ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI TRONG DẢI TẦN 3G

Lời nói đầuBộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triển một cách nhanh chóng. Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phải được chia sẻ. Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau. Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau. Như vậy đặc tính lọc, hay đáp ứng tần, của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số trong dải tần một cách tối ưu nhất. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá thành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.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 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 (CAD tools), 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. Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn PGS,TS Đào Ngọc Chiến ( Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông- Khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã hướng dẫn tận tình chu đáo cho tôi để hoàn thành nhiệm vụ , mục tiêu đồ án đề ra. Đồng thời tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Bích Huyền và các thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu, phát triển đề tài, cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ , động viên tôi trong thời gian qua.Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2011 Sinh Viên Trân Thị Hoài Tóm tắt đồ án Ngày nay với sự phát triển của thiết bị điên tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi , các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới công nghệ mới để tối ưu và thu nhỏ kích thước của thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người . Đồ án này nhằm giới thiệu phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải băng thông hẹp kích thước nhỏ dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng. Trong đồ án này, một bộ lọc sẽ được thiết kế để hoạt động trong dải tần 3G, tần số từ 1920 MHz đến 2170 MHz, băng thông tỷ lệ đạt đến 90%. Mạch lọc được mô phỏng và phân tích trên phần mềm HFSS 12.Mục lụcLời nói đầu1Tóm tắt đồ án3Mục lục4Danh sách hình vẽ5Danh sách các từ viết tắt8Phần mở đầu9Chương 1 Giới thiệu111.1. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển111.2. Động lực nghiên cứu141.3. Kết quả mong muốn15Tổng kết chương16 Chương 2 Cơ sở lý thuyết172.1. Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần172.1.1. Lý thuyết đường truyền vi dải182.1.2. Phân tích mạng siêu cao tần202.1.2.1. Các tham số của mạng siêu cao tần202.1.2.2. Ma trận tán xạ S212.1.2.3. Ma trận trở kháng Z và dẫn nạp Y232.1.2.4. Ma trận truyền đạt ABCD242.2. Lý thuyết về mạch lọc cao tần262.2.1. Khái quát về mạch lọc tần số262.2.2. Bộ lọc thông thấp272.2.3. Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung302.2.4. Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp322.3. Phân tích cấu trúc vòng cộng hưởng342.3.1. Mô hình đường truyền của cấu trúc cộng hưởng vòng352.3.2. Mô hình vách từ (magnetic-wall) cho vòng cộng hưởng382.5. Giới thiệu phần mềm Ansoft HFSS 1241Chương 3 Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng tần 3G493.1. Giới thiệu493.2. Cơ sở thiết kế bộ lọc thông dải băng thông hẹp503.2.1. Các mode sóng trên vòng cộng hưởng503.3. Mạch lọc thông dải băng tần 3G53 Chương 4 Kết luận chung và hướng phát triển624.1. Kết luận chung624.2. Hướng phát triển trong tương lai62Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt63Tài liệu tham khảo64Danh sách hình vẽ

Lời nói đầu

Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóngđiện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triểnmột cách nhanh chóng Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phảiđược chia sẻ Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau Yêucầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữacác tín hiệu có tần số khác nhau Như vậy đặc tính lọc, hay đáp ứng tần, của một bộlọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số trong dải tần một cách tối ưunhất Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông tin liên lạc, các bộlọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá thành thấp đang ngày càng được quantâm nghiên cứu và phát triển

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu, bao gồm vật liệu siêu dẫnnhiệt độ cao (High-temperature Superconductors – HTS), mạch tích hợp đơn tinhthể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMIC), hệ vi điện cơ(Microelectromechanic Systems – MEMS) … đã trở thành động lực mạnh mẽ thúcđẩy việc nghiên cứu các cấu trúc lọc vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọckhác cho các ứng dụng cao tần Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợthiết kế bằng máy tính (CAD tools), chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trườngđiện từ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch caotần

Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọcthông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộlọc 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 bịthông tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp Đồ ánnày 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

Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn PGS,TS Đào Ngọc Chiến ( Bộ môn HệThống Viễn Thông- Khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã

hướng dẫn tận tình chu đáo cho tôi để hoàn thành nhiệm vụ , mục tiêu đồ án đề ra.Đồng thời tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Bích Huyền và các thầy cô giáo trường Đạihọc Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu, phát triển đề tài, cảm

ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ , động viên tôi trong thời gian qua

Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2011

Sinh Viên

Trân Thị Hoài

Tóm tắt đồ án

Ngày nay với sự phát triển của thiết bị điên tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi ,các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới công nghệ mới để tối ưu và thunhỏ kích thước của thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người

Đồ án này nhằm giới thiệu phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải băng thông hẹpkích thước nhỏ dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng Trong đồ án này, một bộ lọc sẽ được thiết kế để hoạt động trong dải tần 3G, tần số từ 1920 MHz đến 2170 MHz, băng thông tỷ lệ đạt đến 90% Mạch lọc được mô phỏng và phân tích trên phần mềm HFSS 12

Mục lục

Lời nói đầu 1

Tóm tắt đồ án 3

Mục lục 4

Danh sách hình vẽ 6

Danh sách các từ viết tắt 8

Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt 9

Phần mở đầu 10

Chương 1 12

Giới thiệu 12

1.1 Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển 12

1.2 Động lực nghiên cứu 15

1.3 Kết quả mong muốn 16

Tổng kết chương 17

Chương 2 18

Cơ sở lý thuyết 18

2.1 Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần 18

2.1.1 Lý thuyết đường truyền vi dải 19

2.1.2 Phân tích mạng siêu cao tần 21

2.1.2.1 Các tham số của mạng siêu cao tần 21

2.1.2.2 Ma trận tán xạ S 22

2.1.2.3 Ma trận trở kháng Z và dẫn nạp Y 24

2.1.2.4 Ma trận truyền đạt ABCD 25

2.2 Lý thuyết về mạch lọc cao tần 27

2.2.1 Khái quát về mạch lọc tần số 27

2.2.2 Bộ lọc thông thấp 28

2.2.3 Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung 31

2.2.4 Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp 32

2.3 Phân tích cấu trúc vòng cộng hưởng 35

2.3.1 Mô hình đường truyền của cấu trúc cộng hưởng vòng 36

2.4 Giới thiệu phần mềm Ansoft HFSS 12 42

Chương 3 50

Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng tần 3G 50

3.1 Giới thiệu 50

3.2 Cơ sở thiết kế bộ lọc thông dải băng thông hẹp 51

3.2.1 Các mode sóng trên vòng cộng hưởng 51

3.3 Mạch lọc thông dải băng tần 3G 54

Chương 4 63

Kết luận chung và hướng phát triển 63

4.1 Kết luận chung 63

4.2 Hướng phát triển trong tương lai 63

Tài liệu tham khảo 65

Danh sách hình

Hình 1 1 Bốn loại bộ lọc: 11

Hình 1 2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công 12

Y Hình 2 1 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1] 18

Hình 2 2 Đường truyền vi dải a) Cấu trúc hình học b) Phân bố trường 19

Hình 2 3 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) 21

Hình 2 4 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương 26

Hình 2 5 Đáp ứng tần của bốn loại mạch lọc lý tưởng: 28

Hình 2 6 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ 28

Hình 2 7 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3 29

Hình 2 8 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện tham số tập trung30 Hình 2 9 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang 31

