Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông

Bài viết giới thiệu một phương pháp thiết kế mới bộ lọc băng thông siêu rộng, dựa trên bộ lọc băng thông rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng vuông chữ thập đoạn chêm ngắn mạch kết hợp với đoạn chêm hở mạch để thu được bộ lọc siêu rộng có tính chọn lọc cao.

Nghiên cứu khoa học công nghệ THIẾT KẾ BỘ LỌC UWB VỚI BĂNG THÔNG CHỮ V SỬ DỤNG BỘ CỘNG HƯỞNG ĐOẠN CHÊM CHỮ THẬP VỊNG VNG Nguyễn Đức Un1*, Lê Vĩnh Hà2 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp thiết kế lọc băng thông siêu rộng, dựa lọc băng thông rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng Cấu trúc cộng hưởng vòng vng chữ thập đoạn chêm ngắn mạch kết hợp với đoạn chêm hở mạch để thu lọc siêu rộng có tính chọn lọc cao Vị trí băng thơng mong muốn thay đổi độc lập cách thay đổi chiều dài đường vi dải, tương ứng Mẫu lọc viba siêu rộng thiết kế thử nghiệm Các kết đo thực tế tiệm cận với kết mô Bộ lọc thiết kế có ưu điểm đơn giản quy trình lựa chọn băng thơng, cải thiện tính chọn lọc Từ khóa: Bộ lọc; Đường truyền; Đoạn chêm; Siêu rộng I GIỚI THIỆU Các ứng dụng băng thông rộng siêu rộng quan tâm việc thiết kế lọc băng thông rộng siêu rộng với mức tổn hao thấp hiệu suất cao, đặc biệt kể từ Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép sử dụng dải hoạt động không cần giấy phép từ (3.1-10.6) GHz cho ứng dụng thương mại 10.6 GHz [1] Ủy ban Truyền thông Liên bang phân bổ phổ tần 7.5GHz cho việc sử dụng không cần giấy phép cho thiết bị băng thông siêu rộng [2] Nhiều nỗ lực thực để sản xuất loại lọc dải thông băng rộng cho hệ thống không dây siêu rộng Các dịch vụ phổ biến như, WiFi, RFID, 4G, 5G,v.v đưa giới thiệu, giới hạn hệ thống lọc siêu rộng hiệu suất cao Nhiều tác giả thiết kế chế tạo lọc băng thông siêu rông [3-9] Mặc dù thiết kế có ưu điểm tạo nhiều băng thơng cách kết nối lọc khác nhau, người thiết kế chèn dải chặn vào dải băng rộng để thu lọc dải rộng siêu rộng , thiết kế có nhược điểm sử dụng ghép nối nhiều lọc nên tổn hao chèn lớn, kích thước hình học tơ pơ lớn, phức tạp, khó khăn việc điều chỉnh riêng biệt dải thông độc lập Trong báo này, đưa lọc băng thông siêu rộng nhỏ gọn với băng thông chữ V sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng Bộ lọc có băng thơng siêu rộng dựa lọc dải rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng Bộ lọc có ưu điểm đơn giản thiết kế chế tạo, hồn tồn có khả điều chỉnh độc lâp tần số cộng hưởng để tạo nên băng thông siêu rộng, khắc phục nhược điểm thiết kế trước Trong thiết kế này, cấu trúc đường truyền vi dải phát triển cách nhúng đoạn chêm hở mạch trở kháng cao để tạo băng thông siêu rộng với băng thơng 3dB 119% Sau đó, lọc UWB với băng thông siêu rộng chữ V thiết kế chế tạo Phần mềm HFSS sử dụng để mô thiết kế chế tạo công nghệ mạch in lớp Kết đo thực nghiệm so sánh với kết mô II CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC Trong phần này, xem xét số tính khác lọc băng siêu rộng với phân tích tồn sóng EM băng thông điều chỉnh độc lập dải tần số mong muốn Cấu trúc thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp đơn giản Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình (a) trình bày cấu trúc mạch tương đương lọc dải thông băng rộng sử dụng cộng hưởng vòng vng Từ cổng đến cổng 2, hai đường truyền với trở kháng đặc tính Z1 chiều dài điện 2θ1 giới