Thiết kế bộ lọc chắn dải sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng hở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -  - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ LỌC CHẮN DẢI SỬ DỤNG CẤU TRÖC VÕNG CỘNG HƯỞNG HỞ GV hướng dẫn : ThS NGUYỄN THỊ KIM THU SV thực : VŨ ĐÌNH HẠNH Lớp : 52K - ĐTVT Khóa học : 2011- 2016 NGHỆ AN-5/2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Khái niệm lịch sử phát triển lọc tần số 1.3 Phân loại lọc 11 1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF 11 1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF 12 1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF 13 1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF 14 1.4 Mạch lọc siêu cao tần 15 1.4.1 Bộ lọc thông thấp mạch lọc siêu cao tần 15 1.4.2 Bộ lọc thông cao mạch lọc siêu cao tần 17 1.4.3 Bộ lọc thông dải mạch lọc cao tần 18 1.5 Các tham số mạng siêu cao tần 21 1.5.1 Ma trận tán xạ S 22 1.5.2 Ma trận trở kháng Z dẫn nạp Y 23 1.5.3 Ma trận truyền đạt ABCD 24 1.6 Kết luận chương 26 Chương MỘT SỐ CẤU TRÚC ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN 27 2.1 Giới thiệu chương 27 2.2 Đường truyền vi dải 27 2.2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 27 2.2.2 Cấu trúc trường đường truyền vi dải 27 2.3 DMS (Defected Microstrip Tructure) cấu trúc lọc DMS 28 2.3.1 DMS kĩ thuật điều chỉnh 28 2.3.2 DMS lọc đàn áp 31 2.4 DGS (Defected GroundTructure) số cấu trúc DGS 33 2.4.1 Cấu trúc đặc điểm đơn vị DGS 33 2.4.2 DGS chu kỳ 36 2.5 Cấu trúc cộng hưởng vòng SRR 37 2.5.1 Giới thiệu SRR 37 2.5.2 Một số cấu trúc SRR 38 2.6 Kết luận chương 42 Chương THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH LỌC CHẮN DẢI SỬ DỤNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG VÒNG 43 3.1 Giới thiệu 43 3.2 Sơ lược phần mềm HFSS 43 3.3 Bộ lọc chắn dải đa băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng 45 3.3.1 Cấu trúc mạch lọc 45 3.3.2 Khảo sát thay đổi độ rộng vòng cộng hưởng b 47 3.3.3 Khảo sát thay đổi kích thước vị trí khe L 48 3.3.4 Kết mô 49 3.4 Bộ lọc chắn dải đơn băng sử dụng cấu trúc vịng hình chữ C 49 3.4.1 Cấu trúc mạch lọc sử dụng SRRs 49 3.4.2 Cấu trúc mạch lọc sử dụng SRRs 50 3.4.3 Khảo sát thay đổi kích thước khe cắt g 51 3.5 Kết luận chương 52 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển công nghệ truyền thông không dây nay, để đáp ứng yêu cầu cải thiện hiệu suất lọc cần thiết ứng dụng để ngăn chặn tín hiệu khơng mong muốn sóng vi dải cho phép tín hiệu có ích qua lọc ngày sử dụng rộng rãi Đồ án nghiên cứu, thiết kế lọc chắn dải sử dụng cấu trúc khắc bề mặt vi dải cấu trúc cộng hưởng vòng để tạo lọc chắn dải tốt Nội dung đồ án gồm chương: Chương trình bày khái niệm lọc tần số, cách phân loại lọc tần số vai trò lọc tần số viễn thông Chương giới thiệu số cấu trúc cấu trúc khắc mặt đất, DMS kết hợp