MẠCH LỌC BĂNG SIÊU RỘNG
Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về bộ lọc tần số, phân loại bộ lọc, các cấu trúc cơ bản và ứng dụng của nó trong viễn thông Trong chương này tập trung tìm hiểu về mạch lọc băng tần siêu rộng
Siêu băng rộng (UWB) là công nghệ vô tuyến sử dụng một phần lớn quang phổ với mức năng lượng thấp, thích hợp cho truyền tin tầm ngắn Hệ thống truyền dẫn UWB đặc trưng bởi băng thông tức thời lớn hơn 500MHz hoặc trên 20% băng thông Các phân đoạn băng thông được xác định là B/fc, trong đó B = fH – fL biểu thị băng thông ở mức -10 dB và tần số trung tâm fc.
Hệ thống UWB yêu cầu tần số cao hơn (f H) và tần số thấp hơn (f L) tại điểm phát -10 dB để tính toán băng thông trung bình (f H + f L)/2 Đối với các hệ thống UWB có tần số trung tâm (f c) lớn hơn 2.5 GHz, băng thông tối thiểu cần đạt 500 MHz Trong khi đó, các hệ thống UWB với f c nhỏ hơn 2.5 GHz phải đảm bảo phân số băng thông tối thiểu là 0.20.
UWB sử dụng các xung băng gốc mà không cần đến điều chế thời gian cực ngắn
Băng siêu rộng, với thời gian phản hồi khoảng một phần nghìn giây, truyền tải năng lượng tín hiệu mỏng trên toàn bộ băng thông sử dụng Những đặc điểm này mang lại nhiều lợi ích, khiến băng siêu rộng trở thành lựa chọn ưu việt trong công nghệ truyền thông hiện đại.
Bộ lọc tần số
Bộ lọc tần số là thiết bị chọn lọc tín hiệu, cho phép tín hiệu trong dải tần mong muốn đi qua và chặn tín hiệu không mong muốn Theo đáp ứng tần, bộ lọc tần số được chia thành bốn loại: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải và bộ lọc chắn dải Bộ lọc thông thấp và thông cao cho phép tín hiệu ở dải tần dưới và trên tần số cắt đi qua, trong khi bộ lọc thông dải và chắn dải kiểm soát tín hiệu trong dải tần giữa hai tần số cắt Hình 1.1 minh họa đáp ứng tần và sơ đồ khối của từng loại bộ lọc.
Bộ lọc là thành phần thiết yếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm thông tin di động, vệ tinh, radar, định vị và cảm biến Với sự phát triển của công nghệ thông tin và ứng dụng vô tuyến, tần số sóng điện từ ngày càng phải chia sẻ giữa nhiều hệ thống khác nhau Tín hiệu điện từ của từng hệ thống bị giới hạn trong một băng tần cụ thể.
Các bộ lọc được sử dụng để chọn lọc và giới hạn tín hiệu trong một khoảng tần số nhất định, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống Chúng giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo chất lượng tín hiệu trong các ứng dụng khác nhau.
Hình 1.1 Đáp ứng tần số và ký hiệu sơ đồ khối của các bộ lọc
Hình 1.2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công
Trong sơ đồ khối, phần thu và phát sử dụng chung một anten, bộ song công và bộ dao động nội Nhiều bộ lọc được áp dụng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, như bộ lọc sau bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ, nhằm duy trì tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) của hệ thống Bộ lọc thông thấp sau bộ trộn tần khử đi thành phần không mong muốn và tần số rò từ bộ dao động nội Trong phần phát, bộ lọc giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất lựa chọn tần số mong muốn và loại bỏ các tần số không cần thiết Cả hai khối phát và thu sử dụng chung bộ song công với hai mạch lọc thông dải, trong đó một bộ lọc chọn tần số thu và bộ lọc còn lại loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.
Lý thuyết về mạch lọc được Campbell và Wagner đề xuất lần đầu vào năm 1915, dựa trên nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết dao động cổ điển Sự phát triển của lý thuyết này đã dẫn đến thiết kế các mạch lọc từ mạch cộng hưởng LC đến các cấu trúc cộng hưởng phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Bên cạnh đó, tiến bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy nghiên cứu và chế tạo các cấu trúc lọc mới, bao gồm vật liệu gốm, thạch anh và vật liệu siêu dẫn.
Phân loại mạch lọc tần số
Bộ lọc được chia thành hai loại: bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Bộ lọc tích cực sử dụng thiết bị khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu, trong khi bộ lọc thụ động không có thiết bị khuếch đại, dẫn đến tín hiệu đầu ra có biên độ nhỏ hơn so với tín hiệu đầu vào Do đó, bộ lọc thụ động RC làm giảm bớt tín hiệu và có mức tăng nhỏ hơn một.
Mạch lọc tần số được chia thành bốn loại chính dựa trên đáp ứng tần số: mạch lọc thông thấp (LPF), mạch lọc thông cao (HPF), mạch lọc thông dải (BPF) và mạch lọc chắn dải (BSF) Mạch lọc thông thấp và thông cao cho phép tín hiệu đi qua trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt, trong khi mạch lọc thông dải và chắn dải chỉ cho phép truyền qua hoặc chặn tín hiệu trong một dải tần cụ thể nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới.
1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF
Bộ lọc thông thấp cho phép tần số bằng hoặc thấp hơn tần số tới hạn đi qua, trong khi giữ lại tần số cao hơn Mạch lọc Butterworth được thiết kế với đáp ứng biên tần trong dải thông và có đặc tính đường cong thoải ở biên Biểu đồ đáp ứng tần số của mạch lọc Butterworth bậc nhất điển hình được trình bày dưới đây.
Hình 1.3 Biểu đồ đáp ứng tấn số của mạch lọc Butterworth bậc nhất điển hình
Một loại phổ biến khác của đáp ứng lọc được thể hiện bở mạch lọc chebyshev
[2] Biểu đồ đáp ứng biên tần cuả mạch lọc thông thấp chebyshev được trình bày ở hình dưới
Hình 1.4 Biểu đồ đáp ứng biên tần cuả mạch lọc thông thấp chebyshev Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng được định nghĩa như sau:
Hình 1.5 Bộ lọc thông thấp lý tưởng a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc
1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF
Bộ lọc thông cao HPF cho phép tần số lớn hơn tần số giới hạn đi qua, trong khi các tần số nhỏ hơn sẽ bị chặn lại Chức năng của mạch lọc thông cao đối lập với mạch lọc thông thấp; những tần số được cho qua bởi mạch lọc thông thấp sẽ bị chặn bởi mạch lọc thông cao và ngược lại Mạch lọc thông cao và mạch lọc thông thấp tương tự nhau, chỉ khác ở vị trí của các linh kiện Cả hai loại mạch lọc này đều có thể có đáp ứng Butterworth và Tschebyscheff.
Hình 1.6 Đáp ứng Butterworth và đáp ứng Tschebys-cheff của mạch lọc thông cao tích cực
5 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng được định nghĩa như sau:
Hình 1.7 Bộ lọc thông cao lý tưởng a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc
1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF
Bộ lọc thông dải BPF cho phép tần số trong khoảng giới hạn đi qua, trong khi các tần số ngoài khoảng này sẽ bị chặn So với các bộ lọc thông thấp và thông cao, mạch lọc dải thông phức tạp hơn nhiều Mặc dù vậy, bộ lọc thông thấp và thông cao cũng có thể được coi là một dạng bộ lọc dải thông, với tần số cắt dưới trong bộ lọc thông thấp nằm dưới 0Hz.
