Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triển một cách nhanh chóng. Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phải được chia sẻ. Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau.Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau.Như vậy đặc tính lọc, hay đáp ứng tần, của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số trong dải tần một cách tối ưu nhất. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá thành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu, bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperature Superconductors – HTS), mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMIC), hệ vi điện cơ (Microelectromechanic Systems – MEMS) … đã trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc lọc vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần. Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính (CAD tools), chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trường điện từ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần. Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ 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) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF). Trong đó, bộ lọc thông dải đóng vai trò gần như quan trọng nhất trong các thiết bị thông tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp. Đồ án này thực hiện “Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc thông dải băng thông rộng (BPF) có kich thước nhỏ gọn”
1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Bộ lọc tần số, vai trò 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: lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc thông dải lọc chắn dải Hai loại lọc cho phép tín hiệu tồn dải tần phía phía tần số cắt qua, hai loại lọc lại cho phép truyền qua chặn lại tín hiệu dải tần định nằm tần số cắt tần số cắt Hình 1.1 mơ tả dạng đáp ứng tần ký hiệu sơ đồ khối loại lọc Hình 1.1 Bốn loại lọc: a) thông thấp; b) thông cao; c) thông dải; d) chắn dải 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 cho ngày nhiều hệ thống Tín hiệu điện từ hệ thống giới hạn khoảng phổ tần định Các lọc dùng để lựa chọn giới hạn tín hiệu ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP khoảng tần số Chúng đóng nhiều vai trị khác hệ thống, Hình 1.2 sơ đồ máy thu phát vơ tuyến Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát vô tuyến song công Phần sơ đồ khối phía thực chức thu, cịn phần phía thực chức phát Hai chức sử dụng chung anten, song cơng (duplexer) dao động nội (LO) Có thể thấy, nhiều lọc sử dụng hệ thống thực nhiệm vụ khác Chẳng hạn phần thu, lọc phía sau LNA dùng để chặn tần số ảnh tần số rò rỉ từ đường truyền Nếu khơng có ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh đổi xuống trung tần (IF) gây nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu tạp âm (S/N) hệ thống Sau trộn tần, lọc thông thấp khử thành phần khơng mong muốn tín hiệu sau trộn tần số rò từ dao động nội.Trong phần phát, lọc đặt trộn khuếch đại công suất để lựa chọn tần số mong muốn loại bỏ tần số khác tạo sau đổi tần lên Cả khối phát khối thu sử dụng chung song công gồm hai mạch lọc thông dải Một lọc có dải thơng dải tần thu, dùng để lựa chọn tần số cho thu khử tín hiệu khác truyền đến thu Với lọc kia, tần số