กิตติกรรมประกาศ ...eng.cmu.ac.th/web/wp-content/uploads/2015/11/3final-report.pdf · N.Siripon, "Analysis of Balanced Oscillator", NSTDA Annual Conference

การออกแบบวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน Design of Bandpass Filter Using Coupled Lines

ก

กตตกรรมประกาศ (Acknowledgement)

ผวจยขอขอบคณคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม สาหรบทนวจยทใหโอกาสไดทางานวจยในเรองการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน ถงแมวาคปเปลไลนถกใชในการออกแบบวงจรกรองความถกนอยางแพรหลายแลวกตาม วงจรกรองความถผานแถบยงคงไดรบการพฒนาอยางตอเนองทาใหผวจยไดนาความรดานการออกแบบวงจรยานความถไมโครเวฟมาประยกตและคดคนหาวธการในการออกแบบวงจรกรองความถเพอใหวงจรมขนาดเลกและมสมรรถนะการทางานทดยงขน

นอกจากนแลวผวจยใครขอขอบคณสถาบนวจยและพฒนาอตสาหกรรมโทรคมนาคม สานกงานคณะกรรมการกจการโทรคมนาคมแหงชาต ทสนบสนนเครองมอวดดานความถไมโครเวฟ และบรษท Agilent Co., Ltd. ทยนดบรจาคโปรแกรม ADS ออกแบบวงจรและระบบสอสารดานความถสงเพอการศกษาและการทาวจยใหกบภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม ทาใหในทสดผวจยสามารถทางานวจยนสาเรจไดดวยด สดทายผวจยรสกซาบซงใจตอความมน าใจของผทชวยทาแผนวงจรตลอดจนผชวยพมพงานทกทานททางานวจยนจนเปนผลสาเรจออกมาไดดวยด


ข

คณะผวจย (Research Team)

1.1 ชอ-นามสกล (ภาษาไทย) นางสาวนภาภณธ ศรพล ชอ-นามสกล (ภาษาองกฤษ) Miss Nipapon Siripon

1.2 ตาแหนงปจจบน ผชวยศาสตราจารย

1.3 หนวยงาน ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม สถานทอย คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม 239 ถนน หวยแกว ตาบล สเทพ อาเภอ เมอง จงหวด เชยงใหม 50200

1.4 ประวตการศกษา ปรญญาตร สาขาวชาวศวกรรมศาสตร (วศวกรรมไฟฟาอเลกทรอนกส) สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง ปทสาเรจ 2537 ปรญญาโท สาขาวชาวศวกรรมศาสตร (วศวกรรมไฟฟา: การออกแบบวงจรรวมดจตอลและอนาลอก) สถาบน Imperial College, UK ปทสาเรจ 2541 หวขอวทยานพนธททาเรอง Prescaler แหลงทนทไดรบในขณะศกษาระดบปรญญาโท กระทรวงวทยาศาสตรและเทคโนโลย ปรญญาเอก สาขาวชาวศวกรรมศาสตร (วศวกรรมไฟฟา) สถาบน University of Surrey, UK ปทสาเรจ 2545 หวขอวทยานพนธททาเรอง Balanced Oscillator and Frequency Doubler แหลงทนทไดรบในขณะศกษาระดบปรญญาเอก กระทรวงวทยาศาสตรและเทคโนโลย

1.5 ผลงานทางวชาการ HOUNNAKLANG NUCHANAD, LERTMAHARIT SOMRAT, LOHSOONTHORN

VITOOL,SIRIPON NIPAPON, RATTANANUPONG THANAPOOM, “SLEEP DURATION AND MICROWAVE COMMUNICATION WIRELESS DEVICES AMONG HIGH SCHOOL STUDENTS IN BANGKOK, THAILAND”, International Journal of Management and Applied Science, Volume-1, Issue-6,pp. 15-19, July-2015


ค

N.Siripon and P. Metrakultawat, “A Miniaturized Asymmetrical Bandpass Filter Using the Inductive Load and the Coupled Lines”, 2015 12th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, 4 pages, Hua-Hin, Thailand, June 2015.

S. Punyawarin and N.Siripon, “A Novel Wideband Bandpass Filter Using Square Loop Resonator and Thee-Coupled Line Load” , 2015 12th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, 4 pages, Hua-Hin, Thailand, June 2015.

Sangdaun Potha, Nipapon Siripon, Ukrit Mankong, “Simple Directly Modulated Laser Diode Frequency Characterization Using Calibrated PD by Two-tone Light MZM Method,” The 9th Asia-Pacific Microwave Photonics Conference 2014, Japan.

R. Kudpik, N. Siripon, K. Meksamoot, and S. Kosulvit, "Design of a UWB bi-paraboloidal antenna," Proceedings of the 6 th ECTI-Conference on Application Research and Development (ECTI-CARD), pp. D426D429, Chiang Mai, Thailand, May 2014.

C. Chansakao, N. Siripon, and K. Meksamoot, "Dual band-reject UWB, CPW-fed elliptical loop slot antenna," Proceedings of the 6 th ECTI-Conference on Application Research and Development (ECTI-CARD), pp. D434D437, Chiang Mai, Thailand, May 2014.

R. Kudpik, N. Siripon, K. Meksamoot, and S. Kosulvit, "Optimization of a UWB biconical antenna on radiation characteristics," Journal of Practical Electrical Engineering (JPEE), vol. 5, pp. 3646, 2013.

N. Siripon, “A novel design of distributed oscillator based on the balanced oscillator technique,” Proceedings of the 10th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), ID 1765, 4 pages, Krabi, Thailand, May 2013.

R. Kudpik, K. Meksamoot, N. Siripon and S. Kosulvit, “Design of a compact biconical antenna for UWB applications,” Proceedings of the 2011 IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems (ISPACS), TPM2-2, ID 320, 6 pages, Chiang Mai, Thailand, Dec. 2011.

พชร เมธากลธวช และ นภาภณธ ศรพล, “การปรบปรงวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปลแบบไมสมมาตรและอนดคทฟโหลด”, EECON 33


ง

D.Singwong and N.Siripon, “A Wide-Band Bandpass Filter Using a Novel Embedded Short-Circuited Stub Resonator”, Asia-Pacific Microwave Conference 2010, Yokohama, Japan, 7–10 Dec 2010

P.Prompa and N.Siripon, “Development of Monitoring and Control System Using Distributed Embedded System Via CAN Bus” EECON 33, Chiangmai, Thailand, 1–3 December 2010

N.Siripon and P.Eaktas, “A 2.0-GHz Wideband Bandpass Filter Using Ring Resonator with the Compound Stub, Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, 2009. ECTI-CON 2009. 6th International Conference, pp. 525–527, Pattaya, Thailand, 14–17 May 2008

P.Eaktas and N.Siripon, "A New Wideband Band Pass Filter Using A closed Loop Resonator Connected to One Port Ring Resonator", 30th Electrical Engineering Conference, 2007

N.Siripon, "Analysis of Balanced Oscillator", NSTDA Annual Conference 2005, Science Park NSTDA, 28–30 March 2005, Bangkok, Thailand, 2005

M.J. Underhill and N. Siripon, "An Investigation of a Cascaded Pair of Injection-locked Oscillators at 2 GHz", 16th European Frequency and Time Forum, Switzerland, March, 2002

M.J. Underhill, N. Siripon and N. Christorou, "Determination of Capture Range and Locking Range of Injection Locked Oscillator", 15th European Frequency and Time Forum, Switzerland, March, 2001

N. Siripon, M. Chongcheawchamnan and I.D. Robertson, "Novel Frequency Doubler using Feedforward for Fundamental Frequency Component Suppression", 2001 IEEE Microwave MTT-S Int. Sym. Dig., Phoenix, Arizona, May, 2001

N. Siripon, M. Chongcheawchamnan and I.D. Robertson, "Novel Sub-harmonic Injection-locked Balanced Oscillator", 31th European Microwave Conference, London, September, 2001

N. Siripon, M. Chongcheawchamnan and I.D. Roberts, "Injection-locked Balanced Oscillator-Doubler", Electronic Letters, Vol. 37, No. 15, pp. 958–959, 19th July, 2001

N. Siripon, M. Chongcheawchamnan and I.D. Robertson, "Design and Performance of a Balanced Self-Oscillating Mixer", 30th European Microwave Conference, Paris, October, 2000

N. Siripon, M.J. Underhill and I.D. Robertson, "Reduced Spurious Signal in an Injection-Locked Oscillator by Using Power Combining Technique", 33rd European Microwave Conference, 2000

N. Siripon, M. Chongcheawchamnan and I.D. Robertson, "Injection-locked Balanced Oscillator", Electronic Letters, Vol. 39, No. 22, pp. 1854–1855, 26th October, 2000


จ

บทคดยอ

งานวจยนเปนการออกแบบและสรางวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลนซงเปนคปเปลไลน 3 เสนประกอบดวย 4 โครงสราง วตประสงคหลกของโครงสรางแบบคาสเคดคอ ตองการไดวงจรกรองความถทมแบนดวดทกวางมากขนและใหสมประสทธกาลงสะทอนกลบด วงจรคปเปลไลน 3 เสนทมสายสงเสนท 2 ตอกราวดตอกนแบบคาสเคด วงจรใหคาแบนดวดทอยางนอย 200 เปอรเซนตกวางกวาวงจรคปเปลไลนแบบเดยวแตยงมขอเสยคอ ยงกดความถฮารมอนกท 3 ไดไมด เพอใหสามารถแกไขปญหาดงกลาววงจรรปพดจงถกใชมาตอทฟดไลนตาแหนงอนพตและเอาตพตซงพบวาสามารถกาจดความถไดมากถงฮารมอนกท 5 สาหรบวงจรท 2, วงจรตอแบบคาสเคดโดยในกรณนสายสงเสนกลางของวงจรคปเปลไลน 3 เสนตอกบสตบปลายเปด และทาการทดสอบวงจรแบบเดยวดวย พบวาวงจรนใหคาสมประสทธกาลงสะทอนกลบไดถง 30 dBm หลงจากนนทดสอบวงจรคาสเคดซงผลทไดพบวาวงจรใหคาสมประสทธกาลงสะทอนกลบสงและความคมทขอบแบนดกาจดดแตแบนดวดทไมกวางขน

จากนนเปนการออกแบบวงจรกรองความถดวยวงจรคปเปลไลน 2 เสนและ 3 เสน วงจรท 3 ใชวงจรโหลดคปเปลไลน 3 เสนตอระหวางคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนดานลางและดานบนตอดวยวงจรคปเปลไลนแบบสมมาตร 2 เสน ผลการทดลองวงจรใหคาแบนดวดทกวางประมาณ 2 GHz วงจรสดทายออกแบบคลายกนโดยใชคปเปลไลน 3 เสนแทนการใชคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนและใชอนดกทฟโหลดแทนการใชโหลดคปเปลไลน 3 เสน นอกจากนนใชวงจรรปพดตอทอนพตและเอาตพตฟดไลนเพอใหวงจรสามารถกาจดสญญาณความถนอกแบนดวดทฮารมอนกท 3 ไดด จากการทดลองพบวาวงจรนใหความคมของแบนดกาจดไดดเยยมและยงสามารถกดความถฮารมอนกไดกวาง วงจรนยงใหแบนดวดทกวางกวาวงจร [7] โดยสรปสามารถกลาวไดวาผลการจาลองการทางานของวงจรมผลสอดคลองกบผลการทดลอง


ฉ

Abstract

This project is to design a bandpass filter using the 3-coupled lines. There are 4 main configurations. The main objective of the cascade configuration is to obtain the broaden bandwidth. Two of the 3- coupled line where the second line connected to ground are connected in cascade. This filter gives at least 200 percent higher bandwidth than that used single 3-coupled line but it suffers from the third harmonic frequency suppression. To overcome this problem, the fan-shape stubs are used to connect at the input and output of the feed lines, resulting in widen band rejection about the 5th harmonic. For the second circuit, the two of the 3-coupled lines are connected in cascade configuration. In this case the middle line of each coupled line is connected to the opened stub. The single coupled line is observed. It is found that the filter provides the improved return loss which is about 30 dBm. After that the cascade structure is investigated. As a result, the circuit achieves the high return loss and sharp band rejection but the bandwidth is not broaden.

