bài viết Bộ lọc microstrip hai băng sử dụng SIR đề xuất một bộ lọc thông dải (BPF) microstrip hai băng nhỏ gọn mới sử dụng cấu trúc ghép cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) ở mặt phẳng phía trên và cấu trúc khuyết mặt phẳng đất (DGS) hình chữ nhật. Chất lượng và tần số trung tâm hai dải thông của bộ lọc được kiểm soát bằng cách điều chỉnh hợp lý kích thước các SIR; kích thước và vị trí các DGS hình chữ nhật của bộ lọc. Mời các bạn cùng tham khảo!
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Bộ lọc microstrip hai băng sử dụng SIR Đỗ Văn Phương∗ , Phan Văn Hưng† , Trần Nguyễn Thị Nhật Lệ∗ ∗ Trường Đại học Thông tin liên lạc; † Học viện Kỹ thuật Quân Email: dvphuongntcity@gmail.com, phuongdovan@tcu.edu.vn Tóm tắt nội dung—Bài báo đề xuất lọc thông dải (BPF) microstrip hai băng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc ghép cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) mặt phẳng phía cấu trúc khuyết mặt phẳng đất (DGS) hình chữ nhật Chất lượng tần số trung tâm hai dải thơng lọc kiểm sốt cách điều chỉnh hợp lý kích thước SIR; kích thước vị trí DGS hình chữ nhật lọc Kết mô phầm mềm HFSS xác định hai dải thông lọc đề xuất hoạt động tần số 2,6GHz 3,9GHz phù hợp với lý thuyết thiết kế Từ khóa: Bộ lọc thơng dải (BPF), lọc microstrip hai băng, cộng hưởng trở kháng bậc (SIR), lọc microstrip hai băng sử dụng SIR I GIỚI THIỆU Bộ lọc siêu cao tần đóng vai trò quan trọng phát triển hệ thống viễn thông không dây coi phần thiếu hệ thống đầu cuối RF [1], [2] [3] Chính vậy, nghiên cứu, phát triển lọc siêu cao tần chất lượng cao đáp ứng yêu cầu hệ thống vô tuyến đa băng, đa dịch vụ thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu thực [3], [4] [5] Một phương pháp sử dụng rộng rãi thiết kế DGS lọc thông dải thông thấp để cải thiện chất lượng chọn lọc tần số Trong [6], lọc thông dải công tác tần số 2,4GHz nghiên cứu, chế tạo dựa cấu trúc hai lớp Kích thước DGS thay đổi để kiểm sốt tần số cơng tác lọc Trong [7], cách điều chỉnh phù hợp vị trí kích thước DGS tạ mặt phẳng đất mạch cộng hưởng ghép song song làm tăng phẩm chất lọc đề xuất Trong [8], lọc thông dải hai băng sử dụng DGS hình chữ I thiết kế, DGS thay đổi tần số băng thứ hai Trong [9], lọc hai băng thiết kế, chế tạo cách sử dụng mạch ISBN 978-604-80-7468-5 256 cộng hưởng trở kháng bậc vịng vng DGS hình chữ L Tuy nhiên, có dải thơng BPF kích thích DGS, dải thơng khác tạo đường truyền microstrip Trong [10], lọc thông dải hai băng thiết kế, chế tạo dựa cấu trúc hai mặt phẳng mặt phẳng microstrip mặt phẳng đất có rãnh DGS xen kẽ để tạo hai tần số trung tâm 2,44GHz 3,28GHz với dải chặn lên đến -30dB khoảng từ 3,7GHZ đến 9GHz Trong [11] [12], nhóm tác giả nghiên cứu, thiết kế lọc thơng dải hai băng microstrip có lỗ thông kết nối mạch cộng hưởng mặt phẳng với mặt phẳng đất để có thuộc tính hai băng Bộ lọc sử dụng cấu trúc DGS hình tạ cải thiện đáng kể giá trị tổn hao chèn tổn hao phản xạ Tuy nhiên, cấu trúc mạch cộng