Báo cáo bài tập lớn môn điện tử tương tự 2 phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông thấp 1800mhz dải tần 1805 1885 mhz

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Phân tích thiết kế mơ lọc thông thấp 1800Mhz dải tần 1805-1885 Mhz Sinh viên thực hiện: BÙI THỊ LÊ MSSV: 20203480 Lớp: Điện tử 01 K65 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN NAM PHONG Hà Nội, 7-2023 LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu thông tin lúc nơi, công nghệ truyền thông không dây ngày quan tâm nghiên cứu phát triển Các thiết bị thông tin vơ tuyến thu nhỏ kích thước mức tối đa để tăng khả tích hợp, đặc biệt hệ thống thông tin di động thông tin vệ tinh Mạch lọc tần số thành phần thiếu thiết bị Và hướng phát triển cấu trúc lọc không việc cải thiện đặc tính hoạt động mà cịn nhỏ gọn kích thước vật lý Đối với thiết bị thông tin di động vệ tinh, dạng mạch lọc thông dải thường sử dụng, nhờ giá thành rẻ dễ dàng chế tạo công nghệ mạch in (PCB) Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc thơng dải bao gồm sử dụng đế điện mơi có số điện mơi lớn, hay bẻ cong đường dải dẫn cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa cấu trúc lọc có kích thước nhỏ gọn Thấy rõ tầm quan trọng vai trò lọc cao tần ngày lớn sống người, nhóm chúng em thực mơ thiết kế: lọc GSM 1800Mhz Em cố gắng để hồn thành tốt đề tài Tuy nhiên, vốn kiến thức cịn chưa nhiều, có nhiều yếu tố khách quan khác mà báo cáo nhóm cịn nhiều thiếu sót Em mong thầy bạn đóng góp ý kiến, phê bình hướng dẫn thêm để sản phẩm sau hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Chương I: Tổng quan 1.1 Xác định yêu cầu đề tài - Phân tích thiết kế lọc GMS 1800MHz - Mô lọc GSM 1800MHz 1.2 Khái niệm lọc tần số phát triển Bộ lọc tần số lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu dải tần mong muốn qua chặn lại tín hiệu dải tần khác Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia 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) Bộ lọc chắn dải (Bandstop filter – BSF) Hai loại lọc cho phép tín hiệu tồn dải tần phía phía tần số cắt qua, hai loại lọc cịn lại cho phép truyền qua chặn lại tín hiệu dải tần định nằm tần số cắt tần số cắt Hình 1.1 mô tả đặc dạng lọc Bộ lọc thành phần thiếu hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫn đường, cảm biến hệ thống khác Với tiến thông tin ứng dụng vô tuyến điện, phổ tần có hạn sóng điện từ phải chia sẻ ngày nhiều cho hệ thống Tín hiệu điện từ hệ thống giới hạn khoảng phổ tần định Các lọc dùng để lựa chọn giới hạn tín hiệu khoảng tần số Chúng đóng nhiều vai trị khác hệ thống Hình 1.2 cho thấy vai trị quan trọng lọc tần số hệ thống thu phát sóng Cùng với hồn thiện lý thuyết, thiết kế mạch lọc phát triển từ mạch cộng hưởng tham số tập trung LC đến cấu trúc cộng hưởng tham số phân tán cáp đồng trục, ống dẫn sóng đường vi dải Đồng thời, tiến công