Next the 2-and 3- coupled lines are utilized for filter design. The third filter, the 3-coupled load is introduced to connect between the two asymmetrical coupled lines at the bottom where the upper lines of these two coupled lines are connected to the symmetrical coupled lines. From the experiment, the broaden bandwidth is obtain, approximately 2 GHz. The last filter design is similar to the previous. Instead of using the asymmetrical coupled lines, the 3 coupled lines are used and the inductive load is employed. In this design, the third harmonic frequency is fully rejected, therefore, the fan-shape stubs introduced at the two feed lines. From the measurement results, the circuit gives the excellent sharp band rejection and the harmonic suppression. In addition, this filter circuit provides broaden bandwidth higher than the circuit in [7]. In conclusion, it can be said that the simulation results of each filter are agreed with these measurement results


ช

สารบญ (Table of Contents)

หนา

กตตกรรมประกาศ (Acknowledgement) ก คณะผวจย (Research Team) ข บทคดยอ ง บทคดยอ (ภาษาองกฤษ) จ สารบญตาราง (List of Tables) ฌ สารบญภาพ (List of Illustrations) ญ คาอธบายสญลกษณและคายอทใชในการวจย (List of Abbreviations) ฐ 1. บทนา

1.1 ความสาคญและทมาของปญหาททาการวจย 1 1.2 ผลงานวจยทเกยวของ 2 1.3 วตถประสงคของโครงการ 3 1.4 วธวจย 3 1.5 ระยะเวลาทาการวจย 4 1.6 แผนการดาเนนงานตลอดโครงการ (ใหระบขนโดยละเอยด) 5 1.7 อปกรณในการวจย 5 1.8 รายละเอยดงบประมาณของโครงการตามหมวดเงนประเภทตางๆ 6

2. ทฤษฎสายสง 2.1 สายสง 7 2.2 การออกแบบสายสงใหมสมบตเปนความตานทาน ตวเกบประจและตวเหนยวนา 10 2.3 ไมโครสตรป 11


ซ

3. ทฤษฎทเกยวของ 3.1. คปเปลไลน 3.2. โครงสรางสายสงทใหสมบตตวเหนยวนาและตวเกบประจ

3.2.1. สายสงทมขนาดเลก 3.2.2. สายสงทมขนาดใหญ 3.2.3. สายสงโคงเปนมม 3.2.4. โครงสรางอนดกทฟโหลด 3.2.5. คปเปลไลน 3 เสน

3.3. การออกแบบวงจรความถพนฐานดวยอปกรณอเลกทรอนกส 4. วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 3 เสน

4.1. คปเปลไลนตอกราวด 4.1.1. แบบเดยว 4.1.2. แบบคาสเคด

4.2. คปเปลไลนไมตอกราวด 5. วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2และ 3 เสน

5.1. วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 2 เสนและโหลดคปเปลไลน 3 เสน 5.2. วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน

6. ขอวจารณ (Discussion) 6.1. วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสน 6.2. วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 และ 2 เสน

7. สรปและขอเสนอแนะ (Conclusion and Recommendation) 7.1. สรป

7.1.1. วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสน 7.1.2. วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 และ 2 เสน

7.2. ขอเสนอแนะ 7.2.1. ลดสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานแบนดวดท 7.2.2. เพมความถแบนดวดท

เอกสารอางอง (References)

13

16 17 18 19 21 23

26 27 29 33

39

44

49 50

51 52

52 53 54


ฌ

สารบญตาราง (List of Tables)

หนา ตารางท 1-1 แผนการดาเนนงานตลอดโครงการ (Timeline) 5 ตารางท 1-2 รายละเอยดคาใชจายในโครงการ 6 ตารางท 3-1 แสดงวงจรยอยและวงจรสมมลยอย

15


ญ

สารบญภาพ (List of Illustrations)

หนา รปท 2-1 ก) สญลกษณสายสง และ ข) วงจรสมมลของสายสง 8 รปท 2-2 สายสงความยาวตออยกบโหลดทความยาว x = l หรอ d = 0 9 รปท 2-3 โครงสรางไมโครสตรป 11 รปท 2-4 ก) แสดง 50-ohm Through Line ตอดวย 50-ohm Connector และ ข) แสดง S

พารามเตอรเพอทดสอบ 50-ohm Connector 12

รปท 3-1 โครงสรางของคปเปลไลน 13 รปท 3-2 วงจรคบเปลอรยอยใชในการตอแบบคาสเคดสาหรบวงจรกรองแถบผานความถ 14 รปท 3-3 ก)วงจรกรองผานแถบความถทออกแบบโดยใชวงจรคปเปล N+1 และ ข) วงจรสมมล 15 รปท 3-4 วงจรกรองความถผาน 16 รปท 3-5 ไมโครสตรปขนาดเลกและมสดสวนของความยาวตอความกวางของสายสงมาก 17 รปท 3-6 ไมโครสตรปขนาดใหญและมสดสวนของความกวางสายสงตอความยาวมคานอย 18 รปท 3-7 สายสงทโคงเปนมม 18 รปท 3-8 การเปรยบเทยบโครงสราง ก) สายสงอมพแดนซสงความยาว ld และ ข) อนดคทฟ

โหลด 19

รปท 3-9 โครงขายสองพอรตของอนดกทฟโหลด 21 รปท 3-10 คาสวนจนตภาพของอนพตอมพแดนซของโครงสรางอนดกทฟโหลดทไดจากการ

คานวณ [7] 21

รปท 3-11 โครงสรางคปเปลไลน 3 เสนบนไมโครสตรป 22

รปท 3-12 โครงสรางวงจรคปเปลไลน 2 เสนและวงจรสมมล

22

รปท 3-13 ก) การตอวงจรคปเปลไลน 2 เสน 2 วงจรยอย และ ข) วงจรสมมลของวงจรคปเปลไลน 3 เสน

23

รปท 3-14 ไดอะแกรมการออกแบบวงจรกรองความถพนฐาน 24 รปท 3-15 การแปลงอปกรณอเลกทรอนกสของ ก) วงจรกรองความถผานตาตนแบบ และ ข)

วงจรกรองความถผานแถบ 24

รปท 4- 1 แบบจาลองวงจรกรองความถแถบผานโดยใชคปเปลไลน 3 เสนตอกราวด [3] 27


ฎ

รปท 4- 2 วงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนแบบตอกราวด ก) Layout ข) โครงสราง 3 มต และ ค) ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางาน

29

รปท 4- 3 วงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอกราวดแบบคาสเคด ก) Layout ข) โครงสราง 3 มต และ ค) ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางาน

30

รปท 4- 4 แผนวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอกราวดแบบคาสเคด 31 รปท 4- 5 ผลวดคา S พารามเตอรของวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอ

กราวดแบบคาสเคด 31

รปท 4- 6 ก) แผนวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอกราวดแบบคาสเคดและตอสตบ ข) ผลวดคา S พารามเตอรของวงจร

32

รปท 4- 7 ก)โครงสรางของวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 3 เสนไมตอกราวด และ ข) แบบจาลองวงจร

33

รปท 4- 8 วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวด ก) Layout และ 34 รปท 4- 9 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบใช

คปเปลไลนไมตอกราวด 34

รปท 4- 10 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวด 35 รปท 4- 11 ผลตอบสนองความถจากการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปล

ไลนไมตอกราวด 35

รปท 4- 12 วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด ก) Layout และ 36 รปท 4- 13 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบ

ใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด 37

รปท 4- 14 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด 37 รปท 4- 15 ผลตอบสนองความถจากกการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปล

ไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด 38

รปท 5- 1 โครงสรางวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลนแบบสมมาตร 39 รปท 5- 2 วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 2 เสนและคปเปลไลนโหลด 3 เสน 40 รปท 5- 3 ก) วงจรคปเปลไลนแบบไมสมมาตร และข) วงจรสมมล 40 รปท 5- 4 ก) วงจรคปเปลไลนแบบสมมาตรตอวงจรเปดคดานเดยว และข) วงจรสมมล 41 รปท 5- 5 วงจรสมมลของวงจรกรองความถผานแถบในรปท 5-2 41 รปท 5- 6 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานดวยโปรแกรม ADS 42 รปท 5- 7 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และคปเปลไลนโหลด 3 เสน 42


ฏ

รปท 5- 8 ผลตอบสนองความถจากการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และคปเปลไลนโหลด 3 เสน Span ก) 5 GHz และข) 10GHz

43

รปท 5- 9 ก) โครงสรางวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน และ ข) วงจรสมมล

44

รปท 5- 10วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน ก) Layout และ 45 รปท 5- 11 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบ

ใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน 46

รปท 5- 12 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน 46 รปท 5- 13 ผลตอบสนองความถจากกการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปล

ไลน 2 และ 3 เสน Span ก) 5 GHz และข) 10 GHz 47


ฐ

คาอธบายสญลกษณและคายอทใชในการวจยฯ (List of Abbreviations)

สญลกษณและคายอ คาอธบาย

คาคงทการแพรกระจายเชงซอน (Complex Propagation Constant)

คาคงทการลดทอน (Attenuation Constant) คาคงทเฟส (Phase Constant)

ความยาวคลน (Wavelength)

0Z คาอมพแดนซลกษณะเฉพาะของสายสง (Characteristic impedance of transmission line)


1

1. บทนา 1.1. ความสาคญและทมาของปญหาททาการวจย

ในปจจบนระบบสอสารโทรคมนาคมความถไมโครเวฟมความสาคญและเปนสงจาเปนสาหรบการดารงชวตของมนษยกอรปกบเทคโนโลยทมการพฒนาอยางไมหยดย งทาใหมการใชความถในระบบสอสารโทรคมนาคมหลายรปแบบซงสงผลใหมความพยายามใชคลนความถใหเหมาะสมและมความคมคาสงสดเนองจากความถเปนทรพยากรธรรมชาตทมจากด ดงนนแลวการจดใหมชองสญญาณทมแบนดวดทแคบเพอใหมจานวนชองสญญาณมากจงอาจเปนวธการหนงในการใชคลนความถใหเกดประโยชนสงสดสงผลใหตองออกแบบระบบสอสารใหมประสทธภาพการทางานสง การกาจดสญญาณในยานความถทไมตองการออกจากระบบเปนสงทสาคญยงในการรบสงสญญาณความถทแสดงถงสมรรถนะการทางานของระบบสอสาร สาหรบเครองรบสงสญญาณความถจงมวงจรกรองความถผานแถบเปนองคประกอบเนองจากวงจรกรองความถผานแถบเปนวงจรททาหนาทกรองสญญาณในยานความถทตองการใหออกมาทเอาตพตของวงจรมขนาดสงสดโดยสญญาณความถอนนนจะถกกาจดหรอถกกดใหมขนาดตามาก ดงนนวงจรกรองความถผานแถบจงมบทบาทสาคญในระบบสอสารโทรคมนาคมมาก อยางไรกตามในการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบยงตองคานงถงสมบตดานอนของวงจร เชน แบนดวดทหรอชวงความถแถบผานซงขนอยกบโครงสรางหลกของวงจรกรองความถ นอกจากนแลวความชนของขอบความถแถบหยดกเปนสมบตของวงจรกรองความถทไมควรมองขามไป ทงนวงจรกรองความถทใหความชนของขอบความถแถบหยดมากกจะมสมรรถนะในการกาจดสญญาณความถทชวงเปลยนแถบความถจากแถบผานความถไปยงแถบหยดไดดกวาวงจรกรองความถใหความชนของขอบความถแถบหยดตากวา งานวจยนเปนการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบทมความถกลางประมาณ 2 GHz โดยใชวงจรคปเปลทมสายสงมากกวา 2 เสนตอคปปลงกน จากการศกษาเบองตนพบวาประสทธภาพการทางานของวงจรกรองแถบผานความถบนพนฐานของคปเปลขนอยกบตวแปรสาคญ เชน อมพแดนซของสายสง และระยะหางระหวางสายสง ดงนนในโครงงานนจงศกษาการทางานของวงจรกรองแถบผานความถบนพนฐานของวงจรคปเปลในยานความถเอสแบนดหรอประมาณ 2 GHz เพอนาไปพฒนาการ ออกแบบ และสรางวงจรกรองความถผานแถบดวยเทคนคตาง ๆ เชน การใชสายสงปลายปดและสายสงปลายเปดเพอใหวงจรกรองความถมแบนดวดทมากกวา


2

30% ของความถกลาง มความชนทขอบของแถบหยดสง และมขนาดวงจรไมใหญกวาวงจรพนฐานทประกอบดวยวงจรคปเปลทมความยาวเทากบหนงในสของความยาวคลนหลายวงจรตอกนแบบคาสเคด 1.2. ผลงานวจยทเกยวของ

จากการศกษาขนพนฐานของการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถทใชวงจรคปเปลตอกน

แบบคาสเคดนนพบวาวงจรทไดมขนาดใหญเนองจากความยาวของวงจรคปเปลแตละวงจรมคาเทากบหนงในสของความยาวคลนของความถทตองการออกแบบ จงมการวจยอกมากมายทศกษาการออกแบบวงจรกรองแถบผานความถโดยใชวงจรคปเปลใหมจานวนนอยและไดวงจรกรองผานแถบความถทใหประสทธภาพดไมดอยไปกวาวงจรพนฐานน [1]-[5]

