Design of 3.5 GHz bandpass parallel – coupled microstrip line filter for the 5G new radio

Abstract

Filtreler, elektronik sistemlerde önemini ve gerekliliğini korumakta ve son yıllarda yeni teknolojilerin ortaya çıkmasındaki hız ile birlikte filtre talepleri artmaktadır. Haberleşme sistemindeki yeni teknolojilerden birisi 5G'dir. Haberleşme sisteminde ortaya çıkan her yeni teknoloji ile birlikte, mevcut frekans bantlarının kullanımı artmış veya yeni frekans bant tahsisleri yapılmıştır. Yeni frekans dağılımlarının bir sonucu olarak, birbirine çok yakın bitişik frekans bantları meydana gelmektedir.Filtreler, taşınan sinyale girişimi önlemek için iletişim sistemlerinin temel parçasıdır. Alçak geçiren, yüksek geçiren, bant geçiren veya bant durduran, haberleşme sistemlerinde kullanılan farklı filtre tipleridir. Bant geçiren filtre, belirli bir frekans aralığındaki sinyali iletmek ve bu aralığın dışındaki sinyalleri söndürmek için kullanılabilir. Frekans bandı veya filtrenin kullanılacağı uygulamaya göre, filtre teknolojisi seçilebilir. Toplu elemanlı filtreler kompakt tasarımlar için pratik değil ve yüksek frekanslarda güvenilir değildir, çünkü sinyalin dalga boyu devrenin fiziksel boyutlarından çok daha küçüktür. Dağılmış elemanlı filtre; yüksek dielektrik sabitiyle yüksek frekanslı uygulamalar için kullanılabilir, düşük kayıplıdır ve haberleşme sistemlerinde filtre topolojisine göre iletim hatlarına uygulanması kolaydır.Bu yüksek lisans tez çalışmasında, paralel kuplajlı mikro şerit bant geçiren filtre, 5G (n78 bant; 3400 MHz-3600 MHz) uygulamalarında taşınan sinyallere bitişik bantlardan gelen girişimleri önlemek için tasarlandı, simüle edildi, optimize edildi ve gerçeklendi. Tasarımda ve filtrenin gerçeklenmesinde, dielektrik sabitli ε_r=3.48 RO4350 (Rogers) alt katman malzemesi olarak seçildi. Filtre tasarımında, geçiş bandında 0.5 dB dalgalanmalı Chebyshev alçak geçiren filtre prototipi kullanıldı. Beşinci derece paralel kuplajlı mikro şerit bant geçiren filtre, 200 MHz bant genişliği ve merkezi frekans 3.5 GHz ile tasarlanmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre; 3.5 GHz merkez frekansında araya girme kaybı s_21=-3.49 dB geri dönüş kaybı s_11=-16.94 dB' dir ve -3 dB bant genişliği, üst ve alt kesim frekansların sırasıyla 3617 MHz ve 3418 MHz olduğu 199 MHz' dir. Bant durdurma bastırması, 3.3 GHz' de -33.33 dB ve 3.8 GHz'de -50.81 dB' dir. Tasarlanan filtre gerçeklendi ve ölçüldü; 3.5 GHz merkez frekansında araya girme kaybı s_21-3.23 dB, geri dönüş kaybı s_11-27.84 dB' dir ve -3 dB bant genişliği, üst ve alt frekansların sırasıyla 3615 MHz ve 3382 MHz olduğu 233 MHz' dir. Bant durdurma bastırması, 3.3 GHz' de -22.45 dB ve 3.8 GHz' de -41.99 dB' dir. Gerçeklenen filtrenin ölçümü ve tasarlanan filtre simülasyonu, filtre cevabında benzer sonuçlara sahiptir. Tasarlanan filtre gerçeklendi ve sonuçta düşük araya girme kaybı, düşük gerçekleme maliyeti ve yüksek söndürme özelliği elde edildi. Tasarlanan filtrenin uygulama alanı boyutlarında herhangi bir sınırlama yoksa, bu gerçeklenmiş filtre, düşük maliyetli çözümler için avantaj sağlar.

Filters maintain their importance and necessity in electronic systems and filter demands are increased in recent years due to speed of emerging new technologies. One of the new technologies in communication system is 5G. With every new technology emerged in communication systems, existing frequency bands usage increases or new frequency band allocations are made. As a result of new frequency allocations, very close each other adjacent frequency bands are occurring. The filters are the essential part of communication systems to prevent transporting signal from interference. Different type of filters; low pass, high pass, bandpass or bandstop are used in communication systems. The bandpass filter can be used to pass signals in a specific frequency range and to attenuate signals out of this range. According to frequency band or application which filter will be used, filter technology can be chosen. Lumped element filters are not practical for compact designs and not reliable in high frequencies because the wavelength of the signal is much smaller than the physical dimensions of the circuit. Distributed element filter; can be used for high frequency applications with high dielectric constant, is low loss and easy to implement to transmission lines according to filter topology in communication systems.In this master thesis, a parallel coupled microstrip bandpass filter is designed, simulated, optimized and realized for 5G (n78band; 3400 MHz-3600 MHz) applications to prevent transporting signal from adjacent band interference. In the design and for filter realization, RO4350 (Rogers) with dielectric constant ε_r=3.48 is chosen as substrate material. In the filter design, 0.5 dB ripple in the passband Chebyshev low pass filter prototype is used. The 5th order parallel coupled microstrip bandpass filter is designed with 200 MHz bandwidth and central frequency 3.5 GHz. According to simulation results; the insertion loss s_21 is -3.49 dB, return loss s_11 is -16.94 dB at 3.5 GHz central frequency and -3 dB bandwidth is 199 MHz where upper and lower frequencies are 3617 MHz and 3418 MHz respectively. The stopband attenuation at `3.3 GHz` is -33.33 dB and at 3.8 GHz is -50.81 dB. The designed filter is realized and measured; the insertion loss s_21 is -3.23 dB, return loss s_11 is -27.84 dB at 3.5 GHz central frequency and -3 dB bandwidth is 233 MHz where upper and lower frequencies are 3617 MHz and 3418 MHz respectively. The stopband attenuation at 3.3 GHz is -22.45 dB and at 3.8 GHz is-41.99 dB. The realized filter measurement and the designed filter simulation have similar results in filter response. The designed filter is realized and as a result low insertion loss, low cost of realization and high attenuation characteristic is achieved. If there are not any limitations at the designed filter application area dimensions, this realized filter has the advantage for low cost solutions.