Báo cáo bộ môn kĩ thuật cao tần thiết kế bộ lọc vi sóng

ấ

ấ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CÔNG NGHỆ HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ -🙞🙜🕮🙞🙜 - BÁO CÁO BỘ MÔN KĨ THUẬT CAO TẦN THIẾT KẾ BỘ LỌC VI SÓNG Giảng viên bợ mơn : TS Trần Cao Qùn Nhóm thực : Nhóm Sinh viên thực : Vũ Minh Hiếu Lê Quang Đức Hà Nội, tháng 3, năm 2023 Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU I Tổng quan Giới thiệu chung – bộ lọc phần tử gộp( lumped-element filter) 2 Đánh giá ngắn gọn về lý thuyết bộ lọc Đặc điểm của lumped-element filter Ưu – Nhược điểm Bộ lọc low-pass Bộ lọc high-pass Bộ lọc band-pass (band-pass filter) Bộ lọc bandstop Các tính chất của bợ lọc thơng thấp (low-pass filter) phần tử gộp 10 Bốn loại phản hồi chính II Bài toán 10 III Tính toán, thiết kế 10 IV Kết mô phỏng 13 V Tài liệu tham khảo 14 LỜI MỞ ĐẦU I Tổng quan Giới thiệu chung – bộ lọc phần tử gộp( lumped-element filter) Trong bài viết này, chúng ta đề cập đến bộ lọc phần tử gộp Bộ lọc phần tử gộp ( lumped-element filter) là một thiết bị hai cởng (có nghĩa là chúng có hai kết nối đầu vào / đầu được tạo thành từ các thành phần thụ động, rời rạc, chẳng hạn tụ điện, cuộn cảm; cho phép các tần số một dải bang tần nhất định qua chặn tín hiệu bang tần bên ngoài mong muốn Các bộ lọc phần tử gộp thường được sử dụng thiết bị hệ thống điện tử cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm xử lý tín hiệu, giảm nhiễu lựa chọn tần số Ví dụ: hệ thống loa, bợ lọc được sử dụng để loại bỏ tín hiệu tần số thấp làm hỏng loa, trong máy thu radio, bợ lọc được sử dụng để chọn một dải tần số cụ thể quan tâm để xử lý thêm Đánh giá ngắn gọn về lý thuyết bộ lọc Bộ lọc mạch tún tính được biểu diễn dạng hàm truyền có dạng được hiển thị phương trình 1, tương ứng với sơ đồ khối đơn giản Hình Hình 1: Sơ đồ khối mạng lọc tuyến tính 𝑎0 (𝑗𝜔) 𝐹 (𝑎) = 𝑎𝑖 (𝑗𝜔) (1) Hàm truyền F(α) mô tả lượng lượng bị mất qua mạch lọc bên F(α) là một số phức với cả cường độ và pha, và cung cấp mợt biểu diễn tốn học về các đặc tính đáp ứng tần số mạng Việc trùn bất kỳ bợ lọc được đặc trưng với tham số sau: Tần số băng thơng (ωp ) : dải tần số qua bộ lọc Tần số băng tần (ωs) : phạm vi tần số mà bộ lọc từ chối hoặc suy giảm Mất chèn : độ suy giảm tối đa được phép băng thông Từ chối băng chặn : độ suy giảm tối thiểu được phép băng chặn Tần số cắt (f0) : tần số mà tại tổn thất chèn bộ lọc dB Tần số trung tâm (fc) : tần số mà tại các bợ lọc băng tần được định tâm về mặt hình học Ví dụ: nếu f1 và f2 đại diện cho các điểm tần số dB bộ lọc truyền băng tần, tần số trung tâm fc được tính sau: 𝑓𝑐 = 𝑓1 + (𝑓2 − 𝑓1 ) (2) Độ sắc nét : độ dốc chuyển đổi băng thông và băng dừng Độ trễ nhóm : thước đo đợ lệch pha thiết bị băng thông Lý tưởng nhất tất cả thành phần tần số tín hiệu đầu vào được dịch chuyển (thường bị trì hỗn) theo thời gian với một lượng không đổi Đặc điểm của lumped-element filter Kích thước vật lý các phần tử gộp nhỏ nhiều so với bước sóng tín hiệu tới Điện áp và dòng điện không thay đổi theo kích thước vật lý