بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک روش جدید برای طراحی فیلتر باندگذر سه قطبی - با سه عنصر - با ساختار زمین ناقص شده - DGS - روی نوار میکرو استریپ ارائه شده است. ساختار زمین ناقص شده بر روی سطح زمین با خطوط تغذیه و زوجی همراه شده است. این ساختار عملکرد فیلتر را در هر دو قسمت باند عبور و باند غیر عبور، بهبود بخشیده است. در ابتدا فیلتر باندگذر مرسوم طراحی شده و نتایج آن ارائه شد و در پهنای باند آن عملکرد ناخواسته ای مشاهده شد.
با تغییر اندازه های مختلف ساختار زمین ناقص شده برای بدست آوردن بهترین عملکرد، ساختار سه قطبی طراحی شده و در قسمت باندگذر سیگنال های ناخواسته به شدت از بین رفته اند. طرح های پیشنهادی با نرم افزار HFSS شبیه سازی شدند. نتایج آن به صورت شبیه سازی برای ساختار زمین ناقص شده پیشنهادی عبارتند از: فرکانس مرکزی این طرح برابر 2GHz و پهنای باند کاری آن 300MHz می باشند. همچنین مقادیر Insertion loss کمتر از 0/4dB، return loss برابر با 12dBو در نهایت از هم پاشیدگی بهتر از 25dB در باند عبور می باشند.
.1 مقدمه
فیلترها همواره جزء جدایی ناپذیر مدارهای مخابراتی بوده اند. با توجه به نقش مهم فیلترها در ادوات مخابراتی و بروز شدن مداوم این قطعات، همواره نیاز به تحقیقات برای بهبود دادن پارامترهای مهم فیلترها احساس می شود . برخی از این پارامترها شامل تیز بودن فیلتر حول فرکانس های قطع، کاهش تلفات فیلتر در باند پذیرش - باندگذر - ، کاهش سایز فیلترها، راحت بودن از لحاظ ساخت و ارزان تمام شدن قیمت نهایی می باشد
فیلترها نقش مهمی در بسیاری از کاربردهای مایکروویوRF/ ایفا می کنند. فیلترها باید فرکانس های متفاوت را مجزا و یا ترکیب کنند. بوجود آمدن کاربردهایی از قبیل ارتباطات وایرلس تا چالش فیلترهای مایکروویوRF/ با نیاز به عملکرد بالاتر، اندازه کوچکتر، وزن سبک تر و هزینه کمتر، بیشتر از همیشه مورد نیاز می باشد. بسته به نیاز و ویژگی های فیلتر های مایکروویوRF/، می توانند به عنوان یک المان تجمعی یا مداراتی با المان توزیع شده طراحی شوند. آن ها ممکن است در ساختارهای خط گوناگونی از قبیل هدایت موج، خط کواکسیال و مایکرواستریپ یافت شوند
ابزارهای طراحی با کمک کامپیوتر از قبیل شبیه سازهای الکترومغناطیسی تمام موج - HFSS - و... طراحی فیلتر را دگرگون کرده اند. بسیاری از فیلترهای مایکرواستریپ با ویژگی های فیلترینگ پیشرفته ظهور پیدا کرده اند. بنابراین موارد کاربرد فیلتر باندگذر از نوع مایکرواستریپ به صورت زیر می باشد:
.1 در خروجی یک اسیلاتور برای عبور دادن فقط باند فرکانسی مورد نظر مورد استفاده قرار می گیرد.
.2 در ورودی یک گیرنده و تقویت کننده برای عبور دادن تنها باند فرکانسی مورد نظر مورد استفاده قرار می گیرد.
در طی سالهای اخیر تحقیقات زیادی در زمینه ساختارهای DGS صورت گرفته است. ساختارهای زمین ناقص یا DGSیک زمینه نسبتاً جدید در تحقیقات فیلتر و آنتن های پهن باند می باشد. در سال 1999 برای اولین بار ساختارهای زمین ناقص - DGS - توسط Park پیشنهاد شد که ایده اولیه آن مبتنی بر ساختارهای باند ممنوعه فرکانسی - PBG - بود.