ในป 2552 มการนาวงจรคปเปลมาสรางวงจรกรองผานแถบความถทสามารถกาจดสญญาณความถในยานทไมตองการออกไดไมนอยกวา - 40dB [2] โดยทวงจรดงกลาวประกอบดวยสวนของวงจรคปเปลทตอดวยวงจรสตบปลายเปดและวงจรสตบปลายปด ในสวนของอนพตและเอาตพตตอดวยคปเปลซงพบวาสวนของวงจรคปเปลทใชนนมความยาวนอยกวาหนงในสของความยาวคลนของความถทตองการออกแบบ นอกจากนแลวยงนาพนไดโอดมาใชแทนวงจรสตบปลายปดรวมกบตวเกบประจเมอตอไฟฟากระแสตรงใหกบไดโอดแบบฟอรเวรด และเมอตอไฟกระแสตรงแบบยอนกลบกบพนไดโอดพบวาพนไดโอดทาหนาทเปนตวเกบประจสงผลใหวงจรกรองความถไมเรโซเนตทความถทออกแบบและฮารโมนคค ดงนนวงจรคปเปลทตอกบพนไดโอดนจงสามารถทางานเปนชวงความถหยดไดดวย

อกหนงเทคนคทนาสนใจคอ การใชเรโซเนเตอรแบบสเตปอมพแดนซความยาวหนงในสของความยาวคลนและมปลายแยก [3] รวมกบเทคนคแอนตพาราแรลคปเปลซงทาใหวงจรกรองความถมขนาดเลกและยงสามารถลดคาสญญาณรบกวนไดอยางดเยยม ทงนผวจยแกปญหาขอจากดของการคปปลงของวงจรทใหคาชวงความถทางานกวางโดยการตอกราวดทปลายของเรโซเนเตอรและพบดานทเปนปลายเปดไป 90 องศา กาหนดใหคาอมพแดนซมคาแตกตางกนเปนผลใหเกดซโรขนเมอนามาคปเปลกน คาซโรทเกดเพมขนนทาใหมการเพมการลดทอนของสญญาณความถนอกชวงความถทางานนนเอง สวนงานวจยทเปนการพฒนาเรโซเนเตอรซงมโครงสรางสายสงความยาวเทากบครงหนงของความยาวคลนเชอมตอกนแบบเทปทจดศนยกลางทตอรวมกบสตบปลายเปด [4] พบวาการตอแบบเทปนเปนการคปเปลของสายสงและทาใหผลตอบสนองเชงความถในชวงความถทไม


3

ตองการดขน ถงแมวาเทคนคดงกลาวใหผลตอบสนองดและงายตอการสรางแตวงจรยงมขนาดใหญเพราะเรโซเนเตอรมความยาวเทากบครงหนงของความยาวคลน

นอกจากนยงมการวจยทนาวงจรคปเปลมาตอกนเปนเรโซเนเตอรเรยกวา แฮรพนรวมกบสเตปอมพแดนซเทคนค และเรยกโครงสรางใหมนวา วงจรกรองความถแบบครอสคบเปล [5] โดยออกแบบใหมผลตอบสนองแบบเชฟปเชฟและบตเตอรเวอรท วงจรกรองความถนนอกจากจะมขนาดเลกแลวยงใหผลตอบสนองเชงความถทไมตองการดมากเพราะสามารถใหคาซโรสองคาทใกลกบชวงความถผานแถบสงผลใหชวงความถกาจดมคาความชนสง 1.3. วตถประสงคของโครงการ

เพอออกแบบวงจรกรองความถผานแถบยาน S แบนดโดยใชวงจรคปเปอลไลนทมสาย

สงคปเปลมากกวา 2 เสนและสายสงปลายเปดและสายสงปลายปดเปนองคประกอบรวม วงจรใหแบนดวดทมากกวา 30% ของความถกลางและมความชนทขอบของแถบหยดสง

1.4. วธวจย ศกษาการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบทใชวงจรคปเปลทมเสนคปเปลมากกวา 2 เสนบนสายสงไมโครสตรป ในการออกแบบวงจรเพอใหไดวงจรกรองความถทใหสมบตแบนดวดทกวางและมความชนทของของแถบหยดมากนนจาเปนตองใชองคประกอบอน เชน สายสงปลายปดและสายสงปลายเปดเปนองคประกอบของวงจรตอใหกบวงจรคปเปลในตาแหนงทเหมาะสม สาหรบโครงการนใช FR 4 เปนซบสเตรตในการสรางวงจรดงนนแลวตองกาหนดสมบตทางกายภาพของซบสเตรตใหถกตองในขนตอนการจาลองการทางานของวงจร เมอสามารถจาลองผลการทางานของวงจรไดประสทธภาพการทางานทตองการแลวจงเปนขนตอนการสรางวงจรและทดสอบผลการทางานของวงจรดวย Network Analyzer ดงแสดงในรปท 1-1.


4

ศกษาทฤษฏการทางานของวงจรคปเปลอรสาหรบออกแบบวงจรกรองความถผานแถบ

ออกแบบวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปลอรทมสายลงตอคปเปลมากกวา 2 เสนและจาลองการทางานของวงจรดวยโปรแกรม ADS

จาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบจากวงจร Layout บนไมโครสตรป

สรางวงจรกรองความถผานแถบบน RF4

วดประสทธภาพการทางานของวงจรดวย Network Analyzer

ปรบปรงวงจรใหมแบนดวดตอยางนอยเทากบ 30% ของความถกลางและมความชนทขอบแถบหยดสงพรอมทงเขยนรายงานฉบบสมบรณ

ศกษาทฤษฎการทางานของวงจรคปเปลอรสาหรบออกแบบวงจรกรองความถผานแถบ

ปรบปรงวงจรใหมแบนดวดทอยางนอยเทากบ30% ของความถกลางและมความชนทขอบแถบหยดสงพรอมทงเขยนรายงานฉบบสมบรณ

รปท 1- 1 ขนตอนการทางาน

1.5. ระยะเวลาทาการวจย 1 ป


5

1.6. แผนการดาเนนงานตลอดโครงการ (ใหระบขนโดยละเอยด)

ตารางท 1-1 รายละเอยดแผนการดาเนนงาน

กจกรรม

เดอนท

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1.ศกษาการออกแบบของวงจรกรองความถผานแถบดวยวงจรคปเปล

2. ออกแบบวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปลทมสายสงตอคปเปลมากกวา 2 เสนและจาลองการทางานของวงจรดวยโปรแกรม ADS

3. จาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบจากวงจร Layout บนไมโครสตรป

4. สรางวงจรกรองความถผานแถบบน FR 4

5. วดประสทธภาพการทางานของวงจรดวย Network Analyzer และปรบปรงวงจรใหมแบนดวดทอยางนอยเทากบ 30% ของความถกลางและมความชนทขอบแถบหยดสง

6. เขยนรายงานฉบบสมบรณ

หมายเหต กจกรรมท 5 รวมถงการจดทาแพกเกจของวงจรทตองมการจาลองการทางานของวงจรทมการออกแบบแพกเกจ

1.7. อปกรณในการวจย

ก. อปกรณทจาเปนในการวจย 1) PCB สองหนา 2) Connectors ยานความถไมโครเวฟ 3) ถงมอใชในการทาแผนวงจร


6

4) อลมเนยมเพอทาแพกเกจของวงจร 5) กรดกดแผนวงจร ข. อปกรณการวจยทมอยแลว 1) สารเคมทใชในการลอกแผนฟลม

2) อปกรณในการกดแผนวงจรและประกอบวงจร เชน หวแรง ตะกวบดกร คมหนบ และแทนลางแผนวงจร

3) Network Analyzer 20 GHz

1.8. รายละเอยดงบประมาณของโครงการตามหมวดเงนประเภทตางๆ

ลาดบท รายการ จานวนเงน (บาท)

1.8.1 คาตอบแทนนกวจย ไมม

1.8.2 คาใชสอย

1) คาทาฟลมและทาแผนวงจร(เหมาจาย) 10,000

2) คาจางทารายงาน คาถายเอกสารและทา

เลมรายงาน 3,000

3) คาจางทาแพกเกจ 15,000

1.8.3 คาวสด

1) PCB สองหนา 2,700

2) Connectors ยานความถไมโครเวฟ* 28,500

3) อลมเนยมสาหรบทาแพกเกจของวงจร 10,000

1.8.4 คาใชจายอน ๆและวสดสานกงาน 8,000

รวมเปนเงน 77,200

หมายเหต ทกรายการสามารถถวเฉลยได * Connectors ยานความถไมโครเวฟ ใชแลวทงเพราะถาตองดงออกจะทาใหเกลยวเสยไมสามารถนามาใชกบโพรบของเครองมอวดได


7

2. ทฤษฎสายสง

2.1 สายสง

ในการออกแบบวงจรไฟฟาในยานความถไมโครเวฟทมชวงความถตงแต 300 เมกะเฮรต จนถง 300 กกะเฮรตนนไมสามารถนาอปกรณอเลกทรอนกสทใชในวงจรไฟฟาความถตาไดทงนเนองจากสมบตของอปกรณดงกลาวเมอนามาใชงานในยานความถไมโครเวฟพบวาสมบตเปลยนไป เชน ทความถไมโครเวฟพบวาตวเกบประจแสดงสมบตเปนอปกรณทประกอบดวยตวเหนยวนาและคาตวเกบประจทมคาไมเปนตามความตองการ เปนตน ดงนนแลวในการออกแบบวงจรไฟฟาอเลกทรอนกสยานความถไมโครเวฟจงจาเปนตองใชสายสงในการออกแบบเพอใหไดอปกรณทมสมบตเปนตวเกบประจ ตวเหนยวนาและความตานทาน เปนตน

โดยทวไปแลวสายสงทนยมใชในการออกแบบวงจรไฟฟาอเลกทรอนกสยานความถไมโครเวฟ ไดแก ไมโครสตรป สลอตลาย สตรปลายและโคพลานาร [1] เปนตน สายสงแตละชนดนนสามารถอธบายไดดวยทฤษฎสายสงซงประกอบดวยตวนา ตวตานทาน ตวเกบประจและตวเหนยวนาดงแสดงในรปท 2-1 ข) และเพอใหงายตอการวเคราะหสมบตของสายสงและการนาไปใชงานจงแบงความสายสงเปนระยะ x โดยเขยนเปนวงจรสมมลทประกอบดวยคาความนาไฟฟา (G: S/m) ความตานทาน (R: ohm/m) คาตวเกบประจ (C: F/m) และความเหนยวนา (L: H/m) มหนวยตอหนงหนวยความยาว เมอนาวงจรสมมลมาวเคราะหตามกฎเคอรชอฟแลวหาคาแรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟาในสายสงทความยาวตางๆ เพอใหเขาใจหลกการใชงานของสายสงจงขออธบายกรณทสายสงไมมการสญเสยพลงงานซงสามารถเขยนเปนสมการแสดงฟงกชนแรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟาทตาแหนง x [6] ไดดงน

xjxj BeAexV )( 2-1

1 ( ) 1( ) [ ] [ ]j x j x j x j xdV x d

I x Ae Be Ae Bej L dx j L dx L

2-2

โดยท LC (rads/m) เรยกวาคาคงทเฟส (Phase Constant) และ คอความถเชงมม (rads/s) คาคงท A และ B เปนคาคงทเชงซอน คาเหลานสามารถหาไดโดยใชเงอนไขขอบเขต (Boundary Condition) ทอนพตและเอาตพตของสายสง


8

ก)

ข)

รปท 2-1 ก) สญลกษณสายสง และ ข) วงจรสมมลของสายสง

จากความสมพนธของแรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟาในสายสงสามารถหาคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะไดดงน

C

L

LC

LLZ

0 2-3

เมอนาสายสงมาตอกบโหลด และพจารณาในลกษณะของการเคลอนทของคลนเขาและออกจากสายสงทตาแหนงตาง ๆ สาหรบคลนเคลอนเขาทตาแหนงทพจารณานนเรยกวา Incident Wave และเรยกคลนทเคลอนทออกทตาแหนงดงกลาววา Reflected Wave จากรปท 2-2 สามารถเขยนคาแรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟาในสายสงไดโดยแทนคา x = l d ในสมการ 2-2 และสมการ 2-3 ไดดงน

djdj eBeAdV 11)( 2-4

djdj eZ

Be

Z

AdI

0

1

0

1)( 2-5

โดยท ljAeA 1 และ ljBeB 1 ซงในกรณน djeA 1 เปนคลนสะทอนกลบ (Reflected Wave)

ขณะท djeB 1 เปน คลนตกกระทบ (Incident Wave)


9

รปท 2-2 สายสงความยาวตออยกบโหลดทความยาว x = l หรอ d = 0

คานวณคาสมประสทธอนพต (Input Coefficient)

djdj

dj

IN eA

B

eA

eBd

2

1

1

1

1)(

2-6

และ สมประสทธโหลด (Load Coefficient)

