Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: Mô phỏng bộ lọc thông dải (BPF) ở tần số 2.6 GHz cho 5G sub band BPF (Band Pass Filter ) là “ Bộ lọc thông dải” Mạch lọc thông dải là một mạch điện tử được sử dụng để vượt qua các tần số trong một dải tần cụ thể để chỉ thu được một dải tần số nhất định để xử lý tiếp trong mạch ứng dụng. Dải tần này chủ yếu nằm giữa các tần số cắt là f1và f2 trong đó f1 là tần số cắt thấp hơn và f2 là tần số cắt cao hơn. Phạm vi tần số được chấp nhận này được gọi là băng thông của bộ lọc ( kí hiệu là BW).
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: Mô lọc thông dải (BPF) tần số 2.6 GHz cho 5G sub band Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Anh Quang Sinh viên thực : Nguyễn Viết Phong 20186316 Nguyễn Thị Thu Giang 20182470 Đỗ Vũ Thanh Hiền 20182494 Hà Nội, - 2021 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết chung 1.1.1 Bộ lọc thông dải .4 1.1.2 Một số tham số lọc 1.2 Phân loại lọc thông dải 1.2.1 Bộ lọc thông dải rộng .5 1.2.2 Bộ lọc thông dải hẹp .6 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI .7 2.1 Phân tích yêu cầu đề tài .7 2.2 Tính tốn thơng số mạch 2.2.1 Thiết kế lọc thông thấp 2.2.2 Thiết kế lọc Bandpass filter .10 2.2.3 Mô lọc thông dải sử dụng phần mềm ADS 12 KẾT LUẬN 14 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT LPF Low Pass Filter BPF Band Pass Filter HPF High Pass Filter SF Shape Factor IL Insertion Loss i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tín hiệu qua lọc thơng dải Hình 1.2 Bộ lọc thông dải lý tưởng Hình 1.3 Tổng quan lọc băng thông rộng Hình 1.4 Sơ đồ lọc thông dải rộng Hình 2.1 Cấu trúc hình T lọc thông dải định dạng chữ T với bậc (N = 3) .7 Hình 2.2 Bộ lọc thơng thấp với tần số cut – off 2.6 GHz .8 Hình 2.3 Response for 0.5 dB ripple Chebyshev LPF Hình 2.4 Mơ hình Lowpass filter với bậc bộc lọc N = 10 Hình 2.5 Sơ đồ mạch lọc Bandpass filter bậc N = 11 Hình 2.6 Mạch mô lọc thông dải với N = 13 Hình 2.7 Kết đồ thị S11, S21 13 DANH MỤC BẢNG BIỂU ii Bảng Bảng chuyển đổi từ Lowpass sang lọc .11 Bảng Low-Pass Chebysev Filter Coefficients – 0.5 dB Ripple 11 iii CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết chung 1.1.1 Bộ lọc thông dải - BPF (Band Pass Filter ) “ Bộ lọc thông dải” - Mạch lọc thông dải mạch điện tử sử dụng để vượt qua tần số dải tần cụ thể để thu dải tần số định để xử lý tiếp mạch ứng dụng Dải tần chủ yếu nằm tần số cắt f 1và f2 f1 tần số cắt thấp f2 tần số cắt cao - Phạm vi tần số chấp nhận gọi băng thông lọc ( kí hiệu BW) Hình 1.1 Tín hiệu qua lọc thơng dải Hình 1 mơ tả hình ảnh tín hiệu ban đầu có dải tần từ đến 40, sau qua lọc thơng dải lọc lọc tần số thấp 10 cao 20 giữ lại dải tần [10;20] - Tần số trung tâm ký hiệu 'f C ' cịn gọi tần số cộng hưởng tần số đỉnh f C =√ f f Dưới hình ảnh đáp ứng tần số lọc thơng dải lý tưởng Hình Hình 1.2 Bộ lọc thông dải lý tưởng 1.1.2 Một số tham số lọc Băng thông: BW = f2 - f1 Q : Hệ số phẩm chất Q= fC πBWBW Q phụ thuộc vào độ rộng băng thông, cụ thể tỉ nghịch với băng thông Điều có nghĩa độ rộng băng thơng tăng hệ số phẩm chất giảm độ rộng băng tần