Thiết kế bộ lọc thông dải băng tần kép có cấu trúc vi dải vòng hở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 621 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI BĂNG TẦN KÉP CĨ CẤU TRÚC VI DẢI VÒNG HỞ Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ KIM THU Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN CHIẾN Lớp: 51 K2 - ĐTVT NGHỆ AN – 01 / 2015 Nghệ An, 11-2012 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii LỜI MỞ ĐẦU iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii Chương BỘ LỌC TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỄN THÔNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Bộ lọc tần số 1.3 Phân loại lọc 1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) 1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) 1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) 1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) 13 1.4 Bộ lọc siêu cao tần 14 1.5 Các tham số mạng siêu cao tần .15 1.5.1 Ma trận tán xạ S 16 1.5.2 Ma trận trở kháng Z dẫn nạp Y 18 1.5.3 Ma trận truyền đạt ABCD 19 1.6 Tổng kết chương 20 Chương KỸ THUẬT TẦN BĂNG TẦN KÉP VÀ CÁC CẤU TRÚC LỌC BĂNG TẦN KÉP 21 2.1 Giới thiệu chương 21 2.2 Kỹ thuật băng tần kép ứng dụng 21 2.2.1 Giới thiệu kỹ thuật băng tần kép 21 2.2.2 Router băng tần kép 22 2.2.3 Bộ lọc băng tần kép 23 i 2.2.4 Anten băng tần kép 23 2.2.5 Các ứng dụng lọc băng tần kép 24 2.3 Các phương pháp tạo băng tần kép thiết kế lọc vi dải 25 2.3.1 Cấu trúc vi dải 25 2.3.2 Các phương pháp tạo lọc vi dải băng kép 26 2.4 Một số lọc băng kép nghiên cứu chế tạo 27 2.4.1 Bộ lọc thông dải băng kép sử dụng cộng hưởng bước trở kháng uốn khúc 28 2.4.2 Bộ lọc thông dải băng tần kép sử dụng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc 30 2.4.3 Bộ lọc băng kép sử dụng cộng hưởng trở kháng hình chữ L 32 2.5 Tổng kết chương 34 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI BĂNG TẦN KÉP CĨ CẤU TRÚC VI DẢI VÒNG HỞ 35 3.1 Giới thiệu chương 35 3.2 Yêu cầu thiết kế phương pháp sử dụng .35 3.3 Giới thiệu sơ lược phần mềm HFSS 35 3.4 Bộ cộng hưởng kép 38 3.5 Phân tích tham số sử dụng phần mềm HFSS 40 3.5.1 Các tham số ban đầu 40 3.5.2 Khảo sát vị trí đường tín hiệu 42 3.5.3 Khảo sát độ rộng khe hở g1 g2 44 3.5.4 Khảo sát khoảng cách ghép (s) hai cộng hưởng 45 3.5.5 Khảo sát độ rộng cạnh 47 3.5.6 Kết 49 3.6 Kết luận chương .50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyễn Thị Kim Thu, người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo trường ĐH Vinh nói chung, thầy cô khoa Điện tử Viễn thông giảng dạy, giúp em hồn thành tốt chương trình đào tạo Những kiến thức nhận giảng đường đại học hành trang giúp em vững bước tương lai Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp iii LỜI MỞ ĐẦU Gần đây, nỗ lực nghiên cứu sâu rộng tập trung thực cấu trúc vi dải nhỏ gọn cho dịch vụ vô tuyến đa băng truyền thơng kênh kép để giảm kích thước mạch điện chi phí thiết bị tuyền thơng anten băng kép, khuếch