thiệu, đoạn ngắn mạch với trở kháng đặc tính Z2 chiều dài điện θ2, đoạn hở mạch với trở kháng đặc tính Z3 chiều dài điện θ3 đường rẽ kết nối đường truyền thứ Hai đường truyền vi dải với trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω kết nối vào cổng Hình Cấu trúc lọc băng rộng Hình (a) Mạch tương đương, (b) Mạch chế độ lẻ, (c) Mạch chế độ chẵn Mạch tương đương trình bày hình 2(a), mạch tương đương chế độ chẵn lẻ trình bày hình 2(b),(c), tương ứng Dẫn nạp đầu vào chế độ chẵn/lẻ là: tan1  (Z1 cot2 ) / 2Z2  (Z1 tan3 ) / 2Z3 tan1 Với chế độ chẵn (1) Yine  j j Z1 Z1  (Z12 tan1 cot2 ) / 2Z2  (Z12 tan1 tan3 ) / 2Z3 Yino  2 j cot1 Z1 Với chế độ lẻ (2) Tần số cộng hưởng cho chế độ chẵn /lẻ tính Yine/Yino= Zine/Zino = công thức tính tốn tần số cấu trúc áp dụng[7]: f  Và c L e f even1  ; f odd  (2n  1)c ; 4( L1  L2 )  e (2n  1)c ; 4L1  e f even  f odd1  (2n  1)c ; 4( L1  L3 )  e ( 2n  1)c 4( L1  L  L )  e Mô đặc tuyến tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ cho cộng hưởng vòng ghép nối lỏng thể hình 3, f tần số xác định, feven tần số xác định chế độ chẵn, fodd tần số xác định chế độ lẻ Ta thấy có 56 N Đ Uyên, L V Hà, “Thiết kế lọc UWB với băng thông … chữ thập vòng vng.” Nghiên ccứu ứu khoa học cơng nghệ ba ccộộng ng hư hưở ởng ng ddảải tầần n ọcc m mộtt điểểm m truyền truy n không ccạnh nh ccủ ủaa dải d i thông, b lọ cộộng ng hư hưở ởng ng thứ th tư 2fodd1 m cách xa chúng Do đó, băng thơng cho bbộ ộ cộ ộng ng hư hưởng ng vòng nằm odd n ch yyếu chủ u đượ đượcc xác định đ nh bbởii tầ tần n số s ccộng ng hư hưởng ng chế ch độ chẵẵn feven1 feven2, fz1 mộộtt điểm m truyề truyềnn không nnằm m gần g n dải d i tần t n số số để đ cảảii thiện thi n tính ch chọọn lọ ọc Hình 33 Mơ phỏ ng đáp ứng ng |S21| củ ủaa bbộ Hình Mơ ph ỏng đáp ứ ứng ng tần tần số cộng lọọc ccộng ng hư hưởng ng vòng dư dướii ghép nnốii llỏỏng hưởng chế độ chẵn/lẻ so với θ hưởng ại f0 Vòng vng ch chữ thậậpp đo n ngắn ng n m mạạch ch hhở mạạch ch có th thểể tạạo o ba cộ cộng ng hư ng ddảii đoạn hưởng tầnn bbộộ lọ ọc c Có th thểể thu đư đượ ng hư hưở ởng ng đầ đầu u tiên bằ ng cách điều u chỉnh ch nh kích thư thướcc ợcc chế ch độ cộng củủaa đo đoạn n chêm ng ngắnn m mạch, ch, chế ch độ ộ th thứ hai ch chủ ủ yếếu u chế chế độộ lẻẻ có th thể đư ợcc điềuu ch chỉnh nh bằằng ng cách điều u ch chỉnh nh chi chiềều u dài c a bbộ ccộng ng hưởng hư ng vòng, ch chếế độ đ thứ th ba thể đư c điềều u khiển n b ng cách điều u chỉnh ch nh chiều chi u dài ccủaa đoạ đoạn n hở h mạạch ch Trong hình ình cho th thấy tần ần số cộng hhư ưởng ởng chế độ lẻ fodd1 không thay đđổi ổi với θ2, ttần ần số cộng hhưởng ởng chế độ chẵn feven1và feven2 di chuy chế chuyểển n theo hư hướng ng f0 θ2 tăng lên III THIẾT THIẾT KẾ V VÀ À CÁC K KẾT ẾT QUẢ Đểể thực th c hiệ n bbộ lọcc băng thông siêu rrộng ng chữ ch V, đo đoạnn hhở mạch m ch trở trở kháng cao có ph phần n mở m rộng r ng thu hhẹp, p, đư c đặ đặtt m mặặtt phẳng ph ng đối đ i xứ xứng, ng, ch hình (a) Như đđãã phân tích [9], tr trở kháng đđặcc tính ccủaa đoạn đo n m mắắcc rrẽ th đượ đư ợcc điều chỉnh nh u ch đểể thực th c hiệ n m t điểm m truy n không m mộộtt băng thơng ch chữ V thể đư c đưa theo truyền điểểm m không bbộộ lọọcc UWB bbản n Hơn nnữ ữa, a, tần t n số số trung tâm ddảii thông c a băng thơng chữ ch V có th thể đư c u khiểnn bbằng ng cách điều u chỉnh ch nh tỷ tỷ lệệ trở kháng