Thiết kế và mô phỏng mạch lọc thông dải sử dụng cấu trúc khắc mặt đất dgs mới

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ -  - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS MỚI SV thực : DƢƠNG MINH VƢƠNG MSSV : 135D5202070083 Lớp : 54K1 – ĐTTT GV hƣớng dẫn : ThS NGUYỄN THỊ KIM THU NGHỆ AN-5/2018 i LỜI NÓI ĐẦU Bộ lọc tần số nói riêng linh kiện siêu cao tần nói chung thiết bị quan trọng hệ thống thông tin vô tuyến Việc chế tạo linh kiện, thiết bị nói với kích thước nhỏ, hiệu suất cao giá thành thấp nhận quan tâm nghiên cứu nhà khoa học nước giới Hiện nay, tập đồn Viễn thơng tập trung nghiên cứu để thiết kế, sản xuất thử nghiệm linh kiện mạch siêu cao tần Với mong muốn nghiên cứu lý thuyết lọc siêu cao tần, sử dụng thành thạo phần mềm HFSS để mô tối ưu hóa thiết kế mạch lọc siêu cao tần, em lựa chọn đề tài “ Thiết kế mô mạch lọc thông dải sử dụng cấu trúc khắc mặt đất DGS ” Nội dung đồ án gồm chương: Chương Trình bày tổng quan lọc tần số, đặc tính, cách phân loại lọc tần số vai trò lọc tần số viễn thông Chương Giới thiệu số cấu trúc thường sử dụng chế tạo lọc siêu cao tần, kết hợp đường truyền vi dải thiết kế lọc thơng dải Chương Trình bày tốn nghiên cứu thiết kế, mơ đánh giá ảnh hưởng cấu trúc khắc mặt đất DGS lên thông số lọc cao tần Đồng thời trình bày quy trình thiết kế số lọc thông dải sử dụng cấu trúc DGS Trong thời gian thực đề tài 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 hồn chỉnh Cuối 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 Viện Kỹ thuật & Công nghệ giảng dạy, giúp đỡ em hồn thành chương trình đào tạo Sinh viên thực hiện: Dương Minh Vương i TÓM TẮT Đồ án thiết kế mô lọc thông dải, gồm lọc khác lọc băng thông hẹp, băng thông rộng lọc băng tần kép, Sử dụng cấu trúc khắc mặt đất (DGS) mới, thêm dải kim loại lên cấu trúc khắc DGS phiên cải tiến DGS thông thường hoạt đông tốt dải tần từ 1GHz đến 8GHz ứng dụng cho WLAN, Wifi Tất cấu hình thiết kế DB-DGS khắc với chiều rộng dòng xạ 3,4 mm chiều dài đường dây 19,5mm chiều dày dây dẫn 0,07 mm Hằng số điện môi (εr) chất Neltec 3,38 chiều cao điện môi 1,524 mm Đồ án đề xuất lọc thông dải sử dụng cấu trúc DGS kết hợp với đường truyền vi dải để tối ưu thông số thiết kế Kết sau mô lọc thông dải DGS đạt giá trị suy hao xấp xỉ dB ABSTRACT Device design and transflow filter bandpass, including different filter as the bandwidth bandwidth, bandwidth and bandwidth bandwidth, Use new configuration structure (DGS), that is add the strip strip up DGS structure structure is a regular version of the DGS improvements active good bandwidth from 1GHz to 8GHz application for WLAN, Wifi All DBs DGS configuration are disabled with extraction line width is 3,4 mm and length lines is strings 19,5mm depthy is 0,07 mm The number of the environment of the Neltec of the environment of the Neltec is 3,38 and height high 1,524 mm The output will be output of a strip filter using the DGS structure with the strip strip for priority of the parameters information Kết after the simulation is specified that the DGS filter filter through the value has hao hao hao hao dB ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC………………………………………………………………………….iii DANH MỤC HÌNH ẢNH…………………………………….… ….………… v DANH MỤC BẢNG BIỂU……………………………………….…….…………vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT viii Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC TẦN SỐ………………………………… 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Bộ lọc tần số 1.2.1 Giới thiệu lọc tần số 1.2.2 Lịch sử phát triển lọc tần số 1.3 Các đặc tính lọc tần số 1.4 Phân loại lọc tần số 1.4.1 Bộ lọc thông thấp LPF 1.4.2 Bộ lọc thông cao HPF 1.4.3 Bộ lọc thông dải BPF 1.4.4 Bộ lọc chắn dải BSF 10 1.5 Mạch lọc siêu cao tần 11 1.5.1 Bộ lọc thông thấp mạch lọc siêu cao tần 11 1.5.2 Bộ lọc thông cao mạch lọc siêu cao tần 14 1.5.3 Bộ lọc thông dải mạch lọc siêu cao tần 15 1.6 Các tham số mạng siêu cao tần 18 1.6.1 Ma trận tán xạ S 19 1.6.2 Ma trận trở kháng Z dẫn nạp Y 21 1.6.3 Ma trận truyền đạt ABCD 21 1.7 Tổng kết chương 23 Chương MỘT SỐ CẤU TRÚC ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN………………………………………………………………………….24 2.1 Giới thiệu chương 24 2.2 Đường truyền vi dải 24 2.2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 24 iii 2.2.2 Cấu trúc trường đường truyền vi dải 25 2.3 Một số kỹ thuật ứng dụng thiết kế lọc cao tần 25 2.3.1 Cấu trúc khắc mặt đất DGS 25 2.3.2 Cấu trúc khắc đường truyền vi dải DMS 30 2.3.3 Cấu trúc cộng hưởng vòng SRR 34 2.4 Kết luận chương 39 Chương THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG CẤU TRÚC KHẮC MẶT ĐẤT………………………………………………………….41 3.1 Giới thiệu chương 41 3.2 Giới thiệu phần mềm mô HFSS Version 13 41 3.3 Thiết kế, mô khảo sát mạch lọc thơng dải với hình dạng DGS khác 44 3.4 Thiết kế,mô lọc thông dải với băng thông hẹp băng thông rộng 46 3.4.1 Thiết kế, mô lọc thông dải băng hẹp 47 3.4.2 Thiết kế, mô lọc thông dải băng rộng 49 3.5 Thiết kế, mô lọc thông dải hai băng tần 52 3.6 Kết luận chương 55 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình ảnh chương Hình 1.1 Đáp ứng tần số lọc thông thấp [1] Hình 1.2 Biểu đồ Bode lọc thơng thấp Hình 1.3 Biểu đồ đáp ứng tần số mạch lọc Butterworth bậc điển hình Hình 1.4 Biểu đồ đáp ứng biên tần cuả mạch lọc thông thấp Chebyshev [2] Hình 1.5 Bộ lọc thơng thấp lý tưởng Hình 1.6 Đáp ứng Butterworth đáp ứng Tschebys-Cheff mạch lọc thơng cao tích cực Hình 1.7 Bộ lọc thơng cao lý tưởng Hình Bộ lọc thơng dải lý tưởng 10 Hình 1.9 Bộ lọc chắn dải lý tưởng 10 Hình 1.10 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt hệ số phản xạ [3] 11 Hình 1.11 Đáp ứng tần mạch lọc thơng thấp bậc 3[2] 12 Hình 1.12 Mạch lọc thông thấp dạng bậc thang linh kiện có tham số tập trung 13 Hình 1.13 Sơ đồ mạch lọc thơng dải hình bậc thang 14 Hình 1.14 Đồ thị tổn hao xen theo tần số mạch lọc thông dải 15 Hình 1.15 Sơ đồ khối biến đổi trở kháng (a) biến đổi dẫn nạp (b) 16 Hình 1.16 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) 16 Hình 1.17 Mạch lọc thơng dải sử dụng biến đổi trở kháng [3] 17 Hình 1.18 Mạch lọc thông dải sử dụng biến đổi dẫn nạp 17 Hình 1.19 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) [3] 18 Hình 1.20 Mạng hai cửa nối tầng mạng hai cửa tương đương 22 Hình ảnh chương Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải[4] 24 Hình 2.2 Phân bố trường đường truyền vi dải 25 Hình 2.3 Một số hình dạng mặt phẳng đế DGS 26 Hình 2.4 Đế DGS hệ số phản xạ truyền đạt lọc thông thấp 27 Hình 2.5 Các hình dạng cấu trúc DGS khác 28 Hình 2.6 Cấu trúc DGS chu kỳ [5] 29 v Hình 2.7 Cấu trúc khắc vi dải DMS [4] 31 Hình 2.8 Mơ hình xạ: a) anten vá không dùng DMS, b) anten vá với DMS 32 Hình 2.9 Mối liên quan tần số cộng hưởng chiều dài khe 32 Hình 2.10 So sánh anten vá điều chỉnh không điều chỉnh 33 Hình 2.11 Cấu trúc DGS DMS ngăn chặn sóng hài bậc 34 Hình 2.12 Cấu trúc cộng hưởng vòng 36 Hình 2.13 Mơ hình mạch tương đương cộng hưởng vòng 36 Hình 2.14 Độ từ thẩm tương đối AMR [5] 37 Hình 2.15 Cấu trúc vịng đơi [5] 37 Hình 2.16 Mơ hình tế bào SRR DGS 38 Hình 2.17 So sánh kết cấu trúc DGS thường SRR DGS 38 Hình 2.18 Sơ đồ mạch tương đương cho cấu trúc SRR DGS 39 Hình ảnh chương Hình 3.1 Các mẫu DB-DGS khác nhau: (a) Hình tam giác đối xứng, (b)Hình vng đối xứng , (c) Hình trịn đối xứng, (d) Hình lục giác đối xứng (e)Hình vng đối xứng thêm hai dải kim loại 44 Hình 3.2 Bộ lọc thơng dải với cấu trúc DGS thêm hai dải kim loại 45 Hình 3.3 Hệ số suy hao mẫu DB-DGS khác 46 Hình 3.4 Hình dạng cấu trúc lọc thơng dải băng hẹp 48 Hình 3.5 Bộ lọc thông dải băng hẹp 48 Hình 3.6 Hệ số suy hao lọc thông dải băng hẹp 49 Hình 3.7 Hình dạng cấu trúc lọc thông dải băng rộng 50 Hình 3.8 Bộ lọc thơng dải băng rộng 51 Hình 3.9 Hệ số suy hao lọc thông dải băng rộng 51 Hình 3.10 Hình dạng cấu trúc lọc thông dải hai băng tần 53 Hình 3.11 Bộ lọc thơng dải hai băng tần 54 Hình 3.12 Hệ số suy hao lọc thông dải hai băng tần 55 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Tham số kích thước DB-DGS khác (đơn vị: mm) 45 Bảng 3.2 Tham số kích thước bề mặt xạ lọc băng hẹp (đơn vị :mm) 47 Bảng 3.3 Tham số kích thước DGS lọc (đơn vị :mm) 48 Bảng 3.4 Tham số kích thước bề mặt xạ lọc băng rộng (đơn vị :mm) 50 Bảng Tham số kích thước DGS lọc băng rộng (đơn vị :mm) 51 Bảng 3.6 Kích thước xạ lọc hai băng tần (đơn vị :mm) 54 Bảng 3.7 Các tham số kích thước DGS lọc hai băng tần (đơn vị: mm) 54 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt DGS Defected Ground Tructure Cấu trúc khắc mặt đất DMS Defected Microstrip Cấu trúc khắc đường truyền vi dải Tructure SRR Split-ring resonator Cấu trúc phân chia cộng hưởng vịng LPF Low-pass filter Mạch lọc thơng thấp BSF Band Stop Filter Mạch lọc chắn dải HPF High-pass filter Mạch lọc thông cao BPF Low Pass Filter Mạch lọc thông dải LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tiếng ồn thấp HFSS Phần mềm mô cấu trúc tần số Ansoft High Frequency cao Ansoft Structure Simulator viii Chƣơng TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chƣơng Chương khái quát lại kiến thức lọc tần số bao gồm tổng quan lọc tần số, lịch sử phát triển lọc tần số, đặc tính lọc tần số phân loại lọc tần số theo đáp ứng tần số, theo tính chất phần tử,… Bên cạnh đó, chương giới thiệu thêm lọc siêu cao tần ứng dụng ngày rộng rãi truyền thông không dây 1.2 Bộ lọc tần số 1.2.1 Giới thiệu lọc tần số Bộ lọc thành phần thiếu hệ thống khai thác tài ngun tần số sóng điện từ, bao gồm từ thơng tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫn đường, cảm biến hệ thống khác Với tiến thông tin ứng dụng vơ 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 Bộ lọc tần số lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu dải tần mong muốn qua chặn lại tín hiệu dải tần khác Ta chia lọc tần số thành bốn loại theo dạng đáp ứng tần bao gồm: lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc thông dải lọc chắn dải Hai loại lọc cho phép tín hiệu tồn dải tần phía phía tần số cắt qua, hai loại lọc cịn lại cho phép truyền qua chặn lại tín hiệu dải tần định nằm tần số cắt tần số cắt 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 Cùng với hoàn thiện lý thuyết, thiết kế mạch lọc phát triển từ mạch cộng dẫn điện hữu hạn; Đối xứng; Chủ - tớ; Lumped RLC; Trở kháng phân lớp; Các mặt phẳng đất vô hạn - Các vật liệu 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 ferít: + Đường bão hòa từ + Hệ số Lande G + Delta H Thông tin bao gồm điều sau: + Các vật liệu khơng đẳng hướng + Các tính chất vật liệu phụ thuộc tần số - Loại lời giải + Lời giải Driven Modal Lựa chọn loại lời giải 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 43 3.3 Thiết kế, mô khảo sát mạch lọc thơng dải với hình dạng DGS khác Trong hình 3.1 cho thấy cấu hình thiết kế DB-DGS khác Trong DB-DGS này, hai dải kim loại thêm vào khe kết nối DGS hình vng thể hình 1(e) Các mẫu DB-DGS khác nhau: (a) hình tam giác đối xứng, (b) hình vng đối xứng, (c) hình trịn đối xứng , (d) hình lục giác đối xứng Hình 3.1 Các mẫu DB-DGS khác nhau: (a) Hình tam giác đối xứng, (b)Hình vng đối xứng , (c) Hình trịn đối xứng, (d) Hình lục giác đối xứng (e)Hình vng đối xứng đƣợc thêm hai dải kim loại Các dải kim loại cung cấp điện dung song song hiệu tốt so với DB-DGS thông thường khác để cải thiện độ sắc nét phản ứng lọc Trong DB-DGS thơng thường, dung lượng hiệu dụng cải thiện cách điều chỉnh kích thước khe kết nối hình dạng khắc khác nhau, nghĩa kết nối chiều dài khe (d) khoảng cách khe (g) Tuy nhiên, điều chỉnh tham số vượt giới hạn tổng thể hạn chế phạm vi sử dụng cấu hình DGS 44 Dựa tham số kích thước bảng sau, thiết kế loại DGS khác Dimensions(mm) Circular Hexagonal Triangunar Square Metal loaded a - - 3.2 3.5 g 0.8 1.1 0.3 d 12 12 12 11 11 r 0.3 3.1 - - - r’ 0.3 3.1 - - - k - - - 0.2 m - - - 1.2 t - - - 2.2 s - - - 3.2 Bảng 3.1 Tham số kích thƣớc DB-DGS khác (đơn vị: mm) Tất cấu hình thiết kế DB-DGS khắc với chiều rộng dòng 3,4 mm chiều dài đường dây 19,5 mm Hằng số điện môi (εr) chất Neltec 3,38 với tangent (tanδ) 0,0025 Chiều dày dây dẫn 0,07 mm chiều cao bề mặt 1,524 mm Hình dạng kích thước DGS lọc cho hình 3.1 bảng 3.1 Hình 3.2 Bộ lọc thơng dải với cấu trúc DGS đƣợc thêm hai dải kim loại Ta tiến hành thiết kế hình dạng kích thước mạch lọc cho bảng3.1 thiết kế phần mềm HFSS hình 3.2 kết sau tiến hành mô 45 phần mềm HFSS xử lý phần mềm Origin 8.5.1 sau: Hình 3.3 Hệ số suy hao mẫu DB-DGS khác Đặc điểm tần số DB-DGS khác so với DB-DGS Các đặc tính số cấu hình thiết kế mơ DB-DGS trình bày hình3.1 Tất cấu hình thiết kế DB-DGS mô cách sử dụng mô HFSS Version 13 Mức cắt dB giữ nguyên cho tất hình học DB-DGS tốc độ GHz Từ hình 3.2 với yêu cầu thiết kế S11 ta có nhận xét rõ ràng độ sắc nét tính chọn lọc DGS có thêm hai dải kim loại nhiều hình học DB-DGS thơng thường khác Qua ta nhận thấy kích thước cấu trúc khắc mặt đất ảnh hưởng đến tham số mạch lọc Cụ thể cấu trúc DGS khắc mặt phẳng đế kim loại làm biến đổi phân bố chắn mặt phẳng đế kim loại Kết làm thay đổi đặc tính đường dây truyền tải Tần số cắt lọc phụ thuộc vào diện tích hình khắc mặt phẳng mặt phẳng đế kim loại Khi diện tích khắc đơn vị tăng lên, dẫn đến dòng tự cảm tăng lên, dẫn đến tần số cắt thấp Mặt khác, vị trí cột suy giảm chủ yếu bị ảnh hưởng khoảng trống khắc mặt phẳng đế kim loại 3.4 Thiết kế,mô lọc thông dải với băng thông hẹp băng thông rộng Trong phần này, dải băng hẹp, dải băng rộng thiết kế với DGS dải kim loại cho ứng dụng không dây Tất lọc thông dải thiết kế sử dụng đường 50 Ω, λg/4 đường microstrip Kích thước lọc thông dải giữ cố định 20 mm x 19.5 mm Các số điện môi (er) chất 3.38, 46 chiều cao chất (h) 1.524 mm, độ dày dây dẫn (t) 0.07 mm sử dụng tất cấu hình thiết kế 3.4.1 Thiết kế, mơ lọc thông dải băng hẹp Mục tiêu đặt cho thông số kỹ thuật để thiết kế dải băng tần hẹp tần số trung tâm (fo) 4GHz, băng thông (BW) 400MHz Những đặc điểm phù hợp cho ứng dụng WLAN Hình 3.4 cho thấy cấu hình thiết kế lọc dải băng hẹp cách sử dụng cấu trúc DB-DGS Kích thước lọc đề xuất thể hình 3.4 Trong cấu hình thiết kế này, hai khe hình chữ U khắc dải xạ theo kiểu xen kẽ Loại mơ hình ngun mẫu cung cấp hiệu ứng dải hẹp Mơ hình mạch có hai đặc điểm tần số cộng hưởng với cộng hưởng chống cộng hưởng Có hai mạch cộng hưởng, cộng hưởng seri thứ hai cộng hưởng song song Đối với mạch cộng hưởng này, thơng số mạch tính tốn Nếu số lượng khe tăng lên dải dẫn điện, làm tăng điện dung chuỗi làm cho đáp ứng trở nên hẹp Kết mô lọc thông dải băng hẹp đề xuất thể hình 3.6 Bảng 3.2 Tham số kích thƣớc bề mặt xạ lọc băng hẹp (đơn vị :mm) W = 20mm l1 = 2mm l2 = 1.45mm l4 = 6mm L = 19.5mm w1 = 3.4mm w2 = 1mm l5 = 0.3mm Hình dạng kích thước lọc thông dải băng hẹp với cấu trúc DGS cần thiết kế cho Hình 3.4.(a) 3.4(b) (a)Hình dạng bề mặt xạ lọc thông dải băng hẹp 47 Bảng 3.3 Tham số kích thƣớc DGS lọc (đơn vị :mm) L = 19.5mm l1 = 3.5mm l = 11mm W = 20mm w = 8mm d = 6mm a = 3.5mm k=t= m=s =0.3mm g = 1.5mm (b)Hình dạng cấu trúc DGS lọc băng hẹp Hình 3.4 Hình dạng cấu trúc lọc thơng dải băng hẹp Hình 3.5 Bộ lọc thơng dải băng hẹp 48 Với tham số kích thước lọc thơng dải băng hẹp tính toán tối ưu cho bảng 3.2 bảng 3.3 (đơn vị: mm) Tiến hành thiết kế mô mạch lọc phần mềm HFSS với kích thước cho bảng 3.2 bảng 3.3 biểu thị hình 3.5 Hình 3.6 Hệ số suy hao lọc thông dải băng hẹp Sau thiết kế ta tiến hành mô xử lý kết thu phần mềm Origin 8.5.1 Trong hình 3.6 với dải tần số từ 1GHz đến 8GHz ta thấy khoảng tần số từ 3.75 GHz đến 4.15GHz, S11 nhỏ S21 lớn dải tần số thông qua mạch lọc, thấy rõ tần số trung bình 3.95 GHz, băng thông (BW) 400 MHz Nhận xét: Kết thu ta nhận thấy tần số cắt đáp ứng S11 S21 lọc thông dải băng hẹp sau thiết kế tần số trung tâm 3.95GHz , băng thông (BW) 400 MHz Gần thỏa mãn với yêu cầu mục tiêu thiết kế đề ban đầu 3.4.2 Thiết kế, mô lọc thông dải băng rộng Trong phần ta tiến hành thiết kế mô lọc thông dải băng rộng băng tần sử dụng cấu trúc DGS Các thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế chọn tần số trung tâm (fo) 5.4GHz tần số cắt tần số cắt 3.8GHz 6.9GHz, băng thông (BW) 3.1 GHz Các kích thước mặt xạ, cấu trúc DGS thể hình 3.6 Bộ lọc thiết kế sử dụng đường dây 50 Ω, λg/4 đường microstrip lọc thông dải băng rộng Hình dạng kích thước lọc thơng dải băng rộng DGS cần thiết kế cho 49 hình 3.6(a) 3.6(b) (a)Hình dạng bề mặt xạ lọc thơng dải băng rộng (b)Hình dạng cấu trúc DGS băng rộng Hình 3.7 Hình dạng cấu trúc lọc thơng dải băng rộng Với tham số kích thước lọc thơng dải băng rộng tính toán tối ưu cho bảng 3.4 bảng 3.5 (đơn vị: mm) Bảng 3.4 Tham số kích thƣớc bề mặt xạ lọc băng rộng (đơn vị :mm) L = 19.5mm W = 20mm w7 = 3.4mm 50 w8 = 8.3mm Bảng Tham số kích thƣớc DGS lọc băng rộng (đơn vị :mm) L =19.5mm l 1=4.3mm l2 = 1.2mm w5 = 3.5mm w6 = 11mm W = 20mm w1 = 7.5mm w2 = 5.5mm w3 = 4mm w4 = 6mm a = 3.5mm b = 2.5mm g = 1.5mm s=t=0.3mm k=m=0.3mm Tiến hành thiết kế mô mạch lọc phần mềm HFSS với kích thước cho bảng 3.4 bảng 3.5 biểu thị hình 3.8 Hình 3.8 Bộ lọc thơng dải băng rộng Hình dạng kích thước Sau thiết kế ta tiến hành mô xử lý kết thu phần mềm Origin 8.5.1 Đồ thị hình 3.9 kết lọc thơng dải băng rộng vừa thiết kế ta thấy khoảng tần số từ 3.8GHz đến 6.9GHz có S21 lớn S11 bé Từ thấy lọc thông qua khoảng tần số băng thơng (BW) 3.1GHz kết sau mô đạt mục tiêu thiết kế với tần số trung tâm (fo) 5.4GHz, băng thông rộng phù hợp cho ứng dụng mạng khơng dây Hình Hệ số suy hao lọc thông dải băng rộng 51 Nhận xét: Qua kết thu ta nhận thấy với mạch lọc thông dải sử dụng cấu trúc khắc mặt đất DGS cho kết phù hợp với yêu cầu đề Cụ thể mạch lọc băng tần hẹp thiết kế với cấu trúc DGS tối ưu tần số đáp ứng S11(GHz) Không với mạch lọc DGS làm tăng hiệu suất tín hiệu so với mạch lọc khơng sử dụng cấu trúc DGS Bên cạnh mạch lọc thơng dải băng tần hẹp sử dụng cấu trúc DGS làm giảm 6.9% kích thước so với kích thước mạch lọc khơng sử dụng cấu trúc DGS Cịn mạch lọc thông dải băng thông rộng giảm 14.1%, kết đáp ứng yêu cầu thiết kế đề tần số trung tâm (fo) 5.4GHz Đạt băng thông rông (BW) 3.1 GHz Qua đó, ta nhận thấy kích thước cấu trúc khắc mặt đất ảnh hưởng đến tham số mạch lọc Cụ thể,một cấu trúc DGS khắc mặt phẳng đế kim loại làm biến đổi phân bố chắn mặt phẳng đế kim loại Kết làm thay đổi đặc tính đường dây truyền tải Tần số cắt lọc phụ thuộc vào diện tích hình khắc mặt phẳng mặt phẳng đế kim loại Khi diện tích khắc đơn vị tăng lên, dẫn đến dòng tự cảm tăng lên, dẫn đến tần số cắt thấp Mặt khác, vị trí cột suy giảm chủ yếu bị ảnh hưởng khoảng trống khắc mặt phẳng đế kim loại 3.5 Thiết kế, mô lọc thông dải hai băng tần Bộ lọc thông dải băng tần kép với yêu cầu thiết kế gồm hai băng tần, băng tần có tần số trung tâm 3.1GHz ứng với dải thông 500MHz, băng tần hai có tần số trung tâm 6.5GHz ứng với dải thông 300MHz Thiết kế với DGS thêm dải kim loại so với DGS thông thường Bộ lọc thông dải hai băng tần thiết kế sử dụng đường 50Ω, λg/4 đường microstrip Kích thước lọc thông dải giữ cố định 20mm x 19.5mm Các số điện môi (er) chất 3.38, chiều cao chất (h) 1.524 mm, độ dày dây dẫn (t) 0.07mm sử dụng cấu hình thiết kế Trong phần này, lọc băng tần kép thiết kế hình 3.10 cho thấy cấu hình thiết kế lọc thông dải băng tần đề xuất với DB-DGS thêm dải kim loại Trong lọc thông dải băng kép đề xuất này,sẽ đưa vào dải dẫn với hai đường Via với kích thước đường kính khác 1,2mm 1mm Điện dung chuỗi hoạt động giống lọc vượt qua cao cho tần số đặc biệt mà đặc tính áp dụng cho lọc 52 thơng dải thiết kế DB-DGS đề xuất cho đặc điểm vượt qua cực thấp Vì vậy, kết hợp vượt qua cực thấp cực cao cung cấp cho đặc tính thơng dải Hình dạng kích thước lọc thông dải lọc thông dải hai băng tần cần thiết kế hình 3.10(a) 3.10(b) (a) Hình dạng kích thước xạ lọc (b) Hình dạng cấu trúc DGS lọc Hình 3.9 Hình dạng cấu trúc lọc thông dải hai băng tần 53 Với tham số kích thước lọc thơng dải hai băng tần tính tốn tối ưu cho bảng 3.6 bảng 3.7 (nđơn vị: mm) Bảng 3.6 Kích thƣớc xạ lọc hai băng tần (đơn vị :mm) W = 20mm l1 = 6.05mm l2 = 1.2mm L = 19.5mm w1 = 3.4mm w2 = 8.3mm l3 = 5mm l4 = 1mm l5=0.3mm Bảng 3.7 Các tham số kích thƣớc DGS lọc hai băng tần (đơn vị: mm) W = 20mm l1 = 4mm l2 = 11mm L = 19.5mm w1 = 3.4mm g = 1.5mm a = 3.5mm d = 5mm k=t=s=m =0.3mm Tiến hành thiết kế mô mạch lọc phần mềm HFSS với kích thước yêu cầu thiết kế cho bảng 3.6 bảng 3.7 biểu thị hình 3.11 Có thể thấy lọc thông dải hai băng tần có cải tiến lọc thơng dải băng tần phù hợp với nhiều ứng dụng không dây đại Nhận xét: Kết thu ta nhận thấy S11 bé hai khoảng dải tần từ 2.9GHz đến 3.4GHz 6.4GHz đến 6.7GHz, S21 ngược lại lớn hai khoảng Vậy nên từ S11, S21 kết luận lọc thơng dải có hai băng tần khác với độ rộng 500MHz 300MHz, đạt tần số trung bình 3.2GHz 6.55GHz Hình 3.10 Bộ lọc thơng dải hai băng tần Sau thiết kế mạch lọc tiến hành cài đặt thông số mô phỏng, kết cuối 54 cho hình 3.12 Hình 3.11 Hệ số suy hao lọc thông dải hai băng tần So sánh với mục tiêu thiết kế đề ra, tần số gần thỏa mãn với yêu cầu thiết kế ban đầu Điều nhận thấy rõ hình 3.12 Các thông số cấu trúc DGS đưa dựa sở báo khoa hoc để kiểm định so sánh khảo sát kết đạt từ đưa kết luận 3.6 Kết luận chƣơng Trong chương trình bày quy trình thiết kế mạch lọc thơng dải với loại mạch lọc thơng dải khác mạch lọc băng tần hẹp, băng tần rộng hai băng tần, sử dụng cấu trúc DGS Bên cạnh đánh giá ảnh hưởng cấu trúc DGS lên thông số lọc thông dải, khảo sát phần mềm HFSS Version 13 Vậy mạch lọc thông dải với thông số tối ưu dể dàng thiết kế cách kết hợp đường truyền vi dải với cấu trúc DGS 55 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Một khái niệm lọc thông dải giới thiệu băng cách sử dụng cấu trúc khắc mặt đất DGS mới, kết hợp với cấu trúc đường truyền vi dải tạo mạch lọc thông dải có nhiều ưu điểm vượt trội so với lọc sử dụng cấu trúc DGS thông thường Phương pháp làm giảm kích thước mạch, từ giảm chi phí sản xuất mạch lọc thơng dải Cuối với khái niệm lọc thông dải thiết kế chế tạo với nhiều ưu điểm so với lọc thông thường Các lọc thiết kế mơ đo có kết tốt Sự cải thiện đáng kể kích thước mạch cải thiện tính chất khác lọc RF, sóng vi dải hệ thống truyền thơng đại chẳng hạn truyền hình vệ tinh, GPS, Bluetooth Bên cạnh đó, đề tài 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 Về hướng phát triển đề tài, đồ án nghiên cứu, thiết kế lọc thông dải sử dụng cấu trúc khắc mặt đất DGS (Defected Ground Structure) chưa hoàn thiện tối đa Trong thời gian tới, đề tài tiếp tục nghiên cứu, thiết kế, xây dựng hệ thống lọc để phát triển rộng nhiều lĩnh vực khác Lúc đó, việc áp dụng vào thực tế trở nên dễ dàng đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông chất lượng cao ngày tăng người sử dụng 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Đáp_ứng_tần_số, truy cập cuối ngày 15/5/2017 [2] Kiều Khắc Lâu, “Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần”, NXB Giáo Dục, 2006 [3] Nguyễn Quốc Trung, “Xử lý số tín hiệu”, NXB Giáo Dục, 2007 [4] 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 [5] 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 [6] http://text.123doc.org/document/3575620-thiet-ke-mo-phong-mach-loc-thong- thap-dgs-su-dung-phan-mem-mo-phong-hfss.htm, truy cập cuối ngày 15/5/2017 [7] Vũ Đình Thành, “Mạch Siêu Cao Tần”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1999 [8] Jason Yun, Peter Shin, “Design Applications of Defected Ground Structures”, Ansoft 2003 57 ... thiết kế mô lọc thông dải, gồm lọc khác lọc băng thông hẹp, băng thông rộng lọc băng tần kép, Sử dụng cấu trúc khắc mặt đất (DGS) mới, thêm dải kim loại lên cấu trúc khắc DGS phiên cải tiến DGS. .. 3.4 Thiết kế, mô lọc thông dải với băng thông hẹp băng thông rộng 46 3.4.1 Thiết kế, mô lọc thông dải băng hẹp 47 3.4.2 Thiết kế, mô lọc thông dải băng rộng 49 3.5 Thiết kế, mô lọc thông. .. quát số cấu trúc thường sử dụng thiết kế chế tạo lọc cao tần như: cấu trúc khắc mặt đất DGS, cấu trúc khắc đường truyền vi dải DMS cấu trúc cộng hưởng vòng SSR 2.3.1 Cấu trúc khắc mặt đất DGS a)