đại băng kép, mạch lọc băng kép Trong đồ án này, cấu trúc lọc thơng dải băng tần kép có cấu trúc vi dải hoạt động dải tần 1.5 GHz 2.5 GHz nghiên cứu, lọc có kích thước nhỏ gọn dễ dàng tích hợp Bộ lọc thiết kế đồ án sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh đặc biệt radar thời tiết, radar tàu biển vệ tinh thông tin Nội dung đồ án gồm chương: Chương Bộ lọc tần số ứng dụng viễn thông Chương Bộ lọc băng tần kép cấu trúc lọc băng kép Chương Thiết kế lọc thơng dải băng tần kép có cấu trúc vi dải vòng hở Do nhiều mặt hạn chế, q trình tìm hiểu cịn mang nhiều tính chủ quan nhìn nhận nên nội dung đề tài khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn đọc để đồ án hoàn thiện Nghệ An, tháng 01 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Văn Chiến iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, cấu trúc vi dải phát triển để thực lọc thông dải băng tần kép Cấu trúc đề xuất sử dụng cộng hưởng với hai tần số cộng hưởng độc lập có kiểm sốt, tạo hai băng tần có lợi, kiểm sốt cách điều chỉnh kích thước cộng hưởng Thực phân tích tham số cấu trúc nhằm xác định tham số tối ưu để đạt đáp ứng tần số mong muốn với tổn hao thấp dải thơng có tính chọn lọc cao Bộ lọc thông dải băng kép đồ án hoạt động tần số trung tâm khoảng 1.5GHz 2.5GHz Thêm vào đó, dễ dàng chế tạo sử dụng ứng dụng thu nhỏ khả tương thích với cơng nghệ vi dải quan tâm ABSTRACT In this thesis, a novel microstrip structure is developed to realize a dual-band bandpass filter The proposed bandpass structure uses a microstrip resonator with two independently controlled resonance frequencies producing two frequency bands of interest controlled by adjusting the dimensions of the resonator Parametric analysis is performed on the structure to determine the optimum dimensions to obtain the desired frequency response with low insertion losses in the passband and high selectivity The dual-band bandpass filter developed in this thesis exhibits dual operating frequencies at 1.5GHz and 2.5GHz Additionally, it can be easily fabricated and can be used in applications where miniaturization and compatibility with microstrip technology are of primary concern v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số BPF Band Pass Filter Mạch lọc thông dải BSF Band Stop Filter Mạch lọc chắn dải DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động tồn cầu Communications Ansoft High Frequency Phần mềm mơ cấu trúc tần số Structure Simulator cao Ansoft HPF High Pass Filter Mạch lọc thông cao IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện Điện tử HFSS Electronics Engineers IF Intermediate Frequency Trung tần IFA Intermediate Frequency Bộ khuếch đại trung tần Amplifer LAN Local Area Network Mạng máy tính cục LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội LPF Low Pass Filter Mạch lọc thông thấp PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RX Receiver Máy thu tín hiệu SIR Stepped Impedance Resonators Bộ cộng