ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ «ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙ: ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑΔΩΝ ΣΤΑ ΤΕΙ (Ε.Ε.Ο.Τ.)» ΥΠΟΕΡΓΟ 4: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΕΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ, ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΕΙΔΙΚΩΝ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ UMTS ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: Δρ. ΣΤΥΛΙΑΝΟΣ Π. ΤΣΙΤΣΟΣ Πακέτο εργασίας 3 (Π.Ε.3): Σχεδιασμός ενός αμφίδρομου φίλτρου (duplexer) για χρήση σε συσκευές κινητής τηλεφωνίας που θα λειτουργούν στο σύστημα UMTS ΑΝΑΦΟΡΑ ΠΡΟΟΔΟΥ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ: (Χρονική περίοδος: 1/3/06 30/6/06) Δ.3.2: Ανάπτυξη ακριβούς ισοδύναμου κυκλώματος που θα λειτουργεί στις ζώνες λήψης και εκπομπής του συστήματος UMTS Δ.3.3: Απεικόνιση του ισοδύναμου κυκλώματος σε πραγματικές διαστάσεις στο φυσικό τρισδιάστατο μοντέλο Δ.3.4: Εξαγωγή και επεξεργασία αποτελεσμάτων - τροποποιήσεις στη μέθοδο σχεδιασμού
1. Εισαγωγή H ανάγκη για χρήση συσκευών κινητής τηλεφωνίας με όσο το δυνατόν μικρότερο μέγεθος και βέλτιστη απόδοση, οδηγεί στο σχεδιασμό όλο και πιο συμπαγών κυκλωμάτων. Καθίσταται συνεπώς απαραίτητο οι λειτουργίες του φιλτραρίσματος του σήματος ενός κινητού τηλεφώνου κατά τη λήψη και την εκπομπή, να μπορούν να γίνουν από μία και μόνο διάταξη, η οποία θα είναι κατασκευασμένη από κεραμικό υλικό υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς, ώστε να επιτυγχάνεται σημαντική μείωση των διαστάσεών της. Είναι επομένως αναγκαίος ο σχεδιασμός ενός αμφίδρομου φίλτρου (duplexer), το οποίο θα λειτουργεί εξίσου αποδοτικά τόσο κατά τη λήψη όσο και κατά την εκπομπή. Στο παρελθόν έχουν γίνει προσπάθειες από μεγάλους κατασκευαστικούς οίκους (TDK, Murata) για την υλοποίηση τέτοιου είδους φίλτρων [1]. Ο σχεδιασμός έχει γίνει με βάση παραμέτρους ισοδύναμων κυκλωμάτων, οι οποίες βασίζονται σε πειραματικά αποτελέσματα, καθώς και δεδομένα από ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση. Αυτές οι παράμετροι προσαρμόζονται συνήθως σε μία βασική τοπολογία ενός ισοδύναμου κυκλώματος που υπάρχει στη βιβλιογραφία, με αυθαίρετες αρχικές τιμές. Στη συνέχεια εφαρμόζονται τεχνικές βελτιστοποίησης σε επίπεδο κυκλώματος και η απόκρισή του προσαρμόζεται στην απόκριση του πραγματικού τρισδιάστατου στοιχείου. Όμως, το βασικό μοντέλο είναι συχνά ανεπαρκές και ο σχεδιασμός μπορεί να οδηγήσει σε μη ρεαλιστικά αποτελέσματα. Στην παρούσα αναφορά προόδου, παρατίθεται η διαδικασία σχεδιασμού ενός φίλτρου διπλής ζώνης συχνοτήτων (duplexer), το οποίο λειτουργεί τόσο στη ζώνη λήψης όσο και στη ζώνη εκπομπής του συστήματος UMTS. Ο σχεδιασμός βασίζεται στα ακριβή ισοδύναμα κυκλώματα που εξήχθησαν στο ΠΕ1 και στη μεθοδολογία σχεδιασμού που αναπτύχθηκε στο ΠΕ2 [2-5]. Τα ισοδύναμα κυκλώματα τροποποιούνται ώστε να ανταποκρίνονται στις ζώνες εκπομπής και λήψης του συστήματος UMTS. Αφού επιτευχθεί ο επιθυμητός βαθμός απόδοσης σε επίπεδο ισοδύναμου κυκλώματος, στη συνέχεια αυτό απεικονίζεται σε διαστάσεις στο φυσικό τρισδιάστατο μοντέλο, ώστε να προκύψει το κατάλληλο κεραμικό φίλτρο με την επιθυμητή απόδοση. 