trung tâm tần số phát, lọc giúp loại bỏ nhiễu tần số giả băng Lý thuyết mạch lọc lần đề xuất cách độc lập Campbell Wagner vào năm 1915.Kết có xuất phát từ nghiên cứu đường truyền có tải lý thuyết cổ điển hệ dao động Các nghiên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP cứu sau phát triển theo hai hướng độc lập, nghiên cứu lý thuyết tham số ảnh (image-parameter) lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss) Phương pháp tham số ảnh phát triển vào năm 1920 Campbell, Zobel vài người khác Phương pháp giúp xây dựng mạch lọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng hai cửa khác hẳn tham số tán xạ biết Sự mô tả lý tưởng hóa tham số đầu vào đẩu khâu hai cửa phương pháp thường khơng thể xác Vì phương pháp tham số ảnh phương pháp xấp xỉ Ưu điểm phương pháp thiết kế mạch lọc bậc cao mà khơng cần trợ giúp máy tính Đây phương pháp thiết kế lọc biết đến năm 1939 phương pháp thủ cơng Tuy nhiên, người thiết kế khó kiểm sốt đặc tính dải thơng dải chắn sử dụng phương pháp Vì u cầu độ xác nhiều phương pháp không đảm bảo Lý thuyết tổn hao xen tỏ thơng dụng có hiệu phương pháp tham số ảnh Darlington Cauer đề xuất vào năm 1939 Về bản, lý thuyết xấp xỉ đặc tính mạch lọc hàm truyền đạt, xây dựng nên mạch điện thỏa mãn hàm truyền đạt Như vậy, tốn xấp xỉ hóa tốn thực giải riêng rẽ cách tối ưu xác Với phương pháp này, việc thiết kế mạch lọc chia thành bước: Xác định hàm truyền đạt thỏa mãn yêu cầu đặc tính mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụng đáp ứng tần ước lượng hàm truyền đạt Tuy nhiên, phương pháp chưa ý u cầu khối lượng tính tốn khổng lồ Cho đến năm 1950, phương pháp bắt đầu áp dụng rộng rãi.Với tiến hệ thống máy tính tốc độ cao, phương pháp tổn hao xen trở nên thông dụng phương pháp tham số ảnh Phương pháp đề cập kỹ chương đồ án Cùng với hoàn 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 q trình nghiên cứu chế tạo ĐỜ ÁN TỐT NGHIỆP 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 kich thức 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 úng dụng cao tần, nhược điểm chúng có kích thước lớn Hiện nay, mạch lọc thơng dải sử dụng nhiều thiết bị thông tin vô tuyến nhờ ưu điểm vượt trội, dễ dàng việc chế tạo 1.2 Động lực nghiên cứu Trong hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc sử dụng với nhiều dạng đáp ứng tần khác nhau, thông thấp, thông cao, thông dải hay chắn dải Trong dạng đó, mạch lọc thơng dải sử dụng rộng rãi Nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải đề xuất Để đạt yêu cầu hoạt động dải thông cố định khơng phải điều q khó khăn Tuy nhiên đặt yêu cầu dải tần phải rộng, kích thước vật lý mạch lọc phải thu nhỏ tối đa tốn trở nên phức tạp Trong hệ thống thông tin vệ tinh thông tin di động nay, việc thu nhỏ kích thước mạch lọc trở thành vấn đề quan trọng bậc Mặc dù kích thước mạch thơng dải thu nhỏ cách chế tạo đế điện mơi có số điện mơi lớn, việc thay đổi cấu trúc hình học mạch thơng dải lại thường tính đến, số điện mơi lớn thường dẫn đến tượng sóng mặt gây tổn hao nhiều Đối với mạch lọc dải rộng, giải pháp thay đổi cấu trúc hình học thường thấy bẻ gấp đoạn đường truyền thẳng mạch lọc thông thường để có dạng mạch lọc với kích thước nhỏ ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP Bên cạnh đó, tiến vượt bậc việc