hưởng trở kháng bước vi SRR Split-Ring Resonator Bộ cộng hưởng vòng hở SWR Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng TX Transmitter Máy phát tín hiệu WCDMA Wideband Code Division Đa truy cập phân mã băng rộng Multiple Access Wi-Fi Wireless Fidelity Mạng không dây WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục khơng dây vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Đáp ứng biên độ bốn loại lọc Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát vô tuyến song công Hình 1.3 Đáp ứng tần số lọc thông thấp Hình 1.4 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt hệ số phản xạ Hình 1.5 Đáp ứng tần mạch lọc thông thấp bậc Hình 1.6 Mạch lọc thơng thấp dạng bậc thang với linh kiện tham số tập trung Hình 1.7 Đáp ứng tần số lọc thơng cao Hình 1.8.Đáp ứng tần số lọc thông dải Hình 1.9 Sơ đồ mạch lọc thơng dải hình bậc thang 10 Hình 1.10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số mạch lọc thông dải 10 Hình 1.11.Sơ đồ khối biến đổi trở kháng (a) biến đổi dẫn nạp (b) 11 Hình 1.12 Biến đổi tương đương thành phần trở kháng nối tiếp dẫn nạp song song sử dụng biến đổi 12 Hình 1.13 Mạch lọc thông dải sử dụng biến đổi trở kháng 12 Hình 1.14.mạch lọc thơng dải sử dụng biến đổi dẫn nạp 13 Hình 1.15 Đáp ứng tần số lọc chắn dải 14 Hình 1.16 Phổ tần số sóng điện từ cao tần 15 Hình 1.17 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) 15 Hình 1.18 Mạng hai cửa nối tầng mạng hai cửa tương đương 19 Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 25 Hình 2.2 Cấu trúc cộng hưởng bước trở kháng 28 Hình 2.3.Bố trí lọc sử dụng trở kháng uốn khúc 29 Hình 2.4 Bộ lọc sử dụng trở kháng uốn khúc thực tế sau chế tạo 29 Hình 2.5 Đáp ứng tần số lọc sử dụng trở kháng uốn khúc 30 Hình 2.6 Cấu trúc lọc sử dụng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc 30 Hình 2.7 Đáp ứng tần số lọc sử dụng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc viii 31 Hình 2.8 Cấu trúc lọc sử dụng đường truyền siêu vật liệu cải tiến 32 Hình 2.9 Đáp ứng tần số lọ cải tiến 32 Hình 2.10 Dạng hình học lọc SIR hình chữ L 32 Hình 2.11 Cấu trúc lọc băng tần kép sử dụng SIR hình L cấu trúc kép hai bên 33 Hình 2.12 Bộ lọc với cấu trúc kép hai bên 33 Hình 2.13 Thơng số mơ S11, S21, S22 đo đạc 34 Hình 3.1 Bộ cộng hưởng kép 38 Hình 3.2 Cấu trúc unit cell 39 Hình 3.3 Đáp ứng tần số unit cell 39 Hình 3.4 Cấu trúc cộng hưởng bậc hai 40 Hình 3.5 Các tham số điều khiển tần số cộng hưởng riêng cấu trúc 41 Hình 3.6 Mơ đáp ứng tần số cấu trúc kết hợp với khích thước ban đầu 41 Hình 3.7 Vị trí đường tín hiệu đầu vào 42 Hình 3.8 Đáp ứng tần số S21 với độ lệch đường tín hiệu vào khác 43 Hình 3.9 Đáp ứng tần số S11 với độ lệch đường tín hiệu vào khác 43 Hình 3.10 |S21|dB Khi thay đổi vị trí hai đường tín hiệu vào 44 Hình 3.11 |S11|dB Khi thay đổi vị trí hai đường tín hiệu vào 44 Hình 3.12 Mơ đáp ứng tần số |S21| với giá trị khác g1 g2 45 Hình 3.13 Mơ đáp ứng tần số |S21| với giá trị khác g1 g2 45 Hình 3.14 