TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nâng cao chất lượng lọc thông dải điều hưởng BÙI CƠNG ĐƯỜNG bcduongbkhn@gmail.com Ngành: Kỹ thuật viễn thơng Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền Viện: Điện tử Viễn thông HÀ NỘI, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nâng cao chất lượng lọc thơng dải điều hưởng BÙI CƠNG ĐƯỜNG bcduongbkhn@gmail.com Ngành: Kỹ thuật viễn thông Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền Viện: Điện tử Viễn thông HÀ NỘI, 2020 Chữ ký GVHD Lời cảm ơn Bộ lọc thông dải thành phần thiếu hệ thống thông tin vô tuyến thời đại Cùng với đó, lý thuyết phân tích thiết kế lọc thơng dải có q trình phát triển lâu đời tương đối hồn thiện Tuy nhiên, việc nghiên cứu lý thuyết tiếp tục thực nhằm tạo lọc đáp ứng nhu cầu ngày nhiều theo hướng đáp ứng đa kênh truyền, đa băng tần Các lọc thơng dải cấu hình tần số cộng hưởng độ rộng băng thông giải pháp cho nhu cầu Chính thế, em lựa chọn đề tài: “Nâng cao chất lượng lọc thông dải điều hưởng” Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Nguyễn Xuân Quyền, Viện Điện tử - Viễn thông hướng dẫn tận tình cung cấp tài liệu nghiên cứu q báu để em hồn thiện luận văn Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn tới nhóm nghiên cứu RF Lab – P.618 thư viện Tạ Quang Bửu hỗ trợ em việc nghiên cứu thiết kế đo test sản phẩm Mặc dù có nhiều cố gắng, thời gian kiến thức hạn chế nên đề tài số thiếu sót hạn chế định Em mong nhận góp ý, bổ sung thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN Bùi Cơng Đường Tóm tắt nội dung luận văn Ngày nay, hệ thống thông tin vô tuyến phát triển mạnh, xuất nhiều thiết bị có khả hoạt động nhiều kênh tần số khác nhau, đặt yêu cầu cấp thiết tài nguyên tần số, giảm can nhiễu tần số Do đó, thiết kế yêu cầu cần có lọc đầu vào máy thu đầu máy phát điều chỉnh dải tần lọc - lọc điều hưởng (Tunable Band-pass Filters) Vì vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng lọc điều hưởng cần thiết Nội dung đề tài trình bày vấn đề liên quan đến lọc cao tần, phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng lọc, nghiên cứu, thiết kế lọc thông dải điều hưởng cho dải tần UHF nghiên cứu cải thiện tham số đặc trưng lọc thông dải: suy hao chèn, băng thông Việc thiết kế, mô layout phục vụ chế tạo lọc thực phần mềm chuyên dụng: ADS (Advanced Design System) Altium HỌC VIÊN Bùi Công Đường MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI 1.1 Tổng quan thiết kế lọc 1.1.1 Nguyên tắc thiết kế 1.1.2 Phép biến đổi từ mạch lọc thông thấp 14 1.1.3 Phép biến đổi Richard phép đồng dạng Kuroda 16 1.1.4 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng lọc 19 1.2 Tổng quan thiết kế lọc sử dụng đường truyền vi dải 23 1.2.1 Đường truyền vi dải 23 1.2.2 Các mô hình tương đương thường gặp đường truyền vi dải 25 1.2.3 Bộ lọc thông dải sử dụng đường truyền vi dải 27 1.3 Kết luận chương 29 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI ĐIỀU HƯỞNG VÀ CẢI THIỆN CÁC THÔNG SỐ BỘ LỌC 30 2.1 Yêu cầu kỹ thuật 30 2.2 Thiết kế lọc thông dải điều hưởng 32 2.3 Cải thiện băng thông lọc 34 2.4 Kết luận chương 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC TẾ CHẾ TẠO, ĐO KIỂM VÀ CĂN CHỈNH CÁC THÔNG SỐ BỘ LỌC 38 3.1 Mạch layout 38 3.2 Kịch đo kiểm 38 3.3 Kết đo thực tế 39 3.4 Nhận xét 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT TỪ VIẾT TẮT THUẬT NGỮ TIẾNG ANH Ultra High Frequency