Mạch lọc dải thông được tạo ra bằng cách kết hợp mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao, mang lại sự linh hoạt hơn nhờ vào nhiều thông số như độ lợi (K), bậc lọc (N), tần số trung tâm (Fc) và băng thông (BW) Một thông số quan trọng khác là hệ số phẩm chất Q, được tính toán từ Fc và BW Đáp ứng tần số của bộ lọc dải thông lý tưởng được định nghĩa rõ ràng, cho phép tối ưu hóa hiệu suất của mạch lọc.
Hình 1.8 Bộ lọc thông dải lý tưởng a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc
1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF
Bộ lọc chắn dải BSF, trái ngược với bộ lọc thông dải, cho phép các tần số nằm ngoài khoảng tần số giới hạn đi qua, trong khi các tần số trong vùng giới hạn sẽ bị chặn lại Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được định nghĩa rõ ràng.
Hình 1.9 Bộ lọc chắn dải lý tưởng a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc.
Mạch lọc siêu cao tần với tham số phân bố
Bộ lọc siêu cao tần là một mạng 2 cổng được sử dụng để điều khiển đáp ứng tần số tại một vị trí cụ thể trong hệ thống siêu cao tần, bao gồm cả bộ lọc tần số thấp Các bộ lọc này thường hoạt động hiệu quả ở các tần số thấp, thường dưới 500 MHz, và thường xuất hiện trong các máy thu phát cao tần.
Tại tần số thấp dưới 500 MHz, mạch lọc thường sử dụng các linh kiện tham số tập trung như cuộn cảm và tụ điện Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số siêu cao, điện kháng và điện nạp của các thành phần không còn tuyến tính theo tần số, đòi hỏi phải xem xét các tham số phân tán trong thiết kế Mặc dù vậy, ở tần số tương đối thấp và dải tần hẹp, các linh kiện phân tán vẫn có thể được xấp xỉ bằng linh kiện tham số tập trung Phương pháp tính toán và tổng hợp bộ lọc truyền thống vẫn có thể áp dụng với độ chính xác tương đối cho dải tần siêu cao.
1.4.1 Một số bộ lọc của mạch lọc siêu cao tần
1.4.1.1 Bộ lọc thông thấp của mạch lọc siêu cao tần
Sơ đồ mạch lọc hai cửa được mô tả với nguồn điện áp V S và trở kháng nguồn Z S, cùng với trở kháng tải Z L Giả thiết rằng sóng công suất đến mạch lọc có biên độ nhất định.
1; biên độ của sóng phản xạ và sóng truyền qua sẽ bằng hệ số phản xạ R và T , là các hàm phụ thuộc tần số [3]
Hình 1.10 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ
Mạch lọc thông thấp được xác định bởi tần số chuẩn hóa / c, trong đó c là tần số cắt Đặc điểm của đáp ứng tần số của mạch này được thể hiện qua tham số tổn hao xen giữa.
Ngoài ra, L còn được biểu diện thông qua hàm đa thức F N , với N là bậc của mạch lọc thông thấp
Khi k là hằng số, nó ảnh hưởng đến độ gợn của đáp ứng tần số trong dải thông Việc chọn lựa F N(Ω) phụ thuộc vào yêu cầu về khả năng loại bỏ tần số ngoài dải thông và độ gợn đáp ứng tần cho phép trong dải thông Có hai dạng bộ lọc phổ biến: bộ lọc Butterworth, hay còn gọi là bộ lọc phẳng tối đa, và bộ lọc Chebyshev, hay còn gọi là bộ lọc có gợn đồng đều Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa được tính toán dựa trên các yếu tố này.
L k (1.7) Còn đối với bộ lọc Chebyshev:
L 1 k T 2 N 2 (1.8) với T N là đa thức Chebyshev bậc N
Mạch lọc thông thấp bậc 3 có tham số tổn hao xen giữa được mô tả trong Hình 1.11, với giá trị tổn hao tại tần số cắt (Ω = c1) bằng Lc Qua hai đồ thị, có thể nhận thấy rằng đáp ứng tần số của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần số cắt.
Bộ lọc Butterworth và bộ lọc Chebyshev có những đặc điểm khác nhau, trong đó bộ lọc Chebyshev có độ dốc lọc cao hơn, gần giống với đặc tính của bộ lọc lý tưởng, như thể hiện trong hình 1.10.
Hình 1.11 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3 a) kiểu Butterworth; b) kiểu Chebyshev
Hình 1.12 minh họa hai dạng mạch lọc thông thấp kiểu bậc thang, trong đó g k đại diện cho thành phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k Các thành phần g 0 và g N+1 tương ứng với điện trở hoặc điện dẫn chuẩn hóa của nguồn và tải, với điều kiện 𝑔 𝐿 = 𝑔 𝑛+1.
Mạch lọc thông thấp kiểu Butterworth có L c = 3dB tại tần số cắt = c 1 Các giá trị chuẩn hóa g k được tính theo công thức nhất định, giúp xác định đặc tính của mạch.
9 Đối với mạch lọc Chebyshev, giả sử cho trước giá trị Lc tại c 1, hằng số k có thể được tính như sau:
Bậc của mạch lọc Chebyshev N được xác định dựa trên yêu cầu về độ suy hao trong dải chắn theo đồ thị từ tài liệu tham khảo Các giá trị g k được tính toán theo công thức cụ thể.
1.4.1.2 Bộ lọc thông cao của mạch lọc siêu cao tần
Bộ lọc thông thấp được thiết kế với mạch điện hình bậc thang, bao gồm các thành phần điện cảm và điện dung, hoạt động hiệu quả trong miền tần số chuẩn hóa.
Áp dụng phương pháp tính toán thiết kế cho các loại lọc như lọc thông cao, thông dải và chắn dải trong miền tần số thực, người ta sử dụng phép biến đổi tần số để chuyển đổi đồ thị đáp ứng tần từ miền tần số chuẩn hóa Ω sang miền tần số ω Đồng thời, một phương pháp biến đổi trở kháng được áp dụng giữa trở kháng nguồn tải và điện kháng của các thành phần trong mạch lọc Sơ đồ mạch lọc thông dải hai cửa cùng với đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số được thể hiện trong hình 1.13 và hình 1.14.
Công thức biến đổi tần số từ tần số chuẩn hóa của mạch lọc thông thấp sang tần số thực của mạch lọc thông dải:
Hình 1.13 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang
Hình 1.14 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải
Các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch lọc thông thấp sẽ được chuyển đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối tiếp trong mạch lọc thông dải Điều kiện là tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần số cắt dưới của mạch thông dải phải bằng giá trị tổn hao xen tại c 1 của mạch thông thấp ban đầu Do đó, các giá trị L k và C k của từng nhánh cộng hưởng sẽ được tính toán theo công thức tương ứng.
đối với nhánh LC nối tiếp (1.15)
đối với nhánh LC song song (1.16)
1.4.1.3 Bộ lọc thông dải của mạch lọc cao tần
Bộ lọc thông dải trong hình 1.13 được phát triển từ bộ lọc thông thấp trong hình 1.12, bao gồm các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp hoặc song song kết hợp trực tiếp với nhau Trong thực tế, việc thiết kế đồng thời các bộ cộng hưởng này, đặc biệt ở dải tần siêu cao, thường gặp khó khăn Do đó, các bộ biến đổi trở kháng hoặc dẫn nạp được sử dụng để kết nối các bộ cộng hưởng cùng kiểu, tạo thành mạch lọc thông dải Hình 1.15 mô tả bộ biến đổi trở kháng và bộ biến đổi dẫn nạp, có khả năng biến đổi trở kháng Zb hoặc dẫn nạp Yb ở một đầu thành trở kháng Za hoặc dẫn nạp Ya khi nhìn từ đầu kia Giá trị trở kháng và dẫn nạp đặc trưng của các bộ biến đổi này lần lượt là K và J.