1

10 A

B 2-7

จากนนสามารถเขยนสมการของแรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟาในสายสงใหมเปน

djdjdjdj eeAeeAdV 20101 1)( 2-8

djdjdjdj eeZ

Aee

Z

AdI 2

00

10

0

1 1)( 2-9

จากความสมพนธระหวางแรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟามาคานวณหาคาอนพตอมพแดนซ [6] ไดดงน

0 00 0

00

tan( )( )

( ) tan

j d j d

LIN j d j d

L

e e Z jZ dV dZ d Z Z

I d Z jZ de e

2-10


10

กรณทสายสงมการสญเสยพลงงานนนมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะและอนพตอมพแดนซ [6] คอ

CjG

LjRZ

0 2-11

และ

00

0

tanh( )

tanhL

INL

Z Z dZ d Z

Z Z d

2-12

โดยท เรยกวา Complex Propagation Constant และมคาเปน))(( CjGLjRj ซง และ เปน Attenuation Constant (nepers per

meter) และ Phase Constant (radians per meter) ตามลาดบ

2.2 การออกแบบสายสงใหมสมบตเปนตวตานทาน ตวเกบประจและตวเหนยวนา

การใชสายสงในการออกแบบวงจรไฟฟาอเลกทรอนกสสามารถใชสายสงเพอใหมสมบตเปนไดทงตวความตานทาน ตวเกบประจและตวเหนยวนาไดดงน ปดวงจร (Short Circuited) เพอใหสายสงมสมบตเปนตวเหนยวนาโดยทความยาวของสายสงมคานอยกวาหนงในสของความยาวคลน สามารถคานวณหาคาอนพตอมพแดนซ [6]ไดดงน

djZdZ IN tan)( 0 2-13

เปดวงจร (Open Circuited) เพอใหสายสงมคณสมบตเปนตวเกบประจโดยคาความยาวของสายสงมคานอยกวาหนงในสของความยาวคลน สามารถคานวณหาคาอนพตอมพแดนซ [6]ไดดงน

djZdZ IN cot)( 0 2-14

นาสายสงทมความยาวเทากบหนงในสของความยาวคลนตอกบโหลดเพอใหคาความตานทานทเปนสดสวนกบความตานทานของโหลดและสามารถคานวณหาคาอนพตอมพแดนซ[6] ไดดงน


11

LIN Z

ZdZ

20)( 2-15

2.3 ไมโครสตรป

ไมโครสตรปเปนสายสงทนยมใชในการออกแบบวงจรไฟฟาอเลกทรอนกสในยานความถไมโครเวฟทงนเนองจากไมโครสตรปมน าหนกเบาและสามารถเลอกชนดของไมโครสตรปไดตามความตองการของผออกแบบวงจรเพอใหไดวงจรทมขนาดเลกและใหประสทธภาพการทางานของวงจรตามความตองการ โครงสรางของไมโครสตรปแสดงในรปท 2-3 ประกอบดวย Ground Plane Dielectric และ โลหะททาหนาทเปนวงจร สาหรบสวนของ Ground Plane และเสนวงจรอาจเปนทองแดงหรอทองคานนขนอยกบการออกแบบและความถใชงาน

รปท 2-3 โครงสรางไมโครสตรป

คาอมพแดนซลกษณะเฉพาะของไมโครสตรปขนอยกบโครงสรางทางกายภาพ เชน สดสวนความกวางและความยาวของเสนโลหะบนไดอเลกทรก คาคงทไดอเลกทรกสมพทธ ความหนาของไดอเลกทรก เปนตน สาหรบโครงการวจยนเลอก FR4 เปนวสดในการออกแบบวงจรและไมโครสตรปซงมคาคงทไดอเลกทรกสมพทธเทากบ 4.45 และมความหนาของชนไดอเลกทรกเทากบ 1600 ไมโครเมตร

ไดมการทดสอบสมบตของไมโครสตรปโดยออกแบบสายสงให ม อมพแดนซลกษณะเฉพาะเทากบ 50 โอหม พบวาไมโครสตรป FR4 ใหอมพแดนซลกษณะเฉพาะเทากบ 50 โอหม เมอออกแบบสายสงใหมความกวางของเสนวงจรประมาณ 3 มลลเมตรทความถใชงานเทากบ 2 กกะเฮรต จากนนทดสอบดวยเนตเวรคอนาไลเซอร จากผลการวดแสดงในรปท 2-4 วงจรใหคา S11และ S22 ประมาณ -40 dB และคา S12 และ S21 ประมาณ -0.36 dB ซงคา S พารามเตอรดงกลาวนนพบวาสายสงทสรางจาก FR 4 ออกแบบสายสงใหมอมพแดนซลกษณะเฉพาะท 50 โอหมยอมใหสญญาณความถ 2 กกะเฮรต ผานเขาวงจรโดยมการสญเสยพลงงานตา (0.36 dB)


12

และยอมใหความถอนผานเขาวงจรไดนอยมาก (-40 dB) จงเลอก FR4 เปนวสดเพอใชในการออกแบบวงจรกรองความถสาหรบงานวจยน

ก)

ข)

รปท 2-4 ก) แสดง 50-ohm Through Line ตอดวย 50-ohm Connector และ ข) แสดง S

พารามเตอรเพอทดสอบ 50-ohm Connector


13

3. ทฤษฎทเกยวของ

3.1 คปเปลไลน

รปท 3-1 เปนโครงสรางของคปเปลไลนทประกอบดวยสายสงความยาว l ขนานกนสอง

เสนและอยหางกนระยะ S [6] วงจรนเปนวงจรหนงทนยมใชในการออกแบบวงจรกรองความถ

ผานแถบ นอกจากนยงสามารถใชเปนสวนประกอบสาคญใหกบวงจรกรองความถ โดยมขอด

หลายประการ อาทเชน เปนสวนอนพตและเอาตพตของวงจรกรองความถเพอทกดสญญาณทไม

ตองการเขาวงจรกรองความถไดด เปนตน

รปท 3-1 โครงสรางของคปเปลไลน

อนงการใชวงจรคปเปลในวงจรกรองความถสามารถนาวงจรนไปตอทตาแหนงใดของ

วงจรกรองความถหลกนนขนอยกบจดมงหมายของวงจรดวย เชน เพอใหวงจรคปเปลมสมบตเสมอนคาปาซทฟหรออนดกทฟในยานความถทตองการเปนตน ดงนนในการนาคปเปลไลนไปใชงานอาจมการตอวงจรทเปนวงจรปด หรอวงจรเปดใหกบพอรตตาง ๆ ในวงจรเพอใหวงจรใหสมบตตามทตองการ

ในการออกแบบวงจรกรองแถบผานความถโดยใชโครงสรางของวงจรคปเปลมกสรางบนสายสงทเรยกวาไมโครสตรปดงรปท 3-2 ซงโดยทวไปมกไดวงจรกรองความถทใหคาชวงความถทางานไมเกน 20 เปอรเซนตของคาความถกลาง [6] สาหรบการวเคราะหคณสมบตของวงจรคปเปลไลนทใชในการสรางวงจรกรองความถนนสามารถหาคาการสญเสยกาลงสะทอนกลบไดจากการพจารณาจากคาอมพแดนซแมทชงของอนพตและเอาตพต จากรปท 3-2 สามารถคานวณหาคา ABCD พารามเตอรของโครงขายสองพอรตไดดงน


14

cossin

sincos

0

/0cos

sinsincos

0

0

0

0

Z

jjZ

jJ

Jj

Z

jjZ

DC

BA

cossin1

cossin1

cossincossin

1

00

2220

222

00

0

JZJZJ

JZj

JJZj

JZJZ

3- 1

เมอนาคา ABCD พารามเตอรมาคานวณหาคาอนพตอมพแดนซไดดงน

20222

0

2220

cossin/1

cos/1sinJZ

JJZ

JJZZi

เมอ 2/ 3- 2

ก) วงจรคปเปล

ข) วงจรสมมลของวงจรรป ก)

รปท 3-2 วงจรคบเปลอรยอยใชในการตอแบบคาสเคดสาหรบวงจรกรองแถบผานความถ รปท 3-3 ก) เปนวงจรกรองความถผานแถบทออกแบบโดยใชวงจรคบเปลอร N+1 วงจรตอ

แบบคาสเคดซงสามารถเขยนปนวงจรสมมลไดดงรปท3-3 ข) และสามารถสงเคราะหวงจรเปนวงจรสมมลยอยไดดงแสดงในตารางท 3-1

ก)


15

ข)

รปท 3-3 ก)วงจรกรองผานแถบความถทออกแบบโดยใชวงจรคปเปล N+1 และ ข) วงจรสมมล ตารางท 3-1 แสดงวงจรยอยและวงจรสมมลยอย

โครงสรางวงจรยอย วงจรสมมล

DC

BA

12

11

12

12

22

12

11

1

2112

Z

Z

Z

Z

ZZ

Z

Z

0

0

0

0

Z

jNN

jZ

เมอ N=2

โดยท 2sin

012

jZZ และ 2cot02211 jZZZ

กาหนดให N=2 จากนนใชวงจรสมมลในตารางท 3-1 เพอใชสงเคราะหวงจรในรปท 3-3ข)

จะไดวงจรในรปท 3-4 ซง เปนโครงสรางของวงจรกรองผานแถบความถทใชอปกรณอเลกทรอนกสทเปน RLC [1] มคาดงตอไปน

10

0'1 g

ZL

3- 3

00

1'1 Z

gC

3- 4

0

02'2

ZgL 3- 5

020

'2 Zg

C

เมอ

0

120

และ 3- 6

110 2g

JZ

3- 7


16

11

02 nn

ngg

JZ

สาหรบ Nn ,...,3,2 3- 8

1

10 2

NNN gg

JZ 3- 9

ng คอคาอปกรณของวงจรกรองความถตาตนแบบเมอทราบคา N และ คอคาแบนดวดทของวงจรกรองความถผานแถบ

รปท 3-4 วงจรกรองความถผานแถบ

3.2 โครงสรางสายสงทใหสมบตตวเหนยวนาและตวเกบประจ

ในการใชสายสงสาหรบออกแบบวงจรความถสงโดยทวไปมกตองคานงถงขนาดของสาย

สง ทงนเนองจากทความถสงตงแตความถคลนวทยขนไปพบวาขนาดของสายสงมผลกระทบโดยตรงกบอมพแดนซของสายสงอยางมาก อาทเชน ไมโครสตรปทมคาความกวางของสายสงทแตกตางกนสงผลใหสายสงมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะทไมเทากน เปนตน นอกจากนความยาวของสายสงทมขนาดแตกตางกนยงทาใหสายสงใหสมบตทเปลยนไปจงมความจาเปนอยางยงในการเลอกใชสายสงในการออกแบบวงจรกรองความถ

3.2.1 สายสงทมขนาดเลก

สายสงทเปนไมโครสตรปขนาดเลกหรอมความกวางนอยพบวาสายสงจะมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะสงและเมอนามาใชในการออกแบบวงจรโดยสายสงมความยาวซงคดเปนสดสวนของความยาวตอความกวางของสายสงมคามาก ๆ แลวพบวาสายสงใหสมบตเปนตวเหนยวนา [6] ดงแสดงในรปท 3-5 สามารถคานวณหาคาพารามเตอรไดดงน 1 sinx Z l 3- 10

1

1tan

2

Bl

Z 3- 11


17

ถากาหนดให 1 0Z Z พบวาสายสงใหสมบตเปนตวเหนยวนามากกวาตวเกบประจ และเมอใหสายสงมความยาวนอยกวาหนงในแปดของความยาวคลนแลวคาของตวเกบประจจะมคานอยกวาคาตวเหนยวนามาก ๆ ซงในกรณนวงจรสมมลจะมเพยงตวเหนยวนาเทานน

รปท 3-5 ไมโครสตรปขนาดเลกและมสดสวนของความยาวตอความกวางของสายสงมาก

3.2.2 สายสงทมขนาดใหญ

ในกรณทใชสายสงทเปนไมโครสตรปทคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะทตาหรอมขนาดความกวางของสายสงมากนนพบวาสามารถเขยนเปนวงจรสมมลดงรป 3-6 ทประกอบดวยตวเกบประจเปนหลกและมคาตวเหนยวนาอนกรม อยางไรกตามโครงสรางดงกลาวจะใหสมบตของตวเกบจมากขนเมอสดสวนของความกวางสายสงตอความยาวมคานอยลง [6] คาของพารามเตอรดงกลาวมคาดงน

1

1sinB l

Z 3- 12

1 tan2

XZ l 3- 13


18

รปท 3-6 ไมโครสตรปขนาดใหญและมสดสวนของความกวางสายสงตอความยาวมคานอย

3.2.3 สายสงโคงเปนมม สายสงทโคงเปนมมเปนสายสงนยมใชเปนองคประกอบในวงจร ทงนทาใหวงจรมขนาด

