بخشی از مقاله
چکیده:
فیلترهای پایین گذر یکی از عناصر مهم در سیستم های مخابراتی می باشند، فیلترها اصولاً دو عمل مهم را در سیستم های مخابراتی انجام می دهند : حذف نویز و جداسازی باند های فرکاسی مختلف. یک نمونه از فیلترهای مخابراتی فیلترهای پایین گذر مایکرواستریپ می باشند. این فیلترها از ساختارهای هندسی متفاوتی بر یک زیر لایه ی دی الکتریک ساخته می شوند. در این تحقیق از ساختارهای امپدانس پلّه ای استفاده شده است. رزوناتورها یا همان تشدید گرها عناصر مهمی در تعیین فرکانس قطع فیلتر می باشند ازطرفی در این فیلتر با اضافه کردن یک ساختار امپدانس پله ای یک قطب تضعیف قوی به پاسخ فرکانسی اضافه شده تا فیلتر دارای باند قطع مناسبی باشد.
-1 مقدمه
به امواج رادیویی که فرکانس آنها بین 300 مگاهرتز تا 300 گیگا هرتز می باشد و یا دارای طول موج های معادل بین 1متر تا 1میلیمترمی باشند، امواج مایکروویو می گویند.
درابتدا ایجاد ابزارهای رادیویی به دلیل محدودیت های تکنولوژیکی فرکانس های کاری محدود به بازه مگا هرتز می شد اما با گذشت زمان وایجاد تحول در ساخت ادوات رادیویی و برای اجتناب از پدیده تداخل طیفی فرکانسی نیاز ضروری به فرکانس های بالاتر و بازه های گسترده تر فرکانسی آشکارتر می شد. بر همین اساس در صنعت ادوات رادیویی مسأله تخصیص فرکانس حایز اهمیت شد. خود امواج مایکروویو نیز به بازه های مختلف فرکانسی تقسیم می گردد که هریک از آنها دارای کاربردهای مخصوصی می باشند.
در فرکانسهای بالا عناصر فشرده ای مانند سلف و خازن دارای تلفات زیادی می باشند وکارآیی خود را از دست می دهند و همچنین این قطعات دارای حجم بالایی هستند که برای استفاده در مدارهای مجتمع یکپارچه مایکرویو - - MMIC مناسب نمی باشند. علاوه بر ای نموارد، به علّت بالا بودن فرکانس مدارهای مایکروویو و به تبع آن کاهش طول موج، زمان انتشار موج در یک مدار مقداری قابل مقایسه نسبت به دوره تناوب نوسانات مربوط به جریانها و بارها در آن مدار می شود و این مساله روشهای تحلیل مدارها در فرکانس پایین را که بر اساس قوانین کیرشهف استوار می باشند، را بی اعتبار می کند و به جای آن از روش های توصیف میدان های الکتریکی و مغناطیسی مرتبط با قطعات،برای مدارهای فرکانس بالا استفاده می شود، درنتیجه با استفاده از روشهای توصیف میدان های الکتریکی و مغناطیسی، محققان عرصه مایکروویو دریافتند که، نوارهای فلزی که در فرکانس های پایین اتصال کوتاه محسوب می شدند، در فرکانسهای بالا رفتار سلفی و خازنی از خود نشان می دهند، این پدیده اساس یک معماری جدید را به نام مایکرواستریپ بنا نهاد.
میدان الکتریکی بین لایه مایکرواستریپ و زمین بیانگریک خازن ساده مسطح است و میدان مغناطیسی وانرژی ذخیره شده در آن بیانگریک سلف می باشد. بنابراین با توجه به آرایش خاص لایه های مایکرو استریپ از لحاظ طول وعرض می توان خاصیتسلفی وخازنی خطوط مایکرواستریپ را تغییر داد. در حقیقت آرایش لایه های مایکرواستریپ با طول وعرض متفاوت،مانند آرایش سلف و خازن ها با مقادیر متفاوت در کنار هم است.
-2 معرفی ساختار امپدانس پله ای
رزوناتور یکی از اجزاء تشکیل دهنده فیلتر های مایکرواستریپمی باشد. رزوناتور یا تشدید گر مجموعه از سلفها وخازنها می باشد که در فیلترهای پایین گذر مایکرواستریپ، تحقق این رزوناتورها توسط یک مجموعه ساختارهای هندسی انجام می پذیرد ایننوع رزوناتورها از ساختار امپدانس پلّه ای ساخته شده اند ساختار امپدانس پله ای به ساختارهای مایکرواستریپی اطلاق می گردد که مانند نوارها - مستطیل ها - مایکرواستریپی هستند که در یک قسمت پهن و در یک قسمت باریک تر هستند.