Hình 1.15 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b)
Trong một mạng điện, phần tử dẫn nạp Yp(ω) được đặt giữa hai bộ biến đổi trở kháng, tạo ra trở kháng vào K Y2p(ω) tương đương với trở kháng nối tiếp ZS(ω) Điều này cho thấy rằng dẫn nạp song song Yp(ω) có thể được chuyển đổi thành trở kháng nối tiếp ZS(ω) Tương tự, khi trở kháng nối tiếp ZS(ω) được đặt giữa hai bộ biến đổi, nó cũng tương đương với một phần tử dẫn nạp song song Yp(ω).
Mạch lọc Băng siêu rộng
Vào năm 2002, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) đã phê duyệt việc sử dụng băng tần siêu rộng (UWB) từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz cho các ứng dụng truyền thông thương mại Hệ thống UWB cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách ngắn, sử dụng năng lượng rất thấp và đạt tốc độ truyền dữ liệu cao, từ 100 Mbps đến 1 Gbps Đặc biệt, sóng UWB có khả năng xuyên qua cửa ra vào và các trở ngại khác, đồng thời miễn nhiễm với nhiễu đa đường.
Các bộ lọc thông dải và băng thông siêu rộng được sử dụng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số cụ thể Hiện nay, chúng đang được nghiên cứu rộng rãi trên toàn cầu với nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau, bao gồm cấu trúc vi dải và cấu trúc nhiều mode cộng hưởng Mục tiêu của các nghiên cứu này là giảm kích thước bộ lọc và cải thiện hiệu suất chắn dải, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng từ các hệ thống WLAN.
Băng siêu rộng (UWB) là công nghệ vô tuyến sử dụng một phần lớn quang phổ với năng lượng phát ra rất thấp, thích hợp cho truyền tin tầm ngắn Hệ thống UWB được đặc trưng bởi băng thông tức thời lớn hơn 500MHz hoặc hơn 20% băng thông Các phân đoạn băng thông được xác định theo công thức B/f c, với B = f H – f L biểu thị băng thông ở mức -10 dB và tần số trung tâm f c.
Hệ thống UWB yêu cầu tần số cao hơn (f H) và tần số thấp hơn (f L) của điểm phát -10 dB để tính toán băng thông trung bình (f H + f L)/2 Đối với hệ thống UWB có tần số trung tâm (fc) lớn hơn 2.5 GHz, băng thông tối thiểu cần đạt 500MHz Trong khi đó, đối với hệ thống UWB có fc nhỏ hơn 2.5GHz, tỷ lệ băng thông tối thiểu phải đạt 0.20.
UWB sử dụng các xung băng gốc mà không cần điều chế thời gian cực ngắn, thường chỉ khoảng một phần nghìn giây Phương pháp này cho phép lan truyền năng lượng tín hiệu rất mỏng trên toàn bộ băng thông được sử dụng.
Băng siêu rộng được đánh giá cao nhờ vào những đặc điểm nổi bật, mang lại nhiều lợi thế đáng kể Các lợi thế này bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng, độ ổn định cao và khả năng kết nối đồng thời nhiều thiết bị, giúp cải thiện trải nghiệm người dùng trong các ứng dụng công nghệ hiện đại.
Tốc độ truyền dữ liệu của UWB rất cao, cho phép truyền tải khoảng 1 đến 2 giga xung mỗi giây, tương đương với gigabit mỗi giây cho khoảng cách ngắn Theo biểu thức khả năng truyền tải thông tin của Shannon, dung lượng kênh tăng theo tần số băng thông và giảm theo loga với tỷ lệ nhiễu tín hiệu Nhờ vào băng thông tần số rộng, UWB trở thành giải pháp lý tưởng cho việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao.
Truyền năng lượng thấp từ băng siêu rộng giúp giảm thiểu tác động, cho phép nhiều thiết bị băng siêu rộng hoạt động độc lập cùng lúc.
Sử dụng các xung cực ngắn giúp tăng độ chính xác cao trong việc xác định thời điểm đến của tín hiệu, từ đó ước tính chính xác vị trí của mục tiêu.
Loại trừ nhiễu đa đường là một thách thức quan trọng trong các hệ thống vô tuyến băng hẹp, nơi tín hiệu liên tục dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các phần tử phản xạ Trong khi đó, hệ thống UWB (Ultra Wideband) có khả năng xử lý tín hiệu đa đường, cho phép năng lượng tín hiệu đến vào những thời điểm khác nhau so với năng lượng đường truyền trực tiếp, từ đó giảm thiểu tác động của nhiễu.
Các xung ngắn hiếm khi trùng nhau, tạo ra sự độc đáo trong hệ thống Bên cạnh đó, việc áp dụng một hệ thống đa tương quan có thể tận dụng nguồn năng lượng đa đường, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.
- Tiêu thụ thấp : Mức năng lượng quy định là rất thấp ( dưới -41,3 dBm), mà đòi hỏi tiêu thụ thấp như một cực phát sóng radio
Bảo mật trong công nghệ UWB được đảm bảo nhờ vào công suất năng lượng phát ra rất thấp, thường dưới mức nhiễu môi trường, giúp chỉ có một máy thu duy nhất biết được lịch trình của máy phát và có khả năng giải mã thông tin Hơn nữa, máy thu băng hẹp không thể phân biệt tín hiệu UWB với nhiễu môi trường, điều này càng tăng cường tính bảo mật cho hệ thống.
Băng siêu rộng sử dụng xung vô tuyến sóng mang với chi phí thấp và đơn giản, vì nó chỉ cần dải điều chế băng gốc mà không yêu cầu điều chế trung tần.
- Tăng cường khả năng xuyên qua các chướng ngại vật
Vào năm 2002, Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) đã thiết lập quy chuẩn cho phép hoạt động của các thiết bị sử dụng công nghệ Băng siêu rộng Các tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo rằng các thiết bị Băng siêu rộng có thể hoạt động trong phổ tần hiện có của dịch vụ phát thanh mà không gây cản trở Điều này được thực hiện bằng cách khai thác phần giới hạn dưới của phần 15.
Theo hình 1.21, trong ứng dụng trong nhà, giới hạn phát ra trung bình cho thiết bị Băng siêu rộng được quy định như sau: -41.3 dBm/MHz từ 0.96 GHz, -75.3 dBm/MHz từ 0.96 GHz đến 1.61 GHz, -53.3 dBm/MHz từ 1.61 GHz đến 1.99 GHz, -51.3 dBm/MHz từ 1.99 GHz đến 3.1 GHz, -41.3 dBm/MHz từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz và -51.3 dBm/MHz từ 10.6 GHz trở lên.
Hình 1.21: Giới hạn phát xạ cho ứng dụng UWb trong nhà ở Mỹ
Kết luận chương
Mạch lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin sử dụng sóng điện từ, với một quá trình phát triển lâu dài và hoàn thiện Hiện nay, xu hướng nghiên cứu băng siêu rộng đang gia tăng, do đó việc cải thiện và nắm bắt các mạch lọc băng siêu rộng sẽ trở thành một lĩnh vực được chú ý hơn.
CÁC CẤU TRÚC MẠCH LỌC SIÊU CAO TẦN
Giới thiệu chương
Chương 2 giới thiệu tổng quan về cấu trúc đường truyền vi dải, kĩ thuật khắc DGS và khắc DMS Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật khắc, các cách thức để tạo ra một bộ lọc siêu cao tần kết hợp Đồng thời cũng trình bày một số cấu trúc lọc, cấu trúc lọc DGS kết hợp với DMS, cấu trúc lọc DGS kết hợp với đường truyền vi dải.
