İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK -ELEKTRONİK FAKÜLTESİ FAKÜLTESİ
RF FİLTRE TASARIMLARI VE
GERÇEKLENMESİ
BİTİRME ÖDEVİ RAMİZ ERDEM AYKAÇ 040030461
Bölümü: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Programı : Elektronik Mühendisliği
Danışmanı: Dr. Rıza Can TARCAN
MAYIS 2010
ÖNSÖZ Bu çalışma çalışma esnasında esnasında gösterdiği özveriden özveriden ve yardımından yardımından ötürü tez danışmanı danışmanı hocam Rıca Can Tarcana’a ve proje boyunca karşılaştığım problemlerde tecrübelerini benimle paylaşan Dr. Bülen t Yağcı ve Ar. Gör. Osman Ceylan’a teşekkür eder ve akademik çalışmalarında başarılarının devamını dilerim. Ayrıca hayatım boyunca desteğini benden esirgemeyen aileme teşekkürü borç bilirim.
ii
İÇİNDEKİLER
ÖZET
iv
SUMMARY
v
1. GİRİŞ
1
2. FİLTRELER, FİLTRELER, ÇEŞİTLERİ VE YAKLAŞIM METHODLARI
2
2.1 Filtre Çeşitleri
3
2.2 Filtre tasarım Methodları
6
2.3 Filtre Yaklaşım Methodları
11
2.4 Mikroşerit Filtre Tasarımı
17
2.5 İşaret Birleştiriciler
19
3. SİMÜLASYONLAR
21
3.1 Filtre Tasarımları
21
Mikroşerit ve EM Filtre Tasarımları 3.2 Mikroşerit
28
3.3 İşaret Birleştirici Tasarımları
38
4. SONUÇ
45
KAYNAKLAR
46
ÖZGEÇMİŞ
47
iii
ÖZET RF FİLTRE TASARIMLARI VE GERÇEKLENMESİ GERÇEKLENMESİ
RF teknolojileri günümüz elektronik ürünlerinin büyük bir çoğunluğunda kendine yer edinmiş, gelecekte hayatımızın vazgeçilmez bir parçası olacağını göstermiştir. Bugün cep telefonlarında, televizyon ve radyo sistemlerinde, internete girmek için kullanılan bilgisayar sist emlerinde, ses sistemlerinde, uzaktan kumanda ile kontrol edebildiğimiz sistemlerde ve günlük hayatta kullandığımız daha birçok elektronik cihazlarda RF sistemler bulunmaktadır. Gelişen RF teknolojisi ile uydu veri transferi, GPS (Küresel Konumlama Sistemi), araç takip sistemleri gibi uygulamaların gerçeklenmesi sağlanmıştır. Bunun yanında tıpta kullanılan elektronik sistemler, kablosuz internet, kaliteli ses ve görüntü iletimi gibi uygulamalarda da kendini göstermiştir. Bu uygulamaların tamamına bakıldığında insanoğlu için birçok avantaj sağladığı görülmektedir. Bu çalışmada bu RF teknolojilerin bir parçası olan RF filtreler incelenip istenilen türde en uygun olan filtre çeşidi belirlenmeye çalışılmıştır. Projenin konusu olan VHF - UHF ve UHF – Uydu işaret birleştiricisi tasarımları için önce Butterworth ve
Chebyshev alt, üst ve band geçiren filtre türleri incelenip örnek tasarımlar yapılmaya çalışılmıştır. Ardından ayrık elemanlarla, mikroşerit hatlarla ve elektromanyetik yapılarla bu tasarımlar tekrar yapılıp projenin gerçeklenebilmesi için en uygun olan filtre belirlenmeye çalışılmıştır. Belirlenen kriterlere uygun olarak ayrık elemanlarla, mikroşerit hatlarla ve elektromanyetik yapılarla yapılan Chebyshev ve Butterworth tasarımlar raporlanmış sonuçlar değerlendirilerek VHF – UHF ve UHF – Uydu işaret birleştiricileri için uygun olan tasarım modeli seçilmiş ve gerçeklenmeye çalışılmıştır.
iv
SUMMARY
DESIGN OF RF FILTERS AND APPLICATIONS Nowadays, the technology of RF applications have lots of utilizations in electronic worlds and in the future, the area of RF usage is estimated to be extend. The RF applications are being indispensible in our lifes. Today, this applications are used in television television and radio systems, computers, mobile telephones, audio systems etc. Also, satellite data transfers, GPS (Global Positioning System), vehicle persuiting systems, biomedical electronic devices, wireless internet, qualified voice and view transfers are the application area of RF technology. All this implementation of RF technologies, which are gave us a lot of oppurtinities, are simplified the human life. In this work, the RF filters, which are the most important part of RF technology, are examined and attempted to design the available RF filters. First of all, the Butterworth and Chebyshev low-pass, high-pass and band-pass filters are designed for the VHF-UHF and UHF – Satellite Satellite signal integrated filters which are the graduation projects based on. After that, this filters designed in different ways which are uncoupled elements, microstrips and electromagnetic structure for the determination of the best filters.
v
1. GİRİŞ Sinyal filtreleme genellikle birçok haberleşme ara sistem tasarımının temelini oluşturmaktadır. Belirli frekans aralıklarında taşınan bilgilerin izolasyonu yada engellenmesi büyük önem taşımaktadır. Örneğin basit bir AM (genlik modülasyonu) radyo alıcısında kullanıcı band geçiren filtreleme yöntemiyle tek bir radyo istasyonu seçer. Seçilen istasyonuna yakın olan radyo istasyonlarının bulunduğu frekanslar engellenir.
Elektronik devrelerde filtreler genel olarak iki ana gruba ayrılırlar. Bunlar aktif ve pasif filtrelerdir. Bu iki filtre türünün de kendince avantajları vardır. Aktif filtrelerin
avantajlarından biri yüksek kazançlar elde edilebilmesidir. Fakat sınırlı kazanç – bant genişliği oranından ötürü, kuvvetlendiricili aktif filtreler genellikle çalışma aralığı ses frekansından yüksek olan haberleşme sistemlerinde kullanılmazlar. Haberleşme sistemlerinde gene olarak LC filtreler (alt, üst ve band geçiren) kullanılmaktadır. Çoğunlukla RF de kullanılan pasif filtrelerde merdiven tipi LC devreleri kullanılmaktadır. Kapasitelerin ve endüktansların değerleri belirtilen frekans, filtre türü gibi etkenlere bağlı olarak değişim göstermektedirler. Bu bitirme çalışmasında RF pasif LC filtreleri tasarlanmış ve test edilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında bu filtre türleri hakkında teorik bilgiler üzerinde durulmuştur. Filtre türleri ve filtre yaklaşımları hakkında gerekli olabilecek grafikler, formüller ve tablolar verilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında işaret birleştirici tasarımının düzgün yapılabilmesi için çeşitli filtreler üzerine tasarımlar yapılıp uygun olan filtre belirlenmiştir. İşaret birleştirici tasarımları yapıldıktan sonra gerçeklenip sonuçların uygunluğuna bakılmıştır.
