Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải (tt)
- 27 trang
- file .pdf
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
NGUYỄN ĐỨC UYÊN
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG
MỚI ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN DỰA
TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9 52 02 03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - NĂM 2019
2
Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Đỗ Quốc Trinh
2. PGS. TS Lê Vĩnh Hà
Phản biện 1: PGS. TS Trần Xuân Tú PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Phản biện 2: PGS. TS Tạ Minh Đức
Tổng cục 2, Bộ Quốc Phòng
Phản biện 3: PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện,
họp tại Viện Khoa học Công nghệ quân sự vào hồi……h……,
ngày…….tháng……năm 2019
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân sự.
- Thư viện Quốc gia Việt nam.
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án.
Bộ lọc đóng một vai trò không thể thay thế được trong các hệ thống
vô tuyến điện tử. Mặc dù các công trình nghiên cứu thiết kế trước đây
đang được ứng dụng có nhiều thành tựu song vẫn còn những hạn chế cần
khắc phục như độ chọn lọc tần số chưa cao, chế tạo còn tương đối phức
tạp, kích thước chưa được tối ưu, chưa giảm được đáng kể các tổn hao.
Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất một số cấu trúc cộng hưởng mới
để ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi
dải cũng chính là nội dung đề tài luận án nghiên cứu mà nghiên cứu sinh
đang thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới và ứng dụng
trong thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng
và băng siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong
thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng của các băng tần.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Tập trung nghiên cứu về lý thuyết siêu cao tần, nghiên cứu cấu trúc
bộ cộng hưởng siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng dùng trong thiết kế
bộ lọc dựa trên công nghệ vi dải. Xây dựng một số cấu trúc mới ứng
dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải. Thiết
kế chế tạo các bộ lọc nhiều băng tần, bộ lọc dải rộng và siêu rộng mới
tương đối gọn nhẹ về kích thước trọng lượng, đơn giản về cấu trúc, nâng
cao được tính chọn lọc.
4. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết các mạch cộng hưởng siêu cao tần. Lựa chọn
xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế để đề
xuất ra các cấu trúc mới, so sánh kết quả với các kết quả nghiên cứu
trước về cấu trúc, tính năng, kích cỡ.
Thực hiện phần mềm HFSS 15.0 để mô phỏng sau đó chế tạo sản
phẩm, thực hiện đo kiểm, hoặc chứng minh trên lý thuyết. So sánh kết
quả đo lường và mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá sản phẩm.
2
5. Nội dung nghiên cứu của luận án.
Dựa vào bộ cộng hưởng nửa bước sóng, một phần tư bước sóng
đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng
mới có khả năng điều chỉnh và thiết lập độc lập các tần số cộng hưởng
của các băng tần.
Ứng dụng cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất thiết kế xây dựng đưa ra
được cấu trúc bộ lọc siêu cao tần dựa trên nền tảng công nghệ vi dải mới,
có tính thực tiễn cao.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Ý Nghĩa khoa học: Đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ
sở các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được tính toán và ứng dụng trong
thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và
băng siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong thiết
lập và điều chỉnh tần số cộng hưởng của các băng.
Ýnghĩa thực tiễn: Các kết quả đạt được của luận án phù hợp với đáp
ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay trong các hệ thống thông tin, viễn thông
và phù hợp với thực tiễn có kết cấu nhỏ gọn dễ ràng phối ghép với các
thiết bị vô tuyến điện trong lĩnh vực lọc đa băng tần và băng rộng, siêu
rộng.
7. Bố cục luận án.
Bố cục luận án bao gồm: Mở đầu, ba chương và kết luận. Mở đầu đưa
ra tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu, đối tượng phạm vi, nội dung phương
pháp nghiên cứu, những đóng góp mới của luận án. Chương 1 giới thiệu tổng
quan về cộng hưởng vi dải, bộ lọc siêu cao tần dùng trong các hệ thống
thông tin vô tuyến. Tại chương 2 tổng hợp lý thuyết bộ cộng hưởng cơ bản,
cơ sở tính toán để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới. Trong chương 3 đề
xuất phát triển các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng, siêu
rộng dựa trên công nghệ vi dải và kết luận kết quả nghiên cứu, những đóng
góp mới của luận án, hướng nghiên cứu tiếp theo.
3
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC
CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC
HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến.
Bộ lọc là một loại thiết bị chọn lọc tần số đặc biệt, tùy theo cách
thiết kế và lắp đặt nó có tác dụng cho phép một dải tần số nhất định đi
qua và chặn lại các tần số nằm ngoài dải đó hoặc ngược lại nó chặn lại
một dải tần số nào đó và cho đi qua các tần số nằm ngoài dải tần số đó vì
vậy nó là một phần tử không thể thiếu trong các thiết bị vô tuyến điện tử
hiện nay. Về kết cấu, bộ lọc là mạng bốn cực có suy giảm đặc tính trên
một, hay một số khoảng nhất định của thang tần số, tần số này được đi
qua gọi là thông dải hoặc bị chặn lại gọi là dải chặn.
1.2. Phân loại các bộ lọc siêu cao tần.
1.2.1. Bộ lọc dạng sóng.
1.2.2. Bộ lọc phân cực.
1.2.3. Bộ lọc tần số.
Là bộ lọc được quan tâm, kết cấu để cho sóng trong một dải tần số
nhất định đi qua nó và đảm bảo suy hao ở mức nhỏ nhất, và chặn lại hoàn
toàn những sóng không thuộc dải này. Phân chia theo dải tần số thì bộ lọc
có 4 loại như trên.
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại
đối với các bộ lọc cơ bản và bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng.
1.3.1. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại.
1.3.1.1. Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải.
1.3.1.2. Bộ cộng hưởng ghép nối.
1.3.1.3. Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ.
1.3.1.4. Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn.
Đối tượng của bộ lọc giả xen kẽ là phát triển các bộ lọc thông dải vi
băng nhỏ gọn và bộ phối hợp với hiệu suất cao, đó là dễ dàng thiết kế
điều chỉnh và thay đổi tần số cộng hưởng mong muốn và chi phí thấp.
4
1.3.2. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc đa băng tần, băng rộng và
siêu rộng, tại thời điểm hiện tại.
Cùng với sự phát triển của truyền thông không dây hiện nay cấu trúc
bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng cũng đang phát triển mạnh mẽ,
các công trình nghiên cứu liên tục được công bố. Trong phần này sẽ đi
sâu phân tích so sánh các công trình liên quan tiêu biểu đối với các
nghiên cứu thực tế của luận văn, để từ đó đưa ra những so sánh và phát
triển theo hướng tích cực để luận án hoàn thiện tốt hơn.
1.3.2.1. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần.
Mặc dù bộ lọc sử dụng hai băng tần hiện vẫn còn được sử dụng ở
một số trang thiết bị vô tuyến điện tử nhưng rất ít dùng và vì luận án này
không nghiên cứu nên không đề cập so sánh sâu hơn.
1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần.
Trong tài liệu [90], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) đã đưa
ra thiết kế một bộ lọc ba băng tần bằng cách đưa hai điểm truyền không
vào một dải đáp ứng băng rộng. Các điểm truyền không thu được bằng
cách sử dụng các đoạn song song hở mạch có cộng hưởng tương ứng với
vị trí của các điểm truyền không, trong khi đáp ứng băng rộng dựa trên
đoạn một phần tư bước sóng. Đáp ứng của bộ lọc này cho thấy, bộ lọc có
hiệu suất kém trong vùng chắn dải. Hơn nữa, kích thước tổng thể của bộ
lọc là rất lớn.
Trong tài liệu [114], tác giả VanPhuong DO (Đỗ Văn Phương) đã
đưa ra thiết kế bộ lọc bốn băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng nhiều
chế độ, bằng cách kết hợp hai bộ cộng hưởng một phần tư bước sóng
ngắn mạch và hai bộ cộng hưởng nửa bước sóng hở mạch. Bộ lọc này có
ưu điểm là có thể điều chỉnh được độc lập các tần số cộng hưởng trung
tâm, tuy nhiên do sử dụng nhiều cấu trúc khác nhau nên việc điều chỉnh
độ rộng dải thông của mỗi tần số cộng hưởng sẽ khó khăn, do tín hiệu
cao tần sẽ đồng thời truyền qua nhiều cấu trúc, mặt khác các cấu trúc
khác nhau sẽ phụ thuộc vào kích thước vật lý nên sẽ có ảnh hưởng đến
việc điều chỉnh băng tần của bộ lọc.