Hình 2 10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải 32

Hình 2 11 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b) 33

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) 34

Hình 2 13 Mạch lọc thông dải tham số phân tán sử dụng các bộ biến đổi [1] 35

Hình 2 14 Cấu trúc cộng hưởng vòng một cửa 36

Hình 2 15 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng 38

Hình 2 16 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng 39

Hình 2 17 Họ sản phẩm của Ansoft 43

Hình 2 18 Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều 44

Hình 2 19 Bộ quét tần số 46

Hình 2 20 Giao diện xây dựng mô hình và thiết lập mô phỏng của phần mềm HFSS .48

Hình 2 21 Giao diện thể hiện kết quả mô phỏng 48

Hình 3 1 Mạch cộng hưởng dạng vòng 52

Hình 3 2 Mạch lọc bậc hai sử dụng linh kiện tham số tập trung 53

Hình 3 3 a) Sơ đồ; b) Dạng đáp ứng tần 53

Hình 3 4 Mạch lọc cộng hưởng dạng vòng 55

Hình 3 5 Cấu trúc đường vi dải gấp khúc tương ứng với thành phần mạch điện 56

Hình 3 6 Mô hình mạch lọc cộng hưởng dạng vòng 57

Hình 3 7 Hệ số truyền đạt của mạch lọc khi thay đổi thông số d 58

Hình 3 8 Hệ số truyền đạt khi thay đổi khoảng cách giữa 2 vòng cộng hưởng 58

Hình 3 9 Hệ số truyền đạt khi thay đổi bề dày (w1) của vòng cộng hưởng 59

Hình 3 10 Hệ số hao ngược S11 khi thay đổi bề dày của đế tiếp điện 59

Hình 3 11 Hệ số truyền đạt khi thay đổi bề dài của đế tiếp điện (w) 60

Hình 3 12 Mạch lọc thông dải băng tần 3G (từ 1920 – 2170 MHz) Các kích thước có đơn vị mm 61

Hình 3 13 Kết quả mô phỏng hệ số tổn hao ngược ( S 11 ) và hệ số truyền đạt ( S 12 ) .61

Danh sách các từ viết tắt

PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng

máy tínhLNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấpFDTD Finite Differental Time Domain Phương pháp vi sai hữu hạn

theo miền thời gian

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng về điện ápTEM Transverse Electric Magnetic Sóng điện từ ngangSIR Stepped-Impedance Resonator Bộ cộng hưởng trở kháng

nhảy bậcFET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường

Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt

STT Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

4 Bandpass Filter Bộ lọc thông dải

Phần mở đầu

Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc mọi nơi, công nghệ truyền thôngkhông dây đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển Các thiết bịthông 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 cấutrúc lọc không chỉ ở việc cải thiện đặc tính hoạt động mà còn ở sự nhỏ gọn trongkích 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 côngnghệ mạch in (PCB) Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc thông dải baogồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn, hay bẻ cong các đường dải dẫncủa các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa ra các cấu trúc lọc có kíchthước nhỏ gọn hơn Trong đó giải pháp thứ ba đang được quan tâm phát triển và đạtđược những kết quả nhất định.

Một trong những cấu trúc được áp dụng cho việc thiết kế các bộ lọc đó là cấutrúc cộng hưởng dạng vòng Cấu trúc này khi được kích thích sẽ gây nên hiện tượngcộng hưởng hai mode sóng Hiện tượng này làm cho một vòng cộng hưởng hoạtđộng giống như hai bộ cộng hưởng riêng rẽ Điều này đồng nghĩa với việc, nếu một

mạch lọc bậc N cần có N bộ cộng hưởng ghép với nhau thì dùng cấu trúc vòng cộng

hưởng hai mode sóng sẽ làm giảm số lượng bộ cộng hưởng đi một nửa, do đó làmgiảm kích thước vật lý của toàn bộ mạch lọc Bên cạnh đó, vòng cộng hưởng haimode sóng còn được dùng để thiết kế các bộ lọc dải rộng, với đáp ứng tần có độ dốctối đa, cải thiện khả năng chọn lọc và cách ly tần số Trong đồ án này, một mạch lọcvới dải 3G (từ 1920 MHz đến 2170 MHz) sẽ được thiết kế, nhằm minh họa chophương pháp thiết kế một bộ lọc thông dải băng hẹp dựa trên cấu trúc vòng cộnghưởng, với sự giúp đỡ của phần mềm mô phỏng trường điện từ HFSS 12 Đồ ánđược trình bày thành ba chương Trong chương 1 trình bày ngắn gọn về vai trò vàhiện trạng phát triển của bộ lọc Tiếp theo đó chương 2 là những kiến thức cơ bản