ccủaa đo đoạnn hhở điềều mạạch ch tr trở kháng cao, ch chiiều u dài củ củaa đo đoạnn ng ngắn n mạ mạch ch (a) (b) Hình (a) Cấu C u trúc bbộ lọcc UWB vvớ ớii băng thông chữ ch V; V (b) K t ả mô ph ng |S | dư ới ghép nối lỏng Kết qu 21 Tạp ạp chí Nghi Nghiên ên cứu cứu KH&CN quân uân sự, sự, Số 566, 088 - 2018 20 57 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình (b) tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ cho cộng hưởng vòng với đoạn hở mạch/ngắn mạch trở kháng cao, ghép nối lỏng điểm truyền khơng (fz) nằm 5.2 GHz Hình (a) Mô đáp ứng tần số lọc UWB với W3 khác nhau; (b) Dưới L1 khác Hình (a) mơ đáp ứng tần số lọc đề xuất với giá trị khác W3 Chúng ta thấy tần số trung tâm băng thông chữ V thay đổi tăng lên từ 5.0 GHz tới 5.3 GHz, 5.6 GHz W3 dao động từ 4.0 mm xuống 3.6 mm, 3.1 mm tương ứng Hình (b) cho thấy mô đáp ứng tần số lọc trường hợp L1 có độ dài khác Dải thơng băng thông chữ V tăng lên L1 tăng Hình Nguyên mẫu thiết kế phần mềm Ansoft HFSS 15.0 lọc băng thông siêu rộng Bằng thiết kế lọc UWB nhỏ gọn với băng thông chữ V điều chỉnh thực (hình 7) Sau tối ưu hóa Ansoft HFSS 15.0 thông số thiết kế chọn W1 = 1.4mm, W2 = 0.8mm, W3 = 3.3mm, L1 = 1.7mm, L2 = 0.5mm, L3 = 3.4mm, L= 5.7mm, đường kính lỗ khuyên 0.7mm Một nguyên mẫu lọc UWB đề xuất với băng thông chữ V thiết kế chế tạo chất với r = 4.4 h = 0.8 mm Ảnh nguyên mẫu thể 58 N Đ Uyên, L V Hà, “Thiết kế lọc UWB với băng thơng … chữ thập vòng vng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ hình 8, kích thước lọc khoảng mm * 6.5 mm(0.27λg * 0.36λg ;λg bước sóng dẫn đường truyền vi dải 50Ω 6.85 GHz) cho thấy thiết kế nhỏ gọn Hình Ảnh lọc UWB với băng thông chữ V chế tạo Hình Mơ đo đáp ứng lọc Các thông số S đo trễ nhóm minh họa hình 7(b) Băng thông lọc 119% (2.5 - 11.0 GHz), tổn hao chèn đo với lọc nhỏ 0.8 dB, tổn hao phản hồi lớn 15 dB, trễ nhóm nhỏ 0.35 ns tồn băng thơng Tổn hao chèn băng thông chữ V lớn 20 dB băng thơng -3 dB 4.6% 5.2 GHz hồn toàn phù hợp với tham số kỹ thuật lọc siêu cao tần quy định Kết báo so sánh với số cơng trình cơng bố gần lọc UWB băng thơng chữ V trình bày bảng đây: Bảng So sánh lọc thiết kế với lọc UWB băng thông chữ V cơng bố Cơng Kích thước (mm) Tần số chữ V/tổn hao Dải thơng r/chiều cao trình (dB) (GHz) (mm) [5] 2.2/1.0 31 mm × 20 mm 3.6/5.9/8.0/ > 10 3.1–10.6 [6] 2.65/1.0 30 mm × 16 mm 5.3/7.8/ > 20 2.8–11 [7] 2.55/0.8 22.5 mm × 13.7 5.5/ > 10 3.1–10.6 mm [8] 3.38/0.508 20 mm × 15 mm 6/ > 20 ( băng thông 3.6–10.1 chữ V từ 5.8–6.2) Bài báo 4.4/0.8 mm × 6.5 mm 5.2/5.3/5.6/>20 2.5 - 11.0 IV KẾT LUẬN Một lọc UWB băng thông chữ V băng thông siêu rộng thiết kế cách sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm ngắn mạch, với đoạn hở mạch trở kháng cao có phần mở rộng thu hẹp đặt mặt phẳng đối xứng trình bày Phân đoạn băng thông lọc siêu rộng điều khiển cách điều chỉnh tỷ lệ trở kháng đoạn hở mạch trở kháng cao, chiều dài đoạn ngắn mạch Kết mô đo đạc cho thấy tổn hao chèn thấp, độ trễ nhóm phẳng độ chặn ngồi dải cao, cho thấy tính khoa học thiết kế đề xuất, phù hợp với phân tích lý thuyết thực nghiệm Bộ lọc thiết kế hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng không dây dải rộng siêu rộng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Federal Communications Commission “Revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra-wideband transmission systems” FCC ET-Docket, April 2002 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 59 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [2] Aiello G R and Rogerson G D “Ultra-wideband wireless system” IEEE Microw Mag., vol 4, no 2, pp 36–47, Jun 2003 [3] Luo S, and Zhu L “A novel dual-mode dual-band bandpass filter based on a single ring resonator” IEEE Microw Wireless Compon Lett., vol.19, no 8, pp 497–499, Aug 2009 [4] Shaman H and Hong J.