1
2. FİLTRELER, ÇEŞİTLERİ VE YAKLAŞIM METHODLARI
Filtreler belirli frekanslarda çalışan yada belirli frekansları engelleyen , amaca göre
belirli bant genişlikleri bulunan yapılardır. Şekil 2.1’ de giriş çıkış empedansları 50 Ω olan paralel 1 nF bir kapasite ve 1 nH endüktansın birbirine bağlanmasıyla oluşmuş bir LC filtre görülmektedir. Şekil 2.2’de ise bu
filtrenin frekans cevabı
görülmektedir. İdeal bir filtrede geçiş bandında ekleme kaybının olmaması, sönümleme bandında sönümlemenin sonsuz olması, geçiş bandında lineer faz cevabının olması ve giriş ve çıkışının eşlenmiş olması arzu ed ilir. Fakat böyle bir filtre gerçekleştirmek mümkün değildir [1].
CAP ID=C1 C=1 nF
PORT P=1 Z=50 Ohm
IND ID=L1 L=1 nH
Şekil 2.1: Örnek LC filtre
2
PORT P=2 Z=50 Ohm
Şekil 2.2: Frekans cevabı
2.1 Filtre Çeşitleri Filtre çeşitlerini dört genel başlıkta toplayabiliriz. Bunlar alt geçiren filtreler, üst
geçiren filtreler, band geçiren filtreler, band söndüren filtrelerdir. Bitirme projesi boyunca bu dört filtre türünden alt geçiren, üst geçiren ve bant geçiren filtreler üzerine örnekler yapılmıştır.
Alt Geçiren Filtreler Kısaca alt geçiren filtreleri tanımlayacak olursak; belirtilen kesim frekansından düşük olan frekansları geçiren, kesim frekansından yüksek olan frekansları da sönümlendirerek iletimine engel olan filtrelerdir. Alt geçiren filtre yapıları seri endüktanslar ve paralel kapasitelerin kaskat dizilimi ile gerçeklenirler [2]. İdeal bir alt geçiren filtre kesim frekansından yüksek olan tüm frekansları yok etmelidir. Yani frekans cevabı dikdörtgen şeklinde olmalıdır. Fakat ideal filtreyi gerçeklemek mümkün değildir. Alt geçiren filtrelerde frekans cevabı kesim frekansından sonra belirli bir eğimle azalan şekildedir. Filtre gerçeklendiğinde genelde -3 dB düşümdeki frekans değeri kesim frekansı olarak alınır. Şekil 2.3’de bir alt geçiren filtre için 3
kazancın açısal frekansa oranını gösteren grafik verilmiştir. Grafiğin altında kalan kesim frekansına kadar olan kısmı geçiş bandı, kesim frekansından sonraki kısım ise sönümleme bandı olarak belirtilmiştir. Grafiğin sönümleme bandındaki eğimi ise -20 dB/dekat olarak belirtilmiştir.
Şekil 2.3: Alt geçiren filtre kazanç – açısal frekans grafiği Üst Geçiren Filtreler Üst geçiren filtre yapıları seri kapasiteler ve paralel endüktanların kaska t dizilimi ile gerçeklenirler [2]. Üst geçiren filtreler alt geçiren filtrelerin çalışma prensibinin tersi şeklinde çalışırlar. Yani kesim frekansının üstündeki frekansları geçirip altındaki frekansları sönümlendirerek iletimine engel olan filtrelerdir. Şekil 2.4’de üst geçiren filtre karakteristiği gösterilmiştir. Grafiklerden soldaki ideal filtre cevabı, sağdaki gerçekte üst geçiren filtre cevabıdır.
4
Şekil 2.4: Üst geçiren filtre karakteristiği Band Geçiren Filtreler Band geçiren filtreler istenilen band aralığındaki frekansları geçirip diğer frekansları engelleyen filtre türüdür. Band geçiren filtreler alt ve üst geçiren filtrelerin birleşimi gibi de düşünülebilir. Şekil 2.5’de f L alt kesim frekansını, f H üst kesim frekansını, f o merkez frekansını ve B band genişliğini ifade etmektedir . (2.1) (2.2)
Şekil 2.5: Band geçiren filtre örnek frekans cevabı 5
2.2 Filtre Tasarım Methodları
Süzgeç tasarlamak için çeşitli yöntemler vardır. Bunlardan biri olan iletim parametreleri methodu iki kapılı kaskat devrelerin geçiş ve söndürme bandı tanımlamalarını kapsar. Bu sebeple metot, periyodik yapılara da benzer. Metot genel anlamda basittir, fak at rasgele frekans cevapları tasarımda kullanılamaz. Bu nokta
araya girme metodu tasarımı ile arasındaki farktır. Basit filtre yapıları için bu metot çok kullanışlıdır [3]. Bu method sonlu periyodik yapılar ile pratik filtreler arasında geçiş için büyük kolaylıklar sağlamaktadır.
İki Kapılı Devreler Şekil 2.6’deki devrenin ABCD parametrelerini bulmamız gereklidir. Devrenin girişlerindeki empedanslar Z i1 ve Zi2 olarak alınırsa; Zi1 : 2. portun Zi2 ile sonlanması durumundaki 1. portun giriş empedansı Zi2 : 1. portun Zi1 ile sonlanması durumundaki 2. porttaki giriş empedansı
Şekil 2.6: İki kapılı devre modeli Devre için empedansları ABCD parametreleri ile tanımlarsak portlardaki gerilim ve akımlar : V1=A*V2+B*I2
(2.3a)
I1=C*V2+D*I2
(2.3b)
2. port Zi2 ile sonlandırılırsa 1. porttaki giriş empedansı: Zg1 = V1 I1 = A*V2+B*I2 C*V2+DI2 = A*Zg2+ B C*Zg2+D
6
Karşıt devreler için AD – BC = 1. 2.4a denklemi V 2 ve I2 için ABCD matrisi ile çözülürse:
1. port Zi1 ile sonlandırılırsa 2. porttaki giriş empedansı:
Şekil 2.6’de
olması beklenir. (2.4a) ve (2.6a) denklemleri
ve
tekrar düzenlenirse.
Bu denklemlerden
ve
çekilir se:
Denklemleri elde edilir. Eğer kullanılan devre simetrik ise A=D ve gerekmektedir.
7
olması
Basamak Tipi Devreler
LC filtre tasarımlarında genelde basamak tipi devreler kullanılmaktadır. Şekil 2.7 ve Şekil 2.8’de basamak tipi devrelerin iki genel konfigürasyonu görülmektedir.
L1 Rs
L2 C1
C2
RL
Vs
Şekil 2.7: Basamak tipi örnek devresi
C1 Rs
C2 L1
L2
RL
Vs
Şekil 2.8: Basamak tipi örnek devresi Basamak tipi iki kapılı devrelerin iki önemli çeşidi vardır. Bunlar simetrik П ve T tipi devrelerdir. Şekil 2.9’de solda T tipi sağda П tipi devre modeli görülmektedir.
