Süleyman Demirel Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği ISM Bandında Çalışan Alıcı-Verici Sistem İçin Band Geçiren Filtre Tasarımı Adnan KAYA HABTEKUS’08

Çalışmanın Amacı Empedans bant genişliğini arttırmak, kazancı iyileştirmek ve geri dönüş kaybını azaltmak için yeni devre eleman modelleri araştırmak. Yeni BGF filtre modelleri geliştirmek. Aktif filtreler için referans yapıları belirlemek. Gerekli geliştirme çalışması sonucunda ses ve görüntünün, düşük maliyetli, basit, iletişim kalitesi yüksek, düşük güçlü, gelişmekte olan yeni sistemleri de destekleyebilecek özellikleri arttırılmış alıcı-verici sistem için gereken filtreleri tasarlamak.

I. Giriş Son yıllarda daha hızlı veri transferi yapmak amacı ile birçok modülasyon tipi geliştirilmiş ve değişik kablolu/kablosuz protokoller oluşturulmuştur. Kablosuz sistemler, özellikle kısa mesafe veri iletişim sistemleri içerisinde, en az kablolu olanlar kadar hızlı ve güvenilir olmaktadırlar. Kısa mesafe, hızlı veri alışverişine uygun kablosuz haberleşme protokolü olan IEEE 802.11b/g, 2.4–2.5 GHz bandında çalışmakta ve geniş bir kullanım alanına sahip olmaktadır.

Kablosuz ve Lisanssız ISM Spektrumu

RF alıcı-verici sistemde; sinyalleri yeterli bir frekansa dönüştürmek için karıştırıcı/sentezleyici, istenmeyen sinyal bileşenlerini kaldırmak için filtre ve sinyalleri yeterli bir seviyeye dönüştürmek için yükselteç elemanları kullanılır. Özellikle sistemin performansında filtre seçimi önemli bir yere sahiptir

2.4GHz Alıcı-Verici Blok Şeması Karıştırıcı/sentezleyici;sinyalleri yeterli bir frekansa dönüştürmek, Filtre; istenmeyen sinyal bileşenlerini kaldırmak, Yükselteç; elemanları ise sinyalleri yeterli bir seviyeye dönüştürmek için kullanılır. RF front end yapıda çift frekans dönüşüm stratejisi çalışıldı; (2.4 - 2.47 GHz). 1. IF 280MHz 2. IF 55 MHz TDD çiftleme metodu T/R anahtarı ile kontrol edilerek bu modül içerisine uyarlandı. A-Sınıfı güç yükselteci, pre-yükselteç, mikser ve düşük gürültü yükselteci tasarlandı ve uygun RFIC süzgeç ve anahtarlar ile bu RF front end birleştirildi.

Sistemdeki BPF Frekansları RF ön uç yapıda çift frekans dönüşüm stratejisi çalışılmıştır. 2.4 GHz-2.47 GHz ; 1. IF --- 280 MHz 2. IF --- 55 MHz TDD (Time Division Duplexing) metodu T/R anahtarı ile kontrol edilerek RF ön uç modülü içerine uygulanmıştır. Bu nedenle, 2.4 GHz mikroşerit BGF,55 MHz ve 280 MHz Lump elemanlarla bant geçiren filtre analizi ve tasarımı yapılmıştır.

Performans & Özellikler Bir Front End (ön uç) sistemin performans etkileri aşağıdaki parametreler ile karakterize edilebilir; Doğrusallık (IP2/IP3/P1dB/ACPR/EVM) Duyarlılık (NF) Seçicilik (ACR/ALR/Reciprocal Mixing) Kazanç (Gp/Gv/Gt/Ga) Güç tüketimi (Active/stdby/efficiency) Maliyet (die area, ext. components) Boyut (ext components, paket)

II. Bant Geçiren Filtre Devre Tipleri End-Coupled, Half-Wavelength Resonator Filtreler Parallel-Coupled, Half-Wavelength Resonator Filtreler Hairpin-Line Band geçiren Filtreler Interdigital Band geçiren Filtreler Combline Filtreler Pseudocombline Filtreler Stub Band geçiren Filtreler Dual-mode microstrip bandpass filters based on meander structure Aktif band geçiren filtreler

Çeyrek dalga (kısa devre) BGF 5 kutuplu harpin BGF 5 kutuplu Interdigital BGF Combline BGF Dual mod mikroşerit BGF

Aktif Filtreler

Tasarım Programı RF devre tasarım ve simülasyonu için endüstride çeşitli yazılım paketleri bulunmaktadır. Moment metodunu kullanan Applied Wave Research’s Microwave Office programı, tasarım prosesinde daha fazla esneklik sağladığı için seçildi.