hưởng cấu trúc DGS phức tạp Bài báo đề xuất lọc thông dải microstrip hai băng đơn giản, nhỏ gọn sử dụng cấu trúc SIR gấp cấu trúc khuyết mặt phẳng đất hình chữ nhật thể Hình Bằng cách điều chỉnh hợp lý kích thước SIR gấp, kích thước vị trí hai DGS hình chữ nhật kiểm sốt tần số trung tâm, tham số tổn hao băng giảm thiểu kích thước lọc Kết mô xác định lọc đề xuất hoạt động tần số 2,6GHz 3,9GHz phù hợp ứng dụng cho WLAN di động 5G [13] Các giá trị tổn hao chèn/tổn hao phản xạ băng tương ứng -0,1dB/-21,8dB -0,1dB/-23,7dB thỏa mãn lý thuyết thiết kế II PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC HAI BĂNG Hình thể cấu trúc lọc thơng dải microstrip hai băng thiết kế Bộ lọc hoạt động hai dải thơng có tần số trung tâm 2,6GHz 3,9GHz Cấu trúc lọc gồm hai mạch cộng hưởng SIR uốn gấp khúc để giảm thiểu kích thước tổng thể (Hình 1a), kết hợp với hai DGS hình chữ nhật thể Hình 1b Trong đó, mạch SIR gấp khúc hở mạch đầu cuối Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) + Tỷ lệ trở kháng, Z1 , Z2 (1) θ1 , θ1 + θ2 (2) k= + Tỉ lệ chiều dài điện, α= + Trở kháng vào SIR nhận là: Yin = j Z2 tanθ1 tanθ2 − Z1 , Z1 (Z1 tanθ1 + Z2 tanθ2 ) (3) Z1 , θ1 Z2 , θ2 trở kháng đặc tính độ dài điện tương ứng SIR Từ đó, xác định hai tần số cộng hưởng SIR điều khiển cách thay đổi giá trị k α (1) (2) Trên sở đó, sử dụng phần mềm HFSS 15.0 thiết kế cấu trúc SIR thỏa mãn công thức (1), (2) (3) để nhận hai băng tần mong muốn Hình Hình ảnh lọc thơng dải băng đề xuất (a) Bộ cộng hưởng SIR ghép (b) DGS hình chữ nhật Hình Cấu trúc SIR coi mạch cộng hưởng mode kép điều chỉnh độc lập hai tần số cộng hưởng (f1 f2 ) SIR tạo ta Thiết kế gấp SIR làm xuất hai đường tín hiệu hai điểm truyền không tạo hai cạnh viền dải thông làm tăng khả chọn lọc tần số lọc Hai đoạn mạch dải trở kháng đặc tính 50Ω kết nối đến hai mạch SIR gấp khúc đóng vai trị cổng vào cổng ra, đồng thời cấp nguồn cho lọc A Cấu trúc SIR Để tạo hai băng có tần số trung tâm tương ứng f1 f2 , cần thiết kế mạch cộng hưởng SIR Cấu trúc SIR thể Hình Hai thơng số quan trọng SIR tỷ lệ trở kháng tỷ lệ chiều dài điện: ISBN 978-604-80-7468-5 257 B Thiết kế lọc thông dải băng sử dụng SIR Một BPF microstrip hai băng cấu trúc đơn giản thiết kế cách ghép hai SIR với thực gấp khúc để giảm thiểu kích thước triệt nhiễu lọc Trong đó, phần trở kháng cao hai SIR thiết kế gấp khúc kết nối kiểu dây rẽ với đoạn mạch dải trở kháng 50Ω đầu vào đầu thể Hình Để nâng cao chất lượng chọn lọc góp phần kiểm soát băng tần lọc đề xuất, nhóm tác giả thiết kế bổ sung hai DGS hình chữ nhật vào mặt phẳng đất lọc [14] thể Hình Trong Hình 3, đoạn mạch dải làm nhiệm vụ cấp nguồn đầu vào/ra kết nối với phần trở kháng cao gấp khúc kiểu dây rẽ SIR Do tín hiệu truyền vào SIR có hai đường khác Khi độ lệch pha tín hiệu truyền hai đường khác 180 độ, chiều dài phần gấp khúc SIR tăng 12mm, tạo hai điểm truyền không đáp ứng S21 lọc Một cấu trúc lọc thông dải microstrip hai băng sử dụng SIR kết hợp DGS hình chữ nhật nhỏ gọn