Đáp ứng tần số |S21| với giá trị khoảng cách khác 46 Hình 3.15 Đáp ứng tần số |S21| với giá trị khoảng cách khác 46 Hình 3.16 Đáp ứng tần số lọc với khoảng cách ghép 0.5 mm 47 Hình 3.17 Biến đổi độ rộng cạnh bên 47 Hình 3.18 Đáp ứng tần số |S21| với độ rộng khác 48 Hình 3.19 Đáp ứng tần số |S11| với độ rộng khác 48 ix 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 3.4 Bộ cộng hưởng kép (a) Cấu trúc SRR thông thường (b) Cấu trúc đề xuất Hình 3.1 Bộ cộng hưởng kép [8] Cấu trúc cộng hưởng băng kép đề xuất cộng hưởng băng kép vòng hở thơng thường thể hình 3.1 Sự khác hai cấu trúc định hướng vòng chia sẻ dung chung cạnh bên hay cạnh đáy với vịng ngồi Để trình bày đặc tính dải thơng, độ dài vịng ngồi vịng cấu trúc (Hình 3.1b) chọn cho chúng cộng hưởng hai tần số mong muốn (f1, f2) Giả sử f1 nhỏ f2, vịng cộng hưởng ngồi làm cộng hưởng tần số f1 vòng làm cộng hưởng số f2 Tần số cộng hưởng (f1 hay f2) phụ thuộc vào độ dài cộng hưởng, số điện môi, bề dày chất độ rộng vết [8] 38 Từ cộng hưởng lựa chọn tần số, vịng bị kích thích tần số tín hiệu gần với tần số cộng hưởng vịng Với tần số tín hiệu gần với f1, vịng ngồi cộng hưởng kích thích tín hiệu truyền từ cổng vào đến cổng ra, cho tần số gần với f2 khiến vòng cộng hưởng truyền tín hiệu đến cổng Để nghiên cứu đặc tính đáp ứng tần số cộng hưởng hình 3.1b, vịng ngồi cộng làm cộng hưởng 1.5GHz vòng làm cộng hưởng 2.5GHz Hình 3.2 hình 3.3 thể thiết kế cộng hưởng kết mô Kích thước cấu trúc thể hình 3.2 sau: chiều dài vịng ngồi 11 mm vòng mm với độ rộng vết mm cho vòng Khoảng cách khớp nối cộng hưởng với đường tín hiệu 0.3 mm, khoảng cách cạnh bên vịng ngồi vịng mm, độ rộng đường tín hiệu 1.192 mm có trở kháng đặc tính 50 Ohm chất điện môi Rogers RO3010 (h = 1.27 mm εr = 10.2) [8] Hình 3.2 Cấu trúc unit cell [8] Hình 3.3 Đáp ứng tần số unit cell [8] 39 Kết mô đáp ứng tần số (|S11|dB |S21|dB) unit cell thể hình 3.3 có hai đỉnh cộng hưởng 1.5GHz 2.5GHz, cho thấy dải thông kép đáp ứng, khẳng định cộng hưởng đề xuất có đáp ứng băng kép Để thực mạch lọc thực tế với đặc điểm mong muốn, lọc bậc cao thực cách sử dụng cộng hưởng nhiều khớp nối Lượng khớp nối cấu trúc liên tầng phụ thuộc vào thông số khác kích thước vật lý cấu trúc, tần số hoạt động, khoảng cách cấu trúc, tính chất chất Một lọc thơng dải bậc hai sử dụng hai cộng hưởng kết hợp thể hình 3.4 Đầu vào đầu đường tín hiệu vi dải có trở kháng 50 Ohm Hình 3.4 Cấu trúc cộng hưởng bậc hai Các kỹ thuật thiết kế chung để thực lọc cộng hưởng kết hợp thực cách sử dụng hai phương pháp: Phương pháp thứ phương pháp dựa hệ số ghép nối cộng hưởng kết hợp yếu tố chất lượng bên đầu vào đầu cộng hưởng Và phương pháp thứ hai sử dụng cơng cụ phân tích tham số nhúng phần mềm HFSS có khả phân tích tồn sóng Trong chương này, để đơn giản hóa việc phân tích cho cấu trúc lọc băng kép, ta chọn phương pháp phân tích tham số cho việc xác định kích thước tối ưu cấu trúc giải thích mục tới 3.5 Phân tích tham số sử dụng phần mềm HFSS 