báo cáo bài tập lớn điện tử tương tự ii thiết kế bộ lọc gsm 1800mhz

Các giải pháp thu nhỏkích thước mạch lọc thông dải bao gồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn,hay bẻ cong các đường dải dẫn của các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Hà Nội, 5-2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc mọi nơi, công nghệ truyền thông không dâyđang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển Các thiết bị thông tin vô tuyếnđược thu nhỏ kích thước ở mức tối đa để tăng khả năng tích hợp, đặc biệt là trong các hệthống thông tin di động và thông tin vệ tinh Mạch lọc tần số là thành phần không thểthiếu trong các thiết bị này Và hướng phát triển của các cấu trúc lọc không chỉ ở việc cảithiện đặc tính hoạt động mà còn ở sự nhỏ gọn trong kích thước vật lý Đối với các thiếtbị thông tin di động và vệ tinh, các dạng mạch lọc thông dải thường được sử dụng, nhờgiá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch in (PCB) Các giải pháp thu nhỏkích thước mạch lọc thông dải bao gồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn,hay bẻ cong các đường dải dẫn của các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa racác cấu trúc lọc có kích thước nhỏ gọn hơn Thấy rõ được tầm quan trọng và vai trò củabộ lọc cao tần ngày càng lớn trong cuộc sống con người, nhóm chúng em đã thực hiệnmô phỏng và thiết kế: bộ lọc GSM 1800Mhz.

Nhóm chúng em đã rất cố gắng để có thể hoàn thành tốt nhất đề tài của mình Tuynhiên, do vốn kiến thức còn chưa nhiều, cũng như có nhiều yếu tố khách quan khác màbáo cáo của nhóm còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong thầy và các bạn đóng góp ýkiến, phê bình và hướng dẫn thêm để các sản phẩm sau được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS.Nguyễn Nam Phong đã hướngdẫn tận tình, chi tiết để chúng em có thể hoàn thành tốt bài tập lớn này Qua đây, chúngem không chỉ có thêm nhiều kiến thức về chuyên môn mà còn nâng cao hơn được kỹnăng làm việc nhóm, trau dồi thêm ngoại ngữ, biết cách phân tích và tư duy, cùng nhiềukỹ năng mềm khác Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTi

PHÂN CÔNG NHÂN LỰC VÀ CÔNG VIỆCivCHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LỌC CAO TẦN1

3.2 Xây dựng chỉ tiêu kĩ thuật 10

3.3 Thiết kế bộ lọc thông thấp 11

3.4 Chuyển đổi mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải 11

3.4.1 Với dải tần 1805 - 1880 Mhz (downlink) 11

3.4.2 Với dải tần 1710 - 1785 Mhz (uplink) 12

3.5 Chạy mô phỏng ADS và tinh chỉnh toàn mạch 12

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ14

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Hình 3.3 Sơ đồ mạch BPF uplink mô phỏng trên ADS 12

Hình 3.4 Sơ đồ mạch BPF dowmlink mô phỏng trên ADS 13

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng Return loss (S11) của bộ lọc GSM 1800Mhz link Butterworth 14

up-Hình 4.2 Kết quả mô phỏng Insertion loss (S21) của bộ lọc GSM 1800Mhzdownlink Butterworth 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 0.1 Đánh giá năng lực iv

Bảng 0.2 Phân công công việc iv

PHÂN CÔNG NHÂN LỰC VÀ CÔNG VIỆC

Để có thể hoàn thành bài tập lớn một cách hiệu quả nhất với thời gian nhanh nhấtcó thể, chúng tôi đã phân tích điểm mạnh và điểm yếu của từng thành viên trong nhóm.

Bảng 0.1Đánh giá năng lực

STTHọ và tênĐiểm mạnhĐiểm yếu

1 Nguyễn Văn Nam Có trách nhiệm vớicông việc, thành thạo

latex, đọc hiểu tốt

Tiếng anh còn kém,chưa thành thạo phần

mềm ADS2 Nguyễn Đình Tuấn Có trách nhiệm với

công việc, đọc hiểu tốt,thành thạo ADS

chưa thành thạo latex

3 Lê Danh Thăng Có trách nhiệm vớicông việc, tính toán tốt,

Chưa thành thạo ADS

5 Nguyễn Quang Hiếu Có trách nhiệm vớicông việc, thành thạoADS, chịu khó tìm tòi

chưa thành thạo latex

6 Trần Đình Anh Tuấn Có trách nhiệm vớicông việc,đọc hiểu tàiliệu tốt, chịu khó tìm tòi

Chưa thành thạo latexvà ADS

Căn cứ vào bảng phân tích nhân lực,chúng tôi đã phân chia công việc như sau:

Bảng 0.2Phân công công việcSTTHọ và têncông việc

2 Nguyễn Đình Tuấn Thiết kế mạch ADS và mô phỏng3 Lê Danh Thăng Tìm hiểu lý thuyết, tìm tài liệu

5 Nguyễn Quang Hiếu Tính toán, tìm hiểu lý thuyết

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LỌC CAO TẦN

Để tìm hiểu tìm hiểu rõ hơn về bộ lọc thì chương đầu tiên này sẽ cho thấy đượcsự phát triển của bộ lọc tần số cũng như những ứng dụng hết sức quan trọng của bộ lọctrong hệ thông thông tin di động ngày nay.