Mạch lọc vi dải
2.2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải Đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in “ cao cấp“, bao gồm một dải dẫn nhiệt bằng đồng hoặc kim loại trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng được phủ đồng gọi là mặt phẳng đất Ta thấy mặt phẳng đất là mặt phản xạ Do đó đường truyền vi dải có thể được xem là đường truyền gồm hai dây dẫn
Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải
Hai tham số chính trong thiết kế là độ rộng dải dẫn điện (W) và chiều cao tấm điện môi (h) Hằng số điện môi tương đối của chất nền (ℰ r) cũng là một yếu tố quan trọng Trong khi đó, độ dày của dải dẫn điện (t) và dẫn suất (ϭ) thường ít quan trọng hơn và có thể được bỏ qua trong nhiều trường hợp.
2.2.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải
Sóng truyền trên đường truyền vi dải có dạng gần với sóng TEM (Quasi-TEM), nghĩa là trong một số vùng, chỉ có một thành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng Hình 2.2 minh họa giản đồ trường điện từ của một đường truyền vi dải cơ bản.
Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ Quasi-TEM xuất hiện do mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không gian xung quanh là không khí, tạo ra các đường sức điện đặc trưng.
Điều kiện biên cho điện trường tại mặt tiếp giáp giữa hai môi trường yêu cầu thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục Khi điện trường truyền qua một chất nền có hằng số điện môi là 10, điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần so với trong không khí Đồng thời, thành phần tiếp tuyến của điện trường cũng phải duy trì tính liên tục Kết quả là một phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí, trong khi phần còn lại được lưu trữ trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng cho các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị hằng số điện môi của không khí và chất nền.
Hình 2.2 Giản đồ trường của một đường vi dải.
Mạch lọc vi dải DMS
DMS là cấu trúc khắc trên đường truyền vi dải, tương tự như DGS, giúp tăng chiều dài điện từ trong đường truyền Các DMS có các chắn dải và đặc điểm sóng ngắn như được thể hiện trong hình 2.4 Những thành phần viba mới nhất của bộ lọc chắn dải và bộ lọc thông thấp có thể được thiết kế dựa trên các đặc tính này Để so sánh sự khác biệt, kết quả mô phỏng được thực hiện trên đường truyền vi dải với trở kháng 50Ω, sử dụng chất nền có hằng số điện môi tương đối là 2.2 cho hình 2.3a và 10.2 cho hình 2.3b, với độ dày lần lượt là 0.8 mm và 1.27 mm.
Hình 2.3 Defected microstrip structures DMS
DMS có hiệu năng chắn dải rõ ràng, với bộ lọc chắn dải dễ dàng thu được nhờ vào chất nền có hằng số cao, như thể hiện trong hình 2.4 DMS 2 được đề xuất có hiệu năng vượt trội hơn so với bộ lọc chắn dải, như minh chứng trong hình 2.5.
Mô phỏng thông số S cho đường truyền vi dải được trình bày trong Hình 2.4 và Hình 2.5, so sánh giữa DMS1 và DMS2 với các tham số εr = 2.2, a = 0.2 mm, b = 13 mm, r = 10:2, a = 0:4 mm, b = 16 mm, c = 0.8 mm, d = 1 mm, và c = 1:1 mm, d = 0:3 mm Ngoài ra, với εr = 10.2, các tham số a = 0.2 mm, b = 14 mm, c = 0.3 mm, d = 0.3 mm cũng được xem xét trong mô phỏng.
Nghiên cứu cho thấy rằng DMS được mô tả bởi chiều dải khe nằm ngang b và chiều rộng khe dọc a, trong đó chiều dài khe ngang ảnh hưởng đến hiệu quả điện cảm, tăng theo b, và được áp dụng cho băng tần chắn dải thấp hơn Đồng thời, độ rộng khe dọc ảnh hưởng đến hiệu quả điện dung, giảm khi a tăng, dẫn đến tần số cộng hưởng 𝐟₀ cao hơn Đặc tính chắn dải của DMS sử dụng đường truyền vi dải với trở kháng 50Ω được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Đặc tính chắn dải của DMS sử dụng đường truyền vi dải 50 Ω
Hiệu suất điện của bộ lọc chắn dải DGS được thiết kế như một mạch cộng hưởng LC song song Hiệu suất băng tần chắn dải của DMS mới tương tự như của các đơn vị DGS, cho phép sử dụng các mô hình mạch tương đương của DGS để xác định các thông số mạch tương đương của DMS, bao gồm điện cảm và điện dung.
C có thể được thể hiện như sau:
Các thông số mạch tương đương của DMS có thể được tính từ biểu thức 4(π f 0 ) 2 C Để chứng minh tính hợp lệ của băng tần chắn dải của DMS, bộ lọc chặn dải với một băng đơn, băng tần kép, và ba băng tần đã được thiết kế với hằng số điện môi tương đối là 10.2 và độ dày 1.27 mm, như thể hiện trong hình 2.6 và hình 2.8.
Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải đơn băng cho thấy tần số hoạt động tăng khi tham số b giảm Cụ thể, với b = 15 mm, bộ lọc đạt băng thông tương đối 5.68% và tổn hao thấp hơn 0.8 dB tại tần số trung tâm 5.66 GHz, cùng với một cặp truyền dẫn zeros có tổn hao không thấp hơn 36 dB.
Bộ lọc chắn dải đơn băng với DMS hoạt động hiệu quả nhờ vào sự kết hợp của khe thẳng đứng và khe ngang Cụ thể, khe ngang ảnh hưởng đến hiệu quả điện cảm, trong khi khe dọc tác động đến hiệu quả điện dung, cho phép bộ lọc hoạt động trong các băng tần kép và ba băng.
Hình 2.7 Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải với b, c = 0.3 mm, e = 0.2 mm, f = 0.6 mm, g = 1 mm
Hình 2.8 Cấu trúc và mạch tương đương của bộ lọc chắn dải băng kép và ba băng với
DMS khi b là khác nhau, ở đây i = 2 hoặc 3
Tần số mô phỏng của bộ lọc chắn dải băng tần kép được thể hiện trong hình 2.9, cho thấy mối quan hệ giữa tần số hoạt động và thông số b trong hình 2.10 Kết quả cho thấy tần số hoạt động của bộ lọc giảm khi chiều dài khe b tăng, với b = 15.8 mm, bộ lọc hoạt động tại tần số 1.89 GHz và 5.69 GHz tương ứng, đồng thời có chi phí thấp.
Hình 2.9 Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải
Hình 2.10 Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải ba băng a = 0.4 mm, c = 1 mm, d = 0.3 mm, e = 0.6 mm
Khi b tăng lên trên 18 mm, bộ lọc chắn dải ba băng trở nên hiệu quả cho các điện cảm Hình 2.11 minh họa mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc, trong khi hình 2.12 thể hiện mối quan hệ giữa tần số hoạt động và tham số b Cụ thể, khi b đạt 20 mm, bộ lọc hoạt động tại các tần số 1.55 GHz, 4.59 GHz và 7.59 GHz, cho thấy sự tương đồng trong sự thay đổi tần số hoạt động với băng tần kép, cũng như sự biến thiên tần số của băng thứ ba.
38 là rõ ràng hơn hoạt động của các băng khác
Hình 2.11 Mối quan hệ của tần số hoạt động và tham số b
Hình 2.12 Mối quan hệ của tần số hoạt động với thông số b, a = 0.4 mm, c = 1 mm, d = 0.3 mm, e = 0.6 mm.
Mạch lọc cấu trúc DGS
Cấu trúc DGS (Defected Ground Structure) là một dạng cấu trúc được tạo ra từ các hình dạng khắc trên bề mặt kim loại, có thể là chu kỳ hoặc không Đây là một cải tiến từ cấu trúc PBG (Photonic Band Gap), cho phép người thiết kế dễ dàng điều chỉnh mạch tương đương (LC) nhằm tối ưu hóa hiệu suất.
