Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 3 ,   Ju n e   201 6, p p . 1 106   ~ 11 11  I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 3.9 423          1 106     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  A Novel CPW L o w Cost  L o wpass Filter In tegratin g P eri od ic  Structures       F o ua d  Ay to una 1 , Ja ma Z b ito u 2 ,  Mo ha med   Ag ho ut an e 1 ,  N a i m a  Am ar  T o uh ami 1 ,   Abdelwahed Triba k 3 , Mohamed  Latrac h 4   S I T Labor ator y/F S ,  Abdelm alek  Es s aadi  Univers i t y ,  Te touan ,  M o rocco   LMEET  Labo r a to y/  F S T S ,  Hassan 1s t Unive r sit y ,  Set t at  Moroc c M i crowave g r o up, INP T ,  Rab a t,  M o rocco   Microwave g r o up, ESEO , Angers, France      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Ja n 20, 2016  Rev i sed   Mar  16 , 20 16  Accepted  Mar 30, 2016      In this work, we propose a nov el design of a p l anar CPW lowpass “LPF”   filte r based  on t h e use of p e riod ic stru ctures.  Th e per i odic  ce lls  are form e d   from a rectangular slot repeated periodica lly . Th e originality  of this work is  to develop  a new LPF structure which is  sim p le,  low cost for fab r ica tion and   eas y  to  associate with  others  microw ave planar  cir c uits. Th e pr oposed and   valid ated LP F  is  a com p act planar fi lter s t ru cture .  The fin a l  circui t is   simulated and o p timized b y  using two  elec tro m agnetic s o lv er s ,  advanc ed  design s y stem (ADS) and high  freque ncy  structural simulator (HFSS ) . A f ter  m a n y  series of  optim izat ion we have valid ated th e final  circu it int o   simulation b y  u s ing optimizatio n methods  integrated in to the b o th solvers,  taking in to acco unt a high density  of  meshing in order to cover  the whole  circu it.  The fabricated LPF ci rcu it shows good agreemen t between   simulation and measurement results in  term of  matchi ng input impedance  and insert ion los s  with a cut-off f r e quenc y of 1 . 25 GHz. The  entir area of  the   proposed LPF is  35x31 mm 2 Keyword:  Com p act plana r   CPW  Lowp ass filter  Periodic struct ure   Rectangular sl ot    Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Fou a d A y touna,    SIT Laborat o ry/FS,   Abdelm alek Essaadi  Uni v ersit y Av Ichb ilia Ru e 4   Derb A  Res. Yassm in a Bl o c  B  1 ere  Et N °  2 ,  Tet oua n,   M o r o cco   Em ail: aytouna 2002@gm a il.com       1.   INTRODUCTION  Lowp ass filters (LPFs) h a v e  b e en   wid e ly  u s ed  in  R F  and  m i cro w av ap p lication s  [1]-[8 ]. LPFs  base d o n  C P W t ech n o l o gy  ha ve bee n  s t udi ed  an d e x pl oi t e d e x t e n s i v el y  as a ke y  bl oc k i n  m ode r n   co mm u n i catio n  system  as t h e techn o l o g i es o f  satellite syste m s,  m o b ile co mm u n i ca tio n s , etc. C o m p ac t   desi g n ,  l o w i n s e rt i o n  i n  t h pa ssba n d  an sha r p  re ject i o n i n  t h e st op  ba n d  ar e re qui re d.   I n  th is  p a p e r ,   w e  pr opo se a  no v e l lowp ass f i lter  b a sed   on  CPW  techno logy [ 9 ]- [12 ]  w ith su ppr ession  o f  sup e rio r s resp on se. Th n e w LPF is co m p act an d ha v e  min i atu r d i m e n s io n s . Th e sugg ested filter  p r o v i d e an at t e nuat i o of - 4 4. 70 dB  i n  t h e reject i o n b a nd . To  desi g n  such ci rc ui t  w e  can fi n d  m a n y  t echni qu es l i k e t h st eppe d i m ped a nce  [1 3] ope n st ubs  [ 1 4] , l u m p ed el em ent  [1 5] , et c.   