tính tốn trường điện từ, động lực quan trọng góp phần lớn vào phát triển cấu trúc mạch lọc phức tạp Các phương pháp tính tốn trường điện từ phương pháp MoM (Method of Moments), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method), phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian (FDTD-Finite Difference Time Domain) phát triển năm gần Cùng với xuất công cụ mô trường điện từ sử dụng phương pháp trên, kết mô trở nên đáng tin cậy gần với kết đo đạc Ngày nay, với máy tính với khả tính tốn cải thiện cách đáng kể, nhà nghiên cứu đẩy nhanh q trình phát triển dạng cấu trúc lọc tần số Chính thế, ngày xuất nhiều lọc với kiểu kích thích khác nhau, nối thêm đoạn, nhánh nhằm đạt đặc tính lọc mong muốn, với mục đích chung để tạo mạch lọc có kích thước nhỏ, chi phí thấp khả chọn lọc tần số tối ưu 1.3 Kết mong muốn Trong đồ án này, tập trung nghiên cứu, giới thiệu phương pháp thiết kế mạch lọc thơng dải có dải thơng rộng, dải tần từ 1.4GHz đến 5.4GHz, dựa cấu trúc chắn dải điện từ đồng phẳng biến dạng DUC-EBG Quá trình phân tích thiết kế mơ thực phần mềm HFSS 12, tính tốn trường điện từ phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian (Finite Difference Time Domain – FDTD) để thu tham số tổn hao ngược hệ số truyền đạt TỔNG KẾT CHƯƠNG Như thấy, với vai trị thành phần thiếu hệ thống thơng tin sóng điện từ, mạch lọc tần số lý thuyết phân tích thiết kế mạch lọc có q trình phát triển lâu dài tương đối hoàn thiện Tuy nhiên việc nghiên cứu lý thuyết tiếp tục thực thời gian gần dựa phương pháp tính tốn nhằm tạo ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP cấu trúc lọc kích thước gọn nhẹ khả chọn lọc tần số tối ưu nhất.Các lý thuyết trình bày chi tiết chương sau ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết chung phân tích mạch điện cao tần Khái niệm siêu cao tần (Microwave) dùng để sóng điện từ dao động điều hịa có tần số khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, với chiều dài bước sóng tương ứng từ λ = c/f = m tới λ = mm Sóng điện từ với tần số 30 GHz đến 300 GHz gọi dải sóng milimeter; phổ tần phía dải sóng milimeter tia hồng ngoại, với bước sóng từ µm đến mm Bên dải tần tia hồng ngoại phổ tần ánh sáng nhìn thấy được, phổ tần tia cực tím sau tia X Bên dải phổ siêu cao tần dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency – RF) Ranh giới dải tần vô tuyến điện dải siêu cao tần thường khơng cố định Vì theo nghĩa rộng, ứng dụng cao tần thường hiểu thiết bị, hệ thống điện hoạt động dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz Dải tần chia thành băng tần nhỏ hơn, Hình 2.1 [1] Hình 2.1 Phổ tần số sóng điện từ cao tần 2.1.1.Lý thuyết đường truyền vi dải ĐỒ ÁN TỚT NGHIỆP Một cấu trúc vi dải thơng thường minh họa Hình 2.2a Dải dẫn sóng có bề rộng W độ dày t đặt đế điện mơi có số điện mơi tương đối chiều dày h, bên đế mặt phẳng kim loại nối đất Phân bố trường đường truyền vi dải mơ tải Hình 2.2b (a) (b) Hình 2.2 Đường truyền vi dải: (a) Cấu trúc hình học (b) Phân bố trường Giả sử khơng có đế điện môi , đường truyền lúc trở thành đường dây song hành với hai dải dẫn phẳng cách khoảng 2h (Mặt phẳng nối đất loại bỏ theo nguyên lý ảnh gương) Trong trường hợp này, ta có đường truyền sóng TEM đơn giản, với vận tốc pha số lan truyền Khi đặt dải dẫn lên đế