1.1 Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển

Bộ lọc tần số là một bộ lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải tần mongmuốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác Theo dạng đáp ứng tần, ngườita chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọcthông cao (High-pass filter – HPF), Bộ lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và Bộ lọcchắn dải (Band-stop filter – BSF) Hai loại bộ lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toànbộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại bộ lọc còn lại cho phéptruyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên vàtần số cắt dưới.

Hình 1.1 Các loại bộ lọc

Hình 1.1 mô tả đặc các dạng bộ lọc Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trongcác 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 và các hệ thống khác Với sự tiếnbộ của thông tin và các ứng dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từphải chia sẻ ngày càng nhiều cho hệ thống Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ đượcgiới hạn trong một khoảng phổ tần nhất định Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giớihạn tín hiệu trong khoảng tần số đó Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệthống.

Hình 1.2 Kiến trúc kiểu mẫu của một máy phát

Hình 1.2 cho thấy vai trò quan trọng của bộ lọc tần số trong hệ thống thu - phátsóng.

Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất một cách độc lập bởi Campbell vàWagner vào năm 1915 Kết quả có được xuất phát từ những nghiên cứu về đường truyềncó tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Các nghiên cứu sau đó phát triển theo haihướng độc lập, đó là nghiên cứu lý thuyết về các tham số ảnh (image-parameter) và lýthuyết tổn hao xen (insertion-loss).

Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởi Campbell,Zobel và một vài người khác Phương pháp này giúp xây dựng các mạch lọc thụ độngsử dụng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng hai cửa khác hẳn cáctham số tán xạ như đã biết Sự mô tả này được lý tưởng hóa vì các tham số đầu vào vàđẩu ra của một khâu hai cửa trong phương pháp này thường không thể hiện chính xácđược Vì thế phương pháp tham số ảnh chỉ là phương pháp xấp xỉ Ưu điểm của phươngpháp này là có thể thiết kế ra những mạch lọc bậc cao mà không cần sự trợ giúp của máytính Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duy nhất được biết đến cho đến năm 1939 vàcũng là phương pháp thủ công duy nhất Tuy nhiên, người thiết kế khó có thể kiểm soátđược đặc tính của dải thông và dải chắn khi sử dụng phương pháp này Vì thế nếu yêucầu độ chính xác nhiều hơn thì phương pháp này không đảm bảo.

Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra thông dụng và có hiệu quả hơn phương pháp thamsố ảnh được Darlington và Cauer đề xuất vào năm 1939 Về cơ bản, lý thuyết này sẽxấp xỉ các đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt, và xây dựng nên một mạch điệnthỏa mãn hàm truyền đạt đó Như vậy, bài toán xấp xỉ hóa và bài toán thực hiện có thểđược giải quyết riêng rẽ một cách tối ưu và chính xác nhất Với phương pháp này, việcthiết kế mạch lọc được chia thành 2 bước: Xác định hàm truyền đạt thỏa mãn yêu cầuđặc tính của mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụng đáp ứng tần đã được ước lượng bằnghàm truyền đạt Tuy nhiên, phương pháp này chưa được chú ý ngay do yêu cầu một khốilượng tính toán khổng lồ Cho đến giữa những năm 1950, phương pháp này mới bắt đầuđược áp dụng rộng rãi Với sự tiến bộ của các hệ thống máy tính tốc độ cao, phươngpháp tổn hao xen dần dần trở nên thông dụng hơn cả phương pháp tham số ảnh.

Cùng với sự hoàn thiện của lý thuyết, các thiết kế mạch lọc được phát triển từ các

mạch cộng hưởng tham số tập trung LC đến các cấu trúc cộng hưởng tham số phân tánnhư cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Đồng thời, những tiến bộ trong côngnghệ vật liệu đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo các dạng cấu trúc lọc khác, nhưvật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn Mạch lọc vi dải là một dạng cấu trúclọc quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in.

Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc được sửdụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải Các bộ lọcđồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao và kích thướcnhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo Các cấu trúc điện môi cũng có kích thước nhỏ và ít tổnhao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹ thuật xử lý phức tạp làđiểm hạn chế của dạng bộ lọc này Bộ lọc ống dẫn sóng được áp dụng khá rộng rãi, nhờkhả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trong các ứng dụng cao tần, nhược điểmcủa chúng là có kích thước lớn.

