Thiết kế bộ lọc thông dải 3 băng tần

Việc phân tích thiết kế bộ lọc cao tần đã phân tích cấu trúc khung cộng hưởng vòng nửa bước sóng từ đó tạo ra bước sóng thứ ba. Bên cạnh đó bộ ngắn mạch cấu trúc cộng hưởng được sử dụng để tạo ra các dải phổ đầu tiên và thứ hai. Ba tần số dải thông có thể dễ dàng điều chỉnh các giá trị mong muốn bằng cách thay đổi các kích thước. Cấu trúc lọc được chế tạo trên đế điện môi FR4 dày 0.8 mm. Bằng cách thêm vào vòng cộng hưởng bộ cộng hưởng ngắn mạch cùng các nhánh đường truyền có chiều dài thích hợp, ta có thể đạt được điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng. Từ đó tạo nên một mạch lọc có băng thông rộng và sườn dải thông dốc. So với cấu trúc lọc truyền thống, cấu trúc này có nhỏ gọn hơn, đặc biệt có khả năng chọn lọc ở nhiều tần số để có thể đáp ứng được như cầu hoạt động đa phương thức trong hệ thống thông tin di động hiện đại.Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 13 đã hổ trợ một cách thiết thực cho việc thiết kế mô phỏng qua đó có thể kiểm tra sơ lượt về kết quả đã làm. Chương này cũng đã phần nào giới thiệu sơ lượt về phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 13. Phần mềm cung cấp một giao diện trực quan và dễ dàng sử dụng để phát triển các mô hình thiết bị RF thụ động. Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ, …Từ việc phân tích thiết kế bộ lọc cao tần đã xây dựng được bộ lọc cao tần và sử dụng phần mềm HFSS để có thể mô phỏng và hiệu chỉnh những giá trị một cách dễ dàng trên phần mềm. Với một bộ lọc thông dải 3 băng tần BPF 3 băng nhỏ gọn với tần số trung tâm của dải thông 2,43,5 và 5,4 GHz được thiết kế. Sau khi tối ưu hóa sử dụng Ansoft HFSS 13, kích thước cho bộ lọc này được xác định là: W1 = 1.5mm, W2 = 1mm, W3 = W5 = 0.5mm, W4 = 0,8 mm, L1 = 5.3mm, L2 = 9.6mm, L3 = 13.1 mm, L4 = 3.2mm, L5 = 6.5mm, L6 = 4.4mm, L7 = 2.8mm, L8 = 6.85mm, L9 = 5mm, L10 = 3.5mm, G1 = 0,8 mm, G2 = 0.2mm, G3 = 0.56mm và thông qua đường kính là 0,6 mm.

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.

Ký tên

Lê Đức ThôngMục lụ

Danh sách các hình 7

Phần mở đầu 8

Chương 1: Giới thiệu bộ lọc cao tần 10

1.1 Giới thiệu 10

1.2 Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển 10

1.3 Động lực nghiên cứu 13

1.4 Kết quả mong muốn 14

Tổng kết chương 15

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 16

2.1 Giới thiệu chương 16

2.2 Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần 16

2.2.1 Lý thuyết đường truyền vi dải 17

2.2.2 Phân tích mạng siêu cao tần 19

2.3 Lý thuyết về mạch lọc cao tần 24

2.3.1 Khái quát về mạch lọc tần số 24

2.3.2 Bộ lọc thông thấp 25

2.3.3 Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung 28

2.3.4 Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp 29

2.4 Phân tích cấu trúc vòng cộng hưởng 32

Tổng kết chương 35

Chương 3: Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải 3 băng tần 38

3.1 Giới thiệu 38

3.2 Phân tích và thiết kế bộ lọc thông dải ba băng thông 39

3.2.1 Mạch lọc dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng hai mode sóng 39

3.2.2 Đặc trưng của cộng hưởng ngắn mạch 44

3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét 49

Tổng kết chương 53

Kết luận và hướng phát triển đề tài 56

Tài liệu tham khảo 58

PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng

máy tínhLNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấpFDTD Finite Differental Time Domain Phương pháp vi sai hữu hạn

theo miền thời gian

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng về điện ápTEM Transverse Electric Magnetic Sóng điện từ ngangSIR Stepped-Impedance Resonator Bộ cộng hưởng trở kháng