2. Διαδικασία σχεδιασμού Ο σχεδιασμός ενός φίλτρου διπλής ζώνης συχνοτήτων (duplexer) για το σύστημα UMTS, περιλαμβάνει τον σχεδιασμό δύο ξεχωριστών φίλτρων, ένα για την ζώνη εκπομπής και ένα για την ζώνη λήψης αντίστοιχα. Στη συνέχεια τα δύο αυτά υπο-συστήματα συνενώνονται σε μία ενιαία διάταξη (duplexer), η οποία βελτιστοποιείται για να επιτύχει την επιθυμητή απόκριση. 2.1 Ισοδύναμα κυκλώματα για τις ζώνες εκπομπής και λήψης του συστήματος UMTS Η τυπική διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) ενός κεραμικού φίλτρου μονής ζώνης συχνοτήτων παριστάνεται στο σχήμα 1 [6]. Αποτελείται από 3 συζευγμένους ομοαξονικούς συντονιστές μήκους λ/4 στην κεντρική συχνότητα λειτουργίας που τερματίζονται σε ένα κοινό επίπεδο γείωσης. Στο ανοικτό άκρο των συντονιστών τοποτεθούνται μεταλλικά «κύπελλα» (cups), ώστε να επιτευχθεί η 2
ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μεταξύ των συντονιστών. Ένα ισοδύναμο κύκλωμα για την δομή του σχήματος 1, έχει εξαχθεί στην [2] και παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Σε αυτό, οι συντονιστές του φίλτρου μοντελοποιούνται στο λογισμικό ADS [7], χρησιμοποιώντας συζευγμένες γραμμές μεταφοράς [8], ενώ τα μεταλλικά «κύπελλα» παριστάνονται ισοδύναμα από διακριτούς πυκνωτές. Το «κύπελλο» στον μεσαίο συντονιστή έχει μικρότερο βάθος από εκείνα των ακραίων συντονιστών (ή μπορεί και να μην υφίσταται) και συνεπώς ο μεσαίος συντονιστής έχει μεγαλύτερο μήκος, το οποίο παριστάνεται ισοδύναμα από ένα έξτρα μήκος γραμμής μεταφοράς. Οι επαγωγές των «κυπέλλων», καθώς και οι επαγωγές που αναπαριστούν τις ασυνέχειες μεταξύ συντονιστών και «κυπέλλων», παριστάνονται ισοδύναμα από διακριτά πηνία. (α) Σχήμα 1: Τυπική διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) μικροκυματικού κεραμικού φίλτρου: (α) Πλάγια τομή (β) Κάτοψη. (β) 3
Σχήμα 2: Ισοδύναμο κύκλωμα για το κεραμικό φίλτρο του σχήματος 1. Η διαδικασία σχεδιασμού ενός μικροκυματικού κεραμικού φίλτρου για κάθε ζώνη συχνοτήτων που λειτουργεί με βάση το πρότυπο UMTS, περιγράφεται στα ακόλουθα βήματα: 1. Βελτιστοποίηση των παραμέτρων του ισοδύναμου κυκλώματος του σχήματος 2 (με χρήση του λογισμικού ADS), σύμφωνα με τις προδιαγραφές της ζώνης εκπομπής (κεντρική συχνότητα: 1950 MHz, εύρος ζώνης: 60 MHz) και λήψης (κεντρική συχνότητα: 2140 MHz, εύρος ζώνης: 60 MHz) συσκευής κινητής τηλεφωνίας που λειτουργεί με βάση το πρότυπο UMTS. 2. Από τις βελτιστοποιημένες τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων των συντονιστών που προέκυψαν από το βήμα 1, εξάγονται προσεγγιστικές διαστάσεις για τους συντονιστές και προσεγγιστικές αποστάσεις μεταξύ τους [8]. Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεις των συντονιστών που προκύπτουν ελέγχονται με το λογισμικό HFSS [10] και οι διαστάσεις τους τροποποιούνται, εφ όσον κριθεί απαραίτητο. 3. Οι συντονιστές που προκύπτουν από το βήμα 2 προσομοιώνονται στο λογισμικό HFSS και η απόκρισή τους συγκρίνεται με την απόδοση των συντονιστών του ισοδύναμου κυκλώματος. Οι διαστάσεις τους μπορούν να τροποποιηθούν, εφ όσον κριθεί απαραίτητο. 4. Στους συντονιστές που προκύπτουν από το βήμα 3, προστίθενται τα «κύπελλα» και εξάγεται νέο ισοδύναμο κύκλωμα, χρησιμοποιώντας το υπο-πρόγραμμα Post-processing Calculator του HFSS. 5. Το νέο ισοδύναμο κύκλωμα που προκύπτει από το βήμα 4, βελτιστοποιείται ώστε να πληρεί τις προδιαγραφές λειτουργίας. 6. Από τις βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων του βήματος 5, εξάγονται πληροφορίες για τις απαραίτητες αλλαγές στην τρισδιάστατη δομή του φίλτρου. 7. Η νέα τρισδιάστατη δομή προσομοιώνεται και βελτιστοποιείται με το λογισμικό HFSS. 4
Η τοπολογία του κυκλώματος του σχήματος 2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως το σημείο εκκίνησης της διαδικασίας σχεδιασμού. Οι αρχικές τιμές των παραμέτρων του κυκλώματος αυτού βελτιστοποιούνται με τη βοήθεια του λογισμικού ADS, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του προτύπου UMTS, ώστε να προκύψει η επιθυμητή απόκριση συχνότητας για τις δύο ζώνες συχνοτήτων, εκπομπής και λήψης (σχήμα 3). Οι βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων που αντιστοιχούν στην απόκριση συχνότητας για τις ζώνες εκπομπής και λήψης με βάση το πρότυπο UMTS, δίνονται στον Πίνακα 1. (Οι επαγωγές του ισοδύναμου κυκλώματος έχουν αμελητέα επίδραση στη λειτουργία του και γι αυτό δεν εμφανίζονται στον Πίνακα). Πίνακας 1: Αρχικές και βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων του ισοδύναμου κυκλώματος του σχήματος 2. Διακριτό στοιχείο Αρχική τιμή Βελτιστοποιημένη τιμή Βελτιστοποιημένη τιμή (ζώνη λήψης συστήματος PCS) (ζώνη εκπομπής συστήματος UMTS: 1920-1950 ΜΗz) (ζώνη λήψης συστήματος UMTS: 2110-2170 ΜΗz) C 1 (pf) 1.9378 2.2853 2.2853 C 2 (pf) 0.4469 0.4876 0.4876 C port (pf) 0.7000 0.6067 0.6067 C 12 (pf) 0.7678 0.4343 0.4343 Z 01 (Ohms) 6.8808 5.2914 5.2914 Z 02 (Ohms) 7.3194 7.2097 7.2097 Z 0e (Ohms) 7.0712 6.5488 6.7739 Z 0o (Ohms) 5.3426 5.6451 5.7294 Length (mm) 3.3300 3.4270 3.0835 Length1 (mm) 0.4306 0.4091 0.3615 5
(α) (β) Σχήμα 3: Απόκριση συχνότητας ισοδύναμου κυκλώματος (α) για τη ζώνη εκπομπής, (β) για τη ζώνη λήψης του συστήματος UMTS. 2.2 Εξαγωγή των διαστάσεων των συντονιστών Οι συζευγμένοι συντονιστές του σχήματος 1 αποτελούν το σημαντικότερο τμήμα της δομής, αφού καθορίζουν την απόκριση συχνότητας του κεραμικού φίλτρου. Οι διαστάσεις τους καθορίζονται σύμφωνα με τις βελτιστοποιημένες τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων του Πίνακα 6