39 trúc DGS được sử dụng để thiết kế bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộ chia/ghép, bộ tạo dao động hay anten
Hình 2.13: Hình dạng mặt phẳng đế DGS
Cấu trúc DGS không chỉ nâng cao đáng kể các đặc tính trở kháng của đường cấp nguồn mà còn cải thiện hiệu suất chắn dải bằng cách loại trừ dải tần cao hơn và cho phép thông dải Kết quả cho thấy bộ lọc với cấu trúc DGS có kích thước nhỏ hơn và hiệu quả hơn so với các bộ lọc vi dải thông thường Các thông số thiết kế cơ bản của cấu trúc DGS bao gồm a, b, w và g.
2.4.1 Cấu trúc cơ bản và đặc tính dẫn truyền
Cấu trúc DGS bao gồm hai phần chính: vùng khắc lỗ hình chữ nhật kích thước a x b và các khe hở kích thước g x w, cùng với vùng khắc lỗ rộng có các rãnh hẹp kết nối trên bề mặt kim loại Đây là cấu trúc DGS đầu tiên được phát triển, với tham số S của mô hình EM được minh họa trong hình 2.15 Các cấu trúc DGS hoạt động như bộ lọc chắn dải, mang lại hiệu năng cao cho sóng ngắn và có tính kháng trở tốt So với PBG, DGS có nhiều ưu điểm vượt trội.
Diện tích chu vi bị giới hạn khi không tính đến các cấu trúc có chu kỳ, do chỉ một số nguyên tố DGS sở hữu những đặc tính cơ bản tương tự như các đặc tính của cấu trúc định kỳ và dải chắn.
Vùng tham số S của cấu trúc DGS hình chuông có khả năng tương thích với đáp ứng chậm của bộ lọc Butterworth một cực Nhờ vào cấu trúc đơn vị, mô hình DGS được xây dựng một cách đơn giản, cho phép dễ dàng xác định mạch tương đương.
DGS tiêu tốn ít dung lượng chu vi và có cấu trúc đơn giản, hiệu quả trong việc xử lý sóng ngắn So với PBG, DGS dễ thiết kế, vận hành và đạt độ chính xác cao hơn với cấu trúc khắc thông thường Do đó, DGS được ứng dụng phổ biến trong các vòng xoay của lò vi sóng Hơn nữa, DGS có ưu thế hơn PBG khi sử dụng trong sóng vi dải, đặc biệt khi yêu cầu kích thước phải tuân thủ các giới hạn trong công nghệ chế tạo.
Hình 2.14 Cấu trúc DGS cơ bản và hệ số truyền đạt và phản xạ của cấu trúc DGS
2.4.2.Cấu trúc DGS đơn nhất
Có 2 hướng nghiên cứu trong ứng dụng DGS: DGS đơn nhất (đơn vị) và DGS tuần hoàn Có nhiều cách để khắc các khía rãnh lên mặt phẳng của đường truyền vi dải Ở hình 2.16, ta thấy có nhiều hình khối được gắn với nhau, bao gồm hình đầu xoắn ốc, hình mũi tên, hình chữ “H” và những hình dạng gần tương tự như vậy Cũng ở hình 2.17, ta thấy có những DGS có cấu trúc hỗn hợp phức tạp hơn nhằm cải thiện hiệu quả của mạch như: cấu trúc mạch hở hình vuông có khe cắm ở giữa, cấu trúc mạch hở hình quả tạ Đơn vị DGS mới này có thể kiểm soát 2 đường truyền số 0 gần các cạnh dải thông và dễ dàng kiểm soát tần số của khe cắm bằng cách thay đổi chiều dài của các thanh kim loại
Hình 2.15 Các hình dạng cấu trúc DGS khác nhau
Việc áp dụng dòng vi dải cong không làm thay đổi đáng kể đặc tính tần số so với dòng vi dải DGS thẳng Kỹ thuật uốn cong tạo ra cấu trúc 2D với nhiều đoạn cong, giống như một đường uốn khúc, giúp tạo ra một chắn dải rộng và cho phép nhiều chu kỳ trong một khu vực vòng xoáy Đơn vị DGS mới thiết kế này mang lại những lợi thế vượt trội so với DGS quả tạ.
Hệ số sóng ngắn cao hơn và mạch nhỏ gọn hơn giúp cải thiện hiệu suất của bộ lọc Cụ thể, khu vực vòng xoáy của bộ lọc hình chữ H có chu vi nhỏ hơn khoảng 26,3% so với cấu trúc DGS quả tạ, mang lại lợi ích đáng kể trong thiết kế.
- Một Q lớn hơn bên ngoài một chút So sánh đặc tính truyền của DGS hình chữ
Các cấu trúc DGS thông thường, DGS hình xoắn ốc và DGS hình chữ U được thiết kế để tạo ra các tần số cộng hưởng tương tự, với yếu tố Q của DGS xoắn ốc là 7,478 (băng thông 3 dB 0,39 GHz) và DGS hình chữ U có yếu tố Q lớn hơn 36,05 (băng thông 3 dB 0,081 GHz) Những cấu trúc DGS mới này rất hữu ích trong việc thiết kế các mạch sóng vi dải để nhận dạng các thiết bị chủ động và bị động có kích thước nhỏ gọn, đồng thời giúp ngăn chặn các họa âm.
Cấu trúc chu kỳ như PBG và DGS đang được chú trọng vì tính ứng dụng rộng rãi trong ăng-ten và lò vi sóng Đường truyền tải với cấu trúc định kỳ có băng thông hữu hạn và hoạt động như bộ lọc thông thấp Việc tăng cường tác dụng song ngắn và thêm các thành phần tương tự là những đặc điểm quan trọng giúp nhận diện cấu trúc chu kỳ, đồng thời cho phép giảm kích thước mạch Chu kỳ được định nghĩa là sự lặp lại của các cấu trúc vật lý Khi nối tầng các tế bào DGS cộng hưởng trên mặt khắc, độ sâu và chiều rộng băng thông của chắn dải cho các mạch DGS thường phụ thuộc vào số lượng chu kỳ Các DGS chu kỳ chú trọng đến các thông số như hình dạng của DGS đơn vị, khoảng cách giữa các đơn vị DGS và sự phân bố của chúng Hiện nay có hai loại DGS chu kỳ: DGS chu kỳ theo chiều ngang (HPDGS) và DGS chu kỳ theo chiều dọc (VPDGS).
(a) (b) Hình 2.16 Cấu trúc DGS chu kỳ a) DGS chu kỳ theo chiều ngang; b) DGS chu kỳ theo chiều dọc
Cấu trúc đề xuất nổi bật với khả năng tạo ra chu kỳ theo cả hai hướng thẳng đứng và nằm ngang, còn được gọi là VPDGS Trong khi đó, DGS thông thường cho đường dây tải phẳng chỉ sử dụng cấu trúc kiểu HPDGS với tầng nối tiếp theo hướng truyền Ban đầu, HPDGS được phát triển nhằm mở rộng dải chắn cho đường cong đáp ứng tần số Ngoài ra, một số dạng cấu trúc còn có khắc hình vuông.
DGS chu kỳ 42 cung cấp khả năng chắn dải tốt và đặc tính truyền sóng ngắn, được ứng dụng trong máy tạo dao động và bộ khuếch đại Có sự so sánh giữa các DGS không đồng dạng tròn và DGS chu kỳ trước đó, với dòng vi dải bù và kích thước lỗ vuông thay đổi theo phân bố biên độ, tuân theo các hàm số như e1/n hoặc Chebyshev VPDGS có yếu tố sóng ngắn cao hơn HPDGS, giúp tăng yếu tố sóng chậm, dẫn đến độ dài dòng điện dài hơn mặc dù vẫn giữ độ dài vật lý không đổi Việc chèn VPDGS vào bộ khuếch đại có thể giảm kích thước, với đường truyền sóng vi dải vào và ra giảm tới 38,5% và 44,4% so với độ dài ban đầu.
