Bitişik olmayan bitişik bağlantıya dayalı minyatür mikroşerit bant geçiren filtre
0 Önsöz
Son yıllarda, kablosuz iletişim, radar ve algılama teknolojilerinin hızla gelişmesiyle birlikte, çeşitli radyo frekansı elektronik sistemleri, minyatürleştirilmiş yüksek performanslı bant geçiren filtreler için giderek daha acil taleplere sahiptir. Mikroşerit hatları, eş düzlemli dalga kılavuzları, metal dalga kılavuzları, şerit hatları ve yeni tip substrat entegre dalga kılavuzları gibi kılavuzlu dalga yapıları arasında, mikro şerit hatları basit yapıları, mükemmel performansları ve kolay uygulanmaları nedeniyle en çekici olanlardır. Metal dalga kılavuzu, düzlemsel olmayan bir yapıya sahiptir ve diğer devreler ve bileşenlerle entegre edilmesi kolay değildir; eş düzlemli dalga kılavuzlarının ve şerit hatlarının yapıları, mikro şerit yapılarından daha karmaşıktır. Ayrıca, diğer kılavuzlu dalga yapıları ile karşılaştırıldığında, mikroşerit hatları kullanılarak ince yapılı, karmaşık bağlantı mekanizmalı ve kompakt boyutlu bir bant geçiren filtre uygulamak daha kolaydır. Ek olarak, 10 GHz altındaki radyo frekansı ve düşük aralıklı mikrodalga frekansları için, metal dalga kılavuzunun fiziksel boyutları ve substrat entegre dalga kılavuzunun fiziksel boyutları, aynı çalışma frekansına sahip mikroşerit hattından daha büyüktür ve bu, mikrodalga sistemlerine, özellikle de sistem entegrasyonu ve paketleme uygulamasına elverişli değildir. . Bu nedenle, mevcut araştırmalar, minyatürleştirilmiş yüksek performanslı mikrodalga bant geçiren filtreleri gerçekleştirmek için mikro şerit teknolojisini kullanmaya daha meyillidir.
Mevcut literatürde, kademeli empedans rezonatörleri ve arızalı zemin yapıları gibi çeşitli elektromanyetik yapıların yanı sıra elektromanyetik hibrit bağlantı mekanizması ve çapraz bağlantı topolojisi gibi çeşitli tasarım teknikleri, çeşitli yüksek seçicilik ve geniş durdurma bantlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Filtre inceleniyor. Kademeli empedans rezonatörleri ve kompozit sol ve sağ el iletim hatları gibi yapılar kompakt elektrik boyutlarına sahiptir ve genellikle filtrelerin boyutunu küçültmek için kullanılır. Kademeli empedans tamamlayıcı açık döngülü rezonatörler gibi bazı geliştirilmiş yapılar da önerilmiş ve minyatürleştirilmiş filtrelerin tasarımına uygulanmıştır. Radyo frekansı sistemlerinde minyatürleştirilmiş yüksek performanslı bant geçiren filtrelere acil ihtiyaca yanıt olarak, bu makale bir katlanmış kademeli empedans rezonatörünün (FSIR) ve bitişik-bitişik olmayan kuplaj topolojik yapısının bir kombinasyonunu sunar. Seçici, geniş durdurma bandı ve minyatürleştirilmiş mikro şerit filtresi.
Literatüre göre, yaygın olarak kullanılan mikro şerit rezonatörler kabaca üç türe ayrılabilir: tam dalga boyu, yarım dalga boyu ve çeyrek dalga boyu. Şekil 1, geleneksel bir yarı dalga boylu tek tip empedans rezonatöründen yarım dalga boylu kademeli bir empedans rezonatörüne ve yarım dalga boylu bir FSIR'a evrimi göstermektedir. İlk olarak, yarım dalga boyu kademeli bir empedans rezonatörü elde etmek için yarım dalga boylu tek tip empedans rezonatörünün orta ve her iki ucunu farklı genişliklere ayarlayın. Bu temelde, yarım dalga boylu kademeli empedans rezonatörü, yarı dalga boylu bir FSIR yapısı elde etmek için yanal merkez çizgisi boyunca ortaya doğru katlanır.
