Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS

Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS

KHOA I N T VI N THÔNG ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ỆN TỬ VIỄN THÔNG Ử VIỄN THÔNG ỄN THÔNG

B MÔN K THU T VI N THÔNG Ộ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Ỹ THUẬT VIỄN THÔNG ẬT VIỄN THÔNG ỄN THÔNG

BẢNG THÔNG QUA ĐỒ ÁN MÔN HỌC Lớp : 50 K1-ĐTVT

Tên đề tài : Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS

Nhận xét (cho phép/ không cho phép, thông qua đợt sau)

Chữ ký GVHD

dẫn xây dựng đề cương

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 Bộ lọc 5

1.2 Các đặc tính của bộ lọc 5

1.3 Các loại bộ lọc 5

1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) 6

1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) 6

1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) 7

1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) 7

1.4 Cấu trúc DGS 8

1.4.1 Khái niệm 8

1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của DGS 8

1.5 Bộ lọc thông thấp DGS 9

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS BẰNG PHẦN MỀM HFSS 13

2.1 Chọn cấu trúc DGS 13

2.2 Mạch tương đương của DGS 13

2.3 Các bước mô phỏng bộ lọc thông thấp DGS 14

2.4 Kết qủa mô phỏng 15

2.4.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn lên tần số làm việc và tần số cắt của bộ loc 15

2.4.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) lên tần số làm việc và tần số cắt của bộ loc 17

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 21

LỜI MỞ ĐẦU

Trên thế giới, việc nghiên cứu về bộ lọc đã thu về rất nhiều kết quả Cókhá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế các bộ lọc thông thấp Tuy nhiên,trong nước ta hiện nay vẫn còn khá ít nghiên cứu thực tế về việc thiết kế và chếtạo mạch lọc Bằng chứng là tất cả các tài liệu chúng tôi tham khảo đều là tàiliệu tiếng anh của các nhà khoa học nước ngoài

Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóngđiện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghê không dây đang phát triểnmột cách nhanh chóng Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn vàphải được chia sẻ Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khácnhau Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năngchống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau Như vậy đặc tính lọc, hayđáp ứng tần, của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần sốtrong dải tần một cách tối ưu nhất Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa cácthiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giáthành 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 siêudẫn nhiệt độ cao (High-temperature Superconductors – HTS), mạch tích hợpđơn tinh thể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMIC), hệ viđiện 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 cácdạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần Bên cạnh đó, với sự giúp sức củacác công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính , chẳng hạn như các phần mềm thiết

kế và mô phỏng trường điện từ (HFSS) đã tạo nên một cuộc cách mạng tronglĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bộ lọc

Về cơ bản, một bộ lọc điện là một mạch mà có thể được thiết kế để thay đổi,làm biến dạng hoặc từ chối tất cả các tần số không mong muốn của một tín hiệuđiện và chấp nhận hoặc chỉ cho vượt qua những tín hiệu mong muốn bởi cácnhà thiết kế mạch Nói cách khác bộ lọc “lọc ra” tín hiệu không mong muốn

bộ lọc thụ động RC làm giảm bớt các tín hiệu và có mức tăng ít hơn một

1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng

Hình 1.1 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng

1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng

Hình 1.2 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng

1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng được địnhnghĩa như sau:

Hình 1.3 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng

1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter)

Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được dịnh nghĩanhư sau:

Hình 1.4 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng

1.4 Cấu trúc DGS

1.4.1 Khái niệm là một cấu trúc được hình thành từ những hình dạng bất

kỳ khắc trên một mặt phẳng đế kim loại Là cấu trúc được cải tiến từ cấu trúcPBG, hình dạng được khắc trên mặt phẳng đế có thể có chu kỳ hoặc không cóchu kỳ, Với cấu trúc DGS người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi điều chỉnhmạch tương đương (LC)

Hình 1.5 Hình dạng mặt phẳng đế DGSCấu trúc DGS được sử dụng để thiết kế bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộchia/ghép, bộ tạo dao động hay anten