3.5.1 Các tham số ban đầu Các tham số điều khiển tần số cộng hưởng riêng cấu trúc mô tả 40 hình 3.5 Ban đầu, chiều dài vịng ngồi (L1) 11mm, chiều dài vịng (L2) 7mm, độ rộng cạnh cộng hưởng (w) 1mm, khoảng cách ghép (s) cộng hưởng kề chọn mm, đường tín hiệu vào cộng hưởng khơng có độ lệch kích thước khác g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm s2 = 3mm Hình 3.5 Các tham số điều khiển tần số cộng hưởng riêng cấu trúc Mô đáp ứng tần số cấu trúc hình 3.5 với kích thước ban đầu đề cập thể hình 3.6 Việc phân tích tham số thực với kết hợp khác độ rộng (w), Khoảng cách gép hai cộng hưởng (s), độ lệch vị trí đầu vào đầu đường tín hiệu, khoảng trống (g1, g2) Vì khó khăn để hiển thị phân tích tất tham số mục này, nên trình bày kết giúp hiểu mà tham số tác động đến tần số cộng hưởng Hình 3.6 Mơ đáp ứng tần số cấu trúc kết hợp với kích thước ban đầu 41 Từ tần số cộng hưởng hình 3.6, ta thấy suy hao xen (|S21|dB = 3.5dB) suy hao phản xạ (|S11|dB = 5dB) dải thông thứ (f1) không đủ tốt cho cấu trúc với kích thước ban dầu Đối với băng tần thứ 2, suy hao xen (|S21|dB = 3dB) suy hao phản xạ (|S11|dB = 6.5dB) không đủ tốt Sự phân tích tham số thực để xác định kích thước tối ưu cho suy hao xen thấp suy hao phản xạ cao cho hai băng tần Dưới mô tả hiệu ứng thơng số khác 3.5.2 Khảo sát vị trí đường tín hiệu Hình 3.7 Vị trí đường tín hiệu đầu vào Vị trí đường tín hiệu cộng hưởng thay đổi để điều chỉnh suy hao xen suy hao phản xạ Hình 3.7 thể cấu trúc với độ lệch đường tín hiệu đầu vào Để phân tích tác động vị trí đường tín hiệu đến tần số cộng hưởng, vị trí đường tín hiệu đầu vào thay đổi từ mm đến mm với bước thay đổi 0.5 mm Tất tham số khác giữ nguyên (L1 = 11mm, L2 = 7mm, w = 1mm, s = 1mm, g1 = 1.5mm, g2= 0.5mm, s1 = 1mm s2 = 3mm) Hình 3.8 3.9 thể tác động vị trí khác đầu vào đường tín hiệu lên S21 S11 với đáp ứng tần số tương ứng Quan sát hình 3.8 hình 3.9 ta thấy vị trí đường tín hiệu có tác động rõ rệt đáp ứng tần số S11 đáp ứng tần số S21 Thay đổi vị trí đường tín hiệu làm thay đổi biên độ suy hao phản xạ suy hao xen mà không làm thay đổi tần số cộng hưởng độ rộng băng tần Sự lựa chọn vị trí cải thiện đáp ứng tần số S11, nhiên tác động trái chiều hai băng tần Cụ thể đáp ứng tần số S11 băng tần thứ tăng dần độ lệch vị trí tăng, đáp ứng tần số S11 băng tần thứ hai lại giảm độ lệch vị trí tăng lên 42 Hình 3.8 Đáp ứng tần số S21 với độ lệch đường tín hiệu vào khác Hình 3.9 Đáp ứng tần số S11 với độ lệch đường tín hiệu vào khác Như cải thiện đáp ứng lọc cách thay đổi độ lệch vị trí đường tín hiệu vào Để chắn với khẳng định ta tiếp tục khảo sát đáp ứng lọc với thay đổi độ lệch vị trí đường tín hiệu vào đường tín hiệu Đáp ứng tần số |S21|dB |S11|dB với vị trí khác đầu vào đầu đường tín hiệu thể hình 3.10 3.11 với kích thước tham số khác giữ nguyên (L1 = 11mm, L2 = 7mm, w = 1mm, s = 1mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm s2 = 3mm) Từ kết thể hình 3.10 3.11 ta thấy, thay đổi độ lệch đường