nhảy bậcFET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường

2 Baseband Băng cơ bản

Hình 1 2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công 11

Hình 2 1 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1] 17

Hình 2 2 Đường truyền vi dải a) Cấu trúc hình học b) Phân bố trường 18

Hình 2 3 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) 20

Hình 2 4 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương 23

Hình 2 5 Đáp ứng tần của bốn loại mạch lọc lý tưởng: 25

Hình 2 6 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ 26

Hình 2 7 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3 27

Hình 2 8 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện 27

tham số tập trung 27

Hình 2 9 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang 28

Hình 2 10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải 29

Hình 2 11 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b) 30

Hình 2 12 Biến đổi tương đương giữa thành phần trở kháng nối tiếp và dẫn nạp song song sử dụng các bộ biến đổi: a )trở kháng (K); b) dẫn nạp (J) 31

Hình 2 13 Mạch lọc thông dải tham số phân tán sử dụng các bộ biến đổi [1] 32

Hình 2 14 Cấu trúc cộng hưởng vòng một cửa 33

Hình 2 15 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng 35

Hình 2 16 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng 36

Hình 3.1: Bộ lọc thông dải BPF 3 băng tần 39

Hình 3 2 Mạch lọc bậc hai sử dụng linh kiện tham số tập trung 40

Hình 3.3 a) Sơ đồ; 40

(b) Dạng đáp ứng tần 41

Hình 3.4 Mạch lọc cộng hưởng dạng vòng 42

Hình 3 5 Cấu trúc đường vi dải gấp khúc tương ứng với thành phần mạch điện 43

Hình 3 6 Mô hình mạch lọc cộng hưởng dạng vòng 43

Hình 3.7: Bộ cộng hưởng ngắn mạch 44

Hình 3.10: Mô hình mạch lọc thông dải 3 băng tần 50

Hình 3.11: Đáp ứng tần số mô phỏng thông số S21 theo độ dài khác nhau của L4 (a) và L10 (b) 51

Hình 3.13: Đáp ứng tần số S21 thay đổi theo thông số L1 và G1 53

Hình 3.14: Đáp ứng tần số S21 thay đổi theo thông số G1 54

Phần mở đầu

Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc mọi nơi, công nghệ truyền thôngkhông dây đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển Các thiết bịthông tin vô tuyến được thu nhỏ kích thước ở mức tối đa để tăng khả năng tích hợp,đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động và thông tin vệ tinh Mạch lọc tần số

là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị này Và hướng phát triển của cáccấu trúc lọc không chỉ ở việc cải thiện đặc tính hoạt động mà còn ở sự nhỏ gọntrong kích thước vật lý Đối với các thiết bị thông tin di động và vệ tinh, các dạngmạch lọc thông dải thường được sử dụng, nhờ giá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằngcông nghệ mạch in (PCB) Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc thông dải baogồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn, hay bẻ cong các đường dải dẫncủa các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa ra các cấu trúc lọc có kíchthước nhỏ gọn hơn Trong đó giải pháp đưa ra các cấu trúc nhỏ gọn đang được quantâm phát triển và đạt được những kết quả nhất định nhờ những tiến bộ gần đây trongcông nghệ vật liệu; bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperatureSuperconductors – HTS), mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần (MonolithicMicrowave Integrated Circuits–MMIC), hệ vi điện cơ (MicroelectromechanicSystems – MEMS)… đã trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu cáccấu trúc bộ lọc vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọc khác cho các ứng dụngcao tần Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính,chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trường điện từ đã tạo nên một cuộc cáchmạng 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 lọcthông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộlọc 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 bịthông tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp Đồ án

này nhằm giới thiệu một phương pháp thiết kế bộ lọc thông dải , với khả năng loại

bỏ tần số ngoài dải thông đạt mức cao nhất có thể

Một bộ lọc BPF 3 băng tần sử dụng hai bộ cộng hưởng được đề xuất Một làcộng hưởng nửa bước sóng ngắn mạch tải và cộng hưởng nửa bước sóng Cộnghưởng nửa bước sóng ngắn mạch tải có thể tạo ra dải phổ đầu tiên và thứ hai, trongkhi tần số hài chẳn_lẻ của cộng hưởng nửa bước sóng được sử dụng để tạo ra dãythông thứ ba Ba tần số dải thông có thể dễ dàng điều chỉnh các giá trị mong muốnbằng cách thay đổi kích thước Bộ lọc này là cấu trúc phẳng, tạo thuận lợi cho việcthiết kế và giảm chi phí chế tạo Ngoài ra, có ít nhất một truyền số trên mỗi bên củadải thông, giúp tăng tính chọn lọc viền