điện mơi, phía mơi trường khơng khí, việc phân tích đường truyền lúc trở nên phức tạp Phần lớn trường điện từ truyền vùng điện môi dải dẫn mặt phẳng nối đất, cịn ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP phần vào vùng khơng khí phía đế Như đường truyền vi dải khơng phải đường truyền sóng TEM hồn tồn, vận tốc pha sóng TEM vùng điện môi , vận tốc pha vùng khơng khí c Trên thực tế, trường điện từ đường truyền vi dải kiểu lai tạp sóng TM-TE Nhưng hầu hết ứng dụng thực tế, chiều dày đế điện môi nhỏ so với chiều dài bước sóng , nên coi sóng truyền đường vi dải gần sóng TEM (quasi-TEM) [2] Vận tốc pha số lan truyền tính sau: (2.1) (2.2) Với số điện môi hiệu dụng: (2.3) Trở kháng đặc trưng đường truyền vi dải tính sau: (2.4) Nếu cho trước giá trị trở kháng đặc trưng số điện mơi tương đối, tỷ số tính sau: (2.5) Trong đó: 2.1.2 Phân tích mạng siêu cao tần 2.1.2.1 Các tham số mạng siêu cao tần Một mạch lọc cao tần nói riêng hay mạch điện cao tần có hai đầu cuối nói chung mô tả mạng hai cửa Hình 2.3, với điện áp cường độ dòng điện cửa cửa 2, trở kháng đầu 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP cuối, điện áp nguồn Ở đây, điện áp dòng điện đại lượng dao động điều hòa theo thời gian Điện áp cửa bằng: (2.6) Biên độ điện áp cửa coi biên độ phức viết sau: (2.7) Hình 2.3Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) Đối với mạch cao tần, việc đo cường độ dòng điện điện áp không quan trọng đo công suất vào Mặt khác, tần số siêu cao, việc đo điện áp dòng điện thường cho đại lượng tỷ số sóng đứng (SWR), hệ số phản xạ… Tham số dễ đo công suất tới công suất phản xạ, điều kiện thử lý tưởng mạng cửa phối hợp tải Người ta định nghĩa biến số , a biểu thị sóng cơng suất tới b biểu thị cho sóng cơng suất phản xạ Mối quan hệ biến công suất điện áp, dòng điện là: với n = 1; (2.8a) Hay với n = 1; (2.8b) Với định nghĩa biến số trên, công suất cửa n là: (2.9) 36 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các điều kiện biên cụ thể hóa đặc tính trường bề mặt vùng toán giao diện vật thể Khu vực ý kỹ thuật bao gồm thông tin loại đường biên: Perfect E; Perfect H; Trở kháng; Phát xạ; PML; Chất dẫn điện hữu hạn; Đối xứng; Chủ - tớ; Lumped RLC; Trở kháng phân lớp; Các mặt phẳng đất vô hạn Các vật liệu Các tính chất vật liệu tuyến tính: - Hệ số từ thẩm tương đối Hệ số điện môi tương đối Điện dẫn khối Tổn hao điện mơi tiếp tuyến Tổn hao từ tiếp tuyến Các tính chất vật liệu ferít: - Đường bão hịa từ Hệ số Lande G Delta H Thông tin bao gồm điều sau: - Các vật liệu không đẳng hướng Các tính chất vật liệu phụ thuộc tần số Loại lời giải Lời giải Driven Modal Lựa chọn loại lời giải Driven Modal bạn muốn HFSS tính hệ số S dựa cách thức linh kiện thụ động, cấu trúc tần số cao vi dải, ống dẫn sóng đường truyền dẫn Các lời giải ma trận S biểu diện thành cách số hạng lượng tới phản xạ mốt ống dẫn sóng Lời giải Driven Terminal Lựa chọn loại lời giải Driven Terminal bạn muốn HFSS tính tốn tham số S dựa đầu cuối cổng truyền dẫn đa chất dẫn Các lời giải ma 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trận S biểu diễn thành số hạng điện áp đầu cuối dòng điện đầu cuối Lời giải mốt riêng Lựa chọn loại lời giải mốt riêng để tính mốt riêng, hay cộng hưởng cấu trúc Bộ giải mốt riêng tìm tần số cộng hưởng cấu