về cao tần và mạch lọc Ở chương 3 là những phân tích thiết kế bộ lọc thông dảihoạt động ở dải tần 3G

trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại bộ lọc cònlại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữatần số cắt trên và tần số cắt dưới Hình 1.1 mô tả dạng đáp ứng tần và ký hiệu sơ đồkhối của từng loại bộ lọc.

Hình 1 1Bốn 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 nguyêntần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị

dẫ đường, cảm biến và các hệ thống khác Với sự tiến bộ của thông tin và các ứngdụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ cho ngàycàng nhiều hệ thống Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trongmột khoảng phổ tần nhất định Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tínhiệu trong khoảng tần số đó Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệthống, 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 thựchiện chức năng phát Hai chức năng này sử dụng chung một anten, một bộ songcông (duplexer) và bộ dao động nội (LO) Có thể thấy, nhiều bộ lọc được sử dụngtrong hệ thống và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Chẳng hạn như trong phầnthu, bộ lọc phía sau LNA được dùng để chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ từ đườngtruyền Nếu không có sự ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh cũng sẽ được đổixuống 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 mongmuốn trong tín hiệu sau trộn cũng như tần số rò từ bộ dao động nội Trong phầnphát, 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 khốiphát 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 vàkhử các tín hiệu khác truyền đến bộ thu Với bộ lọc kia, tần số trung tâm là tần sốphát, 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 bởiCampbell và Wagner vào năm 1915 Kết quả có được xuất phát từ những nghiêncứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Các nghiên cứusau đó phát triển theo hai hướng độc lập, đó là nghiên cứu lý thuyết về các tham sốảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss)

Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởiCampbell, Zobel và một vài người khác Phương pháp này giúp xây dựng các mạchlọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng haicửa khác hẳn các tham số tán xạ như đã biết Sự mô tả này được lý tưởng hóa vì cáctham số đầu vào và đẩu ra của một khâu hai cửa trong phương pháp này thườngkhông thể hiện chính xác được Vì thế phương pháp tham số ảnh chỉ là phươngpháp xấp xỉ Ưu điểm của phương pháp này là có thể thiết kế ra những mạch lọc bậccao mà không cần sự trợ giúp của máy tính Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duynhất 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 dảichắn khi sử dụng phương pháp này Vì thế nếu yêu cầu độ chính xác nhiều hơn thìphương pháp này không đảm bảo.

Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra thông dụng và có hiệu quả hơn phương pháptham số ảnh được Darlington và Cauer đề xuất vào năm 1939 Về cơ bản, lý thuyếtnày sẽ xấp xỉ các đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt, và xây dựng nên mộtmạch điện thỏa mãn hàm truyền đạt đó Như vậy, bài toán xấp xỉ hóa và bài toánthực hiện có thể được giải quyết riêng rẽ một cách tối ưu và chính xác nhất Vớiphương pháp này, việc thiết kế mạch lọc được chia thành 2 bước: Xác định hàmtruyền đạt thỏa mãn yêu cầu đặc tính của mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụngđáp ứng tần đã được ước lượng bằng hàm truyền đạt Tuy nhiên, phương pháp nàychưa được chú ý ngay do yêu cầu một khối lượng tính toán khổng lồ Cho đến giữanhững 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 nênthông dụng hơn cả phương pháp tham số ảnh Phương pháp này sẽ được đề cập lỹhơn 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 sốphân 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 cấutrúc 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 lọcđược 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 kichthức nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹthuật xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này Bộ lọc ống dẫn sóngđược áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trongcác úng 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 bịthông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội, như sự dễ dàng trong việc chế tạo