Bu devrelerin genel özellikleri Tablo 2.1 de verilmiştir.
8
Şekil 2.9: T ve П tipi devre prototipleri Tablo 2.1: T ve П tipi devre prototipleri için genel parametreler [3].
П Devresi
T Devresi ABCD Parametreleri
ABCD Parametreleri
Z Parametreleri
Z Parametreleri
İletim Parametreleri
İletim Parametreleri
Yayılma Sabiti
Yayılma Sabiti
Basamak tipi bir LC alt geçiren filtre tasarlanmak istendiğinde şekil 2. 10’daki gibi T
tipi yada П tipi şeklinde modellenir. Devrelerdeki seri endüktanslar ve paralel kapasiteler düşük frekansları geçirirken yüksek frekansları bloke ederler. Tablo 2.1 ile karşılaştırma yaparsak
ve
iletim empedansı:
9
olarak elde edilir. Bu durumda
Kesim frekansı
olarak alınırsa:
olarak elde edilir. Nominal karakteristik empedans:
bulunur. k, bir sabit olduğu için (2.9) tekrar yazılırsa;
w=0 için
olur.
L
C/2
L/2
L/2 C
C/2
(a)
(b)
Şekil 2.10: Basamak tipi LC alt geçiren filtre prototipi Devrelerde endüktans ve kapasite değerlerinin belirlenmesinde iki parametre kullanılır ; k esim frekansı (
) ve sıfır frekansındaki iletim empedansı (
2.10’daki П alt geçiren devresi için
ve
). Şekil
olarak elde edilir. Bu
değerler daha önce T devresi için elde ettiğimiz değerlerle aynıdır. Kesim frekansı ve 10
iletim empedansları da daha (2.10) ve (2.11) denklemleriyle aynı bulunur. w=0’da П alt geçiren filtresinin ise
iletim empedansı
olur. Diğer durumlarda
’dir.
Şekil 2.11’de T ve П tipi üst geçiren filtreler görülmektedir. Kapasitelerle endüktansların, endüktanslarla kapasitelerin yerlerini değiştirerek alt geçiren filtreler i tasarladığımız gibi üst geçiren filt releri de tasarlayabiliriz [1]. Kullanılan denklemler ise şu şekildedir:
2C
C
2C
2L
L
2L
(b)
(a) Şekil 2.11: Basamak tipi LC üst geçiren filtre prototipi 2.3 Filtre Yaklaşım Methodları Butterworth
Butterworth filtre; genlik cevabının mümkün olduğu kadar düz olmasını sağlayan orta-Q filtresidir. Geçiş bandı en düz olan ve dalgalanmanın hiç olmadığı frekans
cevabı Butterworth ile elde edilir [4]. Butterworth filtrelerde sönümlenme: 11
Burda w istenen sönümlenme değerinin gerçekleştiği frekans,
kesim frekansı, n
f iltrenin derecesidir. Şekil 2.12’de klasik bir butterworth filtre cevabı gösterilmiştir.
(2.15)’de görüldüğü üzere filtrenin derecesi arttıkça sönümleme eği mi de dikleşmektedir. Şekil 2.13’ de bu değişim gösterilmiştir.
Şekil 2.12: Butterworth frekans cevabı
Şekil 2.13: Farklı derecelerdeki Butterworth filtrelerde sönümlenme eğimleri Chebyshev
Chebyshev filtreler bir tür yüksek -Q filtreleridir. Bu filtreler; söndürme bandında dik iniş istenildiğinde ve geçiş bandının düz olmasının gerekli olmadığı durumlarda 12
kullanılır. Bu filtre cevabında geçiş bandı nda dalgalanmaya izin verilir. Butterworth cevabına oranla söndürme bandı ndaki başlangıç inişleri daha keskindir. Bu karşılaştırma Şekil 2. 14’ de yer almaktadır. Şekilde eğriler n=3 derecesindeki filtreler içindir. Chebyshev filtresi geçiş bandında 3 dB’lik da lgalanma yapar. Butterworth filtresinden 10 dB kadar söndürme bandında daha fazla zayıflama yapar [4].
Şekil 2.14: 3. dereceden bir filtre için Butterworth ve Chebyshev frekans cevaplarının karşılaştırılması [4]. Chebyshev filtresinde sönümlenme:
olur. Bu denklemde
çarpanı Chebyshev polinomudur ve
filtre derecesine
göre değişir. LC filtrelerde eleman değerleri Chebyshev ve Butterworth için aynı formüllerle hesaplanır. Tablo 2.2’de alt üst ve band geçiren filtreler için LC eleman değerlerinin formülleri verilmiştir.
13
Tablo 2.2: LC filtreler için elemanların formülleri
Filtre Türü
Seri Eleman Değerleri
Paralel Eleman Değerleri
Alt Geçiren Üst Geçiren
Band Geçiren
R=giriş/çıkış direnci Ω cinsinden , : tasarlanmak istenen filtreye göre tablodan gelen sabit katsayılar , : kesim frekansı, : üst kesim frekansı , :alt kesim frekansı.
Tasarlanmak istenen filtrenin derecesi belirlenirken kesim frekansı ( ) ve belirtilen frekansta ( ) ne k adar sönüm olması gerektiği kriterleri dikkate alınır.
değeri hesaplanarak ilgili grafiklerden istenen sönümle kesiştiği nokta belirlenir. Bu noktaya en yakın olan eğri filtrenin derecesini belirler. Günümüzde gelişen teknolojiyle beraber birçok filtre hesaplayıcısı çıkmıştır. Çalışmalar boyunca AWR Microwave Office programının hesaplayıcısı yardımıyla tasarımlar yapılmıştır [5]. Butterworth ve Chebyshev yaklaşımıyla yapılacak tasarımlar için yardımcı tablolar ve grafikler
Butterworth filtre tasarımları için Şekil 2.1 5’deki sönüm – normalize frekans grafiği
yardımıyla filtre derecesi, Tablo 2.3’deki eleman değerleri yardımıyla Tablo 2.2’deki eleman formülleri çözülerek devre elemanlarının değerleri bulunur.
14
Şekil 2.15: Geçiş bandı maksimum düzlüklü filtre örnek modeli için sönüm – normalize frekans grafiği [ 6]. Tablo 2.3: Geçiş bandı maksimum düzlüklü alt geçiren filtre örnek modeli için
eleman değerleri (
) [6].