เลก กระนนกตามพบวาการโคงเปนมมของสายสงมผลตอประสทธภาพการทางานของวงจร จากการศกษาพบวาสายสงโคงเปนมมนทาใหคลนความถคลนทอยางไมตอเนองประกอบกบการเกดสนามไฟฟาระหวางระนาบกราวดกบสายสงไมโครสตรป [6] และสามารถเขยนเปนวงจรสมมลไดดงรปท 3-7 ซงประกอบดวยตวเกบประจและตวเหนยวนาตอกนแบบโครงสราง T

รปท 3-7 สายสงทโคงเปนมม

ในการออกแบบวงจรกรองความถโดยทวไปนนตองคานงถงประสทธภาพการทางานของวงจร ไดแก สมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบและสมประสทธการสงผานกาลงซงเปนพารามเตอรสาคญทแสดงถงการสญเสยกาลงของสญญาณในชวงความถทตองการทอนพตและเอาตพตพอรต และการสญเสยกาลงของสญญาณทตองการทเกดขนในวงจรตามลาดบ ดงนนในการออกแบบวงจรใหบรรลตามวตถประสงคจงตองใชเทคนคตาง ๆ ทใหสมบตเปนตวเกบประจ


19

และตวเหนยวนาในการเพมประสทธภาพการทางานของวงจรกรองความถดวยไมโครสตรปทมโครงสรางทแตกตางกนดงไดอธบายแลวขางตน

3.2.4 โครงสรางอนดกทฟโหลด

การออกแบบสายสงอมพแดนซสงใหมสมบตปนตวเกบประจและมขนาดโดยรวมเลกลง รปท 3-8 ก) เปนสายสงทมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะสงความยาว dl พบวาคาความเปนตวเหนยวนาสงกวาตวเกบประจมากดงนนแลวสายสงดงกลาวจงถกใชเปนตวเหนยวนาทใชตออยระหวางสายสง อยางไรกตามคาความเปนตวเหนยวนาขนอยกบความยาวของสายสง เพอใหสายสงมคาความเหนยวนาใหมขนาดเลกลงจงออกแบบสายสงดงกลาวหกงอเปนรปตวย และมการเชอมตอสายสงบรเวณทเปนบรเวณรอยหกงอดวยกราวดดงแสดงในรปท 3-8 ข) เรยกโครงสรางนวา อนดกทฟโหลด [7]

รปท 3-8 การเปรยบเทยบโครงสราง ก) สายสงอมพแดนซสงความยาว ld และ ข) อนดคทฟ

โหลด โดยท Wb คอความกวางสายสงของวงจรคปเปลแบบสมมาตร (m) lb1 คอความยาวของวงจรคปเปลแบบสมมาตร (m) lb2 คอความยาวของสายสงปลายปด (m) sb คอความกวางชองวางของวงจรคปเปลแบบสมมาตร (m)


20

สามารถพจารณาโครงสรางอนดกทฟโหลดเปนสองโครงสราง ไดแก คปเปลและสตบปลายปดตอกนแบบอนกรมดงรปท 3-9 และสามารถหาคา Z พารามเตอร [7] โดยโครงขายสวนบนเปนคปเปลทมปลายดายหนงตอเชอมดวยกนและโครงขายสวนลางเปนโครงขายสตบปลายปด สามารถเขยนสมการโครงขายสองพอรต Z พารามเตอรของโครงสรางอนดกทฟโหลดไดดงน

11 12 11 12 11 12

21 22 21 22 21 22b Upper Lower

Z Z Z Z Z Z

Z Z Z Z Z Z

3- 14

โดยท [Z]b คอคา Z พารามเตอรโครงขายของอนดกทฟโหลด [Z]Upper คอคา Z พารามเตอรโครงขายสวนบน [Z]Lower คอคา Z พารามเตอรโครงขายสวนลาง กาหนดใหวงจรคปเปลมโครงสรางสมมาตรซงสามารถเขยนคา Z พารามเตอรไดดงน

0 0 0 011 12

21 220 0 0 0

( tan tan ) ( tan tan )2 2

( tan tan ) ( tan tan )2 2

eU eU oU oU eU eU oU oU

UppereU eU oU oU eU eU oU oU

j jZ Z Z ZZ Z

Z Z j jZ Z Z Z

3- 15 เมอ Z0eU และ Z0oU คอมคาอมพแดนซของโหมดคและโหมดค ตามลาดบ θeU และ θoU เปนคาความยาวทางไฟฟาในโหมดคและโหมดคตามลาดบ

สาหรบโครงขายของสตบปลายปดกาหนดใหสายสงมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะเทากบ ZL และมคาความยาวทางไฟฟา θL โดยกาหนดใหมคานอยกวา 90o เพอทาใหสายสงแสดงสมบตเปนตวเหนยวนา และสามารถหาคา Z พารามเตอรไดดงสมการขางลางน


21

รปท 3-9 โครงขายสองพอรตของอนดกทฟโหลด

11 12

21 22

tan tan

tan tanL L L L

L L L LLower

Z Z jZ jZ

Z Z jZ jZ

3- 16

สามารถหาคา Z พารามเตอรของโครงสรางอนดกทฟโหลดไดดงน

11 12

21 22

( ) tan ( ) tan2 2

( ) tan ( ) tan2 2

L L L L

bL L L L

j jZ jZ Z jZZ Z

Z Z j jZ jZ Z jZ

3- 17

โดยท 0 0tan taneU eU oU oUZ Z Z

0 0tan taneU eU oU oUZ Z Z จากรปท 3-10 แสดงคาสวนจนตภาพของอมพแดนซของโครงสรางอนดกทฟโหลด พบวาโครงสรางอนดกทฟโหลดใหสมบตเปนตวเหนยวนาเมอความยาวของวงจรคปเปลมคานอยกวาหนงในสของความยาวคลนและอมพแดนซลกษณะเฉพาะของคปเปลมคาสง

รปท 3-10 คาสวนจนตภาพของอนพตอมพแดนซของโครงสรางอนดกทฟโหลดทไดจากการคานวณ [7]


22

3.2.5 คปเปลไลน 3 เสน คปเปลไลน 3 เสนประกอบดวยสายสง 3 เสนความยาวเทา ๆ กนและวางหางกน S1 และ S2

ตามลาดบ ดงแสดงในรปท 3-11 เพอใหงายสาหรบการวเคราะหสามารถมองคปเปลไลน 3 เสนจงวเคราะหดวยทฤษฎพนฐานจากคปเปลไลน 2 เสน รปท 3-12 แสดงวงจรสมมลของวงจรคปเปลไลน 2 เสนซงประกอบดวยทรานสฟอรเมอรและยนตอลเมนตของสายสง [8] เมอเปนวงจรคปเปลไลน 3 เสนสามารถเขยนเปนวงจรสมมลไดดงรปท 3-13 โดยใชวงจรคปเปลไลน 2 เสน 2 วงจรยอยสมมตใหไลนสายสงทมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะ 2Z วางซอนทบกนเสมอนเปนกอนเดยวกนซงสามารถจาแนกการตอลกษณะนวาเปนการตอแบบขนานระหวางพอรต 2 และพอรต 3 ของวงจรยอยทาใหไดวงจรสมมลของวงจนคปเปลไลน 3 เสนดงรปท 3-13 ข) มพอรต 2 และ พอรต 2’ เปนพอรตเดยวกน ในทานองเดยวกนพอรต 3 และพอรต 3’ เปนพอรตเดยวกน สาหรบการนาวงจรคปเปลไลน 3 เสน 6 พอรตไปใชงานนนนอกจากจะสามารถกาหนดสมบตทางกายภาพหรอขนาดความกวางของไลน ระยะหางและความยาวของสายสงแลวผออกแบบยงสามารถเลอกใชพอรตเพอตอกบวงจรอนไดโดยผออกแบบตองคานงถงผลตอบสนองความถทตองการ

รปท 3-11 โครงสรางคปเปลไลน 3 เสนบนไมโครสตรป

1:n n:1Z1

UE

Z2

UE

1 4

32

1

2 3

4

รปท 3-12 โครงสรางวงจรคปเปลไลน 2 เสนและวงจรสมมล


23

1:n n:1Z1

UE

Z2

UE

1 4

32

1:n n:1Z1

UE

Z2

UE

1'4'

3'2'

ก)

1:n n:1Z1

UE

Z2

UE

1 4

32

1:n n:1

Z1

UE

1' 4'

3'2'

ข)

รปท 3-13 ก) การตอวงจรคปเปลไลน 2 เสน 2 วงจรยอย และ ข) วงจรสมมลของวงจรคปเปลไลน 3 เสน [8]

3.3 การออกแบบวงจรความถพนฐานดวยอปกรณอเลกทรอนกส

ในการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบตามทฤษฎพนฐาน [6] แสดงดงไดอะแกรมใน

รปท 3-14 เรมจากการออกแบบตามรายละเอยดวงจรวาตองการผลตอบสนองความถในชวงความถทางานแบบใด แบบ Equal ripple หรอ แบบ Maximally flat และรายละเอยดอน เชน ชวงความถทางานหรอแบนดวดท และคาโพลการลดทอนอนนตทความถ ซงคาเหลานจะถกนามาคานวณแลวทาใหทราบคาจานวนอปกรณและคาของอปกรณเหลานนเพอมาสรางวงจรกรองความถผานตาตนแบบ วงจรกรองความถนสาหรบความถ 1 Hzม ตวเกบประจและตวเหนยวนา


24

เปนองคประกอบ ดงนนจงตองปรบคาความถและแปลงอปกรณอเลกทรอนกสของวงจรองความถตาใหเปนอปกรณทใหผลตอบสนองความถผานแถบโดยตวเกบประจทตอแบบขนานจะถกแปลงใหเปนตวเกบประจตอขนานกบตวเหนยวนา นอกจากนตวเหนยวนาขอวงจรกรองความถตาตนแบบจะถกแปลงเปนตวเหนยวนาตออนกรมกบตวเกบประจดงแสดงในรปท 3-15

รปท 3-14 ไดอะแกรมการออกแบบวงจรกรองความถพนฐาน [6]

L1

C2

L350

50

ก)

ข)

รปท 3-15 การแปลงอปกรณอเลกทรอนกสของ ก) วงจรกรองความถผานตาตนแบบ และ ข) วงจรกรองความถผานแถบ

และขนตอนสดทายคอ การสรางวงจรกรองความถ สาหรบวงจรความถไมโครเวฟพบวาคาอปกรณมคานอยมากซงไมสามารถหาคาอปกรณนนๆ ได เพอใหสามารถสรางวงจรกรองความถยานไมโครเวฟไดดวยการใชสายสงทมโครงสรางตาง ๆ มาใชในการออกแบบ ทงนการเลอกใชโครงสรางของสายสงตองคานงถงสมบตทางไฟฟาทเหมาะสมและโครงสรางเหลานนตองสามารถสรางขนไดจรง


25

ในบทนไดนาเสนอทฤษฎทเกยวของกบโครงสรางของสายสงทเปนไมโครสตรปทสามารถนาไปใชในการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบซงในการออกแบบวงจรกรองความถนอกจากนนยงตองคานงถงโครงสรางหลกทสมพนธกบผลตอบสนองความถแลว การคานงถงการสรางวงจรซงเปนปจจยสาคญในการออกแบบทงนโครงสรางวงจรควรสามารถนาไปสรางไดภายใตขอจากดตาง ๆ และยงคงใหผลตอบสนองความถทตองการและสามารถกดผลตอบสนองความถทไมตองการไดดวย


26

4. วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 3 เสน

วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 3 เสนโดยในบทนสามารถจาแนกออกเปน 2 โครงสรางหลก คอ คปเปลไลนทตอกราวดและคปเปลไลนทไมตอกราวดทตาแหนงของสายสงเสนท 2 ซงจากการศกษาเบองตนพบวาทงสองแบบใหผลตอบสนองความถไดดแตสามารถนามาพฒนาการทางานใหดขนได เรมจากการศกษาผลตอบสนองความถของวงจรแบบเดยวทประกอบดวยคปเปลไลน 3 เสน 1 วงจรแลวนาไปออกแบบเปนโครงสรางคาสเคดเพอใหไดวงจรกรองความถใหมสมรรถนะการทางานทด เชน มคาสมประสทธสญญาณกาลงไฟฟายอนกลบตา และใหคาความชนของชวงความถสง ขนตอนถดไปเปนการสรางวงจรจรงบนซบสเตรตแลวจงทดสอบการทางานของวงจรดวยการวดหรอการทดลองวดคา S พารามเตอร สาหรบขนตอนนนนพบวาไดวงจรทมผลตอบสนองความถทมแบนดวดททกวางขนและใหคาสมประสทธการสะทอนกาลงยอนกลบสอดคลองกบผลการจาลองการทางานของวงจรดวยโปรแกรม

4.1. คปเปลไลนตอกราวด วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสนตอปลายดานหนงของสายสงเสนท 1 และเสนท 3