To desi gn s u c h  LPF ci rc ui t ,  we ha ve use d   t h e t echni que  of i n se rt i o n of  peri o d i c  st ruc t ure. I n  t h i s   wo rk , we ha ve  used t h e rect a n g u l a r sl ot  as t h e peri odi c * s t r uct u re;  t h e di m e nsi ons  of t h i s  cel l were opt im i zed   in to  sim u latio n .   Th fo llowing sectio n s   will p r esen t th e differen t   step fo llowed  to   desig n  and  to   si m u late th p r op o s ed  lowp ass filter, and  at th e end   a co m p aris o n  b e tween  simu latio n  an d  m easu r em en t resu lts is  di scuss e d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A No vel CPW  Lo w C o st Lo w p a s s Filter In teg r a t i n g Periodic S t ru ct u r es ( F ou ad  Ayt o una 1 107 2.   D E SIGN  PROC EDUR Fi rst l y , we  ha v e  desi gne d a  5 0   Ohm  C P W  l i ne  desi g n e d   by  usi n g  t h fol l o wi n g  e quat i o ns  [ 16] :                             Fi gu re  1.  C o pl anar  wa ve gui d e  (C P W )  l i n e [ 16]       Th er e ar e fo ur   g e o m etr i c p a r a meter s : th e G a p   G ,  t h e co nducto r   w i d t h   W ,   metal th ick n e ss t and  t h e su bstr ate  t h i c kne ss  d.  T h e c h aract e r i s t i c  im pedance   and  t h e  ef fectiv p e rm it tiv it y are  g i v e n  ap pro x i m a tl y b e lo w:   Effectiv e p e rmittiv ity      (1 )     whe r e:         Characteristic Im pedance          (2 )     wh ere K(k)  is a  co m p lete  elli p tical  fun c tion  o f   th e first k i nd . We h a v e       ;     (3 )     and                                   if        0 <  k <  0.707    (4)                                       if         0. 707 <  k <      (5)        The C P o ffe res m a ny  adva nt ages whi c h i n cl u d e t h e  f o l l o wi ng:     It can work t o   extrem ely high fre quencies  (100 GHz  or m o re).      Go o d  ci rcui t  i s ol at i on ca n be  achi e ve d usi n g  a C P W .  M a ny  exam pl es of h i gh -i sol a t i o n R F  swi t c hes  hav e   use d  a  gr o u n d e d  C P W t o   get   60  dB  i s ol at i o n  o r  m o re.   After th v a lidatio n  in to  sim u latio n  o f  th 50 oh m  CPW  line in  ter m  o f  retu rn  lo ss and  insertio n  loss,  w e  h a v e  co nducted  a second  stu d y  to  ch ang e  th e b e h a v i o r   of th is lin e an d  t o  g e n e rate a rej ect b a nd  p e rmittin g   t h e achi e vem e nt  o f  a  LPF .  T h pr o pose d   st ruct ure i s  ba se of the i n tegration  of three c o upled line ass o ciate d   t o  t h e C P g r o u nd  pl a n e.  S o  t o  ad j u st  t h e  ba nd wi dt h a n d t h e  st o p   ban d   we  have  i n s e rt ed a n   o p t i m i zed   rectangula r  slot structure  re peated  along  the two coup led lin es  with  th centre d  line . T h ere f ore, after m a ny  step o f  op timi zatio n s   u s i n Mo m e n t u m  in teg r ated  in ADS,  we  h a ve  v a lid ated  i n to  sim u latio n th p r op o s ed  C P W   L PF de pi ct ed  i n  Fi g u re  2,  t h e opt i m i z ed param e t e rs  are prese n t e d   i n  Tabl e 1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    11 0 6  – 11 11   1 108 This filter is m ounted on a n  FR4 s u bstrat e havi ng a thi c kne ss of 1.6m m ,  a dielectr i c perm ittivity  an d lo ss tang en .   