nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ lọc thông dải điều hưởng khả trình dải tần uhf

Do tầm quan trọng của thiết bị này trong các hệ thống viễn thông, rất nhiều các công trình nghiên cứu về phương pháp thiết kế, kỹ thuật điều chỉnh tần số cộng hưởng, và những kinh nghiệm

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Lịch sử nghiên cứu 8

3 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi của đề tài 9

4 Tóm tắt luận văn 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

Chương I - Tổng quan về thiết kế bộ lọc cao tần 12

1 Thiết kế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn 12

1.1 Tổng quan 12

1.2 Phương pháp chuyển đổi và chuẩn hóa 13

1.3 Một số dạng bộ lọc thường được sử dụng 15

2 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng 18

2.1 Thiết kế bộ lọc sử dụng các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp 18

2.1.1 Bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp 18

2.1.2 Một số phương pháp hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược 19

2.1.3 Bộ lọc thông thấp sử dụng các bộ chuyển đổi ngược 22

2.1.4 Bộ lọc thông dải sử dụng các bộ chuyển đổi ngược 25

Trang 2

1 Sơ đồ khối và các yêu cầu kỹ thuật 30

2 Khối cao tần – Tunable BPF 32

2.1 Sơ đồ khối tổng quan 32

2.2 Mô phỏng 33

2.3 Bản vẽ nguyên lý và layout 40

3 Khối giao diện điều khiển số 44

3.1 Cấu trúc 44

3.2 Giao thức điều khiển 50

3.3 Phần mềm điều khiển trên máy tính cá nhân 51

Chương III – Kết Quả Thực Tế 53

1 Hình ảnh thực tế về bộ lọc 53

2 Kịch bản đo kiểm 54

3 Kết quả đo 55

KẾT LUẬN 63

1 Những kết quả đã đạt được 63

2 Định hướng phát triển trong tương lai 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Trang 3

khai thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Văn Yêm Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, tất cả các số liệu, kết quả mô phỏng, đo đạc là trung thực và được chính tác giả thu thập trong quá trình mô phỏng

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng

Tác giả

Lê Huy Hoàng

Trang 4

1 UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao

Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự

Capacitor Tụ điện điều chỉnh số

4 MEMS Microelectromechanical

System Hệ thống vi cơ điện tử

9 SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng

phần mềm

Trang 5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Chuẩn hóa trở kháng và tần số 14

Bảng 1.2: Chuyển đổi từ bộ lọc thông thấp sang các loại bộ lọc khác 14

Bảng 1.3: Một số phương pháp hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp [2] 20

Bảng 1.4: Hệ số của bộ lọc Butterworth và Equal Ripple 0.5dB [1] 23

Bảng 2.1: Tham số mô phỏng của bộ lọc tại một số tần số cộng hưởng 40

Bảng 2.2: Danh sách linh kiện 41

Bảng 3.1: Kết quả đo bộ lọc thông dải điều hưởng 61

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đô mạch điện tổng quát 12

Hình 1.2: Quy trình thiết kế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn 13

Hình 1.3: Chuyển đổi phần tử cơ bản từ LPF sang HPF, BPF hoặc BSF 15

Hình 1.4: Đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Maximally Flat 16

Hình 1.5: Đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Tchebyscheff 17

Hình 1.6: Đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Elliptic 17

Hình 1.7: Đặc tính của bộ chuyển đổi ngược trở kháng (bên trái) và dẫn nạp (bên phải) 19

Hình 1.8: Sử dụng Inverter để chuyển đổi tương đương tụ điện và cuộn cảm 19

Hình 1.9: Ví dụ về việc hiện thực hóa một Admittance Inverter 22

Hình 1.10: Bộ lọc thông thấp sử dụng Impedance Inverter [9] 23

Hình 1.11: Bộ lọc thông thấp sử dụng Admittance Inverter [9] 23

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của hai bộ lọc thông thấp tương đương 24

Hình 1.13: Đặc tính truyền đạt của hai bộ lọc thông thấp tương đương 25

Hình 1.14: Chuyển đổi LPF → BPF (Admittance Inverter) [9] 27

Hình 1.15: Chuyển đổi LPF → BPF (Impedance Inverter) [9] 27

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý hai bộ lọc thông dải tương đương 28

Hình 1.17: Đặc tuyến của hai bộ lọc thông dải tương đương 28

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ lọc thông dải điều hưởng khả trình 30