THUẬT NGỮ TIẾNG VIỆT Tần số siêu cao UHF DAC DTC MEMS LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BSF Band Stop Filter Bộ lọc chắn dải SDR Software Radio 10 FET Field-Effect Transistor Transistor trường 11 ABW Available Bandwidth Băng thơng có sẵn Digital to Analog Bộ chuyển đổi số - tương tự Converter Digitally Tunable Tụ điện điều chỉnh số Capacitor Microelectromechanica Hệ thống vi điện tử l System Defined Vô tuyến định nghĩa phần mềm DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Cấu trúc mạch lọc với phần tử có tham số tập trung Hình Đáp ứng tần số lọc 10 Hình 3: Phép biến đổi Richard 17 Hình 4: Phép đồng dạng Kuroda 18 Hình 5: Bộ biến đổi ngược trở kháng K dẫn nạp J 18 Hình Mơ hình biến đổi ngược trở kháng K dẫn nạp J 19 Hình Mơ hình mạch điện tương đương đơn giản 20 Hình 8: Mơ hình SPICE [9] 21 Hình 9: Cấu trúc đường truyền vi dải 24 Hình 10: Cấu trúc đường truyền vi dải song song 25 Hình 11: Sơ đồ tương đương đường truyền ngắn mạch a) đường truyền hở mạch b) 25 Hình 12: Mơ hình tương đương đầu hở đường truyền [5] 26 Hình 13 : Mơ hình tương đương khe hẹp S [5] 26 Hình 14: Mơ hình tương đương phần gấp khúc [5] 26 Hình 15: Cấu trúc lọc [6] 28 Hình Sơ đồ khối lọc thông dải điều hưởng 30 Hình 2: Sơ đồ mạch điện tương đương diode SMV1232-079LF 31 Hình 3: Sơ đồ mạch điện tương đương diode SMV1236-079LF 32 Hình 4: Bộ chuyển đổi tương đương đường truyền vi dải song song 33 Hình 5: Cấu trúc lọc sau chuyển đổi 34 Hình 6: Cải thiện băng thơng lọc tần số trung tâm 650MHz 35 Hình 7: Kết mơ suy hao chèn lọc (S21) tần số cộng hưởng 36 Hình 8: Kết mô suy hao phản hồi lọc (S11) tần số cộng hưởng 36 Hình 9Bảng 3.1: Kết đo lọc thông dải điều hưởng với băng thơng 45 Hình 1: Hình ảnh mạch layout lọc thông dải phần mềm Altium .38 Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống đo .38 Hình 3: Hình ảnh hệ thống đo 39 Hình Kết thực tế tần số 550MHz với băng thơng max 40 Hình 5: Kết đo thực tế tần số 550MHz với băng thơng 40 Hình 6: Kết thực tế tần số 600MHz với băng thơng max 41 Hình 7; Kết thực tế tần số 600MHz với băng thơng 41 Hình 8: Kết thực tế tần số 650MHz với băng thông max 42 Hình 9: Kết thực tế tần số 650MHz với băng thông 42 Hình 10: Kết thực tế tần số 700MHz với băng thông max 43 Hình 11 Kết thực tế tần số 700MHz với băng thông 43 Hình 12: Kết thực tế tần số 730MHz với băng thông max 44 Hình 13: Kết thực tế tần số 730MHz với băng thông 44 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số bậc lọc hệ số g lọc Butterworth 11 Bảng 1.2: So sánh số loại tụ điện biến dung 22 Bảng 3.1: Kết đo lọc thông dải điều hưởng với băng thông 45 Bảng 3.2: Kết đo lọc thông dải điều hưởng với băng thông max .46 Dưới hình 2.6 mơ tả khả điều chỉnh băng thông lọc tần số 650MHz với băng thơng có độ rộng từ 88MHz đến 116MHz Hình 6: Cải thiện băng thông lọc tần số trung tâm 650MHz Bộ lọc có phạm vi điều chỉnh tần số cộng hưởng từ 550 MHz đến 750 MHz Như thể hình 2.7, tần số trung tâm thấp, suy hao chèn tăng hệ số phẩm chất Q diode lớn tần số thấp Khi tần số trung tâm cao, suy hao chèn giảm điện trở tương đương hệ số phẩm chất diode giảm 35 Hình 7: Kết mơ suy hao chèn lọc (S21) tần số cộng hưởng Hình 8: Kết mơ suy hao phản hồi lọc (S11) tần số cộng hưởng 36 2.4 Kết luận chương Chương tập trung trình bày yêu cầu kỹ thuật, bước thiết kế lọc thông dải điều hưởng với phương pháp cải thiện chất lượng lọc: băng thông