Bài viết Bộ lọc thông dải microstrip ba băng ứng dụng cho WLAN & WiMAX trình bày một bộ lọc thông dải (BPF) microstrip ba băng cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) mới ứng dụng cho các hệ thống WLAN và WiMAX. Ba băng thông của bộ lọc được thiết lập tại các tần số 1.8/3.5/5.8GHz khi điều chỉnh tỷ lệ trở kháng các mạch SIR của bộ lọc trong quá trình thiết kế bộ lọc. Mời các bạn cùng tham khảo!
Bộ lọc thông dải microstrip ba băng ứng dụng cho WLAN & WiMAX Đỗ Văn Phương Khoa Viễn thông Đại học Thơng tin Liên lạc Khánh Hịa, Việt Nam dvphuongntcity@gmail.com Nguyễn Đình Q Khoa Viễn thơng Đại học Thơng tin Liên lạc Khánh Hịa, Việt Nam quynguyendinhd26@gmail.com Nguyễn Văn Chính Khoa Viễn thông Đại học Thông tin Liên lạc Khánh Hòa, Việt Nam vanchinhsqtt@gmail.com băng chất lượng cao thiết kế sử dụng cấu trúc đường truyền ghép tải SIR Tuy nhiên cấu trúc lọc phức tạp, khó thiết lập băng thơng mong muốn Trong [13], lọc thông dải microstrip hai băng cấu trúc sử dụng SIR đạt hiệu suất cao nhờ điểm truyền dẫn tạo thiết kế thêm hai tải dây chêm vào đoạn mạch dải I/O Tóm tắt - Bài báo này, trình bày lọc thông dải (BPF) microstrip ba băng cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) ứng dụng cho hệ thống WLAN WiMAX Ba băng thông lọc thiết lập tần số 1.8/3.5/5.8GHz điều chỉnh tỷ lệ trở kháng mạch SIR lọc trình thiết kế lọc Một lọc thông dải microstrip ba băng mới, nhỏ gọn, chất lượng cao thiết kế, đề xuất với kết mơ tốt minh chứng cho tính đắn lý thuyết thiết kế lọc ba băng sử dụng cộng hưởng SIR đa mode Trong báo này, đề xuất mẫu lọc thông dải ba băng cho hệ thống WLAN WiMAX Cấu trúc lọc sử dụng SIR tải dây chêm ngắn mạch Các tần số trung tâm băng thông hoạt động 1.8/3.5/5.8GHz kiểm sốt điều chỉnh hợp lý tỷ lệ đoạn mạch SIR tải dây chêm ngắn mạch Bộ lọc đề xuất thiết kế chất Rogers RO4350, số điện mơi 3.6, có kích thước nhỏ gọn (13.1×12.9) mm Cấu trúc lọc kết mơ trình bày phân tích sau Từ khóa - Bộ lọc thơng dải (BPF), Cộng hưởng trở kháng bậc (SIR), cộng hưởng ba phần, WLAN, WiMAX I GIỚI THIỆU Trong năm qua, công nghệ truyền thông không dây phát triển nhanh, hệ thống không dây đa băng sử dụng phổ biến Trong đó, BPF có vai trị thiết yếu hệ thống truyền thông không dây khác nhau, đặc biệt hệ thống vô tuyến siêu cao tần yêu cầu mạch linh kiện kích thước nhỏ [1,2] Vì vậy, việc nghiên cứu, đề xuất lọc thông dải siêu cao tần kích thước nhỏ, chất lượng cao trở thành hướng phát triển quan trọng [3] Để thiết kế lọc thông dải microstrip đa băng thực theo nhiều phương pháp thiết kế sáng tạo lọc ba băng sử dụng SIR cộng hưởng tải SIR [4-7] Trong [4], lọc thông dải microstrip ba băng sử dụng SIR không đối xứng ứng dụng cho GSM, WiMAX hệ thống không dây băng siêu rộng đề xuất Cấu trúc khó thiết lập băng tần mong muốn điều chỉnh tỷ lệ đồ dài vật lý của SIR Trong [5], BPF microstrip hai băng có cấu trúc lược cải tiến với loạt mạch SIR tải dây chêm sử dụng Một số lọc thông dải khác sử dụng cấu trúc SIR SIR không đối xứng hai mode để tạo BPF đa băng chất lượng cao, triệt sóng hài cho dải chặn