nghệ vật liệu thúc đẩy trình nghiên cứu chế tạo dạng cấu trúc lọc khác, vật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn Mạch lọc vi dải dạng cấu trúc lọc quan trọng nhờ khả tích hợp mạch in Đối với hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc sử dụng cáp đồng trục, cấu trúc điện mơi, ống dẫn sóng cấu trúc vi dải Các lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, có khả che chắn điện từ, tổn hao kích thước nhỏ, nhiên lại khó chế tạo Các cấu trúc điện mơi có kích thước nhỏ tổn hao, bù lại giá thành lọc tương đối cao kỹ thuật xử lý phức tạp điểm hạn chế dạng lọc Bộ lọc ống dẫn sóng áp dụng rộng rãi, nhờ khả kiểm sốt cơng suất tính khả thi ứng dụng cao tần, nhược điểm chúng có kích thước lớn Hiện nay, mạch lọc thông dải sử dụng nhiều thiết bị thông tin vô tuyến nhờ ưu điểm vượt trội dễ dàng việc chế tạo Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Sơ lược lọc tần số 2.1.1 Bộ lọc thơng thấp (LPF) Hình 2.1 Cấu trúc lọc thơng thấp Hình 2.1 mơ tả cấu trúc mạch lọc thông thấp Sau kết hợp a b ta tính mạch theo ma trận sau: 𝐴 [ 𝐶 1 𝑅𝐺 −1 𝑅 𝐵 ]=[ ][ ][ 𝐷 𝑗𝜔𝐶 =[ + (𝑅 + 𝑅𝐺 ) (𝑗𝜔𝐶 + 𝑗𝑤𝐶 + 𝑅𝐿 1 ][ 𝑅𝐿 1] ) 𝑅𝐺 + 𝑅𝐿 𝑅𝐿 - Đáp ứng tần số 𝐴= 𝑣1 | 𝑣2 𝑖 → =0 1 = 𝐻(𝜔) = 𝐴 + 𝑗𝜔𝐶(𝑅 + 𝑅𝐺 ) - Góc 𝜙 tương ứng 𝜙(𝜔) = 𝑡𝑎𝑛−1 𝐼𝑚[𝐻(𝜔)] 𝑅𝑒[𝐻(𝜔)] ] - Độ trễ 𝑡𝑔 = ⅆ𝜙(𝜔) ⅆ𝜔 2.1.2 Bộ lọc thông cao (HPF) Hình 2.2 Cấu trúc lọc thơng cao Hình 2.2 mô tả cấu trúc mạch lọc thông cao Ta tính mạch theo ma trận sau: 𝑅𝐺 −1 𝐵 ]=[ ][ 𝐷 0 𝐴 [ 𝐶 =[ 𝑅 ][ 𝑗𝜔𝐿 + (𝑅 + 𝑅𝐺 ) ( 𝑗𝜔𝐿 + 𝑗𝜔𝐿 + 𝑅𝐿 1 1] [ 𝑅𝐿 1] ) 𝑅𝐺 + 𝑅𝐿 𝑅𝐿 ] - Đáp ứng tần số 𝐴= 𝑣1 | 𝑣2 𝑖 → =0 1 = 𝐻(𝜔) = 𝐴 1+( + 𝑅𝐿 ) (𝑅 + 𝑅𝐺 ) 𝑗𝜔𝐿 - Cho ω → ∞ 𝑣2 𝑅𝐿 = = 𝑣𝐺 + 𝑅 + 𝑅𝐺 𝑅𝐿 + 𝑅𝐺 + 𝑅 𝑅𝐿 2.1.3 Bộ lọc thông dải (BPF) Bộ lọc thông dải (Band pass filter) lọc cho qua tần số phạm vi định loại bỏ tần số bên ngồi phạm vi Bộ lọc đặc trưng đáp ứng tần số, định lượng phổ đầu hệ thống thiết bị đáp ứng với kích thích, sử dụng để mơ tả động lực học hệ thống Bộ lọc thơng dải có đặc trưng biên độ đáp ứng tần số, trường hợp lý tưởng dạng hình chữ nhật, thực tế chấp nhận dạng "cái chng" (hình 2.3) Bộ lọc thơng dải thơng thường thu cách kết hợp lọc thông thấp thông cao áp dụng thông thấp thông thường cho băng thơng biến đổi Ở tốn thiết kế lọc GSM 1800Mhz này, áp dụng lọc thông thấp chuyển đổi qua lọc thông dải, nên bỏ qua cách kết hợp lọc thông thấp thơng cao Hình 2.4 cách chuyển đổi lọc thông thấp sang lọc thông dải lọc chắn dải với BW =𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 Sau chuyển đổi, thông số lọc thơng dải chuẩn hóa từ lọc thơng thấp sau: 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 𝐿𝐵𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑛_𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡 = 𝜔02 𝐶𝐿𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑚 𝐶𝐵𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑛_𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡 = 𝐶𝐿𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑚 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 𝐿𝐵𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑛_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝐿𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑛 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 𝐶𝐵𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑛_𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡 = 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 𝜔02 𝐿𝐿𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑚 𝐶𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐶𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑒𝑑 𝑅𝑔 𝐿𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐿𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑒𝑑 𝑅𝑔 Dạng đặc trưng hàm truyền hay tiêu hao chèn lọc mẫu thơng thấp chuẩn hóa phổ biến chọn tiệm cận với hàm tốn học thường có dạng đơn giản đa thức phẳng cực đại (Butterworth) đa thức Chebyshev Trong báo cáo lần sử dụng đa thức butterworth Hình 2.5 cách chuẩn hóa phần tử lọc thơng thấp, theo số lượng phần tử N Ví dụ với N=3 ta có 𝑔1 = 1, 𝑔2 = 2, 𝑔3 = 1, 𝑔4 = có mạch sau: Ta chọn N tùy ý, cho phù hợp với mục đích sử dụng để có hệ số suy hao phù hợp Hình 2.7 cho thấy việc chọn N ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số suy hao toàn mạch, nên ý chọn N cho phù hợp Ở toán thiết kế lọc GSM 1800Mhz, chọn N để tiện cho việc kiểm thử 2.2 Tần số 1800Mhz hệ thống GSM GSM mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) máy điện thoại di động kết nối với mạng cách tìm kiếm cell gần Các mạng di động GSM hoạt động tần số Hầu hết hoạt động tần số 900 MHz 1800 MHz Hình 2.8 cho thấy cấu trúc mạng GSM gồm có phần chính: • Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem • Phân hệ vơ tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem • Phân hệ vận hành bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem 10 Chương 3: Phân tích thiết kế mơ lọc GSM 1800MHz dải tần 1805-1885 Mhz 3.1 Xây dựng tiêu kỹ thuật Dải tần làm việc (tần số giới hạn): 1805 - 1885 MHz (downlink) • • • • • Tần số trung tâm: 1842.5 MHz Loại lọc: BPF Bậc lọc: Sơ đồ lọc mẫu thông thấp: Điện dung song song Dạng đặc trưng hàm truyền: Butterworth 3.2 Thiết kế lọc thông thấp Giá trị tụ điện cuộn cảm LPF nguyên mẫu lấy trực tiếp từ hình 2.5 Chọn N=3, ta có 𝑔1 = 𝑔3 = = 𝐿𝐿𝑃1 = 𝐿𝐿𝑃3 (𝐻) 𝑔2 = = 𝐶𝐿𝑃2 (𝐹); Trở kháng nguồn 𝐺𝐺 = 𝑔0 = 1(𝛺) trở kháng tải 𝑧0 = 𝑔4 = 1(𝛺) 3.3 Chuyển đổi mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải Áp dụng cách chuyển mạch từ LBF sang BPF hình 2.4 ta có mạch lọc thơng dải (BPF) sau: 11 Hình 3.2 sơ đồ mạch BPF với trở kháng nguồn 𝑅𝐺 = 𝑍𝑔 = 50(𝛺) trở kháng tải 𝑅𝐿 = 𝑍𝐿 = 50(𝛺) Cùng với dạng mạch này, thay đổi dải tần chúng có dải tần Uplink, Downlink tương ứng mạch