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 Qua bài tập lớn về thiết kế mô phỏng bộ lọc BPF cho 5G đã giúp chúng em dành nhiều thời gian để nghiên cứu lý thuyết để từ đó có thể thiết kế mạch sao cho tối ưu nhất. Việc được làm bài tập lớn giúp chúng em có cái nhìn thực tế hơn về cách thức hoạt động mạch và chúng em cũng học hỏi được những kinh nghiệm từ TS. Nguyễn Anh Quang trong quá trình thầy giúp đỡ, đưa ra các giải pháp đối với mạch của chúng em. Tuy nhiên chúng em vẫn chưa thiết kế được mạch vi dải sử dụng trong thực tế. Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình làm nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót, mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến với nhóm em để nhóm em lắng nghe và hoàn thiện hơn nữa.
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 π BW 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 thơng qua tín hiệu tần số cao Khi lọc thông cao xếp tầng với lọc thông thấp, lọc thông dải đơn giản thu Để nhận lọc này, thứ tự mạch thông thấp thông 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 thơng 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 yêu 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× π × f 1=5 π × 109 (rad /s) ω2 =2× π × f 2=5.2 π × 109 (rad /s) ωC =2× π × f c =5.1 π × 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 thơng dải định dạng chữ T với bậc (N = 3) 2.2 Tính tốn thơng số mạch 2.2.1 Thiết kế lọc thơng thấp Tính tần số chuẩn hóa f = f3 Stopband suy giảm 18dB áp dụng Hình 7., ta fc suy bậc lọc Hình 2.6 Bộ lọc thơng thấp suy giảm tần số 18dB 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 đây: Hình 2.8 Mơ hình Lowpass filter với bậc bộc lọc N = 2.2.2 Thiết kế lọc Bandpass filter Ta có : f = 2,5 GHz f = 2,6 GHz => f c= √ f f = 2,55 GHz ω1=2× π × f 1=5 π × 109 (rad /s) ω2 =2× π × f 2=5.2 π × 109 (rad /s) ωC =2× π × f c =5.1 π × 109 (rad /s) { Băng thông: BW = f −f = 0.1( GHz ) Thiết kế lọc thơng dải Hình 10 Hình 2.9 Bộ lọc thông dải 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 ) Từ cách thiết kế lọc thơng thấp ta có cách thiết kế lọc thơng dải tương tự sau: Ta có giá trị L, C normalized: • Các phần tử nối tiếp: L= LLP πBW C= πBW w o2 LLP norm norm 11 • Các phần tử song song: L= πBW w o C LP norm C= C LP πBW norm Các giá trị L, C thực tế • Các phần tử nối tiếp: L= LLP R πBW C= πBW w o LLP R norm norm • Các phần tử song song: L= πBW R wo2 C LP norm C= C LP πBW R norm Tóm lại bước sau: Từ lọc thông 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 12 Từ Bảng 1.Bảng ta chuyển mơ hình Lowpass Filter sang Bandpass Filter mơ hình mạch sau: Hình 2.10 Sơ đồ mạch lọc Bandpass filter bậc N = Bảng hệ số gk (Bảng 2) 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 π × BW π × BW C 1norm =C norm= 13 π × BW π × BW = =1.435 ×10−12 2 ω C × g1 ωC × g5 L2 norm=L norm = π × BW π × BW = =1.991 ×10−12 2 ωC × g ωC × g4 C 2norm =C norm = g2 g4 −9 = =1.957 × 10 π × BW π × BW L3 norm = g3 −9 =4.044 ×10 π × BW C norm= π × 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 −14 = =2.87 ×10 (F) R0 R0 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 11 Hình 12 Hình 2.11 Mạch mô lọc thông dải với N = 14 Hình 2.12 Đồ thị S11, S21 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 12 Đồ thị S11, S21 điểm với đường S11 lớn -8.443 dB = 0.143 (lần) => Tín hiệu bị mát cịn lớn 10% 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 13 Hình 14) 15 Hình 2.13 Mạch BPF có sẵn ADS Hình 2.14 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 14Hình 12 điểm với đường S11 lớn -9.640 dB => 0.108 lần 16 Như lọc phần mềm ADS có suy hao chèn thấp đổi lại hệ số nhỏ tức độ dốc không tốt 17