rộng [6,7] Trong [8], lọc microstrip ba băng kích thước nhỏ ứng dụng cho hệ thống Bluetooth, WIMAX WLAN đề xuất Cấu trúc này, có ba mạch cộng hưởng khác gồm SIR cho Bluetooth (2,4GHz), cộng hưởng vịng vng cho WIMAX (3,5GHz) SIR tải dây chêm cho WLAN (5,2-5,8GHz) Thực ghép chặt mạch cộng hưởng với đường cấp nguồn tạo số điểm khơng truyền dẫn (TZ) cải thiện hiệu suất lọc đề xuất Tuy nhiên, lọc có phức tạp, khó thiết lập tần số cơng tác kích thước mạch cịn lớn (16,2 ×12,3) mm Một BPF hai băng nhỏ gọn sử dụng SIR biến đổi đề xuất cách lựa chọn thích hợp tỷ lệ trở kháng độ dài tỷ lệ SIR xác định hai dải thông mong muốn 2,4/5,2GHz [9] Trong [10, 11], thiết kế lọc băng khác thực sử dụng SIR độc lập Tuy nhiên, lọc đề xuất cơng trình có cạnh dải thơng khơng đủ độ dốc, khả chọn lọc tần số yếu Trong [12], hai BPF băng rộng đơn II PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG SIR HAI MODE 2 Z 21 Z 2 Z (a) 2 Z 1 Z Yin lẻ (b) 2 Z Yin chẵn 1 Z (c) Hình (a) Cấu trúc SIR /2 (b) Mạch tương đương mode lẻ (c) Mạch tương đương mode chẵn Từ cấu trúc mạch cộng hưởng SIR /2 hai mode biểu diễn Hình Khi đó: Hình 1(a) biểu diễn cấu trúc mạch SIR microstrip nửa bước sóng (λ/2) thiết kế cách xếp tầng theo chiều dài đoạn mạch dài (2θ1), trở kháng cao (Z1) trung tâm, kết nối với hai đoạn mạch ngắn (θ2) trở kháng thấp (Z2) hai bên Khi kích thích chế độ mode lẻ SIR qua mặt phẳng diện, mạch tương đương gần minh họa Hình 1(b), xác định tần số cộng hưởng (f0) [9]: Rz tan(1 ) tan(2 ) (1) Rz tỷ số trở kháng đặc tính Z2 với Z1 Khi kích thích chế độ mode chẵn qua mặt phẳng từ, mạch tương đương gần thể Hình 2(c) xác định tần số cộng hưởng (f0) [9]: XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE 56 Rz cos(1 ) tan( ) (2) Chọn 1 = 2 = 0, xác định tần số cộng hưởng đầu tiên: tan( s1 ) (3) s1 độ dài điện tần số giả fs1 Từ (1) (3) có: f s1 s1 1 f tan ( Rz ) (4) Từ (4) cho thấy tần số sóng hài xác định Rz III THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG Từ phân tích trên, xác định giá trị Rz, Z1 Z2 để tạo cấu trúc lọc thông dải hai băng 2,5/5,8GHz Bên cạnh đó, dựa vào tính chất mặt phẳng đối xứng phân tích mode cộng hưởng chẵn lẻ [12] để thêm vào tải dây chêm ngắn mạch thiết kế cấu trúc lọc ba băng thể Hình Cấu trúc lọc thơng dải microstrip ba băng đề (a) (b) Hình Kết mơ đáp ứng tần số thay đổi kích thước L6 (a) S11 điều chỉnh (b) S21 điều chỉnh Chúng ta nhận thấy giá trị S11 tần số trung tâm tăng dần băng thông thứ thứ thay đổi kích thước L6 giảm Trong đó, giá trị S11, S21 tần số trung tâm thay đổi lệch khỏi giá trị 5,8GHZ kích thước L6 giảm tương ứng từ 4,2 mm xuống đến 3,5 mm (tất các giá trị cố định) Tương tự, Hình 4(a), (b) cho thấy giá trị S11, S21 tần số trung tâm băng băng thay đổi đáng kể điều chỉnh kích thước vật lý đoạn mạch L13 SIR (thay đổi tỷ lệ trở kháng bậc SIR) Hình Cấu trúc lọc thông dải ba băng đề xuất xuất thiết kế để chế tạo chất Rogers RO4350 có độ dày 0,762mm, số điện mơi tương đối 3,6 Sau q rình thiết kế, điều chỉnh phù hợp kích thước mạch cộng hưởng lọc đề xuất phần mềm HFSS15.0, Một