ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI 3 BĂNG THÔNG

THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI 3 BĂNG THÔNG

ỨNG DỤNG CHO WLAN VÀ WIMAX

1. Giới thiệu

Để đáp ứng như cầu hoạt động đa phương thức trong các hệ thống truyền thông không dây hiện đại, bộ lọc thông dải 3 băng tần (BPFs) đã trở thành một trong những thiết bị rất quan trọng trong các máy phát và máy thu trong hệ thống thông tin vi ba. Trong luận văn này, một phương pháp mới để thiết kế bộc lọc thông dải 3 băng thông ứng dụng cho Wlan và WiMax được trình bày. Ba dải phổ được thiết kế để hoạt động ở 2.4/3.5/5.4 GHz tương ứng. Với cấu trúc cộng hưởng với mạch nhánh ngắn mạch được sử dụng để tạo ra các dải phổ đầu tiên và thứ hai, trong khi đó khung cộng hưởng vòng λ/2 được sử dụng để tạo ra dải thông thứ ba. Một bộ cộng hưởng được gắn bên trong và do đó làm cho kích thước bộ lọc trở nên nhỏ gọn.

Các bộ lọc thông dải 3 băng tần (BPFs) với kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, dễ chế tạo và hiệu suất cao là rất cần thiết trong việc thiết kế các thiết bị phát và thu cho các hệ thống thông tin vi ba. Ba tần số mong muốn có thể được kiểm soát thuận tiện bằng cách điều chỉnh độ dài của bộ cộng hưởng nửa bước sóng, hay bộ ngắn mạch.

2. Nội dung đồ án

            Đồ án này tập trung thiết kế một bộ lọc thông dải 3 băng tần với việc sử dụng các lý thuyết cũng như phần mềm mô phỏng HFSS nhằm làm rõ hệ số truyền đạt của đường truyền.

2.1 Chương 1: Giới thiệu bộ lọc cao tần

            Với vai trò là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống thông tin bằng sóng điện từ trong thời đại hiện nay, mạch lọc tần số và các lý thuyết phân tích thiết kế mạch lọc đã có một quá trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn thiện. Tuy nhiên việc nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn tiếp tục được thực hiện trong thời gian gần đây dựa trên những phương pháp tính toán cơ bản nhằm tạo ra những cấu trúc lọc kích thước gọn nhẹ và khả năng chọn lọc tần số tối ưu nhất để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và theo hướng đa kênh truyền.

            Trong chương này đã trình bày tổng quát về các bộ lọc cao tần(thông cao; thông thấp; thông dải; chắn dải) cũng như sơ đồ khó của máy thu, phát vô tuyến song công để thấy được vị trí quan trọng của bộ lọc. Với lịch sử phát triển khá dài và hoàn thiện đã tạo một tiền đề quan trọng tạo nên động lực nghiên cứu mạnh mẽ để có thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

2.2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Bộ lọc thông dải 3 băng tần với những ứng dụng một cách tối ưu nhất để có thể sử dụng dải phổ tần một cách có hiệu quả nhất. Để thiết kế bộ lọc thì chương này sẽ giúp chúng ta có được những kiến thức cơ bản nhất về đường truyền vi dải và bộ lọc cao tần.

Siêu cao tần (Microwave) dùng để chỉ sóng điện từ dao động điều hòa có tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz.Một cấu trúc vi dải thông thường có dải dẫn sóng có bề rộng W và độ dày t được đặt trên một đế điện môi có hằng số điện môi tương đối  và chiều dày h, bên dưới đế là mặt phẳng kim loại nối đất lý thuyết đường truyền vi dải và bên cạnh đó đã phân tích mạng siêu cao tần. Trong mạng siêu cao tần đã trình bày được các thông số đặc trưng như ma trận tán xạ S, ma trận trở kháng Z và ma trận dẫn nạp Y cũng như ma trận truyền đạt.

Mạch lọc cao tần là một mạch hai cửa, có chức năng lựa chọn tín hiệu trong một dải tần số mong muốn, bằng cách cho các tín hiệu đó đi qua và làm suy hao tín hiệu ở các dải tần số không mong muốn (dải chắn). Mạch lọc thường xuất hiện trong các máy thu phát cao tần. Chương này đã giới thiệu về bộ lọc thông thấp, một mạch lọc thông dải với các thông số tập trung và mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp.

Để thiết kế một mạch lọc thông dải ứng dụng cho wifi và wimax thì cấu trúc vòng cộng hưởng là không thể thiếu. Mạch cộng hưởng vi dải cộng hưởng vòng kín được nghiên cứu rộng rãi cho nhiều ứng dụng, như anten kích thước nhỏ, mạch bộ lọc hai mode sóng.

Xuất phát từ những lý thuyết cơ bản về phân tích mạng siêu cao tần và đường truyền sóng, đến lý thuyết về mạch lọc cao tần, từ đó phân tích những đặc tính quan trọng của mạch cộng hưởng dạng vòng. Đây là tiền đề quan trọng để thực hiện quá trình phân tích thiết kế mạch lọc thông dải 3 băng thông sẽ được trình bày chi tiết ở chương sau của đồ án.

2.3 Chương 3: Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải 3 băng tần.

Trong chương này, em vừa trình bày phương pháp thiết kế và kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải 3 băng tần.

Hình 1: Bộ lọc thông dải ba tăng tần

Việc phân tích thiết kế bộ lọc cao tần đã phân tích cấu trúc khung cộng hưởng vòng nửa bước sóng từ đó tạo ra bước sóng thứ ba. Bên cạnh đó bộ ngắn mạch cấu trúc cộng hưởng được sử dụng để tạo ra các dải phổ đầu tiên và thứ hai. Ba tần số dải thông có thể dễ dàng điều chỉnh các giá trị mong muốn bằng cách thay đổi các kích thước. Cấu trúc lọc được chế tạo trên đế điện môi FR4 dày 0.8 mm. Bằng cách thêm vào vòng cộng hưởng bộ cộng hưởng ngắn mạch cùng các nhánh đường truyền có chiều dài thích hợp, ta có thể đạt được điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng. Từ đó tạo nên một mạch lọc có băng thông rộng và sườn dải thông dốc. So với cấu trúc lọc truyền thống, cấu trúc này có nhỏ gọn hơn, đặc biệt có khả năng chọn lọc ở nhiều tần số để có thể đáp ứng được như cầu hoạt động đa phương thức trong hệ thống thông tin di động hiện đại.

