BỘ LỌC TẦN SỐ VÀ VAI TRÒ CỦA BỘ LỌC TẦN SỐ TRONG VIỄN THÔNG
Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về bộ lọc tần số, bộ lọc siêu cao tần Phân loại bộ lọc, các cấu trúc cơ bản, ứng dụng của nó trong viễn thông Bộ lọc tần số là một bộ lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải tần mong muốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác.
Bộ lọc tần số
Bộ lọc tần số là thiết bị chọn lọc cho phép tín hiệu trong một dải tần mong muốn đi qua, đồng thời chặn các tín hiệu không cần thiết trong dải tần khác Theo đáp ứng tần số, bộ lọc được chia thành bốn loại chính: 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 trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, trong khi bộ lọc thông dải và chắn dải chỉ cho phép tín hiệu trong một dải tần nhất định giữa hai tần số cắt Hình 1.1 minh họa đáp ứng tần số và ký hiệu sơ đồ khối của từng loại bộ lọc.
Hình 1.1 Đáp ứng tần số và ký hiệu sơ đồ khối của các bộ lọc
Bộ lọc là thành phần thiết yếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, như thông tin di động, vệ tinh, radar và cảm biến Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và ứng dụng vô tuyến, việc chia sẻ phổ tần hạn chế giữa nhiều hệ thống trở nên cần thiết Tín hiệu điện từ của mỗi hệ thống chỉ hoạt động trong một khoảng tần số nhất định, và bộ lọc được sử dụng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số đó, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
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 Trong phần thu, bộ lọc sau bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ, ngăn ngừa nhiễu và cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp loại bỏ 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 chọn tần số mong muốn và loại bỏ các tần số không cần thiết Cả hai khối thu và phát đều sử dụng bộ song công với hai mạch lọc thông dải, trong đó một bộ lọc dành cho tần số thu và bộ lọc còn lại cho tần số phát, giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.
Lý thuyết về mạch lọc được Campbell và Wagner đề xuất vào năm 1915, dựa trên nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết dao động cổ điển Qua thời gian, lý thuyết này đã phát triển thành các thiết kế 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 Sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu cũng 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.
Sự phát triển của mạch lọc tần số
Lý thuyết về mạch lọc được Campbell và Wagner đề xuất lần đầu vào năm 1915, xuất phát từ nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về hệ dao động Sau đó, các nghiên cứu phát triển theo hai hướng độc lập: lý thuyết về các tham số ảnh và lý thuyết tổn hao xen.
Phương pháp tham số ảnh, được phát triển vào những năm 1920 bởi Campbell, Zobel và một số người khác, cho phép xây dựng các mạch lọc thụ động bằng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng hai cửa khác biệt so với các tham số tán xạ, nhưng sự mô tả này thường không chính xác do các tham số đầu vào và đầu ra không thể hiện đúng Mặc dù phương pháp này chỉ là một phương pháp xấp xỉ, nó có ưu điểm là cho phép thiết kế mạch lọc bậc cao mà không cần máy tính, và là phương pháp duy nhất được biết đến cho đến năm 1939 Tuy nhiên, người thiết kế gặp khó khăn trong việc kiểm soát đặc tính dải thông và dải chắn, do đó, phương pháp này không đảm bảo độ chính xác cao hơn.
Lý thuyết về tổn hao xen đã chứng tỏ tính hiệu quả vượt trội so với phương pháp tham số ảnh của Darlington và Cauer từ năm 1939 Lý thuyết này cho phép xấp xỉ đặc tính của mạch lọc thông qua hàm truyền đạt, từ đó xây dựng mạch điện phù hợp Quá trình thiết kế mạch lọc được chia thành hai bước: xác định hàm truyền đạt và tổng hợp mạch điện dựa trên đáp ứng tần đã ước lượng Tuy nhiên, phương pháp này chưa được chú ý do yêu cầu tính toán lớn, và chỉ đến giữa những năm 1950, nó mới được áp dụng rộng rãi Nhờ vào sự phát triển của máy tính tốc độ cao, lý thuyết tổn hao xen ngày càng trở nên phổ biến hơn so với phương pháp tham số ảnh, và sẽ được trình bày chi tiết hơn trong phần sau của đồ án.