mẫu lọc thông dải ba băng thiết kế: Cấu trúc lọc gồm SIR ghép với (L7 + L8 + L11), (L13 + L9) có gắn tải dây chêm hở mạch (L10 + L6) tạo thành mạch cộng hưởng SIR tải dây chêm ngắn mạch ba mode (SIRSS); hai SIRSS thiết kế đối xứng, ghép lỏng cấp nguồn qua hai đoạn mạch dải bao quanh bên ngồi đóng vai trị cổng vào/ra thể Hình BẢNG KÍCH THƯỚC VẬT LÝ CỦA BỘ LỌC ( TẤT CẢ TÍNH THEO MM) Tham số Giá trị Tham số Dải tần băng chủ yếu xác định toàn chiều dài SIR, tỷ số trở kháng đặc tính Rz, kích thước hai tải dây chêm ngắn mạch (L10 + L6) Khoảng cách g1 g2 điều chỉnh hợp lý để xác định hiệu băng thơng Hình 3(a), (b) cho thấy kết mô S11, S21 kiểm sốt thay đổi kích thước tải dây chêm L6 57 L1 L2 L3 L4 L5 L6 9,3 2,0 8,2 3,6 6,65 4,2 L7 L8 L9 L10 L11 L12 Giá trị Tham số 4,2 3,9 3,9 3,0 4,9 7,8 L13 d W1 W2 W3 W4 Giá trị 4,9 0,5 0,5 1,0 1,5 1,0 Hình Kết mô đáp ứng tần số lọc ba băng đề xuất (a) Trong đó, băng thứ có S21 tần số trung tâm gần khơng thay đổi, có chất lượng tham số S11 thay đổi giảm đáng kể chất lượng Như vậy, cách điều chỉnh hợp lý kích thước vật lý đoạn mạch dải tỷ lệ trở kháng bậc SIR, kiểm sốt xác lập ba băng thơng lọc đề xuất đạt đến giá trị mong muốn ba tần số trung tâm: 1.8/3.5/5.8GHz để ứng dụng cho WLAN WiMAX Sau tối ưu kích thước vật lý lọc thông dải microstrip ba băng thiết kế nhận đáp ứng tần số lọc thể Hình Kết mơ lọc ba băng có ba băng thông tạo tại, tần số trung tâm tương ứng 1.8GHz, 3.5GHz 5.8GHz với độ rộng băng thông 3dB tương ứng 16,6/11/13,5% Tổn hao chèn đạt giá trị 1,4/1,2/2,91dB tổn hao phản xạ tương ứng 21,7/20/21,6dB Với sau điểm không truyền nằm 1.17GHz, 2.5GHZ, 3.5GHz, 3.8GHz, 5.15GHz 7.0GHz với độ suy giảm tương ứng 50/53/60/48/56/37dB xác định Nhờ điểm không truyền dẫn tạo cải thiện đáng kể độ dốc dải thông khả chọn lọc lọc đề xuất (b) Hình Kết mô đáp ứng tần số thay đổi kích thước L13 (a) S11 điều chỉnh (b) S21 điều chỉnh Tham số W5 W6 g1 g2 Giá trị 0,5 0,8 0,2 0,3 Hình cho thấy ảnh mẫu lọc đề xuất chế tạo chất Rogers RO4350, độ dày 0,762mm Bộ lọc có kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho ứng dụng thiết bị hệ thông không dây đại ngày Hình Hình ảnh mẫu lọc thơng dải microstrip ba băng đề xuất 58 [5] W.-Y Chen, M.-H Weng, and S.-J Chang, "A new tri-band bandpass filter based on stub-loaded step-impedance resonator," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 22, pp 179-181, 2012 [6] Y.-M Chen, S.-F Chang, C.-C Chang, and T.-J Hung, "Design of stepped-impedance combline bandpass filters with symmetric insertionloss response and wide stopband range," IEEE transactions on microwave theory and techniques, vol 55, pp 2191-2199, 2007 [7] J Konpang and N Wattikornsirikul, "An Analysis of High Selectivity and Harmonic Suppression Based on Stepped-Impedance Resonator Structure for Dual-Mode Diplexer," Progress In Electromagnetics Research C, vol 112, pp 45-54, 2021 [8] I Jadidi, M A Honarvar, and F Khajeh-Khalili, "Compact tri-band microstrip filter using three types of resonators for bluetooth, WIMAX, and WLAN applications," Progress In Electromagnetics Research, vol 91, pp 241-252, 2019 [9] Chang, S.