שיפור דחיית הרמוניה שניה במסננים צמודי-צד

על מנת למנוע התפשטות אותות לא רצויים במערכות וברשתות תקשורת מתקדמות, נעשה שימוש רב במסננים. מקור האותות הלא רצויים יכול להיות מחוץ למערכת או מתוכה, בשל התנהגות לא לינארית של התקנים המשולבים בה. מסנני Side-coupled filters בנויים מאלמנטי microstrip על מעגל מודפס, והם נמצאים בשימוש רחב לאור מחירם הנמוך ופשטות יצורם. מסננים אלה ידועים גם בשם

parallel edge-coupled filter והם בנויים על ידי שילוב מספר קטעי קווי תמסורת מצומדים שכל אחד מהם מוסט ביחס לקודמו. למסננים אלו שתי מגרעות: הם דורשים שטח גדול, ויכולת הדחיה של ההרמוניה השנייה שלהם מוגבלת. מאמר זה ידגים גישת תכן, המראה כיצד על ידי שילוב notch stubs ניתן לשפר את דחיית ההרמוניה השנייה בלי להשפיע על פס המעבר של המסנן.

את התכנון הראשוני של המסנן יוצרים בעזרת כלי לתכנון מסננים הכלול בסביבת כלי התכן NI AWR Design

, בהתבסס על מאפיינים שהגדיר המתכנן כגון תדירות פס המעבר, אדוות פס המעבר ופס החסימה. המעגל המתקבל (ראה איור 1a) מכיל את הרכיבים (כגון MLIN, MTEE, MOPEN וכן הלאה), את המודלים וכמו כן את ה-Layout המסונכרן. ביצועי המסנן במנוע ליניארי מוצגים באיור 1b.

על מנת לשפר את העמידות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות ניתן להכניס את המסנן בערוץ סגור או בגלבו. אולם בכך יש סיכון מסוים של הופעת אופני סדר גבוה של הגלבו, אלא אם כן תדר הקטעון של מוליך הגלבו גבוה יותר מהתדר הדחוי הגבוה ביותר. בדוגמת תכנון זו נוספו קווי תמסורת בין זוגות של קווים מצומדים, כך שניתן לארגן את הצמדים מחדש כך שיהיו במצב “in line”.

השינוי מתבטא בהקטנת הרוחב הנדרש למימוש המסנן, דבר המאפשר להשתמש בגלבו עם תדר קטעון גבוה יותר כמארז למסנן. איור 2 מראה את הטופולוגיה של מסנן tapped in-line side-coupled עם קוי מיקרוסטריפ בין כל הזוגות.

הוספת אלמנטי Notch

הוספת stubs בתצורה של מיקרוסטריפ במעגל פתוח תשפר את דחיית ההרמוניה השנייה . אורכם צריך להיות רבע אורך גל של ההרמוניה השנייה במרכז פס המעבר של המסנן. עכבת ה-stubs עבור ההרמוניה השנייה תציג קצר על קו התמסורת שמחבר את הזוגות המצומדים. קצר זה ידכא את תדרי ההרמוניה השניה של פס המעבר. העומס הקיבולי של ה-stubs הפתוחים כמעט ולא ישפיע על ביצועי המסנן בפס המעבר.

איור 3a מראה כיצד ה-stubs הפתוחים משולבים במסננים צמודי צד על ידי הוספת קוי תמסורת המחברים בין הזוגות מצומדי-קו. ניתן להגיע לתכנון קומפקטי, במיוחד עבור תדרים גבוהים, על ידי היפוך ה-stubs (ראה איור 3b). ה-stubs גורמים להרחבת המסנן, גם כאשר הם מוזזים. שימוש ב-stubs רדיאליים מכופפים יאפשר להקטין את השטח הנדרש למסנן. אופטימיזציה של המודל וניתוח התנהגותו האלקטרומגנטית מובילה לתרשים המוצג באיור 4.

מידות המסנן מאפשרות להכיל אותו בגלבו מסוג WR22 שתדר הקטעון שלו הוא 26.3GHz. תוצאות הסימולציה של ה-Return Loss () ושל ה-Insertion Loss () של המסנן משורטטים באיור 5, תוך השוואה למסנן מיקרוסטריפ בסביבה פתוחה. למרות הסטת תדרי המסנן המוכל בגלבו כלפי מעלה, דחיית ההרמוניה השניה שלו אינה נפגעת. כיון שהגלבו משפיע על היענות המסנן יש צורך לבצע שיפורי תכן עדינים.

את קטע הכבל הקואקסיאלי המוליך אל המחבר ניתן לכלול בתכנון בעזרת סימולטור EM מהסוג של Finite Element Method () למשל Analyst של AWR. באופן נפרד ניתן ליצור מודל עבור השפעות המעבר של הכבל אל רצועת המיקרו ואם צריך ניתן להוסיף גם קטע תיאום. אם נבחן את תופעות המעבר של המחבר לבדו (ראה איור 6) לא נבחין באי תיאום משמעותי עד לתדרי ההרמוניה השנייה, וה-Insertion Loss של 2×0.11dB = 0.22dB בפס המעבר הנם נסבלים.

הסימולציה המלאה התבססה על הגיאומטריה המופיעה באיור 7, והניבה את היענות המסנן המוצגת באיור 8. ה-Insertion Loss עלו ל-0.15dB ודחיית ההרמוניה השנייה גדולה מ-50dB. הגלבו WR22 והמחבר מגינים על המסנן מכל הפרעה חיצונית מבלי להשפיע משמעותית על ביצועי המסנן.

להשוואה, אותו מסנן סומלץ בגלבו מסוג אחר, WR42 שתדר הקטעון שלו הוא 14.1GHz והתוצאות מופיעות באיור 8. דחיית ההרמוניה השנייה קטנה ב-30dB כיון שגלבו זה גדול דיו בכדי להעביר את ההרמוניה השנייה, והתוצאה היא דחיה פחות טובה ,במידה משמעותית, של ההרמוניה השנייה. השימוש בטופולוגית in-line למסנן

side-coupled microstrip filter מאפשר להקטין את השטח הנדרש למימוש המסנן, וזאת תוך השפעה מזערית על ביצועיו. באופן מעשי ניתן לשלב notch stubs לדחיית ההרמוניה השניה על מנת להגיע לדחייה של הרמוניה שניה בסדר גודל של 50 עד 60dB תוך פגיעה מינימלית בפס המעבר. טופולוגית צימוד צד עבור מסנן המותקן בגלבו או בערוץ סגור משפרת את דחיית התדרים הגבוהים עד לתדר הקטעון של הגלבו.