Xuất phát từ những luận điểm chính trên, em đã chọn đề tài nghiên cứu củamình là: “THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BA BĂNG TẦN ỨNG DỤNG CHOWLAN VÀ WIMAX” Đề tài của e bao gồm 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu về bộ lọc tần số

Trong chương này đã trình bày tổng quát về các bộ lọc cao tần(thông cao;thông thấp; thông dải; chắn dải) cũng như sơ đồ khó của máy thu, phát vô tuyếnsong công để thấy được vị trí quan trọng của bộ lọc Với lịch sử phát triển khá dài

và hoàn thiện đã tạo một tiền đề quan trọng tạo nên động lực nghiên cứu mạnh mẽ

để có thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của bộ lọc.

Trình bày những kiến thức cơ bản của đường truyền vi dải và bộ lọccao tần Xuất phát từ những lý thuyết cơ bản về phân tích mạng siêu cao tần vàđường truyền sóng, đến lý thuyết về mạch lọc cao tần, từ đó phân tích những đặctính quan trọng của mạch cộng hưởng dạng vòng Đây là tiền đề quan trọng đểthực hiện quá trình phân tích thiết kế mạch lọc thông dải 3 băng thông sẽ đượctrình bày chi tiết ở chương sau của đồ án

Chương 3: Phương pháp thiết kế và kết quả mô phỏng.

Cấu trúc lọc được chế tạo trên đế điện môi FR4 dày 0.8 mm Với việc thêmvào vòng cộng hưởng một bộ cộng hưởng ngắn mạch cùng các nhánh đường truyền

có chiều dài thích hợp, ta có thể đạt được điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng.

Từ đó tạo nên một mạch lọc có băng thông rộng và sườn dải thông dốc So với cấutrúc lọc truyền thống, cấu trúc này có nhỏ gọn hơn, đặc biệt có khả năng chọn lọc ởnhiều tần số để có thể đáp ứng được như cầu hoạt động đa phương thức trong hệthống thông tin di động hiện đại

Em nhận thấy đồ án này giúp em tổng hợp lại được rất nhiều kiến thức thôngqua nhiều môn học được các quý thầy cô truyền đạt Tuy đã có nhiều cố gắngnhưng em vẫn không tránh khỏi nhiều thiếu sót Rất mong quý thầy cô và các bạnđóng góp thêm Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG, đặc biệt là cô giáo Trần Thị Hương đã hướng dẫn giúp đỡ tận tình

để em hoàn thành tốt đồ án này

Chương 1 Giới thiệu bộ lọc cao tần

1.1 Giới thiệu

Để tìm hiểu tìm hiểu rõ hơn về bộ lọc thì chương đầu tiên này sẽ cho thấy được

sự phát triển của bộ lọc tần số cũng như những ứng dụng hết sức quan trọng của bộlọc trong hệ thông thông tin di động ngày nay

1.2 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 tầnmong muốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác Theo dạng đápứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-passfilter – 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) Hai loại bộ lọc đầutiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua,còn hai loại bộ lọc còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dảitần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới Hình 1.1 mô tả dạng đápứng tần và ký hiệu sơ đồ khối của từng loại bộ lọc

Hình 1.1 Bốn loại bộ lọc

b) a)

d) c)

a) thông thấp; b) thông cao; c) thông dải; d) chắn dải

Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyêntần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vịdẫn đường, cảm biến và các hệ thống khác Với sự tiến bộ của thông tin và các ứngdụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ ngày càngnhiều cho hệ thống Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trong mộtkhoảng phổ tần nhất định Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tín hiệutrong khoảng tần số đó Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệ thống,như trong Hình 1.2 là sơ đồ một máy thu phát vô tuyến