ساختارهای باند ممنوعه فرکانسی، ساختارهای متناوبی هستند که از انتشار باند فرکانسی خاصی - در ناحیه نور مرئی - جلوگیری می کنند. اخیراً علاقه زیادی به کاربرد ساختارهای زمین ناقص در طراحی مدارات مسطح مایکروویوی و آنتن های مایکرواستریپی ایجاد شده است. ساختارهای DGS کاربردهای زیادی دارند که برخی از آنها عبارتند از: کاهش لوب پشتی برخی آنتن ها، حذف کوپلینگ بین المان های یک آرایه، طراحی فیلتر با درجه های بالاتر، اضافه نمودن یا کاهش هارمونیک های بالاتر به ترتیب در آنتن ها و فیلترها، بهبود پلاریزاسیون متقاطع در آنتن ها و بهبود پارامترهای فیلترهای مایکرواستریپ و بسیاری از کاربردهای دیگر. همچنین بهینه سازی پارامترهای مهم فیلترها از قبیل تیز بودن منحنی عملکرد حول فرکانس های قطع، کاهش تلفات داخلی، کاهش ریپل در باند عبور و کاهش اندازه آنها مد نظر است
در مقاله [10] به بررسی اثر عملکرد فیلتر با عنصر DGS پرداخته و ساختار های مختلف هندسی آن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در [ 11] دو مجموعه از فیلتر QE به صورت کاملا موفق طراحی و بررسی شده است. در مقاله [12] نیز یک فیلتری با ساختار زمین ناقص شده هایرپین با پیچ تند ارائه شده است.
بنابراین با توجه به اهمیت فیلتر باندگذر مایکرواستریپ با صفحه زمین ناقص شده، هدف طراحی یک فیلتر با بهبود پارامترها و کاهش توان مصرفی می باشد. ساختار مقاله به این صورت پیکربندی می شود: در بخش دوم فیلتر باندگذر مایکرواستریپ مرسوم شبیه سازی می شود. در بخش سوم ابتدا به طور اجمالی عدم کارایی فیلتر مایکرواستریپ مرسوم تشریح شده و فیلتر باندگذر با ساختار صفحه زمین شیار شده طراحی و شبیه سازی می شود.
.2 فیلتر مایکرواستریپ پیشنهادی
در بسیاری از کاربردها، کوچک کردن اندازه و وزن فیلترها بسیار مهم است. به نظر می رسد استفاده از فیلترهای تخت با استفاده از فن آوری مدار چاپی - در صورت نداشتن محدودیت - مناسب باشد.[13] شیار بر روی استریپ یک نقص بر روی مدار به وجود می آورد که با ایجاد خاصیت رزونانسی می توان از آن برای طراحی انواع فیلترها، تقسیم کننده ها، تقویت کننده ها و غیره استفاده کرد. در ساختار مایکرواستریپی با استریپ شیاردار هیچ شیاری در صفحه زمین به وجود نمی آید. این نوع ساختار از طریق برداشتن فلز به صورت الگوی خاصی از روی نوار خط مایکرو استریپ ایجاد می شود.
این شیار ایجاد شده همانند ساختارهایی با صفحه زمین شیاردار که به DGS معروف هستند، باعث به وجود آمدن یک باند حذف در پاسخ فرکانسی مدار شده که به آن باند ممنوعه فرکانسی نیز می گویند.[14] این نوع ساختار دارای خواص مفیدی در طراحی مدارهای فرکانس بالا و حوزه امواج میلیمتری می باشد و بر خلاف مدارهای DGS، به دلیل اینکه صفحه زمین آن ها دارای هیچ شکافی نیست از نظر تداخل و هم شنوایی از طریق شکاف زمین نیز از عملکرد بسیار مطلوبی برخوردار می باشد.
شکل های 1 و 2 به ترتیب ساختار پیشنهادی فیلتر باندگذر مایکرواستریپ را به صورت دو بعدی و سه بعدی نشان می دهند. مدار در کف یک بستر RF4 با ثابت دی الکتریک 4/3 و ضخامت 1/58 میلی متر حک شده است. فیلتر باندگذر شامل سه عدد خطوط زوجی N تایی و سه عدد خطوط تغذیه N تایی می باشد. پاسخ کلی فیلتر باندگذر توسط اتصالات - جفت شدگی های - بین تشدیدگرها تعیین می شود. بنابراین، ضریب جفت شدگی به فاصله بین تشدیدگرها مربوط می شود. ضریب جفت شدگی را می توان با تغییر فاصله بین تشدیدگرها تغییر داد.
شکل-1 طرح دو بعدی فیلتر باندگذر سه قطبی
شکل-2 طرح سه بعدی فیلتر باندگذر سه قطبی