N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2.0000 1.4142 1.0000 0.7654 0.6158 0.5176 0.4450 0.3902 0.3473 0.3129
1.0000 1.4142 2.0000 1.8478 1.6180 1.4142 1.2470 1.1111 1.0000 0.9080
1.0000 1.0000 1.8478 2.0000 1.9318 1.8019 1.6629 1.5321 1.4142
1.0000 0.7654 1.6180 1.9318 2.0000 1.9615 1.8794 1.7820
1.0000 0.6158 1.4142 1.8019 1.9615 2.0000 1.9754
1.0000 0.5176 1.2479 1.6629 1.8794 1.9754
1.0000 0.4450 1.1111 1.5321 1.7820
1.0000 0.3902 1.0000 1.4142
1.0000 0.3473 0.9080
1.0000 0.3129
Chebyshev filtre tasarımları için Şekil 2.1 6 ve 2.17’daki sönüm – normalize frekans grafikleri yardımıyla filtre derecesi, Tablo 2.4’deki eleman değerleri yardımıyla Tablo 2.2’deki eleman formülleri çözülerek devre elemanlarının değerleri bulunur.
15
Şekil 2.16: 0.5 dB eşit dalgalanmalı filtre örnek modelleri için sönüm – normalize frekans grafiği [6].
Şekil 2.17: 3 dB eşit dalgalanmalı filtre örnek modelleri için sönüm – normalize frekans grafiği [6].
16
Tablo 2.3: Eşit dalgalanmalı alt geçiren filtre örnek modeli için 0.5 dB ve 3 dB ) [6]. dalgalanmalı eleman değerleri ( 0.5 dB Dalgalanma N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.6989 1.4029 1.5963 1.6703 1.7058 1.7254 1.7372 1.7451 1.7504 1.7543
1.0000 0.7071 1.0967 1.1926 1.2296 1.2479 1.2583 1.2647 1.2690 1.2721
1.9841 1.5963 2.3661 2.5408 2.6064 2.6381 2.6564 2.6678 2.6754
1.0000 0.8419 1.2296 1.3137 1.3444 1.3590 1.3673 1.3725
1.9841 1.7058 2.4758 2.6381 2.6964 2.7239 2.7392
1.0000 0.8696 1.2583 1.3389 1.3673 1.3806
1.9841 1.7372 2.5093 2.6678 2.7231
1.0000 0.8796 1.2690 1.3485
1.9841 1.7504 2.5239
1.0000 0.8842
1.9841
5.8095 3.5182 4.4990 4.6692 4.7260
1.0000 0.6073 0.7760 0.8051
5.8095 3.5340 4.5142
1.0000 0.6091
5.8095
3 dB Dalgalanma N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1.9953 3.1013 3.3487 3.4389 3.4817 3.5045 3.5182 3.5277 3.5340 3.5384
1.0000 0.5339 0.7117 0.7483 0.7618 0.7685 0.7723 0.7745 0.7760 0.7771
5.8095 3.3487 4.3471 4.5381 4.6061 4.6386 4.6575 4.6692 4.6768
1.0000 0.5920 0.7618 0.7929 0.8939 0.8089 0.8118 0.8136
5.8095 3.4817 4.4641 4.6386 4.6990 4.7272 4.7425
1.0000 0.6033 0.7723 0.8018 0.8118 0.8164
2.4 Mikroşerit Filtre Tasarımı
Mikroşerit filtrelerin, mikrodalga devreleri, radarlar, hücresel haberleşme, test ve
ölçüm sistemleri gibi çeşitli uygulama alanları vardır. Küçük boyutlu, ucuz ve üretimleri kolay olduklarında mikroşeritler günümüzde filtre uygulamalarında sıkça kullanılmaktadır. Mikroşerit filtre tasarımında istenen filtre karakteristiğini verecek şekilde bilinen filtre modelleri kullanılarak (Butterworth, Chebyshev v.s.) endüktans (L) ve kondansatör (C) elemanlarının sayısı ve değerleri hesaplanır ve elde edilen LC devresi mikroşerit eşleniğine dönüştürülür [7]. Bitirme çalışmasında band geçiren filtre tasarımlarında mikroşerit tasarım methodlarından paralel bağlaşık hat çifti (parallel coupled)methodu denenmiştir . Bu methodda Şekil 2.18’deki gibi hat çiftleri
birbirine kaskad bağlanarak Şekil 2.19’deki gibi devreler elde edilmektedir.
17
λ /4 Zi1
Zi1
Şekil 2.18: Band geçiren filtreler için paralel hat çifti
Şekil 2.19: Paralel hat çifti mikroşerit band geçiren filtre örneği
denklemleri kullanılarak;
denklemleri elde edilir. : tek mod empedansı,
: çift mod empedansı, d: taban kalınlığı, : dielektrik sabiti, 18
: hat genişliği, : hat çifti arası uzaklık . Mikroşerit hattın yaydığı dalganın boyu:
Hattın uzunluğu
olduğundan (2.19) yardımıyla hesaplanabilir.
2.5 İşaret Birleştiriciler (Diplekser)
İşaret birleştiriciler farklı frekanslarda çalışan iki filtreyi tek port ile sonlandıran yapılardır. Çoklayıcıların (multiplexer) en basit haldeki şeklidir. Burda amaç filtrelerden gelen işaretlerden birini geçirip diğerini engellemektir. Örneğin, farklı frekans bandlarında yayın yapan iki radyo , diplekser yardımıyla ortak bir antene bağlanabilirler.
İşaret
ler birleştirici
etkileşimleri
dikkate
alınmış
birbirini
tamamlayan iki paralel filtrenin bir T şeklinde bağlanması şeklinde oluşturulur. Bu filtrelerden biri üst geçiren filtre diğeri alt geçiren filtredir. Bu iki filtrenin de belli kesim frekansları vardır ve bu kesim frekanslarının alt geçiren filtre için altında kalan frekansları, üst geçiren filtre için üstünde kalan frekansları T bağlantısının diğer tarafına iletilir. Birleştirici tasarlanırken bu iki filtrenin çıkış empedanslarının birbirine eşlenmesi gerekmektedir. Filtrelerin giriş empedansları da birbiriyle uyumlu olmalıdır. Bu bitirme projesinde 75Ω olarak belirlenmiştir. Şekil 2.20’de birleştirici blok diyagramı, Şek il 2.21’de birleştirici prototip devresi verilmiştir.
19
1.Giriş Portu
Alt Geçiren Filtre Kısmı
Ortak Çıkış
T Bağlantı Kısmı
2.Giriş Portu
Portu
Üst Geçiren Filtre Kısmı
Şekil 2.20: İşaret birleştirici blok diyagramı 1. Giriş Portu
L1
C1
L2
L1
C1
C1
C2
C1
Çıkış Portu
2. Giriş Portu
L1
L1
Şekil 2.21: İşaret birleştirici örnek devresi İşaret birleştiriciler genellikle haberleşme sistemlerinde kullanılırlar. Nadiren radar sistemlerinde de kullanılabilirler. Örneğin genişbandlı çok fonksiyonlu radar sistemlerinde alınan sinyallerin frekansa bağlı farklı hatlara yönlendirme işlemlerinde kullanıldıkları görülmüştür. Bir başka kullanım alanı da ses sistemleridir. Çapraz bağlantı (crossover network) sistemi gelen bas sinyalleri derin bas hoparlöre (sub -woofer), tiz sinyalleri tiz hoparlörlere iletir.