Cấu trúc bộ lọc DGS kết hợp DMS
Nghiên cứu này giới thiệu bộ lọc thông thấp DGS với cấu trúc đơn giản, bao gồm vùng ăn mòn kích thước a = 4.15 mm, b = 6.2 mm, và khe (g) 0.5 mm nằm ở biên, cùng với bề rộng (w) = 1.2 mm Mục tiêu là khảo sát ảnh hưởng của việc dịch chuyển khe (g) từ biên đến trung tâm, như thể hiện trong hình 2.19.
Hình 2.17 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS
Hình 2.18 mô tả cấu trúc DGS với miền ăn mòn a,b và khe (g) Để nghiên cứu ảnh hưởng của việc dịch chuyển khe (g) từ vị trí biên đến vị trí trung tâm, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng khảo sát hệ số tổn hao (S11, S21) cho các vị trí (g) khác nhau Mỗi vị trí của g cho ra một đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số, như thể hiện trong hình 2.20, với một số đồ thị tại các vị trí khác nhau của g (từ g1 đến g7).
Khi g dịch chuyển đến vị trí trung tâm, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc sẽ tăng lên một cách gần như tuyến tính.
Hình 2.19 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi vị trí khe (g)
Cấu trúc hình 2.20.a với kích thước a = 4.15mm, b = 6.2mm và độ rộng khe g = 0.5mm ở vị trí biên được khảo sát Độ rộng khe g được thay đổi từ 0.5mm đến 1.2mm nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc.
Cấu trúc DGS với độ rộng khe (g) = 1.2mm được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của độ rộng khe đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc Thông qua mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) với các giá trị khác nhau của g, chúng ta thu được đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số Hình 2.22 minh họa một số đồ thị này, cho thấy rằng khi g tăng, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc cũng tăng lên gần như theo tỷ lệ tuyến tính.
Hình 2.21.Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi độ rộng khe (g)
Thay đổi giá trị của a=4.15mm tới a= 6.2mm với a=b=6.2 mm và (g)= 5mm khi (g) ở biên
Yêu cầu khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc
Cấu trúc DGS với a=b=6.2 mm và (g) ở biên được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc Qua mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) với các giá trị (g) khác nhau, ta thu được đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số Như thể hiện trong hình 2.24, khi độ rộng khe (g) tăng, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc cũng tăng gần như tuyến tính.
Hình 2.23 thể hiện mối quan hệ giữa tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi độ rộng khe (g) Để nghiên cứu ảnh hưởng của vùng ăn mòn đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) với các giá trị a khác nhau, từ đó a được điều chỉnh dần đến giá trị b Mỗi giá trị a tăng dần cho ra một đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số, như thể hiện trong hình 2.25 Qua hình 2.25, có thể thấy rằng khi a bằng b, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc giảm một cách gần như tuyến tính.
Hình 2.24 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi giá trị a dần đến b.
Cấu trúc lọc DGS kết hợp DMS, cấu trúc đào thoát hình chữ π
2.6.1 Cấu trúc đào thoát hình π và đặc tính cộng hưởng
Hình 2.25 Cấu trúc khắc hình chữ π
(a) DMS hình π (mặt trên ) (b) DGS hình π (mặt dưới)
Cấu trúc đào thoát được mô tả trong Hình 2.25, với vùng xám là kim loại và vùng trắng là chất nền Để phân tích đặc điểm cộng hưởng, vật liệu có hằng số 2.65 và độ dày 1.6 mm được sử dụng Đường truyền vi dải có bề rộng 4.3 mm và trở kháng 50 Ω, với các thông số a1 = a2 = 7 mm, b1 = b2 = c1 = c2 = d1 = d2 = 0.4 mm, được mô phỏng bằng phần mềm HFSS.
11 Để tạo thành cấu trúc DMS hình π, ảnh hưởng tới cấu trúc tham số a được phân tích chi tiết Các tham số của cấu trúc DMS và DGS hình π được thể hiện trong hình 2.27 Có thể thấy trong hình 2.26.(a) DMS hình π có tần số cộng hưởng duy nhất tại 5.39 Ghz, khi kích thước đơn vị a tăng, tần số cộng hưởng giảm
DGS hình π có tần số cộng hưởng duy nhất là 5.43 GHz, và tần số này giảm khi kích thước a tăng DMS hình π cũng có đặc điểm sóng ngắn và khả năng chắn dải tương tự như DGS hình π.
Hình 2.26 Kết quả mô phỏng tần số cộng hưởng của cấu trúc hình π với a khác nhau
(a) Tổn hao xen của DMS hình π (b) Tổn haoxen của DGS hình π
2.6.2 Thiết kế bộ lọc chắn dải
Bộ lọc chắn dải hình π có đặc tính sóng ngắn và chắn dải, cho phép thiết kế bộ lọc chắn dải thu nhỏ Bộ lọc A, được trình bày trong hình 2.27, bao gồm cả mặt trên và mặt dưới Để cải thiện hiệu suất hoạt động, DGS hình π đã được thêm vào bộ lọc A, tạo thành bộ lọc B, như thể hiện trong hình 2.28 Trong hình này, vùng màu xám đại diện cho kim loại và vùng màu trắng là chất nền, với khoảng cách giữa hai DMS hình π là t = 6 mm DGS hình π của bộ lọc B được đặt ở trung tâm mặt phẳng đất, trong khi diện tích của bộ lọc B không tăng so với bộ lọc A.
Hình 2.27 Cấu trúc của bộ lọc chắn dải DMS hình π
Hình 2.28 Cấu trúc của bộ lọc chắn dải DMS hình π với DGS hình π
2.6.3 Kết quả đo lường Để có thể nhận thấy đặc tính cộng hưởng của bộ lọc A và bộ lọc B, ta sử dụng phần mềm HFSS để phân tích hai bộ lọc chắn dải Để xác nhận các đặc tính cộng hưởng của bộ lọc chặn dải đã được đề xuất, hai bộ lọc chắn sử dụng khe hình π được thiết kê Hình 2.29 cho thấy cách bố trí vật lý của hai bộ lọc chắn dải (bên trái là bộ lọc A, bên phải là bộ lọc B) Các kết quả và mô phỏng tần số của bộ lọc A được hiển thị trong hình 2.30 Các kết quả của bộ lọc A cho thấy rằng một bộ lọc chắn dải 5,04 Ghz đến 5.44 Ghz với tổn hao ngược ít hơn 0.9 dB và tổn hao xen là nhiều hơn 20 dB Tổn hao ngược là nhiều hơn 10 dB và tổn hao xen gần 0 dB trong bộ lọc chắn dải Ngoài ra, có hai truyền dẫn zero đặt tại khoảng 3.44 và 5.56 Ghz tương ứng Các kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc B được thể hiện, có thể nhìn thấy từ hình 2.31., tổn hao ngược của bộ lọc B nhỏ hơn 0.9 dB và tổn hao xen là lớn hơn 23.6 dB trong bộ lọc chắn dải Tổn hao ngược là lớn hơn 16.7 dB và tổn hao xen là nhỏ hơn 1.0 dB trong bộ lọc chắn dải Một băng rộng 3dB là 0.6 Ghz từ 5.08 Ghz đến 5.68 Ghz Ngoài ra còn có hai truyền dẫn zero đặt tại 3.88 và 5.96 Ghz tương ứng So với kết quả mô phỏng các kết quả đo có tần số tổn hao nhỏ và tổn hao chèn khác nhau do chế tạo Tần số trung tâm của bộ lọc chắn dải có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh các thông số cấu trúc, đặc biệt là các đơn vị đô dài a Sử dụng DGS hình π , hiệu năng của bộ lọc B lớn hơn bộ lọc A DMS hình π có kích thước là 7 x 2.8 mm Tổng kích thước mạch tương đối nhỏ
Hình 2.29 Hình ảnh thực tế của 2 bộ lọc chắn dải (Bộ lọc A và bộ lọc B)
Hình 2.30 Kết quả mô phỏng và đo tần số cộng hưởng của bộ lọc chắn dải A
Hình 2.31 Kết quả mô phỏng và đo tần số cộng hưởng của bộ lọc chắn dải B.
