Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng trong anten bts 4g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lọc thông dải ứng dụng anten BTS 4G NGUYỄN VĂN NGUYÊN Nguyen.NV202744M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật viễn thông Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Xuân Quyền Trường: Điện – Điện Tử HÀ NỘI, 10/2022 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Văn Nguyên Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lọc thông dải ứng dụng anten BTS 4G Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: 20202744M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………………… ………… ………………………………………………………………………………………… …………… ……………………………………………………………………… Ngày 20 tháng 10 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Để đáp ứng nhu cầu người dùng ngày tăng, hệ mạng di động ngày cải tiến từ 1G 5G Tuy việc phát triển 5G có nhiều ưu điểm chưa hồn tồn thay thế hệ mạng di động trước Do việc tích hợp dải tần số khác trạm thu phát điều vô cần thiết Để việc tích hợp dải tần số hoạt động đồng thời với lọc tần số đóng vai trị vơ quan trọng hệ thống anten Đặc biệt lọc có hệ số phẩm chất cao suy hao thấp vấn đề với mà nhà cung cấp mạng cần phải lưu ý Thông qua luận văn lần này, em xin đề xuất lọc thông dải cho băng tần 4G có băng thơng 400MHz ứng dụng anten trạm BTS Với mong muốn học tập, nghiên cứu vận dụng kiến thức học giảng đường Em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lọc thông dải ứng dụng anten BTS 4G” Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Trong trình thực đề tài, dựa theo kết đạt bước đầu, dù cố gắng nhiên khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế định Vì vậy, em mong nhận góp ý, bổ sung thầy để đề tài tối ưu hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Nguyễn Xuân Quyền, trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn tận tình dẫn bước, cung cấp tài liệu nghiên cứu quý báu, hướng nghiên cứu để em hoàn thiện luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Nội dung luận văn trình bày sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, loại lọc thực tế, với đề xuất thiết kế lọc cao tần ứng dụng cho anten trạm BTS 4G Bộ lọc sử dụng vật liệu Roger RO3010 với dải thôgn từ 3.4G đến 3.8G cho băng tần kép 4G Cấu trúc hình học lọc gồm cộng hưởng Open-Loop Ring cổng 50 Ω trở kháng đầu vào Để hoàn thành đề tài, em sử dụng phần mềm Advanced Design System (ADS) để mô nguyên lý layout mạch Ngồi cịn có phần mềm Altium Designer để hỗ trợ trình chế tạo mạch Quá trình đo chế tạo đo kiểm lọc thực máy Vector Network Analyzer E5071C ENA hãng Keysight với dải tần số từ 9kHz đến 20GHz Kết đo kiểm lọc tốt Tuy nhiên sai số trình chế tạo nên kết khơng tốt q trình mơ HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN BỘ LỌC CAO TẦN 1.1 Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến 1.2 Phân loại lọc siêu cao tần 1.3 1.2.1 Bộ lọc dạng sóng 1.2.2 Bộ lọc phân cực 1.2.3 Bộ lọc tần số Lý thuyết lọc tần số 1.3.1 1.4 1.5 Phân tích mạch điện siêu cao tần Phương pháp suy hao chèn thiết kế lọc 1.4.1 Tổng quan 1.4.2 Phương pháp chuyển đổi chuẩn hóa 10 1.4.3 Một số dạng lọc thường sử dụng 12 Kết luận chương 20 CHƯƠNG BỘ LỌC THÔNG DẢI VỚI BỘ CỘNG HƯỞNG VI DẢI SONG SONG 21 2.1 Lý thuyết đường truyền vi dải 21 2.2 2.3 2.4 2.