Hình 2.2: Mô hình tương đương của diode biến dung SMV1763 (Skyworks) 31

Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ lọc thông dải điều hưởng 32

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng với linh kiện lý tưởng (bước 1) 34

Hình 2.5: Kết quả mô phỏng S21 của bộ lọc sử dụng linh kiện lý tưởng (bước 1) 35

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng khi sử dụng dây chêm ngắn mạch (bước 2) 36

Hình 2.7: Kết quả mô phỏng S21 của bộ lọc sử dụng dây chêm ngắn mạch (bước 2) 36

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng (bước 3 – phần 1) 37

Hình 2.12: Kết quả mô phỏng S21 của bộ lọc (bước 3) 39

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý chi tiết của khối cao tần 42

Hình 2.14: Bản vẽ layout lớp TOP của khối cao tần 43

Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển số 45

Trang 7

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý phần khuếch đại của khối điều khiển 48

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý phần giao diện USB của khối điều khiển 49

Hình 2.20: Cấu trúc bản tin điều khiển sử dụng mã DAC 50

Hình 2.21: Cấu trúc bản tin điều khiển sử dụng giá trị tần số cộng hưởng 50

Hình 2.22: Cấu trúc bản tin lưu trữ thông tin hiệu chỉnh 51

Hình 2.23: Phần mềm điều khiển trên máy tính BPF_Controller 52

Hình 3.1: Mạch lọc thông dải điều hưởng khả trình 53

Hình 3.2: Mạch điều khiển số 53

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống đo 54

Hình 3.4: Hình ảnh thực tế về hệ thống đo 54

Hình 3.5: S11 và S21 của bộ lọc khi tần số cộng hưởng là 450MHz 55

Hình 3.15: S11 và S21 của bộ lọc khi tần số cộng hưởng là 550MHz 60 Hình 3.16: So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng (tần số cộng hưởng: 450MHz, 500MHz và 550MHz) 61

Trang 8

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày càng xuất hiện nhiều các thiết bị truyền thông có khả năng hoạt động trên nhiều kênh tần số khác nhau như đầu thu kỹ thuật số, bộ đàm và đặc biệt là các thiết bị sử dụng công nghệ

vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) Do kênh truyền thông có thể thay đổi trong quá trình hoạt động, việc hiện thực hóa các thiết bị này gặp phải trở ngại trong công đoạn lọc tín hiệu có ích ra khỏi các tín hiệu nằm ở các dải tần lân cận từ các hệ thống xung quanh Có nhiều giải pháp có thể sử dụng để giải quyết vấn đề này, và một trong số đó là sử dụng các bộ lọc thông dải có thể cấu hình tần số cộng hưởng Bên cạnh đó, tính thực tiễn của các bộ lọc này sẽ được nâng lên rất nhiều nếu được trang bị giao diện điều khiển số

2 Lịch sử nghiên cứu

Bộ lọc tương tự có lịch sử phát triển rất lâu đời, thậm chí từ trước chiến tranh thế giới thứ II [2] Do tầm quan trọng của thiết bị này trong các hệ thống viễn thông, rất nhiều các công trình nghiên cứu về phương pháp thiết kế, kỹ thuật điều chỉnh tần số cộng hưởng, và những kinh nghiệm trong việc hiện thực hóa các bộ lọc đã được đưa

ra Nói riêng trong lĩnh vực các kỹ thuật điều chỉnh tần số cộng hưởng, chúng ta có thể điểm qua một số công trình nghiên cứu đã được thực hiện:

- Trong bài báo [3], B Kapilevich đã đề cập tới những lý thuyết cơ bản và quá trình hiện thực hóa một bộ lọc thông dải sử dụng diode biến dung với băng thông cố định và có bù suy hao trong dải thông Bộ lọc trong bài báo sử dụng các bộ cộng hưởng Step-Impedance kết hợp với các bộ cân bằng đáp ứng tần

số Tham số kỹ thuật:

 Dải điều chỉnh tần số cộng hưởng: 1080 ÷ 1440MHz;

 Băng thông 3dB: 60 ± 5MHz;

Trang 9

- Một bộ lọc thông dải sử dụng hai bộ cộng hưởng LC song song được giới thiệu bởi K Jeganathan trong [6] Tuy nhiên, công trình này chỉ đưa ra được kết quả mô phỏng Các số liệu mô phỏng đạt được như sau:

 Băng thông điều chỉnh được;

 Suy hao tại tần số cộng hưởng: < 2dB

- Công trình nghiên cứu [7], được thực hiện bởi Tatiana Pavlenko, tập trung vào các giải pháp điều hưởng bộ lọc thông dải Để minh họa cho công trình của mình, tác giả đã thiết kế và triển khai một bộ lọc thông dải điều hưởng sử dụng

tụ điện điều chỉnh số (DTC) với các tham số kỹ thuật cụ thể:

 Băng thông: 50MHz hoặc 100MHz (điều chỉnh được);

 Suy hao tại tần số cộng hưởng: 3.6÷4.6dB với băng thông 50MHz

- Trong bài báo [8], tác giả đã đưa ra quá trình thiết kế, triển khai và kết quả đo đạc hai bộ lọc thông dải điều hưởng sử dụng đi-ốt biến dung với ba bộ cộng hưởng Tham số kỹ thuật cụ thể của từng bộ lọc như sau:

 Bộ lọc thông dải điều hưởng dải tần VHF:

 Dải điều chỉnh tần số cộng hưởng: 176MHz÷216MHz

 Băng thông: 44MHz

 Suy hao trong dải thông: 3.3dB÷3.7dB

 Bộ lọc thông dải điều hưởng dải tần VHF:

 Dải điều chỉnh tần số cộng hưởng : 476MHz÷698MHz

 Băng thông: 30MHz

 Suy hao trong dải thông: 4.7dB÷6.9dB

3 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi của đề tài

- Hiểu rõ cơ sở lý thuyết về thiết kế bộ lọc cao tần;

Trang 10

- Nắm bắt các phương pháp thiết kế bộ lọc thông dải điều chỉnh được tần số cộng hưởng và khả năng số hóa của từng phương pháp;

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng được hoạt động của bộ lọc thông dải điều chỉnh được tần số cộng hưởng dải tần UHF;

- Chế tạo và căn chỉnh, tối ưu hóa các tham số của bộ lọc thông dải điều hưởng khả trình dải tần UHF;

- Đưa ra được một quy trình tổng quát có tính thực tế cao về thiết kế bộ lọc thông dải điều hưởng

4 Tóm tắt luận văn

Luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:

- Chương I: giới thiệu tổng quan về thiết kế bộ lọc cao tần

 Thiết kế bộ lọc thông thấp sử dụng phương pháp Insertion Loss;

 Kỹ thuật chuyển đổi từ bộ lọc thông thấp sang các dạng bộ lọc khác;

 Lý thuyết và ứng dụng của các bộ biến đổi ngược trở kháng/dẫn nạp;

 Các giải pháp cho việc điều chỉnh tần số cộng hưởng của bộ lọc thông dải;

- Chương II: trình bày chi tiết về quá trình thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải điều hưởng dải tần UHF, cũng như giải pháp tích hợp giao diện điều khiển số;

- Chương III: đánh giá các số liệu đo đạc thực tế của bộ lọc thông dải điều hưởng dải tần UHF;

- Đề xuất một số hướng phát triển trong tương lai

5 Phương pháp nghiên cứu

Quá trình thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ lọc điều hưởng khả trình được tiến hành theo các bước như sau:

- Nghiên cứu về lý thuyết thiết kế bộ lọc cao tần

Trang 11

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng bộ lọc thông dải điều hưởng dải tần UHF

- Chế tạo, đo đạc và căn chỉnh bộ lọc thông dải điều hưởng dải tần UHF

- Tích hợp giao diện điều khiển số

Trang 12

Chương I - Tổng quan về thiết kế bộ lọc cao tần

1 Thiết kế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn

1.1 Tổng quan

Xét một bộ lọc không tổn hao (lossless), là bộ lọc sử dụng các linh kiện và đường truyền không tổn hao, được kết nối với nguồn và tải như minh họa trong Hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đô mạch điện tổng quát

- Đặt PLR là tỷ số giữa công suất tối đa có thể cấp cho tải của nguồn Pinc với công suất thực sự cấp cho tải PLoad

Trang 13

Chuyển đổi Triển khai bộ lọc trên thực tế

Hình 1.2: Quy trình thiết kế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn

 Trong phương pháp suy hao chèn, chúng ta sẽ dựa trên đặc tả kỹ thuật của

bộ lọc cần thiết kế để chọn ra kiểu bộ lọc có đáp ứng biên độ phù hợp (Maximally Flat, Tchebyscheff, Elliptic …) sau đó xác định bậc của bộ lọc rồi cuối cùng xác định giá trị các linh kiện trong bộ lọc

 Trừ bộ lọc thông thấp, để đơn giản hóa quá trình thiết kế, sau khi chọn ra kiểu bộ lọc và bậc phù hợp, chúng ta sẽ không trực tiếp đi vào xác định giá trị linh kiện trong bộ lọc mà sẽ đi vào thiết kế nguyên mẫu lọc thông thấp rồi chuyển đổi sang dạng bộ lọc cần thiết kế (thông cao, thông dải, chắn dải) Hình 1.2 mô tả quy trình chung khi thiết kế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn

1.2 Phương pháp chuyển đổi và chuẩn hóa

- Chuẩn hóa các tham số của bộ lọc thông thấp: để đơn giản cho quá trình thiết

kế, trở kháng và tần số thường được chuẩn hóa như sau [2]:

Trang 14

Bảng 1.1: Chuẩn hóa trở kháng và tần số

STT Trước chuẩn hóa

(Giá trị thực) Sau chuẩn hóa

Trang 15

Thông dải (BPF)

Chắn dải (BSF)

Hình 1.3: Chuyển đổi phần tử cơ bản từ LPF sang HPF, BPF hoặc BSF

Các công thức chuyển trên được tính với Li, Ci là các giá trị đã chuẩn hóa trở kháng và tần số còn Li’, Ci’ là các giá trị thực

Trong đó, đối với chuyển đổi:

- Maximally Flat (Binomial hay Butterworth): đặc điểm của các bộ lọc dạng này

là đáp ứng biên độ trong dải thông có độ phẳng rất cao Đối với một bộ lọc thông thấp Maximally Flat:

Trang 16

Hình 1.4: Đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Maximally Flat

- Equal Ripple (Tchebyscheff): đáp ứng biên độ trong dải thông của bộ lọc loại này có dạng gợn sóng So với bộ lọc Maximally Flat cùng bậc thì Equal Ripple có độ chọn lọc tần số cao hơn Đối với bộ lọc thông thấp Equal Ripple:

Trang 17

Hình 1.5: Đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Tchebyscheff

- Elliptic: với bộ lọc loại này đáp ứng biên độ trong toàn dải đều có dạng gợn sóng Ưu điểm của bộ lọc loại này là có độ chọn lọc tần số cao hơn hai loại trên Hình 1.6 mô tả đáp ứng tần số của một bộ lọc thông thấp Elliptic bậc 5 tần số cắt 1GHz

Hình 1.6: Đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Elliptic

- Những dạng bộ lọc trên có các đặc điểm đáng chú ý như sau:

-80.00 -70.00 -60.00 -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00

Trang 18

 Bậc của bộ lọc chính bằng số lượng thành phần phản kháng (tụ điện, cuộn cảm đối với bộ lọc thông thấp, thông cao; cặp tụ điện-cuộn cảm mắc song song hoặc nối tiếp đối với bộ lọc thông dải và chắn dải) sử dụng trong bộ lọc Bậc của bộ lọc càng lớn thì khả năng chọn lọc tầng số càng cao, tuy nhiên suy hao của bộ lọc cũng sẽ tăng lên

 Do việc thiết kế bộ lọc bậc cao yêu cầu khối lượng tính toán rất lớn nên trên thực tế thường sử dụng một số phần mềm CAD như Advanced System Design của Agilent hoặc MATLAB để thực hiện việc tổng hợp bộ lọc Ngoài ra một số tài liệu như [1] và [2] còn cung cấp bảng tra cứu tham số

để thiết kế bộ lọc

2 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng

2.1 Thiết kế bộ lọc sử dụng các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp

2.1.1 Bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp

- Định nghĩa [3]: bộ chuyển đổi trở kháng/dẫn nạp lý tưởng là một bốn cực không tổn hao, tương hỗ, không phụ thuộc tần số với ma trận truyền đạt có dạng:

Trang 19

Hình 1.8: Sử dụng Inverter để chuyển đổi tương đương tụ điện và cuộn cảm

2.1.2 Một số phương pháp hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược

Các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp với các tính chất nêu trên sẽ không

có ý nghĩa nếu không thể hiện thực hóa Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một

số phương pháp triển khai thực tế của các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp

Trang 20

Bảng 1.3: Một số phương pháp hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp [2]

Bộ chuyển đổi ngược trở kháng

jX

| |

( )

Trang 21

Sơ đồ nguyên lý Tham số

Bộ chuyển đổi ngược dẫn nạp

L

> 0

C

> 0

θ/2θ/2

jB

| |

( )

- Nhìn vào Bảng 1.3, chúng ta thấy rằng hầu như sẽ không thể hiện thực hóa các

bộ Inverter này nếu chúng đứng một mình do có sự xuất hiện của các cuộn cảm, tụ điện giá trị âm hoặc các đoạn đường truyền có độ dài điện nhỏ hơn 0 Tuy nhiên nếu được ghép với các linh kiện hoặc đường truyền bên ngoài thì

Trang 22

các tham số âm sẽ được bù và do đó việc hiện thực hóa được các bộ Inverter này là hoàn toàn có thể Hình 1.9 mô tả trường hợp hiện thực hóa một mạch điện bao gồm một Admittance Inverter mắc song song với hai tụ điện C1 và

C2, trong đó C1 và C2 đều lớn hơn C

-C+C1 -C+C2

C J

- Bước 2: lựa chọn dạng bộ lọc (Butterworth, Tchebyscheff hay Elliptic), bậc và

độ gợn phù hợp [1];

- Bước 3: thiết kế bộ lọc theo hướng dẫn trong Hình 1.10 hoặc Hình 1.11, trong đó:

 là trở kháng đặc tính của hệ thống (thường là 50Ω);

 là tần số giới hạn dải thông;

 và là các giá trị có thể tùy biến được chỉ cần thỏa mãn quan hệ trong Hình 1.10;

 và là các giá trị có thể tùy biến được chỉ cần thỏa mãn quan hệ trong Hình 1.11;

Trang 23

Hình 1.10: Bộ lọc thông thấp sử dụng Impedance Inverter [9]

Hình 1.11: Bộ lọc thông thấp sử dụng Admittance Inverter [9]

- Bước 4: tiến hành hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược theo hướng dẫn trong mục 2.1.2 để thu được bộ lọc thông thấp mong muốn

Bảng 1.4: Hệ số của bộ lọc Butterworth và Equal Ripple 0.5dB [1]

Trang 25

Hình 1.13: Đặc tính truyền đạt của hai bộ lọc thông thấp tương đương

- Hình 1.12 và Hình 1.13 lần lượt mô tả sơ đồ nguyên lý và đặc tuyến truyền đạt của một bộ lọc thông thấp thông thường, và một bộ lọc thông thấp sử dụng các

bộ chuyển đổi ngược trở kháng lý tưởng Có thể thấy rằng đặc tuyến truyền đạt của hai bộ lọc này hoàn toàn trùng khớp với nhau

- Việc sử dụng các bộ chuyển đổi ngược khi thiết kế các bộ lọc thông thấp có một số ưu điểm như sau:

 Có thể tạo ra được những bộ lọc thông thấp chỉ sử dụng một loại linh kiện điện kháng như cuộn cảm hay tụ điện Điều này rất có ý nghĩa trong việc giảm chi phí triển khai và kích thước bộ lọc

 Giá trị các linh kiện , và các bộ chuyển đổi ngược có thể tùy biến được, tạo ra độ linh hoạt nhất định trong thiết kế

2.1.4 Bộ lọc thông dải sử dụng các bộ chuyển đổi ngược

- Việc thiết kế bộ lọc thông thấp sử dụng các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp có thể thực hiện theo các bước như sau:

Trang 26

 Bước 1: xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lọc thông dải (các tần số giới hạn dải thông và dải chắn, suy hao yêu cầu tại các tần số đó, độ gợn dải thông và dải chắn);

 Bước 2: lựa chọn kiểu bộ lọc (Butterworth, Tchebyscheff hay Elliptic) và bậc phù hợp [1];

 Bước 3: xác định các tham số theo hướng dẫn trong Hình 1.14 hoặc Hình 1.15, trong đó;

 Bước 4: tiến hành hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược theo hướng dẫn trong mục 2.1.2 để thu được bộ lọc mong muốn