Hình 1 2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công

Phần sơ đồ khối phía trên thực hiện chức năng thu, còn phần phía dưới thựchiện chức năng phát Hai chức năng này sử dụng chung một anten, một bộ songcông (duplexer) và bộ dao động nội (LO) Có thể thấy, nhiều bộ lọc được sử dụngtrong hệ thống và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Chẳng hạn như trong phầnthu, bộ lọc phía sau LNA được dùng để chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ từ đườngtruyền Nếu không có sự ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh cũng sẽ được đổixuống trung tần (IF) và gây ra nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) của

hệ thống Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp sẽ khử đi thành phần không mongmuốn trong tín hiệu sau trộn cũng như tần số rò từ bộ dao động nội Trong phầnphát, một bộ lọc được đặt giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất để lựa chọn tần

số mong muốn và loại bỏ các tần số khác được tạo ra sau bộ đổi tần lên Cả khối

phát và khối thu đều sử dụng chung một bộ song công gồm hai mạch lọc thông dải.Một bộ lọc có dải thông là dải tần thu, được dùng để lựa chọn tần số cho bộ thu vàkhử các tín hiệu khác truyền đến bộ thu Với bộ lọc kia, tần số trung tâm là tần sốphát, bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.

Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất một cách độc lập bởiCampbell và Wagner vào năm 1915 Kết quả có được xuất phát từ những nghiêncứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Các nghiên cứusau đó phát triển theo hai hướng độc lập, đó là nghiên cứu lý thuyết về các tham sốảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss)

Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởiCampbell, Zobel và một vài người khác Phương pháp này giúp xây dựng các mạchlọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng haicửa khác hẳn các tham số tán xạ như đã biết Sự mô tả này được lý tưởng hóa vì cáctham số đầu vào và đẩu ra của một khâu hai cửa trong phương pháp này thườngkhông thể hiện chính xác được Vì thế phương pháp tham số ảnh chỉ là phươngpháp xấp xỉ Ưu điểm của phương pháp này là có thể thiết kế ra những mạch lọc bậccao mà không cần sự trợ giúp của máy tính Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duynhất được biết đến cho đến năm 1939 và cũng là phương pháp thủ công duy nhất.Tuy nhiên, người thiết kế khó có thể kiểm soát được đặc tính của dải thông và dảichắn khi sử dụng phương pháp này Vì thế nếu yêu cầu độ chính xác nhiều hơn thìphương pháp này không đảm bảo

Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra thông dụng và có hiệu quả hơn phương pháptham số ảnh được Darlington và Cauer đề xuất vào năm 1939 Về cơ bản, lý thuyếtnày sẽ xấp xỉ các đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt, và xây dựng nên mộtmạch điện thỏa mãn hàm truyền đạt đó Như vậy, bài toán xấp xỉ hóa và bài toánthực hiện có thể được giải quyết riêng rẽ một cách tối ưu và chính xác nhất Vớiphương pháp này, việc thiết kế mạch lọc được chia thành 2 bước: Xác định hàmtruyền đạt thỏa mãn yêu cầu đặc tính của mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụngđáp ứng tần đã được ước lượng bằng hàm truyền đạt Tuy nhiên, phương pháp này

chưa được chú ý ngay do yêu cầu một khối lượng tính toán khổng lồ Cho đến giữanhững năm 1950, phương pháp này mới bắt đầu được áp dụng rộng rãi Với sự tiến

bộ của các hệ thống máy tính tốc độ cao, phương pháp tổn hao xen dần dần trở nênthông dụng hơn cả phương pháp tham số ảnh Phương pháp này sẽ được đề cập lỹhơn trong chương 2 của đồ án

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 sốphân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Đồng thời, những tiến

bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo các dạng cấutrúc lọc khác, như vật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn … Mạch lọc vi dải

là một dạng cấu trúc lọc 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 lọcđược sử dụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải.Các bộ lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao

và kích thước nhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo Các cấu trúc điện môi cũng có kíchthước nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹthuật xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này Bộ lọc ống dẫn sóngđược áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trongcác ứng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn

Hiện nay, các mạch lọc thông dải được sử dụng nhiều trong các thiết bịthông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội cũng như sự dễ dàng trong việc chếtạo