trúc trường tần số cộng hưởng 2.5.1.3 Giao diện mô phần mềm HFSS Hình 2.26 Giao diện xây dựng mơ hình thiết lập mơ phần mềm HFSS 38 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP Hình 2.27 Giao diện thể kết mô TỔNG KẾT CHƯƠNG Trong chương 2, trình bày sở lý thuyết cần thiết cho việc phân tích thiết kế cấu trúc mạch lọc thông dải Xuất phát từ lý thuyết phân tích mạng siêu cao tần đường truyền sóng, đến lý thuyết mạch lọc cao tần, từ phân tích đặc tính mạch cộng hưởng dạng vòng giới thiệu chung cấu trúc chắn dải điện từ EBG Đây tiền đề quan trọng để thực q trình phân tích thiết kế mạch lọc thơng dải băng rộng trình bày chi tiết chương sau đồ án 39 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI 3.1 Giới thiệu chung Gần đây, lọc dải băng rộng nhỏ gọn (BPFs) thu hút nhiều ý với ứng dụng hệ thống thông tin vô tuyến hệ Đến nay, có nhiều lọc thong dải băng rộng khác phát triển Trong [6], lọc thông dải băng thông rộng dựa hay nhiều cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) đa mode thực cách phát triển quy trình có hệ thống Trong [7], BPF băng rộng dựa SIR không đối xứng Việc thực mở rộng dải thơng đạt cách kết hợp hai mode cộng hưởng SIR không đối xứng Bên cạnh đó, lọc thơng dải với cộng hưởng đa-mode dạng vi dải (MMR) dễ dàng đạt dải thông rộng mà không cần sử dụng cấu trúc phức tạp MMR tạo hai mode cộng hưởng, tương ứng với chiều dài ¼ bước sóng ¾ bước sóng dải thơng Điều cho thấy chiều dài cộng hưởng MMR phải ½ bước sóng tần số trung tâm băng rộng Bên cạnh việc tạo lọc thơng dải có băng thơng rộng vấn đề giảm nhỏ kích thước lọc thơng dải nhận quan tâm nhà khoa học Có số nghiên cứu giảm kích thước đưa [8,9] Trong [8], lọc sử dụng cộng hưởng MMR có kích thước nhỏ gọn đề xuất cách sử dụng tải ba dây chêm tải hở mạch đầu cuối mắc song song với cộng hưởng, cộng hưởng MMR dạng gấp khúc sử dụng để giảm kích thước cho lọc thơng dải [9] Hơn nữa, để giảm độ dài cộng hưởng MMR cần bổ sung thêm tụ điện cuộn cảm sơ đồ mạch LC tương đương lọc Một cấu trúc EBG đồng phẳng biến dạng (DUC-EBG), với khả tạo nhiều thành phần 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP L, C so với cộng hưởng MMR thơng thường, áp dụng để giảm kích thước lọc 3.2 Mạch lọc dựa cấu trúc chắn dải điện từ EBG Từ mục tiêu sử dụng cấu trúc EBG thiết kế lọc thơng dải băng rộng BPF, ngồi ra, cuộn cảm tụ điện giới thiệu từ cấu trúc EBG Do đó, cấu trúc EBG sử dụng thiết kế BPF loại đồng phẳng biến dạng EBG Trong cấu trúc này, điện dung điện cảm tương đương thu cách khoét xác nhiều hình phần tử UC- EBG Từ cấu trúc UC- EBG thơng thường hình 3.1a, đường thẳng chuyển thành đường uốn khúc để kết nối hai ô vuông cạnh Các đường dẩn đưa cuộn cảm tương đương khoảng cách cạnh dẫn hai lưới tiếp giáp đưa điện dung tương đương Tuy nhiên, thiết kế này, đường uốn khúc cấu trúc hình 3.1b thay đường thẳng để đạt kết hợp tốt với dòng Ở bốn góc trung tâm bề mặt kim loại khoét vòng cộng hưởng ( SSRR ) hai khe cắm hình chữ L gắn vào, tương ứng, để có phần tử tập trung Trong cấu trúc EBG đề xuất (xem hình 3.2), phần tử tập trung LC ảnh hưởng trực tiếp đến trở kháng đặt tính Zc cấu trúc EBG Trong thiết kế này, điều kiện cộng hưởng xác định dựa vào trở kháng Zc Dải tần cộng hưởng xác định Zc xấp xỉ 50 Ω Zc dễ dàng tính lý thuyết đường