tín hiệu vào khơng giúp cho có kết tốt So với thay đổi độ lệch vị trí đường tín hiệu vào thay đổi cải thiện suy hao phản xạ S11 băng tần 43 thứ mà tác động đáng kể đến suy hao phản xạ băng tần thứ hai suy hao xen hai băng tần Hình 3.10 |S21|dB Khi thay đổi vị trí hai đường tín hiệu vào Hình 3.11 |S11|dB Khi thay đổi vị trí hai đường tín hiệu vào Vậy thay đổi vị trí đường tín hiệu không đủ để đạt đáp ứng tần số yêu cầu hai băng tần đồng thời, kết có tương đồng với [8] Tiếp theo, ta xem xét thay đổi khoảng trống g1 g2 (với độ lệch đường tín hiệu 0) 3.5.3 Khảo sát độ rộng khe hở g1 g2 Tác động tham số g1 g2 phân tích với độ lệch đường tín hiệu Kích thước tham số khác giữ nguyên (L1 = 11mm, L2 = 7mm, w = 1mm, s = 1mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm s2 = 3mm) Đáp ứng tần số |S11|dB |S21|dB với giá trị g1 g2 chọn thể hình 3.12 hình 3.13 44 Hình 3.12 Mơ đáp ứng tần số |S21| với giá trị khác g1 g2 Hình 3.13 Mơ đáp ứng tần số |S11| với giá trị khác g1 g2 Từ kết ta thấy thay đổi độ rộng khe hở g1 g2 làm thay đổi tần số cộng hưởng biên độ đáp ứng tần số |S21| |S11| Tuy nhiên thay đổi không đáng kể, kết tương tự kết đạt nghiên cứu [8] Như điều chỉnh vị trí đường tín hiệu hay khoảng trống (g1 hay g2) không cải thiện đồng thời đáp ứng tần số |S11| hai băng tần giá trị sử dụng cho tham số giữ giá trị ban đầu đưa tiến hành bước khảo sát 3.5.4 Khảo sát khoảng cách ghép (s) hai cộng hưởng Khoảng cách cộng hưởng liền kề điều khiển ghép cộng hưởng nhằm đạt đáp ứng tần số độ rộng băng phạm vi dải thông 45 mong muốn Khoảng cách cộng hưởng thay đổi tham số lại giữ nguyên Kích thước tham số khác sau: w = 1mm, độ lệch đường cấp tín hiệu mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm, s2 = 3mm Đáp ứng tần số (|S21|dB |S11|dB) cấu trúc với giá trị khác khoảng cách cộng hưởng thể hình 3.14 3.15 Ở khoảng cách ghép thay đổi từ 0.5 mm đến 2.0 mm với bước thay đổi 0.5 mm Hình 3.14 Đáp ứng tần số |S21| với giá trị khoảng cách khác Hình 3.15 Đáp ứng tần số |S11| với giá trị khoảng cách khác Từ đáp ứng tần số S21 (Hình 3.14), thấy khoảng cách cộng hưởng tăng lên suy hao xen tăng độ rộng băng dải thông giảm Từ đáp ứng tần số S11 (Hình 3.15),ta thấy suy phản xạ độ rộng băng giảm xuống khoảng cách ghép tăng Như khoảng cách ghép 46 cộng hưởng tham số quan trọng, điều khiển suy hao xen, suy hao phản xạ độ rộng dải thông mà không làm thay đổi tần số cộng hưởng Suy hao phản xạ đạt cực đại khoảng 26 dB phạm vi dải thông thứ 35.5 dB dải thông thứ tốt với khoảng cách cộng hưởng 0.5mm Suy hao xen với giá trị khoảng cách nhỏ 2dB cho hai băng tần Từ đó, hiệu lọc cải thiện với khoảng cách 0.5mm, ngoại trừ độ gợn suy hao phản xạ hai băng tần lớn, cố định giá trị khoảng cách cho bước tối ưu hóa Hình 3.16 thể đáp ứng lọc với khoảng cách ghép 0.5 mm Kết tương đồng với nghiên cứu [8], nhiên kết có đáp ứng lọc tốt so với [8] đạt Hình 3.16 Đáp ứng tần số lọc với khoảng cách ghép 0.5 mm 3.5.5 Khảo sát độ rộng cạnh ngồi