Sự phát triển của lý thuyết mạch lọc đã dẫn đến việc thiết kế các cấu trúc lọc từ mạch cộng hưởng tham số LC đến các dạng phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Tiến bộ trong công nghệ vật liệu, bao gồm gốm, thạch anh và vật liệu siêu dẫn, đã mở ra cơ hội cho việc nghiên cứu và chế tạo các cấu trúc lọc mới Mạch lọc vi dải trở thành một lựa chọn quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in Trong các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều loại cấu trúc lọc như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và vi dải được sử dụng Bộ lọc đồng trục có ưu điểm về che chắn điện từ và kích thước nhỏ, nhưng khó chế tạo Cấu trúc điện môi mặc dù nhỏ và ít tổn hao nhưng có giá thành cao và kỹ thuật xử lý phức tạp Bộ lọc ống dẫn sóng được ưa chuộng nhờ khả năng kiểm soát công suất, nhưng kích thước lớn là nhược điểm Hiện nay, mạch lọc thông dải đang được sử dụng phổ biến trong thiết bị thông tin vô tuyến nhờ dễ dàng chế tạo và những ưu điểm vượt trội.
Phân loại bộ lọc
Bộ lọc được chia thành hai loại chính: 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 các tín hiệu và có mức tăng ít hơn một.
Mạch lọc tần số được chia thành bốn loại chính theo 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 trong dải tần dưới và trên tần số cắt đi qua, trong khi mạch lọc thông dải và chắn dải chỉ cho phép hoặc chặn tín hiệu trong một dải tần nhất định giữa hai tần số cắt.
1.4.1.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 mạch lọc phổ biến là mạch lọc Chebyshev, nổi bật với đáp ứng tần số đặc trưng Hình dưới đây minh họa biểu đồ đáp ứng biên tần của mạch lọc thông thấp Chebyshev.
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
1.4.2 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 Chức năng của mạch lọc thông cao đối lập với mạch lọc thông thấp; những tần số được cho phép qua bởi mạch lọc thông thấp sẽ bị chặn bởi mạch lọc thông cao và ngược lại Mạch lọc thông cao tương tự như mạch lọc thông thấp, chỉ khác về vị trí của linh kiện Cả hai loại mạch này đều có thể có đáp ứng Butterworth và đáp ứng Tschebyscheff.
Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng được xác định rõ ràng, trong đó có sự so sánh giữa đáp ứng Butterworth và đáp ứng Tschebyscheff của mạch lọc thông cao tích cực Hình 1.6 minh họa sự khác biệt này, cho thấy cách mà các loại đáp ứng tần số ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ lọc.
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
1.4.3 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 nhỏ hơn hoặc lớn hơn đều bị chặn So với bộ lọc thông thấp và thông cao, mạch lọc dải thông phức tạp hơn nhiều Thực tế, bộ lọc thông thấp và thông cao cũng có thể được xem như là một dạng của bộ lọc dải thông, với tần số cắt dưới trong mạch lọc thông thấp nằm dưới 0 Hz.
Mạch lọc dải thông được tạo ra bằng cách kết hợp mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao, mang lại tính linh hoạt cao hơn do có nhiều thông số điều chỉnh Các thông số quan trọng bao gồm độ lợi (K), bậc lọc (N), tần số trung tâm (Fc) và băng thông (BW) Thêm vào đó, hệ số phẩm chất Q cũng là một thông số quan trọng, được tính toán từ Fc và BW Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng được định nghĩa rõ ràng, giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất của mạch lọc này.
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
1.4.4 Bộ lọc chắn dải BSF
Bộ lọc chắn dải BSF là loại bộ lọc cho phép các tần số nằm ngoài khoảng tần số giới hạn đi qua, trong khi các tần số nằm trong vùng giới hạn sẽ bị chặn lại Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được định nghĩa một cách rõ ràng, giúp người dùng hiểu rõ cách thức hoạt động của nó.
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 cao tần với tham số phân bố
Bộ lọc siêu cao tần là mạng 2 cổng dùng để điều chỉnh đáp ứng tần số tại vị trí cụ thể trong hệ thống siêu cao tần, bao gồm bộ lọc tần số thấp dưới 500 MHz Các mạch lọc này thường được sử dụng trong máy thu phát cao tần.