các plan tử này Cấu trúc chung được thể hình bên Hình 2: Cấu trúc phần tử gộp chung L-C Bộ lọc được phân loại thành nhiều loại dựa dải tần mà chúng qua và các dải tần mà chúng chặn Bốn loại phản hồi bộ lọc bao gồm : lowpass, highpass, bandpass bandstop Ưu – Nhược điểm Ưu điểm : • • • Hoạt động tốt với tần số thấp và có khả đạt được băng thơng từ 10% đến 90% Dễ thiết kế và điều chỉnh nếu chúng nhỏ bước sóng hoạt đợng Dễ chế tạo u cầu chi phí dụng cụ tối thiểu, mang lại mức độ tự cao cho việc tùy chỉnh Nhược điểm • Khó để đạt được băng thơng rất hẹp với bộ lọc này, nên không thực tế để chế tạo tần số cao • c̣n cảm gợp tụ điện thường có sẵn cho mợt phạm vi giá trị hạn chế xử lý công suất rất cao Ở tần số thấp (kHz), kích thước c̣n cảm thường q cồng kềnh khó thiết kế Bộ lọc low-pass Bộ lọc thông thấp cho phép tần số thấp qua từ chối tần số cao Tần số cao bị suy giảm mức cắt dB thể Hình 3: Hình 3: Phản hồi lọc low-pass Bộ lọc high-pass Ngược lại với bộ lọc thông thấp, Loại bộ lọc cho phép thành phần tần số cao điểm cắt dB qua chặn thành phần tần số thấp Hình 4: Phản hồi lọc high-pass Bộ lọc band-pass (band-pass filter) Bộ lọc band-pass một loại bộ lọc điện tử được thiết kế phép tín hiệu mợt dải tần số nhất định truyền qua, tín hiệu khác nằm dải tần số bị giảm đáng kể Các đặc điểm bộ lọc bandpass bao gồm tần số cắt phù hợp với yêu cầu ứng dụng, băng thông tín hiệu truyền qua, độ suy giảm và đợ lệch pha dải tần số cắt Ngồi ra, bợ lọc bandpass cịn được tùy chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặc biệt một ứng dụng cụ thể Ví dụ: Bộ lọc band-pass cho phép tín hiệu mợt dải tần được định qua, đồng thời từ chối tín hiệu và các điểm cắt dB cạnh băng thông và Hình 5: Phản hồi lọc band-pass Bộ lọc bandstop Bộ lọc banstop có ngược lại với bợ lọc band-p, từ chối tín hiệu dải tần được định truyền tín hiệu và điểm cắt dB cạnh và dải dừng Các tính chất của bợ lọc thơng thấp (low-pass filter) phần tử gộp Một bộ lọc thông thấp lý tưởng phải trùn tất cả tín hiệu có tần số thấp tần số cắt làm suy giảm tất cả tín hiệu có tần số cao tần số cắt Mức độ suy giảm cho tần số phụ thuộc vào thiết kế thứ tự bộ lọc Tuy nhiên, một bộ lọc lý tưởng không tồn tại thực tế Hiệu suất bộ lọc bị ảnh hưởng yếu tố tổn thất điện môi và độ dẫn điện vật liệu kim loại được sử dụng mạch Ví dụ: nếu tḥc tính hiệu śt có giá trị nhất nhà thiết kế trì tởn thất chèn tối thiểu băng tần mong muốn, nên triển khai phản hồi bộ lọc phẳng tối đa Mặt khác, nếu cần cắt giảm mạnh q trình chuyển đởi, phản ứng Chebyshev thích hợp Bất kỳ loại đáp ứng bợ lọc nào cũng được suy từ cấu trúc thông thấp cách sử dụng tỷ lệ tần số trở kháng thể Hình bên Hình 6: Chuyển đổi Low Pass thành High Pass, Band Pass Band Stop 10 Bốn loại phản hồi chính Khi thiết kế bợ lọc L-C, có bốn loại phản hồi cần xem xét: Phản hồi phẳng tối đa (Butterworth) Đây còn được gọi phản ứng đơn điệu, dựa đa thức Butterworth Như tên cho thấy, cung cấp phản hồi băng thông phẳng cho một độ phức tạp bộ lọc nhất định Phản hồi Chebyshev Dựa đa thức Chebyshev