-S “A novel ultra-wideband bandpass filter with pairs of transmission zeroes” IEEE Microw Wireless Compon Lett., vol 17, no 2, pp 121– 123, Feb 2007 [5] Wei, F., Z D Wang, F Yang, and X W Shi, “Compact UWB BPF with triplenotched bands based on stub loaded resonator”, IEEE Electronics Letters, Vol 49, No 2, 124–126, January 2013 [6] Song, Y., G M Yang, and G Wen, “Compact UWB bandpass filter with dual notched bands using defected ground structures”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol 24, No 4, 230–232, April 2014 [7] Zhu, H and Q X Chu, “Ultra-wideband bandpass filter with a notch-band using stub-loaded ring resonator”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol 23, No 7, 341–343, July 2013 [8] Shan, Q., C Chen, and W Wu, “Design of an UWB bandpass filter with a notched band using asymmetric loading stubs”, IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Vol 2, 5–8, June 2016 [9] Kim C H, and Chang K “Ring resonator bandpass filter with switchable bandwidth using steppedimpedance stubs” IEEE Trans Microw.Theory Tech., vol 58, no 12, pp 3936-3944 Dec 2010 ABSTRACT DESIGN OF UWB FILTER WITH V-BAND USING SQUARE CROSS STUB LOADED RESONATOR The article, introduces a new design method for UWB filter based on the broadband filter using square cross stub loaded resonace The square cross stub loaded resonator structure is combined short circuit square cross stub load resonator with the open stub loaded resonator to obtain a highly selective Ultra Wide Band filter The position of the desired bandwith can be changed independently corrected by varying the length of a microstrip line, respectively A Ultra wide Band microwave filte has been designed and tested The experiment measurement results are asymptotic to the simulation results The designed filter has the advantages of simple process in selecting individual bandwith, improving selectivity Keywords: Filter; Transmission lines; Stub-loaded; Ultra wide Band Nhận ngày 03 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 08 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2018 Địa chỉ: Trường Cao đẳng Phát truyền hình I - Phủ Lý, Hà Nam; Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: uyenvov@gmail.com 60 N Đ Uyên, L V Hà, “Thiết kế lọc UWB với băng thông … chữ thập vòng vng.” ... nguyên mẫu lọc UWB đề xuất v i băng thông chữ V thiết kế chế tạo chất v i r = 4.4 h = 0.8 mm Ảnh nguyên mẫu thể 58 N Đ Uyên, L V Hà, Thiết kế lọc UWB v i băng thơng … chữ thập v ng vng.” Nghiên... hợp v i tham số kỹ thuật lọc siêu cao tần quy định Kết báo so sánh v i số công trình cơng bố gần lọc UWB băng thơng chữ V trình bày bảng đây: Bảng So sánh lọc thiết kế v i lọc UWB băng thông chữ. .. ( băng thông 3.6–10.1 chữ V từ 5.8–6.2) Bài báo 4.4/0.8 mm × 6.5 mm 5.2/5.3/5.6/>20 2.5 - 11.0 IV KẾT LUẬN Một lọc UWB băng thông chữ V băng thông siêu rộng thiết kế cách sử dụng cấu trúc cộng