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 2 (Π.Ε.2): «Σχεδιασμός κεραμικού μικροκυματικού φίλτρου στη ζώνη λήψης συσκευών κινητής τηλεφωνίας, που λειτουργούν με βάση το πρότυπο UMTS» ΑΝΑΦΟΡΑ ΠΡΟΟΔΟΥ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ: (Χρονική περίοδος: 1/3/06 30/6/06) Δ.2.3: Τροποποίηση ισοδύναμου κυκλώματος ώστε να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές του συστήματος UMTS και απεικόνιση του νέου ισοδύναμου κυκλώματος σε πραγματικές διαστάσεις στο φυσικό τρισδιάστατο μοντέλο. Δ.2.4: Εξαγωγή και επεξεργασία αποτελεσμάτων - τροποποιήσεις στη μέθοδο σχεδιασμού
1. Εισαγωγή Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας στην κατασκευή συσκευών κινητής τηλεφωνίας τα τελευταία χρόνια, έχει συντελέσει στην παραγωγή τεράστιου αριθμού συσκευών, μικρών διαστάσεων και χαμηλού κόστους. Οι συσκευές αυτές έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν σε όλα τα πρότυπα της σύγχρονης τεχνολογίας κινητής τηλεφωνίας, όπως π.χ. GSM, DCS, PCS και UMTS. Μία σημαντική τεχνική που χρησιμοποιείται για την ελαχιστοποίηση των διαστάσεων των μικροκυματικών φίλτρων που χρησιμοποιούνται σε συσκευές κινητής τηλεφωνίας είναι η χρήση κεραμικών υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς και χαμηλών απωλειών. Συχνά όμως, η απόδοση αυτών των φίλτρων μετά την κατασκευή τους, αποκλίνει από την επιθυμητή απόδοση των προδιαγραφών που τίθενται κατά την διαδικασία σχεδιασμού τους. Ως συνέπεια, απαιτούνται τροποποιήσεις στις διαστάσεις των φίλτρων (αφού κατασκευασθούν), γεγονός που συνεπάγεται σημαντικό χρόνο και κόστος από την Μικροκυματική Βιομηχανία. Στην παρούσα αναφορά προόδου παρατίθεται μία βελτιωμένη τεχνική σχεδιασμού μικροκυματικών φίλτρων συσκευών κινητής τηλεφωνίας, που μπορεί να εφαρμοστεί για να παρέχει άμεσα αξιόπιστες διατάξεις και να αποφύγει την εκ των υστέρων τροποποίηση της γεωμετρίας τους. Τεχνικές ανάλυσης μικροκυματικών κεραμικών φίλτρων με την χρήση Η/Υ (CAD), έχουν παρουσιαστεί στις [1-2]. Μία τεχνική σχεδιασμού ενός κεραμικού φίλτρου στη ζώνη συχνοτήτων PCS έχει παρουσιαστεί στην [3]. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί ένα ακριβές ισοδύναμο κύκλωμα ως βασικό «εργαλείο» σχεδιασμοού και δοκιμών και επεκτείνεται στην παρούσα αναφορά προόδου για τον σχεδιασμό ενός μικροκυματικού φίλτρου στη ζώνη συχνοτήτων UMTS. Το ισοδύναμο αυτό κύκλωμα βασίζεται στην εξαγωγή ισοδύναμων παραμέτρων, εφαρμόζοντας βασικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού [1-2] και παρέχει ένα ακριβές μοντέλο της τρισδιάστατης δομής ενός κεραμικού φίλτρου. Η επιθυμητή απόκριση συχνότητας επιτυγχάνεται ταχύτατα βελτιστοποιώντας το ισοδύναμο κύκλωμα, χωρίς να απαιτείται η χρονοβόρα ηλεκτρομαγνητική ανάλυση της τρισδιάστατης δομής. Οι μεταβολές στις ισοδύναμες παραμέτρους του κυκλώματος, παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τις απαραίτητες τροποποιήσεις στην τρισδιάστατη δομή. 2. Διαδικασία σχεδιασμού Η τυπική διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) ενός κεραμικού φίλτρου παριστάνεται στο σχήμα 1 [4]. 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 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 [5], χρησιμοποιώντας συζευγμένες γραμμές μεταφοράς [7], ενώ τα μεταλλικά «κύπελλα» παριστάνονται ισοδύναμα από διακριτούς πυκνωτές. Το «κύπελλο» στον μεσαίο 2
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) (β) Σχήμα 1: Τυπική διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) μικροκυματικού κεραμικού φίλτρου: (α) Πλάγια τομή (β) Κάτοψη. 3