Tại tần số thấp dưới 500 MHz, mạch lọc sử dụng linh kiện tham số tập trung như cuộn cảm và tụ điện Tuy nhiên, ở dải siêu cao tần, điện kháng và điện nạp không còn biến thiên tuyến tính theo tần số, do đó thiết kế mạch lọc cần xem xét các tham số phân tán Mặc dù vậy, ở tần số tương đối thấp và dải tần hẹp, các linh kiện tham số phân tán vẫn có thể được xấp xỉ như linh kiện tham số tập trung, cho phép áp dụng phương pháp tính toán và tổng hợp bộ lọc cũ với độ chính xác tương đối cho dải tần siêu cao.
1.5.1 Một số bộ lọc của mạch lọc siêu cao tần
1.5.1.1 Bộ lọc thông thấp của mạch lọc siêu cao tần
Mạch lọc hai cửa được mô tả trong hình 1.10, bao gồm nguồn điện áp V S và trở kháng nguồn Z S, cùng với trở kháng tải Z L Giả thiết rằng sóng công suất tới mạch lọc có biên độ bằng 1, biên độ của sóng phản xạ và sóng truyền qua sẽ tương ứng với hệ số phản xạ.
R và T , là các hàm phụ thuộc tần số [6]
Mạch lọc thông thấp được đặc trưng bởi tần số chuẩn hóa, với tần số này được xác định bằng công thức / c Hình 1.10 minh họa sơ đồ mạch lọc hai cửa, bao gồm hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ.
c là tần số cắt, và đáp ứng tần được đặc trung bởi 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 liên quan đến độ gợn của đáp ứng tần trong dải thông, việc lựa chọn F N(Ω) phụ thuộc vào yêu cầu loại bỏ tần số ngoài dải và độ gợn đáp ứng tần cho phép Thông thường, có hai loại bộ lọc chính: bộ lọc Butterworth (bộ lọc phẳng tối đa) và bộ lọc Chebyshev (bộ lọc có gợn đồng đều) Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa được xác định theo các tiêu chí cụ thể.
Còn đối với bộ lọc Chebyshev:
L k T (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 Hai đồ thị cho thấy đáp ứng tần số của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần số cắt so với mạch lọc Butterworth, cho thấy bộ lọc Chebyshev có đặc tính lọc dốc hơn, gần giống với đặc tính lọc lý tưởng như 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 trình bày hai dạng mạch lọc thông thấp kiểu bậc thang, trong đó g_k là thành phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k Các thành phần g_0 và g_N+1 đại diện cho 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, với các giá trị chuẩn hóa g k được tính theo công thức cụ thể.
k= 1,2,3…,N (1.9) Đối với mạch lọc Chebyshev, giả sử cho trước giá trị L c 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, như được trình bày trong tài liệu tham khảo Các giá trị g k được tính toán theo công thức cụ thể.
1.5.1.2 Bộ lọc thông cao của mạch lọc siêu cao tần
Bộ lọc thông thấp mẫu này được thiết kế với mạch điện hình bậc thang, bao gồm các thành phần điện cảm và điện dung (g k), hoạt động hiệu quả trong miền tần số chuẩn hóa.
Áp dụng phương pháp tính toán thiết kế 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 số chuẩn hóa Ω về miền tần số ω Đồng thời, phương pháp biến đổi trở kháng cũng được áp dụng để đồng bộ hóa trở kháng nguồn tải với điện kháng của các thành phần trong mạch lọc Hình 1.13 và hình 1.14 mô tả sơ đồ mạch lọc thông dải hai cửa cùng với đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số.
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
Trong mạch lọc thông dải, các thành phần điện dung và điện cảm từ mạch lọc thông thấp sẽ được chuyển đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối tiếp Điều này chỉ xảy ra khi tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần số cắt dưới của mạch thông dải tương đương với tổn hao xen tại Ω = c1 của mạch thông thấp ban đầu Do đó, các giá trị Lk và Ck cho từng nhánh cộng hưởng sẽ được tính toán dựa trên các điều kiện này.