5
Trong tài liệu [84], tác giả Nguyễn Trần Quang cũng sử dụng cấu
trúc cộng hưởng chữ thâp biến đổi kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng
đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc bốn băng tần. Bộ
lọc này tuy có ưu điểm là điều chỉnh độc lập được các tần số cộng hưởng,
nhưng có nhược điểm hạn chế là độ dài của cấu trúc nửa bước sóng phụ
thuộc vào cấu trúc vật lý của đoạn chêm hở mạch.
1.3.2.3. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng.
Trong tài liệu[10], một bộ cộng hưởng nửa bước sóng đoạn phân
nhánh đơn được sử dụng để thiết kế một bộ lọc băng thông hẹp với hai
điểm truyền không, và sau đó, bộ lọc này đã được thay đổi để thiết kế bộ
lọc băng thông rộng trong [95]. Trong tài liệu [115], tác giả Minh Tan
Doan (Đoàn Minh Tân) sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng nhiều chế độ
kết hợp với các đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc
băng thông rộng. Mặc dù bộ lọc có thể điều chỉnh được độ rộng băng tần
thông qua điều chỉnh chiều dài của đoạn chêm hở mạch và ngắn mạch,
phân đoạn băng thông 100.8% là tương đối rộng. Tuy nhiên, do độ chính
xác chế tạo hạn chế, rất khó để thực hiện được các đường ghép có trở
kháng cao và khoảng cách ghép chặt chẽ.
1.3.2.4. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng.
Trong những năm gần đây bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng
UWB với hiệu suất cao là một thành phần thiết yếu trong các hệ thống
truyền thông không dây. Các bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng vi dải
đã nhận được nhiều sự chú ý do những ưu điểm như kích thước nhỏ, chi
phí thấp, dễ chế tạo, và đã được phát triển trong các tài liệu tham khảo
[100]-[102]. Trong [100], một bộ lọc thông dải siêu rộng mới sử dụng bộ
cộng hưởng vòng đã được đưa ra. Bằng cách tạo ra một bộ cộng hưởng
nhiều chế độ và ghép song song với các đường nửa bước sóng và một
phần tư bước sóng đã thu được một bộ lọc thông dải siêu rộng với năm
cực truyền [101]. Để khắc phục 1 số nhược điểm các bộ lọc thông dải
băng thông siêu rộng khác nhau với dải băng chữ V sử dụng các cấu trúc
khác nhau đã được đưa ra [103-108]. Tuy nhiên, ít nghiên cứu mô tả ứng
6
dụng của bộ cộng hưởng vòng trong các bộ lọc băng thông siêu rộng với
một hoặc nhiều dải chữ V dựa trên khái niệm nhiễu tín hiệu ngang. Bộ
lọc băng thông siêu rộng trình bày trong luận văn đã phát huy được
những ưu điểm, phần nào khắc phục được hạn chế của các bộ lọc trên.
1.4. Tiêu chí kỹ thuật chung của các mạch lọc siêu cao tần nhiều
băng, băng rộng và siêu rộng đề xuất.
Dải thông các băng tần của mạch lọc thiết kế (Δ-3dB) có giá trị lớn
hơn hoặc bằng 100MHz, trong các dải thông của bộ lọc, hệ số tổn hao
chèn (IR) có giá trị tuyệt đối phải nhỏ hơn 3dB, hệ số tổn hao phản hồi
(RL) có giá trị tuyệt đối phải lớn hơn 14dB (Theo tiêu chuẩn điện áp tỉ số
sóng đứng VSWR đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến có chất lượng tốt
có giá trị từ 1,1 đến 1,5). Ngoài ra Tiêu chuẩn 802.16-2004 [2] cho
WiMAX ở dải tần số 2–11 GHz. 3G một tần số cũng được chọn 2.1 GHz,
4G ba tần số cũng được chọn 2.6 GHz; 1.8GHz; 800 MHz.
Cũng căn cứ theo tiêu chuẩn FCC [31] quy định cho chuẩn một băng
siêu rộng có dải tần trong phân đoạn băng thông(FBW) ở biên độ tại
-10dB có giá trị lớn hơn 20% thì được gọi là băng siêu rộng UWB.
1.5. Định hướng nghiên cứu của Luận án.
Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần
thiết kế, lựa chọn kiểu, cấu trúc cộng hưởng để đề xuất ra các cấu trúc bộ
lọc mới. Thực hiện ứng dụng phần mềm HFSS 15.0 để thiết kế mô phỏng
sau đó chế tạo ra sản phẩm, chạy thử nghiệm trên phần mềm và thực hiện
đo lường, hoặc chứng minh trên lý thuyết. So sánh kết quả đo lường và
mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá về các bộ lọc nghiên cứu.
1.6. Kết luận chương 1.
Đã giới thiệu, phân loại các bộ lọc siêu cao tần, các nghiên cứu về
bộ lọc đến thời điểm hiện tại, đặc biệt giới thiệu và phân tích cấu trúc
mạch cộng hưởng đường truyền vi dải là một cấu trúc cơ bản, nền tảng
để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới. Trên cơ sở này, xây dựng tiêu chí
kỹ thuật chung của mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu
rộng, thiết kế và đưa ra đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án.
7
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG
MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG
HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN
Chương này nghiên cứu tính chất của các bộ cộng hưởng nửa bước
sóng được phối ghép sau đó đề xuất một số bộ cộng hưởng mới.
2.1. Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau.
2.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng.
Hình 2.1 (a) mô tả một bộ cộng hưởng đường truyền mở với chiều
dài 𝐿 = 𝜆𝑔 ⁄2 tương ứng.
Đường truyền
Điện áp
Hình 2.1. Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng
(a) Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng; (b) Chuẩn hóa phân bố
điện áp tại tần số cộng hưởng cơ bản và hài bậc hai.
Mạch cộng hưởng vi dải chỉ xảy ra cộng hưởng khi 𝑍𝑖𝑛 = ∞, điều
đó có nghĩa là 𝑡𝑎𝑛𝛽𝐿0 = 0. Khi 𝛽𝐿0 = 𝜋, ta sẽ có mối quan hệ giữa
hệ số truyền sóng điện từ và chiều dài 𝐿0 , với 𝛽 = 𝜋⁄𝐿0 , khi phần mạch
cộng hưởng của đường truyền có chiều dài 𝐿0 = 𝜆𝑔 ⁄2, tức là nửa bước
sóng, thì lúc này hệ số truyền sóng là 𝛽 = 2𝜋⁄𝜆𝑔 . Thay 𝛽 bởi 2𝜋⁄𝜆0
ta sẽ có được bước sóng truyền dẫn có tần số cộng hưởng 𝜆𝑔 = 2𝐿0 .
Quan hệ giữa bước sóng truyền dẫn và tần số trong cấu trúc là:
𝑐
𝑓=
𝜆𝑔 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.10)
𝑐
𝑓=
2𝐿0 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.11)
8
2.3. Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa.
2.3.1. Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR).
Hình 2.3 thể hiện cấu trúc vật lý của bộ cộng hưởng đoạn chêm hở
chính giữa. Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) được đề xuất [28] bao
gồm một bộ cộng hưởng nửa bước sóng microstrip thông thường và một
đoạn hở mạch được thể hiện trong hình 2.3. Chiều dài microstrip được
chêm hở gắn tại điểm chính giữa tương ứng.
Hình 2.3. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR).
(a) Cấu trúc bộ cộng hưởng chêm hở; (b) Chế độ lẻ; (c) Chế độ chẵn
Kết quả đầu vào dẫn nạp cho chế độ lẻ được biểu diễn như (2.12-2.13)
Y1
Yin, odd
j tan(1 / 2) (2.12)
Trong đó 1 = L1 là chiều dài điện của đường vi dải. Khi Yin,odd = 0,
tần số cộng hưởng chế độ lẻ có thể được suy ra là:
(2n 1)c
f odd
2 L1 e
(2.13)
Các tần số cộng hưởng chế độ chẵn khi Z3 = 2Z2 = Z1:
nc
f even
( L1 2 L2 ) e
(2.18)
Từ công thức (2.18), có nghĩa là tần số cộng hưởng đầu tiên, cụ thể
là f1_ fodd được điều khiển bởi tỷ số của trở kháng đặc trưng và chiều dài
điện của đường nửa bước sóng. Trong khi đó, từ công thức (2.18) tần số
cộng hưởng thứ hai, cụ thể là f2_ feven có thể được điều chỉnh bằng cách
điều chỉnh tỷ số trở kháng đặc trưng và chiều dài điện của đường nửa
bước sóng và đoạn hở mạch.
