بخشی از مقاله
خلاصه:
در این مقاله کوپلر دو بانده با ابعاد کوچک ارائه شده است. در طراحی مورد نظر از کوپلر شاخه ای - BLC - 1 میکرواستریپی استفاده شده است و بیشتر بر روی چگونگی کوچک سازی و دو بانده کردن کوپلر شاخه ای میکرواستریپی با استفاده از مدارات T و همچنین DGS2 متمرکز شده ایم . در کوپلر شاخه ای پیشنهادی از مدارات T در هر شاخه که دارای طول الکتریکی 90 درجه در دو بانده می باشند ، استفاده شده است. از طرفی در صفحه زمین در زیر خطوط این کوپلر DGS هایی قرار دارند که با استفاده از این DGSها ، طول الکتریکی خطوط کاهش یافته و ابعاد کوچکتر می گردند. کوپلر دو بانده کوچک شده توسط نرم افزارهایSerenadeوADS3وAnsoft تحلیل شده و نتایج شبیه سازی در انتها آورده شده اند.
کلمات کلیدی: کوپلر شاخه ای، میکرواستریپی دو بانده، هایبرید .
- 1 مقدمه
امروزه تقاضا برای استفاده از عناصر دو بانده در صنعت مخابرات رو به افزایش است . سیستمهای مخابرات با آنتن های دو بانده کاربرد زیادی دارند. سیرکولاتور یکی از عناصر اصلی در چنین سیستم هایی است. با استفاده از سیرکولاتور دو بانده می توان از یک تغذیه بین آنتن و سیستم مخابراتی استفاده نمود. یکی از اجزای اصلی در ساخت سیرکولاتورهای چهار پورتی ، کوپلرهای هایبریدی و کوپلرهای شاخه ای - - BLC می باشند.کوپلر BLC از چهار خط انتقال به طول ربع طول موج مؤثر در فرکانس و هارمونیک اصلی تشکیل شده است. .[1] ,[2]معمولا این کوپلرها بزرگ هستند و سطح و فضای اشغال شده توسط آن ها زیاد است که این مساله در اکثر کاربردهای امروزی به خصوص در بردهای صفحه ای و میکرواستریپی، عیب محسوب می شود. لذا، روش های مختلفی برای کوچک سازی و افزایش پهنای بانداین کوپلرها ارائه شده است[3]و.[4]
در مخابرات مدرن امروزی نیاز به اجزاء دو بانده بالاخص کوپلر BLC دو بانده ، به منظور کاهش تعداد و حجم عناصر مورد استفاده، احساس می شود.[5] Hsiang از خطوط چپگرد برای دو بانده کردن کوپلر استفاده کرده است.BLC شامل خطوط متصل شده به یک جفت المان موازی نیز ارائه شده است. [6]در این مقاله با استفاده از روشهای کوچک سازیBLC و ترکیب آنها با روشهای دو بانده سازی، ابتدا BLC با ابعاد کوچک در دو باند فرکانسی 900MHZ و 2400MHZ طراحی شده، سپس برای کاهش بیشتر سطح BLC صفحه ای از DGS نیز استفاده شده است. [7]
گزارش ارائه شده از نمونه طراحی کوپلر مورد نظر شامل قسمت های زیر می باشد:
ابتدا به نحوه افزایش پهنای باند کوپلرها پرداخته، سپس کوچک سازی با استفاده از مدارT و استفاده از مدار برای دو بانده کردن کوپلربررسی شده است. سپس با استفاده از نرم افزارهای تخصصی مانندSerenadeوAnsoft مدارات ذکر شده تحلیل گشته و نتایج شبیه سازی آورده شده اند.در ادامه کوپلر کوچک شده با استفاده از مدارT ، و روند ارائه شدهدر دو بانده کردن کوپلر با مدار دو بانده شده و روابط حاصل برای دوبانده کردن آن به دست آمده است.کوپلربه دست آمده با استفاده از نرم افزارADSوSerenadeوAnsoft تحلیل و بهینه گشته است و منحنی های مربوط به آن آورده شده اند.در ادامه اثرات DGS برای کوچکتر کردن ابعاد کوپلر دو بانده مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج شبیه سازی کوپلر حاصل ، نشان داده شده است.
- 2 شرح مقاله
در این بخش روش طراحی کوپلر کوچک با تکنیک DGS به ترتبی مراحل کار توضیح داده شده است.