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 21 2.1.2 Đường truyền vi dải song song 22 2.1.3 Ưu, nhược điểm đường truyền vi dải 25 Các mơ hình tương đương thường gặp đường truyền vi dải 25 2.2.1 Đường truyền hở mạch 25 2.2.2 Kết thúc mở 26 2.2.3 Khe hẹp (S) 27 2.2.4 Gấp khúc 27 Các cấu trúc cộng hưởng đường truyền vi dải 28 2.3.1 Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải 28 2.3.2 Bộ cộng hưởng ghép nối 30 2.3.3 Bộ cộng hưởng giả xen kẽ 35 Kết luận chương 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC THÔNG DẢI ỨNG DỤNG CHO ANTEN BTS 4G 38 3.1 Đặc tính kỹ thuật 38 3.2 Mô lọc thông dải 38 3.3 Kết mô 39 3.4 Layout mạch .41 3.5 Cấu hình đo kiểm 42 3.6 Kết đo thực tế 44 3.7 Kết luận chương 46 KẾT LUẬN .47 Kết luận chung 47 Hướng phát triển 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng cao tần hai cửa (4 cực) Hình 1.2 Mạng hai cửa nối tầng mạng hai cửa tương đương Hình 1.3 Sơ đồ mạch điện tổng quát Hình 1.4 Quy trình thiết kế lọc phương pháp suy hao chèn [5] 10 Hình 1.5 Chuyển đổi phần tử từ LPF sang HPF,BPF BSF [5] 11 Hình 1.6 Ngun mẫu lọc thơng thấp [5] 12 Hình 1.7 Đáp ứng lọc thông thấp Butterworth (bằng phẳng tối đa) [6] 13 Hình 1.8 Đáp ứng tần số lọc thông thấp Butterworth 14 Hình 1.9 Đáp ứng lọc thơng thấp Tchebyscheff [5] 17 Hình 1.10 Nguyên mẫu lọc thông thấp Elliptic [5] 18 Hình 1.11 Đáp ứng tần số số lọc thông thấp Elliptic 19 Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 21 Hình 2.2 Phân bố trường cấu trúc vi dải 22 Hình 2.3 Cấu trúc đường truyền vi dải song song 23 Hình 2.4 Phân bố trường đường vi dải song song (a) chế độ chẵn (b) chế độ lẻ 23 Hình 2.5 Sơ đồ tường đường a) đường truyền ngắn mạch, b) đường truyền hở mạch [6] 26 Hình 2.6 Mơ hình tương đương đầu mở đường truyền [6] 27 Hình 2.7 Mơ hình tương đương khe hẹp S [6] 27 Hình 2.8 Mơ hình tương đương phần gấp khúc [6] 27 Hình 2.9 Một số mạch cộng hưởng đường truyền vi dải điển hỉnh (a) Mạch cộng hưởng phần tử tập trung; (b) mạch cộng hưởng phần tử gần tập trung; (c) Mạch cộng hưởng nối tiếp 0/4; (d) Mạch cộng hưởng song song 0/4; (e) Mạ ch 28 Hình 2.10 Phân bố điện áp đường truyền vi dải 30 cộng hưởng đường 0/2; (f) Mạch cộng hưởng vịng [6] Hình 2.11 Bộ cộng hưởng vi ba ghép nối [7] 31 Hình 2.12 Bộ cộng hưởng trường ghép nối (a) Ghép từ trường; (b) Ghép điện dung [7] 31 Hình 2.13 Dịng điện mạch cộng hưởng ghép nối [7] 33 Hình 2.14 Cộng hưởng đồng điều chỉnh ghép không tương hỗ [7] 34 Hình 2.15 Cộng hưởng vi dải bước sóng ghép nối (a) Giả xen kẽ; (b) Xoắn; (c) ghép nối qua khe S1; Ghép qua khe S1 S2; (e) Ghép nối qua khe S1, S2 S3 [7] 35 Hình 2.16 Mơ ghép cộng hưởng giả xen kẽ S21 [7] 36 Hình 2.17 Mơ tính tồn hệ số ghép hàm số [7] 36 Hình 3.1 Cấu trúc Hình học lọc thông dải đề xuất 38 Hình 3.2 Schematic lọc phần mềm ADS 39 Hình 3.3 Kết mô EM lọc đề xuất 40 Hình 3.4 Mạch 3D Altium; (a) Mặt trước mạch; (b) Mặt sau mạch 41 Hình 3.5 Mạch lọc sau chế tạo 42 Hình 3.6 E5071C ENA Vector Network Analyzer 42 Hình 3.7 OSLT compact calibration kit (4-in-1) DC-13GHz 3.5mm female 43 Hình 3.8 SMA RA Reverse Polarity PCB Mount .43 Hình 3.9 Cấu hình đo kiểm lọc 44 Hình 3.10 S11 S21 lọc 45 DANH MỤC HÌNH VẼ Bảng 1.1 Chuẩn hóa trở kháng tần số [5] .10 Bảng 1.2 Chuyển đổi từ lọc thông thấp sang loại lọc khác [5] 11 Bảng 1.3 Các giá trị phần tử nguyên mẫu lọc thông thấp Butterworth [5] .14 Bảng 1.4 Các giá trị phần tử cho lọc thông thấp nguyên mẫu Tchebysheff [5] 16 Bảng 1.5 Các giá trị phần tử cho nguyên mẫu lọc thông thấp Elliptic [5] 19 Bảng 3.1 Các thơng số tối ưu hóa lọc để xuất (đơn vị: mm) .39 Bảng 3.2 Kết mô lọc đề xuất 40 Bảng 3.3 Kết đo điểm tần số lọc .45