9
2.3.2. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR).
Cấu trúc bộ cộng hưởng là đối xứng và phân tích chế độ đa mốt
được sử dụng để mô tả đặc tính trở kháng lối vào cho chế độ chẵn – lẻ.
(a) (b) (c)
Hình 2.4. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch
(a) Cấu trúc SSLR; (b) Chế độ chẵn; (c) Chế độ lẻ.
Tần số cộng hưởng cơ bản ở 2 chế độ có thể được xác định như sau:
(2n 1)c
f even
4( L1 L2 ) e
(2.22)
(2n 1)c
f odd
4 L1 e
(2.23)
2.3.3. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR).
Hình 2.6. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập
Tần số cộng hưởng f0 và chế độ chẵn 1, và chẵn 2 được tính bằng:
𝑐
𝑓𝑜 =
2𝐿𝐴 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.27)
𝑐
𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛1 =
2(𝐿𝐴 +2𝐿𝐵 )√𝜀𝑓𝑓
(2.28)
𝑐
𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛2 =
2(𝐿𝐴 +2𝐿𝐶 )√𝜀𝑓𝑓
(2.29)
10
2.4. Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới.
2.4.1. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng
hưởng nửa bước sóng.
Hình 2.7. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập
Với cấu trúc của bộ cộng hưởng đoạn chêm hình chữ thập tần số
cộng hưởng chế độ chẵn và chế độ lẻ, ngoài việc tạo ra được tần số cơ
bản sẽ sinh ra được một tần số ở chế độ chẵn và một tần số ở chế độ lẻ
[77]. Các tần số cơ bản được tạo ra với các chế độ như sau:
(2𝑛−1)𝑐
𝑓𝑜𝑑𝑑 = 2𝐿 (2.31)
𝛼 √𝜀𝑒𝑓𝑓
𝑛𝑐
𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛 = (𝐿 +2𝐿 +𝐿 ) 𝜀 (2.33)
𝑎 𝑏 𝑐 √ 𝑒𝑓𝑓
𝑐
𝑓𝑟 = (2.34)
2𝐿√𝜀𝑒𝑓𝑓
2.4.2. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông.
L0+L0/2
L1
L0 L0/2
L2
Hình 2.8. Hai cấu trúc của cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông.
Tại hình 2.8 là cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng
vuông. Sau khi phối kết hợp của cấu trúc các tần số cơ bản tính như sau:
11
𝑐
𝑓𝜆 =
𝐿0 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.37)
(2n 1)c (2.38)
f even
4( L1 L2 ) e
(2n 1)c (2.39)
f odd
4 L1 e
Cấu trúc cộng hưởng đa mốt với chế độ chẵn lẻ fodd; feven có thể tạo
tiếp ra các tần số fodd1; feven2.
2.4.4. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông.
Hình 2.14 (a) thể hiện bố cục của bộ cộng hưởng vòng vuông cơ bản
và cấu trúc tương đương, nó bao gồm một vòng vuông đơn và hai đoạn
đường gấp ghép xác định, hình 2.14 (b) và (c) là cấu trúc tương đương ở
chế độ chẵn và chế độ lẻ của mạch cộng hưởng.
Hình 2.14. Cấu trúc mạch tương đương của bộ cộng hưởng vòng
vuông. (a) Cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông. (b) Mạch
tương đương chế độ chẵn. (c) Mạch tương đương chế độ lẻ.
Các tần số chẵn và lẻ có thể được tính toán như sau:
c (2.48)
f odd
4( L1 L 2 ) e
c (2.49)
f odd1
4( L1 L 2 Ls) e
c
f even (2.50)
2( L1 L 3 ) e
c (2.51)
f even1
4( L1 L 2 Ls ) e
12
2.5. Kết luận chương 2.
Trong chương 2 đã phân tích lý thuyết các bộ cộng hưởng khác nhau
và đặc tính của cộng hưởng vi dải, cộng hưởng 1/4 bước sóng cộng
hưởng 1/2 bước sóng các cấu trúc cộng hưởng vòng vuông và cộng
hưởng chữ thập, đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch từ đó đã đề xuất xây
dựng được các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên nền tảng các cấu trúc
cộng hưởng cơ bản, vì vậy các cấu trúc này là tiền đề để thực hiện thiết
kế bộ lọc thông dải đa băng tần và băng thông rộng, siêu rộng có khả
năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng.
CHƯƠNG 3
ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO
TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI
3.1. Giới thiệu và phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc.
3.1.1. Giới thiệu chung.
Trong chương 3 đưa ra các kết quả nghiên cứu đề xuất thiết kế xây
dựng đều phải dựa trên cơ sở tuân thủ theo các nguyên tắc chỉ tiêu kỹ
thuật cơ bản của các bộ lọc siêu cao tần sau: Tần số sử dụng theo quy
định, công nghệ 4G(1.8Ghz); Wlan(2.4Ghz; 5Ghz –6 Ghz);
WiMax(3.5Ghz; 5.2Ghz; 6Ghz). Băng thông tại -3dB phải 100Mhz.
Suy hao do chèn (S21): 3d; Suy hao do phản xạ (S11) 14dB.
3.1.2. Phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc siêu cao tần.
3.1.2.1. Trình tự thiết kế một bộ lọc.
Việc đề xuất ý tưởng thực hiện thiết kế một bộ lọc mới, trên cơ sở
việc nghiên cứu tham khảo tài liệu về các bộ lọc, tiến hành xây dựng bộ
lọc mới dựa trên cấu trúc của cộng hưởng cơ bản biến đổi, sau đó sử
dụng phần mềm HFSS 15.0 chạy mô phỏng, điều chỉnh kết quả tối ưu
hơn với các công trình trước khẳng định tính đúng đắn của bộ lọc đề xuất
mới và xuất dữ liệu DATA, chế tạo bộ lọc để thực hiện đo kiểm thực tế.
3.1.2.2. Mô hình thực nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm.
Sau khi đã chế tạo được bộ lọc, quá trình đo kiểm theo phương pháp
truyền thống, dùng một máy phát tần số siêu cao tần tương ứng sau đó
13
đưa tín hiệu vào bộ lọc siêu cao tần, đầu ra bộ lọc ta thu được đưa lên
máy hiện sóng để phân tích, với phương pháp này có nhiều hạn chế và ít
dùng. Với phương pháp đo kiểm hiện nay thực hiện trên máy phân tích
mạng vector, sau khi kết nối với bộ lọc chỉ việc đặt tần số phát tương ứng,
tín hiệu siêu cao tần sẽ được trực tiếp phát ra từ máy phân tích mạng
vector vì vậy sau quá trình phân tích đo kiểm ta dễ ràng phân tích được
kết quả và đặc biệt rất thuận tiện cho việc xuất dữ liệu Data cho máy tính.
3.2. Kết quả thiết kế chế tạo, mô phỏng so sánh, đánh giá bộ lọc ba
băng và bốn băng tần, băng rộng và siêu rộng bằng công nghệ vi dải.
3.2.1. Bộ lọc bốn băng sử dụng cấu trúc chêm chữ thập vòng vuông.
3.2.1.1. Cấu trúc của bộ lọc.
Bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông trình bày trong mục
2.4.3 bao gồm hai đoạn gấp hở mạch, một vòng vuông, một đoạn ngắn
mạch và hở mạch.
3.2.1.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng.
Vì bộ cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm chữ thập là một cấu trúc
đối xứng, và do đó phương pháp phân tích với cấu trúc đa mốt tại chế độ
chẵn lẻ có thể được sử dụng cho đặc tính của bộ cộng hưởng vòng vuông
đoạn chêm chữ thập. Bốn tần số cộng hưởng tại bốn dải thông được xác
định như (3.1-3.4).
𝑐
𝑓1 =
4(𝐿1 +𝐿2 +𝐿𝑆 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.1)
𝑐
𝑓2 =
4(𝐿1 +𝐿2 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.2)
𝑐
𝑓3 =
2(𝐿1 +𝐿2 +𝐿0 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.3)
𝑐
𝑓4 =
2(𝐿1 +𝐿3 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.4)
Để chứng minh ứng dụng này, bốn tần số cộng hưởng cụ thể là f1, f2,
f3, và f4 của SRCLR được đề xuất bằng cách điều chỉnh kích thước của bộ
cộng hưởng (như phân tích trong mục 2.4.2). Bằng cách thay đổi chiều dài
của Ls, L0, và L3, tại một số băng thông sẽ bị thay đổi, một số sẽ được giữ
nguyên hoặc thay đổi không đáng kể.