Phần mềm mô phỏng Ansoft  HFSS 13 đã hổ trợ một cách thiết thực cho việc thiết kế mô phỏng qua đó có thể kiểm tra sơ lượt về kết quả đã làm. Chương này cũng đã phần nào giới thiệu sơ lượt về phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 13. Phần mềm cung cấp một giao diện trực quan và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ, …

Mục lục

Lời cam đoan. 1

Danh sách các từ viết tắt5

Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt6

Danh sách các hình. 7

Phần mở đầu. 8

Chương 1: Giới thiệu bộ lọc cao tần. 10

1.1.Giới thiệu. 10

1.2. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển. 10

1.3. Động lực nghiên cứu. 13

1.4. Kết quả mong muốn. 14

Tổng kết chương............................................................................................................... 15

Chương 2: Cơ sở lý thuyết16

2.1. Giới thiệu chương. 16

2.2. Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần. 16

2.2.1. Lý thuyết đường truyền vi dải17

2.2.2. Phân tích mạng siêu cao tần. 19

2.3. Lý thuyết về mạch lọc cao tần. 24

2.3.1. Khái quát về mạch lọc tần số. 24

2.3.2. Bộ lọc thông thấp. 25

2.3.3. Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung. 28

2.3.4. Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp. 29

2.4. Phân tích cấu trúc vòng cộng hưởng. 32

Tổng kết chương............................................................................................................... 35

Chương 3: Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải 3 băng tần.38

3.1. Giới thiệu. 38

3.2. Phân tích và thiết kế bộ lọc thông dải ba băng thông. 39

3.2.1. Mạch lọc dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng hai mode sóng. 39

3.2.2. Đặc trưng của cộng hưởng ngắn mạch. 44

3.3. Phần mềm mô phỏng Ansoft  HFSS 13. 45

3.3.1 Giới thiệu................................................................................................................. 45

3.3.2. Giao diện mô phỏng bằng phần mềm HFSS. 48

3.4. Kết quả mô phỏng và nhận xét49

Tổng kết chương............................................................................................................... 53

Kết luận và hướng phát triển đề tài.56

Tài liệu tham khảo. 58

 

Danh sách các từ viết tắt

 

PCB	Printed Circuit Board	Bảng mạch in
RF	Radio Frequency	Tần số vô tuyến điện
LO	Local Oscillator	Bộ dao động nội
IF	Intermediate Frequency	Trung tần
CST	Computer Simulation Technology	Công nghệ mô phỏng bằng máy tính
LNA	Low Noise Amplifier	Bộ khuếch đại tạp âm thấp
FDTD	Finite Differental Time Domain	Phương pháp vi sai hữu hạn theo miền thời gian
TM	Transverse Magnetic	Sóng từ ngang
VSWR	Voltage Standing Wave Ratio	Tỷ số sóng đứng về điện áp
TEM	Transverse Electric Magnetic	Sóng điện từ ngang
SIR	Stepped-Impedance Resonator	Bộ cộng hưởng trở kháng nhảy bậc
FET	Field Effect Transistor	Transistor hiệu ứng trường

 

Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt

STT	Thuật ngữ tiếng Anh	Thuật ngữ tiếng Việt
1	Microwave	Vi ba (cao tần)
2	Baseband	Băng cơ bản
3	Lowpass Filter	Bộ lọc thông thấp
4	Bandpass Filter	Bộ lọc thông dải
5	Highpass Filter	Bộ lọc thông cao
6	Bandstop Filter	Bộ lọc chắn dải
7	Microstrip line	Đường truyền vi dải
8	Cell	Ô, khối nhỏ
9	Mesh	Lưới, sự tạo lưới
10	Group Delay	Trễ nhóm

 

Danh sách các hình

Hình 1.1 Bốn loại bộ lọc. 10

Hình 1. 2  Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công. 11

Hình 2. 1 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1]. 17

Hình 2. 2 Đường truyền vi dải. a) Cấu trúc hình học. b) Phân bố trường. 18

Hình 2. 3 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực). 20

Hình 2. 4 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương. 23

Hình 2. 5 Đáp ứng tần của bốn loại mạch lọc lý tưởng:25

Hình 2. 6 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ.26

Hình 2. 7 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3.27

Hình 2. 8 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện. 27

tham số tập trung. 27

Hình 2. 9 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang. 28

Hình 2. 10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải29

Hình 2. 11 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b). 30

Hình 2. 12 Biến đổi tương đương giữa thành phần trở kháng nối tiếp và dẫn nạp song song sử dụng các bộ biến đổi: a )trở kháng (K); b) dẫn nạp (J). 31

Hình 2. 13 Mạch lọc thông dải tham số phân tán sử dụng các bộ biến đổi [1]. 32

Hình 2. 14 Cấu trúc cộng hưởng vòng một cửa.33

Hình 2. 15 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng. 35

Hình 2. 16 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng. 36

Hình 3.1: Bộ lọc thông dải BPF 3 băng tần. 39

Hình 3. 2 Mạch lọc bậc hai sử dụng linh kiện tham số tập trung. 40

Hình 3.3 a) Sơ đồ;40

(b) Dạng đáp ứng tần. 41

Hình 3.4 Mạch lọc cộng hưởng dạng vòng. 42

Hình 3. 5 Cấu trúc đường vi dải gấp khúc tương ứng với thành phần mạch điện. 43

Hình 3. 6 Mô hình mạch lọc cộng hưởng dạng vòng. 43

Hình 3.7: Bộ cộng hưởng ngắn mạch. 44

Hình 3.8: (a) Giao diện xây dựng mô hình và (b) thiết lập mô phỏng của phần mềm HFSS  48

Hình 3.9 Giao diện thể hiện kết quả mô phỏng. 49

Hình 3.10: Mô hình mạch lọc thông dải 3 băng tần. 50

Hình 3.11: Đáp ứng tần số mô phỏng thông số S₂₁ theo độ dài khác nhau của L₄ (a) và L₁₀ (b)  51