Şekil 2, yarım dalga boylu FSIR'ın yapı diyagramını göstermektedir. Bunların arasında Yin, FSIR'ın bir ucundan görüntülenen giriş empedansını temsil eder, ZH ve ZL, sırasıyla FSIR'ın yüksek ve düşük empedans bölümlerinin empedansını temsil eder ve H ve L, sırasıyla FSIR'nin yüksek ve düşük empedans bölümlerinin elektrik uzunluğunu temsil eder. Dolayısıyla Yin şu şekilde ifade edilebilir:
Yin = 0 alındığında, rezonans koşulu:
Yarım dalga boyunda tek tip bir empedans rezonatör rezonans yaptığında elektrik uzunluğunun / 2 olduğu bilinmektedir. Formül (3) 'e göre, empedans oranı ZL / ZH olduğunda < < 1'de, toplam / 2'den daha az olabilir, böylece FSIR'ın fiziksel uzunluğu tek tip empedans rezonatörünün fiziksel uzunluğundan daha azdır, yani FSIR boyut küçültme elde eder.
Ardından, Şekil 1'deki yarım dalga boylu kademeli empedans rezonatör ve yarım dalga boylu FSIR ve eşdeğer devrelerini karşılaştırın. Kademeli empedans rezonatörünün rezonans frekansı fs, paralel kapasite ve endüktans devresi ile ifade edilebilir:
Ls ve Li değerleri esas olarak kademeli empedans rezonatörünün ve FSIR'nin boyutuna göre belirlenir. Kademeli empedans rezonatörünün ve FSIR'nin fiziksel boyutları aynı olduğundan, Ls ve Li arasındaki sayısal fark küçüktür ve yaklaşık olarak eşit olabilir. Öte yandan, kademeli empedans rezonatörleri ile karşılaştırıldığında, FSIR içinde Cs ve Ci arasında önemli bir fark yaratan ve nihayet kademeli empedans rezonatörlerinin rezonans frekansları ile FSIR arasında bir farka yol açan güçlü bir kapasitif kendiliğinden eşleşme etkisi vardır. Aşağıda, kademeli bir empedans rezonatörünün ve aynı fiziksel boyuta sahip FSIR'nin iç rezonans özelliklerini araştırmak için sayısal bir simülasyon yöntemi kullanılmaktadır.
Şekil 3, aynı boyuttaki yarım dalga boyu kademeli empedans rezonatörünün ve yarı dalga boylu FSIR'nin öz mod simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Simülasyon sonuçlarına göre, FSIR'ın iç rezonans frekansı kademeli empedans rezonatörlerinden biraz daha yüksekken, FSIR'nin yüksüz kalite faktörü (Qu) kademeli empedans rezonatörlerinden daha düşüktür. Bu nedenle, katlanmış formun eklenmesi, FSIR'nin iç rezonans frekansını biraz azaltır.
İkinci olarak, Şekil 1'deki kademeli empedans rezonatörünün ve FSIR'nin yapısal şematik diyagramına göre, FSIR tarafından işgal edilen devre alanı, geleneksel kademeli empedans rezonatörünün kapladığı alanın sadece yaklaşık yarısıdır. Bunun temel nedeni, katlanmış formun girilmesinin FSIR tarafından işgal edilen devre alanını tamamen kullanması ve devrenin düzlem kullanım oranının büyük ölçüde iyileştirilmesidir.
Özet olarak, Şekil 1 ve Şekil 4'teki sonuçlarla birleştirildiğinde, katlanmış formun tanıtımı, FSIR'nin iç rezonans frekansını biraz artırırken, devre boyutu yaklaşık% 50 oranında azalır. Bu nedenle, genel olarak FSIR, kademeli empedans rezonatörüne bağlı olarak boyut küçültme elde etmiştir ve etki önemlidir.