suy hao chèn Các kết thực phần mềm ADS Việc chế tạo đo kiểm chất lượng lọc trình bày chương cuối 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC TẾ CHẾ TẠO, ĐO KIỂM VÀ CĂN CHỈNH CÁC THÔNG SỐ BỘ LỌC 3.1 Mạch layout Sử dụng phần mềm Altium để thực layout mạch Hình 1: Hình ảnh mạch layout lọc thông dải phần mềm Altium 3.2 Kịch đo kiểm Sơ đồ khối hình ảnh thực tế hệ thống đo: Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống đo 38 Hình 3: Hình ảnh hệ thống đo Máy cấp nguồn DC hãng GW INSTEK đầu với dải điện áp điều chỉnh tử ÷ 30VDC, cung cấp điện áp phân cực ngược cho cặp diode biến dung, giúp điều chỉnh thông số lọc: tần số trung tâm, băng thông, suy hao chèn Máy phân tích mạng VNA TR1300/1 kết nối cho kết hiển thị hình máy tính có thơng s chớnh nh sau: ã Di tn: 300 kHz ữ 1,3 GHz; • Các thơng số đo kiểm: S11, S21; • Phạm vi điều chỉnh công suất ra: -55 dBm ÷ + dBm 3.3 Kết đo thực tế Kết đo thực tế lọc tần số 550MHz, 600MHz, 650MHz, 700MHz 730MHz 39 Hình Kết thực tế tần số 550MHz với băng thơng max Hình 5: Kết đo thực tế tần số 550MHz với băng thông 40 Hình 6: Kết thực tế tần số 600MHz với băng thơng max Hình 7; Kết thực tế tần số 600MHz với băng thông 41 Hình 8: Kết thực tế tần số 650MHz với băng thơng max Hình 9: Kết thực tế tần số 650MHz với băng thơng 42 Hình 10: Kết thực tế tần số 700MHz với băng thơng max Hình 11 Kết thực tế tần số 700MHz với băng thơng 43 Hình 12: Kết thực tế tần số 730MHz với băng thơng max Hình 13: Kết thực tế tần số 730MHz với băng thơng 44 Hình 9Bảng 3.1: Kết đo lọc thông dải điều hưởng với băng thông STT Tần số cộng hưởng FCH (MHz) Điện áp điều khiển V1 (V) Điện áp điều khiển V2 (V) Suy hao (dB) FCH 550 1.22 0.29 2.0147 560 1.33 0.49 1.9119 570 1.76 0.51 1.9516 580 2.19 0.52 1.9899 590 2.65 0.62 1.9562 600 3.06 0.67 1.9855 610 3.27 0.92 1.8772 620 3.61 1.06 1.8489 630 4.15 1.17 1.8616 10 640 4.46 1.43 1.8230 11 650 5.01 1.75 1.7946 12 660 5.46 1.86 1.8198 13 670 5.94 1.94 1.8142 14 680 6.55 2.16 1.7678 15 690 7.23 2.43 1.7275 16 700 8.09 2.80 1.7157 17 710 9.10 3.06 1.7505 18 720 11.39 3.33 1.8142 19 730 12.00 3.47 1.8661 45 Bảng 3.2: Kết đo lọc thông dải điều hưởng với băng thông max STT Tần số cộng hưởng FCH (MHz) Điện áp điều khiển V1 (V) Điện áp điều khiển V2 (V) Suy hao (dB) FCH 550 1.22 2.26 1.7748 560 1.33 2.5 1.9240 570 1.76 2.55 1.9348 580 2.19 2.61 1.8914 590 2.65 2.8 1.8092 600 3.06 3.13 1.7556 610 3.27 3.25 1.7677 620 3.61 3.31 1.7525 630 4.15 3.67 1.7100 10 640 4.46 3.81 1.7552 11 650 5.01 3.87 1.7392 12 660 5.46 4.45 1.7392 13 670 5.94 5.22 1.6944 14 680 6.55 6.11 1.6165 15 690 7.23 6.90 1.5882 16 700 8.09 7.66 1.6027 17 710 9.10 8.41 1.6656 18 720 11.39 10.17 1.7078 19 730 12.00 11.35 1.7219 46 3.4 Nhận xét So sánh kết đo thực tế với kết mô phỏng, ta rút số nhận xét sau: - Băng thông lọc thực tế mô xấp xỉ - Các giá trị băng thông nhỏ (băng thông min), băng thông lớn (băng thông max) tần số cộng hưởng khác xấp xỉ nhau: • Băng thơng nhỏ ≈ 88 MHz; • Băng thơng lớn ≈ 116 MHz - Tần số cộng hưởng lọc tăng tuyến tính so với điện áp V1 (điện áp điều chỉnh cặp diode SMV1236-079LF) - Băng thông lọc khơng tăng tuyến tính điều chỉnh điện áp V2 (điện áp điều chỉnh cặp diode SMV1232 -079LF) mà giá trị phụ thuộc vào cộng hưởng thành phần mạch - Suy hao dải thông thực tế lớn nhiều so với mô Nguyên nhân khác biệt đến từ: • Chất lượng vật liệu mạch in FR4 Nếu dùng vật liệu