Σχήμα 2: Ισοδύναμο κύκλωμα για το κεραμικό φίλτρο του σχήματος 1. Η διαδικασία σχεδιασμού του μικροκυματικού κεραμικού φίλτρου στη ζώνη λήψης συσκευής κινητής τηλεφωνίας 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 λήψης συσκευής κινητής τηλεφωνίας που λειτουργεί με βάση το πρότυπο UMTS (κεντρική συχνότητα: 2140 MHz, εύρος ζώνης: 60 MHz). 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 [6]. Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεις των συντονιστών που προκύπτουν ελέγχονται με το λογισμικό HFSS [8] 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
2.1 Αρχικό ισοδύναμο κύκλωμα 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 (σχήμα 3). Οι βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων που αντιστοιχούν στην απόκριση συχνότητας 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 (πρότυπο PCS) Βελτιστοποιημένη τιμή (πρότυπο UMTS) C 1 (pf) 1.9378 1.5459 C 2 (pf) 0.4469 0.4147 C port (pf) 0.7000 0.9744 C 12 (pf) 0.7678 0.6000 Z 01 (Ohms) 6.8808 7.6920 Z 02 (Ohms) 7.3194 6.6759 Z 0e (Ohms) 7.0712 6.0077 Z 0o (Ohms) 5.3426 3.7004 Length (mm) 3.3300 3.1697 Length1 (mm) 0.4306 0.4494 Σχήμα 3: Απόκριση συχνότητας του βελτιστοποιημένου κυκλώματος του σχήματος 2. (Ζώνη συχνοτήτων UMTS). 5
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 1. Από αυτές και τις προσεγγιστικές σχέσεις της [6], 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 προσομοιώνονται στο λογισμικό HFSS (σχήμα 5). Η απόκρισή τους παρουσιάζεται στο σχήμα 6 και συγκρίνεται με την αντίστοιχη απόκριση του ισοδύναμου κυκλώματος, το οποίο περιλαμβάνει μόνο συντονιστές. Σχήμα 4: Εξαγωγή ισοδύναμων διαστάσεων των συντονιστών χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της [6]. 6
(α) Port P1 Num=1 Var Eqn VAR VAR1 Z1_Rx=7.6920 Ohms opt{ 5 Ohms to 7.7 Ohms } Z2_Rx=6.6759 Ohms opt{ 5.5 Ohms to 8 Ohms } Ze_Rx=6.0077 Ohms opt{ 5.5 Ohms to 8 Ohms } Zo_Rx=3.7004 Ohms opt{ 3.5 Ohms to 6 Ohms } Length_Rx=3.65 mm opt{ 2.9 mm to 3.2 mm } Var Eqn VAR VAR2 ZZ1_Rx=Z1_Rx*2 Zres_Rx=(Z1_Rx+Z2_Rx)/2 ZZe_Rx=1/(1/Ze_Rx-1/(2*Zres_Rx)) ZZo_Rx=1/(1/Zo_Rx-1/(2*Zres_Rx)) Port P2 Num=2 Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm TLINP TL10 Z=ZZ1_Rx L=Length_Rx K=92 A=0 F=2.14 GHz TanD=0.0007 Mur=1 TanM=0 Sigma=0 CLINP TL9 Ze=ZZe_Rx Zo=ZZo_Rx L=Length_Rx Ke=92 Ko=92 Ae=0 Ao=0 CLINP TL8 Ze=ZZe_Rx Zo=ZZo_Rx L=Length_Rx Ke=92 Ko=92 Ae=0 Ao=0 TLINP TL11 Z=ZZ1_Rx L=Length_Rx K=92 A=0 F=2.14 GHz TanD=0.0007 Mur=1 TanM=0 Sigma=0 Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm (β) Σχήμα 5: α) Τρισδιάστατη δομή 3 συζευγμένων συντονιστών. β) Ισοδύναμο κύκλωμα των συντονιστών. 7
Σχήμα 6: Απόκριση συχνότητας της δομής του σχήματος 5(α) (διακεκομμένη γραμμή) συγκρινόμενη με την απόκριση συχνότητας του κυκλώματος του σχήματος 5(β) (συνεχής γραμμή). 2.3 Προσθήκη των συζευγμένων «κυπέλλων» και εξαγωγή του νέου ισοδύναμου κυκλώματος Τα συζευγμένα «κύπελλα» που απαιτούνται από τις προδιαγραφές της δομής του σχήματος 1 προστίθενται στη δομή του σχήματος 5(α). Για τη δομή που προκύπτει (σχήμα 7) εξάγεται ένα νέο ισοδύναμο κύκλωμα χρησιμοποιώντας τεχνικές CAD [2]. Τα συζευγμένα «κύπελλα» αναπαρίστανται στο ισοδύναμο κύκλωμα από διακριτούς πυκνωτές, οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τη χωρητικότητα του κάθε κυπέλλου προς τη γείωση και τη χωρητικότητα μεταξύ γειτονικών «κυπέλλων». Ο σκοπός τους είναι να εξασφαλίσουν την επιθυμητή απόκριση συχνότητας. Οι τιμές των παραμέτρων του νέου ισοδύναμου κυκλώματος παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Η απόκριση του κυκλώματος αυτού συγκρίνεται με την απόκριση της τρισδιάστατης δομής (σχήμα 8). 8