Kết luận chương 49 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH LỌC THÔNG DẢI UWB, SỬ DỤNG CẤU
Đường truyền vi dải là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực truyền thông, với cấu trúc đa dạng bao gồm các loại DGS và DMS Các cấu trúc này có thể từ cơ bản đến phức tạp, với nhiều hình dáng và sự kết hợp khác nhau, thể hiện sự phong phú của chúng Để thiết kế một cấu trúc DGS kết hợp với DMS, chúng ta cần tìm hiểu sâu hơn, và nội dung chi tiết sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.
THIẾT KẾ MẠCH LỌC THÔNG DẢI UWB, BĂNG TẦN KÉP,SỬ DỤNG CẤU
TRÚC DGS (DEFECTED GROUND STRUCTURE)
Giới thiệu chương
Chương 3 trình bày bài toán thiết kế và mô phỏng mạch lọc thông dải sử dụng cấu trúc DGS Trong chương này một bộ lọc thông dải UWB băng tần kép được đề xuất trong đó bộ cộng hưởng DGS được xây dựng là khối của bộ lọc Các cấu trúc bao gồm một đường vi dải và hai tế bào cấu trúc khắc mặt đất được nhúng với nhau Mỗi tế bào cho kết quả trong dải thông tương ứng, tế bào bên ngoài cho các dải thông đầu tiên và một tế bào bên trong cho dải thông thứ hai.
Phần mềm HFSS
Phần mềm HFSS 11 (Ansoft High Frequency Structure Simulator) là công cụ mô phỏng trường điện từ, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để giải quyết các cấu trúc ba chiều phức tạp.
HFSS áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn toàn sóng ba chiều để tính toán các đặc trưng điện học của linh kiện tần số cao và tốc độ cao Phần mềm này cho phép các kỹ sư tách biệt các tham số như S, Y, Z, đồng thời hình dung trường điện từ ba chiều, bao gồm cả trường khu gần và trường khu xa HFSS cũng hỗ trợ tạo ra các mẫu chương trình mô phỏng cho mạch in (SPICE) và thực hiện thiết kế tối ưu.
HFSS mô tả chính xác hoạt động điện của các linh kiện và đánh giá hiệu quả chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền, tổn hao phản xạ do không phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh, và phát xạ Với khả năng mô phỏng các trường điện từ, dòng điện và phát xạ trong một cấu trúc ba chiều bất kỳ, HFSS hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống điện từ phức tạp Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, HFSS đặc biệt hữu ích cho thiết kế tần số vô tuyến RF, anten và mạch điện tử.
HFSS, theo www.ansoft.com, là phần mềm công nghiệp tiêu chuẩn cho việc tách tham số S và mô phỏng mạch in toàn sóng (full wave SPICE), cũng như mô phỏng điện từ cho các linh kiện tần số cao với tốc độ nhanh Phần mềm này được sử dụng phổ biến trong thiết kế các phần tử thụ động nhúng trên chip, đầu nối mạch in, anten, linh kiện RF/vi ba, và các gói IC tần số cao HFSS giúp phát triển các sản phẩm khoa học, rút ngắn thời gian phát triển và nâng cao khả năng thành công của thiết kế.
Phiên bản mới nhất của HFSS mang đến những cải tiến cho các kỹ sư RF/vi ba, đồng thời mở rộng khả năng phối hợp thiết kế điện từ đến các lĩnh vực khác trong thiết kế IC RF/analog, thiết kế multi-gigabit và các vấn đề liên quan đến EMI/EMC.
HFSS là phần mềm được sử dụng để mô phỏng các đầu nối, ống dẫn sóng, linh kiện trên chip và anten, đồng thời hỗ trợ khảo sát các tham số và tối ưu hóa cấu trúc Đây là một sản phẩm thuộc dòng sản phẩm của Ansoft.
Kỹ thuật băng tần kép Error! Bookmark not defined 3.4 Bài toán thiết kế mạch lọc UWB, băng kép sử dụng cấu trúc DGS
Sự phát triển của hệ thống truyền thông không dây đã dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về bộ lọc vi sóng băng tần kép Bộ lọc băng tần kép được hình thành bằng cách kết hợp hai bộ lọc riêng biệt cho hai băng tần đơn lẻ Điều này cho phép các thiết bị hoạt động song song trên cả hai băng tần, mang lại hiệu suất cao hơn và khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Sự phát triển gần đây trong hệ thống truyền thống không dây yêu cầu các thiết bị tần số vô tuyến hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau, trong đó bộ lọc băng tần kép đóng vai trò quan trọng Các mạng không dây cục bộ như IEEE 802.11a/b/g hoạt động trên dải tần 2.4/5.2GHz, tuy nhiên, việc sử dụng chỉ một dải tần có thể dẫn đến tình trạng quá tải, nhiễu và nghẽn mạng Do đó, ngày càng nhiều thiết bị mới được thiết kế để hỗ trợ sử dụng song song cả hai băng tần, nhằm cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Băng tần kép mang lại lợi ích vượt trội khi không bị nhiễu từ các thiết bị khác, do hầu hết thiết bị không dây như điện thoại, Bluetooth, lò vi sóng và hệ thống cảnh báo hoạt động ở tần số 2.4GHz, dễ gây ra hiện tượng nhiễu Ngược lại, mạng hoạt động ở tần số 5GHz có khả năng tránh xa các vấn đề này, đồng thời giảm sự đông đúc của các mạng khác Việc sử dụng đồng thời cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz giúp giảm tải đáng kể tại các khu vực đông đúc như văn phòng và khu dân cư, đồng thời tăng băng thông và cải thiện tốc độ truy cập Sự kết hợp này cho phép người dùng tận dụng băng thông tổng cộng từ cả hai băng tần, mang lại trải nghiệm Internet mượt mà hơn.
Có thể sử dụng đồng thời cả băng tần 2.4GHz và 5GHz, cho phép thiết bị nhận 2 kết nối với tốc độ tối đa 300Mbps Thiết bị này hoạt động như hai thiết bị không dây kết hợp, giúp người dùng dễ dàng chạy các ứng dụng trong thời gian dài.
Sử dụng băng tần 2.4GHz với tốc độ 300Mbps phù hợp cho việc gửi email và lướt web, trong khi băng tần 5GHz cũng với tốc độ 300Mbps là lựa chọn lý tưởng cho các hoạt động đòi hỏi băng thông cao như xem video HD và chơi trò chơi trực tuyến.
Mặc dù các thiết bị hỗ trợ băng tần kép mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhược điểm như giá thành cao và số lượng thiết bị hỗ trợ còn hạn chế Hầu hết các thiết bị hiện tại chỉ hoạt động ở một dải tần, trong khi chỉ có những thiết bị cao cấp mới có khả năng hỗ trợ cả hai băng tần Để sử dụng được cả hai băng tần, người dùng cần trang bị thêm thiết bị hỗ trợ Ngoài ra, phạm vi phủ sóng của hai băng tần này cũng khác nhau; tần số cao hơn (5GHz) sẽ có phạm vi phủ sóng nhỏ hơn so với tần số thấp hơn (2.4GHz) do độ suy hao tín hiệu theo khoảng cách lớn hơn.