Alt Taban Malzeme Özellikleri Alt Taban Malzemesi Dielektrik Sabiti εr Kayıp Tanjant tan Dielektrik Kalınlığı Bakır Kalınlığı FR4 cam elyaf 4.6 0.001 1.6 mm 1μm Filtre seçiminde çalışma özellikleri (gerilim, akım ve sıcaklık), güvenilirlik (maksimum sızıntı akımı, rutubet sınırları, aşırı yük akımı), elektriksel özellikler (yüksek gerilim karakteristikleri, yalıtma direnci,R.L., I.L, N.F. v.b.) ve mekanik özellikler (boyutlar, montaj sorunları) en önemli seçim parametreleridir.

Tasarım Aşaması Giriş çıkış arasına seri bağlanan LC elemanları band geçirirken, paralel LC elemanları band söndüren karakteristiğe sahiptirler. Filtrelerin şekildeki davranışları ideal durumu yansıtmakta. Eğimi fazla olan filtrelerin derecesi daha yüksektir ve ideale daha yakındır.

Tasarım Aşaması Giriş çıkış arasına seri bağlanan LC elemanları band geçirirken, paralel LC elemanları band söndüren karakteristiğe sahiptirler. Filtrelerin şekildeki davranışları ideal durumu yansıtmakta. Eğimi fazla olan filtrelerin derecesi daha yüksektir ve ideale daha yakındır.

2.4 GHz Mikroşerit Filtre Tasarımı Simülasyon Merkez Frekansı (GHz) 2.39 GHz Band Genişliği (MHz) 78 MHz Geri Dönüş Kaybı (dB) 13 dB Geçiş Kaybı (I.L)(dB) 1.18 dB 2.4 GHz Mikroşerit Filtre S-parametreleri

55 MHz Band Geçiren Filtre Tasarımı   Simülasyon Merkez Frekansı (GHz) 55 MHz Band Genişliği (MHz) 10 MHz Geri Dönüş Kaybı (dB) 65 dB Geçiş Kaybı (I.L)(dB) 0.4 dB 55 MHz Band Geçiren Filtre S-parametreleri

280 MHz Band Geçiren Filtre Tasarımı   Simülasyon Merkez Frekansı (GHz) 280 MHz Band Genişliği (MHz) 15 MHz Geri Dönüş Kaybı (dB) 22 dB Geçiş Kaybı (I.L)(dB) 0.28 dB 280 MHz Band Geçiren Filtre S-parametreleri

ALICI PERFORMANSI 2.4 GHz alıcı modunda sistem performansı –pi/4 DQPSK (-12.7 dBm) sayısal modülasyon

IV. Sonuçlar Bu çalışmada, 2.4 GHz mikroşerit anten, 55 MHz ve 280 MHz band geçiren filtre tasarımı ve simülasyonu yapılmıştır. Tasarlanan filtrenin performans parametreleri Microwave Office Simülasyon programı kullanılarak değerlendirilmiştir. 55 MHz’de -65 dB, 280 MHz’de ise -22 dB geri dönüş kaybı elde edilmiştir. Simülasyon sonuçları, tasarlanan Filtre devrelerinin 802.11b/g standartları ile uyumlu alıcı-verici sistemlerde etkili olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

TEŞEKKÜR

KAYNAKLAR Esame, O., Kaynak, M., Kavlak, C., Bozkurt, A., Tekin, I., Gürbüz, Y., “IEEE 802.11a Standard Uyumlu, RF Alıcı-Verici Alt-Blok Devrelerinin Gerçeklenmesi, URSİ, Hacettepe Üniversitesi, 2006. Sevgi, L., “EMC ve Korunma yöntemleri: Filtreler” Endüstri&Otomasyon Dergisi, 2004. Chung, M.S., Kim, I.S., And Yun S.W., 2007. Design of an RF Low-Noise Bandpass Filter Using Active Device Reduction Technique, IEEE Microwave and Wireless Comp. Letters, 17, 196-198. Lee, J. R., Chun, Y. H., And Yun, S. W., 2005. A Novel Bandpass Filter Using Active Capacitance, In IEEE MTT-S Int. Dig., Jun. 3 1747–1750. Pozar, D. M., 1998. Microwave Engineering, John Wiley & Wiley.