20
3. SİMÜLASYONLAR 3.1 Filtre Tasarımları
Butterworth Yaklaşımıyla Alt Geçiren Filtre Simülasyonları Teori kısmının pekiştirilmesi için ilk olarak butterworth alt geçiren filtre tasarımları yapıldı. Filtre parametresi olarak giriş -çıkış empedansları 50Ω olan, kesim frekansı olan, 3. ve 4. dereceden butterworth filtre tasarlanmaya çalışıldı. Bunun için Tablo 2.2’deki alt geçiren filtre için L ve C formülleri ve Tablo 2.3’deki
sabit
eleman değerleri kullanıldı. Devrelerdeki eleman değerleri 3. dereceden olan için pF, 4. dereceden olan için
nH ve nH,
pF ve
nH,
pF olarak bulundu. Bu iki devrenin
parametreleri
aynı grafik üzerinde çizdirildiğinde 4. derece butterworth filtrenin sönümlenmesinin daha dik olduğu görüldü. Şekil 3.1’ de 3. dereceden filtrenin, Şekil 3. 2’de 4. dereceden filtrenin devre elemanları, Şekil 3. 3’de bu iki filtrenin cevapları gösterilmiştir.
PORT P=1 Z=50 Ohm
IND ID=L1 L=7.96 nH
IND ID=L2 L=7.96 nH
CAP ID=C1 C=6.366 pF
Şekil 3.1: 3. Dereceden Butterworth filtre
21
PORT P=2 Z=50 Ohm
frekans
IND ID=L1 L=14.7 nH
PORT P=1 Z=50 Ohm
CAP ID=C1 C=2.43 pF
IND ID=L3 L=6.1 nH
CAP ID=C2 C=5.88 pF
PORT P=2 Z=50 Ohm
Şekil 3.2: 4. Dereceden Butterworth filtre
Şekil 3.3: 1 ghz kesim frekanslı 3. ve 4. dereceden Butterworth filtre
frekans
cevabı
Chebyshev Yaklaşımıyla Alt Geçiren Filtre Simülasyonları İkinci görev olarak Chebyshev alt geçiren filtre tasarımı yapıldı. Filtre parametresi olarak giriş-çıkış empedansları 50Ω, 0.5 dB eşit dalgalanmalı, 22
’de -20
dB sönüm yapan, 3. ve 5. dereceden Chebyshev filtre tasarlanmaya çalışıldı. Tasarım yapılırken önce derecelerin 3 ve 5 olabilmesi için kesim frekanslarının Şekil 2.1 6
yardımıyla 3. dereceden olan için
burdan
dereceden olan için
burdan
GHz, 5.
GHz olduğu bulundu.
Daha sonra Tablo 2.2’deki alt geçiren filtre için L ve C formülleri ve Tablo 2.4’deki sabit eleman değerleri kullanıldı. Devrelerdeki eleman değerleri 3. dereceden olan için
pF; 5. dereceden olan için
nH ve pF ve
nH,
pF olarak bulundu. Bu iki devrenin
parametreleri aynı grafik üzerinde çizdirildiğinde 5. Derece Chebyshev filtrenin sönümlenmesinin daha dik olduğu görüldü. Şekil 3. 4’de 3. dereceden filtrenin, Şekil 3.5’de 5. dereceden filtrenin devre elemanları, Şekil 3. 6’de bu iki filtrenin
frekans cevapları gösterilmiştir.
PORT P=1 Z=50 Ohm
IND ID=L1 L=10.3 nH
IND ID=L2 L=10.3 nH
CAP ID=C1 C=2.82 pF
Şekil 3.4: 3. derece Chebyshev filtre
23
PORT P=2 Z=50 Ohm
PORT P=1 Z=50 Ohm
IND ID=L1 L=6.85 nH
IND ID=L2 L=10.5 nH
CAP ID=C1 C=2.12 pF
CAP ID=C2 C=2.12 pF
IND ID=L3 L=6.85 nH
PORT P=2 Z=50 Ohm
Şekil 3.5: 5. derece Chebyshev filtre
Şekil 3.6: 2.55 GHz’de -20 dB sönüm yapan 3. ve 5. dereceden Chebyshev filtre frekans cevabı
24
Chebyshev
ve
Butterworth
Yaklaşımlarında
frekans
cevaplarının
karşılaştırılması Üçüncü görev olarak Chebyshev ve Butterworth filtrelerin frekans cevaplarının karşılaştırılması seçildi. Filtre parametresi olarak giriş -çıkış empedansları 50Ω, kesim frekansı
olan, Chebyshev filtre için 0.5 dB eşit dalgalanmalı, 5.
Dereceden Butterworth ve Chebyshev filtre tasarlanmaya çalışıldı. Bu devrelerin tasarlanmasında AWR Design programının filtre sentez sihirbazı (Filter Synthesis Wizard) kullanıldı [5]. Bunun için önce AWR Filter Synthesis Wizard seçildi. Çıkan adımlar sırasıyla filtre türü (alt geçiren), yaklaşım türü (chebyshev - butterworth), filtre parametreleri (N,
, geçiş bandı parametreleri,
), filtre tekniği (ideal
elektriksel model), iletim yapısı (ayrık elemanlar), ayrık eleman parametreleri, şema
seçenekleri ve tasarla şeklindedir. Şekil 3. 7’de bu adımlar gösterilmiştir. Sihirbazla tasarlanan filtrelerin eleman değerleri Şekil 3. 8 ve Şekil 3.9’da da görüldüğü üzere, Butterworth için Chebyshev için
, ,
olarak, olarak
bulundu. Filtrelerin Şekil 3. 10’da gösterilen frekans cevapları karşılaştırıldığında -20 dB sönümlenmenin Chebyshev yaklaşımında 400 MHz daha erken olduğu görülmektedir. Keskin frekans düşümü olması istenen tasarımlarda Chebyshev filtrelerin kullanılması Butterworth filtrelere kıyasla daha uygun olacağı görülmüştür.
25
Şekil 3.7: AWR Filtre tasarım sihirbazı adımları 26
IND ID=L1 L=L0 nH
PORT P=1 Z=50 Ohm
IND ID=L2 L=L1 nH
CAP ID=C1 C=C0 pF
C0=2.878 L0=2.748
IND ID=L3 L=L0 nH
CAP ID=C2 C=C0 pF
PORT P=2 Z=50 Ohm
L1=8.894
Şekil 3.8: 5. dereceden Butterworth Filtre
PORT P=1 Z=50 Ohm
IND ID=L1 L=L0 nH
C0=2.174 L0=7.541
IND ID=L2 L=L1 nH
CAP ID=C1 C=C0 pF
L1=11.23
Şekil 3.9: 5. dereceden Chebyshev Filtre
27
IND ID=L3 L=L0 nH
CAP ID=C2 C=C0 pF
PORT P=2 Z=50 Ohm
Şekil 3.10: 5. dereceden Butterworth ve Chebyshev Filtre
frekans cevabı
3.2 Mikroşerit ve EM Filtre Tasarımları
Mikroşerit alt geçiren filtre tasarımı Bu tasarımda kesim frekansı -3 dB’de
’de -20 dB
olan ve
sönüm gerçeklenmesi istenen bir mikroşerit filtre yapılmak istenmiştir. Filtrenin önce bir Chebyshev yaklaşımıyla tasarımı yapılıp mikroşerit yapıda e mpedans uydurma yoluna gidilmiştir. Şekil 2.1 6’da 20 dB’de
yaklaşık olarak 7.
dereceyi göstermektedir. Sihirbaz yardımıyla Şekil 3. 11’deki devre elde edilmiştir. Devredeki elemanların değerleri nH,
nH,
pF ve
pF olarak bulundu.