ดวยสายสงปลายเปดหรอเปดวงจร สวนเสนท 2 ตอดวยสายสงปลายปดหรอเปนการตอสายสงทมปลายอกดานตอกราวดในขณะทอกดานของสายสงเสนท 2 เปดวงจรจากนนตอสายสงเสนท 2 และเสนท 3 เปนอนพตและเอาตพตตามลาดบ รปท 4-1 แสดงแบบจาลองวงจรกรองความถแถบผานโดยใชคปเปลไลน 3 เสนตอกราวด อนงสามารถเขยนเปนวงจรสมมล [9] ดงรปท4-1 ข) ซงมโครงสรงวงจรเปนวงจรกรองความถผานแถบ


27

1:n n:1Z1

UE

Z2

UE

1 4

32

1:n n:1

Z1

UE

1' 4'

3'2'

Input

Output

ZC2

Input

ZC2

ZC1 ZL

ก)

1:nL1 C1

L2 C2

C3 L3 n:1

Input Output

ข)

รปท 4- 1 แบบจาลองวงจรกรองความถแถบผานโดยใชคปเปลไลน 3 เสนตอกราวด [3]

4.1.1. แบบเดยว

เมอนามาออกแบบบน FR4 โดยใชโปรแกรม ADS ในการออกแบบทความถกลางประมาณ 2 GHz รปท 4-2 แสดงโครงสรางของวงจรและจากผลการจาลองการทางานของวงจรพบวาผลตอบสนองความถใหคาความถกลางประมาณ 2 GHz ในขณะเดยวกนคาสมประสทธการสญเสยกาลงแทรก (S12, S21 ) ตากวา 1 dBm และสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบ (S11, S22 ) ตากวา 20 dBm ซงท S11, S22 ทคา 20 dBm พบวาวงจรใหคาแบนดวดทประมาณ 1 GHz

นอกจากนวงจรยงใหผลตอบสนองความถชวงประมาณ 6 GHz หรอยอมใหความถยานนผานวงจรไดซงโดยทวไปแลวในยานความถ 6 GHz จดวาเปนความถฮารมอนกท 3 ของความถพนฐาน 2 GHz ในทางปฏบตพบวาหากใชวงจรกรองความถนแบบแบนดเดยวกไมสงผลตอ


28

ประสทธภาพการทางานของวงจรทงนเนองจากสญญาณความถฮารมอนกท 3 มกมคาสญญาณกาลงนอยกวากาลงของสญญาณความถพนฐาน 2 GHz จงยอมใหความถพนฐานผานออกมาทเอาตพตของวงจรกรองความถสงสด

ก)

ข)


29

ค)

รปท 4- 2 วงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนแบบตอกราวด ก) Layout ข) โครงสราง 3 มต และ ค) ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางาน

4.1.2. แบบคาสเคด

อยางไรกตามพบวาสามารถเพมชวงความถทางานหรอแบนดวดทของวงจรไดดวยการ

ใชโครงสรางแบบคาสเคดโดยการตอเอาตพตของวงจรคปเปลไลน 3 เสนกบอนพตของวงจรคปเปลไลน 3 เสนถดไป ผลทไดจากการจาลองการทางานของวงจรพบวาวงจรใหคาแบนดวดทเพมขนประมาณ 300 MHz และยงใหผลตอบสนองทขอบของชวงความถแถบผานทมความชนมากขนเมอเปรยบเทยบกบแบบแรกโดยมคา S12, S21 ทขอบแบนดกาจดทงสองดานตากวา 40 dBm

เมอนามาสรางแผนวงจรบน FR 4 ดงรปท 4-4 ซงตอ SMA Connectors ทอนพตและเอาตพตพอรตจากน นจงนาแผนวงจรไปทดสอบประสทธภาพการทางานดวยการวดคา S พารามเตอรของวงจรดวยเครองวเคราะหโครงขาย รปท 4-5 แสดงผลการวด S พารามเตอรพบวาวงจรใหคาแบนดวดทประมาณ 1.3 GHz ทสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบ 20 dBm และใหคาความชนทขอบของแถบผานสอดคลองกบผลการจาลองการทางานจากโปรแกรม ADS :แต

dB(S(1,1))

dB(S(1,2))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))

1 2 3 4 5 6 70 8

-40

-20

-60

0

Frequency

Mag

. [dB

]

S11

dB(S(1,1))

dB(S(1,2))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))


30

วงจรกยงใหยอมใหความถในยานความถ 6 GHz จดวาเปนความถฮารมอนกท 3 ผานออกมาทเอาตพตของวงร

ก) ข)

ค)

รปท 4- 3 วงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอกราวดแบบคาสเคด ก) Layout ข) โครงสราง 3 มต และ ค) ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางาน

1 2 3 40 5

-60

-40

-20

-80

0

Frequency

Ma

g. [

dB

]

S11

dB(S(1,1))

dB(S(1,2))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))


31

รปท 4- 4 แผนวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอกราวดแบบคาสเคด

รปท 4- 5 ผลวดคา S พารามเตอรของวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3

เสนตอกราวดแบบคาสเคด

เพอใหวงจรสามารถกดความถยานฮารมอนกท 3 หรอใหวงจรไมสามารถสงผานความถยานดงกลาวออกมาทเอาตพต สายสงปลายเปดและสตบรปพดถกนามาใชตอกบวงจรโดยสตบปลายเปดตอระหวางวงจรคปเปลไลน 3 เสนและสตบรปพด [10] ตอทอนพตและเอาตพตของวงจรดานขางของวงจรคปเปลไลน รปท 4-5 ก) แสดงแผนวงจรทตอสตบสรางบนซบเสตรต FR 4 และ ข) เปนผลการทดสอบการทางานของวงจรดวย Network analyzer พบวาวงจรใหชวงแถบผานความถประมาณ 1.3 GHz ทสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบ 18 dBm และใหคาความ


32

ชนทขอบของแถบผานคม ทสาคญทสงเกตเหนไดชดเจนคอคา S12, S21 ความถยานฮารมอนกท 3 หรอ 6 GHz มคาตากวา -18 dBm ซงเปนความถทตองการกดใหมสมประสทธการสญเสยกาลงแทรกตากวายานความถ 2 GHz มากกวา 18 dBm.

ก)

ข)

รปท 4- 6 ก) แผนวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปล 3 เสนตอกราวดแบบคาสเคดและตอสตบ ข) ผลวดคา S พารามเตอรของวงจร


33

4.2. คปเปลไลนไมตอกราวด การออกแบบวงจนกรองความถผานแถบบน FR 4 โดยใชวงจรคปเปลไลน 3 เสนเปนวงจร

หลกนอกจากจะสามารถออกแบบโดยตอกราวดหรอสตบปลายปดใหกบสายสงเสนทสองแลวยงสามารถตอสายสงเสนทสองดวยสายสงปลายเปดทมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะสงทงสองดาน [11] พบวาโครงสรางวงจรกรองความถนใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบสงขนดงแสดงในรปท 4-7

Z1 Z1Z2

Z

Z

Z

1:n 1:nZ1

UE

Z2

UE

1 4

32

1:n 1:n

Z1

UE

1' 4'

3'2'

Input

Output

ZC2

Input

ZC2

ZXZX

ก) ข)

รปท 4- 7 ก)โครงสรางของวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 3 เสนไมตอกราวด และ ข) แบบจาลองวงจร

ในการออกแบบและจาลองการทางานของวงจรกรองความถโดยคปเปลไลน 3 เสนม

ความกวางเทากนและมคาเทากบ 0.3 มลลเมตรและความยาวเทากบ 15 มลลเมตร สายสงแตละเสนมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะสงมากดงน นแลวในการออกแบบใหอนพตและเอาตพตอมพแดนซตองออกแบบใหมคาเทากบ 50 โอหม สาหรบวงจรนใชสายสงทเรยกวาเทปเปอรตอดวยสายสงทคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะ 50 โอหมเปนอนพตและเอาตพตพอรตดงรปท 4-8 การจาลองการทางานของวงจรในรปท 4-9 พบวาวงจรใหคาความถกลางประมาณ 3 GHz ซง


34

สอดคลองกบความยาวของวงจรคปเปลและคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานความถแถบผานคาสงถง 30 dBm. นอกจากนวงจรยงใหผลตอบสนองความถยานแถบความถหยดไดด

ก) ข) รปท 4- 8 วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวด ก) Layout และ

ข) โครงสราง 3 มต

รปท 4- 9 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบใช

คปเปลไลนไมตอกราวด

1 2 3 4 5 6 70 8

-30

-20

-10

-40

0

Frequency

Ma

g. [

dB

]

S11

dB(S(1,2))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))

dB(S(1,1))


35

รปท 4- 10 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวด

รปท 4- 11 ผลตอบสนองความถจากการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบ

ใชคปเปลไลนไมตอกราวด หลงจากนนแลวเขาสขนตอนการสรางวงจรดวยการถายฟลมแลวกดปรน เมอได

แผนวงจรแลวกทาการตอ SMA Connectors เขาท Feedlines เปนพอรต 1 และพอรต 2 แสดงในรปท 4-10 จากนนทดสอบการทางานของวงจรโดยการวดคา S พารามเตอรดวย Network Analyzer


36

รปท 4-11 แสดงผลทไดจากการวด S พารามเตอรพบวาวงจรใหผลตอบสนองความถสอดคลองกบผลการจาลองการทางานของวงจรซงมคาแบนดวดทประมาณ 700 MHz ทความถกลางประมาณ 3 GHz และคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานความถแถบผานประมาณ 10 dBm. สงเกตไดวาโครงสรางวงจรนใหคาแบนดวดททต ากวาแบบทตอกราวดแตใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานความถแถบผานเมอเปรยบกบวงจรกรองความถผานแถบทคปเปลไลนเสนท 2 ตอกราวด นอกจากนแลวความชนทของของยานความถแถบผานยงคมมากกวา จากสมมตฐานของโครงสรางคาสเคดจงออกแบบวงจรกรองความถไมตอกราวดแบบคาสเคดดงรปท 4-12 พบวาวงจรใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานความถแถบผานคาสงถง 30 dBm ซงใหคาแบนดวดทประมาณ 700 MHz

ก) ข)

รปท 4- 12 วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด ก) Layout และ ข) โครงสราง 3 มต

รปท 4-14 แสดงภาพแผนวงจรทสรางบน FR 4 และตออนพตและเอาตพตดวย SMA

Connectors ซงเมอนามาวดคา S พารามเตอรดวย Network Analyzer ผลการทดลองแสดงในรปท 4-15 วงจรกรองความถมความถกลางประมาณ 3 GHz และแบนดวดท 700 MHz ทคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานความถแถบผานประมาณ 15 dBm. อยางไรกตามพบวาวงจรใหคาแถบความถหยดไดต ากวา 40 dBm ทขอบของชวงความถแถบผาน


37

รปท 4- 13 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผาน

แถบใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด

รปท 4- 14 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด

1 2 3 4 5 6 70 8

-60

-40

-20

-80

0

Frequency

Ma

g. [

dB

]

S11

dB(S(1,2))

dB(S(1,1))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))


38

รปท 4- 15 ผลตอบสนองความถจากกการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบ

ใชคปเปลไลนไมตอกราวดแบบคาสเคด ในบทนเปนการออกแบบวงจรกรองความผานแถบดวยวงจรคปเปลไลน 3 เสนซง

แตกตางกนทตาแหนงของสายสงเสนท 2 คอ แบบตอกราวดและแบบไมตอกราวด แบบแรกใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานความถแถบผานดอยกวาแบบทสองแตแบนดวดทกวางกวา อยางไรกตามโครงสรางคาสเคดมขอดสาคญคอ วงจรใหคาแถบความถหยดไดต าโดยเฉพาะทขอบของชวงความถแถบผาน


39

5. วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2และ 3 เสน

ในบทนเปนการนาเสนอการออกแบบวงจรกรองความถทใหชวงความถกาจดกวางและขอบของชวงความถทางานหรอแบนดวดทมความชนสงโดยใชคปเปลไลนทง 2 และ 3 เสนซงสามารถออกแบบได 2โครงสราง โครงสรางแรกใชคปเปลไลน 3 เสนสองวงจรตอระหวางคปเปลไลน 2 เสน สวนอกโครงสรางนนเปนโครงสรางทประกอบดวยวงจรคปเปลไลน 2 เสนและโหลดคปเปลไลน 3 เสนตอระหวางวงจรคปเปลไลน 2 เสน จากการออกแบบดวยโปรแกรม ADS และการสราง การทดลองวงจรพบวาวงจรกรองความถผานแถบทงสองโครงสรางใหคาแบนดวดทและชวงความถแถบหยดสอดคลองกน

5.1. วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 2 เสนและโหลดคปเปลไลน 3 เสน