3.4 Bài toán thiết kế mạch lọc UWB, băng kép sử dụng cấu trúc DGS
Gần đây, sự phát triển trong các hệ thống không dây đã dẫn đến sự xuất hiện của các thiết bị tần số vô tuyến mới hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau, như GSM và WCDMA ở 900 MHz và 1800 MHz, cũng như mạng LAN không dây IEEE 802.11a và 802.11b ở ISM 2.4 & 5 GHz và GPS ở 1.57 GHz Để đáp ứng nhu cầu này, nhiều thành phần như anten, bộ ghép và bộ lọc đã được đề xuất để hoạt động ở hai hoặc nhiều tần số, trong đó lọc bandpass hai băng tần đóng vai trò quan trọng trong hệ thống RF Việc thiết kế các cấu trúc này cần chú trọng đến kích thước tối thiểu, suy hao xen thấp và tính chọn lọc cao.
Bộ lọc băng kép được hình thành từ sự kết hợp của hai bộ lọc riêng biệt, tuy nhiên, cấu trúc này yêu cầu mạng trở kháng phù hợp ở cả đầu vào và đầu ra, dẫn đến kích thước lớn Một phương pháp thay thế là sử dụng cộng hưởng trở kháng bước, trong đó hai tần số cộng hưởng có thể được điều chỉnh thông qua tỷ lệ trở kháng và chiều dài điện của các phần cấu trúc Do chỉ có một tham số để điều khiển băng tần thứ hai, việc thiết kế hai dải phổ liền kề trở nên khó khăn và thường gặp phải vấn đề suy hao xen kẽ lớn Để khắc phục, bộ lọc băng kép kỹ thuật LTCC đã được đề xuất, kết hợp hai bộ lọc thông dải đơn, mỗi bộ lọc có đầu vào và đầu ra riêng, yêu cầu một mạng ngắn mạch bổ sung để kết hợp chúng.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế bộ lọc băng kép, nhưng vẫn tồn tại những hạn chế không thể khắc phục Việc thực hiện bộ lọc băng kép siêu rộng (UWB) gặp nhiều khó khăn trong hầu hết các cấu trúc Ngoài ra, chỉ có một số ít bộ lọc băng kép có khả năng chọn lọc cao, với hồi đáp cho mỗi hai điểm cắt zero cho mỗi băng được đề xuất.
Rất ít thử nghiệm được thực hiện với cell DGS trong việc xây dựng khối ngắn mạch viba do có nhiều thông số thiết kế phức tạp như độ nét, khoảng cách và số lượng cell Điều này làm cho quy trình thiết kế trở nên khó khăn.
Trong chương này, chúng tôi đề xuất một bộ lọc thông dải băng kép với bộ cộng hưởng DGS làm khối chính Cấu trúc bao gồm hai bộ cộng hưởng nhúng, một cho băng tần thứ hai và một vòng ngoài cho băng tần thứ nhất Để thiết kế bộ lọc băng kép, trước tiên cần thiết kế hai bộ lọc thông dải riêng lẻ, và việc điều chỉnh kích thước các cell cho phép kiểm soát các đặc tính của các bộ lọc này.
3.4.2 Đặc tính của tế bào (cell) DGS
Hình 3.1 mô tả tế bào DGS cùng với thiết kế đường truyền vi dải, trong đó chiều rộng đường line được chọn cho trở kháng đặc trưng 50 Ω Tuy nhiên, do hằng số điện môi tác động ε re của đường vi dải tăng lên, đặc tính trở kháng sẽ lớn hơn 50Ω Để phù hợp với các đường vi dải đến cổng, chiều rộng của đường lên phía trên mục DGS cần được tăng lên, nhằm kết nối hai đường với trở kháng đặc trưng 50 Ω tại hai cổng của cấu trúc Chất nền với hằng số điện môi 6.15, suy hao tiếp xúc 0,0019 và độ dày 0,72 mm được xem xét Tần số hồi đáp của tế bào DGS được mô phỏng bằng phần mềm HFSS, với kích thước cấu trúc được trình bày trong bảng 3.1, căn cứ theo mm.
(a) (b) Hình 3.1 Giao diện của một bộ lọc dải chắn (a) mặt phẳng đất sử dụng cộng hưởng DGS với khớp nối đối xứng (b) đường truyền vi dải
Hình 3.2: Mặt phẳng đất sử dụng cộng hưởng DGS với khớp nối đối xứng thực hiện với phần mềm HFSS
Bảng 3.1: Kích thước các cấu trúc của bộ lọc dải chắn DGS cùng với khớp nối đối xứng l 1 l 2 w 1 w 2
Hình 3.3 minh họa hồi đáp mô phỏng của cấu trúc bậc 2, kết hợp với hai bộ cộng hưởng tương đương thông qua đường truyền Phản hồi băng chắn của cấu trúc này thể hiện hai sự thăm dò trong băng chắn, nhờ vào sự ghép nối của hai bộ cộng hưởng.
Cấu trúc này, nhờ vào các kết nối chặt chẽ, thể hiện rõ nét hơn và tế bào DGS cho phép gắn thêm các bộ cộng hưởng khác, giúp thiết kế một bộ lọc băng kép chặt chẽ.
Hình 3.3 Mô phỏng thông số đặc trưng S của bộ lọc băng chắn DGS với khớp nối đối xứng
Bằng cách ăn mòn một khoảng trống trong đường vi dải, các hồi đáp băng chắn của bộ lọc được chuyển đổi sang một dải thông với tần số trung tâm tương tự Cấu trúc này được minh họa trong hình 3.4 với kích thước e=1.8mm, d=0.25mm và g=0.4mm.
Hình 3.4 Sơ đồ của đường truyền với khe hở
Hồi đáp mô phỏng của bộ lọc hiển thị ở hình 3.5 với tần số trung tâm của bộ lọc là 2.4
Hình 3.5 Mô phỏng S-thông số đặc trưng của bộ lọc thông dải DGS sử dụng đường truyền với khe hở
Bằng cách thay đổi kích thước của tế bào DGS, tần số trung tâm của bộ lọc thông dải có thể thay đổi dễ dàng
Kết luận chương
Trong chương này, chúng tôi đề xuất một phương pháp thiết kế băng tần kép dựa trên hai loại tế bào cấu trúc cắt mặt đất Mỗi tế bào có khả năng nhận diện một dải tần truyền mong muốn, và khi kết hợp chúng, ta có thể tạo ra một bộ lọc nhỏ gọn băng tần kép Bằng cách điều chỉnh kích thước của từng tế bào, hai dải thông tần số có thể được điều chỉnh độc lập Kết quả cho thấy ba phần tế bào DGS tạo ra một siêu băng rộng với khả năng từ chối tốt giữa hai băng tần truyền, đồng thời có độ chọn lọc cao và suy hao xen thấp.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Mạch lọc băng siêu rộng (UWB) đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, nhờ vào sự tiến bộ trong các hệ thống không dây với các thiết bị vô tuyến hoạt động trên nhiều dải tần số khác nhau Mạch lọc băng tần kéo trong các dải UWB là một thành phần quan trọng trong công nghệ băng tần kép Bài viết đã trình bày các kiến thức cơ bản về mạch lọc UWB, bao gồm các cấu trúc bộ lọc như DGS (Defected Ground Structure), DMS (Defected Microstrip Structure), cấu trúc vòng cộng hưởng và sự kết hợp giữa DGS và DMS Cuối cùng, đồ án đã thiết kế và mô phỏng thành công mạch lọc thông dải UWB băng tần kép với cấu trúc DGS, hoạt động tại hai tần số trung tâm là 2.4 GHz và 3.8 GHz.
Hướng phát triển tiếp theo của đồ án này là nghiên cứu sâu lý thuyết tính toán mạch lọc băng siêu rộng, thực thi mạch thực tế và tiến hành so sánh, đánh giá kết quả đạt được.