شکل:1 نمونه ای از ساختار امپدانس پله ای
-3 طراحی فیلتر
1-3 ایجاد زیر لایه دی الکتریک
اولین قدم در طراحی فیلتر پایین گذر مایکرواستریپ ایجاد زبر لایه ای است که قرار است ساختار هندسی رسانای فیلتر پایین گذر مایکرواستریپ بر روی آن قرار گیرد. در این فیلتر زیر لایه دی الکتریک عبارت است از Rogers RtDuroid که دارای ضخامت 0,381 میلی متر می باشد.
2-3 طراحی خط انتقال بین ورودی و خروجی
برای ارتباط بین پورتهای ورودی و خروجی از خط انتقال بین ورودی و خروجی استفاده می کنیم.
شکل :2 خط انتقال بین درگاه ورودی وخروجی
در طراحی فیلتر پایین گذر مایکرواستریپ باید پاسخ فرکانسی هر قسمت را در نظر گرفت .طراحی وشبیه سازی فیلتر پایین گذر مایکرویو با استفاده از نرم افزار ADS انجام می گیرد.
شکل:3 پاسخ فرکانسی شکل 2
3 - 3 طراحی رزوناتور
رزوناتورهای طراحی شده در این فیلتر دارای ساختار امپدانس پله و خمیده می باشند علت استفاده از ساختار خمیده در این فیلتر این است که باعث کاهش مساحت فیلتر که نقش مهمی در میزان ضریب شایستگی فیلتر دارد، می شود، در شکل - 4 - ساختار رزوناتور طراحی شده و در شکل - - 5 پاسخ فرکانسی رزوناتور تا فرکانس 20 گیگا هرتز نشان داده شده است. همان طور که در شکل - 5 - ملاحضه می گردد پاسخ فرکانسی حاصل شده مانند پاسخ فرکانسییک فیلتر پایین گذر است اما پهنای باند موثری حاصل نشده است برای اینکه پهنای باند موثری حاصل شود بایدیک عنصر تضعیف به مدار مورد نظر اضافه کرد.
شکل :4 ساختار رزوناتور پیشنهادی
5-3 ترکیب ساختار رزوناتور وتضعیف گر
برای داشتن پاسخ فرکانسی مناسب دو ساختار رزوناتور وتضعیف گربا یکدیگر ادغام می گردند در شکل - - 8 این ساختار نشان داده شده است و همچنین در شکل - 9 - پاسخ فرکانسی ساختار شکل - - 8 نشان داده شده است.
شکل :5 پاسخ فرکانسی رزوناتور پیشنهادی
4-3 طراحی تضعیف گر
با توجه به شکل - 5 - در مییابیم که از فرکانس 3گیگا هرتز به بعد پاسخ فرکانسی به بالای -20 دسی بل می آید برای این که پهنای باند موثری حاصل شود از تضعیف گر استفاده می گردد. برای انتخاب اندازه مناسب برای تضعیف گر امپدانس پله ای سه پاسخ فرکانسی برای پهنای 4/5 و4 و3 میلیمتردر شکل - 6 - نشان داده شده است همانطور که مشاهده می گردد بهترین تضعیف برای 4/5 میلیمتر حاصل شده است. درشکل - 6 - ساختمان تضعیف گر طراحی شده نشان داده شده است.
شکل :6 ساختمان اولین تضعیف گر پیشنهادی
شکل :7 پاسخ فرکانسی اولین تضعیف گر پیشنهادی
شکل :8 اضافه کردن اولین تضعیف گر به ساختار رزوناتور
شکل :9 پاسخ فرکانسی رزوناتور همراه با اولین تضعیف گر
همانطور که در شکل - - 9 مشاهده می گردد.از فرکانس 10گیگاهرتز به بعد تضعیف مناسبی حاصل می گردد اما از فرکانس 2تا 10گیگا هرتز تضعیفی صورت نگرفته است برای حل این مشکل یک تضعیف گر دیگر مانند شکل - - 10 به ساختار کلی فیلتر اضافه می کنیم. باید توجه داشت که ساختار و ابعاد مدار تضعیف گر متناسب با ساختمان کلی فیلتر و همچنین رزوناتورها باشد. درشکل - 11 - پاسخ فرکانسی این فیلتر نشان داده شده است
شکل :10 ساختار دومین تضعیف گر