1.3 Động lực nghiên cứu

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc được sử dụng với nhiềudạng đáp ứng tần khác nhau, như thông thấp, thông cao, thông dải hay chắn dải.Trong các dạng đó, mạch lọc thông dải được sử dụng rộng rãi nhất Nhiều phươngpháp thiết kế mạch lọc thông dải đã được đề xuất Để đạt được yêu cầu về hoạtđộng trong dải thông cố định không phải là điều quá khó khăn Tuy nhiên khi đặt rayêu cầu dải tần phải hẹp, và kích thước vật lý của mạch lọc phải được thu nhỏ tối đa

thì bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và thôngtin di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước của mạch lọc đã trở thành vấn đề quantrọng bậc nhất Mặc dù kích thước mạch thông dải có thể thu nhỏ được bằng cáchchế tạo trên đế điện môi có hằng số điện môi lớn, nhưng việc thay đổi cấu trúc hìnhhọc của mạch thông dải lại thường được tính đến, vì hằng số điện môi lớn thườngdẫn đến hiện tượng sóng mặt và gây tổn hao nhiều hơn Đối với các mạch lọc dảihẹp, giải pháp thay đổi cấu trúc hình học thường thấy đó là bẻ gấp các đoạn đườngtruyền thẳng trên các mạch lọc thông thường để có dạng mạch lọc mới với kíchthước nhỏ hơn

Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc trong việc tính toán trường điện từ, cũng làmột động lực quan trọng góp phần lớn vào sự phát triển của những cấu trúc mạchlọc phức tạp Các phương pháp tính toán trường điện từ như phương pháp MoM(Method of Moments), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite ElementMethod), phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian (FDTD-Finite DifferenceTime Domain) đã được phát triển trong những năm gần đây Cùng với sự xuất hiệncủa các công cụ mô phỏng trường điện từ sử dụng các phương pháp trên, kết quả

mô phỏng trở nên đáng tin cậy và càng gần hơn với kết quả đo đạc Ngày nay, vớinhững chiếc máy tính với khả năng tính toán được cải thiện một cách đáng kể, cácnhà nghiên cứu đã có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các dạng cấu trúc lọc tần sốmới

Chính vì thế, ngày càng xuất hiện nhiều các bộ lọc sử dụng cấu trúc cộnghưởng vòng với các kiểu kích thích khác nhau, được nối thêm các đoạn, các nhánhnhằm đạt được các đặc tính lọc mong muốn, nhưng với mục đích chung đều là đểtạo ra các mạch lọc có kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng chọn lọc tần số tối

ưu đồng thời đáp ứng được đa kênh truyền

1.4 Kết quả mong muốn

Trong đồ án này, em sẽ tập trung nghiên cứu, giới thiệu một phương phápthiết kế mạch lọc thông dải 3 băng thông với dải tần trong dải 3G 2.4/3.5/5.4 GHz,đáp ứng tần trong dải thông phải có độ dốc tối đa để tăng khả năng chọn lọc tần số

Quá trình phân tích thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềmHFSS 13, tính toán trường điện từ bằng phương pháp vi phân hữu hạn miền thờigian (Finite Difference Time Domain – FDTD) để thu được tham số tổn hao ngược

và hệ số truyền đạt

Tổng kết chương

Như vậy có thể thấy, với vai trò là một thành phần không thể thiếu trong các

hệ thống thông tin bằng sóng điện từ trong thời đại hiện nay, mạch lọc tần số và các lý thuyết phân tích thiết kế mạch lọc đã có một quá trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn thiện Tuy nhiên việc nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn tiếp tục được thực hiện trong thời gian gần đây dựa trên những phương pháp tính toán cơ bản nhằm tạo ra những cấu trúc lọc kích thước gọn nhẹ và khả năng chọn lọc tần số tối

ưu nhất để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và theo hướng đa kênh truyền Các lý thuyết này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các chương sau.

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

2.1 Giới thiệu chương

Để có được nền tảng thiết kế bộ lọc thông dải 3 băng tần, chương này sẽ

giúp chúng ta có được những kiến thức cơ bản nhất về đường truyền vi dải và bộlọc cao tần

2.2 Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần

Khái niệm siêu cao tần (Microwave) dùng để chỉ sóng điện từ dao động điềuhòa có tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, với chiều dài bước sóngtương ứng từ λ = c/f = 1 m tới λ = 1 mm Sóng điện từ với tần số trên 30 GHz đến