1.2 Động lực nghiên cứu

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc được sử dụng với nhiềudạng 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 phươngpháp thiết kế mạch lọc thông dải đã được đề xuất Để đạt được yêu cầu về hoạtđộng trong dải thông cố định không phải là điều quá khó khăn Tuy nhiên khi đặt rayêu cầu dải tần phải hẹp, và kích thước vật lý của mạch lọc phải được thu nhỏ tối đathì bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và thôngtin di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước của mạch lọc đã trở thành vấn đề quantrọng bậc nhất Mặc dù kích thước mạch thông dải có thể thu nhỏ được bằng cáchchế tạo trên đế điện môi có hằng số điện môi lớn, nhưng việc thay đổi cấu trúc hìnhhọc của mạch thông dải lại thường được tính đến, vì hằng số điện môi lớn thườngdẫn đến hiện tượng sóng mặt và gây tổn hao nhiều hơn Đối với các mạch lọc dảihẹp, giải pháp thay đổi cấu trúc hình học thường thấy đó là bẻ gấp các đoạn đườngtruyền thẳng trên các mạch lọc thông thường để có dạng mạch lọc mới với kíchthước nhỏ hơn

Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc trong việc tính toán trường điện từ, cũng làmột động lực quan trọng góp phần lớn vào sự phát triển của những cấu trúc mạchlọc 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 ElementMethod), phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian (FDTD-Finite DifferenceTime Domain) đã được phát triển trong những năm gần đây Cùng với sự xuất hiệncủa 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, vớinhững chiếc máy tính với khả năng tính toán được cải thiện một cách đáng kể, cácnhà nghiên cứu đã có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các dạng cấu trúc lọc tần sốmới

Chính vì thế, ngày càng xuất hiện nhiều các bộ lọc sử dụng cấu trúc cộnghưởng vòng với các kiểu kích thích khác nhau, được nối thêm các đoạn, các nhánhnhằm đạt được các đặc tính lọc mong muốn, nhưng với mục đích chung đều là đểtạo ra các mạch lọc có kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng chọn lọc tần số tốiưu

1.3 Kết quả mong muốn

Trong đồ án này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu, giới thiệu một phương phápthiết kế mạch lọc thông dải có dải thông hẹp, dải tần trong dải 3G, từ 1920 MHzđến 2170 MHz, đáp ứng tần trong dải thông phải có độ dốc tối đa để tăng khả năngchọn lọc tần số

Quá trình phân tích thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềmHFSS 12, tính toán trường điện từ bằng phương pháp vi phân hữu hạn miền thờigian (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, 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 Các lý thuyết này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các chương sau.

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

2.1 Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần

Khái niệm siêu cao tần (Microwave) dùng để chỉ sóng điện từ dao động điềuhòa có tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, với chiều dài bước sóngtương ứng từ λ = c/f = 1 m tới λ = 1 mm Sóng điện từ với tần số trên 30 GHz đến

300 GHz gọi là dải sóng milimeter; phổ tần phía trên dải sóng milimeter là của tiahồng ngoại, với bước sóng từ 1 µm đến 1 mm Bên trên dải tần của tia hồng ngoại

là phổ tần của ánh sáng nhìn thấy được, phổ tần của tia cực tím và sau đó là tia X.Bên dưới dải phổ siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency – RF).Ranh giới giữa dải tần vô tuyến điện và dải siêu cao tần thường không cố định Vìthế theo nghĩa rộng, các ứng dụng cao tần thường được hiểu là các thiết bị, hệ thốngđiện hoạt động trong dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz Dải tần này được chia thànhcác băng tần nhỏ hơn, như trong Hình 2.1 [1]

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

2.1.1 Lý thuyết đường truyền vi dải

Một cấu trúc vi dải thông thường được minh họa trong Hình 2.2a 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 ϵ r và chiều dày h, bên dưới đế là mặt phẳng kim loại nối đất Phân bố

trường trên đường truyền vi dải được mô tải trong Hình 2.2b

Hình 2 2 Đường truyền vi dải a) Cấu trúc hình học b) Phân bố trường Giả sử không có đế điện môi (ϵ r=1), đường truyền lúc này sẽ trở thành