Hình 3.13: Đáp ứng tần số S₂₁ thay đổi theo thông số L₁ và G₁. 53

Hình 3.14: Đáp ứng tần số S₂₁ thay đổi theo thông số G₁. 54

 

 

Phần mở đầu

Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc mọi nơi, công nghệ truyền thông không dây đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Các thiết bị thông tin vô tuyến được thu nhỏ kích thước ở mức tối đa để tăng khả năng tích hợp, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động và thông tin vệ tinh. Mạch lọc tần số là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị này. Và hướng phát triển của các cấu trúc lọc không chỉ ở việc cải thiện đặc tính hoạt động mà còn ở sự nhỏ gọn trong kích thước vật lý. Đối với các thiết bị thông tin di động và vệ tinh, các dạng mạch lọc thông dải thường được sử dụng, nhờ giá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch in (PCB). Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc thông dải bao gồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn, hay bẻ cong các đường dải dẫn của các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa ra các cấu trúc lọc có kích thước nhỏ gọn hơn. Trong đó giải pháp đưa ra các cấu trúc nhỏ gọn đang được quan tâm phát triển và đạt được những kết quả nhất định nhờ những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu; bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperature Superconductors – HTS), mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits–MMIC), hệ vi điện cơ (Microelectromechanic Systems – MEMS)… đã trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc bộ lọc vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần. Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính, chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trường điện từ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần.

Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộ lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF). Trong đó, bộ lọc thông dải đóng vai trò gần như quan trọng nhất trong các thiết bị thông tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp. Đồ án này nhằm giới thiệu một phương pháp thiết kế bộ lọc thông dải , với khả năng loại bỏ tần số ngoài dải thông đạt mức cao nhất có thể.

Một bộ lọc BPF 3 băng tần sử dụng hai bộ cộng hưởng được đề xuất. Một là cộng hưởng nửa bước sóng ngắn mạch tải và cộng hưởng nửa bước sóng. Cộng hưởng nửa bước sóng ngắn mạch tải có thể tạo ra dải phổ đầu tiên và thứ hai, trong khi tần số hài chẳn_lẻ của cộng hưởng nửa bước sóng được sử dụng để tạo ra dãy thông thứ ba. Ba tần số dải thông có thể dễ dàng điều chỉnh các giá trị mong muốn bằng cách thay đổi kích thước. Bộ lọc này là cấu trúc phẳng, tạo thuận lợi cho việc thiết kế và giảm chi phí chế tạo. Ngoài ra, có ít nhất một truyền số trên mỗi bên của dải thông, giúp tăng tính chọn lọc viền.

Xuất phát từ những luận điểm chính trên, em đã chọn đề tài nghiên cứu của mình là: “THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BA BĂNG TẦN ỨNG DỤNG CHO WLAN VÀ WIMAX”. Đề tài của e bao gồm 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu về bộ lọc tần số

            Trong chương này đã trình bày tổng quát về các bộ lọc cao tần(thông cao; thông thấp; thông dải; chắn dải) cũng như sơ đồ khó của máy thu, phát vô tuyến song công để thấy được vị trí quan trọng của bộ lọc. Với lịch sử phát triển khá dài và hoàn thiện đã tạo một tiền đề quan trọng tạo nên động lực nghiên cứu mạnh mẽ để có thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của bộ lọc.

            Trình bày những kiến thức cơ bản của đường truyền vi dải và bộ lọc cao tần. Xuất phát từ những lý thuyết cơ bản về phân tích mạng siêu cao tần và đường truyền sóng, đến lý thuyết về mạch lọc cao tần, từ đó phân tích những đặc tính quan trọng của mạch cộng hưởng dạng vòng. Đây là tiền đề quan trọng để thực hiện quá trình phân tích thiết kế mạch lọc thông dải 3 băng thông sẽ được trình bày chi tiết ở chương sau của đồ án.

Chương 3: Phương pháp thiết kế và kết quả mô phỏng.

Cấu trúc lọc được chế tạo trên đế điện môi FR4 dày 0.8 mm. Với việc thêm vào vòng cộng hưởng một bộ cộng hưởng ngắn mạch cùng các nhánh đường truyền có chiều dài thích hợp, ta có thể đạt được điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng. Từ đó tạo nên một mạch lọc có băng thông rộng và sườn dải thông dốc. So với cấu trúc lọc truyền thống, cấu trúc này có nhỏ gọn hơn, đặc biệt có khả năng chọn lọc ở nhiều tần số để có thể đáp ứng được như cầu hoạt động đa phương thức trong hệ thống thông tin di động hiện đại.

            Em nhận thấy đồ án này giúp em tổng hợp lại được rất nhiều kiến thức thông qua nhiều môn học được các quý thầy cô truyền đạt. Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng em vẫn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp thêm. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG, đặc biệt là cô giáo Trần Thị Hương đã hướng dẫn giúp đỡ tận tình để em hoàn thành tốt đồ án này.

 

Chương 1

Giới thiệu bộ lọc cao tần

1.1.  Giới thiệu

Để tìm hiểu tìm hiểu rõ hơn về bộ lọc thì chương đầu tiên này sẽ cho thấy được sự phát triển của bộ lọc tần số cũng như những ứng dụng hết sức quan trọng của bộ lọc trong hệ thông thông tin di động ngày nay.

1.2. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển

Bộ lọc tần số là một bộ lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải tần mong muốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác. Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộ lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF). Hai loại bộ lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại bộ lọc còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới. Hình 1.1 mô tả dạng đáp ứng tần và ký hiệu sơ đồ khối của từng loại bộ lọc.

Hình 1.1 Bốn loại bộ lọc

a) thông thấp; b) thông cao; c) thông dải; d) chắn dải.

Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫn đường, cảm biến và các hệ thống khác. Với sự tiến bộ của thông tin và các ứng dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ ngày càng nhiều cho hệ thống. Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trong một khoảng phổ tần nhất định. Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số đó. Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệ thống, như trong Hình 1.2 là sơ đồ một máy thu phát vô tuyến.