1. Από αυτές και τις προσεγγιστικές σχέσεις της [8], μπορούν να εξαχθούν αρχικές προσεγγιστικές τιμές των διαστάσεών τους (σχήμα 4). Οι τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων του καθενός συντονιστή ξεχωριστά, καθώς και αυτές του άρτιου και περιττού ρυθμού διάδοσης των συζευγμένων συντονιστών, ελέγχονται με τη βοήθεια του λογισμικού HFSS και εάν κριθεί απαραίτητο, τροποποιούνται. Αφού προκύψουν οι τελικές διαστάσεις τους οι συντονιστές για κάθε ζώνη συχνοτήτων προσομοιώνονται στο λογισμικό HFSS (σχήμα 5). Η απόκρισή τους παρουσιάζεται στα σχήματα 6 και 7 και συγκρίνεται με την αντίστοιχη απόκριση των ισοδύναμων κυκλωμάτων, τα οποία περιλαμβάνουν μόνο συντονιστές. Σχήμα 4: Εξαγωγή ισοδύναμων διαστάσεων των συντονιστών χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της [6]. 7
(α) (β) 8
Var Eqn VAR VAR1 Z1=5.29136 Ohms {o} Z2=7.20973 Ohms {o} Ze=6.5387 Ohms {o} Zo=5.8399 Ohms {o} Length=4.00747 mm {o} Var Eqn VAR VAR2 ZZ1=Z1*2 Zres=(Z1+Z2)/2 ZZe=1/(1/Ze-1/(2*Zres)) ZZo=1/(1/Zo-1/(2*Zres)) Port P1 Num=1 Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm TLINP TL1 Z=ZZ1 K=92 A=0 F=1.96 GHz TanD=0.0007 Mur=1 TanM=0 Sigma=0 CLINP TL2 Ze=ZZe Zo=ZZo Ke=92 Ko=92 Ae=0 Ao=0 CLINP TL6 Ze=ZZe Zo=ZZo Ke=92 Ko=92 Ae=0 Ao=0 TLINP TL5 Z=ZZ1 K=92 A=0 F=1.96 GHz TanD=0.0007 Mur=1 TanM=0 Sigma=0 Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm Port P2 Num=2 (γ) Var Eqn VAR VAR3 Z1=5.2914 Ohms {-o} Z2=7.2097 Ohms {-o} Ze=6.5387 Ohms {-o} Zo=5.8399 Ohms {-o} Length=3.65148 mm {o} Var Eqn VAR VAR2 ZZ1=Z1*2 Zres=(Z1+Z2)/2 ZZe=1/(1/Ze-1/(2*Zres)) ZZo=1/(1/Zo-1/(2*Zres)) Port P1 Num=1 Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm TLINP TL1 Z=ZZ1 K=92 A=0 F=1.96 GHz TanD=0.0007 Mur=1 TanM=0 Sigma=0 CLINP TL2 Ze=ZZe Zo=ZZo Ke=92 Ko=92 Ae=0 Ao=0 CLINP TL6 Ze=ZZe Zo=ZZo Ke=92 Ko=92 Ae=0 Ao=0 TLINP TL5 Z=ZZ1 K=92 A=0 F=1.96 GHz TanD=0.0007 Mur=1 TanM=0 Sigma=0 Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm Port P2 Num=2 (δ) Σχήμα 5: α) Τρισδιάστατη δομή 3 συζευγμένων συντονιστών για τη ζώνη εκπομπής του συστήματος UMTS. β) Τρισδιάστατη δομή 3 συζευγμένων συντονιστών για τη ζώνη λήψης του συστήματος UMTS. γ) Ισοδύναμο κύκλωμα των συντονιστών για τη ζώνη εκπομπής του συστήματος UMTS. δ) Ισοδύναμο κύκλωμα των συντονιστών για τη ζώνη λήψης του συστήματος UMTS. 9
Σχήμα 6: Απόκριση συχνότητας της δομής του σχήματος 5(β) συγκρινόμενη με την απόκριση συχνότητας του κυκλώματος του ισοδύναμου κυκλώματος του σχήματος 5(δ), στη ζώνη εκπομπής του συστήματος UMTS. 10
Σχήμα 7: Απόκριση συχνότητας της δομής του σχήματος 5(α) συγκρινόμενη με την απόκριση συχνότητας του κυκλώματος του ισοδύναμου κυκλώματος του σχήματος 5(γ), στη ζώνη λήψης του συστήματος UMTS. 2.3 Προσθήκη των συζευγμένων «κυπέλλων» και υλοποίηση φίλτρου διπλής ζώνης Τα συζευγμένα «κύπελλα» που απαιτούνται από τις προδιαγραφές της δομής του σχήματος 1 προστίθενται στις δομές των σχημάτων 5(α) και 5(β). Έτσι προκύπτει η τελική δομή των μικροκυματικών φίλτρων στις ζώνες εκπομπής και λήψης του συστήματος UMTS (σχήμα 8). Η απόκριση συχνότητας του κάθε φίλτρου απεικονίζεται στο σχήμα 9. 11