14
3.2.1.3 Thiết kế bộ lọc và kết quả.
Một nguyên mẫu của bộ lọc bốn băng được thiết kế và chế tạo trên
một chất nền với r = 4.4 và h = 0.8 mm.
Hình 3.7. Cấu trúc của bộ lọc bốn băng.
Cấu trúc của bộ lọc bốn băng được đề xuất được thể hiện trong hình
3.7, bộ lọc bao gồm hai SRCLR với trở kháng đặc trưng Z = Z0 = Zs = Z3.
Kích thước vật lý G1, Lc, và G2 có thể được điều chỉnh để đáp ứng các
yếu tố chất lượng bên ngoài đầu vào/đầu ra mong muốn và hệ số ghép
cho mỗi băng tần.
Sau khi tối ưu hóa bằng cách sử dụng Ansoft HFSS 15, kích thước
của bộ lọc bốn băng này được xác định như sau: W1 = 1.5, W2 = 1, Wc =
0.48, L1 = 14, L2 = 2.6, L3 = 7.8, L4 = 9.2, L5 = 5.8, L6 = 7, L7 = 3.3, L8 =
3.5, L9 = 6.7, Ls = 1.6, Lc = 10.1, G1 = 0.22, G2 = 1.2, và đường kính lỗ
khuyên (via) là 0.6 (tính bằng mm). Ảnh nguyên mẫu được thể hiện trong
hình 3.8. Kết quả đo và mô phỏng được minh họa trong hình 3.9
Hình 3.8. Bộ lọc bốn băng thực tế đã chế tạo.
15
Trong kết quả mô phỏng tại hình 3.9, băng thông phân đoạn 3 dB của
bốn dải thông (1.8/2.4/3.5 và 4.6 GHz) được tìm thấy là 6.6/8.1/3.2, và 3%,
tương ứng. Tổn hao chèn nhỏ nhất đo được bao gồm tổn hao từ bộ kết nối
SMA là 1.4/1.5/1.8, và1.7 dB, trong khi tổn hao phản hồi lớn hơn 24/14.5/13.5
và 16 dB, tương ứng. Mức suy giảm của tất cả các truyền không là dưới 38 dB,
điều này cho thấy sự cải thiện tính chọn lọc của bộ lọc tốt.
Biên độ (dB)
Kết quả đo
……….. Kết quả mô phỏng
Tần số, GHz
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc bốn băng đề xuất.
Bộ lọc bốn băng tần nhỏ gọn sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ
thập vòng vuông mới được đề xuất. Bằng phương pháp nhúng một đoạn
hở mạch, tần số trung tâm của bốn băng thông có thể được điều khiển
độc lập tới giá trị mong muốn. Hơn nữa, hiệu suất tốt, cấu trúc phẳng,
kích thước nhỏ gọn và đơn giản khiến nó trở nên hấp dẫn cho truyền
thông không dây.
3.2.1.4. So sánh đánh giá thiết kế bộ lọc và kết quả của bộ lọc bốn băng
Bộ lọc bốn băng tần đã được thiết kế với cấu trúc cộng hưởng đoạn
chêm ngắn mạch vòng vuông tạo ra bốn băng tần với các tần số cộng
hưởng trung tâm là 1.8, 2.4, 3.5 và 4.6GHz. Các tần số cộng hưởng trung
tâm của bộ lọc hoàn toàn có thể thiết lập và điều chỉnh độc lập. So sánh
với các công trình đã công bố trên các tạp chí khoa học so với bộ lọc bốn
băng tần được thiết kế về các chỉ tiêu kỹ thuật chính cho thấy rằng bộ lọc
đã đạt được một số chỉ tiêu tốt hơn. Kết quả So sánh bộ lọc được thiết kế
với các công trình bộ lọc bốn băng tần đã công bố trong [80 - 84].
16
3.2.2. Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm hình
chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng.
3.2.2.1. Cấu trúc của bộ lọc.
Cấu trúc của bộ lọc đề xuất được thể hiện trong hình 3.10. Bộ lọc có
một số tính năng nổi bật như ba băng tần của dải thông được điều chỉnh
độc lập, độ lựa chọn cao, nhỏ gọn, đơn giản, và chi phí thấp. Bộ lọc vi
dải được thiết kế trên chất nền Rogers RT/duroid 5880 với hằng số điện
môi 2.2 chiều dày 0.508mm và tang tổn hao 0.0009.
Hình 3.10. Cấu trúc hình học của bộ lọc ba băng đề xuất.
3.2.2.2. Đặc tính của các bộ cộng hưởng.
Đoạn chêm hình chữ thập được đề xuất là một biến thể của bộ cộng
hưởng đoạn chêm hở mạch như thể hiện trong mục 2.3.3. Theo đó cấu
trúc này có thể phân tích dựa trên chế độ chẵn/lẻ tương ứng.
3.2.2.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả.
Bộ cộng hưởng cấu trúc chêm hình chữ thập và bộ cộng hưởng nửa
bước sóng và phân tích chế độ chẵn lẻ được sử dụng cho đặc tính này
[85], ba tần số cộng hưởng tại dải thông được xác định như (3.10-3.12).
𝑐
𝑓01 = = (1.8~2.2𝐺𝐻𝑧) (3.10)
2𝐿𝑎 √𝜀𝑒𝑓𝑓
𝑐
𝑓02 = = (2.4~2.7𝐺𝐻𝑧) (3.11)
2(2𝐿4 +𝐿5 +2𝐿6 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
𝑐
𝑓03 = (𝐿 = (3.2~3.5𝐺𝐻𝑧) (3.12)
𝑎 +2𝐿7 +𝐿8 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
17
Các tần số f01, f02, f03 tương ứng với tần số cộng hưởng chế độ lẻ (6),
tần số cộng hưởng nửa bước sóng (9) và tần số cộng hưởng chế độ chẵn (8).
Tần số, GHz
Hình 3.13. So sánh đáp ứng của bộ lọc ba băng được đề xuất.
Tần số trung tâm của ba băng thông yêu cầu là f01 = 2 GHz, f02 = 2.7 GHz,
và f03 = 3.3 GHz. Đáp ứng mô phỏng được thể hiện trong hình 3.13.
Sau khi tối ưu hoá, bộ lọc được thiết kế nhỏ gọn được chế tạo với
quy trình mạch in hai lớp chi phí thấp chất lượng tốt, chất nền là Rogers
RT/Duroid 5880 với hằng số điện môi 𝜀𝑟 = 2.2 và độ dày 0.508 mm.
Hình 3.17 đưa ra ảnh của bộ lọc ba băng được chế tạo đã được đo bằng
bộ phân tích mạng Vector Agilent N5245A.
Hình 3.17. Ảnh của bộ lọc ba băng tần được chế tạo
Các kết quả đo kiểm được và kết quả mô phỏng, thực tế thu được
hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của bộ lọc đề ra, 5 điểm
truyền không của ba băng tần với vị trí của các tần số tại 1.78, 2.25, 2.66,
2.93 và 3.58 GHz, tương ứng, giúp cải thiện cả hai sườn của mỗi băng
thông, tăng tính chọn lọc của bộ lọc.
18
3.2.2.4. So sánh thiết kế bộ lọc và kết quả của bộ lọc ba băng.
Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đã được thiết kế là cấu trúc cộng hưởng
kết hơp đoạn chêm chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng có ưu
điểm là các tần số dải thông được điều chỉnh độc lập thuận tiện đến các
giá trị mong muốn mà không phụ thuộc vào tổng chiều dài của bộ lọc sau
khi xác định được tần số trung tâm thứ nhất và cố định tần số này, phân
tích đã đưa ra đã minh chứng cấu trúc của bộ lọc được thiết kế có những
giá trị ưu điểm vượt trội so với một số công trình tiêu biểu.
3.2.3. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng đoạn ngắn
mạch vòng vuông
3.2.3.1. Cấu trúc của bộ lọc.
Cấu trúc bộ cộng hưởng vòng vuông đã được đề cập tại 2.4.3. Bộ
lọc được xây dựng trên một chất nền FR4 với hằng số điện môi 4.4, chiều
dày h=0.8mm và tan tổn hao là 0.0009.