Hình 1. 2  Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công

Phần sơ đồ khối phía trên thực hiện chức năng thu, còn phần phía dưới thực hiện chức năng phát. Hai chức năng này sử dụng chung một anten, một bộ song công (duplexer) và bộ dao động nội (LO). Có thể thấy, nhiều bộ lọc được sử dụng trong hệ thống và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Chẳng hạn như trong phần thu, bộ lọc phía sau LNA được dùng để chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ từ đường truyền. Nếu không có sự ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh cũng sẽ được đổi xuống trung tần (IF) và gây ra nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) của hệ thống. Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp sẽ khử đi thành phần không mong muốn trong tín hiệu sau trộn cũng như tần số rò từ bộ dao động nội. Trong phần phát, một bộ lọc được đặt giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất để lựa chọn tần số mong muốn và loại bỏ các tần số khác được tạo ra sau bộ đổi tần lên. Cả khối phát và khối thu đều sử dụng chung một bộ song công gồm hai mạch lọc thông dải. Một bộ lọc có dải thông là dải tần thu, được dùng để lựa chọn tần số cho bộ thu và khử các tín hiệu khác truyền đến bộ thu. Với bộ lọc kia, tần số trung tâm là tần số phát, bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.

Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất một cách độc lập bởi Campbell và Wagner vào năm 1915. Kết quả có được xuất phát từ những nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động. Các nghiên cứu sau đó phát triển theo hai hướng độc lập, đó là nghiên cứu lý thuyết về các tham số ảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss).

Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởi Campbell, Zobel và một vài người khác. Phương pháp này giúp xây dựng các mạch lọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung. Các tham số ảnh mô tả mạng hai cửa khác hẳn các tham số tán xạ như đã biết. Sự mô tả này được lý tưởng hóa vì các tham số đầu vào và đẩu ra của một khâu hai cửa trong phương pháp này thường không thể hiện chính xác được. Vì thế phương pháp tham số ảnh chỉ là phương pháp xấp xỉ. Ưu điểm của phương pháp này là có thể thiết kế ra những mạch lọc bậc cao mà không cần sự trợ giúp của máy tính. Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duy nhất được biết đến cho đến năm 1939 và cũng là phương pháp thủ công duy nhất. Tuy nhiên, người thiết kế khó có thể kiểm soát được đặc tính của dải thông và dải chắn khi sử dụng phương pháp này. Vì thế nếu yêu cầu độ chính xác nhiều hơn thì phương pháp này không đảm bảo.

Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra thông dụng và có hiệu quả hơn phương pháp tham số ảnh được Darlington và Cauer đề xuất vào năm 1939. Về cơ bản, lý thuyết này sẽ xấp xỉ các đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt, và xây dựng nên một mạch điện thỏa mãn hàm truyền đạt đó. Như vậy, bài toán xấp xỉ hóa và bài toán thực hiện có thể được giải quyết riêng rẽ một cách tối ưu và chính xác nhất. Với phương pháp này, việc thiết kế mạch lọc được chia thành 2 bước: Xác định hàm truyền đạt thỏa mãn yêu cầu đặc tính của mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụng đáp ứng tần đã được ước lượng bằng hàm truyền đạt. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được chú ý ngay do yêu cầu một khối lượng tính toán khổng lồ. Cho đến giữa những năm 1950, phương pháp này mới bắt đầu được áp dụng rộng rãi. Với sự tiến bộ của các hệ thống máy tính tốc độ cao, phương pháp tổn hao xen dần dần trở nên thông dụng hơn cả phương pháp tham số ảnh. Phương pháp này sẽ được đề cập lỹ hơn trong chương 2 của đồ án.

Cùng với sự hoàn thiện của lý thuyết, các thiết kế mạch lọc được phát triển từ các mạch cộng hưởng tham số tập trung LC đến các cấu trúc cộng hưởng tham số phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải. Đồng thời, những tiến bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo các dạng cấu trúc lọc khác, như vật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn … Mạch lọc vi dải là một dạng cấu trúc lọc quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in.

Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc được sử dụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải. Các bộ lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao và kích thước nhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo. Các cấu trúc điện môi cũng có kích thước nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹ thuật xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này. Bộ lọc ống dẫn sóng được áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trong các ứng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn.

Hiện nay, các mạch lọc thông dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội cũng như sự dễ dàng trong việc chế tạo.

1.3. Động lực nghiên cứu

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc được sử dụng với nhiều dạng đáp ứng tần khác nhau, như thông thấp, thông cao, thông dải hay chắn dải. Trong các dạng đó, mạch lọc thông dải được sử dụng rộng rãi nhất. Nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải đã được đề xuất. Để đạt được yêu cầu về hoạt động trong dải thông cố định không phải là điều quá khó khăn. Tuy nhiên khi đặt ra  yêu cầu dải tần phải hẹp, và kích thước vật lý của mạch lọc phải được thu nhỏ tối đa thì bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn. Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và thông tin di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước của mạch lọc đã trở thành vấn đề quan trọng bậc nhất. Mặc dù kích thước mạch thông dải có thể thu nhỏ được bằng cách chế tạo trên đế điện môi có hằng số điện môi lớn, nhưng việc thay đổi cấu trúc hình học của mạch thông dải lại thường được tính đến, vì hằng số điện môi lớn thường dẫn đến hiện tượng sóng mặt và gây tổn hao nhiều hơn. Đối với các mạch lọc dải hẹp, giải pháp thay đổi cấu trúc hình học thường thấy đó là bẻ gấp các đoạn đường truyền thẳng trên các mạch lọc thông thường để có dạng mạch lọc mới với kích thước nhỏ hơn

Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc trong việc tính toán trường điện từ, cũng là một động lực quan trọng góp phần lớn vào sự phát triển của những cấu trúc mạch lọc phức tạp. Các phương pháp tính toán trường điện từ như phương pháp MoM (Method of Moments), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method), phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian (FDTD-Finite Difference Time Domain) đã được phát triển trong những năm gần đây. Cùng với sự xuất hiện của các công cụ mô phỏng trường điện từ sử dụng các phương pháp trên, kết quả mô phỏng trở nên đáng tin cậy và càng gần hơn với kết quả đo đạc. Ngày nay, với những chiếc máy tính với khả năng tính toán được cải thiện một cách đáng kể, các nhà nghiên cứu đã có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các dạng cấu trúc lọc tần số mới.