Hình 3.17 Biến đổi độ rộng cạnh bên Như đề cập trên, cần cải thiện độ gợn suy hao phản xạ hai băng tần Khi thay đổi độ rộng vết toàn bộ cộng cộng hưởng làm ảnh 47 hưởng đáng kể đến tần số trung tâm hai băng tần đáp ứng tần số, thay đổi độ rộng rìa bên ngồi cộng hưởng dễ dàng đạt đáp ứng tần số mong muốn, hình 3.17 Độ rộng thay đổi từ 1mm đến 2.5mm sử dụng bước tiến 0.5mm Độ vết lại cộng hưởng giữ 1mm thông số khác giữ trước (L = 11mm, L2 = 7mm, s = 0.5mm, độ lệch đường cấp tín hiệu mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm s2 = 3mm) Hình 3.18 Đáp ứng tần số |S21| với độ rộng khác Hình 3.19 Đáp ứng tần số |S11| với độ rộng khác Các đáp ứng tần số (|S11|dB |S21|dB) thể hình 3.18 hình 3.19 Sự thay đổi độ rộng w làm thay đổi tần số trung tâm hai băng tần tác động đến suy hao xen suy hao phản xạ Có thể thấy độ rộng tăng tần số cộng hưởng giảm độ rộng băng tần nhỏ Cả hai băng tần có suy hao 48 xen suy hao phản xạ tốt với độ rộng w = 1.5 mm Suy hao phản xạ tần số trung tâm băng tần 51dB, băng tần thứ 47dB Suy hao xen hai tần số nhỏ 1dB với w = 1.5 mm 3.5.6 Kết Qua trình khảo sát ta thấy độ lệch đường tín hiệu độ rộng khe g1 g2 có tác động không đáng kể đến đáp ứng lọc Ngược lại khoảng cách ghép s độ rộng vết lại có tác động rõ rệt Các thông số cuối cho lọc tối ưu là: L1 = 11 mm, L2 = mm, độ rộng rìa ngồi w = 1.5 mm, khoảng cách ghép s = 0.5 mm, vị trí đường tín hiệu = mm (khơng có lệch), g1 = 1.5mm, g2 = 0.5 mm, s1 = mm s2 = mm Hình 3.20 Bộ lọc tối ưu Đáp ứng tần số lọc tối ưu (|S11|dB |S21|dB) thể hình 3.21 Với số liệu, suy hao phản xạ khoảng 50.5 dB 1440 MHz (f1) 47 dB 2505 MHz (f2); suy hao xen khoảng 0.4 dB 1440 MHz 0.9 dB 2505 MHz Như dải tần làm việc lọc là: Dải tần thứ từ 1375 MHz đến 1520 MHz với độ rộng băng tần 145 MHz, dải tần thứ hai từ 2335 MHz đến 2580 MHz với độ rộng băng tần 230 MHz Bộ lọc hoạt động đồng thời hai băng tần So với kết đạt nghiên cứu [8] kết đạt đồ án có đặc tính lọc tốt Cụ thể đáp ứng tần số |S11| đạt cực đại 50.5 dB dải 49 thông thứ 47 dB dải thông thứ hai, so với 23 dB 22dB nghiên cứu [8] Đồng thời dải thông lọc giảm xuống đáng kể Hình 3.21 Đáp ứng tần số lọc tối ưu 3.6 Kết luận chương Một lọc thông dải băng kép nhỏ gọn, có cấu trúc vi dải vịng hở thực mô thành công với tần số hoạt động kép 1448MHz 2450 MHz với suy hao xen nhỏ dB suy hao phản xạ lớn 15 dB Sự ảnh hưởng tham số hình học cấu trúc đến đặc điểm đáp ứng tần số phân tích phần mềm HFSS Vậy lọc bậc cao thiết kế cách dễ dàng cách sử dụng cộng hưởng kép liên tầng cấu trúc kết hợp ngang 50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Quá trình thực đồ án giúp cho em hiểu nguyên lý hoạt dộng lọc băng tần kép, vai trị ứng dụng hệ thống thông tin viễn thông Từ thiết kế mơ lọc vi dải băng kép hồn chỉnh Các thơng số kỹ thuật kích thước, chất liệu, hình dạng cấu trúc ,… đóng vai trị quan trọng với đáp ứng tần số lọc Việc khảo sát tham số giúp cho người thiết kế biết ảnh hưởng tham số đến đáp ứng lọc