lọc GSM 1800Mhz Ở báo cáo này, em xét với dải tần downlink (tần số 1805-1885 MHz) Với dải tần 1805 – 1885 Mhz (dowlink) ta có: 𝐵𝑊 = 1880 − 1806 = 75 (𝑀ℎ𝑧) 𝑟𝑎ⅆ 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 = 1880.2𝜋 106 ( ) 𝑠 𝑟𝑎ⅆ 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 = 1805.2𝜋 106 ( ) 𝑠 𝑅𝑎ⅆ 𝜔0 = √𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 = 1842,1183.2𝜋106 ( ) 𝑠 Với trở kháng nguồn 𝑍𝐺 = 𝑔0 = 50(𝛺) trở kháng tải𝑅𝐿 = 𝑔4 = 50(𝛺) ta tính giá trị L C mạch BPF sau chuyển đổi: 𝑔1 𝐿𝐵𝑃1𝑑 = 𝐿𝐵𝑃3𝑑 = 𝑧𝐺 = 0,106 (𝜇𝐻) 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 𝐶𝐵𝑃1𝑢 = 𝐶𝐵𝑃3𝑑 = 𝐿𝐵𝑃2𝑑 = 𝑧𝐺 𝐶𝐵𝑃2𝑑 = 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 = 0,07035 (𝑝𝐹) 𝑧𝐺 𝜔02 𝑔1 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 = 87,94 (𝑝𝐻) 𝜔02 𝑔2 𝑔2 = 84,88 (𝑝𝐻) 𝑧𝐺 𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 12 3.4 Chạy mô tinh chỉnh toàn mạch 3.4.1Mạch lọc GSM 1800MHz downlink mơ ADS Hình 3.3 Sơ đồ mạch BPF downlink mô ADS 3.4.2 Mô Butterworth Hình 3.4 Kết mơ Return loss(S11)GSM 1800Mhz downlink butterworth Hình 3.4 kết mơ Return loss (S11) lọc GSM 1800Mhz down-link Butterworth Giá trị S11 tần số 1840MHz -32,602dB, tần số 1900MHz -0,357 dB, tần số 1800MHz -1,583 dB 13 Hình 3.5 Kết mơ Insertion(S21)GSM 1800Mhz downlink butterworth Hình 3.5 Kết mơ Insertion loss (S21) lọc GSM 1800Mhz down-link Butterworth Giá trị S21 tần số 1840MHz xấp xỉ dB, tần số 1900Mhz -5,149 dB, tần sso 1800MHz -11,033 dB Hình 3.6 Đồ thị kết hợp S11 S21 Hình 3.6 cho thấy đồ thị gồm thông số Return loss (S11) Insertion (S21), giúp có nhìn trực quan hiệu suất lọc tần số định 3.4.3 Đánh giá, nhận xét Ta thấy tổn hao cổng nhỏ, suy giảm điện áp từ cổng sang cổng bé tần số m1 = 1,840Ghz 14 KẾT LUẬN Thông qua tập lớn “Thiết kế lọc GSM 1800 MHz”, nhóm chúng tơi có hội hiểu rõ học thêm nhiều kiến thức lọc cao tần, đặc biệt lọc GSM 1800 MHz tham số lý có liên quan dải tần làm việc, tần số liên quan, độ gợn sóng, xác định rõ tiêu kỹ thuật lọc loại lọc áp dụng vào đề tài LPF butterworth Ngoài nhóm chúng tơi có hội tìm hiểu Hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile Communications) viết tắt GSM, công nghệ dùng cho mạng thông tin di động nắm tần số hoạt động, sơ đồ khối chức nguyên lý vận hành GSM thiết bị di động Cuối cùng, nhóm hiểu q trình từ tính tốn lý thuyết thiết kế mô lọc Kết mô cho thấy tương khớp với sở lý thuyết nhóm tổng hợp 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Chương 14 sách Fundamentals of electronics (Razavi) 2) T Halonen, J Romero, and J Melero, GSM, GPRS and EDGE performance: evolu-tion towards 3G/UMTS John Wiley & Sons, 2004 3) D Auffray and J Lacombe, “Electronically tunable band-stop filter,” in 1988., IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest IEEE, 1988, pp 439–442 4) Slide giảng môn Điện tử tương tự TS Nguyễn Nam Phong 16