Chính vì thế, ngày càng xuất hiện nhiều các bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng với các kiểu kích thích khác nhau, được nối thêm các đoạn, các nhánh nhằm đạt được các đặc tính lọc mong muốn, nhưng với mục đích chung đều là để tạo ra các mạch lọc có kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng chọn lọc tần số tối ưu đồng thời đáp ứng được đa kênh truyền.

1.4. Kết quả mong muốn

Trong đồ án này, em sẽ tập trung nghiên cứu, giới thiệu một phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải 3 băng thông với dải tần trong dải 3G 2.4/3.5/5.4 GHz, đáp ứng tần trong dải thông phải có độ dốc tối đa để tăng khả năng chọn lọc tần số.

Quá trình phân tích thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm HFSS 13, tính toán trường điện từ bằng phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian (Finite Difference Time Domain – FDTD) để thu được tham số tổn hao ngược và hệ số truyền đạt

Tổng kết chương

Như vậy có thể thấy, với vai trò là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống thông tin bằng sóng điện từ trong thời đại hiện nay, mạch lọc tần số và các lý thuyết phân tích thiết kế mạch lọc đã có một quá trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn thiện. Tuy nhiên việc nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn tiếp tục được thực hiện trong thời gian gần đây dựa trên những phương pháp tính toán cơ bản nhằm tạo ra những cấu trúc lọc kích thước gọn nhẹ và khả năng chọn lọc tần số tối ưu nhất để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và theo hướng đa kênh truyền. Các lý thuyết này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các chương sau.................

 

Từ việc phân tích thiết kế bộ lọc cao tần đã xây dựng được bộ lọc cao tần và sử dụng phần mềm HFSS để có thể mô phỏng và hiệu chỉnh những giá trị một cách dễ dàng trên phần mềm.

Với một bộ lọc thông dải 3 băng tần BPF 3 băng nhỏ gọn với tần số trung tâm của dải thông 2,4/3,5 và 5,4 GHz được thiết kế. Sau khi tối ưu hóa sử dụng Ansoft HFSS 13, kích thước cho bộ lọc này được xác định là: W1 = 1.5mm, W2 = 1mm, W3 = W5 = 0.5mm, W4 = 0,8 mm, L1 = 5.3mm, L2 = 9.6mm, L3 = 13.1 mm, L4 = 3.2mm, L5 = 6.5mm, L6 = 4.4mm, L7 = 2.8mm, L8 = 6.85mm, L9 = 5mm, L10 = 3.5mm, G1 = 0,8 mm, G2 = 0.2mm, G3 = 0.56mm và thông qua đường kính là 0,6 mm.

 

Hình 2  Kết quả mô phỏng bộ lọc thông dải 3 băng tần

2.4  Kết luận và hướng phát triển đề tài

Kết luận

Đồ án đã trình bày những lý thuyết căn bản được áp dụng vào quá trình phân tích thiết kế các mạch lọc thông thường và đặc biệt là bộ lọc thông dải 3 băng tần. Bên cạnh đó, những vấn đề có liên quan đến cấu trúc vòng cộng hưởng vi dải và cộng hưởng ngắn mạch cũng được đề cập một cách khái quát. Với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng HFSS 13, phân bố trường và đặc tính cộng hưởng của cấu trúc này đã được thể hiện một cách trực quan, khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết phân tích.

Một mạch lọc thông dải 3 băng tần, có dải tần hoạt động là 2.4GHz/3.5GHz và 5.4GHz đã được xây dựng, nhằm minh họa cho phương pháp thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng và bộ ngắn mạch cộng hưởng. Với việc tạo ra nhiều mode cộng hưởng có tần số gần nhau, ta có thể đạt được một dải thông rộng với đáp ứng tần có sườn dốc, làm tăng khả năng chọn lọc tần số. Quan trọng hơn, mạch lọc thiết kế ra có kích thước nhỏ gọn, do đó có khả năng tích hợp trong nhiều hệ thống.

Hướng phát triển đề tài

Kết quả tính toán trong đồ án này mới chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng. Cấu trúc này chỉ có thể được kiểm chứng một cách xác thực nhất thông qua việc đo đạc trên thiết bị thật. Vì vậy trước khi được áp dụng trong thực tế, công việc đầu tiên cần làm là chế tạo một bộ lọc với các thông số như trong phương án thiết kế đưa ra, tiến hành đo đạc để thu được đặc tính chính xác của nó.

Bên cạnh đó, trong điều kiện thông tin mọi lúc mọi nơi như hiện nay, việc tạo ra các bộ lọc có khả năng tùy biến cao và hoạt động ở nhiều tần số đang là đề tài thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Khái niệm Bộ lọc thích nghi (Adaptive Filter) ra đời từ yêu cầu đó. Đã có một số nghiên cứu nhằm thiết kế ra các bộ lọc có khả năng thay đổi đặc tính lọc bằng kích thích điện (reconfigurable filter) sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng đa mode sóng và các linh kiện tích cực như Varactor hay FET. Vì thế, đồ án này hoàn toàn có khả năng phát triển theo hướng tạo ra các bộ lọc thích nghi có băng thông tùy biến và kích thước nhỏ, có thể ứng dụng được trong nhiều hệ thống truyền thông hiện đại.