(α) (β) Σχήμα 8: Τρισδιάστατη δομή: (α) κεραμικού φίλτρου στη ζώνη εκπομπής, (β) κεραμικού φίλτρου στη ζώνη λήψης, του συστήματος UMTS. 12
(α) (β) Σχήμα 9: Απόκριση συχνότητας: (α) κεραμικού φίλτρου στη ζώνη εκπομπής, (β) κεραμικού φίλτρου στη ζώνη λήψης, του συστήματος UMTS. Στη συνέχεια, οι δύο διατάξεις του σχήματος 8 συνενώνονται και δημιουργούν την ενιαία δομή του φίλτρου διπλής ζώνης (duplexer), όπως απεικονίζεται στο σχήμα 10. Η απόκριση συχνότητας του φίλτρου αυτού παρουσιάζεται στο σχήμα 11. 13
Σχήμα 10: Κεραμικό φίλτρο διπλής ζώνης συχνοτήτων για συσκευή κινητής τηλεφωνίας που λειτουργεί στο σύστημα UMTS. Σχήμα 11: Απόκριση συχνότητας του κεραμικού φίλτρου διπλής ζώνης συχνοτήτων (duplexer) του σχήματος 10. 14
3. Συμπεράσματα Στην παρούσα αναφορά προόδου σχεδιάστηκε ένα μικροκυματικό κεραμικό φίλτρο διπλής ζώνης συχνοτήτων (duplexer) που λειτουργεί στις ζώνες εκπομπής και λήψης μιας συσκευής κινητής τηλεφωνίας που λειτουργεί με βάση το πρότυπο UMTS. Ο σχεδιασμός βασίστηκε σε ένα ακριβές ισοδύναμο κύκλωμα, το οποίο μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί και να βελτιστοποιηθεί, ώστε να ανταποκρίνεται στις επιθυμητές προδιαγραφές. Το κύκλωμα αυτό παρέχει επίσης χρήσιμες πληροφορίες για την μορφή και το σχήμα της τρισδιάστατης δομής του φίλτρου. 4. Βιβλιογραφία [1] S.W.J. Seawright, Duplexer development work using HFSS, TDK technical report, Feb. 1996. [2] S. Tsitsos, A.A.P. Gibson, L.E. Davis, A new technique for the extraction of equivalent circuit parameters from 3-D monoblock filters, International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 210-217, Mar. 2005. [3] P. Kyriazidis, S. Tsitsos, A. Kouiroukidis, A.A.P. Gibson, Equivalent Circuit Parameter Extraction Techniques for a PCS Ceramic Filter, Using Commercial Electromagnetic Software, Proceedings of the 36 th European Microwave Conference (IEEE), Manchester, U.K., pp. 1159-1162, Oct. 2006. [4] S. Tsitsos, A.A.P. Gibson, L.E. Davis, I.T. Rekanos, Design of a 3-pole PCS-type monoblock filter using an equivalent circuit approach, AEÜ Intern. Journal of Electronics and Communications, Vol. 60, pp. 638-646, 2006. [5] S. Tsitsos, P. Kyriazidis, A.A.P. Gibson, Tolerance analysis of a PCS ceramic monoblock filter using commercial electromagnetic and circuit simulators, Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 47, No. 7, July 2007. [6] Advanced Products Development Division, TDK Corporation, Japan, private communication, 1999. [7] Advanced Design System, Ver. 2003A, Agilent Technologies. [8] B.C. Wadell, Transmission Line Design Handbook, Artech House, 1991. [9] A.I. Grayzel, A useful identity for the analysis of a class of coupled transmission line structures, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., pp. 904-907, Oct. 1974. [10] Ansoft HFSS, Ver. 9.0, Ansoft Corporation, 2003. 15