Hiện nay, các mạch lọc thông dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tinvô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội cũng như sự dễ dàng trong việc chế tạo.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ở chương 2 này chúng tôi sẽ nói những lý thuyết căn bản về bộ lọc thông thấp(LPF), bộ lọc thông cao (HPF) và bộ lọc thông dải (BPF) Do chủ đề nghiên cứu tậptrung đến bộ lọc thông dải nên chúng tôi sẽ bỏ qua bộ lọc chắn dải, các bạn có thể tìmhiểu thêm ở [1] Bên cạnh đó là tìm hiểu về tần số hoạt động 1800Mhz của bộ lọc GSM.

C D#

1 RG

# "1 R

0 1# "

jωC 1# 11 0

1 +(R + RG)(jωC + 1

RL) RG+ RLjωC + 1

•Đáp ứng tần sốA =vv1

2|i2=0→1A= H(ω)= 1

1 + jω(R + RG)C (2.2)•Góc φ tương ứng

φ (ω)=tan−1Im[H(ω)]

•Độ trễ

2.1.2 Bộ lọc thông cao (HPF)

Hình 2.2 Cấu trúc bộ lọc thông cao

Hình 2.2 mô tả cấu trúc mạch của bộ lọc thông cao Ta có thể tính mạch theo matrận sau:

"A B

C D#

1 RG

#"1 R

0 1#

1 +(R + RG)( 1jωL+

RL) RG+ RL1

jωL+ RL)(R + RG) (2.6)•Cho ω → ∞

VG=11 +R + RG

Hình 2.3 Đặc tuyến biên độ của bộ lọc thông dải

Bộ lọc thông dải thông thường có thể thu được bằng cách kết hợp bộ lọc thông thấpvà thông cao hoặc áp dụng thông thấp thông thường cho băng thông biến đổi Ở bài toánthiết kế bộ lọc GSM 1800Mhz này, chúng tôi áp dụng bộ lọc thông thấp chuyển đổi quabộ lọc thông dải, nên chúng tôi bỏ qua cách kết hợp bộ lọc thông thấp và thông cao.

CBP norn shunt= CLP norm_

ωupper−ωlower (2.9)LBP norn series= LLP norm_

ωupper−ωlower (2.10)CBP norn series=ωupperω2L− ωLP norm_lower (2.11)

Lactual= Lnormalized gR (2.13)Dạng đặc trưng của hàm truyền hay tiêu hao chèn của bộ lọc mẫu thông thấp chuẩnhóa phổ biến được chọn tiệm cận với các hàm toán học thường có dạng đơn giản là cácđa thức phẳng cực đại (Butterworth) và đa thức Chebyshev Trong báo cáo lần này chúngtôi sử dụng đa thức butterworth.

Hình 2.5 Chuẩn hóa bộ lọc thông thấp theo Butterworth

Hình 2.5 là cách chuẩn hóa các phần tử bộ lọc thông thấp, theo số lượng phần tửN Ví dụ với N=3 thì ta có g1=1, g2=2, g3= 1,g4= 1.và có mạch như sau:

Hình 2.6 Mạch LPF với N=3

Ta có thể chọn N tùy ý, sao cho phù hợp với mục đích sử dụng để có hệ số suy haophù hợp.

Hình 2.7 Hệ số suy hao của LPF butterworth

Hình 2.7 cho thấy việc chọn N ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số suy hao của toànmạch, nên hãy chú ý chọn N sao cho phù hợp Ở bài toán thiết kế bộ lọc GSM 1800Mhz,chúng tôi chọn N bằng 3 để tiện cho việc kiểm thử.

2.2 Tần số 1800Mhz trong hệ thống GSM

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) do đó các máyđiện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất Các mạngdi động GSM hoạt động trên 4 tần số Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800MHz.

Hình 2.8 Cấu trúc mạng GSM

Hình 2.8 cho thấy cấu trúc mạng GSM gồm có 3 phần chính:

•Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem•Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem

•Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystemBạn đọc có thể tìm hiểu rõ hơn trong cuốn sách "GSM, GPRS and EDGE Performance:Evolution Towards 3G/UMTS" [2].