đối với nhánh LC nối tiếp (1.15)
đối với nhánh LC song song (1.16)
1.5.1.3 Bộ lọc thông dải của mạch lọc cao tần
Bộ lọc thông dải được xây dựng từ bộ lọc thông thấp, bao gồm các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song kết hợp với nhau Trong thực tế, thiết kế đồng thời các bộ cộng hưởng này, đặc biệt ở dải tần siêu cao, thường gặp khó khăn Do đó, người ta sử dụng bộ biến đổi trở kháng hoặc dẫn nạp để kết nối các bộ cộng hưởng cùng loại, tạo thành mạch lọc thông dải Bộ biến đổi này có tác dụng 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 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)
Xét một mạng điện với phần tử dẫn nạp Yp(ω) được đặt giữa hai bộ biến đổi trở kháng, như mô tả trong hình 1.16(a) Trở kháng vào của mạng có thể được xác định từ hai đầu của nó.
Trở kháng nối tiếp Z S (ω) tương đương với dẫn nạp song song Y p (ω), cho thấy rằng việc biến đổi giữa hai loại trở kháng này là khả thi Hơn nữa, khi đặt trở kháng nối tiếp Z S (ω) giữa hai bộ biến đổi dẫn nạp J, nó sẽ tương đương với một phần tử dẫn nạp song song Y p (ω), như minh họa trong Hình 1.16 (b).
Kết luận chương
Mạch lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin bằng sóng điện từ và đã trải qua quá trình phát triển lâu dài Mặc dù đã tương đối hoàn thiện, nghiên cứu về các lý thuyết mới vẫn tiếp tục diễn ra, tập trung vào các phương pháp tính toán cơ bản để tạo ra cấu trúc lọc nhỏ gọn và tối ưu hóa khả năng chọn lọc tần số Các lý thuyết này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các chương tiếp theo.
DGS (Defected Ground Structure) VÀ DMS (Defected Microstrip Structure) TRONG BỘ 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.
Đường truyền 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 Độ dày dải dẫn điện (t) và dẫn suất (ϭ) thường ít quan trọng hơn và có thể được bỏ qua trong một số 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), cho thấy rằng trong một số vùng chỉ tồn tại 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 khí Tại bề mặt này, các đường sức điện trường không liên tục, và thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục khi truyền qua biên Khi chất nền có hằng số điện môi là 10, điện trường sẽ giảm đột ngột 10 lần so với trong không khí Đồng thời, một phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí và một phần trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng cho các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị của hằng số điện môi không khí và hằng số điện môi của chất nền.
Hình 2.2 Giản đồ trường của một đường vi dải.
DMS (Defected Microstrip Tructure) và cấu trúc lọc DMS
DMS là cấu trúc khắc trên đường truyền vi dải, tương tự như DGS, giúp tăng chiều dài điện từ trong đường truyền vi dải Các DMS có các chắn dải và đặc điểm sóng ngắn được thể hiện trong hình 2.4 Các thành phần viba mới nhất của bộ lọc chắn dải và bộ lọc thông thấp có thể được thiết kế dựa trên những đặc tính này Để so sánh sự khác biệt, các 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 2.2 cho hình 2.3a và 10.2 cho hình 2.3b, với độ dày tương ứng 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 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 truyền thống, điều này được minh họa trong hình 2.5.
Mô phỏng thông số S trong đường truyền vi dải được trình bày ở 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, mô phỏng cũng đề cập đến εr = 10.2 với các thông số a = 0.2 mm, b = 14 mm, c = 0.3 mm, d = 0.3 mm.
Nghiên cứu cho thấy rằng DMS có thể được mô tả bởi chiều dải khe nằm ngang b và chiều rộng khe dọc a, trong đó chiều dài khe ngang b ảnh hưởng đến hiệu quả điện cảm, tăng lên khi b gia tăng, và được sử dụng cho băng tần chắn dải thấp hơn Ngược lại, độ rộng khe dọc a ảnh hưởng đến hiệu quả điện dung, giảm khi a tăng, dẫn đến điện dung thấp và tần số cộng hưởng 𝐟 𝟎 cao hơn Đặc tính chắn dải của DMS sử dụng đường truyền vi dải có 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 dưới dạng mạch cộng hưởng LC song song, với hiệu suất băng tần tương tự như các đơn vị DGS Do đó, các mô hình mạch tương đương của DGS có thể áp dụng để xác định các thông số mạch tương đương của DMS, trong đó điện cảm L và điện dung C có thể được biểu diễn một cách cụ thể.
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, 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 10.2 và độ dày 1.27 mm Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc chặn 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 cặp truyền dẫn zeros có tổn hao không thấp hơn 36 dB.