thiết kế chất Rogers RO4350, độ dày 0,762mm số điện môi εr = 3,6 Kích thước tổng thể lọc đề xuất (16.8 × 13.2)mm Các tham số kích thước lọc xác định liệt kê Bảng I Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Bảng I KÍCH THƯỚC BỘ LỌC THƠNG DẢI HAI BĂNG ĐỀ XUẤT Tham số Giá trị Tham số Giá trị L1 12.4 W4 2.2 L2 10.6 S1 1.3 L3 9.7 S2 0.8 L4 3.0 a 3.0 W1 1.5 b 5.0 W2 0.5 (mm) W3 0.5 Hình Đáp ứng tần số lọc hai băng đề xuất Hình Cấu trúc lọc thông dải hai băng sử dụng SIR C Kết mô lọc hai băng Sử dụng phần mềm HFSS 15.0 để tối ưu hóa tham số cấu trúc lọc thông dải microstrip hai băng thiết kế Hai băng lọc tạo kiểm sốt cách điều chỉnh kích thước SIR, điều chỉnh vị trí kích thước hai DGS hình chữ nhật Hình Cấu trúc DGS hình chữ nhật ISBN 978-604-80-7468-5 258 Kết mơ thể Hình cho thấy đặc tuyến tổn hao chèn S11 tổn hao phản xạ S21 lọc có xuất điểm truyền không cải thiện đáng kể độ dốc cạnh băng thông, nâng cao chất lượng chọn lọc tần số điểm truyền không tạo tần số với mức suy hao tương ứng 2.05GHz/53dB, 3.2GHz/-44dB, 4.3GHz/-42dB 6.57GHz/64dB Tần số trung tâm băng tần thứ băng tần thứ hai lọc 2.6GHz 3.9GHz Dải chặn dải chặn lọc rộng với giá trị loại bỏ nhiễu lớn 22dB, thể Hình minh chứng cho phương pháp thiết kế cấu trúc lọc đề xuất Kết lọc đề xuất đáp ứng yêu cầu hệ thống không dây đại đạt mục tiêu thiết kế Hai băng tần công tác có tần số trung tâm f1 f2 lọc thiết kế kiểm sốt thay đổi kích thước L1 , L4 Hình cho thấy điều chỉnh kích thước L1 tần số trung tâm, độ rộng băng thông tổn hao chèn hai băng thay đổi Trong đó, điều chỉnh kích thước L4 đặc tuyến S11 S21 lọc đề xuất kiểm soát minh họa Hình Hình Như vậy, cấu trúc lọc microstrip hai băng nhỏ gọn sử dụng SIR kết hợp DGS thiết kế đề xuất Bằng cách điều chỉnh kích thước SIR, vị trí, kích thước DGS kiểm sốt tần số trung tâm, độ rộng băng thơng chất lượng chọn lọc tần số lọc Một mẫu lọc microstrip hai băng hoàn chỉnh thiết kế thể Hình Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình Mơ S11 thay đổi kích thước L4 Hình Mơ S11 , S21 thay đổi kích thước L1 Hình Mơ S21 thay đổi kích thước L4 Hình Bản thiết kế lọc thơng dải hai băng đề xuất III KẾT LUẬN Bài báo trình bày lọc thơng dải hai băng sử dụng hai cấu trúc phẳng gồm cấu trúc SIR ghép mặt cấu trúc khuyết đất hình chữ nhật mặt phẳng đất Thực điều chỉnh kích thước SIR ghép, điều chỉnh vị trí kích thước hai DGS kiểm sốt hai băng thông; tham số tổn hao chèn/tổn hao phản xạ băng thứ băng thứ hai tương ứng -0,1dB/-23,1dB -0,1dB/-23,9dB Từ kết này, lọc đề xuất đáp ứng yêu cầu để ứng dụng hệ thống không dây ISBN 978-604-80-7468-5 259 TÀI LIỆU [1] S Sedighi Maragheh, M Dousti, M Dolatshahi, and B Ghalamkari, "A dualmode tunable bandpass filter for GSM, UMTS, WiFi, and WiMAX standards applications," International Journal of Circuit Theory and Applications, vol 47, pp 561-571, 2019 [2] C Tan, Z Yu, and C Xie, "An L-Band Bandpass Filter with Narrow Bandwidth and Miniature Based on LTCC Technology," Progress