•GSM-900Mhz sử dụng dải tần 890-915Mhz để gửi thông tin từ trạm di dộng đếntrạm thu phát (uplink) và 935 - 960 MHz cho hướng khác (downlink), cung cấp 124kênh RF (kênh số 1 đến 124) và có độ rộng 200 kHz Khoảng cách giữa tần số thuvà phát của băng GSM-900 là 45MHz

•GSM-1800Mhz sử dụng dải tần 1710 - 1785 MHz để gửi thông tin từ trạm di độngđến Trạm thu phát (uplink) và 1805 - 1880 MHz cho hướng khác (downlink), cungcấp 374 kênh (kênh số từ 512 đến 885) và có độ rộng 200kHz Khoảng cách giữatần số thu và phát của băng GSM-1800 là 95MHz

Dựa vào dải tần hoạt động kia, chúng ta dễ dàng setup được tần số cho mạch để có đượchệ số phản xạ tối ưu Ở nước ta, hiện nay đa số sử dụng tần số 900Mhz, còn tần số1800Mhz ta thấy ở nước ngoài nhiều hơn.

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌCGSM 1800MHz

3.1 Quá trình thiết kế

1 Xây dựng chỉ tiêu

•Xác định dải tần làm việc•Xác định tần số trung tâm ( f0)•Chọn độ gợn sóng

•Xác định loại bộ lọc (butterworth, Chebyshev, )

•Xác định bậc của bộ lọc thông thấp mẫu (theo công thức, theo đồ thị)

•Chọn sơ đồ lọc mẫu thông thấp chuẩn hóa (Điện dung song song, Điện cảm nốitiếp)

•Xác định dạng đặc trưng của hàm truyền đạt2 Thiết kế bộ lọc thông thấp mẫu lý tưởng

3 Chuyển đổi mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải4 Chạy mô phỏng ADS và tinh chỉnh toàn mạch

3.2 Xây dựng chỉ tiêu kĩ thuật

•Dải tần làm việc(tần số giới hạn): 1710 - 1785 MHz (uplink), 1805 - 1880 MHz(downlink) lần lượt theo 2 tần số trung tâm phía dưới.

•Tần số trung tâm: Có 2 tần số trung tâm là 1747.5 MHz và 1842.5 MHz.•Loại bộ lọc: BPF

•Bậc của bộ lọc: 3

•Sơ đồ bộ lọc mẫu thông thấp: Điện dung song song•Dạng đặc trưng của hàm truyền: Butterworth

3.3 Thiết kế bộ lọc thông thấp

Giá trị của tụ điện và cuộn cảm đối với LPF nguyên mẫu có thể được lấy trực tiếp từhình 2.5 Chọn N = 3 , do đó ta có g1= g3= =1 LLP1=LLP3(H)và g2= 2 = CLP2( )F;trở kháng nguồnGG= g0= 1(Ω)và trở kháng tảiZ0= g4= 1( )Ω.

Hình 3.1 Sơ đồ mạch LPF sử dụng các phần tử tập trung

3.4 Chuyển đổi mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải

Áp dụng cách chuyển mạch từ LBF sang BPF trong hình 2.4 ta có được mạch bộlọc thông dải (BPF) như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ mạch BPF

Hình 3.2 là sơ đồ mạch BPF với trở kháng nguồn RG=ZG= 50(Ω)và trở khángtải RL= ZL= 50( )Ω Cùng với 1 dạng mạch này, chúng ta thay đổi dải tần trên chúng sẽcó được các dải tần Uplink, Downlink tương ứng của mạch lọc GSM 1800Mhz.3.4.1 Với dải tần 1805 - 1880 Mhz (downlink)

ωupper= 1880.2π.106(Rad/s) (3.15)ωlower= 1805.2π.106(Rad/s) (3.16)ω0=√ωupper.ωlower=√1880.2π.1805.2π.106=1842 1183, 2π.106(Rad s/ ) (3.17)Áp dụng công thức 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11 với trở kháng nguồn ZG= g0= 50(Ω)và trởkháng tải RL=g4= 50(Ω)ta tính được các giá L và C trong mạch BPF sau khi đượcchuyển đổi như sau:

CBP1d= CBP3d= 1ZG

= 0.07035(pF) (3.19)

LBP2d=ZGωupper− ωlowerω2g2

CBP2d= 1ZG

3.4.2 Với dải tần 1710 - 1785 Mhz (uplink)

Hoàn toàn tương tự với cách tính như ở dải tần 1805 - 1880 Mhz, ta có được giá trịsố liệu như sau:

ωupper= 1785.2π.106(Rad/s) (3.23)ωlower= 1710.2π.106(Rad/s) (3.24)ω0= ωupper.ωlower= 1747 0976 .2π.106(Rad/s) (3.25)LBP1u= LBP3u= ZG g1

= 0 106, (µH) (3.26)

CBP1u= CBP3u= 1

ZGωupperω−2gω1lower = 0 07821, (pF) (3.27)LBP2u=ZGωupper−ωlower

CBP2u= 1ZG

3.5 Chạy mô phỏng ADS và tinh chỉnh toàn mạch

Hình 3.3 Sơ đồ mạch BPF uplink mô phỏng trên ADS