300 GHz gọi là dải sóng milimeter; phổ tần phía trên dải sóng milimeter là của tiahồng ngoại, với bước sóng từ 1 µm đến 1 mm Bên trên dải tần của tia hồng ngoại làphổ tần của ánh sáng nhìn thấy được, phổ tần của tia cực tím và sau đó là tia X Bêndưới dải phổ siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency – RF) Ranhgiới giữa dải tần vô tuyến điện và dải siêu cao tần thường không cố định Vì thếtheo nghĩa rộng, các ứng dụng cao tần thường được hiểu là các thiết bị, hệ thốngđiện hoạt động trong dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz Dải tần này được chia thànhcác băng tần nhỏ hơn, như trong Hình 2.1

Hình 2 1 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1]

2.2.1 Lý thuyết đường truyền vi dải

Một cấu trúc vi dải thông thường được minh họa trong Hình 2.2a Dải dẫn

sóng có bề rộng W và độ dày t được đặt trên một đế điện môi có hằng số điện môi

tương đối ϵ r và chiều dày h, bên dưới đế là mặt phẳng kim loại nối đất Phân bố

trường trên đường truyền vi dải được mô tải trong Hình 2.2b

(a)

Hình 2 2 Đường truyền vi dải a) Cấu trúc hình học b) Phân bố trường

Giả sử không có đế điện môi (ϵ r=1), đường truyền lúc này sẽ trở thành đường

dây song hành với hai dải dẫn phẳng cách nhau một khoảng là 2h (Mặt phẳng nối

đất có thể được loại bỏ theo nguyên lý ảnh gương) Trong trường hợp này, ta có mộtđường truyền sóng TEM đơn giản, với vận tốc pha v p=c=3.108m/s và hằng số lantruyền β=k0=ω√μϵ

Khi đặt dải dẫn lên trên đế điện môi, và phía trên là môi trường không khí,việc phân tích đường truyền lúc này trở nên phức tạp hơn Phần lớn trường điện từ

sẽ truyền trong vùng điện môi giữa dải dẫn và mặt phẳng nối đất, còn một phần đivào vùng không khí phía trên đế Như vậy đường truyền vi dải không phải là mộtđường truyền sóng TEM hoàn toàn, vì vận tốc pha của sóng TEM trong vùng điệnmôi là c /√ϵ r , nhưng vận tốc pha trong vùng không khí sẽ là c

Trên thực tế, trường điện từ trên đường truyền vi dải là một kiểu lai tạp giữasóng TM-TE Nhưng trong hầu hết các ứng dụng thực tế, chiều dày đế điện môi làrất nhỏ so với chiều dài bước sóng (h ≪ λ), nên có thể coi sóng truyền trong đường

vi dải gần như sóng TEM (quasi-TEM) [2] Vận tốc pha và hằng số lan truyền khi

đó được tính như sau:

Với ϵ eff là hằng số điện môi hiệu dụng:

Nếu cho trước giá trị trở kháng đặc trưng Z0 và hằng số điện môi tương đối,

tỷ số W /hcó thể được tính như sau:

2.2.2 Phân tích mạng siêu cao tần

2.2.2.1 Các tham số của mạng siêu cao tần

Một mạch lọc cao tần nói riêng hay một mạch điện cao tần có hai đầu cuốinói chung có thể được mô tả bằng một mạng hai cửa như Hình 2.3, với V1,V2 và

I1, I2 là điện áp và cường độ dòng điện lần lượt tại cửa 1 và cửa 2, Z01 và Z02 là trởkháng đầu cuối, E s là điện áp nguồn Ở đây, điện áp và dòng điện là các đại lượngdao động điều hòa theo thời gian Điện áp ở cửa 1 bằng:

v1(t )=|V1|cos(ωt +ϕ)=ℜ( |V1|e j(ωt+ ϕ)

)=ℜ(V1e jωt) (2.6)Biên độ điện áp tại cửa 1 được coi là biên độ phức và có thể viết như sau:

Hình 2 3 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực)

Đối với một mạch cao tần, việc đo cường độ dòng điện và điện áp đôi khi khôngquan trọng bằng đo công suất vào và ra Mặt khác, ở tần số siêu cao, việc đo điện áp

và dòng điện thường chỉ cho những đại lượng như tỷ số sóng đứng (SWR), hệ sốphản xạ… Tham số dễ đo nhất là công suất tới và công suất phản xạ, điều kiện thử

lý tưởng là khi mạng 2 cửa được phối hợp tải Người ta định nghĩa các biến số a1, b1

và a2, b2, trong đó a biểu thị sóng công suất tới và b biểu thị cho sóng công suất phản xạ Mối quan hệ giữa các biến công suất và điện áp, dòng điện là:

V n=√Z 0 n(a n+b n)

√Z 0 n(a n−b n) với n = 1; 2 (2.8a)Hay

Ma trận S được gọi là ma trận tán xạ của mạng hai cửa.