đường truyền vi dải thiết kế lọc siêu cao tần Chương trình bày tốn phân tích, thiết kế mơ lọc chắn dải sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng Do hạn chế thời gian lực nên chắn tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận thơng cảm góp ý thầy giáo, giáo bạn để đồ án hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thị Kim Thu giúp em thực tốt đồ án Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử Viễn thơng giảng dạy, giúp đỡ em hồn thành chương trình đào tạo Sinh viên thực Vũ Đình Hạnh TÓM TẮT Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế, mô lọc chắn dải sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng kết hợp với cấu trúc khắc đường truyền vi dải Cấu trúc lọc mô phần mềm HFSS Bằng cách sử dụng cấu trúc trên, lọc chắn dải đơn băng với dải tần 5.04 ÷ 6.7 GHz với S21   57dB , S11   0.4dB lọc chắn dải đa băng với hai dải tần 2.12 ÷ 2.7 GHz với S21  52dB , S11   0.4dB 4.22 ÷ 5.42 GHz với S21  50dB , S11   0.4dB thiết kế ABSRACT The thesis focuses on study, design, simulation of bandstop filters using split ring resonator and defected microstrip structure The structure has been simulated with HFSS simulator Utilizing this concept, a singer-band bandstop filter is designed with stopband 5.04 ÷ 6.7 GHz with S21 =  57 dB, S11 ≈  0.4 dB rejection and a multi-band bandstop filter that has two stopbands 2.12 ÷ 2.7 GHz with S21   52dB , S11   0.4dB rejection and 4.22 ÷ 5.42 GHz with S21   50dB , S11   0.4dB rejection DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt DMS Defected Microstrip Tructure Cấu trúc khắc đường truyền vi dải DGS Defected Ground Tructure Cấu trúc khắc mặt đất SRR Split-ring resonator Cấu trúc phân chia cộng hưởng vịng BPF Band Pass Filter Mạch lọc thơng dải BSF Band Stop Filter Mạch lọc chắn dải LPF Low-pass filter Mạch lọc thông thấp HPF High-pass filter Mạch lọc thông cao HFSS Ansoft High Frequency Phần mềm mô cấu trúc tần số Structure Simulator cao Ansoft Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện Điện tử IEEE Electronics Engineers DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thơng số kích thước lọc 46 Bảng 3.2 Kết khảo sát kích thước cạnh b 48 Bảng 3.3 Kết khảo sát thay đổi kích thước vị trí khe L 49 Bảng 3.4 Khảo sát thơng số mạch lọc thay đổi kích thước khe g 52 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biểu đồ đáp ứng số mạch lọc Butterworth bậc điển hình….12 Hình 1.2 Biểu đồ đáp ứng biên tần cuả mạch lọc thơng thấp Chebyshev…………12 Hình 1.3 Bộ lọc thơng thấp lý tưởng………………………………………………12 Hình 1.4 Đáp ứng Butterworth đáp ứng Tschebys-cheff mạch lọc thơng cao tích cực…….……………………………………………………………………… 13 Hình 1.5 Bộ lọc thơng cao lý tưởng………………………….