Hình 3.7: Bộ cộng hưởng ngắn mạch

Hình 3.7(a) cho thấy cách bố trí của cộng hưởng ngắn mạch tải bao gồm một cộng hưởng nửa bước sóng vi dải và ngắn mạch ở tải. Đối với mode chẳn và mode lẻ kích thích, các mạch tương đương được thể hiện trong hình 3.7 (b) và (c). Ngoài ra, Z₁, Z₂ và L₁, L₂ là trở kháng đặc tính và chiều dài của đường nửa bước sóng và ngắn mạch nhánh tương ứng. Giá trị phần tử của Z₁, Z₂ và L₁, L₂ trong các bộ lọc nguyên mẫu được xác định bởi thông số kỹ thuật của nó. Trở kháng đầu vào đối với ngay cả mode chẳn và mode lẻ có thể được thể hiện như:

                                                (3.1)

                                                                                        (3.2)

Với  là hằng số lan truyền và nó như nhau cho mode chẳn và mode lẻ. Điều kiện cộng hưởng là:

                   ,                                                                     (3.3)

Tần số cộng hưởng cơ bản có thể được xác định như sau:

                                                                                                 (3.4)   

                                                                                                (3.5)

Trong khi c là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do, e_eff hằng số điện môi hiệu quả của bề mặt.

Phương trình (3.4) được dựa trên trường hợp đặc biệt: Z₁ = 2Z₂. Từ (3.4) và (3.5), khi L₂> 0 chúng ta có thể có được  f_even1 < f_odd1. Như vậy, hai tần số cộng hưởng đầu tiên của cộng hưởng nửa bước sóng nhánh tải có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh L₁ và L₂.

Từ (3.4), nó có nghĩa là tần số cộng hưởng đầu tiên, cụ thể là f₁ được điều khiển bởi tỷ lệ của impendence đặc trưng và chiều dài của dòng điện nửa bước sóng và ngắn mạch nhánh. Trong khi đó, từ (3.5), tần số cộng hưởng thứ hai, cụ thể là f₂ có thể được xác định bằng cách điều chỉnh độ dài của dòng điện nửa bước sóng. Điện áp tại trung tâm dòng nửa bước sóng bằng không tại f₁. Do đó, không có tín hiệu vào thời điểm tần số này có thể được chuyển giao cho ngắn mạch do không ảnh hưởng đến cường độ liên kết ở f₁.

3.3. Phần mềm mô phỏng Ansoft  HFSS 13

3.3.1 Giới thiệu

                HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đồ họa. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ, …

HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ diện. Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào. Đặc biệt là đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp. Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi…       

Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực quan và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động.

Chu trình thiết kế bao gồm các bước sau:

1. Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên và nguồn kích thích.
2. Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời giải.
3. Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động.
4. Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và dồ thị 2D.

Trong quá trình thực hiện phân tích, HFSS sẽ chia toàn bộ cấu trúc thành các tứ diện nhỏ (gọi là mắt lưới). Hệ thống mắt lưới sẽ lấp kín toàn bộ cấu trúc. Kỹ thuật mô phỏng được sử dụng trong HFSS để tính toán trường điện từ 3D bên trong một cấu trúc dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM). Một cách tổng quát, phương pháp FEM chia toàn bộ không gian của bài toán thành hàng ngàn vùng con nhỏ hơn (gọi là phần tử mắt lưới) và biểu diễn trường trong mỗi phần tử mắt lưới theo một hàm cơ sở riêng cho phần tử đó. Còn trong HFSS, toàn bộ cấu trúc được chia tự động thành một số lượng lớn các khối tứ diện. Tập hợp toàn bộ các khối tứ diện này gọi là hệ thống mắt lưới phần tử hữu hạn. Ta phải chọn lựa giữa kích thước mắt lưới, độ chính xác mong muốn và tài nguyên (bộ nhớ) mà máy vi tính sẵn có. Bạn luôn mong muốn đạt được độ chính xác tối đa, điều đó có nghĩa là mắt lưới cực nhỏ. Nhưng rất có thể tràn bộ nhớ và vượt quá khả năng xử lí của máy vi tính.

Để tạo ra hệ thống mắt lưới tối ưu, HFSS sử dụng quy trình lặp, gọi là phân tích thích nghi (adaptive analysis), trong đó mắt lưới được tự động “cải tiến” trong các vùng con quan trọng. Trước tiên, nó đưa ra một lời giải dựa trên một hệ thống mắt lưới được khởi tạo “thô”. Sau đó, nó “cải tiến” mắt lưới trong các vùng có tỷ trọng lỗi cao và tạo ra lời giải mới. Khi các tham số đã chọn hội tụ trong một giới hạn mong muốn, HFSS sẽ thoát khỏi quy trình lặp.

Theo www.ansoft.com, HFSS là phần mềm chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S và chương trình mô phỏng chuyên dùng cho mạch in toàn sóng (full wave SPICE) và cho mô phỏng điện từ của các linh kiện tần số cao với tốc độ cao. HFSS được sử dụng rộng rãi cho việc thiết kế của các phần tử thụ động nhúng trên chip, các đầu nối mạch in, anten, các linh kiện RF/vi ba, và các gói IC tần số cao.

HFSS phát triển các sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển và khẳng định rõ hơn thành công của thiết kế.

Phiên bản mới nhất của HFSS đưa ra những phát triển sản phẩm tới các kỹ sư RF/vi ba và mở rộng việc phối hợp thiết kế điện từ tới các nhánh khác của kỹ sư làm việc trong các khu vực thiết kế IC RF/analog và các thiết kế multi-gigabit cũng như EMI/EMC.

HFSS được dùng để mô phỏng các đầu nối, các ống dẫn sóng, các linh kiện trên chip, các anten, v.v… và dùng cho việc khảo sát các tham số, tối ưu cấu trúc, v.v…

HFSS là một phần của họ sản phẩm của Ansoft.