truyền phần tư bước sóng biểu diễn cơng thức bên dưới: ZC=Z0 Với |S11|là độ lớn hệ số phản xạ đơn vị decibel (dB) Do đó, giá trị Zc mong muốn dễ dàng đạt điều chỉnh thông số Zc, Zo, S1 Trên thực tế, trở kháng đặc tính Zc khảo sát đặt chiều dài cộng hưởng, mà đặt vào hai đường ghép nối hai đầu, khoảng phần tư bước sóng truyền lớp điện môi tần số trung tâm dải thơng thiết kế 41 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP 3.3 Thiết kế mạch lọc thơng dải băng rộng Mơ hình đề xuất lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ đồng phẳng biến dạng DUC-EBG giới thiệu hình 3.3b, mơ hình lọc tham khảo sử dụng cộng hưởng đa mode MMR dạng vi dải giới thiệu hình 3.3a Bộ lọc đề xuất bao gồm phần tử DUCEBG đặt hai đường ghép nối xen kẽ đặt hai đầu đường truyền vi dải 50 Ω (a) (b) Hình 3.1 (a) Cấu trúc EBG đồng phẳng (UC-EBG) (b) Cấu trúc EBG ba băng tần Hình 3.2 Cấu trúc EBG đề xuất sơ đồ mạch LC tương đương 42 ĐỒ ÁN TỚT NGHIỆP (a) (b) Hình 3.3 Bộ lọc thơng dải băng rộng với kích thước đơn vị mm: (a) Bộ lọc tham khảo với cộng hưởng MMR vi dải (b) Bộ lọc đề xuất Để so sánh với nhau, hai lọc băng rộng in lớp điện môi (FR4) với số điện môi 4,4 độ dày 1,6 mm hệ số suy hao 0,02 Các đường dẫn vào xen kẽ sử dụng cải thiện mức độ gắn kết cộng hưởng đường dẫn vào Đường tiếp điện dạng xen kẽ sử dụng nhằm nâng cao khả ghép nối thành phần cộng hưởng thành phần tiếp điện Cả hai lọc thiết kế để cộng hưởng dải thông từ 1.4 - 5.4 GHz Để đạt dải thông này, đường ghép nối sử dụng hai lọc thơng dải băng rộng BPF phải có đỉnh ghép nối tần số trung tâm 3,4 GHz Khi đó, chiều dài cộng hưởng đa mode MMR lọc BPF tham khảo nửa bước sóng 3,4 GHz để tạo hai tần số cộng hưởng gần 1,4 5,4 GHz Tổng trở kháng đặc tính (Zc) thường có giá trị gần 50Ω suốt dải thông để tạo phối hợp trở kháng dải rộng Bộ lọc BPF tham khảo thiết kế để đạt dải thông (1,4-5,4 GHz) với đường ghép nối xen kẽ có chiều dài 12 mm 43 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP chiều dài cộng hưởng MMR vi dải 22 mm Để giảm kích thước lọc BPF, dãy gồm hai phần tử DUC-EBG đặt hai đường ghép nối hai đầu lọc đề xuất BPF đề xuất thiết kế để đạt dải thông tương tự BPF tham chiếu Chiều dài dãy hai phần tử DUC-EBG 11,6 mm (0,27 λg), chiều dài cộng hưởng MMR truyền thống 0,52 λg (λg bước sóng truyền lớp điện môi tần số trung tâm) Tổng chiều dài BPF đề xuất 35,6 mm không kể đến đường tiếp điện 50Ω Nhờ vào tính đối xứng phần tử đơn DUC-EBG, sơ đồ mạch LC tương đương phần tử thể hình 3.2 Cụ thể, điện dung C0 tạo nhờ khoảng cách phiến kim loại mặt lớp đế kim loại nối đất (đặt song song nhau) C1 điện dung tạo khoảng hở kim loại đặt góc đường vi dải thẳng nối hai phần tử đơn Điện dung C tạo khoét khe hình chữ L trung tâm bề mặt kim loại Điện cảm L tạo dòng qua đường vi dải thẳng, đoạn vi dải hình vng nối hai khe chữ L biểu diễn tương đương với điện cảm L Các giá trị điện dung C2 điện cảm L2 tạo khoét vòng cộng hưởng SRR bề mặt kim loại bốn góc 44 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP Hình 3.4 Hệ số tổn hao chèn (S21) BPF đề xuất với chiều dài ghépnối khác Hình 3.4 hiển thị kết mô hệ số tổn hao chèn S21 dải tần số (0-7,0 GHz) tương ứng với ba chiều dài ghép nối khác Như thấy chiều dài đường ghép nối mm mm, khả ghép nối yếu tần số cộng hưởng