Σχήμα 7: Αρχική τρισδιάστατη δομή κεραμικού φίλτρου στη ζώνη UMTS. Πίνακας 2: Τιμές παραμέτρων του νέου ισοδύναμου κυκλώματος, που προκύπτει από την δομή του σχήματος 7. Διακριτό στοιχείο Εξαχθείσα τιμή στοιχείου C 1 (pf) 1.5430 C 2 (pf) 0.7330 C port (pf) 0.4960 C 12 (pf) 0.9860 Z 01 (Ohms) 7.6920 Z 02 (Ohms) 6.6759 Z 0e (Ohms) 6.0077 Z 0o (Ohms) 3.7004 9
Σχήμα 8: Απόκριση συχνότητας του νέου ισοδύναμου κυκλώματος (συνεχής γραμμή) και της τρισδιάστατης δομής (διακεκομμένη γραμμή). 2.4 Βελτιστοποίηση του νέου ισοδύναμου κυκλώματος Όπως προκύπτει από το σχήμα 8, υπάρχει κάποια διαφορά στην απόκριση του νέου ισοδύναμου κυκλώματος σε σχέση με την απόκριση της τρισδιάστατης δομής. Αυτό οφείλεται στα αριθμητικά λάθη που προκύπτουν κατά την διαδικασία εξαγωγής του ισοδύναμου κυκλώματος. Συνεπώς το ισοδύναμο κύκλωμα θα πρέπει να βελτιστοποιηθεί (με τη βοήθεια του λογισμικού ADS). Κατά την διάρκεια της βελτιστοποίησης, οι τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων των συντονιστών παραμένουν σταθερές, επειδή οι συντονιστές μοντελοποιήθηκαν με ακρίβεια στην παράγραφο 2.2 Οι τιμές των βελτιστοποιημένων παραμέτρων παρουσιάζονται στον Πίνακα 3 και η απόκριση του βελτιστοποιημένου ισοδύναμου κυκλώματος παρουσιάζεται στο σχήμα 9. Πίνακας 3: Αρχικές και βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων του νέου ισοδύναμου κυκλώματος. Διακριτό στοιχείο Αρχική τιμή Βελτιστοποιημένη τιμή Χωρητικότητα ακραίων «κυπέλλων» προς 1.5430 1.6996 τη γείωση, C 1 (pf) Χωρητικότητα μεσαίου «κυπέλλου» προς 0.7330 0.8480 τη γείωση, C 2 (pf) Χωρητικότητα ακραίων «κυπέλλων» προς 0.4960 0.5911 τις θύρες εισόδου-εξόδου, C port (pf) Συζευγμένη χωρητικότητα, C 12 (pf) 0.9860 1.0163 10
Σχήμα 9: Απόκριση συχνότητας του νέου βελτιστοποιημένου ισοδύναμου κυκλώματος. 2.5 Τροποποίηση διαστάσεων και βελτιστοποίηση τρισδιάστατης δομής Οι βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων του Πίνακα 3, δείχνουν τις αναγκαίες τροποποιήσεις στις διαστάσεις των «κυπέλλων», ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή απόκριση συχνότητας του φίλτρου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται οι συναρτήσεις βελτιστοποίησης του λογισμικού HFSS. Για την βελτιστοποίηση της δομής του σχήματος 7, καθορίζονται οι παράμετροι που θα μεταβληθούν, ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή απόκριση (σχήμα 10). Η απόκριση του βελτιστοποιημένου φίλτρου παρουσιάζεται στο σχήμα 11 και η μεταβολή των παραμέτρων στον Πίνακα 4. Οι τελικές διαστάσεις του κεραμικού φίλτρου είναι 3.62 4.8 1.88 mm. 11
Σχήμα 10: Παράμετροι που μεταβάλλονται κατά την βελτιστοποίηση του φίλτρου. Σχήμα 11: Απόκριση βελτιστοποιημένου κεραμικού φίλτρου στη ζώνη UMTS. Πίνακας 4: Αρχικές και βελτιστοποιημένες τιμές παραμέτρων κεραμικού φίλτρου. Παράμετρος βελτιστοποίησης Αρχική τιμή Βελτιστοποιημένη τιμή Βάθος κυπέλλων (mm) 0.670 0.570 Διάμετρος μεσαίου συντονιστή D 1 (mm) 0.606 0.656 Διάμετρος ακραίων συντονιστών D 2 (mm) 0.714 0.744 Απόσταση μεταξύ γειτονικών συντονιστών (mm) 0.840 0.743 Μήκος συντονιστών (mm) 3.650 3.618 12
3. Συμπεράσματα Στην παρούσα αναφορά προόδου σχεδιάστηκε ένα μικροκυματικό κεραμικό φίλτρο που λειτουργεί στη ζώνη λήψης 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. 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. [2] 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. [3] 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. [4] Advanced Products Development Division, TDK Corporation, Japan, private communication, 1999. [5] Advanced Design System, Ver. 2003A, Agilent Technologies. [6] B.C. Wadell, Transmission Line Design Handbook, Artech House, 1991. [7] 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. [8] Ansoft HFSS, Ver. 9.0, Ansoft Corporation, 2003. 13