 

3.3.2. Giao diện mô phỏng bằng phần mềm HFSS

Hình 3.8: (a) Giao diện xây dựng mô hình và (b) thiết lập mô phỏng của phần mềm HFSS

Hình 3.9 Giao diện thể hiện kết quả mô phỏng

3.4. Kết quả mô phỏng và nhận xét

Hình 3.10: Mô hình mạch lọc thông dải 3 băng tần

Trong phần này, bộ lọc thông dải 3 băng tần ở Hình 3.1, dùng cộng hưởng nửa bước sóng ngắn mạch tải và cộng hưởng vòng nửa bước sóng được trình bày. Cộng hưởng nửa bước sóng ngắn mạch tải có thể tạo ra dải phổ đầu tiên và thứ hai, trong khi các tần số hài chẳn của cộng hưởng vòng nửa bước sóng được sử dụng để tạo ra các dải thông thứ ba. Hai đường dây với trở kháng đặc trưng 50 Ohm được kết nối với cộng hưởng bên ngoài, đóng vai trò là cổng đầu vào và đầu ra. Đặc tính tần số của bộ lọc được đề xuất có thể được minh chứng đầy đủ như trong hình 3.9, minh họa sự thay đổi trong ba tần số cộng hưởng đầu tiên của bộ lọc dưới L₁₀ có chiều dài khác nhau và L₄ có độ dài khác nhau, trong khi các kích thước khác là cố định. Từ hình 3.9 (a), ta có thể được nhìn thấy f₁ được giảm 3,13-2 GHz như L₁₀ được tăng lên, trong khi đó f₃ thay đổi một chút và f₂ có thể được giữ nguyên. Trong hình 3.9 ( b), f₃ tần số cộng hưởng thay đổi 7,3-4,7 GHz bằng cách tăng chiều dài của cuống L4 mở, trong khi f₁ và f₂ được giữ nguyên.

(a)

(b)

Hình 3.11: Đáp ứng tần số mô phỏng thông số S₂₁ theo độ dài khác nhau của L₄ (a) và L₁₀ (b)

Vì vậy, trong thiết kế bộ lọc, để có được tần số dải thông mong muốn, f₂ có thể được xác định bằng cách điều chỉnh chiều dài L, L là chiều dài tổng thể của các dòng, cụ thể là:

L = L₅ + L₆ + L₇ + L₈ + L₉ +3W₃ + W₄                                         (3.6)

            Sau đó f₁ có thể được kiểm soát chỉ đơn giản bằng cách điều chỉnh độ dài ngắn mạch nhánh L₁₀, và f₃ có thể được xác định bằng cách điều chỉnh độ dài của L₄, trong khi các kích thước khác là cố định.

Để xác minh các phân tích nêu trên, một bộ lọc thông dải 3 băng tần BPF 3 băng nhỏ gọn với tần số trung tâm của dải thông 2,4/3,5 và 5,4 GHz được thiết kế. Sau khi tối ưu hóa sử dụng Ansoft HFSS 13, kích thước cho bộ lọc này được xác định là: W1 = 1.5mm, W2 = 1mm, W3 = W5 = 0.5mm, W4 = 0,8 mm, L1 = 5.3mm, L2 = 9.6mm, L3 = 13.1 mm, L4 = 3.2mm, L5 = 6.5mm, L6 = 4.4mm, L7 = 2.8mm, L8 = 6.85mm, L9 = 5mm, L10 = 3.5mm, G1 = 0,8 mm, G2 = 0.2mm, G3
= 0.56mm và thông qua đường kính là 0,6 mm.

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng bộ lọc thông dải 3 băng tần

Để đạt được băng thông cần thiết cho ba dải phổ, điều chỉnh kích thước của các khớp nối của các bộ lọc được đề xuất là cần thiết. Băng thông được xác định bởi các yếu tố chất lượng Qe bên ngoài và hệ số khớp nối. Cho dải thông đầu tiên và thứ hai, yếu tố chất lượng Qe và các hệ số khớp nối được xác định bởi khoảng cách khớp nối G1, G2 và G3. Trong khi đó, băng thông của dải thông thứ ba, Qe và các hệ số khớp nối ở f3 phụ thuộc vào vị trí hoặc chiều dài L₁,L₂, khớp nối khoảng cách G₂ giữa cộng hưởng bên trong và bên ngoài, và khoảng cách giữa các khớp nối G₁.

Hình 3.13: Đáp ứng tần số S₂₁ thay đổi theo thông số L₁ và G₁

Hình 3.13 (a),(b) minh họa sự thay đổi trong đặc tính bộ lọc trong các trường hợp khác nhau G1 khoảng cách khớp nối và L₁ trong khi các kích thước khác là cố định. Chúng ta có thể lưu ý rằng, các băng thông của dải phổ đầu tiên và thứ hai được giữ nguyên. Trong khi đó, băng thông của dải thông thứ ba là tăng khi G₁ và L₁ được giảm xuống. Khi có dòng điện chạy qua vòng cộng hưởng hoạt động như một điện cảm L và khoảng cách giữa hai vòng tạo nên một  tụ điện C. Thay đổi khoảng cách giữa 2 vòng cộng hưởng dẫn đến giá trị của tụ điện C thay đổi và tần số cộng hưởng cộng hưởng ở một dải tần khác.

 

 Hình 3.14: Đáp ứng tần số S₂₁ thay đổi theo thông số G₁

Hình 3.14 cho thấy kết quả mô phỏng của bộ lọc được đề cập với khoảng cách giữa các khớp nối G₃ khác nhau, trong khi các kích thước khác là cố định. Có thể thấy rằng băng thông của dải phổ đầu tiên và thứ hai được tăng lên khi G₃ được giảm. Trong khi đó, băng thông của dải thông thứ ba vẫn không thay đổi.

 

Tổng kết chương

Trong chương này, em vừa trình bày phương pháp thiết kế và kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải 3 băng tần.

-    Phân tích thiết kế bộ lọc cao tần: Đã phân tích cấu trúc khung cộng hưởng vòng nửa bước sóng từ đó tạo ra bước sóng thứ 3; ta có thể điều chỉnh bẳng thông của dãi tần này bằng cách điều chỉnh độ dài của L1 và G1. Bên cạnh đó bộ ngắn mạch cấu trúc cộng hưởng được sử dụng để tạo ra các dải phổ đầu tiên và thứ hai bằng cách thay đổi độ dài của L10 hoặc chiều dài tổng L.

-    Giới thiệu phần mềm mô phỏng HFSS 13: đã sơ lượt về phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực quan và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động.

-    Kết quả mô phỏng: Từ việc phân tích thiết kế bộ lọc cao tần đã xây dựng được bộ lọc cao tần và sử dụng phần mềm HFSS để có thể mô phỏng và hiệu chỉnh những giá trị một cách dễ dàng trên phần mềm. Từ đó có thể thấy, khi thêm vào trong khung cộng hưởng một bộ ngắn mạch ta có thể điều chỉnh 3 băng tần một cách độc lập nhau.