-H., M.-H Weng, and H Kuan, “Design of a compact dualband bandpass filter using trisection stepped impedance resonators,” Microw Opt Technol Lett., Vol 49, No 6, 1274–1277, Jun 2007 [10] Y.-C Chiou, P.-S Yang, J.-T Kuo, and C.-Y Wu, "Transmission zero design graph for dual-mode dual-band filter with periodic steppedimpedance ring resonator," Progress In Electromagnetics Research, vol 108, pp 23-36, 2010 [11] Wu, Yongle, et al "High performance single-ended wideband and balanced bandpass filters loaded with stepped-impedance stubs." IEEE Access (2017): 5972-5981 [12] H Liu, J Lei, Y Zhao, W Xu, Y Fan, and T Wu, "Tri‐band microstrip bandpass filter using dual‐mode stepped‐impedance resonator," Etri Journal, vol 35, pp 344-347, 2013 [13] Guo, Long, Zhi-Yuan Yu, and Long Zhang "Design of a dual-mode dual-band filter using stepped impedance resonators." Progress In Electromagnetics Research Letters 14 (2010): 147-154 IV KẾT LUẬN Trong báo này, lọc thông dải microstrip ba băng sử dụng SIR tải dây chêm ngắn mạch đề xuất; Bằng cách thay đổi tỷ lệ trở kháng đặc tính, tỷ lệ độ dài SIR kích thước tải dây chêm kiểm sốt ba băng tần cơng tác lọc đạt giá trị mong muốn Phương pháp thiết kế, kiểm soát tần số cơng tác lọc phân tích minh chứng mô thử nghiệm Bộ lọc đề xuất có hiệu suất tốt nhờ 06 điểm không truyền dẫn tạo làm tăng độ dốc cạnh dải thông dễ dàng để kiểm sốt ba băng thơng đạt giá trị thiết kế mong muốn REFERENCES [1] Hong, J.S Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, 2nd ed.; Wiley: New York, NY, USA, 2011 [2] Liu, Bo, and Yimin Zhao "Compact tri-band bandpass filter for WLAN and WiMAX using tri-section stepped-impedance resonators." Progress In Electromagnetics Research Letters 45 (2014): 39-44 [3] Ibrahim, A.A.; Abdalla, M.A.; Budimir, D Coupled CRLH transmission lines for compact and high selective bandpass filters Microw Opt Technol Lett 2017, 59, 1248–1251 [4] W.-Y Chen, M.-H Weng, S.-J Chang, H Kuan, and Y.-H Su, "A new tri-band bandpass filter for GSM, WiMAX and ultra-wideband responses by using asymmetric stepped impedance resonators," Progress In Electromagnetics Research, vol 124, pp 365-381, 2012 [5] Weng, Min-Hang, Hung-Wei Wu, and Yan-Kuin Su "Compact and low loss dual-band bandpass filter using pseudo-interdigital stepped impedance resonators for WLANs." IEEE Microwave and wireless components letters 17.3 (2007): 187-189 59 ... lọc thông dải microstrip ba băng thiết kế nhận đáp ứng tần số lọc thể Hình Kết mơ lọc ba băng có ba băng thơng tạo tại, tần số trung tâm tương ứng 1.8GHz, 3.5GHz 5.8GHz với độ rộng băng thông. .. dải tỷ lệ trở kháng bậc SIR, kiểm sốt xác lập ba băng thông lọc đề xuất đạt đến giá trị mong muốn ba tần số trung tâm: 1.8/3.5/5.8GHz để ứng dụng cho WLAN WiMAX Sau tối ưu kích thước vật lý lọc. .. đối xứng phân tích mode cộng hưởng chẵn lẻ [12] để thêm vào tải dây chêm ngắn mạch thiết kế cấu trúc lọc ba băng thể Hình Cấu trúc lọc thông dải microstrip ba băng đề (a) (b) Hình Kết mơ đáp ứng