URSI-TÜRKĠYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Birleşik Hat Filtresi
Muzaffer Serkan ÖCAL
Haliç Üniversitesi
Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü
Kağıthane, İstanbul
[email protected]
İstanbul Ticaret Üniversitesi
Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü
Küçükyalı, İstanbul
[email protected]
Özet: Bu makalede açıklanan fitrenin ortabandı 1.47 GHz ve bantgenişliği 0.147 GHz’dir. Askeri uygulamalar,
uydu iletişimi veya kablosuz iletişim gibi çeşitli alanlarda kullanılır. Bu filtreleri imal etmek için kullanılan
malzemelerdeki yeni gelişmeler, boyutlarının kuçülmesine ve maaliyetlerinin azalmasına neden olmuştur. Bu
çalışma yüksek kaliteli dielektrik malzemeler kullanılarak yapılan düzlemsel kuple hat filtresinin tasarım ve
simülasyon aşamalarını gösterir. Bu dizayn literatürde mevcut olan standard filtre dizaynı teorisi ve formülü ile
üretilmiş olup, hem teori hem de simulasyon performansı ile çok benzer sonuçlar elde edilmiştir. Filtrenin
ortaband yerleşimi beklenilen değerden bir miktar sapmıştır. Bu durum muhtemelen PCB alt katmanında
belirlenen dielektriğin geniş toleransından kaynaklanmaktadır.
Abstract: The filter that will be explained in this article have a midband at 1.47 GHz and bandwidth of 0.147
GHz, which is typically used in various applications like military, satellite communications or wireless. New
learnings with materials used to construct these filters have played a significant part in making these filters
small in size and cost effective. This paper presents the design and simulation of a planar coupled line filter by
using relatively high quality dielectric material. The design was derived from standard filter design theory and
formula available in the literature, both formula and simulation based designs had nearly identical results.
Placement of the filter’s midband was offset from the expected value. This was most likely a result of wide
tolerance in the dielectric permittivity specified for the PCB substrate.
1. Giriş
Birleşik mikroşerit hatlar pekçok devre fonksiyonunda kullanılır. Prensip uygulama alanları yönlü
birleştiriciler, filtreler ve geciktirme hatlarıdır[1]. Paralel birleştirilmiş hat filtreleri genellikle Mikrodalga
teknolojilerinde yüksek frekanslarda ( 800 MHz - 30 GHz seviyelerine kadar ) kullanılır. Düşük ve orta seviye
frekanslarda ise, bant geçiren veya süzen filtreler genelde dağıtılmış devre yapısında olup klasik direnç ,bobin
ve kapasitörlerin ihtiyaca yönelik olarak değişik şekillerde birleştirilmesi ile kullanılır [2] . Direnç, bobin ve
kapasitörler daha yüksek frekanslara çıkıldıkça çok sayıda sorunla karşılaşıp stabil olmayan ve çözüm
sağlamayan bir malzeme haline gelirler. Bu nedenle yüksek frekanslarda Paralel Birleştirilmiş hat filtreleri
klasik devre elemanlarına ihtiyaç duymadan tamamen farklı bir düşünce ve üretim şekliyle çözüm olarak
kullanılabilirler. Mikroşerit yapıda, farklı özellikte malzemelerin farklı kalınlık yükseklik ve uzunlukta üst üste
birleştirilmesi ve bu uzun şeritlerin düz , yatay,dik ve birbirlerine paralel bir şekilde kart yüzeyinde imal
edilirler. Bu şeritlerin kalınlığı, şeritlerin birbirleri arasındaki mesafesi, ne kadar uzunlukta olacakları, şeritlerin
birbirleri ile bağlantısı olup olmayacağı tasarım sırasında kararlaştırılır [3]. Şeritlerde kullanılan malzemenin
yapısı ve katmanların durumu diğer bileşenlerle birlikte değerlendirildiğinde tasarlanan filtrenin merkez
frekansının, band genişliğinin ve harmoniclerinin ne olacağı gibi sorulara cevap verecektir. Sonuç olarak yüksek
frekanslarda direnç bobin ve kapasitörler ile sorunsuz filtreler tasarlanamadığından bunların işini yapmak üzere
fabrikasyon üretilmiş ve malzeme biliminin esaslarına uyan yüksek frekanslarda stabil kalan Paralel
Birleştirilmiş hat filtreleri tasarlanmıştır [4]. İki adet kalkanlanmamış iletim hattı yanyana yerleştirildiklerinde,
ana hatta mevcut olan gücün bir oranı ikincil hatta geçer (coupled). Bandgeçiren filtreler iletişim sistem
dizaynlarının vazgeçilmez elemanlarıdır. Vericiler için harmonikleri ve sahte emisyonları azaltırlar [5].
Birleşik hat filtre dizaynı, yayımlanmış katsayılardan türetilmiştir. Her katsayı elemanı bu düşük geçirgenli
filtrenin ayrık bir bileşeninin endüktansı veya kapasitansını temsil eder. Bu katsayılar arzu edilen ortabant ve
bant genişliğinde geçirgen bantlı bir filtre üretmek için dönüştürülebilir. Pekçok iletişim sistemi RF ön bitişe
URSI-TÜRKĠYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
gerek duyarken, RF filtreler ve düşük gürültü amplifikatörleri analog sinyal işlemesi gerçekleştirirler. En sık
kullanılan iki tipi, parallel birleşik hat filtreleri ve dahili digital filtrelerdir [5]. Filtre tepkisi Chebyschev transfer
fonksiyonuna bağlıdır. Spesifikasyon değerlerine bağlı olarak Chebyschev yaklaşımı bunu çok sert olmayacak
şekilde sömürür. Bu 0.01 dB, veya 0.1 dB, veya daha büyük değerler olabilir. Chebyschev yaklaşımı böylece
geçiş bölgesinde (pass region) çeşitli dalgalar gösterebilir, buda duruş bölgesinde daha iyi (daha yüksek) eğime
neden olur. [6] Kablosuz iletişim ve bilişsel radyolar’ın [7] kapasilitelerini artırmaktaki önemleri nedeniyle,
elektronik olarak değiştirilebilir mikrodalga filtreler araştırma ve geliştirme alanında daha çok ilgi çekmekteler,
ilaveten kablosuz el araçları ve baz istasyonlar, uydu alıcılar ve askeri uygulamalarda yaygın şekilde
kullanılmaktadır[8]. Bu uygulamalar kalabalık spectrum, daha yüksek performans spesifikasyonları ve daha
zorlu çalışma şartları nedeniyle giderek daha fazla talep görmektedir. Yüksek performansa ilave olarak endüstri
sürekli olarak daha düşük boyutlar ve maaliyet talep etmektedir.
Yüksek kaliteli altkatman malzemeler daha az sinyal kaybına neden olurlar, bu sayede ilave dizayn
gereksinimi gerektirmeden yüksek performanslı filtreler yapmaya imkan tanırlar. Yüksek kaliteli malzeme
kullanan temel bir birleşik hat filtresi, arzu edilen spesifikasyonların elde edilmesini sağlayabilir.[8] Düşük
maaliyeti, dizayn kolaylığı ve iyi performansı, faydalı bir modern RF filter dizaynı için örnek oluşturacaktır.[8]
2. Tasarım Teorisi ve Örnekleme
Öncelikle tasarlamayı istediğimiz filtrenin geometrisi ve kullanılacak alt malzemenin cinsi belirlendi.
İstenen frekans bant aralığı için boyutları belirlenen birleşik filtreye ait simülasyonu gerçekleştirildi. Şekil 1'de
tasarladığımız filtrenin 3 boyutlu üstten görünüşü görülmektedir.
Şekil. 1. 3-Boyutlu Birleşik Hat Filtresi Görüntüsü
Üzerinde çalışma yaptığımız bu birleşik hat bant geçiren filtrenin ortaband geçirgenliği, dielektrik
iletkenliğinin geniş toleranslı olmasından dolayı beklenen değerden biraz sapma gösterdi. İlk denemede
istenilen sonuç alınamayınca mikroşerit hatların uzunluk ve kalınlıkları değiştirildi. Merkezde bulunan üç
mikroşerit hattın değerlerinde bir değişiklik yapılmadı. Ancak hatlar arasındaki boşlukları genişletip azaltarak
bobin, kapasite ve direnç (RLC) etkilerinde değişiklik yapılmış oldu. Port girişlerinin bulunduğu hatların
kalınlığını 66 Mils’den 60 Mils’e indirildi. Hat araları merkezde 0.21 mils, port bağlı hatlarda 0.3 mils olacak
şekilde daraltıldı. Böylece merkez frekansı 1.47 GHz’e, 5 dB olan araya girme kaybı 2.56 dB’ye kadar ,
yansıma faktörüde -13 dB seviyelerinde ayarlanmış oldu. Ayrık bileşenler fiziksel ölçülerinden sinyal
dalgaboylarına karşılaştırılabilir hale geldiklerinden performansları kayba ugrar. Birkaç yüz megahertz’in
üzerindeki frekanslarda ayrık bileşenler artan bir şekilde dağıtılmış yapılarla yer değiştirmeye ihtiyaç duyarlar.
Arzu edilen gigahertz frekans aralıklarında mükemmel performans göstermek için, bu birleşik hat filtre
dizaynının dağıtılmış yapıları diferansiyel çiftlerden oluşmalıdır.
3. Şerit Hat Ölçülerinin Hesaplanması
Bu iz ölçülerinin hesaplanması, daha iyi açıklanabilmesi için çeşitli alt adımlara kırılacaktır. İlk
olarak, her 3 birleşik hat filtresinin 4 evresinin boyu belirlenecektir. Birleşik hat filtresinin her sıralı evresi
filtredeki fiziksel yapının yaklaşık olarak ortaband dalga boyunun (λ/4 da f0) bir çeyreğine katkı sağlamaktadır.
Potansiyel iz boylarının bir çifti aşağıda temsili iz genişliklerinden turetilmiştir. Er = Dielektrik sabiti 3.70’dir.
Ereff: = Verilen PCB izi için etkin dielektrik sabiti w = İz genişliği, h = Dielektrik yalıtkan kalınlıgı = 0.031”
λo = Ortabant ta dalgaboyu, fo = Filtrenin ortaband frekansı = 1.47GHz.
4. Tasarım ve Performans Değerlendirmesi
Elektromanyetik hesaplamalar için kullanılan Sonnet, moment metoduna dayanan ticari bir yazılımdır[10],
çoklu katmanlı yapılar içinde uygulanmıştır[11]. Sonnet on yıldan fazla süredir başarıyla kullanılmaktadır [12,
13]. Pek çok farklı araçtan gelen sonuçları birleştiren hibrit bir yapıda oldukça faydalı bir konsept’tir [14]. Şekil
URSI-TÜRKĠYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
1’de görüleceği üzere, hesaplamalar sonucu üretilen dizayn Sonnet simülasyon yazılımına değerlendirme için
girilmiştir. Şekil 2 ve 3 S-Parametre datasına sahiptir.
Şekil 2. S-Parametreleri simülasyon sonucu
Şekil 3. S-Parametreleri yakın plan
5. Sonuç
Bu çalışma ile askeri sistemlerde veya uydu sistemlerinde kullanılmak üzere birleşik hat bant geçirgen filtre
tasarlanmaktadır. Şerit hatların boyutları değiştirilerek (gerek kalınlık, gerekse boy), dielektrik ve hava
kalınlığı, ideal bir bantgenişliği ve frekans yakalandı. Merkez frekansı 1.47 GHz, araya girme kaybı ve yansıma
katsayısı sırasıyla yaklaşık 2.56 dB ve -10 dB seviyelerindedir. Simülasyonlarda Sonnet 14.52 versiyonu
kullanılmıştır.
Kaynaklar
[1] Dr. Srinivasa, Rao Assistant Professor (Sr.) “ Design of a Narrowband Coupled Line Bandpass Filter”.
Bangkok ,Thailand, December 2007.
[2] Microwave bandpass filters for wideband communications / Lei Zhu, Sheng Sun,Rui Li,2000
[3] Design of the compact parallel-coupledlines wideand bandpass filters using imageparameter methodc. S. Ye
Department of Electrical Engineering Institute of Microelectronics Institute of Microelectronics, Taiwan
[4] Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators 1413 Mitsio Makimito
Sadahiko Yamashita, Member, IE1311
[5] N. G. Toledo, “Practical Techniques For Designing Microstrip Tapped Hairpin Resonator Filters On
Fr4 Laminates” National ECE Conference, Manila, Philippines, November 2001
[6] Mudrik Alaydrus "Designing Microstrip Bandpass Filter at 3.2 GHz International Journal on
Electrical Engineering and Informatics" - Volume 2 Number 2, 2010
[7] Amine A. Bakhit and Peng W. Wong, "Switchable Microwave Band-Stop to All Pass Filter using
stepped impedance resonator" Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 52, 99{115, 2013
[8] Michael S. Flanner,Coupled Line Filter Design, In Partial Fulfillment of the Requirements for the
Degree Master of Science in Electrical and Computer Engineering California State University,2011
[9] R. Ludwig and P. Bretchko, RF Circuit Design: Theory and Applications. Upper Saddle River, NJ:
Prentice-Hall, 2000, chapters 2 and 5.
[10] R.F. Harrington, Field Computation by Moment Methods, IEEE Press, New Jersey, 1993.
[11] W.C. Chew, Waves and Fields in Inhomogeneous Media, IEEE Press, New Jersey, 1995.
[12] J.C. Rautio, “Experimental Validation of Electromagnetic Software,” International Journal of Microwave &
Millimeter Wave CAE, Vol. 1, No. 4, Oct. 1991, pp. 379-385.
[13] J.C. Rautio, “Planar electromagnetic analysis,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 4, No. 1,March 2003, pp.
35-41.
[14] Mr. Daniel G. Swanson, Jr. Staff Scientist "Microstrip Filter Design Using Electromagnetics". International
Journal of Microwave and Millimeter-Wave Computer-Aided Engineering 03/20.
[15] Sonnet Suites, versiyon:14.52, www.sonnetsoftware.com 2013.

Download Report