Aft e r t h i s  val i d a t i on,  we  have  con d u ct ed a n ot her st udy   by  u s i ng a  3 D  el ect rom a gnet i c  sol v er t o  t a k e   i n t o  acc o unt  t h e di m e nsi ons   of  su bst r at e,   b y  con s eq ue nt ;  we  have  l a u n c h ed  t h e  si m u l a t i on  of  t h e  sa m e  LPF  ci rcui t   by  usi n g HFS S   sl o v e r .                                   Fig u re  2 .  Geometry o f  th p r o p o s ed  l o wp ass filter      Tab l 1 .   Valu es of th e d i fferen t  p a ram e ters o f  th b a n d p a ss filter    Para m e ters  Valu es  ( m m )   Ws   Ls  W1   L1   W2   L2   L3   31   53   7. 31   3.     As sho w n  i n   Fig u re  3 ,  we  h a v e  a  go od  ag reem en t b e tween   ADS and   HFSS.  Th e lowp ass  filter  prese n t s  a c u t - of f f r eq ue ncy  equal  t o   1. 2 5  G H z wi t h  a  return  lo ss m o re aro und  -1 2d B in   th e wh o l b a ndwid t h   with  an  inserti o n lo ss less th an   -0.5d B                                         Fi gu re  3.  S- pa r a m e t e res vers u s  fr eq ue ncy  o f   t h e de si g n ed  fi l t e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A No vel CPW  Lo w C o st Lo w p a s s Filter In teg r a t i n g Periodic S t ru ct u r es ( F ou ad  Ayt o una 1 109                                                                f =  1GH z             f  =  2. G H z     Fi gu re  4.  Pre s e n t s  t h e  cu rre nt   di st ri b u t i o n  at   1G Hz a n d at   2. GHz       To st u d y  t h e cur r ent  di st ri but i on al o ng t h i s   LPF st ruct ure ,  Fi gu re 4 p r ese n t s  t w o cu rre nt  di st ri but i o n,   one i n  t h e ba n d wi dt h at  1 G H z an d an  ot h e r at  2.5  GHz  i n  t h e reject e d  ba nd  whi c con f i r m  t h e oprat i o n   freq u e n c y b a nd s o f   th e proposed  filter.       3.   FABRI C ATI O N A N D   ME AS URE MEN T In  t h is p a rt we will in trodu ce th e m easu r emen t resu lts of t h p r o p o s ed  LPF.  As sh own   in  Figu re 5,  th e fi n a l CPW  filter is fab r icated  presen ting   an  area  o f  35x3 1 mm 2 . Th e t e st o f  th is ci rcu it is don b y   u s ing  a  VNA  fro m  R&S asso iciated  t o   3 . 5  mm  calib ratio n Kit.                                  Fig u re  5 .  Ph o t o g rap h  of te  fab r icated  low pass  Filter      As di pect ed i n  Fi gu re  6, we  have  o b t a i n e d  a  good agreement betwee n m easurem ent and the  bot h   electro m a g n e tic so lvers. Th fabricated   filter presen ts a cu t t -o ff  frequ en cy  at -3d B  equ a to  1.25   GHz,  with  a  g ood  rej ection .  Th e insertion lo ss in  t h e b a n d wid t h  is arro und  – 0.3   d B . Th fin a l stru cture is a low cost,  co m p act, su itab l e an d easy  fo r in tegration   with   p a ssi v e   an d actif RF ci rcu its, it can  b e   u s ed   for sev e ral  appl i cat i o ns  of  wi rel e ss  com m uni cat i ons.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    11 0 6  – 11 11   1 110                                     Fig u re  6 .  S-p a ra m e ter o f   sim u latio n  and  m easu r em en t resu lts of th e low  p a ss filter       4.   CO NCL USI O N   Th is wo rk  comes with  a n e w con f i g uration  of a  pla n ar  LPF structure base d on the  use of CPW  tech no log y  and  p e riod ic stru ctures illu strated  in  th e use o f  rectan gu lar slo t s p e rmit tin g  to  adju st th ban d w i d t h  a n d  t h e reject i o l e vel .  