วงจรกรองความถผานแถบประกอบดวยวงจรคปเปลไลนแบบ 2 เสนสองวงจรตอระหวาง

สายสงทมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะสง [4] ดงแสดงในรปท 5-1. โครงสรางดงกลาวพบวาสายสงทคาอมพแดนซสงดงกลาวใหคาตวเหนยวนาขณะเดยวกนเกดชองวางระหวางคปเปลไลนดานบนของสายสงและชองวางหรอแกปนสงผลใหเกดตวเกบประจ จากการศกษาเบองตนพบวาโครงสรางวงจรนมขอดสาคญคอใหคาขอบของแบนดวดทมความชนมากแตวงจรใหคาแบนดวดทนอยทงนอาจเนองจากขอจากดของตวเกบประจและตวเหนยวนา จงมนกวจยอกหลายทานไดพฒนาใหวงจรทางานมแบนดวดทกวางมากขน [7]โดยใชคปเปลไลนแบบสมมาตร (Symmetrical coupled lines). ตอมา พชร เมธากลธวชและ นภาภณธ ศรพล [7] ไดใชคปเปลไลนแบบไมสมมาตร (Asymmetrical coupled lines) แทนการใชคปเปลไลนแบบสมมาตรพบวาวงจรกรองความถใหผลการทางานทดและยงใหขนาดของวงจรเลกกวามากถง 50 เปอรเซนตเนองจากความยาวของวงจรคปเปลไลนแตละวงจรมคาประมาณหนงในแปดของความยาวคลนขณะทกอนหนานวงจรคปเปลไลนมความยาวอยางนอยเทากบหนงในสของความยาวคลน

S

รปท 5- 1 โครงสรางวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลนแบบสมมาตร


40

สาหรบงานวจยนใชสายสงคปเปลไลนแบบไมสมมาตรในการออกแบบโดยทมคปเปลไลน 2 เสนตอระหวางวงจรคปเปลไลนแบบไมสมมาตรและสวนดานลางตอกบโหลดทประกอบดวยคปเปลไลน 3 เสน จากนนจงตอสายสงทมคาอมพแดนซลกษณะเฉพาะ 50 ทาหนาทเปนฟดไลนสาหรบอนพตพอรตและเอาตพตพอรต เมอพจารณาวงจรทละสวนโดยสวนแรกเปนวงจรคปเปลไลนแบบไมสมมาตรสามารถเขยนวงจรสมมล [8]ไดดงรปท 5-3 ในรปท 5-4 แสดงสวนทเปนวงจรคปเปลไลนแบบสมมาตรตอวงจรเปดคดานเดยว [8] และสวนสดทายคอโหลดทมโครงสรางคลายอนดกทฟโหลด (Inductive load) [7] แตเปนสายสงอมพแดนซสงตอกบชดของคปเปลไลน 3 เสน แลวนามาประกอบเปนโครงสรางของวงจรซงสามารถเขยนไดดงรปท 5-5

รปท 5- 2 วงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลน 2 เสนและคปเปลไลนโหลด 3 เสน

1 open circuited

2 3

4

1:n

Z1

UE

4

32

C

ก) ข) รปท 5- 3 ก) วงจรคปเปลไลนแบบไมสมมาตร และข) วงจรสมมล


41

Port 1 Port 2

1:n

Port 2

Port 1

C1

C2

ก) ข) รปท 5- 4 ก) วงจรคปเปลไลนแบบสมมาตรตอวงจรเปดคดานเดยว และข) วงจรสมมล

1:n

Port 2

Port 1

C1

C2

n:1

Z1

UE

C

1:n

Z1

UE

C3 Coupled line Load

รปท 5- 5 วงจรสมมลของวงจรกรองความถผานแถบในรปท 5-2

ขนตอนถดไปเปนการจาลองการทางานของวงจรจาก Layout ซงมผลตอบสนองความถ

ดงรปท 5-6 พบวาวงจรใหคาชวงความถแถบผานระหวาง 1.7 GHz และ 3.8 GHz มขอบของชวงความถมความทชนมากแตคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบตลอดยานความถแถบผานยงไมดนกเนองจากมคาไมสมาเสมอ จากน นวงจรถกสรางบน FR 4 และตอ SMA connector สาหรบอนพตพอตรตและเอาตพตพอรตดงรปท 5-7 ในขนตอนการทดสอบนนวงจรถกวดคา S พารามเตอรดวย Network Analyzer ซงสามารถวด S พารามเตอรดวยชวงความถ 2 ยาน คอ รปท 5-8 ก) span ความถ 6 GHz เพอดผลตอบสนองในยานแถบผานพบวาวงจรใหผลตอบสนองความถประมาณ 1.7-3.5 GHz และมขอบชวงเปลยนจากความถแถบผานและแถบหยดทมความชนสง


42

สอดคลองกบผลการจาลองการทางานของวงจร ในขณะทรป 5-8 ข) span ความถ 10 GHz เพอดยานความถแถบหยดพบวาวงจรนใหชวงความถแถบหยดกวางมากกวา 6 GHz

รปท 5- 6 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานดวยโปรแกรม ADS

รปท 5- 7 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และคปเปลไลนโหลด 3 เสน

2 4 6 80 10

-50

-40

-30

-20

-10

-60

0

Frequency

Ma

g. [

dB

]

S11

dB(S(1,1))

dB(S(1,2))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))


43

ก)

ข)

รปท 5- 8 ผลตอบสนองความถจากการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และคปเปลไลนโหลด 3 เสน Span ก) 5 GHz และข) 10GHz


44

5.2. วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน วงจรคปเปลไลน 2 เสนและ วงจร Inductive load ตอระหวางวงจรกรองความถผาน

แถบใชคปเปลไลนสามเสน สองวงจรแสดงในรป 5-9 ก) และวงจรสมมลในรป 5-9 ข) เสนท 2 ของวงจรคปเปลไลน 3 เสนตอกบวงจรเปดและดานหนงของเสนท 3 ตอกบวงจรเปดซงสามารถมองวงจรเปดของสายสงเสนทเปนตวเกบประจเนองจากเปนการตอ unit element หรอสายสงความยาว กบวงจรเปดนนเอง เมอนาโครงสรางดงกลาวมาเขาสกระบวนการจาลองการทางานดวยโปรแกรม ADS พบวาวงจรใหผลตอบสนองความถดและแบนดกวางมากวางานของพชร เมธากลธวชและ นภาภณธ ศรพล [7] โดยวงจรใหชวงเปลยนแบนดทคมและมความชนดมาก

Input Output

ก)

1:n n:1

1:n n:1

Z1

UE

Z2

UE

Z1

UE

open

circuited

open circuited

open circuited

1:n n:1

1:n n:1

Z1

UE

Z2

UE

Z1

UE

open

circuited

open circuited

open circuited

Coupled line

Inductive Load

OutputInput

ข)

รปท 5- 9 ก) โครงสรางวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน และ ข) วงจรสมมล


45

อยางไรกตามพบวาทความถฮารมอนกท 3 วงจรใหผลตอบสนองความถในยานแถบหยดไมดจงแกไขดวยการตอวงจรรปพด [11] ทดานอนพตและเอาตพตของวงจรดงรปท 5-10 และรปท 5-11 แสดงผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน วงจรใหแบนดวดทประมาณ 500 MHz ทคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบตลอดยานความถแถบผาน 20 dBm นอกจากนวงจรยงใหขอบแถบความถหยดทคมและชนใกลเคยงผลตอบสนองความถผานแถบในอดมคต

ก)

ข)

รปท 5- 10วงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน ก) Layout และ ข)โครงสราง 3 มต

วงจรถกสรางบน FR4 และตอ SMA connector เพอใหสามารถใชงานทาหนาทเปนอนพต

พอรตและเอาตพตพอรต รปท 5-12 แสดงแผนวงจรทสรางขนและพรอมนาไปทดลองวดคา S พารามเตอรดวย Network Analyzer. ผลตอบสนองความถทไดจากการทดลองแสดงในรปท 5-13 ก) และ ข) โดยวดทความถ span 5 GHz และ 10 GHz ตามลาดบ เมอ span 5 GHz สงเกตไดอยางชดเจนวาวงจรใหคาความชนบรเวณขอบของแบนดวดทดมากและยงใหแบนดวดทประมาณ 700 MHz ทคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบตลอดยานความถแถบผาน 15 dBm สมประสทธ


46

การสญเสยกาลงยอนกลบตลอดยานความถแถบผานมคายงไมสมาเสมอแตยงเปนคาทยอมรบไดในการใชงานจรง นอกจากนเมอพจารณาผลตอบสนองความถสวนของแบนดกาจดพบวาวงจรสามารถกดความถยานฮารมอนกท 2, 3 และ 4 หรอยานความถในชวง 4GHz, 6GHz และ 8GHz ไดดมากโดยมคาสมประสทธการสญเสยกาลงแทรกในยานความถตงแต 2.6 GHz จนถงความถ 9 GHz ตากวา 20 dBm ดงแสดงในผลการทดลองรปท 5-13 ข)

รปท 5- 11 ผลตอบสนองความถจากการจาลองการทางานของวงจรกรองความถผานแถบ

ใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน

รปท 5- 12 แผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน

1.5 2.0 2.5 3.0 3.51.0 4.0

-30

-20

-10

-40

0

Frequency

Ma

g. [

dB

]

S12

dB(S(1,1))

dB(S(1,2))

dB(S(2,1))

dB(S(2,2))


47

ก)

ข)

รปท 5- 13 ผลตอบสนองความถจากกการทดลองของแผนวงจรกรองความถผานแถบใชคปเปลไลน 2 และ 3 เสน Span ก) 5 GHz และข) 10 GHz


48

การออกแบบวงจรกรองความถผานแถบโดยใชวงจรคปเปลไลน 2 เสนและ 3 เสนสามารถพฒนาวงจรใหมแบนดวดทกวางขนไดโดยวงจรแรกใชคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนตอกบคปเปลไลนแบบสมมาตรและใชสายสง 3 เสนทาหนาทเปนโหลด โครงสรางนนอกจากไดแบนดมากขนแลววงจรยงสามารถรกษาประสทธภาพการทางานไดดโดยใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบเหมาะสมกบการใชงานทงยงสามารถกาจดความถนอกยานความถแถบผานไดดถงฮารมอนกท 5

อกหนงโครงสรางไดใชคปเปลไลน 3 เสนแทนการใชคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนตอกบคปเปลไลนแบบสมมาตรและอนดกทฟโหลด (Inductive load) พบวาวงจรใหชวงแบนดกาจดทคมและชนซงเมอเพมวงจรรปพดเขาทอนพตและเอาตพตทาใหวงจรมประสทธภาพในการกาจดความถนอกความถแถบผานไดดเยยมถงแมวาแบนดวดทไมกวางเทาแบบแรกกตาม เมอนาวงจรมาสรางบน FR 4 และวดผลตอบสนองความถโดยใช Network Analyzer พบวาทงสองวงจรใหผลตอบสนองความถสอดคลองกบผลการจาลองการทางาน


49

6. ขอวจารณ (Discussion)

วงจรกรองความถผานแถบประกอบดวยคปเปลไลน 2 เสนและ 3 เสนสามารถออกแบบใหวงจรมคาแบนดวดทกวาง มคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานแถบผานตาและสมประสทธการสญเสยกาลงแทรกนอย นอกจากนแลวพารามเตอรสาคญของวงจรกรองความถอกสองประการคอ สามารถกดสญญาณความถนอกแบนดวดทไดดและขอบแบนดวดทมความคมหรอมความชนสงเพอใหสามารถกาจดความถทอยใกลขอบแบนดวดทไดด ในการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลนสาหรบโครงการวจยนจาแนกโครงสรางได 2โครงสรางหลก คอ วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสน และวงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 และ 2 เสน สรปไดดงน 6.1. วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสน

วงจรกรองความถผานแถบถกสรางจากวงจรคปเปลไลน 3 เสนโดยทดานหนงของวงจรทาการตอวงจรสายสงเสนท 1 และ เสนท 3 ดวยวงจรเปด ขณะทสายสงเสนท 2 ตอดวยวงจรปด สวนอกดานหนงตอสายสงสาหรบฟดไลนใหกบวงจรคปเปลไลนเสนท 1 และเสนท 3 เพอตอเปนอนพตและเอาตพตของวงจร วงจรนไดมการศกษามาแลวซงจากการศกษาพบวาวงจรใหแบนดวดทแคบดงนนจงมแนวคดในการพฒนาวงจรใหมแบนดวดทกวางขนดวยการตอวงจรแบบคาสเคด ทงนวงจรดงกลาวสามารถเขยนเปนวงจรสมมลทประกอบดวยตวเหนยวนาและตวเกบประจสอดคลองกบวงจรกรองความถผานแถบพนฐาน [8] ซงเมอมจานวนอปกรณมากขนจะมผลใหวงจรใหแบนดวดทกวางมากขน จากนนทาการสรางวงจรและทดสอบผลตอบสนองความถพบวาวงจรใหแบนดวดทสงขน อยางไรกตามวงจรไมสามารถกาจดความถฮารมอนกท 3 ไดซงสามารถแกปญหานโดยการตอวงจรรปพดเพอกาจดฮารมอนกท 3 ผลการทดลองพบวาวงจรนสามารถใหคาแบนดวดทกวางและใหชวงความถกาจดไดมากกวาฮารมอนกท 3