- Hình 1.16 và Hình 1.17 lần lượt mô tả sơ đồ nguyên lý và đặc tuyến truyền đạt của một bộ lọc thông dải thông thường và một bộ lọc thông dải sử dụng các bộ chuyển đổi ngược dẫn nạp lý tưởng cùng bậc và dạng của bộ lọc Có thể thấy rằng đặc tuyến truyền đạt của hai bộ lọc này gần như hoàn toàn trùng khớp với nhau

- Việc sử dụng các bộ chuyển đổi ngược khi thiết kế các bộ lọc thông dải có một số ưu điểm như sau:

 Giá trị các linh kiện L, C thu được từ quá trình tổng hợp trực tiếp thường nằm trong các dải không khả thi Khi sử dụng các bộ chuyển đổi ngược băng thông rộng thì các giá trị , và các Inverter đều có thể tùy chỉnh được chỉ cần thỏa mãn quan hệ trong Hình 1.14 hoặc Hình 1.15 Do đó, thiết kế sẽ linh hoạt và dễ triển khai thực tế hơn

 Có thể tạo ra các bộ lọc thông dải chỉ sử dụng các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song

 Bằng việc sử dụng các bộ chuyển đổi ngược băng thông rộng, tần số trung tâm của bộ lọc thông dải giờ đây chỉ còn phụ thuộc vào tần số cộng hưởng của các bộ cộng hưởng L, C nối tiếp (bộ chuyển đổi ngược trở kháng) hoặc song song (bộ chuyển đổi ngược dẫn nạp) Đây chính là cơ sở để thiết kế

Trang 27

Hình 1.15: Chuyển đổi LPF → BPF (Impedance Inverter) [9]

2.2 Một số phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng

Nguyên tắc của việc điều chỉnh tần số cộng hưởng của các mạch lọc thông dải là điều chỉnh tần số cộng hưởng của các bộ cộng hưởng thành phần Trong trường hợp mạch lọc sử dụng các bộ cộng hưởng LC, chúng ta có thể sử dụng một số phương pháp như sau:

Trang 28

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý hai bộ lọc thông dải tương đương

Hình 1.17: Đặc tuyến của hai bộ lọc thông dải tương đương

- Cuộn cảm điều chỉnh được: đặc điểm chung của các cuộn cảm điều chỉnh được chính là cơ chế điều chỉnh thường là cơ học, dải giá trị điều chỉnh được cũng khá hạn chế, do đó việc số hóa quá trình điều chỉnh sẽ gặp nhiều khó khăn

Trang 29

 Tụ điện điều chỉnh được bằng phương pháp cơ học: chúng ta sẽ không đề cập chi tiết về loại linh kiện này vì nó rất khó để số hóa quá trình điều khiển

 Đi-ốt biến dung: giá trị điện dung thay đổi khi điện áp phân cực ngược đặt vào diode này thay đổi Các đi-ốt có ưu điểm là nhỏ gọn, rẻ tiền, ít tiêu thụ năng lượng, dải giá trị điện dung điều chỉnh khá lớn Nhược điểm của loại linh kiện này là khả năng chịu công suất rất hạn chế và hệ số phẩm chất Q ở mức trung bình Do đó, đi-ốt biến dung được sử dụng rộng rãi trong các bộ lọc điều hưởng công suất nhỏ, việc số hóa quá trình điều khiển có thể thực hiện được thông qua các bộ DAC

 Tụ điện điều chỉnh số (DTC): loại tụ điện này thực chất chính là các IC được tích hợp một mảng các tụ điện và một hệ thống chuyển mạch đi kèm Việc điều khiển giá trị điện dung thường được thực hiện thông qua giao diện SPI hoặc I2C Loại linh kiện này hỗ trợ khả năng điều khiển số tiện lợi, dải giá trị điều chỉnh rộng, độ phân dải cũng rất chi tiết tuy nhiên giá thành cao, hệ số phẩm chất Q rất kém so với các loại tụ điện điều chỉnh được khác do việc sử dụng hệ thống chuyển mạch bên trong để thay đổi giá trị điện dung tổng hợp

