتری در تعیین رفتار پاسخ فرکانسی فیلتر دارد. به عنوان نمونه برای داشتن تغییراتی فرضا در فرکانس های بالا ایجاد تغییراتی در ساختار تضعیفگر فیلتر تاثیرگذارتر از ایجاد تغییرات در رزوناتورهای اول و دوم میباشد.
RSB به عنوان پهنای باند قطع نسبی فیلتر پایینگذر مایکرواستریپ شناخته میشود، به معنای نسبت پهنای باند قطع از تضعیف - 20 dB بعد از ناحیهی گذار تا بازگشتن دوبارهی پاسخ فرکانسی به تضعیف -20 dB به فرکانس مرکزی باند قطع است و به صورت زیر تعریف میگردد: SF یا فاکتور تضعیف بر اساس حذف در باند قطع میباشد، به این صورت که درجه حذف بالاتر منجر به SF بیشتر میگردد، به عنوان مثال اگر باند توقف همواره زیر سطح تضعیف 20 dB باشد مقدار SF را 2 در نظر میگیریم.
نتایج
در این مقاله یک فیلتر مایکرواستریپ پایینگذر با کارایی خوب از جمله داشتن ابعاد کوچک، تلفات عبوری پایین، دامنهی تیز در لبه باند عبور و پهنای باند قطع بسیار وسیع طراحی و شبیهسازی شده است، که تقریبا دارای تمام مشخصات یک فیلتر ایدهآل میباشد.