2 Dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtre tasarımı
Şekil 2'de gösterilen FSIR yapısına dayalı olarak, dördüncü dereceden bir FSIR bant geçiren filtre uygulanabilir. Şekil 4 (a) 'da gösterildiği gibi, filtre 4 FSIR, iki 50 mikroşerit hattı ve bunlar arasında konik bir geçiş içerir. Literatürdeki tartışmaya göre, 4 FSIR sıralı olarak yakın bir şekilde düzenlendiğinde, aralarında bitişik kuplaj ve bitişik olmayan kuplaj vardır, böylece Şekil 4 (b) 'de gösterildiği gibi filtrenin kuplaj topolojisi elde edilebilir. S ve L sırasıyla yükü temsil eder ve R1 ila R4 rezonatörü temsil eder. İlk olarak, filtrenin kaynağı ve yükü arasında bitişik bir bağlantı yolu S-R1-R2-R3-R4-L vardır. İkinci olarak, filtrede 3 bitişik olmayan bağlantı yolu vardır: S-R1-R3-R4-L, S-R1-R4-L ve S-R1-R2-R4-L. Bu 4 bağlantı yolu birbiriyle birleştirilerek 3 bağımsız çapraz bağlantı yolu çifti oluşturulur ve ardından filtrenin seçiciliğini ve durdurma bandı özelliklerini geliştirmek için filtrede 3 bağımsız aktarım sıfır noktası oluşturulur.
Filtrenin merkez frekansı 3,5 GHz, bağıl bant genişliği% 16 ve dönüş kaybı 20 dB'dir. Üç aktarım sıfırları 2,8 GHz, 4,5 GHz ve 7 GHz'de bulunur.Daha düşük frekanslı iki aktarım sıfırları esas olarak filtrenin yüksek seçiciliğini oluşturmak için kullanılırken, daha yüksek frekanslı aktarım sıfırları esas olarak ikinci harmoniği bastırmak için kullanılır. dalga. Birleştirme matrisi sentez yöntemine göre, filtrenin ilk birleştirme matrisi şu şekildedir:
Bir bant geçiren filtrenin tasarımında iki temel unsur vardır: biri dahili rezonatörler arasındaki karşılıklı bağlantı, diğeri ise harici kalite faktörü (Qe). Aslında, formül (6) 'da gösterilen kuplaj matrisi bu iki anahtar unsuru tam olarak vermiştir. Şekil 4 (a) 'da gösterilen filtre yapısında, iç bağlantı katsayısı esas olarak rezonatörler arasındaki aralığın genişliği ve uzunluğu ile belirlenir. Aralığın daraltılması veya uzatılması, bitişik kuplörler arasındaki bağlantı gücünü artıracak ve geçiş bandı bant genişliğini artıracaktır. Öte yandan, Qe, bu makaledeki dördüncü dereceden FSIR filtresine karşılık gelen Qe = 2fc / BW3dB formülü ile hesaplanabilir, Qe = 12.5. Ayrıca, Şekil 4 (a) 'da, Qe esas olarak giriş / çıkış rezonatörü ile port mikroşerit hattı arasındaki sivriltilmiş geçişten etkilenir. Gerçek tasarımda, filtre performansını olabildiğince optimize etmek için konik geçişin uzunluğunu ve daraltma genişliğini ayarlamak gerekir. Son olarak, filtreyi simüle etmek ve optimize etmek için üç boyutlu tam dalga elektromanyetik simülasyon yazılımı ANSYS HFSS kullanılır.Optimize edilmiş geometrik boyutlar: e1 = 0.2, e2 = 0.18, e3 = 0.2, e4 = 0.36, b1 = 11.2, b2 = 0.2 , B3 = 5.1, a1 = 0.2, a3 = 1.45, wt = 0.2, lt = 2, ws = 1.5, ps = 2.0 (birim: mm).