……………………13 Hình 1.6 Bộ lọc thơng dải lý tưởng……………………………………………… 14 Hình 1.7 Bộ lọc chắn dải lý tưởng……………………………………………… 15 Hình 1.8 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt hệ số phản xạ………….15 Hình 1.9 Đáp ứng tần mạch lọc thơng thấp bậc 3…………………………… 16 Hình 1.10 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang với linh kiện tham số tập trung 16 Hình 1.11 Sơ đồ mạch lọc thơng dải hình bậc thang 18 Hình 1.12 Đồ thị tổn hao xen theo tần số mạch lọc thông dải 18 Hình 1.13 Sơ đồ khối biến đổi trở kháng (a) biến đổi dẫn nạp (b) 19 Hình 1.14 Biến đổi tương đương thành phần trở kháng nối tiếp dẫn nạp song song sử dụng biến đổi: a )trở kháng (K); b) dẫn nạp (J) 19 Hình 1.15 Mạch lọc thông dải sử dụng biến đổi trở kháng [1] 20 Hình 1.16 Mạch lọc thông dải sử dụng biến đổi dẫn nạp 20 Hình 1.17 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) 21 Hình 1.18 Mạng hai cửa nối tầng mạng hai cửa tương đương 25 Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 27 Hình 2.2 Giản đồ trường đường vi dải 28 Hình 2.3 Cấu trúc khắc đường truyền vi dải DMS 29 Hình 2.4 Ăng ten vá hình chữ nhật với khe đào DMS đặt cạnh khơng gian xạ 30 Hình 2.5 Mơ hình xạ: a) ăng-ten vá khơng DMS, b) ăng ten vá với DMS 30 Hình 2.6 Mối liên quan tần số cộng hưởng chiều dài khe 31 Hình 2.7 So sánh ăng-ten vá điều chỉnh không điều chỉnh 31 Hình 2.8 Cấu trúc DMS DGS ngăn chặn sóng hài bậc 2: a) DGS, Duroid 6010, b) DMS, Duroid 6010, c) DGS, Duroid 5880, d) DMS, Duroid 5880 32 Hình 2.9 Một số cấu trúc DGS 33 Hình 2.10 Cấu trúc DGS 34 Hình 2.11 Hệ số truyền đạt phản xạ 34 Hình 2.12 Cấu trúc DGS mạch tương đương 34 Hình 2.13 Mô thông số S- DGS 35 Hình 2.14 Mơ với mơ hình mạch tương đương 35 Hình 2.15 Cấu trúc DGS chu kỳ 36 Hình 2.16 Cấu trúc cộng hưởng vịng SRR 38 Hình 2.17 Mơ hình mạch tương đương cộng hưởng vịng hình trịn 38 Hình 2.18 Độ từ thẩm tương đối AMR 39 Hình 2.19 Cấu trúc vịng đơi 40 Hình 2.20 Mơ hình tế bào SRR DGS 40 Hình 2.21 So sánh kết cấu trúc DGS thường SRR DGS 41 Hình 2.22 Sơ đồ mạch tương đương cho cấu trúc SRR DGS 41 Hình.3.1 Cấu trúc lọc cộng hưởng vòng 46 Hình 3.2 Vẽ mạch phần mềm HFSS V.13 47 Hình.3.3 Kết mô khe L trung tâm 47 Hình 3.4 Kết mơ b = 0.75 mm 48 Hình 3.5 Kết mơ L có chiều rộng 0.5 tọa độ 0.7 mm 49 Hình.3.6 Kết mơ 50 Hình 3.7 Cấu trúc SRRs 50 Hình 3.8 S21 vòng ring 51 Hình 3.9 Cấu trúc SRRs 51 Hình 3.10 Kết mơ SRRs 51 Hình 3.11 Bộ lọc g = 0.0008mm 52 Hình 3.12 Mơ kết g =0.0008mm 53 Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu kiến thức lọc tần số ứng dụng viễn thông bao gồm khái niệm, lịch sử phát triển lọc tần số, cách phân loại lọc tần số theo đáp ứng tần số, theo tính chất phần tử… Ngoài ra, lọc siêu cao tần ngày chiếm ưu ứng dụng vô tuyến di động, rada, thông tin vệ tinh trình bày chương 1.2 Khái niệm lịch sử phát triển lọc tần số Bộ lọc tần số lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu dải tần mong muốn qua chặn lại tín hiệu dải tần khác 