nào, qua điều chỉnh dải thông lọc nhằm nâng cao hiệu lọc Việc nghiên cứu lọc băng kép nhằm tối ưu kích thước, chất lượng, tốc độ băng thơng Giảm chi phí cho thiết bị đầu cuối nhờ nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp Bộ lọc băng kép góp phần đáp ứng yêu cầu ngày cao người dùng, thúc đẩy phát triển mạnh mẽ cho mạng viễn thông Mặt khác, đồ án giới thiệu phần mềm mô chuyên dụng HFSS dùng để nghiên cứu, thiết kế, xây dựng sản phẩm trường điện từ nói chung lọc nói riêng Phần mềm cho phép phân tích tham số với kết trực quan, từ tạo thuận lợi cho việc chế tạo mạch thực tế Về hướng phát triển đề tài, đồ án nghiên cứu, thiết kế lọc băng tần kép băng tần chưa khai thác sử dụng băng tần 1.5 GHz 2.5 GHz nên chưa hoàn thiện Trong thời gian tới, đồ án tiếp tục nghiên cứu, thiết kế xây dựng để hoàn thiện hơn, để phục vụ nhu cầu cho tương lai băng tần khai thác sử dụng trở nên đông đúc tải 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kiều Khắc Lâu, Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, NXB Giáo Dục, 2006 [2] Vũ Đình Thành, Mạch Siêu Cao Tần, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1999 [3] Nguyễn Quốc Trung, Xử lý số tín hiệu, NXB Giáo Dục, 2007 [4] A Boubakri, F Choubani, T H Vuong, and J Davi, “A Compact Dual Band Band-pass Filter Using a New Topology of Transmission Line Metamaterial”, PIERS Proceedings, Guangzhou, China, August 25-28, 2014 [5] Q.-X Chu, F.-C Chen, “A Compact Dual-Band Bandpass Filter Using Meandering Stepped Impedance Resonators”, IEEE Microwave and Wireless components letters, vol 18, No 5, May 2008 [6] J.-T Kuo, T.-H Yeh, and C.-C Yeh, “Design of Microstrip Bandpass Filters with a Dual-passband response” IEEE Trans Microwave Theory and Tech., Vol 53, No 4, 1331-1337, Apr 2005 [7] S Pal, “Microwave Dual-Band Bandpass Filter using L-shaped Stepped Impedance Resonators”, MTech Student, CEDT, IISC, Bangalore [8] S Vegesna and M Saed, “Novel compact dual-band bandpass microtrip filter”, Progress In Electromagnetics Research B, Vol 20, 245-262, 2010 [9] http://www.ansoft-hfss.software.informer.com/, truy nhập lần cuối ngày 4/12/2014 [10] http://www.tp-link.vn/, truy nhập lần cuối ngày 6/01/2015 [11] http://www.vntelecom.org/, truy nhập lần cuối ngày 10/01/2015 [12] http://www.wikipedia.org/, truy nhập lần cuối ngày 15/01/2015 52 ... án gồm chương: Chương Bộ lọc tần số ứng dụng vi? ??n thông Chương Bộ lọc băng tần kép cấu trúc lọc băng kép Chương Thiết kế lọc thông dải băng tần kép có cấu trúc vi dải vịng hở Do nhiều mặt cịn hạn... ích vi? ??c sử dụng kỹ thuật băng tần kép vi? ??c chế tạo lọc băng tần kép dễ dàng 34 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG TẦN KÉP CĨ CẤU TRÚC VI DẢI VỊNG HỞ 3.1 Giới thiệu chương Nhìn chung, lọc băng. .. sau cần thành phần băng kép chẳng hạn lọc băng kép Các lọc vi dải phổ biến thiết kế lọc băng kép cấu trúc phẳng kết nối dễ dàng với thiết bị khác Để chế tạo lọc vi dải băng kép có ba phương pháp