Şekil 5, bu makalede tasarlanan dördüncü dereceden FSIR filtresinin merkez çalışma frekansı ve üç iletim sıfır noktasında elektrik alan dağılımını göstermektedir. Bunların arasında, Şekil 5 (a) 'dan merkez frekansta elektromanyetik enerjinin filtreye giriş ucundan girdiği, 4 FSIR'de kararlı bir şekilde rezonansa girdiği ve ardından çıkış ucuna ilettiği gözlemlenebilir.Bu fenomen, Geçiş bandı özellikleri. Şekil 5 (b) ve Şekil 5 (c) 'de, elektromanyetik enerji filtreye beslendikten sonra, ikinci rezonatörde hızla bozulur ve sonuçta çıkış ucuna yayılamaz Bu, iletim sıfır noktasının özelliklerine uygundur. Ayrıca, Şekil 5 (b) ve Şekil 5 (c) 'deki elektromanyetik enerji zayıflamasının farklı pozisyonları, dolaylı olarak ikisinin temsil ettiği iletim sıfır noktası pozisyonlarının farklı olduğunu gösterir. Son olarak, Şekil 5 (d) 'de, elektromanyetik enerjinin zayıflaması, ikinci, üçüncü ve dördüncü FSIR'ler arasında mevcuttur ve üçüncü sıfırın oluşumunun, çoklu çapraz bağlantı yollarının etkileşiminin sonucu olduğunu gösterir.
3 Deneysel sonuçlar ve tartışma
Optimize edilmiş FSIR filtresi, standart baskılı devre kartı teknolojisi ile işlenir. İşlemede kullanılan dielektrik substrat, 0,508 mm kalınlığa, 2,2 görece geçirgenliğe, 1 görece geçirgenliğe ve 0,0009 dielektrik kayıp tanjantına sahip Rogers / Duriod 5880'dir. Dielektrik substratın yüzeyi bakır ile kaplanmıştır ve kalınlığı 0,035 mm'dir. İşlem tamamlandıktan sonra, daha iyi elektrik iletkenliği sağlamak için bakır yüzey üzerine 2 m kalınlığında altını kaplamak için ıslak bir elektrokaplama işlemi kullanılır. Şekil 6, işlenmiş dördüncü dereceden FSIR filtresinin fiziksel fotoğrafını göstermektedir.Filtrenin toplam boyutunun 20 mm × 11,2 mm olduğu ve ana işlev parçasının fiziksel boyutunun kılavuza karşılık gelen 12 mm × 11,2 mm olduğu şekilden görülebilir. Dalga dalga boyunun elektriksel boyutu 0.21g × 0.20g'dir (burada g, merkez frekanstaki mikroşerit hattının kılavuzlu dalga dalga boyunu temsil eder).
Şekil 7, dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtrenin test sonuçlarını gösterir. Şekilden, filtrenin geçiş bandındaki minimum ekleme kaybının yaklaşık 1.6 dB olduğu, geçiş bandındaki dönüş kaybının 15 dB'den daha iyi olduğu ve bağıl bant genişliğinin% 15.60 olduğu görülmektedir. Ölçülen bant genişliğinin, esas olarak işleme hataları ve dielektrik substratın dielektrik sabitinin titremesinden kaynaklanan simülasyon sonucundan biraz daha düşük olduğuna dikkat edin. Ek olarak, Şekil 7'den, filtrenin üst ve alt geçiş bantlarının, 100 dB / GHz'lik bir yuvarlanma hızına eşdeğer olan, 500 MHz aralığında 50 dB'nin üzerinde hızlı bir şekilde yuvarlandığı görülebilir. Aynı zamanda, göreceli bastırma 33 dBc olduğunda, filtrenin durma bandı aralığı 11,5 GHz kadar yüksektir ve bu, tam olarak çalışma frekansının üçüncü harmoniğindedir. Son olarak, Şekil 7'den, filtrenin, filtrenin yüksek seçiciliği ve geniş durdurma bandı için güçlü destek sağlayan 3 aktarım sıfır noktasına sahip olduğu görülebilir.