1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của DGS

Các đặc tính cơ bản của DGS là một khe (g) cộng hưởng hay vùng

ăn mòn (a,b) trên mặt phẳng đế, đặt trực tiếp dưới một cấp nguồn và khớp nối

Dễ dàng thay đồi giá trị điện dung (C) cảm kháng (L) thông qua việc thay đổi diện tích vùng ăn mòn, hoặc bề rộng khe hình 5 là một số cấu trúc DGS có thể

sử dụng

Mỗi cấu trúc khác nhau thì có sơ đồ tương đương tỷ lệ L-C khác nhau, khả năng phối hợp, khả năng đáp ứng và các thông số về điện khác nhau Mỗi người thiết kế sẽ chọn cấu trúc phù hợp nhất cho các ứng dụng cụ thể

Cấu trúc DGS không chỉ có thể tăng đáng kể các đặc tính trở khángcủa đường cấp nguồn mà còn cải thiện hiệu suất chắn dải bằng cách loại trừ dảitần cao hơn và cho phép thông dải kết quả cho thấy nó bộ lọc với cấu trúc DGSthì nhỏ hơn và hiệu quả hơn các bộ lọc vi dải thông thường

Các thông số thiết kế cơ bản của một cấu trúc DGS (a,b,w và g)

Hình 1.6 Đế DGS và Hệ số phản xạ và truyền đạt của bộ lọc thông thấp

1.5 Bộ lọc thông thấp DGS

LPF là một phần không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống mạch trongthiết kế truyền thống, một bộ lọc thông thấp thường được thực hiện bằng cách sửdụng bước trở kháng Tuy nhiên, các bộ lọc sơ khai (stub-line) chiếm diện tíchlớn và các bộ lọc bậc trở kháng cung cấp tần số cắt kém và không sắc nét Hơnnữa, có tồn tại ngoài đời dải phổ giả cho cả hai loại của các bộ lọc

Photonic band-gap (PBG) nhỏ gọn một cực và cấu trúc DGS đã đượcnghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng của họ trong sóng ngắn và khu vực sóngmilimet các cấu trúc có một chắn dải rộng và kích thước nhỏ Cũng có đã cóbáo cáo rằng các cấu trúc này được tích hợp với một bộ lọc thông thấp để tăng

sự suy giảm tối đa và để ngăn chặn các tần số không mong muốn Tuy nhiên, rấtkhó để tìm thấy các mạch tương đương và tham số của một mạch PBG có quánhiều thông số thiết kế mà ảnh hưởng đến tính chất bề rộng băng, chẳng hạnnhư số lượng các hình dạng lưới, khoảng cách, và khối lượng phần

Một Bộ lọc thông thấp hoặc LPF thụ động RC đơn giản, có thể dễ dàngthực hiện bằng cách kết nối với nhau trong một loạt điện trở duy nhất với một tụđiện duy nhất như hình dưới đây Trong loại hình này sắp xếp bộ lọc tín hiệuđầu vào (Vin) được áp dụng cho các kết hợp hàng loạt (cả hai điện trở và tụ điệnvới nhau) nhưng tín hiệu đầu ra (Vout) được thực hiện chỉ trên tụ điện Đây làloại bộ lọc thường được biết đến như một " bộ lọc - đầu tiên "hoặc" lọc mộtcực", tại sao lệnh đầu tiên hoặc đơn cực?, Bởi vì nó chỉ có "một" thành phầnphản ứng, các tụ điện, trong các mạch.

Bộ lọc thông thấp RC

Hình 1.7 RC bộ lọc thông thấp

Như đã đề cập trong các hướng dẫn, các điện kháng của một tụ điện thayđổi nghịch với tần số, trong khi giá trị của điện trở vẫn không đổi như thay đổitần số Ở tần số thấp điện kháng điện dung (XC) của tụ điện sẽ rất lớn so với giátrị điện trở của điện trở, R và kết quả là điện áp trên tụ điện, Vc cũng sẽ lớntrong khi giảm điện áp trên các điện trở, VR sẽ thấp hơn nhiều Ở tần số caongược lại là đúng với Vc là nhỏ và VR là lớn

Trong khi các mạch trên là của một RC Bộ lọc thông thấp mạch, nó cũng

có thể được phân loại như là một tần số biến mạch chia tiềm năng tương tự như

chúng ta nhìn vào trong điện trở hướng dẫn Trong hướng dẫn mà chúng ta sử

dụng phương trình sau đây để tính toán điện áp đầu ra cho hai điện trở duy nhấtnối tiếp

Sau đó, bằng cách thay thế phương trình cho trở kháng ở trên vào phương trình(1).

