Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng tần 3G
3.3. Mạch lọc thông dải băng tần 3G
Với những phân tích ở trên, trong phần này, một mạch lọc thông dải băng thông rộng sử dụng vòng cộng hưởng vi dải sẽ được thiết kế để hoạt động trong dải tần 3G, từ 1920 MHz đến 2170MHz. Dải thông có độ gợn tối đa suy hao ở dải chắn đạt mức cao nhất là -29 dB để có được đặc tính chọn lọc tần số tốt nhất.
Trong sơ đồ Hình 3.2, các tụ điện tại điểm kích thích cho vòng cộng hưởng sẽ được thay thế bằng cấu trúc dải xen kẽ trên đường tiếp điện. Cấu trúc này góp phần làm tăng suy hao trong dải chắn phía trước dải thông (các tần số dưới 1920MHz). Chu vi vòng cộng hưởng sẽ bằng chiều dài toàn bước sóng tại . Các nhánh đường truyền được thay thế bằng các cấu trúc rẽ nhánh, làm giảm kích thước của toàn bộ cấu trúc lọc. Các đường tiếp điện được kéo dài sang hai bên của cấu trúc xen kẽ, làm tăng chiều dài ghép tương hỗ giữa đường tiếp điện và vòng cộng hưởng, nhờ đó suy hao trong dải chắn dưới 2170 MHz được tăng lên mức tối đa.
Hình 3. 4 Mạch lọc cộng hưởng dạng vòng
Cấu trúc vòng cộng hưởng ở hình vẽ trên bao gồm hai đường truyền không khép kín và có khoảng cách ở giữa. Với độ rộng mỗi đường là w1, khe hở của mỗi đường là g và độ rộng của đường tiếp điện là w. Khi tiếp điện cho vòng cộng hưởng thì dòng điện chạy qua hai vòng hoạt động như cuộn cảm và khoảng cách giữa hai đường là g1 sẽ làm cho dòng điện trong các vòng ảnh hưởng nhau như một điện
dung. V ới cấu trúc trên với mỗi đường gấp khúc sẽ có mạch điện dạng:
Hình 3. 6 Mô hình mạch lọc cộng hưởng dạng vòng
Mạch lọc được thiết kế ở trên hình 3.6 dựa trên mô hình cộng hưởng dạng vòng bằng cách ghép các nhánh đối xứng nhau trên một mặt của cùng một đế điện môi mà vẫn đạt được đáp ứng tần số yêu cầu.
Sau khi mô phỏng bằng phần mềm HFSS 12 thì có một số kết quả thu được thể hiện ở các hình dưới đây. Hệ số truyền đạt thay đổi khi ta thay đổi từng thông số kích thước chiều dài của mỗi vòng cộng hưởng, độ rộng đường truyền và khoảng cách giữa là g. Với thông số d khi được tăng lên thì sẽ đạt ở hai băng tần số nhưng khoảng đạt của các băng tần đó là nhỏ. Chính vì vậy khi thiết kế mạch lọc
trong dải tần 3G mong muốn thì cần bộ lọc đó đạt trong 1 băng tần và khoảng rộng băng tần phải hẹp.
Khi có dòng điện chạy qua vòng cộng hưởng hoạt động như một điện cảm L và khoảng cách giữa hai vòng tạo nên một tụ điện C. Thay đổi khoảng cách giữa 2 vòng cộng hưởng dẫn đến giá trị của tụ điện C thay đổi và tần số cộng hưởng cộng hưởng ở một dải tần khác. Lúc đó hệ số truyền đạt được thể hiện như hình 3.8 và 3.7 dưới đây.
Hình 3. 8 Hệ số truyền đạt khi thay đổi khoảng cách giữa 2 vòng cộng hưởng
Từ hình 3.8 cho thấy khi thay đổi khoảng cách giữa hai vòng cộng hưởng không đạt được tần số cộng hưởng mong muốn nên ta thay đổi bề dày của vòng cộng hưởng w1. Khi thông số w1 được tăng lên thì tương ứng với kích thước vòng tăng khi đó tần số cộng hưởng sẽ sẽ giảm, còn khi w1 giảm thì tần số cộng hưởng sẽ tăng.. Điều này được thể hiện rõ trong hình 3.9
Hình 3. 9 Hệ số truyền đạt khi thay đổi độ rộng (w1) của vòng cộng hưởng .
Hình 3. 10 Hệ số hao ngược S11 khi thay đổi độ rộng đường tiếp điện
Với mỗi thông số của mạch lọc đều có thể làm thay đổi tần số cộng hưởng nhưng có những thông số mang tác động nhỏ hoặc tác động lớn lên tần số cộng hưởng. Bề dày của đế tiếp điện của bộ lọc mang tính chất như thế thể hiện trong hình 3.10 và 3.11
Hình 3. 11 Hệ số truyền đạt khi thay đổi bề dài của đế tiếp điện (w)
Từ kết quả thay đổi các thông số kết hợp lại ta có hình 3.12 mô tả kích thước cuối cùng của mạch lọc thông dải với các thông số g1 =0.3mm ,l1=
12.5mm ,l2=10.7mm ,l3=4.8mm ,d=0.7mm ,w1=0.4mm w=1.9mm , w2= 5mm mô hình được xây dựng trên đế điện môi FR4, có hằng số điện môi tương đối , bề dày h = 1.6 mm. Kết quả mô phỏng mạch lọc bằng phần mềm HFSS được trình bày ở Hình 3.13, bao gồm đáp ứng tần. Từ Hình 3.13 có thể thấy, dải thông của mạch lọc là từ 1920MHz đến 2170 MHz, hệ số truyền đạt xấp xỉ bằng 1 Một đặc tính quan trọng khác cưa bộ lọc là hệ số tổn hao lớn hơn -29dB. Kích thước tổng cộng của toàn cấu trúc chỉ là 24,7 mm × 32.5 mm.
Hình 3. 12 Mạch lọc thông dải băng tần 3G (từ 1920 – 2170 MHz). Các kích thước có đơn vị mm
Hình 3. 13 Kết quả mô phỏng hệ số tổn hao ngược () và hệ số truyền đạt ()
Tổng kết chương
Trong chương này, tôi vừa trình bày phương pháp thiết kế và kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải băng thông hẹp. Cấu trúc lọc được chế tạo trên đế điện môi FR4 dày 1.6 mm. Bằng cách thêm vào vòng cộng hưởng các nhánh đường truyền có chiều dài thích hợp, ta có thể đạt được điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng, tức là tạo ra các điểm cực truyền đạt tại những tần số lân cận nhau. Từ đó tạo nên một mạch lọc có băng thông rộng và sườn dải thông dốc. So với cấu trúc lọc truyền thống, cấu trúc này có chiều dài chỉ bằng một nửa, và có khả năng chọn lọc tần số tối ưu hơn hẳn.
Chương 4