làm mạch in có độ tổn thất tín hiệu tổn thất điện mơi thấp vật liệu Rogers làm giảm suy hao đáng kể lọc; • Độ xác gia cơng mạch in; • Chất lượng mối hàn ảnh hưởng thiếc hàn; conector đo; • Các thành phần ký sinh linh kiện sử dụng 47 KẾT LUẬN Những kết đạt Luận văn thực thành công nhiệm vụ: - Nghiên cứu sở lý thuyết thiết kế lọc cao tần, phương pháp thiết kế lọc thông dải điều chỉnh tần số cộng hưởng khả số hóa phương pháp - Tìm hiểu đường truyền vi dải song song ưu điểm việc mơ hình hóa cấu trúc - Thiết kế, mô chế tạo thành công lọc thơng dải điều hưởng có khả điều chỉnh, cải thiện băng thông, suy hao chèn lọc Định hướng phát triển Những kết đạt luận văn số điểm hạn chế, cần tiếp tục nghiên cứu để hồn thiện: - Q trình xác định tham số điều khiển (điện áp điều khiển đưa vào diode biến dung) điểm tần số cộng hưởng thực tay nên tiêu tốn nhiều thời gian Vấn đề khắc phục việc phát triển phần mềm tự động điều chỉnh thu thập tham số điều khiển với tần số cộng hưởng khác nhau; - Sử dụng vật liệu Rogers với ưu điểm tổn thất tín hiệu thấp, tổn thấp điện mơi thấp để mô phỏng, chế tạo lọc; giúp giảm suy hao lọc; - Nghiên cứu cải thiện độ dốc lọc 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiang Zhang, Chang Chen, Mingkang Li, Lingyun Zhou, and Bin Liu, "A Compact Tunable Dual-band Bandpass Filter Using Varactor-loaded Step impedance Resonators," PIERS Proceedings, pp 2642-2645, July 6-9, 2015 [2] Yangping Zhao, Taijun Liu, Yan Ye, Like Cen, Haili Zhang, Xian Liu, "Center Frequency and Bandwidth Tunable Filter with Varactors," pp 23-25, Sept 2011 [3] Ming-Ye Fu, Qian-Yin Xiang, Dan Zhang, Deng-Yao Tian, and Quan-Yuan Feng, "A UHF Third Order 5-bit Digital Tunable Bandpass Filter Based on Mixed Coupled Open Ring Resonators," Progress In Electromagnetics Research C, vol 64, pp 89-96, 2016 [4] Kamran Entesari, Khaled Obeidat, Andrew R Brown, Gabriel M Rebeiz, "A 25– 75-MHz RF MEMS Tunable Filter," IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 2007 [5] Jia-sheng Hong and M.J.Lancaster, Microstrip Filters for RF-Microwave Applications, 2001 [6] F.L.Yu, X.Y.Zhang and Y.B.Zhang,"Frequency-tunable bandpass filters with constant absolute bandwidth and improved linearity" Progress In Electromagnetics Research C, vol 33, 131-140, 2012 [7] Zhang, X Y., C H Chan, Q Xue, and B J Hu, "RF tunable bandstop filters with constant bandwidth based on a doublet configuration" IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 59, No 2, 1257-1265, Feb 2012 [8] Jonathon Michel, Michael Morales, Long Pham, Natasa Trkulja, "Tunable Filter Design for the RF Section," March 5th, 2014 [9] Skyworks Solutions, Inc, "Varactor SPICE Models for RF VCO Applications," [Online] Available: http://www.skyworksinc.com/uploads/documents/Varactor_SPICE_Model_AN_ 49 ... lọc thông dải - Thiết kế mô lọc thông dải điều hưởng dải tần UHF - Nghiên cứu phương pháp cải thiện băng thông suy hao chèn lọc thông dải - Chế tạo, đo đạc chỉnh thông số lọc thông dải điều hưởng. .. Hình Sơ đồ khối lọc thông dải điều hưởng Khối cao tần lọc thơng dải điều chỉnh tần số cộng hưởng Khối điều khiển có tác dụng điều khiển tần số cộng hưởng lọc thông qua 30 việc điều khiển điện... truyền vi dải 25 1.2.3 Bộ lọc thông dải sử dụng đường truyền vi dải 27 1.3 Kết luận chương 29 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI ĐIỀU HƯỞNG VÀ CẢI THIỆN CÁC THÔNG SỐ BỘ LỌC