28
nH,
IND ID=L1 L=0.65 nH
PORT P=1 Z=50 Ohm
CAP ID=C1 C=1.38 pF
IND ID=L2 L=5.6 nH
IND ID=L3 L=5.86 nH
CAP ID=C2 C=2.48 pF
CAP ID=C3 C=2.48 pF
IND ID=L4 L=5.6 nH
IND ID=L5 L=0.65 nH
PORT P=2 Z=50 Ohm
CAP ID=C4 C=1.38 pF
Şekil 3.11: 7. dereceden Chebyshev filtre Her elemanın mikroşerit karşılığına düşen elemanlarla, endüktanslar için kapalı form mikroşerit hat, kapasiteler için sonlanma efektli mikroşerit hat ve ara bağlantıları sağlamak için T bağlantı köprüleri kullanılarak, Şekil 3. 12’deki devre kuruldu. Seçilen tabanın özellikleri dielektrik sabiti Er = 4.4, dielektrik kaybı tand = 0.01, taban kalınlığı h = 10 mm, iletken kalınlığı t = 1.6 mm olarak seçildi. Dielektrik kaybı dışında bu değerler sonraki tüm mikroşerit tasarımlarda da aynı seçildi. Hatların genişliği
seçildi ve sabit tutuldu. Diğer elemanlar istenen
kriterlere göre AWR design programıyla önce optimize edildi ardından akortlayıcı (tuner) yardımıyla düzeltmeler yapılarak frekans cevabı Chebyshev filtrenin frekans cevabına benzetilmeye çalışıldı ve Şekil 3. 13’deki frekans cevabı elde edildi. Hat uzunlukları
mm, mm endüktans eşdeğerleri,
mm, mm
mm kapasite eşdeğerleri olarak bulundu. Grafik incelendiğinde mikroşerit filtrenin
frekans cevabı kabul edilebilir seviyede -9 ila -10 dB arasında
değişmekte,
frekans cevabı -3 dB de yaklaşık 2.5 GHz’yi, -20 dB’de 3 GHz’yi
göstermektedir.
29
MSUB Er=4.4 H=1.6 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0 ErNom=4.4 Name=SUB1
PORT P=1 Z=50 Ohm
W=3 Cdis=1 Cic=11.5 Ldis=3.3 Lic=17 Lorta=9.3
MLIN ID=TL1 W=W mm L=Ldis mm
MLIN ID=TL3 W=W mm L=Lic mm
MTEE$ ID=TL10 1
2
MLIN ID=TL5 W=W mm L=Lorta mm
MTEE$ ID=TL11 1
3
2
1
3
MLEF ID=TL2 W=W mm L=Cdis mm
MLIN ID=TL7 W=W mm L=Lic mm
MTEE$ ID=TL12 2
3
MLEF ID=TL4 W=W mm L=Cic mm
MLIN ID=TL9 W=W mm L=Ldis mm
MTEE$ ID=TL13 1
2
PORT P=2 Z=50 Ohm
3
MLEF ID=TL6 W=W mm L=Cic mm
MLEF ID=TL8 W=W mm L=Cdis mm
Şekil 3.12: Mikroşerit eşlenik filtre
Şekil 3.13: Frekans cevaplarının eşleştirilmiş hali Mikroşerit band geçiren filtre tasarımı Bu tasarımda da bir önceki mikroşerit tasarıma benzer şekilde devre önce Butterworth yaklaşımıyla ayrık elemanlar kullanılarak t asarlandı ardından mikroşerit eşlenik devresi oluşturularak
olarak sabit tutulup, önce optimize edilip
daha sonra akort edilerek elde edildi. Sihirbaz yardımıyla alt kesim frekansı
30
, üst kesim frekansı
olan 5. dereceden bir butterworth filtre
tasarlandı. Eleman değerleri ,
, ,
,
olarak Şekil
ve
3.14’deki gibi elde edildi. Taban kayıplarının ne kadar etkli olabileceğini görmek
için iki farklı dielektrik kaybı seçildi. tand=0.01 e göre yapılan tasarımda eleman değerleri
,
,
,
,
,
olarak bulundu. tand=0.05 olarak değiştirildikten sonra eleman değerleri ,
, ,
, ,
olarak
bulundu. Şekil 3. 15’de bu mikroşerit yapılar gösterilmektedir.
PORT P=2 Z=50 Ohm
IND ID=L1 L=49.1 nH
CAP ID=C1 C=0.086 pF
CAP ID=C2 C=51.5 pF
IND ID=L3 L=159.2 nH
CAP ID=C4 C=51.5 pF
IND ID=L2 L=0.082 nH
Şekil 3.14: 5. dereceden band geçiren Butterworth filtre
31
IND ID=L5 L=49.1 nH
CAP ID=C3 C=0.0265 pF
IND ID=L4 L=0.082 nH
CAP ID=C5 C=0.086 pF
PORT P=1 Z=50 Ohm
MSUB Er=4.4 H=1.6 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0.05 ErNom=4.4 Name=SUB2
Co=18.7 Lo=30.1 Ld=21.7 Cd=40.9 Li=34.4 Ci=16.3
MLEF ID=TL3 W=3 mm L=Co mm MLIN PORT ID=TL1 P=2 W=3 mm Z=50 Ohm L=Ld mm
MLIN ID=TL2 W=3 mm L=Cd mm
MCROSS$ ID=TL11 MLIN ID=TL5 W=3 mm L=Li mm
2
MLEF ID=TL7 W=3 mm L=Co mm MLIN ID=TL6 W=3 mm L=Ci mm
3
1
MCROSS$ ID=TL12 MLIN ID=TL9 W=3 mm L=Ld mm
2
3
1
4
MLIN ID=TL10 W=3 mm L=Cd mm
PORT P=1 Z=50 Ohm
4
MLIN ID=TL4 W=3 mm L=Lo mm
MLIN ID=TL8 W=3 mm L=Lo mm
Şekil 3.15: Devrenin mikroşerit eşleniği Devrelerin frekans cevapları karşılaştırıldığında S parametrelerinin ayrık elemanlarla tasarlanan filtrede filtrede
dB ve
dB ve
’de
dB, tand=0.01 olan
dB, tand=0.05 olan filtrede
dB olduğu görülmektedir. Taban kaybının artması
parametresinde 5
dB’lik bir kayıba sebep olmuştur. Şekil 3.16’ da frekans cevapları gösterilmiştir.