3.2.3.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng.
f
c (3.15)
4( L1 L2 ) eff
odd
f even
c (3.17)
2( L1 L 3 ) eff
3.2.3.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả
Độ rộng đường dẫn: 0.3 mm
Độ rộng khe hở: 0.2 mm
Hình 3.22. Cấu trúc hình học của bộ lọc băng rộng đề xuất.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
NGUYỄN ĐỨC UYÊN
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG
MỚI ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN DỰA
TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9 52 02 03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - NĂM 2019
2
Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Đỗ Quốc Trinh
2. PGS. TS Lê Vĩnh Hà
Phản biện 1: PGS. TS Trần Xuân Tú PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Phản biện 2: PGS. TS Tạ Minh Đức
Tổng cục 2, Bộ Quốc Phòng
Phản biện 3: PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện,
họp tại Viện Khoa học Công nghệ quân sự vào hồi……h……,
ngày…….tháng……năm 2019
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân sự.
- Thư viện Quốc gia Việt nam.
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án.
Bộ lọc đóng một vai trò không thể thay thế được trong các hệ thống
vô tuyến điện tử. Mặc dù các công trình nghiên cứu thiết kế trước đây
đang được ứng dụng có nhiều thành tựu song vẫn còn những hạn chế cần
khắc phục như độ chọn lọc tần số chưa cao, chế tạo còn tương đối phức
tạp, kích thước chưa được tối ưu, chưa giảm được đáng kể các tổn hao.
Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất một số cấu trúc cộng hưởng mới
để ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi
dải cũng chính là nội dung đề tài luận án nghiên cứu mà nghiên cứu sinh
đang thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới và ứng dụng
trong thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng
và băng siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong
thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng của các băng tần.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Tập trung nghiên cứu về lý thuyết siêu cao tần, nghiên cứu cấu trúc
bộ cộng hưởng siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng dùng trong thiết kế
bộ lọc dựa trên công nghệ vi dải. Xây dựng một số cấu trúc mới ứng
dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải. Thiết
kế chế tạo các bộ lọc nhiều băng tần, bộ lọc dải rộng và siêu rộng mới
tương đối gọn nhẹ về kích thước trọng lượng, đơn giản về cấu trúc, nâng
cao được tính chọn lọc.
4. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết các mạch cộng hưởng siêu cao tần. Lựa chọn
xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế để đề
xuất ra các cấu trúc mới, so sánh kết quả với các kết quả nghiên cứu
trước về cấu trúc, tính năng, kích cỡ.
Thực hiện phần mềm HFSS 15.0 để mô phỏng sau đó chế tạo sản
phẩm, thực hiện đo kiểm, hoặc chứng minh trên lý thuyết. So sánh kết
quả đo lường và mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá sản phẩm.
2
5. Nội dung nghiên cứu của luận án.
Dựa vào bộ cộng hưởng nửa bước sóng, một phần tư bước sóng
đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng
mới có khả năng điều chỉnh và thiết lập độc lập các tần số cộng hưởng
của các băng tần.
Ứng dụng cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất thiết kế xây dựng đưa ra
được cấu trúc bộ lọc siêu cao tần dựa trên nền tảng công nghệ vi dải mới,
có tính thực tiễn cao.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Ý Nghĩa khoa học: Đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ
sở các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được tính toán và ứng dụng trong
thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và
băng siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong thiết
lập và điều chỉnh tần số cộng hưởng của các băng.
Ýnghĩa thực tiễn: Các kết quả đạt được của luận án phù hợp với đáp
ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay trong các hệ thống thông tin, viễn thông
và phù hợp với thực tiễn có kết cấu nhỏ gọn dễ ràng phối ghép với các
thiết bị vô tuyến điện trong lĩnh vực lọc đa băng tần và băng rộng, siêu
rộng.
7. Bố cục luận án.
Bố cục luận án bao gồm: Mở đầu, ba chương và kết luận. Mở đầu đưa
ra tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu, đối tượng phạm vi, nội dung phương
pháp nghiên cứu, những đóng góp mới của luận án. Chương 1 giới thiệu tổng
quan về cộng hưởng vi dải, bộ lọc siêu cao tần dùng trong các hệ thống
thông tin vô tuyến. Tại chương 2 tổng hợp lý thuyết bộ cộng hưởng cơ bản,
cơ sở tính toán để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới. Trong chương 3 đề
xuất phát triển các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng, siêu
rộng dựa trên công nghệ vi dải và kết luận kết quả nghiên cứu, những đóng
góp mới của luận án, hướng nghiên cứu tiếp theo.
3
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC
CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC
HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến.
Bộ lọc là một loại thiết bị chọn lọc tần số đặc biệt, tùy theo cách
thiết kế và lắp đặt nó có tác dụng cho phép một dải tần số nhất định đi
qua và chặn lại các tần số nằm ngoài dải đó hoặc ngược lại nó chặn lại
một dải tần số nào đó và cho đi qua các tần số nằm ngoài dải tần số đó vì
vậy nó là một phần tử không thể thiếu trong các thiết bị vô tuyến điện tử
hiện nay. Về kết cấu, bộ lọc là mạng bốn cực có suy giảm đặc tính trên
một, hay một số khoảng nhất định của thang tần số, tần số này được đi
qua gọi là thông dải hoặc bị chặn lại gọi là dải chặn.
1.2. Phân loại các bộ lọc siêu cao tần.
1.2.1. Bộ lọc dạng sóng.
1.2.2. Bộ lọc phân cực.
1.2.3. Bộ lọc tần số.
Là bộ lọc được quan tâm, kết cấu để cho sóng trong một dải tần số
nhất định đi qua nó và đảm bảo suy hao ở mức nhỏ nhất, và chặn lại hoàn
toàn những sóng không thuộc dải này. Phân chia theo dải tần số thì bộ lọc
có 4 loại như trên.
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại
đối với các bộ lọc cơ bản và bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng.
1.3.1. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại.
1.3.1.1. Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải.
1.3.1.2. Bộ cộng hưởng ghép nối.
1.3.1.3. Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ.
1.3.1.4. Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn.
Đối tượng của bộ lọc giả xen kẽ là phát triển các bộ lọc thông dải vi
băng nhỏ gọn và bộ phối hợp với hiệu suất cao, đó là dễ dàng thiết kế
điều chỉnh và thay đổi tần số cộng hưởng mong muốn và chi phí thấp.
4
1.3.2. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc đa băng tần, băng rộng và
siêu rộng, tại thời điểm hiện tại.
Cùng với sự phát triển của truyền thông không dây hiện nay cấu trúc
bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng cũng đang phát triển mạnh mẽ,
các công trình nghiên cứu liên tục được công bố. Trong phần này sẽ đi
sâu phân tích so sánh các công trình liên quan tiêu biểu đối với các
nghiên cứu thực tế của luận văn, để từ đó đưa ra những so sánh và phát
triển theo hướng tích cực để luận án hoàn thiện tốt hơn.
1.3.2.1. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần.
Mặc dù bộ lọc sử dụng hai băng tần hiện vẫn còn được sử dụng ở
một số trang thiết bị vô tuyến điện tử nhưng rất ít dùng và vì luận án này
không nghiên cứu nên không đề cập so sánh sâu hơn.
1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần.
Trong tài liệu [90], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) đã đưa
ra thiết kế một bộ lọc ba băng tần bằng cách đưa hai điểm truyền không
vào một dải đáp ứng băng rộng. Các điểm truyền không thu được bằng
cách sử dụng các đoạn song song hở mạch có cộng hưởng tương ứng với
vị trí của các điểm truyền không, trong khi đáp ứng băng rộng dựa trên
đoạn một phần tư bước sóng. Đáp ứng của bộ lọc này cho thấy, bộ lọc có
hiệu suất kém trong vùng chắn dải. Hơn nữa, kích thước tổng thể của bộ
lọc là rất lớn.
Trong tài liệu [114], tác giả VanPhuong DO (Đỗ Văn Phương) đã
đưa ra thiết kế bộ lọc bốn băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng nhiều
chế độ, bằng cách kết hợp hai bộ cộng hưởng một phần tư bước sóng
ngắn mạch và hai bộ cộng hưởng nửa bước sóng hở mạch. Bộ lọc này có
ưu điểm là có thể điều chỉnh được độc lập các tần số cộng hưởng trung
tâm, tuy nhiên do sử dụng nhiều cấu trúc khác nhau nên việc điều chỉnh
độ rộng dải thông của mỗi tần số cộng hưởng sẽ khó khăn, do tín hiệu
cao tần sẽ đồng thời truyền qua nhiều cấu trúc, mặt khác các cấu trúc
khác nhau sẽ phụ thuộc vào kích thước vật lý nên sẽ có ảnh hưởng đến
việc điều chỉnh băng tần của bộ lọc.