In Electromagnetics Research M, vol 87, 2019 [3] W Huang, L Li, L Li, Y Ren, and Y Ma, "A compact coplanar waveguide dual-band bandpass filters based on defected ground structures," IEICE Electronics Express, p 18.20210053, 2021 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) [4] L Wang, C Zhao, C Li, and X Lin, "Dual-band bandpass filter using stub loaded resonators with multiple transmission zeros," in Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), 2010 9th International Symposium on, 2010, pp 1208-1211 [5] A Sami and M Rahman, "A very compact quintuple band bandpass filter using multimode stub loaded resonator," Progress In Electromagnetics Research C, vol 93, pp 211-222, 2019 [6] M Khan, M Zakariya, M Saad, Z Baharudin, M U Rehman, and P W Wong, "Tuning of end-coupled line bandpass filter for 2.4 GHz using defected ground structure (DGS) parameters," in Business Engineering and Industrial Applications Colloquium (BEIAC), 2013 IEEE, 2013, pp 131-134 [7] S K Parui and S Das, "A new defected ground structure for different microstrip circuit applications," RADIOENGINEERINGPRAGUE-, vol 16, p 16, 2007 [8] K M Ho, H K Pang, and K W Tam, "Dualband bandpass filter using defected ground structure," Microw optical technol lett., vol 48, pp 2259-2261, 2006 [9] W N Chen, W K Chia, C F Yang, and C L Shih, "Design of dualband bandpass filter using stepped impedance resonator and defected ground structure," Microw Optical Technol Lett., vol 49, pp 3099-3103, 2007 [10] L Ren and H Huang, "Dual-band bandpass filter based on dualplane microstrip/interdigital DGS slot structure," Electron Lett., vol 45, pp 1077-1079, 2009 [11] F Xu, Z Wang, M Xiao, J Duan, J Cui, Z Zhu, et al., "A compact dual-band band-pass filter with wide stop-band using two resonators combined by via-hole," Progress In Electromagnetics Research C, vol 41, pp 81-95, 2013 [12] A Kumar and M Kartikeyan, "Design and realization of microstrip filters with new defected ground structure (DGS)," Engineering Science and Technology, an International Journal, 2016 [13] Bộ TT truyền thông "Dự thảo thông tin quy hoạch băng tần (3,6-4,2)GHz cho TT di động 5G" 2020 [14] H W Liu, Z F Li, X W Sun, and J F Mao, "An improved 1D periodic defected ground structure for microstrip line," IEEE Microw Wireless Compon Lett., vol 14, pp 180-182, 2004 ISBN 978-604-80-7468-5 260 ... tần số lọc hai băng đề xuất Hình Cấu trúc lọc thông dải hai băng sử dụng SIR C Kết mô lọc hai băng Sử dụng phần mềm HFSS 15.0 để tối ưu hóa tham số cấu trúc lọc thông dải microstrip hai băng thiết... hưởng SIR Cấu trúc SIR thể Hình Hai thông số quan trọng SIR tỷ lệ trở kháng tỷ lệ chiều dài điện: ISBN 978-604-80-7468-5 257 B Thiết kế lọc thông dải băng sử dụng SIR Một BPF microstrip hai băng. .. đổi kích thước L4 Hình Bản thiết kế lọc thông dải hai băng đề xuất III KẾT LUẬN Bài báo trình bày lọc thông dải hai băng sử dụng hai cấu trúc phẳng gồm cấu trúc SIR ghép mặt cấu trúc khuyết đất