đường dây song hành với hai dải dẫn phẳng cách nhau một khoảng là 2h (Mặt

phẳng nối đất có thể được loại bỏ theo nguyên lý ảnh gương) [2] Trong trường hợpnày, ta có một đường truyền sóng TEM đơn giản, với vận tốc pha v p=c=3.108m/s

Trên thực tế, trường điện từ trên đường truyền vi dải là một kiểu lai tạp giữasóng TM-TE Nhưng trong hầu hết các ứng dụng thực tế, chiều dày đế điện môi làrất nhỏ so với chiều dài bước sóng (h ≪ λ), nên có thể coi sóng truyền trong đường

vi dải gần như sóng TEM (quasi-TEM) [2] Vận tốc pha và hằng số lan truyền khi

đó được tính như sau:

Nếu cho trước giá trị trở kháng đặc trưng Z0 và hằng số điện môi tương đối,

tỷ số W /hcó thể được tính như sau:

2.1.2 Phân tích mạng siêu cao tần

2.1.2.1 Các tham số của mạng siêu cao tần

Một mạch lọc cao tần nói riêng hay một mạch điện cao tần có hai đầu cuốinói chung có thể được mô tả bằng một mạng hai cửa như Hình 2.3, với V1,V2 và

I1, I2 là điện áp và cường độ dòng điện lần lượt tại cửa 1 và cửa 2, Z01 và Z02 là trởkháng đầu cuối, E s là điện áp nguồn Ở đây, điện áp và dòng điện là các đại lượngdao động điều hòa theo thời gian Điện áp ở cửa 1 bằng:

v1(t )=|V1|cos(ωt +ϕ)=ℜ( |V1|e j(ωt+ ϕ))=ℜ(V1e jωt

) (2.6)Biên độ điện áp tại cửa 1 được coi là biên độ phức và có thể viết như sau:

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

Đối với một mạch cao tần, việc đo cường độ dòng điện và điện áp đôi khi khôngquan trọng bằng đo công suất vào và ra Mặt khác, ở tần số siêu cao, việc đo điện áp

và dòng điện thường chỉ cho những đại lượng như tỷ số sóng đứng (SWR), hệ sốphản xạ… Tham số dễ đo nhất là công suất tới và công suất phản xạ, điều kiện thử

lý tưởng là khi mạng 2 cửa được phối hợp tải Người ta định nghĩa các biến số a1, b1

và a2, b2, trong đó a biểu thị sóng công suất tới và b biểu thị cho sóng công suất phản xạ Mối quan hệ giữa các biến công suất và điện áp, dòng điện là:

V n=√Z 0 n(a n+b n)

I n= 1

√Z 0 n

(a n−b n) với n = 1; 2 (2.8a)Hay

Ma trận S được gọi là ma trận tán xạ của mạng hai cửa.

Các tham số tán xạ S mn được xác định như sau:

S11=b1

a1|a2 =0

S21=b1

a2|a1 =0

a1|a2 =0

S22=b2

a2|a1 =0 (2.12)Trong đó a n=0 thể hiện rằng cửa n được phối hợp trở kháng hoàn toàn

(không có phản xạ từ tải)

Các tham số S11 và S22 được gọi là hệ số phản xạ, còn S12 và S21 được gọi là

hệ số truyền đạt Các tham số tán xạ thường là các số phức nên được biểu diễn dướidạng biên độ và pha Giá trị biên độ thường được đổi sang đơn vị decibels (dB)

S mn=|S mn|e j ϕ mn

|S mn|[dB]=20 log|S mn|dB m, n = 1; 2 (2.8)Đối với bộ lọc, người ta định nghĩa hai tham số sau:

Trong đó L A là tổn hao xen giữa cửa n và cửa m, L R là tổ hao ngược tại cửa n.