 Tụ điện vi cơ điện tử (MEMS): là loại tụ điện điều chỉnh được, có kích thước nhỏ, không tiêu thụ công suất, dải điều chỉnh rộng và ít suy hao Loại

tụ điện này về tính năng rất thích hợp đối với việc thiết kế các bộ lọc thông dải điều hưởng tuy nhiên nó yêu cầu điện áp điều khiển cao, đồng thời loại linh kiện này vẫn chưa được thương mại hóa một cách rộng rãi

Trong luận văn này chúng ta sẽ sử dụng diode biến dung để xây dựng các bộ lọc thông dải điều hưởng khả trình

Trang 30

Chương II - Bộ lọc thông dải điều hưởng 450÷550MHz

1 Sơ đồ khối và các yêu cầu kỹ thuật

Khối Giao Diên Điều Khiển Số

Khối Cao Tần

USB

Bộ Lọc Thông Dải Điều Hưởng Khả Trình

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ lọc thông dải điều hưởng khả trình

Trong luận văn này chúng ta sẽ tiến hành thiết kế một bộ lọc thông dải điều hưởng với các tham số và tính năng kỹ thuật như sau:

 Dải tần hoạt động: 450÷550MHz (dải tần này có khá nhiều ứng dụng trong lĩnh vực truyền hình quảng bá);

 Độ gợn dải thông: 0.5dB;

 Băng thông (0.5dB): 3%;

 Giao diện điều khiển số: USB;

Sơ đồ khối của mạch lọc thông dải điều hưởng khả trình được mô tả trong Hình 2.1

- Giải pháp sử dụng:

 Dạng bộ lọc: Equal Ripple bậc 3, độ gợn 0.5dB;

 Phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng: sử dụng đi-ốt biến dung và các

bộ chuyển đổi ngược trở kháng

 Phương pháp số hóa điện áp điều khiển: sử dụng DAC

Trang 31

- Lưu ý: do trong các đi-ốt biến dung đều có chứa thành phần cuộn cảm nối tiếp

ký sinh, sơ đồ mạch điện tương đương được mô tả trong Hình 2.2, nên nếu các đi-ốt biến dung này được đưa vào các bộ cộng hưởng song song sẽ gây sai lệch về nguyên lý hoạt động khi tần số đủ cao Ngược lại khi được sử dụng trong các bộ cộng hưởng LC nối tiếp, thành phần điện cảm ký sinh này sẽ trở thành một phần của điện cảm nối tiếp trong bộ cộng hưởng, tạo thuận lợi cho việc phân tích và tính toán

Hình 2.2: Mô hình tương đương của diode biến dung SMV1763 (Skyworks)

- Sơ đồ nguyên lý tổng quan bộ lọc thông dải điều hưởng được mô tả trong Hình 2.3:

 D1, D2, D3: là các đi-ốt biến dung

 Ki,j: là các bộ chuyển đổi ngược trở kháng, được hiện thực hóa bằng một mạng bốn cực gồm 3 cuộn cảm mắc theo dạng chữ T, cách xác định giá trị của các cuộn cảm được mô tả chi tiết trong mục 2.1.2 Trong đó, các cuộn cảm trị số âm trong mô hình hiện thực hóa không tiếp xúc trực tiếp với đầu vào và đầu ra của bộ lọc thông dải sẽ được hấp thụ bởi các cuộn cảm L1, L2,

và L3

Trang 32

 Comp1 và Comp2: là các bộ cộng hưởng L, C nối tiếp băng thông rộng để

bù các cuộn cảm trị số âm trong hai bộ chuyển đổi ngược trở kháng K0,1 và

K3,4

2 Khối cao tần – Tunable BPF

2.1 Sơ đồ khối tổng quan

Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ lọc thông dải điều hưởng

- Dựa trên quan hệ mô tả trong Hình 1.14 và các yêu cầu kỹ thuật trong mục 1 chương 2, ta có thể xác định giá trị cụ thể của các thành phần trong Hình 2.3:

 Chọn các cuộn cảm L1, L2, L3 có giá trị bằng 41nH;

 Giá trị điện dung của các diode biến dung nằm trong khoảng: 3pF÷4.6pF

Trong luận văn này, chúng ta sẽ sử dụng diode biến dung SMV1763-079LF của hãng Skyworks để đưa vào các bộ cộng hưởng nối tiếp;

 Hệ số của các bộ chuyển đổi ngược trở kháng (xem mục 2.1.2 chương 1):

 → ;

 Do trong trường hợp này, giá trị điện cảm trong các bộ Impedance Inverter

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	3,27 MB