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 khoảng tần số Chúng đóng nhiều vai trị khác hệ thống 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 cứu sau phát triển theo hai hướng độc lập, nghiên cứu lý thuyết tham số ảnh lý thuyết tổn hao xen 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 mơ tả lý tưởng hóa tham số đầu vào đầu khâu hai cửa phương pháp thường khơng thể xác Vì phương pháp tham số ảnh phương Hình 2.20 Mơ hình tế bào SRR DGS Các SRR DGS thu cách ăn mòn hai tâm vịng chia bị khiếm khuyết có khác kích thước hướng tách nghịch đảo Sử dụng lớp điện mơi có   2.65 , chiều cao lớp điện môi h  1.5 mm chiều rộng dây dẫn dòng 4.1mm Do gián đoạn trở kháng vùng bị lỗi, điện từ cộng hưởng thu khoảng băng thơng hình thành So với cấu trúc hình tạ thường DGS, SRR DGS sở hữu lọc thông thấp băng thông hẹp có xuất hàm truyền zero, thể hình 2.21 Hình 2.21 So sánh kết cấu trúc DGS thường SRR DGS Kết là, cấu trúc sử dụng để thiết kế thông thấp lọc chắn dải Tuy nhiên, cấu trúc có nhược điểm băng thông hẹp chưa đủ ngăn chặn dải tần số cao cần phải cải thiện thực thiết kế kĩ thuật Để tìm tần số cộng hưởng người ta chuyễn mơ hình mạch qua sơ đồ tương đương hình 2.22 41 Hình 2.22 Sơ đồ mạch tương đương cho cấu trúc SRR DGS Các vị trí truyền zero cho tế bào SRR DGS xác định tần số cộng hưởng mạch shunt, có nghĩa thực L, C1 C2 Các trở kháng mạch LC song song cho bởi: Z1  1 jC1  j L1  j  L1   L1C1 (2.3) Trong trở kháng tụ điện C2 là: Z2  1 j jC2 C (2.4) Việc truyền không thu khi: Z1 + Z = (2.5) Sau đó, có tần số cộng hưởng là: fS  2 L1 (C1  C2 ) (2.6) Nhìn chung có mối quan hệ tương thích kích thước hình vng SRR DGS tế bào thơng số phần tử mạch tương đương Người ta tìm hiểu phụ thuộc đặc tính truyền dẫn mặt dài, chia khoảng cách vòng khoảng cách hình vng SRR DGS 2.6 Kết luận chương Như ta thấy đường truyền vi dải, cấu trúc đường truyền vi dải, loại cấu trúc DGS cấu trúc DMS từ đến phức tạp bao gồm hình dáng khác Cấu trúc SRR loại kết hợp cấu trúc SRR DGS cho ta thấy đa dạng loại cấu trúc Để thiết kế cấu trúc SRR tốt ta tìm hiểu chi tiết chương sau 42 Chương THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH LỌC CHẮN DẢI SỬ DỤNG CẤU TRÖC CỘNG HƯỞNG VÕNG 3.1 Giới thiệu Trong chương trình bày việc thiết kế mô mạch lọc chắn dải đơn băng tần đa băng tần Các mạch lọc chắn dải thực nhằm mục đích loại trừ dải tần không mong muốn gây nhiễu từ hệ thống Wifi, Bluetooth…đến hệ thống sử dụng 3.2 Sơ lược phần mềm HFSS Phần mềm mô trường điện từ HFSS 13 phần mềm mô dùng để giải trường điện từ dựa phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) tồn sóng cho cấu trúc ba chiều HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tồn sóng ba chiều để tính tốn đặc trưng điện học linh kiện tần số cao tốc độ cao Với HFSS, kỹ sư tách tham số kí sinh (S, Y, Z), hình dung trường điện từ ba chiều (trường khu gần trường khu xa) tạo mẫu chương trình mô chuyên dùng cho mạch in thực thiết kế tối ưu HFSS mơ tả xác hoạt động điện linh kiện đánh giá hiệu chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền, tổn hao phản xạ không phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh, phát xạ HFSS mơ trường điện từ, dịng điện phát xạ cấu trúc ba chiều bao gồm kim loại, điện môi, vật liệu từ … dựa phương pháp phần tử hựu hạn ba chiều HFSS sử dụng rộng rãi công nghiệp cho tần số vô tuyến RF, anten thiết kế mạch Theo www.ansoft.com, HFSS phần mềm chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S chương trình mơ chun dùng cho mạch in tồn sóng (Full wave SPICE) cho mô điện từ linh kiện tần số cao với tốc độ cao HFSS sử dụng rộng rãi cho việc thiết kế phần tử thụ động nhúng chip, đầu nối mạch in, anten, linh kiện RF/vi ba, gói IC tần số cao HFSS phát triển sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển khẳng định rõ 43 thành công thiết kế Phiên HFSS đưa phát triển sản phẩm tới kỹ sư RF/vi ba mở rộng việc phối hợp thiết kế điện từ tới nhánh khác kỹ sư làm việc khu vực thiết kế IC RF/analog thiết kế multi-gigabit EMI/EMC HFSS dùng để mô đầu nối, ống dẫn sóng, linh kiện chip, anten, v.v… dùng cho việc khảo sát tham số, tối ưu cấu trúc HFSS phần họ sản phẩm Ansoft gồm có: Các quét tần số: Thực quét tần số người sử dụng muốn tạo lời giải qua dải tần số Ta lựa chọn loại quét sau: Nhanh: Tạo lời giải trường đầy đủ cho phép chia khoảng tần số Tốt cho mẫu đột ngột cộng hưởng hay thay đổi hoạt động băng tần số Rời rạc tạo lời giải trường điểm số cụ thể dải tần Tốt có vài điểm tần số cần thiết phải mơ tả xác kết dải tần Nội suy: Đánh giá lời giải cho toàn dải tần Tốt dải tần rộng đáp ứng tần số phẳng, hay yêu cầu nhớ quét nhanh vượt tài nguyên bạn Kích thích thiết lập kích thích cho thiết kế HFSS cho phép bạn cụ thể hóa nguồn trường điện từ điện tích, dịng điện hay điện áp vật hay bề mặt: Wave port; Lumped port; Sóng tới; Nguồn điện áp; Nguồn dòng điện; Nguồn phân cực từ Các đường biên, 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 vơ hạn Các vật liệu gồm 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 môi tiếp tuyến, tổn hao từ tiếp tuyến Các tính chất vật liệu ferit: Đường bão hịa từ, Hệ số Lande G, DeltaH Thơng tin bao gồm điều sau: Các vật liệu không đẳng hướng, Các tính chất vật liệu phụ thuộc tần số, lời giải Driven Modal, lựa chọn loại lời giải 44 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 diễn thành 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 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 3.3 Bộ lọc chắn dải đa băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng 3.3.1 Cấu trúc mạch lọc Phần trình bày việc thiết kế lọc chắn dải, đa băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng nhằm chắn hai dải tần số 2.4 – 2.5 GHz 5.0 – 5.8 GHz Bộ lọc có tác dụng ngăn chặn ảnh hưởng nhiễu từ thiết bị hoạt động dải tần số đến hoạt động hệ thống khác Các dải tần số 2.4 - 2.5 GHz 5.0 – 5.8 GHz dùng cho hệ thống thông tin không dây Wifi, Blutooth…Để hệ thống khác hoạt động mà nhằm tránh nhiễu từ hệ thống thông tin liên lạc việc thiết kế lọc quan trọng Hình 3.1 cấu trúc lọc cộng hưởng vịng đề xuất nhóm tác giả [5] Các thơng số kích thước mạch cho bảng 3.1 Hình 3.1 Cấu trúc lọc cộng hưởng vòng Mặt mạch lọc khắc hình chữ T có kết cấu đối xứng, kết hợp với cấu trúc cộng hưởng vịng hình chữ nhật Độ rộng khe L xác định tần số dải tần thứ cấu trúc cộng hưởng vòng xác định tần số dải tần 45 thứ hai Bộ lọc xây dựng vật liệu F4BK, có số điện mơi  r  2.65 và độ dày 0,508 mm Bảng 3.1 Các thơng số kích thước lọc Ws = 1.4mm Wt = 0.4mm L = 32mm Wg = 0.2mm Lt = 6.6mm Ls = 4mm Wr = 2mm b = 0.2mm Lr = 4.1mm Mạch vẽ mô phần mềm HFSS Version 13 Hình 3.2 Vẽ mạch phần mềm HFSS V.13 Đầu tiên, đặt khe L đặt vị trí trung tâm, kích thước giữ nguyên ban đầu bảng 3.1 ta thu được kết hình 3.3 Ta có dải tần chắn thứ từ 2.62 ÷ 5.34 GHz với tần số trung tâm 4.6 GHz, dải tần số chắn thứ hai từ 7.14 ÷ 7.24 GHz với tần số trung tâm 7.2 GHz Với kết vậy, rõ ràng băng thông dải chắn rộng chưa với yêu cầu thiết kế -5 He so suy hao -10 -15 -20 -25 -30 S11 S21 -35 -40 -45 -50 Tan so (GHz) Hình 3.3 Kết mơ khe L trung tâm 46 Tiếp theo tiến hành mô khảo sát thay đổi kích thước lọc để thu kết tối ưu, yêu cầu thiết kế 3.3.2 Khảo sát thay đổi độ rộng vòng cộng hưởng b Tăng độ rộng b giữ nguyên kích thước Wr = mm, nghĩa giảm nhỏ kích thước hình khắc chữ nhật, thu kết bảng 3.2 Có thể nhận thấy b 0.7 0.75 0.8 mm kết thu có xu hướng cải thiện Ta chọn kích thước b = 0.75 mm để tiếp tục khảo sát thông số khác Bảng 3.2 Kết khảo sát kích thước cạnh b Độ rộng b (mm) Dải tần (GHz) Tần số trung tâm (GHz) Dải tần (GHZ) Tần số trung tâm (GHz) 0.2 2.62 – 5.34 4.6 7.14 – 7.24 7.2 0.3 2.59 – 5.2 4.6 7.59 – 7.61 7.6 0.4 2.5 – 5.1 4.45 7.4 – 7.5 7.45 0.5 2.5 – 5.19 4.2 0.6 2.62 – 3.4 3.0 4.1 – 5.19 4.5 0.7 2.29 – 2.8 2.45 3.95 – 5.05 4.41 0.75 1.8 – 2.8 2.5 4.0 – 5.2 4.6 0.8 1.9 – 2.9 2.58 4.0 – 5.1 4.5 -5 -10 He so suy hao -15 -20 -25 S11 S21 -30 -35 -40 -45 -50 Tan so (GHz) Hình 3.4 Kết mô b = 0.75 mm 47 3.3.3 Khảo sát thay đổi kích thước vị trí khe L Giữ nguyên độ rộng cộng hưởng vịng hình chữ nhật với b = 0.75 mm, tiến hành thay đổi kích thước vị trí khe L thu kết bảng 3.3 Nhìn vào bảng 3.3 nhận thấy khe L có tọa độ 0.7 so với gốc tọa độ kích thước trục x 0.5 mm kết tối ưu so với kích thước cịn lại Bảng 3.3 Khảo sát thay đổi kích thước vị trí khe L Độ rộng Tọa độ x Dải tần số Tần số Dải tần số Tần số khe L khe L thứ trung tâm thứ hai trung tâm mm (mm) GHz GHz GHZ GHz 0.6 2.4 - 3.0 2.6 4.3 – 5.2 4.6 0.7 2.3 – 3.06 2.64 4.24 – 5.04 5.02 0.8 2.28 – 