Bộ lọc chắn dải đơn băng với DMS được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở băng tần kép và ba băng Cấu trúc của bộ lọc bao gồm một cặp khe thẳng đứng, trong đó khe ngang tác động đến hiệu quả của điện cảm, trong khi khe dọc ảnh hưởng đến hiệu quả của điện dung.
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
Bộ lọc chắn dải băng kép và ba băng với DMS có cấu trúc và mạch tương đương, như thể hiện trong hình 2.8 Đáp ứng tần số mô phỏng của bộ lọc này được minh họa trong hình 2.9, trong khi mối quan hệ giữa tần số hoạt động và thông số b được trình bày 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 hơn 18 mm, bộ lọc chắn dải ba băng cho thấy hiệu quả rõ rệt đối với các điện cảm Mô phỏng đáp ứng tần số cho thấy khi b = 20 mm, bộ lọc hoạt động tại các tần số 1.55 GHz, 4.59 GHz và 7.59 GHz Tần số hoạt động của bộ lọc này có xu hướng thay đổi tương tự như băng tần kép, với sự biến thiên tần số của băng thứ ba rõ rệt hơn so với các băng còn lại.
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.
DGS (Defected Ground Tructure) và một số cấu trúc DGS
Cấu trúc DGS (Defected Ground Structure) là một dạng cấu trúc được tạo ra từ các hình dạng khắc trên mặt phẳng kim loại, có thể có chu kỳ hoặc không Đây là phiên bản cải tiến của cấu trúc PBG (Photonic Band Gap), cho phép người thiết kế dễ dàng điều chỉnh mạch tương đương (LC) Cấu trúc DGS thường được ứng dụng trong việc thiết kế các bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộ chia/ghép, bộ tạo dao động và anten, mang lại hiệu quả cao trong các hệ thống vi sóng.
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 bỏ tần số 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 một vùng khắc lỗ rộng có các rãnh hẹp kết nối trên mặt phẳng kim loại Đây là loại cấu trúc DGS đầu tiên được phát triển Các cấu trúc DGS thể hiện đặc tính của bộ lọc chắn dải, mang lại hiệu suất cao cho sóng ngắn và có tính kháng trở lớn DGS có nhiều ưu điểm so với PBG, bao gồm diện tích chu vi nhỏ gọn mà không cần cấu trúc định kỳ, vì một số nguyên tố DGS có đặc tính tương tự như cấu trúc định kỳ và dải chắn.
Vùng tham số S mô phỏng cấu trúc DGS hình chuông tương thích với đáp ứng chậm loại Butterworth một cực, giúp đơn giản hóa việc xây dựng mô hình DGS và dễ dàng lấy ra mạch tương đương DGS tiêu tốn ít dung lượng chu vi và có cấu trúc nhỏ gọn, hiệu quả trong việc xử lý sóng ngắn So với PBG, DGS không chỉ dễ thiết kế và vận hành mà còn có độ chính xác cao với các cấu trúc khắc thông thường Chính vì vậy, DGS được ứng dụng rộng rãi trong các vòng xoay của lò vi sóng và có ưu thế hơn PBG trong sóng vi dải, đặc biệt khi yêu cầu kích thước trong điều kiện công nghệ chế tạo có hạn chế.
Hình 2.14 Cấu trúc DGS cơ bản Hình 2.15 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 2.16 Các hình dạng cấu trúc DGS khác nhau
Việc sử 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, tương tự như một đường uốn khúc, giúp tạo ra chắn dải rộng và cho phép số lượng lớn chu kỳ trong một khu vực vòng xoáy Đơn vị DGS mới thiết kế này mang lại nhiều lợi thế hơn so với DGS quả tạ.
Hệ số sóng ngắn cao hơn cùng với mạch nhỏ gọn hơn là những ưu điểm nổi bật của bộ lọc mới, với khu vực vòng xoáy hình chữ H có chu vi nhỏ hơn khoảng 26,3% so với cấu trúc DGS quả tạ.
DGS hình chữ U có yếu tố Q lớn hơn 36,05 với băng thông 3 dB là 0,081 GHz, so với DGS xoắn ốc chỉ có yếu tố Q 7,478 và băng thông 3 dB 0,39 GHz Điều này cho thấy DGS hình chữ U được thiết kế để tạo ra các tần số cộng hưởng tương tự, mang lại hiệu suất cao hơn trong việc nhận dạng các thiết bị chủ động và bị động Các cấu trúc DGS mới này rất hữu ích trong việc thiết kế mạch sóng vi dải nhỏ gọn và ngăn chặn các họa âm.