5
Trong tài liệu [84], tác giả Nguyễn Trần Quang cũng sử dụng cấu
trúc cộng hưởng chữ thâp biến đổi kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng
đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc bốn băng tần. Bộ
lọc này tuy có ưu điểm là điều chỉnh độc lập được các tần số cộng hưởng,
nhưng có nhược điểm hạn chế là độ dài của cấu trúc nửa bước sóng phụ
thuộc vào cấu trúc vật lý của đoạn chêm hở mạch.
1.3.2.3. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng.
Trong tài liệu[10], một bộ cộng hưởng nửa bước sóng đoạn phân
nhánh đơn được sử dụng để thiết kế một bộ lọc băng thông hẹp với hai
điểm truyền không, và sau đó, bộ lọc này đã được thay đổi để thiết kế bộ
lọc băng thông rộng trong [95]. Trong tài liệu [115], tác giả Minh Tan
Doan (Đoàn Minh Tân) sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng nhiều chế độ
kết hợp với các đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc
băng thông rộng. Mặc dù bộ lọc có thể điều chỉnh được độ rộng băng tần
thông qua điều chỉnh chiều dài của đoạn chêm hở mạch và ngắn mạch,
phân đoạn băng thông 100.8% là tương đối rộng. Tuy nhiên, do độ chính
xác chế tạo hạn chế, rất khó để thực hiện được các đường ghép có trở
kháng cao và khoảng cách ghép chặt chẽ.
1.3.2.4. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng.
Trong những năm gần đây bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng
UWB với hiệu suất cao là một thành phần thiết yếu trong các hệ thống
truyền thông không dây. Các bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng vi dải
đã nhận được nhiều sự chú ý do những ưu điểm như kích thước nhỏ, chi
phí thấp, dễ chế tạo, và đã được phát triển trong các tài liệu tham khảo
[100]-[102]. Trong [100], một bộ lọc thông dải siêu rộng mới sử dụng bộ
cộng hưởng vòng đã được đưa ra. Bằng cách tạo ra một bộ cộng hưởng
nhiều chế độ và ghép song song với các đường nửa bước sóng và một
phần tư bước sóng đã thu được một bộ lọc thông dải siêu rộng với năm
cực truyền [101]. Để khắc phục 1 số nhược điểm các bộ lọc thông dải
băng thông siêu rộng khác nhau với dải băng chữ V sử dụng các cấu trúc
khác nhau đã được đưa ra [103-108]. Tuy nhiên, ít nghiên cứu mô tả ứng
6
dụng của bộ cộng hưởng vòng trong các bộ lọc băng thông siêu rộng với
một hoặc nhiều dải chữ V dựa trên khái niệm nhiễu tín hiệu ngang. Bộ
lọc băng thông siêu rộng trình bày trong luận văn đã phát huy được
những ưu điểm, phần nào khắc phục được hạn chế của các bộ lọc trên.
1.4. Tiêu chí kỹ thuật chung của các mạch lọc siêu cao tần nhiều
băng, băng rộng và siêu rộng đề xuất.
Dải thông các băng tần của mạch lọc thiết kế (Δ-3dB) có giá trị lớn
hơn hoặc bằng 100MHz, trong các dải thông của bộ lọc, hệ số tổn hao
chèn (IR) có giá trị tuyệt đối phải nhỏ hơn 3dB, hệ số tổn hao phản hồi
(RL) có giá trị tuyệt đối phải lớn hơn 14dB (Theo tiêu chuẩn điện áp tỉ số
sóng đứng VSWR đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến có chất lượng tốt
có giá trị từ 1,1 đến 1,5). Ngoài ra Tiêu chuẩn 802.16-2004 [2] cho
WiMAX ở dải tần số 2–11 GHz. 3G một tần số cũng được chọn 2.1 GHz,
4G ba tần số cũng được chọn 2.6 GHz; 1.8GHz; 800 MHz.
Cũng căn cứ theo tiêu chuẩn FCC [31] quy định cho chuẩn một băng
siêu rộng có dải tần trong phân đoạn băng thông(FBW) ở biên độ tại
-10dB có giá trị lớn hơn 20% thì được gọi là băng siêu rộng UWB.
1.5. Định hướng nghiên cứu của Luận án.
Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần
thiết kế, lựa chọn kiểu, cấu trúc cộng hưởng để đề xuất ra các cấu trúc bộ
lọc mới. Thực hiện ứng dụng phần mềm HFSS 15.0 để thiết kế mô phỏng
sau đó chế tạo ra sản phẩm, chạy thử nghiệm trên phần mềm và thực hiện
đo lường, hoặc chứng minh trên lý thuyết. So sánh kết quả đo lường và
mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá về các bộ lọc nghiên cứu.
1.6. Kết luận chương 1.
Đã giới thiệu, phân loại các bộ lọc siêu cao tần, các nghiên cứu về
bộ lọc đến thời điểm hiện tại, đặc biệt giới thiệu và phân tích cấu trúc
mạch cộng hưởng đường truyền vi dải là một cấu trúc cơ bản, nền tảng
để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới. Trên cơ sở này, xây dựng tiêu chí
kỹ thuật chung của mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu
rộng, thiết kế và đưa ra đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án.
7
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG
MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG
HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN
Chương này nghiên cứu tính chất của các bộ cộng hưởng nửa bước
sóng được phối ghép sau đó đề xuất một số bộ cộng hưởng mới.
2.1. Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau.
2.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng.
Hình 2.1 (a) mô tả một bộ cộng hưởng đường truyền mở với chiều
dài 𝐿 = 𝜆𝑔 ⁄2 tương ứng.
Đường truyền
Điện áp
Hình 2.1. Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng
(a) Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng; (b) Chuẩn hóa phân bố
điện áp tại tần số cộng hưởng cơ bản và hài bậc hai.
Mạch cộng hưởng vi dải chỉ xảy ra cộng hưởng khi 𝑍𝑖𝑛 = ∞, điều
đó có nghĩa là 𝑡𝑎𝑛𝛽𝐿0 = 0. Khi 𝛽𝐿0 = 𝜋, ta sẽ có mối quan hệ giữa
hệ số truyền sóng điện từ và chiều dài 𝐿0 , với 𝛽 = 𝜋⁄𝐿0 , khi phần mạch
cộng hưởng của đường truyền có chiều dài 𝐿0 = 𝜆𝑔 ⁄2, tức là nửa bước
sóng, thì lúc này hệ số truyền sóng là 𝛽 = 2𝜋⁄𝜆𝑔 . Thay 𝛽 bởi 2𝜋⁄𝜆0
ta sẽ có được bước sóng truyền dẫn có tần số cộng hưởng 𝜆𝑔 = 2𝐿0 .
Quan hệ giữa bước sóng truyền dẫn và tần số trong cấu trúc là:
𝑐
𝑓=
𝜆𝑔 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.10)
𝑐
𝑓=
2𝐿0 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.11)
8
2.3. Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa.
2.3.1. Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR).
Hình 2.3 thể hiện cấu trúc vật lý của bộ cộng hưởng đoạn chêm hở
chính giữa. Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) được đề xuất [28] bao
gồm một bộ cộng hưởng nửa bước sóng microstrip thông thường và một
đoạn hở mạch được thể hiện trong hình 2.3. Chiều dài microstrip được
chêm hở gắn tại điểm chính giữa tương ứng.
Hình 2.3. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR).
(a) Cấu trúc bộ cộng hưởng chêm hở; (b) Chế độ lẻ; (c) Chế độ chẵn
Kết quả đầu vào dẫn nạp cho chế độ lẻ được biểu diễn như (2.12-2.13)
Y1
Yin, odd
j tan(1 / 2) (2.12)
Trong đó 1 = L1 là chiều dài điện của đường vi dải. Khi Yin,odd = 0,
tần số cộng hưởng chế độ lẻ có thể được suy ra là:
(2n 1)c
f odd
2 L1 e
(2.13)
Các tần số cộng hưởng chế độ chẵn khi Z3 = 2Z2 = Z1:
nc
f even
( L1 2 L2 ) e
(2.18)
Từ công thức (2.18), có nghĩa là tần số cộng hưởng đầu tiên, cụ thể
là f1_ fodd được điều khiển bởi tỷ số của trở kháng đặc trưng và chiều dài
điện của đường nửa bước sóng. Trong khi đó, từ công thức (2.18) tần số
cộng hưởng thứ hai, cụ thể là f2_ feven có thể được điều chỉnh bằng cách
điều chỉnh tỷ số trở kháng đặc trưng và chiều dài điện của đường nửa
bước sóng và đoạn hở mạch.
9
2.3.2. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR).