The  des i gn  pr oced u r es were  b a sed   on  th e use of sev e ral op tim iz atio n   m e thods inte grated into ADS  and als o  we  have take into  account a hi gh  m e sh density to cover the  whol e   circu it.Th e final p r opo sed  filter can   b e  used   for GSM and  oth e rs m i cro w av e app licatio n s  h a nd ling  low lev e l s   o f   p o wer. Th meth o d o l og y fo llo wed  in  th is stu d y  can   b e  u s ed  to  m a tch  th e LPF filter to  ano t h e r frequ en cy   ban d .        ACKNOWLE DGE M ENTS  We ha ve t o  t h ank  Pr . M .  La t r ach a nd  hi s r e s earch Team   RF&  Microwa v e in E S EO  E ngi neeri n in stitu te in  Ang e rs i n  Fran ce for all th e sup port b r ou gh to  ou research  stud ies b y   perm i ttin g  u s  t o  u s El ect rom a gnet i c  sol v ers  an d e qui pm ent s .       REFERE NC ES    [1]   Rahim i an A. , “ M odeling  and  Perform ance of  Microwave  an d Millim e t er-W ave  La ye red  W a veguid e   Filters ,   Institute of  Ad va nced  Engine erin g and Si ences Jo urnal ( I AES) , vol/issue: 11 (7), pp . 3523-3533 , 20 13.  [2]   Zhu L .  and  W u  K., “ C har act eri zat ion of f i nit e - g round  CPW  react ive ser i es-co nnect ed e l em ent s  for innovat i v e   design of unip l anar M(H) MICs,”  IEEE Transactions on Microw ave Theory and   Techniques , vol/issue: 50(2), pp 549-557, 2002 [3]   S o r J .,  et al. M iniature low- loss CPW  periodic st ructur es for filter  appli c ations,   IEEE Transactions on   Microwave Theo ry and Tech niqu es , vol/issue: 49( 12), pp . 2336-23 41, 2001 [4]   F a n Y .,  et al. , “ A  4th-order S w itch-c a pa citor Lo w-pass F ilter for Quartz G y rosco p e Interf ace Ci r c uit , ”  Institu te o f   Advanced  Engin eering and  Siences Journal ( I AES) , vol/issue: 11( 10), pp . 5718-57 24, 2013 [5]   Kar y amapudi B. M. and Hong J. S., “C oplan ar  waveguide p e rio d ic structures  with resonan t  el ements and their   appli cat ion in  m i crowave f ilt ers ,   Microwave Sym posium Digest, 2 003 IEEE MTT-S Internationa l vol. 3 ,  pp. 1619- 1622, 2003 [6]   S a gaw a  M .,  et al. , “Geometrical Structures and  Fundamental Ch aracteristics of Microw ave Stepped-Impedance  Resonators,”  IEEE Transactions  on Microwave Theory and T echn i ques , vo l/issue:  45(7), pp . 1078- 1085, 1997 .   [7]   Lev y  R. et  al . ,  “ D es ign of m i crowave fil t ers , ”  IEEE Transactions on Microw ave T h eory and Techn i ques , vol/issue:  50(3), pp . 783-7 93, 2002 [8]   Hsieh L. H. and  Chang K., “Compact  elliptic-fun c tion  low-pass filters using  micro s trip stepped- impedance hairpin   resonators,”  IEEE Transactions  on Microwave T h eory and T echn i ques , vo l/issue:  51(1), pp . 193-1 99, 2003 [9]   Borazj ani O.  an d Reza ee A ., “ D es ign, S i m u lat i on and Cons tru c tion  a LowP as s  M i crowave F i l t e rs  on the M i cr Strip Transmission Line,”  Intern ational Journal  of Com puter Theory and Engineering , vol/issue: 4 ( 5), pp. 784-787,  2012.   [10]   Lopeteg T.,  et al. , “Analy sis and design of periodic stru ctures  fo r microstrip lines b y  using th e coupled mode  theor y ,   I EEE M i crowave and W i reless Components Letters , vol/issue: 12(11), pp. 441-443, 2002.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A No vel CPW  Lo w C o st Lo w p a s s Filter In teg r a t i n g Periodic S t ru ct u r es ( F ou ad  Ayt o una 1 111 [11]   S o r J .,  et a l . , “ A  Novel Low-Loss Slow-W ave CPW  Periodi c Structur e for  Filter Appli c a t i ons,”  Mi c r owave  Symposium Digest, IEEE  MTT-S International,  vo l. 1 ,  pp . 