Các tham số tán xạ S mn được xác định như sau:

(không có phản xạ từ tải)

Các tham số S11 và S22 được gọi là hệ số phản xạ, còn S12 và S21 được gọi là hệ

số truyền đạt Các tham số tán xạ thường là các số phức nên được biểu diễn dướidạng biên độ và pha Giá trị biên độ thường được đổi sang đơn vị decibels (dB)

Trong đó L A là tổn hao xen giữa cửa n và cửa m, L R là tổ hao ngược tại cửa n.

Ngoài ra, người ta còn định nghĩa tỷ số sóng đứng về điện áp (Voltage StandingWave Ratio – VSWR) như sau:

trễ quan trọng cần được xem xét trong bộ lọc là trễ nhóm, hay trễ đường bao tínhiệu, được định nghĩa là:

τ d=−d ϕ21

Tham số tán xạ có một số tính chất quan trọng khi phân tích mạng cao tần.Đối với mạng hai cửa tương hỗ S12=S21 Nếu mạng hai cửa là đối xứng, thì ngoàitính chất tương hỗ, còn có S11=S22 Giả sử mạng hai cửa không có tổn hao, tổngcông suất truyền qua và công suất phản xạ trở lại phải bằng tổng công suất tới Địnhluật bảo toàn năng lượng trong mạng hai cửa không có tổn hao có thể viết như sau:

Đối với mạng hai cửa tương hỗ: AD – BC = 1 (2.23)

Đối với mạng hai cửa đối xứng: A = D (2.24)

Nếu mạng hai cửa không có tổn hao, A và D có giá trị thực còn B và C có giá

trị thuần ảo

Ma trận ABCD đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hệ thống cao tầnbao gồm nhiều mạng hai cửa được ghép nối với nhau theo kiểu nối tầng Kiểu ghépnối này thường được sử dụng trong việc phân tích thiết kế mạch lọc, vì hầu kết cáckiểu mạch lọc đều được cấu tạo nên từ các thành phần ghép nối tầng với nhau Đầutiên, ta xét trường hợp đơn giản, cấu trúc nối tầng bao gồm hai mạng hai cửa nhưtrong Hình 2.4

Hình 2 4 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương

Với cấu hình nối ghép như trên, ta có:

hệ thống bao gồm các mạng hai cửa nối tầng với mọi số lượng

2.3 Lý thuyết về mạch lọc cao tần

2.3.1 Khái quát về mạch lọc tần số

Mạch lọc tần số là một mạch hai cửa, có chức năng lựa chọn tín hiệu trongmột dải tần số mong muốn, bằng cách cho các tín hiệu đó đi qua và làm suy hao tínhiệu ở các dải tần số không mong muốn (dải chắn) Mạch lọc thường xuất hiệntrong các máy thu phát cao tần

Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia mạch lọc tần số thành bốn loại: mạchlọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), mạch lọc thông cao (High-pass filter –HPF), mạch lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và mạch lọc chắn dải (Band-stopfilter – BSF) Hai loại mạch lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phíadưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại mạch lọc còn lại cho phép truyềnqua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên vàtần số cắt dưới Hình 2.5 minh họa dạng đáp ứng tần lý tưởng của bốn loại mạch lọctrên.

Tại các tần số thấp (thường là dưới 500 MHz), mạch lọc có thể được tạothành từ các linh kiện tham số tập trung là cuộn cảm, tụ điện Nhưng khi tần số hoạtđộng của mạch lọc ở trong dải siêu cao tần, điện kháng và điện nạp của các thànhphần mạch điện không còn biến thiên tuyến tính theo tần số nữa Việc thiết kế mạchlọc siêu cao tần phải tính đến các tham số phân tán trên mạch Tuy nhiên ở tần sốtương đối thấp và dải tần hẹp, các thành phần tham số phân tán vẫn có thể được xấp

xỉ dưới dạng các linh kiện tham số tập trung Việc tính toán và tổng hợp bộ lọc theophương pháp cũ vẫn có thể được áp dụng với độ chính xác tương đối cho dải tầnsiêu cao

Hình 2 5 Đáp ứng tần của bốn loại mạch lọc lý tưởng:

a) lọc thông thấp; b) lọc thông cao; c) lọc thông dải; d) lọc chắn dải

Hình 2 6 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ.