2.84 2.48 3.52 – 5.12 4.4 0.9 2.16 – 2.76 2.44 4.34 – 5.26 4.62 1.0 2.14 – 2.7 2.42 3.92 – 5.46 4.92 0.6 2.3 – 3.02 2.56 4.12 – 5.06 4.48 0.7 2.4 – 3.18 2.64 4.04 – 5.34 4.6 0.8 1.92 – 2.68 2.28 3.88 – 5.4 4.78 0.9 2.06 – 2.72 2.32 4.36 – 5.36 4.86 1.0 1.96 – 2.56 2.24 4.16 – 5.48 5.12 0.6 2.14 -2.8 2.4 4.3 – 5.38 4.7 0.7 2.12 – 2.7 2.4 4.22- 5.42 4.95 0.8 1.94 – 2.5 2.18 3.04 – 3.42 3.3 0.2 0.3 0.5 -5 He so suy hao(dB) -10 -15 S11 S21 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 Tan So (GHz) Hình 3.5 Kết mơ L có chiều rộng 0.5 tọa độ x = 0.7 mm 48 3.3.4 Kết mơ Q trình khảo sát cho ta kích thước tối ưu lọc sau: L  32mm , Wg  0.2mm , Wt  0.4mm , Wr  2mm , Lr  4.1mm , Ws  1.4mm , Ls  4mm , b  0.75mm -5 He so suy hao(dB) -10 -15 S11 S21 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 Tan So (GHz) Hình 3.6 Kết mơ Kết thu mô cho thấy dải tần số thứ 2.12 ÷ 2.7 GHz với S21  52dB S11   0.4dB tần số trung tâm 2.4 GHz, dải tần số thứ hai 4.22 ÷ 5.42 GHz với S21  50dB S11 xấp xỉ 0.4 tần số trung tâm 4.95 GHz 3.4 Bộ lọc chắn dải đơn băng sử dụng cấu trúc vịng hình chữ C 3.4.1 Cấu trúc mạch lọc sử dụng SRRs Phần thiết kế lọc chắn dải đơn băng, nhằm tránh ảnh hưởng hệ thống Wifi chuẩn 802.11(hoạt động xung quanh tần số 5.8 GHz) đến hệ thống khác Hình 3.7 cấu trúc mạch lọc đề xuất nhóm tác giả [6] Hình 3.7 Cấu trúc SRRs 49 Kích thước mạch gồm có: c = d = 0.3 mm, g = 0.6 mm, kích thước tổng 7.4 mm x mm Vật liệu điện môi sử dụng RT/ Duroid có số điện mơi  r  2.2 , độ dày h  0.508mm Mạch mô phần mềm HFSS 13 Hình 3.8 cho thấy dải chắn từ 5.28 ÷ 7.05 GHz với S21  41dB tần số trung tâm 5.98 GHz, kết chưa đạt yêu cầu, tiến hành ghép thêm đến cấu trúc SRRs lại với Hình 3.8 Kết mơ 3.4.2 Cấu trúc mạch lọc sử dụng SRRs Hình 3.9 Cấu trúc SRRs Sau ghép thành cấu trúc hình 3.9, ta thu kết mơ hình 3.10 Kết thu mô cho thấy dải tần số bị chắn từ 5.37 ÷ 7.06 GHz với S21  57dB tần số trung tâm 5.91 GHz Kết mô chưa yêu cầu thiết kế, có xu hướng cải thiện, tiếp tục khảo sát kích thước khe cắt g 50 Hình 3.10 Kết mơ SRRs 3.4.3 Khảo sát thay đổi kích thước khe cắt g Lần lượt giảm kích thước g 0.1 mm, từ 0.6 xuống 0.1mm, kết thu trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Khảo sát thông số mạch thay đổi kích thước khe g Khe g (mm) Dải chắn (GHz) Tần số trung tâm (GHz) 0.6 5.37 – 7.06 5.91 0.5 5.38 – 7.09 5.86 0.4 5.3 – 6.99 5.81 0.3 5.28 – 6.95 5.76 0.2 5.2 – 6.91 5.68 0.1 5.2 – 6.86 5.64 Nhận thấy giảm kích thước khe cắt g dải tần số bị chắn tần số cắt trung tâm giảm dần Càng giảm g kết có xu hướng cải thiện hơn, nên tiếp tục giảm kích thước khe g g  0.0008mm Cấu trúc lọc hình 3.11 51 Hình 3.11 Cấu trúc lọc g = 0.0008mm Khi g giảm tới kích thước nhỏ 0.0008mm kết hình 3.12, hình 3.12 cho thấy dải tần số bị chắn từ 5.04 – 6.7 GHz với S11  0.4dB , S21  57dB tần số trung tâm 5.48 GHz Hình 