สาหรบอกหนงโครงสรางทใชคปเปลไลน 3 เสน วงจรนตอสายสงปลายเปดทคปเปลไลนเสนท 2 ทงสองดานใหยาวขนและเปดวงจรของสายสงเสนท 1 และเสนท 3 ดานหนง สวนดานทเหลอกาหนดใหสายสงเสนท 1 และเสนท 3 กบฟดไลนเพอใหเปนอนพตและเอาตพตโดยในการ


50

ออกแบบตองคานงถงแมทซชงอมพแดนซ 50 จงใหสายสงเทปเปอรเพอใหบรรลความตองการดงกลาว จากการทดลองพบวาวงจรใหผลตอบสนองความถยานแถบผานทมสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบตากวาแบบแรกแตแบนดวดทแคบกวา เมอนามาตอแบบคาสเคดพบวาวงจรใหคาขอบของยานความถแถบกาจดทตาไดดซงผลการทดลองสาหรบวงจรนยงใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบตาแตไมสมาเสมอทงแบนด

6.2. วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 และ 2 เสน

โครงสรางของวงจรนแบงออกเปน 2 แบบ แบบแรกนาวงจรคปเปลไลนแบบสมมาตรตอระหวางสายสงดานบนของวงจรคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนและเสนลางตอดวยโหลดทประกอบดวยวงจรคปเปลไลน 3 เสน จากการออกแบบจาลองการทางานของวงจรและสรางวงจรจรงแลวจงวดคา S พารามเตอรเพอทดสอบผลตอบสนองความถพบวาขอดสาคญขอวงจรนคอใหคาแบนดวดทกวางกวาและยงสามารถกาจดความถนอกแบนดวดทไดมากกวาฮารมอนกท 5 แตวงจรใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานแถบผานไมสมาเสมอ

แบบท 2 คลายกบแบบแรกแตตอคปเปลไลนแบบสมมาตรและอนดกทฟโหลดระหวางคปเปลไลน 3 เสนแทนคปเปลไลนแบบไมสมมาตร นอกจากนยงตอวงจรรปพดเพอจากดความถฮารมอนกท 3 ผลการทดลองพบวาวงจรนสามารถกาจดความถฮารมอนกไดดและขอเดนสาคญของวงจรนคอวงจรใหคาขอบของยานแบนดวดททชนซงสามารถกาจดความถนอกแบนดทใกลกบแบนดไดเปนอยางด

ดงไดกลาวขางตนพบวาวงจรแตละแบบใหผลตอบสนองความถทใหแบนดวดททแคบและกวางตางกน นอกจากนนแลวยานความถกาจดกมความสาคญมากในการใชงานจรงดงนนวงจรกรองความถทดควรใหบรเวณขอบความถแบนดและแบนดกาจดทมความชนสงดวย จากการออกแบบและการทดลองพบวาวงจรกรองความถผานแถบโดยใชคปเปลไลนใหผลตอบสนองความถทใหผลการทางานตามวตถประสงคและสามารถนาไปใชงานไดจรงในระบบสอสารโทรคมนาคมโดยเฉพาะอยางยงในเครองรบและเครองสงสญญาณความถไมโครเวฟ


51

7. สรปและขอเสนอแนะ (Conclusion and Recommendation)

7.1 สรป โครงการวจยนเปนการออกแบบวงจรกรองความถผานแถบยานไมโครเวฟบน FR4

ลกษณะของวงจรเปนการออกแบบดวยสายสงทเรยกวาไมโครสตรปและมลกษณะเปนระนาบซงสายสงชนดนสามารถออกแบบไดหลายโครงสรางและงายตอการใชงานหรอประกอบเขากบวงจรอน ๆ เพอใหเขาใจโครงสรางและการทางานของสายสงในลกษณะของวงจรในบทท 2 และบทท 3 จงเปนการนาเสนอทฤษฎสายสงและโครงสรางทมกใชเพอใหสามารถสรางวงจรแบบระนาบบนซบเสตรท นอกจากนแลวยงไดนาเสนอโครงสรางคปเปลไลนทงแบบ 3 เสน และ 2 เสนเพอใหเขาใจการใชงานเบองตนและวงจรสมมลพนฐานทมโครงสรางเดยวกนกบวงจรกรองความถผานแถบ ในบทท 4 และบทท 5 จงเปนการนาเสนอแนวคดออกแบบวงจรกรองความถผานแถบดวยคปเปลไลนดงสามารถสรปไดดงตอไปน

7.1.1 วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสน วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 เสนไดนาเสนอการออกแบบโดยมจดมงหมาย 2

ประการสาคญคอ เพอเพมแบนดวดทและปรบปรงสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบ โดยทงสองวงจรหลกตอวงจรเปดและวงจรปดทเปนสตบปลายเปดและสตบปลายเปดใหกบสายสงเสนท 2 ของวงจรคปเปลไลน 3 เสน จากนนนาวงจรมาตอกนแบบคาสเคดโดยในโครงสรางแบบแรกนาวงจรคปเปลไลนทมการตอสตบปลายปดมาตอคาสเคดพบวาวงจรใหคาแบนดวดทกวางมากขนอยางนอย 200 เปอรเซนตเมอเปรยบเทยบกบวงจรเดยวและเมอตอวงจรรปพดใหกบวงจรทอนพตและเอาตพตวงจรยงคงใหแบนดวดทดและสามารถกาจดสญญาณความถฮารมอนกท 3 ไดแตคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบดอยลง ขณะทวงจรกรองความถทใชคปเปลไลน 3 เสนตอกบสตบปลายเปดใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบดกวาแบบแรกแตเมอตอคาสเคดพบวาแบนดวดทไมดขนและสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานแถบผานไมดเทากบแบบเดยว


52

7.1.2 วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 และ 2 เสน วงจรกรองความถใชคปเปลไลน 3 และ 2 เสนมโครงสรางคลายคลงและแตกตางกนท 2

ตาแหนงคอ แบบท 1 นนเปนการพฒนาวงจรกรองความถทมโครงหลกของงานวจย พชร เมธากลธวชและ นภาภณธ ศรพล ซงนาคปเปลไลนแบบสมมาตรและอนดกทฟโหลดตอระหวางคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนซงงานวจยดงกลาวนน วงจรใหคาแบนดวดทแคบและความถแถบหยดไมครอบคลมถงฮารมอนกท 3 ในการออกแบบไดใชโหลดทประกอบดวยคปเปลไลน 3 เสนตอแทนอนดกทฟโหลดและจากการทดลองพบวาวงจรใหแบนดวดทกวางมากกวา 2 เทาของแบบเดม [7] อยางไรกตามพบวาคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานแถบผานมคาไมสมาเสมอซงอาจเกดขนไดจากขอจากดในการสรางวงจร ทงนระยะหางระหวางเสนรวมถงความกวางของสายสงมขนาดเลกถง 0.3 มลลเมตร

ในแบบท 2 เปนการนาคปเปลไลน 3 เสนแทนคปเปลไลนแบบไมสมมาตร 2 เสนและใชอนดกทฟโหลดแทนโหลดทประกอบดวยคปเปลไลน 3 เสน ขอดทสงเกตไดชดเจนคอวงจรใหคาความชนของขอบแถบผานไดดเยยมและเมอตอสายสงรปพดทฟดไลนทงสองดาน ผลทไดจากการทดลองใหขอดเพมมากขนคอวงจรใหแถบหยดกวางขนอยางนอยครอบคลมถงฮารมอนกท 4โดยมคาสมประสทธการสญเสยกาลงแทรกตาถง -20 dBm. ปญหาทพบคอคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในแบนดมคาไมสมาเสมอแตยงเปนคาสามารถนาไปใชงานไดด

7.2 ขอเสนอแนะ

7.2.1 ลดสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในยานแบนดวดท ในการลดคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในแถบผานความถของวงจรสามารถทา

ไดโดยการปรบคาความกวางของวงจรคปเปลไลนซงอาจมคาทเหมาะสมเพยงคาเดยวทงนเมอปรบโครงสรางทางกายภาพของวงจรเพยงสวนเดยวอาจมผลกระทบตอผลการทางานวงจรได นอกจากนแลวจากการศกษาพบวาสามารถใชโครงสรางทเรยกวา Defected ground ทดานระนาบกราวดของซบสเตรตสงผลใหคาสมประสทธการสญเสยกาลงยอนกลบในแถบผานความถดขนและไมทาใหขนาดของวงจรเปลยนทงยงรกษาสมบตอนของวงจรไดเหมอนเดมอกดวย


53

7.2.2 เพมความถแบนดวดท การเพมแบนดวดทใหกบวงจรนอกจากเทคนกการตอแบบคาสเคดแลวยงมเทคนคอนๆ

อาทเชน การตอคปปลงกนระหวางสวนตาง ๆ ของวงจร และการใชโครงสรางแบบสเตป สาหรบการใชสเตปอมพแดนซ [11] สามารถใชไดในหลายสวนประกอบของวงจร เชน ในสวนทเปนสตบปลายเปดและสตบปลายปดซงจากการศกษาพบวาสามารถขยายขอจากดการปรบแบนดวดทไดซงเปนทางเลอกหนงทนยมใชกนเนองจากมโครงสรางใกลเคยงกบโครงสรางเดมและมความซบซอนเพมมากขนเลกนอยรวมถงสามารถสรางเปนวงจรไดงาย

ในการพฒนาและปรบปรงวงจรผออกแบบควรคานงถงขอจากดอนดวย อาทเชน การสรางวงจรซงในกรณนวงจรทสรางขนไมสามารถสรางวงจรทมขนาดความละเอยดไดต ากวา 0.3 มลลเมตร นอกจากนแลวเพอใหแนใจวาวงจรสามารถทางานใหผลตอบสนองใกลเคยงกบผลการทดลองควรออกแบบวงจรดวย Layout ทงนเพอหลกเลยงการวางสายสงทมระยะใกลกนเพอปองกนการคปปลงระหวางสายสง เปนตน


54

เอกสารอางอง (References)

[1] R.E.Collin, “Foundations of Microwave Engineering”, 2nd edition, McGraw-Hill, 1992 [2] F.Huang, “Quasi-Dual-Mode Microstrip Spiral Filters Using First and Second Harmonic

Resonance”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, No.2, pp. 742-747, February 2006.

[3] C-H.Wu, Y-S. Lin, C-H.Wang, and C-H.Chen, “Novel Microstrip Coupled-Line Bandpass Filters With Shorted Coupled Section for Stopband Extension”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, No.2, pp. 540-546, February 2006.

[4] J-T.Kuo, W-H.Hsu, and W-T.Huang, “Parallel Coupled Microstrip Filter with Suppression of Harmonic response”, IEEE Microwave Wireless Compon, Letter, vol. 12 , No.10, pp. 383-385, October 2002.

[5] Y-S.Lin, C-H.Wang, C-H.Wu, and C-H.Chen, “Novel Compact Parallel-Coupled Mirostrip Bandpass Filters with Lumped Element K-Inverters”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, No.7, pp. 2324-2328, July 2005.

[6] D.M.Pozar, Microwave Engineering. 2nd edition, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1998

[7] P. Metrakultawat and N. Siripon, “Improvement of bandpass filter using asymmetric coupled line and inductive load,” Proceedings of the 34th Electrical Engineering Conference (EECON-34), pp. 705-708, Pattaya, Thailand, Nov. 2011.

[8] J.A.G.Malherbe, “Microwave Transmission Line Filter”, Artech House, Inc., 1979 [9] Z. Sun, L.Zhang, Y.Yan and H.Yang, “Compact Dual-band Bandpass Filter Using

Coupled Three-line Microstrip Structure With Open Stubs”, 2011 IEEE 4 th International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), pp. 392-395, 1-3 November 2011

[10] H.N.Shama, and J-S.Hong, “Wideband Bandpass Micrrostrip Filters with Tripple

Coupled Lines and Open/Short Stubs”, Proceedings of Aisa-Pasific Microwave [11] J. Xu, Y-X Ji, W.Wu and C.Miao, “Design of Miniaturized Microstrip LPF and

Wideband BPF With Ultra-Wide Stopband”, IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, Vol. 23, No. 8, pp. 397-399, August 2013


55

Documents

กิตติกรรมประกาศ ...eng.cmu.ac.th/web/wp-content/uploads/2015/11/3final-report.pdf · N.Siripon, "Analysis of Balanced Oscillator", NSTDA Annual Conference