với đỉnh S21 có độ lớn khoảng 3,4 GHz Khi chiều dài ghép nối tăng từ mm đến mm, độ lớn S21 tăng nhẹ Trong trường hợp chiều dài ghép nối tăng lênđến 12 mm tương ứng với λg/4 tần số 3,4 GHz, tồn đáp ứng S21 phẳng nằm sát trục hoành (0 dB) dải thơng Vì vậy, việc ghép nối tốt xác định cách xác cách thay đổi chiều dài đường ghép nối 3.4 Kết thực nghiệm Sau xác định độ dài ghép nối tốt độ dài cộng hưởng, hai lọc mô tối ưu, chế tạo đo thực nghiệm Kết mô tham số tán xạ hai lọc biểu diễn hình 3.5 Băng thơng thực tế lọc xác định với S21 -3 dB S11 -10 dB Như thấy từ hình 3.5, hai lọc có dải thơng gần tương đồng Hình 3.6 mơ tả kết mô đo thực nghiệm tham số tán xạ lọc riêng lẻ Các kết mô hệ số tổn hao chèn cực đại (S21) hai lọc 2,8 dB dải thông, với băng thông từ 1.4 GHz đến 5.4 GHz Tổn hao ngược (S11) -10dB dải thơng Mơ hình chế tạo thực nghiệm hai lọc giới thiệu hình 3.6 Các đầu cuối vi dải 50Ω lọc hàn với đầu nối SMA 50Ω Việc đo thực nghiệm tham số tán xạ trễ nhóm lọc thực máy phân tích mạng Anritsu 37369D Từ hình 3.6, đo tổn hao chèn hai lọc lớn -1,5 dB khoảng từ 1,4GHz đến 4,1GHz lớn -3dB toàn dải thơng , bao gồm suy hao hai đầu nối SMA Hơn nữa, kết đo hệ số tổn hao ngược thấp -10 dB dải thơng từ 45 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP 1,5 đến 5,35 GHz Như vậy, ta thấy kếtt mô đo thực nghiệm tham số tán xạ hai lọc tương đối phù hợp (a) (b) Hình 3.5 Tham số tán xạ lọc: a) BPF tham khảo b) BPF đề xuất 46 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP Hình 3.6 Mơ hình chế tạo thực nghiệm hai lọc thơng dải băng rộng ảnh chụp hình kết đo tham số tán xạ lọc EBG đề xuất (a) 47 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (b) Hình 3.7 Trễ nhóm BPF tham khảo BPF đề xuất : (a) Kết mô (b) Kết thực nghiệm Đối với lọc thông dải băng rộng, thay đổi trễ nhóm dải thơng tần thơng số quan trọng Hình 3.7 Biểu diễn thơng số trễ nhóm dải tần số khảo sát hai lọc Giá trị biến thiên cực đại trễ nhóm đo thực nghiệm 2,1 ns, giá trị mơ 0,42 ns Như có độ lệch tương đối lớn trễ nhóm kết đo thực nghiệm mô Tuy nhiên, nguyên nhân dẫn đến khác biệt vài lý sau: thứ sai số mô phỏng, thứ hai sai số vật liệu điện môi thứ ba sai số chế tạo Lý có ảnh hưởng đo lường khơng phải lý Nguyên nhân khác biệt rõ ràng sai số thông số FR4 khơng ổn định Bên cạnh đó, hiệu chỉnh việc thiết lập đo lường ảnh hưởng đến tính xác trễ nhóm TỔNG KẾT CHƯƠNG 48 ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP Trong chương này, tơi trình bày phương pháp phân tích thiết kế lọc thông dải băng thông rộng sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ dạng đồng phẳng biến dạng (DUC-EBG) Bằng cách sử dụng dãy đơn vị chắn dải điện từ đồng phẳng, vốn hoạt động thành phần cộng hưởng đa mode (MMR), lọc đề xuất thu nhỏ 20% kích thước so sánh với lọc sử dụng đường vi dải hoạt động chế độ cộng hưởng đa mode Hai lọc chế tạo đo đạc Kết mô đo đạc chứng minh đặc tính mong muốn cấu trúc đề xuất Băng thông lọc đề xuất đạt 115% tần số trung tâm 3,4 GHz, biến thiên đại lượng trễ nhóm khoảng 2ns Qua đó, ta thấy hiệu ứng sóng chậm đạt tạo nhiều phần tử tập trung L,C cộng hưởng sử dụng cấu trúc DUC-EBG Điều làm cho chiều dài điện lọc dài thực tế, lọc thơng dải đề xuất có kích thước nhỏ gọn so với lọc thơng thường hữu ích cho ứng dụng băng rộng