Ngoài ra, người ta còn định nghĩa tỷ số sóng đứng về điện áp (Voltage StandingWave Ratio – VSWR) như sau:

VSWR=1+|S nn|

Khi một tín hiệu được truyền qua một mạch lựa chọn tần số như mạch lọc,tín hiệu ở đầu ra sẽ có một khoảng trễ nhất định so với tín hiệu ở đầu vào Tham sốtrễ quan trọng cần được xem xét trong bộ lọc là trễ nhóm, hay trễ đường bao tínhiệu, được định nghĩa là:

τ d=−d ϕ21

Tham số tán xạ có một số tính chất quan trọng khi phân tích mạng cao tần.Đối với mạng hai cửa tương hỗ S12=S21 Nếu mạng hai cửa là đối xứng, thì ngoàitính chất tương hỗ, còn có S S Giả sử mạng hai cửa không có tổn hao, tổng

công suất truyền qua và công suất phản xạ trở lại phải bằng tổng công suất tới Địnhluật bảo toàn năng lượng trong mạng hai cửa không có tổn hao có thể viết như sau:

Đối với mạng hai cửa tương hỗ: AD – BC = 1 (2.18)

Đối với mạng hai cửa đối xứng: A = D (2.19)

Nếu mạng hai cửa không có tổn hao, A và D có giá trị thực còn B và D có giá

trị thuần ảo

Ma trận ABCD đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hệ thống cao tầnbao gồm nhiều mạng hai cửa được ghép nối với nhau theo kiểu nối tầng Kiểu ghépnối này thường được sử dụng trong việc phân tích thiết kế mạch lọc, vì hầu kết cáckiểu mạch lọc đều được cấu tạo nên từ các thành phần ghép nối tầng với nhau Đầutiên, ta xét trường hợp đơn giản, cấu trúc nối tầng bao gồm hai mạng hai cửa nhưtrong Hình 2.4

Hình 2 4 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương Với cấu hình nối ghép như trên, ta có:

hệ thống bao gồm các mạng hai cửa nối tầng với mọi số lượng

2.2 Lý thuyết về mạch lọc cao tần

2.2.1 Khái quát về mạch lọc tần số

Mạch lọc tần số là một mạch hai cửa, có chức năng lựa chọn tín hiệu trongmột 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 hiệntrong các máy thu phát cao tần

Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia mạch lọc tần số thành bốn loại: mạchlọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), mạch lọc thông cao (High-pass filter –HPF), mạch lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và mạch lọc chắn dải (Band-stopfilter – BSF) Hai loại mạch lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phíadưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại mạch lọc còn lại cho phép truyềnqua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên vàtần số cắt dưới Hình 2.5 minh họa dạng đáp ứng tần lý tưởng của bốn loại mạch lọctrên

Tại các tần số thấp (thường là dưới 500 MHz), mạch lọc có thể được tạothành từ các linh kiện tham số tập trung là cuộn cảm, tụ điện Nhưng khi tần số hoạtđộng của mạch lọc ở trong dải siêu cao tần, điện kháng và điện nạp của các thànhphần mạch điện không còn biến thiên tuyến tính theo tần số nữa Việc thiết kế mạchlọc siêu cao tần phải tính đến các tham số phân tán trên mạch Tuy nhiên ở tần sốtương đối thấp và dải tần hẹp, các thành phần tham số phân tán vẫn có thể được xấp

xỉ dưới dạng các linh kiện tham số tập trung Việc tính toán và tổng hợp bộ lọc theophương pháp cũ vẫn có thể được áp dụng với độ chính xác tương đối cho dải tầnsiêu cao

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

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

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

Mạch lọc thông thấp có thể được đặc trưng bởi tần số chuẩn hóa Ω=ω /ω c với

ω c là tần số cắt, và đáp ứng tần được đặc trung bởi tham số tổn hao xen giữa:

độ gợn đáp ứng tần cho phép trong dải thông Thông thường có hai dạng: Bộ lọcphẳng tối đa (maximally flat) hay còn gọi là bộ lọc Butterworth và bộ lọc có gợnđồng đều (equal-ripple) hay còn gọi là bộ lọc Chebyshev.

Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa bằng:

Còn đối với bộ lọc Chebyshev:

L (Ω)=1+k2T N2(Ω) (2.24)với T N ( Ω) là đa thức Chebyshev bậc N.

Hình 2.7 mô tả tham số tổn hao xen giữa của mạch lọc thông thấp bậc 3 Giátrị tổn hao xem tại tần số cắt (Ω c=1) bằng L c Nhìn vào hai đồ thị, có thể thấy rõràng đáp ứng tần của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần sốcắt so với mạch lọc Butterworth Nói cách khác, bộ lọc Chebyshev có đặc tính lọcdốc hơn, gần hơn với dạng đặc tính lọc của bộ lọc lý tưởng như trong Hình 2.5

Hình 2 7 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3.

a) kiểu Butterworth; b) kiểu Chebyshev.

Hình 2.8 là hai dạng mạch lọc thông thấp kiểu bậc thang, trong đó g k là thành phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k, g0 và g N+ 1 là điện trở hoặc điện dẫn chuẩn hóa của nguồn và tải

Hình 2 8 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện tham số tập trung

Đối với mạch lọc thông thấp kiểu Butterworth, với L c=3 dB tại Ω c=1, các giá

trị chuẩn hóa g k được tính theo công thức sau:

g0=g N +1=1

Đối với mạch lọc Chebyshev, giả sử cho trước giá trị L c tại Ω c=1, hằng số k

có thể được tính như sau:

Bậc của mạch lọc Chebyshev N được xác định từ yêu cầu về độ suy hao

trong dải chắn theo đồ thị trong tài liệu tham khảo [] Các giá trị g k được tính nhưsau:

g1= 2a1

g k=4 a k−1 a k

b k−1 g k −1 k=2,3 , … , N (2.27b)

g N+ 1={2 k2+1−2 k1 v ớ i N l ẻ√1+k2

v ớ i N ch ẵ n (2.27c)Trong đó:

β=ln( ( √1+k2+1)

( √1+k2−1) ) , a k=sin(2 k −1 2 N π)

b k=sinh2(2 N β )+sin2(kπ N )

2.2.3 Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung

Mẫu bộ lọc thông thấp ở trên được đặc trưng bởi một mạch điện hình bậcthang có các thành phần điện cảm và điện dung (g k) trong miền tần số chuẩn hóa (

Ω=ω /ω c) Áp dụng phương pháp trên vào việc tính toán thiết kế các dạng lọc khácnhư thông cao, thông dải hay chắn dải trong miền tần số thực, người ta sử dụng mộtphép biến đổi tần số để đưa đồ thị đáp ứng tần trong miền tần số chuẩn hóa Ω vềmiền tần số ω Cùng với đó là một phương pháp biến đổi trở kháng đồng thời giữatrở kháng nguồn tải với điện kháng của các thành phần mạch lọc Sơ đồ mạch lọcthông dải hai cửa và đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số được mô tả trong Hình2.9 và Hình 2.10

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

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

Công thức biến đổi tần số từ tần số chuẩn hóa của mạch lọc thông thấp sangtần số thực của mạch lọc thông dải:

Ω= ω0

ω c 2−ω c1(ω ω0−

ω0

ω ) với ω0=√ω1ω2 (2.28)

Từ hình 2.9, có thể thấy các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch

lọc thông thấp sẽ được biến đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối

tiếp trong mạch lọc thông dải, với điều kiện tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần sốcắt dưới của mạch thông dải phải bằng giá trị tổn hao xen tại Ω c=1 của mạch thôngthấp ban đầu Như vậy, các giá trị L k và C k của từng nhánh cộng hưởng sẽ được tínhnhư sau: