Thiết kế bộ lọc tần số dùng phần mềm ads

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -    - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ LỌC TẦN SỐ DÙNG PHẦN MỀM ADS GV hướng dẫn: ThS PHẠM MẠNH TOÀN SV thực hiện: Phạm Hồng Tuyên Lớp: 51K1 - ĐTVT Khóa học: 2010 - 2015 NGHỆ AN 5/2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, em nhận hướng dẫn tận tình giảng viên, Ths Phạm Mạnh Toàn Em xin chân thành cảm ơn thầy dẫn nội dung phương pháp, giúp em thực đồ án tiến độ Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Điện Tử Viễn Thông - Trường Đại Học Vinh giảng dạy, giúp chúng em suốt trình học tập Trong trình làm đồ án chắn có thiếu sót kiến thức cịn hạn chế Do vậy, em mong nhận ý kiến đóng góp q báu q thầy bạn học lớp để kiến thức hoàn chỉnh Cuối cùng, em chân thành cảm ơn kính chúc q thầy, sức khỏe thành công nhiều nghiệp giáo dục cao q i LỜI NĨI ĐẦU Bộ lọc tần số đóng vai trị quan trọng hệ thống thơng tin sóng điện từ Do phổ tần tài nguyên hữu hạn cần phải chia sẻ , lọc phải có khả lựa chọn dải tần số làm việc loại bỏ tần số không mong muốn Hiện nay, để thu gọn kích thước thiết bị thơng tin liên lạc , lọc có kích thước nhỏ hiệu suất cao giá thành thấp nghiên cứu hát triển Để thiết kế lọc thích hơp cần thiết lập tiêu kỹ thuật, định hình cấu trúc lọc phương pháp thiết kế tối ưu Để giảm thiểu chi phí sản xuất, tiết kiệm thời gian cơng sức phương pháp thiết kế thử nghiệm phần mềm mô lựa chọn Đồ án trình bày kiến thức tổng quan lọc tần số phương pháp thiết kế lọc cụ thể hần mềm ADS (Advanced Design System) Cấu trúc đồ án gồm chương : Chương 1: Tổng quan lọc tần số : chương giới thiệu khái quát lý thuyết lọc số sở tính tốn cho việc thiết kế lọc Chương 2: Giới thiệu phần mềm ADS: chương giới thiệu phần mềm mô ADS (Advanced Design System) Trong chương hướng dẫn cách download cài đặt phần mềm, hướng dẫn sử dụng phần mềm Chương 3: Thiết kế lọc phần mềm ADS: Trong chương trình bày sở tính tốn lý thuyết lọc cụ thể mô phần mềm ADS Qua so sánh ưu, nhược điểm việc tính tốn lý thuyết thực phần mềm Nghệ An, ngày 20 tháng năm 2015 ii TÓM TẮT Đồ án trình bày thiết kế mơ mạch lọc tần số sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design System) ADS phần mềm thiết kế tự động, cung cấp hãng Aglient Nó cung cấp mơi trường thích hợp với thiết kế sản phẩm điện tử máy di động, máy nhắn tin…Nó giúp phát giải sớm vấn đề trình thiết kế, trước chế tạo thành cơng sản phẩm mong muốn.ADS có khả phát triển loạt thiết bị kết hợp từ điện thoại di động máy nhắn tin đến mạng không dây hệ thống radar Đồ án mô thành công mạch lọc thông thấp tần số cắt  c = 2GHz mạch lọc thông dải từ 10MHz đến 40MHz ASTRACT This thesis present a approach for calculate and design a bandpass filter, have focus parameter, used to ADS softwave (Advanced Design System) ADS is the automated design software provided by the company Aglient, it provides a design environment suitable for electronic product design jaw as mobile, pager It helps us detect and solve problems early design process before successfully making the desired product ADS have the ability to develop a range of devices combining mobile phones and pagers to wireless networks and radar systems Thesis has successfully simulated low-pass filter circuit at the cutoff frequency  c = 2GHz and pass band filter 10MHz to 40MHz range iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Giới thiệu lọc tần số 1.2 Sự phát triển mạch lọc tần số 1.3 Phân loại mạch lọc tần số 1.4 Bộ lọc thông thấp chuẩn hóa 1.4.1 Sơ đồ mạch 1.4.2 Dạng đặc trưng suy hao xen lọc thông thấp chuẩn hóa 1.5 Biến đổi lọc từ lọc thơng thấp chuẩn hóa 13 1.5.1 Bộ lọc thông thấp 13 1.5.2 Bộ lọc thông cao 13 1.5.3 Bộ lọc thông dải 15 1.5.4 Bộ lọc chắn dải 17 1.6 Kết Luận: 18 Chương GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ADS 19 2.1 Giới thiệu chương 19 2.2.1 Giới thiệu phần mềm ADS 19 2.2.2 Ứng dụng 19 2.2.3 Các tham số kỹ thuật 19 2.3 Cài đặt sử dụng 20 2.3.1 Cài đặt 20 iv 2.3.2 Sử dụng 21 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC TẦN SỐ DÙNG PHẦN MỀM ADS 32 3.1 Giới thiệu chương 32 3.2 Tính tốn thiết kế lọc thông dải 32 3.2.1 Tính tốn lý thuyết 32 3.2.2 Thiết kế mô sử dụng phần mềm ADS 35 3.3 Tính tốn thiết kế lọc thông thấp 44 3.3.1 Tính tốn lý thuyết 44 3.3.2 Vẽ mô mạch 45 3.4 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADS Advanced Design System Phần mềm mô thiết kế SCT Super High Frequency Siêu cao tần LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao BPF Band Pass Filter Bộ lọc dải thông BSF Band Stop Filter Bộ lọc chắn dải PLL Phase Locked Loop Vịng khóa pha WF Waveform Filter Bộ lọc dạng sóng PF Polarizing Filter Bộ lọc phân cực vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Sơ đồ khối máy thu phát vô tuyến song công Hình 1.2 Đáp ứng tần số bốn loại lọc Hình 1.3 Bộ lọc mẫu thơng thấp loại Hình 1.4 Bộ lọc mẫu thơng thấp loại Hình 1.5: Giản đồ phân bố cực điểm lọc thơng thấp chuẩn hóa dạng đa thức phẳng cực đại với n = Bảng 1.1: Giá trị thông số lọc thông thấp chuẩn hóa đa thức phẳng cực đại ( C  1, g0  gn1  1, La1  3dB ) Hình1.6.Đồ thị dạng đặc trưng phẳng cực đại La vẽ ngồi dải thơng theo biến số   ứng với n = 1- C Hình 1.7: Giản đồ phân bố cực điểm lọc thơng thấp chuẩn hóa dạng đa thức Chebyshev với n = 10 Bảng 1.2: Giá trị thành phần lọc thơng thấp chuẩn hóa đặc trưng dạng đa thức Chebyshev ( g0  1, C  1, n   6, độ gợn 0.5dB ) 11 Bảng 1.3: Giá trị thành phần lọc thơng thấp chuẩn hóa đặc trưng dạng đa thức Chebyshev độ gợn 1dB ) 12 Hình 1.8: Đồ thị dạng đặc trưng Chebyshev vẽ ngồi dải thơng theo biến số  1 C ứng với n = 1- 6, độ gợn 0.5dB 12 Hình 1.9: Sơ đồ mạch tương đương lọc thơng cao 14 Hình 1.10: Mạch điện tương đương lọc thông dải 16 Hình 1.11: Mạch điện tương đương lọc chắn dải 17 Chương GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ADS 19 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC TẦN SỐ DÙNG PHẦN MỀM ADS 32 vii Bảng 3.1: Giá trị thành phần lọc thơng thấp chuẩn hóa đặc trưng dạng đa thức Chebyshez với độ gợn sóng (go=1, Wc=1, n=1-6,độ gợn 0.5dB ) 32 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát lọc thông dải bậc n 33 Hình 3.2: Sơ đồ mạch lọc thông dải bậc 34 Hình 3.3: Sơ đồ tương đương lọc 34 Hình 3.4 Các kết mô 41 Hình 3.5 Hàm truyền lọc thông dải 42 Hình 3.6.Hàm truyền dải thơng 43 Hình 3.7 Hàm truyền dải chắn 39 Hình 3.8 Pha hàm truyền 43 Hình 3.9 Các thông số đầu vào hiệu suất lọc 43 viii Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC TẦN SỐ 1.1 Giới thiệu chương Chương trình bày khái niệm lọc tần số , vai trò lọc tần số hệ thống thơng tin liên lạc sóng điện từ Chương đề cập đến cách hân loại lọc tần số theo dạng đáp ứng tần số gồm : lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc thông dải, lọc chắn dải Một nội dung quan trọng nhấn mạnh chương cách thức chuyển lọc thơng thấp chuẩn hóa thành lọc khác 1.2 Giới thiệu lọc tần số Bộ lọc thành phần thiếu hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm từ thơng tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫ 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, hình 1.2 sơ đồ máy thu phát vô tuyến Hình 1 Sơ đồ khối máy thu phát vơ tuyến song cơng Phần sơ đồ khối phía thực chức thu, cịn phần phía thực chức phát Hai chức sử dụng chung anten, song  Chúng ta thiết lập mạch mô theo yêu cầu  Trong cửa sổ nhỏ (Component List) chọn mạch thiết kế theo yêu cầu  Sau chọn xong mạch cần thiết kế mô phỏng, ta nhấp chuột vào Done để trở hình thiết lập mơ 38  Trên hình thiết lập mơ phỏng: chọn Simulation Assistant >> Automaticcally Set Frequencies để phần mềm tự động cài đặt tần số mô  Nhấp chuột vào Create Template để cài đặt thông số lọc Thông số mô thiết lập tự 4,5Mhz đến 57Mhz bước chạy 500Khz 39  Đúp chuột vào biểu tượng lọc để cài thông số  Cài đặt tham số trở kháng đầu vào 75Ω  Ấn OK để kết thúc cài đặt, quay lại hình thiết lập 40  Nhấp chuột vào Simulate để tiến hành chạy mô  Kết mô cho hình sau: Hình 3.4 Các kết mơ 41 Hình 3.5 Hàm truyền lọc thơng dải 42 Hình 3.6.Hàm truyền dải thơng Hình 3.7 Hàm truyền dải chắn Hình 3.8 Pha hàm truyền Fs1 Input Parameters 5.0E6 CF-Des Performance 2.500E7 Fp1 Fp2 1.0E7 4.0E7 Fs2 As 5.2E7 15.0 CF-Actual Gain Dev (dB) 25.00 MHz 3.000 F Marker M1 Marker M2 Ap 3.0 MA-LSB MA-USB -3.587E-13 -18.583 S21 (dB) 57.0 MHz -22.61 57.0 MHz -22.61 Fs1: Lower Stopband Edge Fp1: Lower Passband Edge Fp2: Upper Passband Edge Fs2: Upper Stopband Edge Ap: Atten at PB Edge or Ripple As: Atten at Stopband Edge CF: Center Frequency (Desired or Actual) Dev: Deviation in Passband MA: Minimum Atten Lower/Upper Stopband F: Frequency 1/2: Input/Output Ports Spec: Frequency Specification Hình 3.9 Các thơng số đầu vào hiệu suất lọc Nhận xét: Như vậy, phần mềm ADS giúp thiết kế thành công lọc thông dải bậc 3, hoạt động dải tần số từ 10 Mhz đến 40 Mhz Với suy hao dải thông dB suy hao dải chắn 15 dB Kết thu từ 43 việc thiết kế phần mềm mô giống với việc thiết kế theo lý thuyết Việc thiết kế phần mềm giúp ta tiết kiệm thời gian khơng phải tính tốn, mà kết thu phần tính tốn thiết kế theo lý thuyết 3.3 Tính tốn thiết kế lọc thơng thấp 3.3.1 Tính tốn lý thuyết Trong phần thiết kế lọc thơng thấp, có tần số cắt c  2GHz từ lọc thông thấp chuẩn hóa trở kháng nguồn trở kháng tải Rs = RL = Ro = 1Ω Để chuyển đổi từ mạch lọc thơng thấp chuẩn hóa thành mạch lọc thơng thấp ta có cơng thức tính: Lk  R0 g Lk (3.5) C gCk R0C (3.6) Với trở kháng Rs = RL = Ro = 50Ω (3.7) Ck  Bậc lọc chọn N = 3, tương ứng với: g1 = gck chọn 3.3487 g2 = glk chọn 0.117 Ta tính Ck = 5.33 pF, Lk = 2.83 nH Ta có sơ đồ mạch tương đương mạch lọc thông thấp cần thiết kế C’1 = C’3 = Ck = 5.33 pF; L’2 = Lk = 2.83 nH 44 Hình 3.10 sơ đồ tương đương lọc 3.3.2 Vẽ mô mạch  Trên cửa sổ phần mềm mô phỏng, ta kick chuột vào DesignGuide >> Filter 45  Chọn Filter Control Window ấn OK  Click chuột vào biểu tượng mạch thông thấp cho r vẽ mạch 46  Thiết lập thông số theo yêu cầu thiết kế  Order (N) bậc lọc, Response Type chọn Chebyshez  Sau thiết lập xong thông số, ấn Design để phần mềm vẽ mạch  Chúng ta thiết lập mạch mô theo yêu cầu  Trong cửa sổ nhỏ (Component List) chọn mạch thiết kế theo yêu cầu Sau chọn xong mạch cần thiết kế mô phỏng, ta nhấp chuột vào Done để trở hình thiết lập mơ 47  Trên hình