الف- مدار خط شاخهای اندازه فشردهT شکل
دراینجا هدف طراحی کوپلر خط شاخه ای بهم پیوسته بدون استفاده از المانهای توده میباشد. اندازه کوپلر پیشنهادی تنها 45درصد کوپلرهای خط شاخهای مرسوم در فرکانس 2/4 گیگاهرتز میباشد.هر چند که خط با سایز کاهش یافته با طولی کمتر از ُ/ نیز اندوکتانس و ظرفیت پائین تری را خواهد داشت، لذا جبران اندوکتانس بوسیله افزایش امپدانس مشخصه خط و جبران ظرفیت بوسیله اضافه کردن خازن شنت متصل شده[8] میسر خواهد بود. در این پروژه خازن C نیز بوسیله یک خط استاب مدار باز [9] جایگزین گردیدهاست و معادل آنرا در مدار T شکل1 قرار دادهایم.ساختار T شکل معادل از یک خط کاهش یافته در شکل 1نشان داده شده است که در این شکل Z1،Z2،Z3و1 ،2 و3 امپدانس مشخصه خطوط و همچنین طول الکتریکی آنها را نشان میدهند. لزومی ندارد که جایگاه خط با طول الکتریکی - - 2 مدارباز دقیقا ما بین Z1وZ2 قرار داشته باشد. روابط ما بین این عناصر یعنی امپدانس مشخصه و طولهای الکتریکی را میتوانیم بوسیله ماتریس ABCD آنها تخمین بزنیم.با روشی که در بالا توضیح داده شد به سادگی می توان اندازه کوپلر خط شاخهای مرسوم را کاهش داد.
امپدانس مشخصه کوپلر خط شاخه ای مرسوم 35 اهم در خط اصلی و50 اهم در شاخه عمودی می باشند.در ابتدا پارامترهای خط کوتاه شده اصلی - افقی - را برای M =1/7 و m1=17œ بدست میآوریم که از شکل2 نیز m3 = 48 œ حاصل میگردد. با قراردادن اطلاعات فوق در رابطه ماتریس انتقال و در نظر گرفتن k=2/6 مقدار m2=39œ - طول الکتریکی استاب باز خط اصلی - بدست می آید. بهطور مشابه پارامترهای خط شاخه ای کاهش یافته را هم بدست میآوریم.[10]بعد از بدست آوردن ابعاد فوق، مدار را در شکل - 2 - با نرم افزار Ansoft ترسیم نموده و بعد از تحلیل مدار فوق نتایج اندازه گیری شده در شکل - 3 - آورده شده است.مشاهده می شود S11 وS14 در فرکانس مرکزی کمتر از -20dB وS12 وS13 حدود -3dB میباشند
ب- دوبانده کردن مدار T شکل خط شاخهای کوچک شده با توجه به روند ارائه شده در دو بانده کردن کوپلر شکل - 900MHz و - 2400MHzدر این بخش ابتدا با روش دستی و استفاده از ماتریسهای ABCD کوپلرخط شاخه ای و معادل قرار دادن آن با ماتریس ABCD یک خط90œ ، طول الکتریکی و امپدانس مشخصه کوپلر خط شاخهای را - تبدیل به ' و - - '= - f2/f1 - - در حالت دو بانده معادل می سازیم. در نهایت با استفاده از اطلاعات موجود برنامه ای با نرم افزار MATLAB نوشته که از آن به منظور بدست آوردن طول الکتریکی و امپدانس مشخصهZ جهت کار دو فرکانس 0/9GHzو2/4GHz، با کمترین درصد خطا 0/4 - درصد - استفاده شده است . همانطور که در بخش قبل نیز گفتیم با معادل سازی مدل T شکل، خطوط استاب شنت متصل شده از نوع مدار باز بوده و این استاب خود باعث کاهش طول خط میگردد.
حال با نرم افزار MATLAB طولهای الکتریکی و امپدانس مشخصههای کوپلر و درنهایت کوپلر موردنظر را در شرایطی بدست آوریم که شرایط زیر حاکم باشند یعنی هم زمان شرایط برای فرکانسهای بالا و همچنین پائین - استفاده از دو باند فرکانسی - فراهم باشد.طول الکتریکی و امپدانس مشخصههایی که در نامساوی بالا صدق کند جوابهای مساله میباشند که شرایط استفاده درحالت دو باند فرکانسی را دارند. 1 و 2 و3 وZ 1وZ 2وZ3 در نامساوی فوق مطابق با برنامه مذکور به دست می آیند. با قرار دادن مقادیر بدست آمده - برای استفاده در دو باند فرکانسی دلخواه در نظر گرفته شده - در روابط زیر و یا با استفاده از محیط serenade طولهای Lm1و - Wm1پهنا وطول خط شاخه اصلی - Lm3و - Wm3 پهنا وطول خط متصل به Zm1 در خط اصلی - Lm 2و - Wm2پهنا وطول استاب مدار باز در خط اصلی - Lb1 و - Wb1پهنا وطول خط متصل بهZm2در خط عمودی - وLb1 ، Wb1، Lb2وWb2 بدست میآیند. شرایط زیر لایه ای پیشنهادی به صورت زیر می باشد.شرایط سابستریت پیشنتهادی به صورت زیر می باشد.مدارچاپی و پاسخ مدار شبیه سازی شده در محیط های Ansoft در شکل - - 4و - - 5نشان داده شده است.