Vì vậy, bằng cách sử dụng phương trình hai điện trở trong loạt và thay thếcho trở kháng, có thể tính toán điện áp đầu ra của một bộ lọc RC cho bất kỳ tần

số nhất định

Hình 1.8 Đáp ứng tần số của một bộ lọc thông thấp

Đáp ứng tần số của bộ lọc để được gần như bằng phẳng cho tần số thấp vàtất cả các tín hiệu đầu vào được truyền trực tiếp, dẫn đến mức tăng gần 1, đượcgọi là thống nhất, cho đến khi nó đạt đến tần số (ƒc) điểm Cut-off của nó Điềunày là do điện kháng của tụ điện là cao ở tần số thấp và ngăn chặn bất kỳ dòngđiện thông qua các tụ điện

Sau thời điểm tần số cắt này phản ứng của mạch giảm cho độ dốc -20dB/Octave hoặc (-6dB/Octave) "roll-off" như tín hiệu trên tần số này trở nên rất yếu

đi, cho đến khi ở tần số rất cao các kháng của các tụ điện trở nên quá thấp mà nómang lại hiệu quả của một tình trạng ngắn mạch trên các thiết bị đầu cuối kếtquả đầu ra trong không ra

Đối với các mạch lọc thông thấp, tất cả các tàn số cắt dưới điểm fc thì ítthay đổi hoặc không có sự suy giảm và được coi là băng thông của bộ lọc

Các tần số tín hiệu trên điểm này điểm cắt thường được cho là trong các

bộ lọc Dừng băng khu vực và suy giảm rất nhiều

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS

BẰNG PHẦN MỀM HFSS 2.1 Chọn cấu trúc DGS

Trong đề tài nghiên cứu, chúng tôi tập trung nghiên cứu về bộ lọc thôngthấp DGS có cấu trúc đơn giản là vùng ăn mòn (a,b) có kích thước là hình vuông

và khe (g) nằm ở chính giữa và bề rộng (w) là 1.2 mm

Hình 2.1Cấu trúc DGS có miền ăn miền a=b và khe (g) chính giữa

2.2 Mạch tương đương của DGS

Phần nét đứt chính là phần tương đương của vùng DGS Đây sẽ là một bộ lọc thông thấp một điểm cực có cấu trúc đơn giản gồm một cuộn cảm (L) mắc song song với một tụ (C).

Đây là các công thức liên quan đến việc tính toán và xác định các giá trịcủa các phần tử trong mạch điện

2.3 Các bước mô phỏng bộ lọc thông thấp DGS

tổn hao phụ thuộc tần số, trong hình 2.5 là một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá trị khác nhau của a,b Từ hình 2.6 ta thấy, khi a=b tăng thì tần số cắt, tần số làm

việc của bộ lọc sẽ giảm gần như là tuyến tính

Hình 2.4 Cấu trúc DGS

Hình 2.5 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi a,b

Hình 2.6 Tần số làm việc và tần số cắt giảm thuyến tính khi tăng a,b

-40 -30 -20 -10 0

a=b=1.5mm-s21 a=b=2.5mm-s21 a=b=3.0mm-s21 a=b=4.6mm-s21

2.4.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số cắt và tần số làm việc

Để khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số làm việc vàtần số cắt của bộ lọc, ta tiến hành mô phỏng khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21) với cac giá trị g khác nhau Tại mỗi giá trị của g ta thu được một đồ thị hệ số tổn

hao phụ thuộc tần số, trong hình 2.7 là một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá trị khác nhau của g Từ hình 2.8 ta thấy, khi g tăng thì tần số cắt, tần số làm việc

của bộ lọc sẽ tăng gần như tuyến tính

Hình 2.7 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi khe (g)

Hình 2.8 Tần số làm việc và tần số cắt tăng thuyến tính khi tăng bề rộng khe (g)

KẾT LUẬN

Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm tòi cũng như sư tận tình chỉ bảo của

TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đồ án viễn thông đề tài “Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS” đã được

Em xin chân thành cảm ơn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Jason Yun, Peter Shin, “Design Applications of Defected GroundStructures”, Ansoft 2003

[2] Filters with Defected Ground Structure (DGS), IEEE Trans Mic Theo &Techni, 49, 86-93, 2001

[3] “Design and Implementation of Filters with Defected Ground Structure(DGS) for Microwave Mixer Applications”, Ansoft 2003

 Quét các tham số và tối ưu

 Dễ dàng cài đặt quét, tối ưu, nhạy, phân tích số liệu

 Công nghệ quét tần số nhanh