giảm hệ số phẩm chất tăng Ripple : Độ gợn sóng Shape Factor (SF): Hình dáng lọc IL (Insertion Loss): Hệ số suy hao chèn 1.2 Phân loại lọc thông dải Bộ lọc phân loại dựa Q chia thành hai loại: 1.2.1 Bộ lọc thông dải rộng Với Q < 10, có đáp tuyến phẳng rộng dải tần số, BW lớn BPF rộng kết hợp LPF HPF mô tả Hình Hình 1.3 Tổng quan lọc băng thơng rộng Đầu tiên tín hiệu qua lọc thơng cao, tín hiệu đầu lọc thơng cao có xu hướng đến vơ tín hiệu có xu hướng đến vô đưa đến lọc thông thấp cuối Bộ lọc thông thấp thông qua tín hiệu tần số cao Khi lọc thơng cao xếp tầng với lọc thông thấp, lọc thông dải đơn giản thu Để nhận lọc này, thứ tự mạch thông thấp thơng cao phải giống Dưới Hình ví dụ lọc dải rộng sử dụng điện trở tụ điện (trong fH tương ứng f1 fL tương ứng f2) Hình 1.4 Sơ đồ lọc thông dải rộng Trong tập lớn này, nhóm em sử dụng lọc thơng dải rộng lý trình bày phần Phân tích yêu cầu đề tài 1.2.2 Bộ lọc thơng dải hẹp Với Q > 10, có phản hồi dạng chng, có BW nhỏ CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI 2.1 Phân tích u cầu đề tài Đề tài: Mô lọc thông dải tần số 2,6GHz cho 5G suband Dải tần sử dụng : f = 2,5 GHz f = 2,6 GHz => f c= √ f f = 2,55 GHz ω1=2× πBW × f 1=5 πBW × 109 (rad /s) ω2 =2× πBW × f 2=5.2 πBW × 109 (rad /s) ωC =2× πBW × f c =5.1 πBW × 109 (rad /s) { Băng thông: BW = f −f = 0.1( GHz ) Hệ số phẩm chất: Q= fC =4.05 Sử dụng lọc thông dải rộng Mạch sử dụng tụ điện cuộn cảm tốn lượng việc thiết kế đơn giản Mạch mô sử dụng cấu trúc liên kết T (Hình Cấu trúc hình T lọc thông dải định dạng chữ T với bậc (N = 3)) Thay có phần tử chân lọc trường hợp lọc thông thấp thông cao, lọc thơng dải có mạch cộng hưởng chân Các mạch cộng hưởng mạch LC điều chỉnh nối tiếp song song Hình 2.5 Cấu trúc hình T lọc thông dải định dạng chữ T với bậc (N = 3) 2.2 Tính tốn thông số mạch 2.2.1 Thiết kế lọc thông thấp Theo giả thiết liệu thiết kế lọc thơng dải : Ta có : f = 2,5 GHz f = 2,6 GHz => f c= √ f f = 2,55 GHz ω1=2× πBW × f 1=5 πBW × 109 (rad /s) ω2 =2× πBW × f 2=5.2 πBW × 109 (rad /s) ωC =2× πBW × f c =5.1 πBW × 109 (rad /s) { Băng thông: BW = f −f = 0.1( GHz ) Thiết kế lọc thơng thấp Hình Hình 2.6 Bộ lọc thông thấp với tần số cut – off 2.6 GHz Chọn BW C−off =f c 2−f 0=2.615−2.55=0.065 GHz Ta có: BW lowpass=f 2−f 0=2.6−2.55=0.05GHz Chọn thiết kế lọc Chebyshev với ripple 0.5 dB độ gợn sóng lọc nhỏ SF tốt Xét : B W C −off 0.065(GHz ) = =1.3 B W lowpass 0.05(GHz ) Tra Hình Response for 0.5 dB ripple Chebyshev LPF tần số chuẩn hóa 1.3, stop band suy giảm 18dB => Bậc lọc: N = Tra Hình Response for 0.5 dB ripple Chebyshev LPF tần số chuẩn hóa 1.3, stop band suy giảm 18dB => Bậc lọc: N = Hình 2.7 Response for 0.5 dB ripple Chebyshev LPF Ta có cơng thức tụ điện cuộn cảm thực tế L= Lk R wC C= Ck wC R Với C k, Lk giá trị gk Mạch lọc thơng thấp Hình 8.dưới đây: Hình 2.8 Mơ hình Lowpass filter với bậc bộc lọc N = 2.2.2 Thiết kế lọc Bandpass filter Từ cách thiết kế lọc thơng thấp ta có cách thiết kế lọc thông dải tương tự sau: Ta có giá trị L, C normalized: • Các phần tử nối tiếp: L= LLP πBWBW C= πBWBW w o2 LLP norm norm • Các phần tử song song: L= πBWBW w o C LP norm C= C LP πBWBW norm Các giá trị L, C thực tế • Các phần tử nối tiếp: L= LLP R πBWBW norm 10 C= πBWBW w o LLP R norm • Các phần tử song song: L= πBWBW R wo2 C LP norm C= C LP πBWBW R norm Tóm lại bước sau: Từ lọc thơng thấp nguyên mẫu => lọc thông thấp normalize => lọc thông dải normalize => lọc thông dải thực tế (actual) Cụ thể Bảng Bảng Bảng chuyển đổi từ Lowpass sang lọc Từ Bảng 1.Bảng ta chuyển mơ hình Lowpass Filter sang Bandpass Filter mơ hình mạch sau: Hình 2.9 Sơ đồ mạch lọc Bandpass filter bậc N = Bảng hệ số gk (Bảng 2) 11 Bảng Low-Pass Chebysev Filter Coefficients – 0.5 dB Ripple Tương ứng với bậc lọc N = 5, từ Bảng ta có: g1 = 1.7058, g2 = 1.2296, g3 = 2.5408, g4 = 1.2296, g5 = 1.7058, g0 = g6 = R0 =50 Ω Tính L,C normalized L1 norm=L5 norm = g1 g5 −9 = =2.715× 10 πBW × BW πBW × BW C 1norm =C norm= L2 norm=L norm = πBW × BW πBW × BW = =1.435 ×10−12 2 ω C × g1 ωC × g5 πBW × BW πBW × BW = =1.991 ×10−12 2 ωC × g ωC × g4 C 2norm =C norm = g2 g4 −9 = =1.957 × 10 πBW × BW πBW × BW L3 norm = g3 −9 =4.044 ×10 πBW × BW C norm= πBW × BW =9.633 ×10−13 ωC × g3 Tính L,C actual L1 actual=L5 actual =L1 norm × R0 =L5 norm × R0=1.3575 ×10−7 ( H ) C actual=C actual= C 1norm C norm = =2.87 ×10−14 (F) R0 R0 12 L2 actual= L4 actual =L2norm × R0=L4 norm × R0=9.955× 10−11 ( H) C actual=C actual = C2 norm C norm = =3.914 × 10−11 ( F ) R0 R0 L3 actual =L3 norm × R0=2.022 ×10−7 ( H ) C actual= C3 norm −14 =1.92266× 10 (F ) R0 2.2.3 Mô lọc thông dải sử dụng phần mềm ADS Mạch thiết kế kết Hình 10 Error: Reference source not found Hình 2.10 Mạch mơ lọc thơng dải với N = Hình 2.11 Đồ thị S11, S21 13 Nhận xét: - Băng thông: BW = 0.1 GHz lớn lọc tần số cao từ 2.5GHz đến 2.6GHz phù hợp với ứng dụng mạng 5G - Bộ lọc Chebyshev với ripple 0.5dB có độ gợn sóng nhỏ mà ta mong muốn - Shape Factor: SF= BWA 2.604−2.498 = =0.81 B W A max 2.617−2.486 Ta thấy Shape Factor (SF) tốt gần đến => Bộ lọc có độ dốc lớn - Insertion Loss: Ta thấy m10 đồ thị Hình 11 điểm với đường S11 lớn -8.443 dB = 0.143 (lần) => Tín hiệu bị mát lớn 10% sử dụng Tuy nhiên đánh đổi lại Shape Factor đẹp, độ gợn sóng nhỏ băng thơng rộng Tuy nhiên thực tế linh kiện L,C mạch điện khó tạo thực tế mà cần thay mạch điện vi dải Sau có kết chúng em so sánh với lọc sẵn có phần mềm ADS (Hình 12 Hình 13) Hình 2.12 Mạch BPF có sẵn ADS 14 Hình 2.13 Đồ thị S11, S21 Nhận xét: Shape Factor: SF= BWA 2.591−2.510 = =0.723 B W A max 2.606−2.494 Tại m3 đồ thị Hình 13Hình 11 điểm với đường S11 lớn -9.640 dB => 0.108 lần Như lọc phần mềm ADS có suy hao chèn thấp đổi lại hệ số nhỏ tức độ dốc không tốt 15 KẾT LUẬN Qua tập lớn thiết kế mô lọc BPF cho 5G giúp chúng em dành nhiều thời gian để nghiên cứu lý thuyết để từ thiết kế mạch cho tối ưu Việc làm tập lớn giúp chúng em có nhìn thực tế cách thức hoạt động mạch chúng em học hỏi kinh nghiệm từ TS Nguyễn Anh Quang trình thầy giúp đỡ, đưa giải pháp mạch chúng em Tuy nhiên chúng em chưa thiết kế mạch vi dải sử dụng thực tế Mặc dù cố gắng q trình làm khơng tránh khỏi sai sót, mong thầy bạn đóng góp ý kiến với nhóm em để nhóm em lắng nghe hoàn thiện 16