3.12 Mơ kết g =0.0008mm 3.5 Kết luận chương Chương trình bày hai lọc chắn dải đa băng tần đơn băng, lọc chắn dải đơn băng thiết kế để chắn dải tần từ 5.04 ÷ 6.7 GHz với độ rộng băng thông (FBW) đạt 23% -3 dB S21  57dB , S11  0.4dB , lọc chắn dải đa băng tần chắn hai dải từ 2.12 – 2.7 GHz 4.22 – 5.42 GHz Sự ảnh hưởng tham số hình học cấu trúc đến đặc điểm đáp ứng tần số khảo sát phần mềm HFSS Vậy lọc chắn dải thiết kế cách dễ dàng cách sử dụng SRR với DMS 52 KẾT LUẬN Một khái niệm thiết kế lọc chắn dải giới thiệu cách sử dụng cấu trúc DMS kết hợp với SRR DMS với SRR kết cấu dòng vi dải tạo lọc chắn dải tốt Phương pháp sử dụng cấu trúc cộng hưởng vịng có băng thơng tốt, cấu trúc làm giảm kích thước mạch Cuối cùng, với khái niệm lọc chắn dải đa băng thiết kế với dải tần từ 2.12 ÷ 2.7 GHz 4.22 ÷ 5.42 GHz với lọc chắn dải đơn băng có dải tần chắn từ 5.04 ÷ 6.7 GHz Mặt khác, đồ án giới thiệu phần mềm mô chuyên dụng HFSS, cách thiết kế, xây dựng thiết kế lọc phần mềm, từ tạo điều kiện thuận lợi việc triển khai vào thực tế Do đồ án thiết kế lọc chắn dải sử dụng SRR DMS chưa hoàn thiện tốt Trong thời gian tới, đồ án tiếp tục tính tốn, thiết kế, xây dựng lọc để phát triển rộng nhiều lĩnh vực khác 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kiều Khắc Lâu, “Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần”, NXB Giáo Dục, 2006002E [2] Nguyễn Quốc Trung, “Xử lý số tín hiệu”, NXB Giáo Dục, 2007 [3] K Aydin, I Bulu, K Guven, M Kafesaki, C M Soukoulis, and E Ozbay, “Investigation of magnetic resonances for different split-ring resonator parameters and designs,” New Journal of Physics, vol.7, article168, 2005 [4] Gay-Balmaz and O J F Martin, “Electromagnetic resonances in individual and coupled split-ring resonators,” Journal of Applied Physics, Vol 92, No 5, 2002 [5] K S Chin, J H Yeh and S H Chao, “Compact Dual-band Bandstop Filters Using Stepped-impedance Resonators,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol 17, No 12, December 2007, pp 849-851 [6] R W Ziolkowski and N Engheta, “Metamaterial Special Issue Introduction,” IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol 51, No 10, 2003, pp 2546-2549 54 55 ... nghiên cứu, thiết kế, mô lọc chắn dải sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng kết hợp với cấu trúc khắc đường truyền vi dải Cấu trúc lọc mô phần mềm HFSS Bằng cách sử dụng cấu trúc trên, lọc chắn dải đơn... riêng, hay cộng hưởng cấu trúc Bộ giải mốt riêng tìm tần số cộng hưởng cấu trúc trường tần số cộng hưởng 3.3 Bộ lọc chắn dải đa băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng 3.3.1 Cấu trúc mạch lọc Phần... thiệu số cấu trúc cấu trúc khắc mặt đất, DMS kết hợp đường truyền vi dải thiết kế lọc siêu cao tần Chương trình bày tốn phân tích, thiết kế mơ lọc chắn dải sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng Do