Bu makalede önerilen dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtrenin avantajlarını daha sezgisel olarak göstermek için Tablo 1, dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtrenin performans karşılaştırmasını ve bazı benzer çalışmaları özetlemektedir. Tablo 1'e göre, literatür ve literatür ile karşılaştırıldığında, bu makalede önerilen dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtrenin göreceli elektrik boyutu en kompakt olanıdır ve en dengeli durdurma bandı genişliği ve kapsamlı reddetme performansına sahiptir.
4. Sonuç
Bu makale, S-bandında çalışan minyatürleştirilmiş dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtreyi sunar. FSIR ve çapraz bağlantı uygulaması sayesinde, filtre minyatürleştirme ve yüksek seçicilik özelliklerine sahiptir ve ikinci ve üçüncü harmonikleri iyi bir şekilde bastırır. Açıkçası, bu makalede önerilen dördüncü dereceden FSIR bant geçiren filtrenin çeşitli mikrodalga ve milimetre dalga devreleri ve sistemlerinde uygulanması beklenmektedir.
Referanslar
MAKIMOTO M, YAMASHITA S. Kablosuz iletişim için mikrodalga rezonatörler ve filtreler Berlin: Springer, 2001.
KUAN H, LIM Y L, YANG R Y, ve diğerleri.Geniş bir üst reddetme bandına sahip olmak için gömülü SIR hücrelerine sahip çok katmanlı paralel bağlı mikroşerit bant geçiren filtre. IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2010, 20 (1): 25-27.
HUANG Y, SHAO Z, LIU L.A substrat entegre dalga kılavuzu bant geçiren filtre, yeni kusurlu zemin yapısı şekli kullanarak Elektromanyetik Araştırmada İlerleme, 2013, 135: 201-213.
WANG K, WONG SW, SUN G H, ve diğerleri.Çift sıralı Chebyshev yanıtı ile substrat entegre dalga kılavuzu bant geçiren filtre için sentez yöntemi Bileşenler, Paketleme ve Üretim Teknolojileri üzerine IEEE İşlemleri, 2016, 6 (1): 126-135.
PENG B, LI S, ZHU J ve diğerleri.Dört modlu DGS rezonatörüne dayalı kompakt dört modlu bant geçiren filtre.IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2016, 26 (4): 234-236.
Wang Heng, Ding Jun, Chen Peilin Kompozit sol ve sağ el iletim hatlarına dayalı bant geçiren filtrenin minyatürleştirme tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2011, 37 (4): 88-90.
HUANG Y M, PENG Y, JIANG W, vd.Çift taraflı SICSRR'ler ile yüklenen boyutu küçültülmüş çift bantlı HMSIW boşluk filtreleri. Electronics Letters, 2017, 53 (10): 689-691.
KUO J T, HSU CL, SHIH E. Sıralı kademeli empedans rezonatörlü kompakt düzlemsel yarı-eliptik fonksiyon filtresi Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri IEEE İşlemleri, 2007, 55 (8): 1747-1755.
HAO Z C, HONG J S. Çok katmanlı LCP teknolojisi kullanan çift çentik bantlı kompakt UWB filtresi IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2009, 19 (8): 500-502.
DJAIZ A, DENIDNI A. İletim sıfırları olan açıklığa bağlı SIR-firkete rezonatörleri kullanan yeni bir kompakt mikroşerit iki katmanlı bant geçiren filtre Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri IEEE İşlemleri, 2006, 54 (5): 1929-1936.
yazar bilgileri:
Rao Xiaohong 1, Ni Piao 2, Jin Haiyan 3, Huang Tao 3, Huang Yongmao 3
(1. Chongqing Chuanyi Software Co., Ltd., Chongqing 401121'in Ürün Ar-Ge Bölümü; 2. Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Okulu, Chengdu Teknoloji Üniversitesi, Chengdu 610059, Sichuan;
3. Bilgi ve İletişim Mühendisliği Okulu, Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Chengdu 611731, Sichuan)