307-310 , 2001 [12]   A y touna F.,  et al. , “ A  Novel CPW  BandPass Filter Integr a t i ng Periodic Re ctangu lar Slot  Cells,   Journal of  Engineering Science and Tec hno logy Review   ( J ESTR) ,   vol/issue:  8(4), pp . 131  – 1 34, 2015 [13]   Hsieh L. H.  an d Chang K., “ C om pact lowpa ss f ilter using stepped  im pedan ce ha irpin reson a tor, ”  El ec tr oni cs  Letters , vo l/issu e: 37(14) , pp . 89 9-900, 2001   [14]   Pingjuan Z ., Mi nquan L., “A Novel Com p act  Microstrip  Low p ass Filter with  Sharp Transiti on and Im proved   Stopband,”  Engineering and  Sien ces Journal ( I AES) ,  vol/issue: 13( 1), pp . 85-90 , 20 15.   [15]   Mattha e i G. L . ,   et al. , “Micro wave Filters, I m pedance Matchi ng Networks and Coupling S t ructur es,”  Arte ch  Microwave Library , 1980     [16]   Huang Y.  and B o y l e K., “Anten nas from theor y   to practice,” A  John Wiley and S ons, Ltd, Publication,  2008.      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS         Fouad A y touna  was born in Beni Rz ine, Morocco, In 1978. He r ece ived th e Maitrise of Sciene  and techn i que d e gree in IEEA from Abdelmalek  Essaadi University , Tangier , Morocco,  in 2002.  He receiv e d a M a s t er degre e  in E l ec tronic and T e l ecom m unication  from  the Abdel m alek Es s aadi   University Tetu an, Morocco, in   2010. Actually he  is a Ph.D   student degr ee  in  Electronic and  Tel ecom m unicat ion from  the A bdelm alek  Es s a adi Unive r s i t y ,   Tetu an, M o roc c o . His  res e arch  inter e sts include  the  analy s is  and  design of micro wave planar  filters and p e riodic s t ructur es.                  Jamal Zbitou was born in Fes, Morocco, in J une 1976. He received th e Ph.D. degree in   electronics from Poly tech of Nantes, the Univ er si ty  of Nantes,  Nantes, France,  in 2005. He is  current l y   an as s o cia t e P r ofes s o r of Elect ronics  i n  F S T , Univers i t y  Has s a n 1s t, S e tt at, M o roc c o   and th e h ead o f   Computing Networks and tel ecommunication in LMEET Labo rator y   in FSTS.  He is involved  in the design of  h y brid , monol ithic activ e and  passive microwave electronic  circu its.       Mohamed Aghoutane was born  in Taounate, Morooco,  in  Octob e r 1956. He  received th e Ph.D.  degree  in ph y s ics sciences from liege Univers i ty lieg e, Belgu i m, in 1994. He is currently   an  as s o ciat e P r ofes s o r of Elec troni cs  in Abdelm ale k  Es s aadi Unive r s i t y , T e touan ,   M o rocco, He is   involved  in  Electronic  and  Telecomunications.                  Mohamed Latrach (IEEE me m b er) rec e iv ed the  P h .D. degre e  in  ele c troni cs  from  the Univers i t y   of Limoges, Limoges, France,  in   1990. He is  curr ently  Professor  of microwave  en gineer ing with  the Eco l e S upéri eure d’El ec troni que de l’Oues t (ES E O), Angers , F r ance, wher e he is  head of the   Radio-Frequen c y  &  Microwav e research   group. His  research  interests include: d e sign of h y brid   & m onolithi c   a c tiv e and  passiv e  m i crowav e c i rcuits,  m e tam a t e rials,  LH m a t e ri als,  ant e nnas,  rect ennas  and th eir app lic ations   in wirel e s s   communications,  an d wireless power transmission  (WPT).          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.