Nó cung cấp mợt số gợn sóng băng thông suy giảm cao dải dừng Tổn thất chèn Chebyshev lớn so với đáp ứng phẳng tối đa một tần số nhất định ω >> ωc Phản hồi Elliptic Loại phản hồi phù hợp với nhiều ứng dụng yêu cầu một mức độ suy giảm nhất định cả băng thơng và băng dừng Nó cho phép đạt được mức cắt tốt so với hai loại phản hồi trước Phản hồi Bessel Bessel cung cấp mợt pha tún tính tối đa băng thơng, có nghĩa là có biến dạng tối thiểu miền thời gian Nó dựa đa thức Bessel và thường được sử dụng ứng dụng yêu cầu tuyến tính pha, chẳng hạn mạng chéo âm Việc lựa chọn phản hồi bộ lọc phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể ứng dụng Ví dụ: nếu ứng dụng u cầu băng thơng phẳng khơng có gợn sóng, bợ lọc Butterworth được thiết kế Mặt khác, nếu ứng dụng yêu cầu cuộn mạnh chịu được mợt số gợn sóng băng thơng, bợ lọc Chebyshev hoặc elip thích hợp Đáp ứng Bessel thường được ưa thích cho các ứng dụng yêu cầu tún tính pha dải tần số rợng II Bài toán Thiết kế bộ lọc băng tần với phản hồi gợn sóng 0,1 dB, với N = 3, tần số trung tâm 2.5 GHz, băng thông 3.2% và trở kháng 50 Ohm Hình 7: Bộ lọc band-pass III Tính toán, thiết kế Các phương trình sau được sử dụng để tính các giá trị phần tử cho bợ lọc lowpass gợn sóng (0.1 dB) (2𝑘 − 1)𝜋 2𝑛 𝑘𝜋 𝑏𝑘 = 𝛾 + 𝑠𝑖𝑛2 ( ) 𝑛 𝐿𝑎𝑟 𝛽 = ln [coth ( )] 17.37 𝛽 𝛾 = sinh ( ) 2𝑛 𝑔0 = 2𝑎1 𝑔1 = 𝛾 4𝑎𝑘−1 𝑎𝑘 𝑔𝑘 = 𝑏𝑘−1 𝑔𝑘−1 𝑔𝑛+1 = 𝑎𝑘 = 𝑠𝑖𝑛 10 Với k = 1,2,3,4,… Ta có bảng sau : 0.1 dB Ripple N g1 0.3052 0.8431 1.0315 1.1088 1.1468 g2 1.0000 0.6220 1.1474 1.3062 1.3712 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 1.3554 1.0315 1.0000 1.7704 0.8181 1.3554 1.9750 1.3712 1.1468 1.0000 Bảng 1: Các giá trị cho lọc thơng thấp với gợn sóng (0.1 dB, N = > 𝑔0 = 1, 𝜔𝑐 = ) Với N = 3, ta có: g1 = 1.0315 = L1 g2 = 1.1474= C2 g3 = 1.0315 = L3 g4 = 1.000 = RL 𝐿′1 = 𝐶1′ = 𝐿′2 = 𝐶2′ = 𝐿′3 = 𝐶3′ = 𝐿1 𝑅0 𝜔0 ∆ = 102.61851 nH, ∆ 𝜔0 𝐿1 𝑅0 𝐿1 𝑅0 𝜔0 ∆ = 0.0887945 nH 𝐶2 𝜔0 ∆𝑅0 𝐿3 𝑅0 𝜔0 ∆ = 0.0395343 pF = 45.689266 pF = 102.61851 nH, ∆ 𝜔0 𝐿3 𝑅0 = 0.0395343 pF 11 Sau tính toán được các thông số, ta thiết kế bộ lọc phần mềm ADS sau 12 IV Kết mô phỏng Dựa thông số mô với bộ lọc bandpass có tần số trung tâm 2.5 GHz, số cặp khối N = và bang thông 3.2%, ta thấy phản hồi mạch gần không bị suy giảm Kêt quả cho thấy mạch bộ lọc bandpass đã hoạt động hiệu quả việc lọc tần số cho tín hiệu vào khoảng bang thông mong muốn 13 V Tài liệu tham khảo [1] Design, Simulation and Development of Bandpass Filter - Dipak C.Vaghela, A K Sisodia, N M Prabhakar Communication Engineering, LJIET, Ahmedabad [2] Microwave engineering - David M Pozar [3] Understanding Lumped Element Filters - Urvashi Sengal (Applications Engineer), Giri Krishnamurthy ( Principal Design Engineer ) [4] Development of a calculator for Edge and Parallel Coupled Microstrip band pass filters - Naghar, A.; Aghzout, O.; Vazquez Alejos, A.; Garcia Sanchez, M.; Essaaidi, M [5] The simulation of microstrip Band Pass Filters based on ADS - Min Zhang; Yimin Zhao; Wei Zhang [6] Other resources from YouTube and the Internet 14