Şekil 3.16: Frekans cevaplarının karşılaştırılması 32
ve
EM band geçiren filtre tasarımı Yapılan tasarımda 2.4 - 2.5 GHz arası band geçiren beşinci dereceden chebyshev filtre tasarlanmaya çalışıldı. AWR design programının sihirbazı kullanılarak bir paralel bağlaşık hat çiftleriyle mikroşerit devre oluşturuldu. Dielektrik kaybı tand = 0.001 ve hassasiyet 0.01 mm alınarak Şekil 3.17’de ki devre elde edildi. Birbirine
paralel altı hat çiftinin birbirine kaskat bağlanmasıyla oluşan bu simetrik devrede için eleman değerleri
,
,
için eleman değerleri
olarak,
,
için
olarak,
,
, ,
olarak bulundu. Devrenin frekans cevabı incelendiğinde
GHz de
dB olduğu görüldü. Şekil 3. 18’de ayrıntılı olarak frekans
dB,
cevabı verilmiştir.
PORT P=1 Z=50 Ohm
MCFIL ID=TL1 W=W0 mm S=S0 mm L=L0 mm MCFIL ID=TL2 W=W1 mm S=S1 mm L=L1 mm
L0=16.17 L1=16.13
MCFIL ID=TL3 W=W2 mm S=S2 mm L=L2 mm
L2=16.03 S0=0.9192 S1=3.942 MCFIL ID=TL4 W=W2 mm S=S2 mm L=L2 mm
S2=4.117 W0=2.635 W1=2.911 MCFIL ID=TL5 W=W1 mm S=S1 mm L=L1 mm
MSUB Er=4.4 H=1.6 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0.001 ErNom=4.4 Name=SUB1
W2=3.098
MCFIL ID=TL6 W=W0 mm S=S0 mm L=L0 mm
PORT P=2 Z=50 Ohm
Şekil 3.17: Paralel hat çiftleriyle tasarlanmış 5. dereceden mikroşerit Chebyshev band geçiren filtre
33
Şekil 3.18: Paralel hat çiftleriyle tasarlanmış 5. dereceden mikroşerit Chebyshev band geçiren filtre frekans cevabı Bu devre aynı L (uzunluk), W (genişlik),S (elemanlar arası mesafe) değerleriyle AWR dersign programının manyetik yapılar için kullanılan AXIEM simulatorü kullanılarak Şekil 3. 19’daki gibi tasarlandı. Kullanılan manyetik tabanın özellikleri de dielektrik sabiti Er = 4.4, dielektrik kaybı tand = 0.001, taban kalınlığı h = 10 mm,
iletken kalınlığı t = 1.6 mm olarak seçildi ve Şekil 3. 20’deki frekans cevabı oluştu. Grafik incelendiğinde
GHz’de
elde edildi.
34
dB ,
dB değerleri
Şekil 3.19: EM tasarımın şekli
Şekil 3.20: EM tasarımın frekans cevabı Taban dielektrik kaybının 0.001 olması mümkün olmadığından daha gerçekçi bir tasarım için tand = 0.02 seçilerek filtreler tekrardan tasarlandı. Taban kaybının artmasıyla filtrelerin frekans cevaplarında büyük değişiklikler gözlendi. Mikroşerit filtrenin eleman değerleri olarak,
için
için için
, ,
,
, ,
,
GHz’de mikroşerit tasarım için 35
olarak, olarak bulundu.
dB,
dB,
manyetik elemanlarla yapılan tasarım için
dB,
dB
bulundu. Mikroşerit filtre için Şekil 3.21’da devre şeması ve Şekil 3. 22’de frekans cevabı gösterilmiştir. Manyetik filtre için Şekil 3.23’da devre şeması ve Şekil 3.24’de frekans cevabı gösterilmiştir.
PORT P=1 Z=50 Ohm
MCFIL ID=TL1 W=W0 mm S=S0 mm L=L0 mm MCFIL ID=TL2 W=W1 mm S=S1 mm L=L1 mm
L0=16.2 L1=16.1 MCFIL ID=TL3 W=W2 mm S=S2 mm L=L2 mm
L2=16 S0=0.5 S1=3.8 S2=3.9
MCFIL ID=TL4 W=W2 mm S=S2 mm L=L2 mm MSUB Er=4.4 H=1.6 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0.02 ErNom=4.4 Name=SUB1
W0=2.6 W1=2.9 W2=3.1 MCFIL ID=TL5 W=W1 mm S=S1 mm L=L1 mm MCFIL ID=TL6 W=W0 mm S=S0 mm L=L0 mm
PORT P=2 Z=50 Ohm
Şekil 3.21: Mikroşerit Tasarım
Şekil 3.22: Mikroşerit tasarım frekans cevabı 36
Şekil 3.23: EM tasarım
Şekil 3.24: EM tasarım frekans cevabı Mikroşerit tasarımda elemanların L ve W değerleri genel olarak frekansı değiştirdiği için sabit tutularak, elemanlar arası mesafe değerleri değiştirildi ve S21 -4.5 dB’e kadar çekilebildi fakat bu sefer de devrenin band genişliği arttı ve keskin frekans düşümü azaldı. Şekil 3.25’de elde edilen grafik görülmektedir.
37
Şekil 3.25: Akortlanmış mikroşerit tasarım frekans cevabı Sonuç olarak mikroşerit ve manyetik elemanlar kullanılarak tasarlanan devrelerde kullanılan tabanın devre üzerinde etkisinin büyük oluğu görüldü. Hassas bir tasarım yapılması gerektiğinde olabildiğince iletken kaybı düşük olan bir taban kullanılması gerekmektedir. 3.3 İşaret birleştirici Tasarımları UHF-Uydu işaret birleştirici tasarımı
Bitirme projesi kapsamında yapılması amaçlanan ilk devre UHF – Uydu işaret birleştiricisi tasarımıdır. Alt geçiren ve üst geçiren filtrelerle tasarım yapılmıştır. Giriş – çıkış empedansları 75Ω, alt geçiren filtre için kesim frekansı ve
MHz’de
kesim frekansı
MHz
dB bastırma olacak şekilde, üst geçiren filtre için MHz’de
MHz ve
dB bastırma olacak
şekilde tasarım parametreleri belirlenmiştir. Bu parametreler doğrultusunda filtre dereceleri
olarak belirle nmiş ve AWR filtre sentez sihirbazı yardımıyla alt
ve üst geçiren filtreler ayrı ayrı tasarlanıp tek port ile sonlandırılarak Şekil 3. 26’daki işaret birleştirici devresi oluşturulmuştur. Eleman değerleri istenen frekans aralıklarına göre akortlandıktan son ra pF,
pF, pF,
nH,
nH, 38
pF, pF,
nH,
pF, nH,
nH olarak bulundu. Şekil 3. 27’ de devrenin
nH, frekans cevabı gösterilmiştir.
Devrede eleman sayısının fazla olması, istenen frekans cevabının elde edilememesi, eleman değerlerinin küçük olması ve eleman değerlerinde ufak değişikliklerin devreyi olumsuz etkilemesinden ötürü devre gerçeklenememiştir.
PORT P=1 Z=75 Ohm
CAP ID=C1 C=C0 pF
CAP ID=C2 C=C1 pF
CAP ID=C3 C=C2 pF
CAP ID=C4 C=C2 pF
CAP ID=C5 C=C1 pF
CAP ID=C6 C=C0 pF C0=1.268 C1=0.8329 C2=0.811
IND ID=L1 L=L0 nH
IND ID=L2 L=L1 nH
IND ID=L3 L=L2 nH
IND ID=L4 L=L1 nH
IND ID=L5 L=L0 nH
L0=9.406 L1=9.249 L2=9.239
PORT P=2 Z=75 Ohm
IND ID=L6 L=L3 nH
IND ID=L7 L=L4 nH
IND ID=L8 L=L5 nH
IND ID=L9 L=L5 nH
IND ID=L10 L=L4 nH
IND ID=L11 L=L3 nH
PORT P=3 Z=75 Ohm
C3=3.327 C4=3.265 C5=3.433 CAP ID=C7 C=C3 pF
CAP ID=C8 C=C4 pF
CAP ID=C9 C=C5 pF
CAP ID=C10 C=C4 pF
CAP ID=C11 C=C3 pF
L3=24.48 L4=37.31 L5=39.09
Şekil 3.26: UHF – Uydu işaret birleştirici devre şeması
39
Şekil 3.27: UHF – Uydu işaret birleştirici frekans cevabı VHF – UHF işaret birleştirici
Bitirme projesi kapsamında yapılması amaçlanan ikinci devre VHF – UHF işaret birleştiricisi tasarımıdır. İlk tasarımdaki gibi alt geçiren ve üst geçiren filtrelerle tasarım yapılmıştır. Giriş – çıkış empedansları 75Ω, alt geçiren filtre için kesim frekansı
MHz’de
MHz ve
üst geçiren filtre için kesim frekansı
dB bastırma olacak şekilde, MHz ve
MHz’de
dB bastırma olacak şekilde tasarım parametreleri belirlenmiştir. Bu parametreler doğrultusunda filtre dereceleri
olarak belirlenmiş ve AWR filtre sentez
sihirbazı yardımıyla alt ve üst geçiren filtreler ayrı ayrı tasarlanıp tek port ile sonlandırılarak Şekil 3. 28’deki işaret birleştirici devresi oluşturulmuştur. Eleman değerleri istenen frekans aralıklarına göre akortlandıktan sonra nH,
nH,
pF,
olarak bulundu. Şekil 3. 29’ de devrenin frekans cevabı gösterilmiştir.
40
nH, pF,
pF
PORT P=1 Z=75 Ohm
IND ID=L1 L=L0 nH
IND ID=L2 L=L1 nH
IND ID=L3 L=L0 nH
C0=15 CAP ID=C1 C=C0 pF
PORT P=2 Z=75 Ohm
CAP ID=C3 C=C1 pF
CAP ID=C2 C=C0 pF
CAP ID=C4 C=C2 pF
IND ID=L4 L=L3 nH
CAP ID=C5 C=C1 pF
IND ID=L5 L=L3 nH
L0=130 L1=180
PORT P=3 Z=75 Ohm
C1=4 C2=3 L3=30
Şekil 3.28: VHF – UHF işaret birleştirici devre şeması
Şekil 3.29: VHF – UHF işaret birleştirici frekans cevabı
41
Devre gerçeklenmesinde endüktansların havalı bobin sarılarak yapılmasına karar verildi. Buna göre çapı
mm tel ile, çapı
mm olan bobinler sarılarak Q
metre ile endüktans değerleri sağlandı. Delikli bord üzerine elemanlar lehimlendikten sonra 2 adet kalın toprak hattı oluşturuldu. Toprak hattına ve devre kutusuna 4 adet
delik açıldı. Bu sayede hem kart sabitlendi hem de topraklama devre kutusundan sağlanabildi. 3 adet 75 Ω konnekör devreye lehimlenerek ölçümler yapıldı. Bobin uzunluklarında yapılan düzeltmelerden sonra Şekil 3. 30, Şekil 3.31, Şekil 3.32 deki frekans cevapları elde edildi. Şekil 3.33’de devrenin fotoğrafı gösterilmiştir.
Şekil 3.30: İşaret birleştiricinin 1. giriş portu – çıkış portu frekans cevabı
42
Şekil 3.31: İşaret birleştiricinin 2. giriş portu – çıkış portu frekans cevabı
Şekil 3.32: İşaret birleştiricinin 1. giriş portu – 2. giriş portu frekans cevabı
43
Şekil 3.33: VHF – UHF işaret birleştirici gerçeklenen devre fotoğrafı
44
4. SONUÇ
Çalışmalar boyunca tasarlanan devrelerde keskin frekans düşümü için en uygun filtre yaklaşımının Chebyshev filtre yaklaşımı olduğu görüldü. Devre karmaşıklıklarının azalması için filtre derecesinin küçültülüp eleman değerleriyle oynamalar yapılarak oluşturulan devrelerde keskin frekans düşümünün istenilen seviyeye çekilmesi için kesim frekansından ödün verilmesi ve eleman değerlerindeki azalmadan ödün verilmesi gerektiği görüldü. Tasarlanan mikroşerit filtrelerde band geçiren filtreler için paralel bağlaşık hat çifti modelinin uygun olduğu görüldü. Fakat taban kayıplarının artmasıyla frekans cevabının etkilenmesi ve band genişliğinin artmasından ötürü işaret birleştirici için uygun olmadığına karar verildi. EM filtre tasarımlarında istenilen kesim frekansları ve frekans düşümleri gerçekleştirilemediği için bu filtrelerin kullanılmaması uygun görüldü. Gerçeklenen işaret birleştiricide ayrık elemanlar kullanılması uygun görüldü. Gerçeklenen devrede frekans cevaplarının simülasyon sonuçlarıyla uyumlu olduğu görüldü. Bobin kullanımının devreye dışardan müdahele edilmesi gerektiğinde kolaylık sağladığı görüldü.
45
KAYNAKLAR [1] Dr. Haim Matzner,Shimshon Levy, Harel Moalem, “Microwave Laboratory
Manual”, Ocak 2006.
[2] W. Alan Davis, Krishna Agarwal, “Radio Frequency Circuit Design”, Wiley -
Interscience Publication, 2001
[3]David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Wiley - Interscience Publication, 1990
[4] Chris Bowick, “RF Circuit Design”, Newnes, 1982 [5]AWR Microwave Office Version 8.03r [6]G. L. Matthei, L. Young, E. M. T. Jones, “Microwave Filters, Impedance –
Matching Networks, and Coupling Structures”, Artec House, 1980 [7] Rick Karlquist, “Diplexer design notes ”, 13 Kasım 2002
46