Cấu trúc bộ cộng hưởng là đối xứng và phân tích chế độ đa mốt
được sử dụng để mô tả đặc tính trở kháng lối vào cho chế độ chẵn – lẻ.
(a) (b) (c)
Hình 2.4. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch
(a) Cấu trúc SSLR; (b) Chế độ chẵn; (c) Chế độ lẻ.
Tần số cộng hưởng cơ bản ở 2 chế độ có thể được xác định như sau:
(2n 1)c
f even
4( L1 L2 ) e
(2.22)
(2n 1)c
f odd
4 L1 e
(2.23)
2.3.3. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR).
Hình 2.6. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập
Tần số cộng hưởng f0 và chế độ chẵn 1, và chẵn 2 được tính bằng:
𝑐
𝑓𝑜 =
2𝐿𝐴 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.27)
𝑐
𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛1 =
2(𝐿𝐴 +2𝐿𝐵 )√𝜀𝑓𝑓
(2.28)
𝑐
𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛2 =
2(𝐿𝐴 +2𝐿𝐶 )√𝜀𝑓𝑓
(2.29)
10
2.4. Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới.
2.4.1. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng
hưởng nửa bước sóng.
Hình 2.7. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập
Với cấu trúc của bộ cộng hưởng đoạn chêm hình chữ thập tần số
cộng hưởng chế độ chẵn và chế độ lẻ, ngoài việc tạo ra được tần số cơ
bản sẽ sinh ra được một tần số ở chế độ chẵn và một tần số ở chế độ lẻ
[77]. Các tần số cơ bản được tạo ra với các chế độ như sau:
(2𝑛−1)𝑐
𝑓𝑜𝑑𝑑 = 2𝐿 (2.31)
𝛼 √𝜀𝑒𝑓𝑓
𝑛𝑐
𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛 = (𝐿 +2𝐿 +𝐿 ) 𝜀 (2.33)
𝑎 𝑏 𝑐 √ 𝑒𝑓𝑓
𝑐
𝑓𝑟 = (2.34)
2𝐿√𝜀𝑒𝑓𝑓
2.4.2. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông.
L0+L0/2
L1
L0 L0/2
L2
Hình 2.8. Hai cấu trúc của cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông.
Tại hình 2.8 là cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng
vuông. Sau khi phối kết hợp của cấu trúc các tần số cơ bản tính như sau:
11
𝑐
𝑓𝜆 =
𝐿0 √𝜀𝑒𝑓𝑓
(2.37)
(2n 1)c (2.38)
f even
4( L1 L2 ) e
(2n 1)c (2.39)
f odd
4 L1 e
Cấu trúc cộng hưởng đa mốt với chế độ chẵn lẻ fodd; feven có thể tạo
tiếp ra các tần số fodd1; feven2.
2.4.4. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông.
Hình 2.14 (a) thể hiện bố cục của bộ cộng hưởng vòng vuông cơ bản
và cấu trúc tương đương, nó bao gồm một vòng vuông đơn và hai đoạn
đường gấp ghép xác định, hình 2.14 (b) và (c) là cấu trúc tương đương ở
chế độ chẵn và chế độ lẻ của mạch cộng hưởng.
Hình 2.14. Cấu trúc mạch tương đương của bộ cộng hưởng vòng
vuông. (a) Cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông. (b) Mạch
tương đương chế độ chẵn. (c) Mạch tương đương chế độ lẻ.
Các tần số chẵn và lẻ có thể được tính toán như sau:
c (2.48)
f odd
4( L1 L 2 ) e
c (2.49)
f odd1
4( L1 L 2 Ls) e
c
f even (2.50)
2( L1 L 3 ) e
c (2.51)
f even1
4( L1 L 2 Ls ) e
12
2.5. Kết luận chương 2.
Trong chương 2 đã phân tích lý thuyết các bộ cộng hưởng khác nhau
và đặc tính của cộng hưởng vi dải, cộng hưởng 1/4 bước sóng cộng
hưởng 1/2 bước sóng các cấu trúc cộng hưởng vòng vuông và cộng
hưởng chữ thập, đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch từ đó đã đề xuất xây
dựng được các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên nền tảng các cấu trúc
cộng hưởng cơ bản, vì vậy các cấu trúc này là tiền đề để thực hiện thiết
kế bộ lọc thông dải đa băng tần và băng thông rộng, siêu rộng có khả
năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng.
CHƯƠNG 3
ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO
TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI
3.1. Giới thiệu và phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc.
3.1.1. Giới thiệu chung.
Trong chương 3 đưa ra các kết quả nghiên cứu đề xuất thiết kế xây
dựng đều phải dựa trên cơ sở tuân thủ theo các nguyên tắc chỉ tiêu kỹ
thuật cơ bản của các bộ lọc siêu cao tần sau: Tần số sử dụng theo quy
định, công nghệ 4G(1.8Ghz); Wlan(2.4Ghz; 5Ghz –6 Ghz);
WiMax(3.5Ghz; 5.2Ghz; 6Ghz). Băng thông tại -3dB phải 100Mhz.
Suy hao do chèn (S21): 3d; Suy hao do phản xạ (S11) 14dB.
3.1.2. Phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc siêu cao tần.
3.1.2.1. Trình tự thiết kế một bộ lọc.
Việc đề xuất ý tưởng thực hiện thiết kế một bộ lọc mới, trên cơ sở
việc nghiên cứu tham khảo tài liệu về các bộ lọc, tiến hành xây dựng bộ
lọc mới dựa trên cấu trúc của cộng hưởng cơ bản biến đổi, sau đó sử
dụng phần mềm HFSS 15.0 chạy mô phỏng, điều chỉnh kết quả tối ưu
hơn với các công trình trước khẳng định tính đúng đắn của bộ lọc đề xuất
mới và xuất dữ liệu DATA, chế tạo bộ lọc để thực hiện đo kiểm thực tế.
3.1.2.2. Mô hình thực nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm.
Sau khi đã chế tạo được bộ lọc, quá trình đo kiểm theo phương pháp
truyền thống, dùng một máy phát tần số siêu cao tần tương ứng sau đó
13
đưa tín hiệu vào bộ lọc siêu cao tần, đầu ra bộ lọc ta thu được đưa lên
máy hiện sóng để phân tích, với phương pháp này có nhiều hạn chế và ít
dùng. Với phương pháp đo kiểm hiện nay thực hiện trên máy phân tích
mạng vector, sau khi kết nối với bộ lọc chỉ việc đặt tần số phát tương ứng,
tín hiệu siêu cao tần sẽ được trực tiếp phát ra từ máy phân tích mạng
vector vì vậy sau quá trình phân tích đo kiểm ta dễ ràng phân tích được
kết quả và đặc biệt rất thuận tiện cho việc xuất dữ liệu Data cho máy tính.
3.2. Kết quả thiết kế chế tạo, mô phỏng so sánh, đánh giá bộ lọc ba
băng và bốn băng tần, băng rộng và siêu rộng bằng công nghệ vi dải.
3.2.1. Bộ lọc bốn băng sử dụng cấu trúc chêm chữ thập vòng vuông.
3.2.1.1. Cấu trúc của bộ lọc.
Bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông trình bày trong mục
2.4.3 bao gồm hai đoạn gấp hở mạch, một vòng vuông, một đoạn ngắn
mạch và hở mạch.
3.2.1.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng.
Vì bộ cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm chữ thập là một cấu trúc
đối xứng, và do đó phương pháp phân tích với cấu trúc đa mốt tại chế độ
chẵn lẻ có thể được sử dụng cho đặc tính của bộ cộng hưởng vòng vuông
đoạn chêm chữ thập. Bốn tần số cộng hưởng tại bốn dải thông được xác
định như (3.1-3.4).
𝑐
𝑓1 =
4(𝐿1 +𝐿2 +𝐿𝑆 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.1)
𝑐
𝑓2 =
4(𝐿1 +𝐿2 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.2)
𝑐
𝑓3 =
2(𝐿1 +𝐿2 +𝐿0 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.3)
𝑐
𝑓4 =
2(𝐿1 +𝐿3 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
(3.4)
Để chứng minh ứng dụng này, bốn tần số cộng hưởng cụ thể là f1, f2,
f3, và f4 của SRCLR được đề xuất bằng cách điều chỉnh kích thước của bộ
cộng hưởng (như phân tích trong mục 2.4.2). Bằng cách thay đổi chiều dài
của Ls, L0, và L3, tại một số băng thông sẽ bị thay đổi, một số sẽ được giữ
nguyên hoặc thay đổi không đáng kể.
14
3.2.1.3 Thiết kế bộ lọc và kết quả.
Một nguyên mẫu của bộ lọc bốn băng được thiết kế và chế tạo trên
một chất nền với r = 4.4 và h = 0.8 mm.
Hình 3.7. Cấu trúc của bộ lọc bốn băng.
Cấu trúc của bộ lọc bốn băng được đề xuất được thể hiện trong hình
3.7, bộ lọc bao gồm hai SRCLR với trở kháng đặc trưng Z = Z0 = Zs = Z3.
Kích thước vật lý G1, Lc, và G2 có thể được điều chỉnh để đáp ứng các
yếu tố chất lượng bên ngoài đầu vào/đầu ra mong muốn và hệ số ghép
cho mỗi băng tần.
Sau khi tối ưu hóa bằng cách sử dụng Ansoft HFSS 15, kích thước
của bộ lọc bốn băng này được xác định như sau: W1 = 1.5, W2 = 1, Wc =
0.48, L1 = 14, L2 = 2.6, L3 = 7.8, L4 = 9.2, L5 = 5.8, L6 = 7, L7 = 3.3, L8 =
3.5, L9 = 6.7, Ls = 1.6, Lc = 10.1, G1 = 0.22, G2 = 1.2, và đường kính lỗ
khuyên (via) là 0.6 (tính bằng mm). Ảnh nguyên mẫu được thể hiện trong
hình 3.8. Kết quả đo và mô phỏng được minh họa trong hình 3.9
Hình 3.8. Bộ lọc bốn băng thực tế đã chế tạo.
15
Trong kết quả mô phỏng tại hình 3.9, băng thông phân đoạn 3 dB của
bốn dải thông (1.8/2.4/3.5 và 4.6 GHz) được tìm thấy là 6.6/8.1/3.2, và 3%,
tương ứng. Tổn hao chèn nhỏ nhất đo được bao gồm tổn hao từ bộ kết nối
SMA là 1.4/1.5/1.8, và1.7 dB, trong khi tổn hao phản hồi lớn hơn 24/14.5/13.5
và 16 dB, tương ứng. Mức suy giảm của tất cả các truyền không là dưới 38 dB,
điều này cho thấy sự cải thiện tính chọn lọc của bộ lọc tốt.
Biên độ (dB)
Kết quả đo
……….. Kết quả mô phỏng
Tần số, GHz
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc bốn băng đề xuất.
Bộ lọc bốn băng tần nhỏ gọn sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ
thập vòng vuông mới được đề xuất. Bằng phương pháp nhúng một đoạn
hở mạch, tần số trung tâm của bốn băng thông có thể được điều khiển
độc lập tới giá trị mong muốn. Hơn nữa, hiệu suất tốt, cấu trúc phẳng,
kích thước nhỏ gọn và đơn giản khiến nó trở nên hấp dẫn cho truyền
thông không dây.
3.2.1.4. So sánh đánh giá thiết kế bộ lọc và kết quả của bộ lọc bốn băng
Bộ lọc bốn băng tần đã được thiết kế với cấu trúc cộng hưởng đoạn
chêm ngắn mạch vòng vuông tạo ra bốn băng tần với các tần số cộng
hưởng trung tâm là 1.8, 2.4, 3.5 và 4.6GHz. Các tần số cộng hưởng trung
tâm của bộ lọc hoàn toàn có thể thiết lập và điều chỉnh độc lập. So sánh
với các công trình đã công bố trên các tạp chí khoa học so với bộ lọc bốn
băng tần được thiết kế về các chỉ tiêu kỹ thuật chính cho thấy rằng bộ lọc
đã đạt được một số chỉ tiêu tốt hơn. Kết quả So sánh bộ lọc được thiết kế
với các công trình bộ lọc bốn băng tần đã công bố trong [80 - 84].
16
3.2.2. Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm hình
chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng.
3.2.2.1. Cấu trúc của bộ lọc.
Cấu trúc của bộ lọc đề xuất được thể hiện trong hình 3.10. Bộ lọc có
một số tính năng nổi bật như ba băng tần của dải thông được điều chỉnh
độc lập, độ lựa chọn cao, nhỏ gọn, đơn giản, và chi phí thấp. Bộ lọc vi
dải được thiết kế trên chất nền Rogers RT/duroid 5880 với hằng số điện
môi 2.2 chiều dày 0.508mm và tang tổn hao 0.0009.
Hình 3.10. Cấu trúc hình học của bộ lọc ba băng đề xuất.
3.2.2.2. Đặc tính của các bộ cộng hưởng.
Đoạn chêm hình chữ thập được đề xuất là một biến thể của bộ cộng
hưởng đoạn chêm hở mạch như thể hiện trong mục 2.3.3. Theo đó cấu
trúc này có thể phân tích dựa trên chế độ chẵn/lẻ tương ứng.
3.2.2.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả.
Bộ cộng hưởng cấu trúc chêm hình chữ thập và bộ cộng hưởng nửa
bước sóng và phân tích chế độ chẵn lẻ được sử dụng cho đặc tính này
[85], ba tần số cộng hưởng tại dải thông được xác định như (3.10-3.12).
𝑐
𝑓01 = = (1.8~2.2𝐺𝐻𝑧) (3.10)
2𝐿𝑎 √𝜀𝑒𝑓𝑓
𝑐
𝑓02 = = (2.4~2.7𝐺𝐻𝑧) (3.11)
2(2𝐿4 +𝐿5 +2𝐿6 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
𝑐
𝑓03 = (𝐿 = (3.2~3.5𝐺𝐻𝑧) (3.12)
𝑎 +2𝐿7 +𝐿8 )√𝜀𝑒𝑓𝑓
17
Các tần số f01, f02, f03 tương ứng với tần số cộng hưởng chế độ lẻ (6),
tần số cộng hưởng nửa bước sóng (9) và tần số cộng hưởng chế độ chẵn (8).
Tần số, GHz
Hình 3.13. So sánh đáp ứng của bộ lọc ba băng được đề xuất.
Tần số trung tâm của ba băng thông yêu cầu là f01 = 2 GHz, f02 = 2.7 GHz,
và f03 = 3.3 GHz. Đáp ứng mô phỏng được thể hiện trong hình 3.13.
Sau khi tối ưu hoá, bộ lọc được thiết kế nhỏ gọn được chế tạo với
quy trình mạch in hai lớp chi phí thấp chất lượng tốt, chất nền là Rogers
RT/Duroid 5880 với hằng số điện môi 𝜀𝑟 = 2.2 và độ dày 0.508 mm.
Hình 3.17 đưa ra ảnh của bộ lọc ba băng được chế tạo đã được đo bằng
bộ phân tích mạng Vector Agilent N5245A.
Hình 3.17. Ảnh của bộ lọc ba băng tần được chế tạo
Các kết quả đo kiểm được và kết quả mô phỏng, thực tế thu được
hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của bộ lọc đề ra, 5 điểm
truyền không của ba băng tần với vị trí của các tần số tại 1.78, 2.25, 2.66,
2.93 và 3.58 GHz, tương ứng, giúp cải thiện cả hai sườn của mỗi băng
thông, tăng tính chọn lọc của bộ lọc.
18
3.2.2.4. So sánh thiết kế bộ lọc và kết quả của bộ lọc ba băng.
Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đã được thiết kế là cấu trúc cộng hưởng
kết hơp đoạn chêm chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng có ưu
điểm là các tần số dải thông được điều chỉnh độc lập thuận tiện đến các
giá trị mong muốn mà không phụ thuộc vào tổng chiều dài của bộ lọc sau
khi xác định được tần số trung tâm thứ nhất và cố định tần số này, phân
tích đã đưa ra đã minh chứng cấu trúc của bộ lọc được thiết kế có những
giá trị ưu điểm vượt trội so với một số công trình tiêu biểu.
3.2.3. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng đoạn ngắn
mạch vòng vuông
3.2.3.1. Cấu trúc của bộ lọc.
Cấu trúc bộ cộng hưởng vòng vuông đã được đề cập tại 2.4.3. Bộ
lọc được xây dựng trên một chất nền FR4 với hằng số điện môi 4.4, chiều
dày h=0.8mm và tan tổn hao là 0.0009.
3.2.3.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng.
f
c (3.15)
4( L1 L2 ) eff
odd
f even
c (3.17)
2( L1 L 3 ) eff
3.2.3.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả
Độ rộng đường dẫn: 0.3 mm
Độ rộng khe hở: 0.2 mm
Hình 3.22. Cấu trúc hình học của bộ lọc băng rộng đề xuất.