thiết lập mơ phỏng: chọn Simulation Assistant >> Automaticcally Set Frequencies để phần mềm tự động cài đặt tần số mô  Đúp chuột vào biểu tượng lọc để cài thông số 48  Đúp chuột vào biểu tượng lọc để cài thông số 49  Cài đặt tham số trở kháng đầu vào 50Ω  Ấn OK để kết thúc cài đặt, quay lại hình thiết lập Nhấp chuột vào simulate để tiến hành chạy mô ta có kết mơ sau: Hình 3.11 Các kết mô Phần mềm ADS giúp thiết kế thành công lọc thông thấp bậc với tần số cắt  c = 2Ghz suy hao dải thông 3dB suy hao dải chắn 15dB 3.4 Kết luận chương Chương trình bày việc tính tốn thiết kế lọc thông dải lọc thông thấp từ lọc thơng thấp chuẩn hóa Việc tính tốn khơng q phức tạp khơng trực quan Với trợ giúp phần mềm ADS ta dễ dàng vẽ mạch cần thiết kế Các kết mô cho thấy hàm truyền lọc dải thông dải chắn, hiệu suất lọc giúp nắm vững đặc tính lọc thiết kế 50 KẾT LUẬN Đồ án trình bày lý thuyết áp dụng vào trình thiết kế mơ mạch phần mềm ADS Với hỗ trợ phần mềm giúp em hiểu rõ việc chế tạo lọc theo yêu cầu thực tế khó khăn Qua cho em thấy việc mô phần mềm hữu ích việc chế tạo lọc thực tế Trong đồ án thiết kế mô thành công mạch lọc thông dải, mạch lọc thơng thấp Sau hồn thành đồ án giúp em học hỏi nhiều, chắp nối kiến thức xử lý tín hiệu Nó giúp em nâng cao phương pháp luận, cách đặt vấn đề hướng giải vấn đề cách rõ ràng Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu kiến thức hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp thầy người để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Phạm Mạnh Toàn tận tình hướng dẫn em trình tìm hiểu nghiên cứu đồ án Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu để em hồn thành đồ án tốt nghiệp Nghệ An, ngày 20 tháng năm 2015 Sinh viên Phạm Hồng Tuyên 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kiều Khắc Lâu, “Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần”, Nhà xuất Giáo Dục, 2006 [2] Vũ Đình Thành, “Lý thuyết sở kỹ thuật siêu cao tần”, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2003 [3] Tirado- Mendez., A., Jardon-Aguilar., Flores-Leal, “ Improving frequency response of microstrip filters using defected ground and defected microstrip structures” Prog Electromagn Res 13, 77-90 (2010) [4] Nguyễn Quốc Trung, “Xử lý số tín hiệu”, Nhà xuất Giáo Dục, 2007 [5] Microwave Filter, Impedance-Matching Networks, and Coupling structures – E M Jones, Leo Young, George L Matthael, 2005 [6] Millimeter – Wave Microstrip Line to Wavwguide Transition Fabricated on a Single Layer Dielectric Substrate – Hideo Iizuka, Toshiaki Watanabe, Kazuo Stao, Kunitoshi Nishikawa, 2008 [7] Filter and Coupling Matrix Synthesis – Guided Wave Technology, 2009 [8] http://examcrazy.com/Engineering/ElectronicsCommunication/ScalingofLowPassPrototypeFilters.asp, truy cập lần cuối ngày 19/5/2015 52 ... Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC TẦN SỐ DÙNG PHẦN MỀM ADS 3.1 Giới thiệu chương Chương thực tính tốn thiết kế lọc thơng dải, có thơng số tập trung, hoạt động dải tần số từ 10Mhz đến 40Mhz Bộ lọc thiết kế. .. có thơng số lọc thông dải bâc 3, hoạt động dải tần số từ 10 Mhz đến 40 Mhz Phần sử dụng phần mềm ADS để thiết kế mô mạch lọc 3.2.2 Thiết kế mô sử dụng phần mềm ADS  Trên cửa sổ phần mềm mô phỏng,... dụng phần mềm giúp ứng dụng phần mềm đạt hiệu cao 2.2 Tổng quan phần mềm ADS 2.2.1 Giới thiệu phần mềm ADS ADS phần mềm thiết kế tự động, cung cấp hãng Aglient Nó cung cấp mơi trường thiết kế thích