 Cấu trúc lọc được chế tạo trên đế điện môi FR4 dày 0.8 mm. Với việc thêm vào vòng cộng hưởng bộ cộng hưởng ngắn mạch cùng các nhánh đường truyền có chiều dài thích hợp, ta có thể đạt được điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng. Từ đó tạo nên một mạch lọc có băng thông rộng và sườn dải thông dốc. So với cấu trúc lọc truyền thống, cấu trúc này có nhỏ gọn hơn, đặc biệt có khả năng chọn lọc ở nhiều tần số để có thể đáp ứng được như cầu hoạt động đa phương thức trong hệ thống thông tin di động hiện đại.

Kết luận và hướng phát triển đề tài.

Kết luận

Đồ án đã trình bày những lý thuyết căn bản được áp dụng vào quá trình phân tích thiết kế các mạch lọc thông thường v7à đặc biệt là bộ lọc thông dải 3 băng tần. Bên cạnh đó, những vấn đề có liên quan đến cấu trúc vòng cộng hưởng vi dải và cộng hưởng ngắn mạch cũng được đề cập một cách khái quát. Với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng HFSS 13, phân bố trường và đặc tính cộng hưởng của cấu trúc này đã được thể hiện một cách trực quan, khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết phân tích.

Một mạch lọc thông dải 3 băng tần, có dải tần hoạt động là 2.4GHz/3.5GHz và 5.4GHz đã được xây dựng, nhằm minh họa cho phương pháp thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng và bộ ngắn mạch cộng hưởng. Với việc tạo ra nhiều mode cộng hưởng có tần số gần nhau, ta có thể đạt được một dải thông rộng với đáp ứng tần có sườn dốc, làm tăng khả năng chọn lọc tần số. Quan trọng hơn, mạch lọc thiết kế ra có kích thước nhỏ gọn, do đó có khả năng tích hợp trong nhiều hệ thống.

Hướng phát triển đề tài

Kết quả tính toán trong đồ án này mới chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng. Cấu trúc này chỉ có thể được kiểm chứng một cách xác thực nhất thông qua việc đo đạc trên thiết bị thật. Vì vậy trước khi được áp dụng trong thực tế, công việc đầu tiên cần làm là chế tạo một bộ lọc với các thông số như trong phương án thiết kế đưa ra, tiến hành đo đạc để thu được đặc tính chính xác của nó.

Bên cạnh đó, trong điều kiện thông tin mọi lúc mọi nơi như hiện nay, việc tạo ra các bộ lọc có khả năng tùy biến cao và hoạt động ở nhiều tần số đang là đề tài thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Khái niệm Bộ lọc thích nghi (Adaptive Filter) ra đời từ yêu cầu đó. Đã có một số nghiên cứu nhằm thiết kế ra các bộ lọc có khả năng thay đổi đặc tính lọc bằng kích thích điện (reconfigurable filter) sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng đa mode sóng và các linh kiện tích cực như Varactor hay FET. Vì thế, đồ án này hoàn toàn có khả năng phát triển theo hướng tạo ra các bộ lọc thích nghi có băng thông tùy biến và kích thước nhỏ, có thể ứng dụng được trong nhiều hệ thống truyền thông hiện đại.

Tài liệu tham khảo

[1] Jia-Sheng Hong, M. J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, John Wiley & Sons, 2001.

[2] David M. Pozar, Microwave Engineering, Second Edition, John Wiley & Sons, 1998

[3] M._Makimoto,_S._Yamashita, MicrowaveResonators

[4] A Method To Design Tri-band Bandpass Filter For WLAN And WiMAX Applications, MinhTan Doan¹, TranQuang Nguyen¹, T. HongTham Tran¹, DucUyen Nguyen²

[5] C. H. Lee, C. I. G. Hsu, and H. K. Jhuang, “Design of a new tri-band microstrip BPF using combined quarter- wavelength SIRs,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 16, no. 11, pp. 594–596, Nov. 2006.

 [6]      Q. X. Chu and X. M. Lin, “Advanced triple-band bandpass filter usingtri-section SIR,”Electron. Lett., vol 44, no 4, pp 295–296, Feb 2008.

[7]F. C. Chen, Q. X. Chu, and Z. H. Tu, “Tri-band bandpass filter using stub loaded resonators,”Electron. Lett., vol 44, no 12, pp 747-749, Jun 2008.

[8]Q. X. Chu, F.C. Chen, Z.H. Tu and H.Wang, “A novel crossed resonatorand its applications tobandpass filter,”IEEE Trans. Microw. TheoryTech., vol 57, no 7, pp 1753-1759, Jul 2009.

 [9] M. T. Doan,W. Q. Che, K. Deng, and W. J. Feng, “Compact Tri-band bandpass filter using stub-loaded resonator and quarter-wavelength resonator,” In Proc. Int. Conf. Microw. China-Japan Joint, pp 1-4, Apr 2011.

[10]S. Luo, L. Zhu, and S. Sun, “Compact dual-mode triple-band bandpass filters using three pairs of degenerate modes in a ring resonator,”IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol 59, pp 1222-1229. 2011.

[11] S. Luo, L. Zhu, “A novel dual-mode dual-band bandpass filter basedon a single ring resonator,”IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol.19, no. 8, pp. 497–499, Aug. 2009.

[12]S. Sun, “A dual-band bandpass filter using a single dual-mode ring resonator,”IEEE Microw.Wireless Compon. Lett., vol 21, no 6, pp 298-300, Jun. 2011.

[13]J. Z. Chen, N. Wang, Y. He, and C. H. Liang, “Fourth-order tri-band bandpass filter using square ring loaded resonators,”Electron. Lett., vol 47, no 15, pp 858-859, July 2011.

[14]     M. T. Doan, W. Q. Che and W. J. Feng, “Tri-band bandpass filter using square ring short stub loaded resonators,”Electron. Lett., vol 48, no 2, pp 106-107, Jan 2012.

[15]  B. Lui, F. Wei and X. Shi, “Switchable bandpass filter with two-state frequency responses,” Electronics. Lett., vol. 47, no. 1, 6th January 2011.