ω c là tần số cắt, và đáp ứng tần được đặc trưng bởi tham số tổn hao xen giữa:

Ngoài ra, L(Ω) còn được biểu diện thông qua hàm đa thức F N (Ω ) , với N là

Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa bằng:

Còn đối với bộ lọc Chebyshev:

L (Ω)=1+k2T N2

với T N ( Ω) là đa thức Chebyshev bậc N.

Hình 2.7 mô tả tham số tổn hao xen giữa của mạch lọc thông thấp bậc 3 Giátrị tổn hao xem tại tần số cắt (Ω c=1) bằng L c Nhìn vào hai đồ thị, có thể thấy rõràng đáp ứng tần của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần sốcắt so với mạch lọc Butterworth Nói cách khác, bộ lọc Chebyshev có đặc tính lọcdốc hơn, gần hơn với dạng đặc tính lọc của bộ lọc lý tưởng như trong Hình 2.5

Hình 2 7 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3.

a) kiểu Butterworth; b) kiểu Chebyshev.

Hình 2.8 là hai dạng mạch lọc thông thấp kiểu bậc thang, trong đó g k làthành phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k, g0 và g N+ 1 là điện trở hoặcđiện dẫn chuẩn hóa của nguồn và tải

Hình 2 8 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với các linh kiện

Đối với mạch lọc Chebyshev, giả sử cho trước giá trị L c tại Ω c=1, hằng số k

có thể được tính như sau:

L c=10 log ⁡(1+k2

Bậc của mạch lọc Chebyshev N được xác định từ yêu cầu về độ suy hao

trong dải chắn theo đồ thị trong tài liệu tham khảo [] Các giá trị g k được tính nhưsau:

β=ln( ( √1+k2+1) ( √1+k2−1) ) , a k=sin(2 k −1 2 N π)

b k=sinh2

(2 N β )+sin2

(kπ N )

2.3.3 Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung

Mẫu bộ lọc thông thấp ở trên được đặc trưng bởi một mạch điện hình bậcthang có các thành phần điện cảm và điện dung (g k) trong miền tần số chuẩn hóa (

như thông cao, thông dải hay chắn dải trong miền tần số thực, người ta sử dụng mộtphép biến đổi tần số để đưa đồ thị đáp ứng tần trong miền tần số chuẩn hóa Ω vềmiền tần số ω Cùng với đó là một phương pháp biến đổi trở kháng đồng thời giữatrở kháng nguồn tải với điện kháng của các thành phần mạch lọc Sơ đồ mạch lọcthông dải hai cửa và đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số được mô tả trong Hình2.9 và Hình 2.10

Hình 2 9 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang

Hình 2 10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải

Công thức biến đổi tần số từ tần số chuẩn hóa của mạch lọc thông thấp sangtần số thực của mạch lọc thông dải:

ω c 2−ω c1(ω ω0−

ω0

ω ) với ω0=√ω1ω2 (2.33)

Từ hình 2.9, có thể thấy các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch

lọc thông thấp sẽ được biến đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối

tiếp trong mạch lọc thông dải, với điều kiện tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần sốcắt dưới của mạch thông dải phải bằng giá trị tổn hao xen tại Ω c=1 của mạch thôngthấp ban đầu Như vậy, các giá trị L k và C k của từng nhánh cộng hưởng sẽ được tínhnhư sau:

2.3.4 Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp

Bộ lọc thông dải trong Hình 2.9 được xây dựng từ bộ lọc thông thấp trongHình 2.8, bao gồm các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp hoặc song song được ghép trựctiếp với nhau Trong triển khai thực tế, đôi khi việc thiết kế đồng thời các bộ cộnghưởng kiểu nối tiếp và song song là không dễ dàng, nhất là ở dải tần siêu cao Vì