Cấu trúc chu kỳ như PBG và DGS đang được chú ý nhiều trong ứng dụng ăng-ten và lò vi sóng, nhờ vào khả năng truyền thẳng đường 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 bổ sung các thành phần tương tự là những yếu tố quan trọng giúp nhận diện cấu trúc chu kỳ, đồng thời giảm kích thước mạch Chu kỳ thể hiện sự lặp lại của các cấu trúc vật lý, và khi kết nối các tế bào DGS cộng hưởng trên mặt khắc, độ sâu và chiều rộng băng thông của chắn dải sẽ phụ thuộc vào số lượng chu kỳ Các thông số quan trọng của DGS chu kỳ bao gồm hình dạng đơn vị DGS, khoảng cách giữa các đơn vị 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 2.17 Cấu trúc DGS chu kỳ a) DGS chu kỳ theo chiều ngang; b) DGS chu kỳ theo chiều dọc
Cấu trúc đề xuất VPDGS nổi bật với khả năng tạo ra chu kỳ theo cả hai hướng thẳng đứng và nằm ngang Trong khi đó, DGS thông thường chỉ có cấu trúc HPDGS với tầng nối tiếp dọc theo hướng truyền Ban đầu, HPDGS được phát triển để mở rộng dải chắn của đường cong đáp ứng tần số Các cấu trúc khắc hình vuông của DGS chu kỳ cung cấp chắn dải tốt và đặc tính truyền sóng ngắn, được ứng dụng trong máy tạo dao động và bộ khuếch đại Đã có 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 Ứng dụng VPDGS có yếu tố sóng ngắn cao hơn HPDGS, dẫn đến độ dài dòng điện lớn hơn mặc dù độ dài vật lý không thay đổi Ví dụ, bộ khuếch đại có thể giảm kích thước nhờ VPDGS, với đường truyền sóng vi dải giảm tới 38,5% và 44,4% so với độ dài ban đầu.
Cấu trúc bộ lọc DGS kết hợp đường truyền vi dải
Nghiên cứu này giới thiệu bộ lọc thông thấp DGS với cấu trúc đơn giản gồm vùng ăn mòn kích thước a = 4.15mm, b = 6.2mm và khe g = 0.5mm nằm ở biên, cùng với bề rộng w = 1.2mm 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 2.18 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS
Hình 2.19 mô tả cấu trúc DGS với miền ăn mòn a, b và khe (g), trong đó có hai vị trí khảo sát: khe (g) ở biên và khe (g) ở trung tâm Để đánh giá ảnh hưởng của việc dịch chuyển khe (g) từ biên đến trung tâm, chúng tôi đã mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) tại các vị trí khác nhau của (g) Kết quả thu được là các đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số, như thể hiện trong hình 2.20 với các vị trí từ g1 đến g7 Qua hình 2.20, có thể nhận thấy rằng khi khe (g) di chuyển đến vị trí trung tâm, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc tăng gần như theo tỷ lệ tuyến tính.
Hình 2.20 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, sẽ được khảo sát khi thay đổi độ rộng khe (g) từ 0.5mm đến 1.2mm Mục tiêu là đánh giá ảnh hưởng của độ rộng khe (g) tới 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 phân tích ảnh hưởng của độ rộng khe 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 khác nhau của g, 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 gần như tuyến tính.
Hình 2.22 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
Hình 2.23 mô tả cấu trúc DGS với a=b=6.2 mm và khe (g) ở biên Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ rộng khe (g) 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 khác nhau của (g) Mỗi vị trí của (g) cho ra một đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số, như thể hiện trong hình 2.24 với một số đồ thị tại các giá trị khác nhau của (g).
Từ hình 2.24 ta thấy khi g tăng thì tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc sẽ tăng gần như tuyến tính
Để khảo sát 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 thu được đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số Hình 2.25 minh họa một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá trị a tăng dần đến b Kết quả cho thấy, khi giá trị a tiến gần đến b, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc giảm gần như tuyến tính.
Hình 2.25 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 [3]
2.6.1 Cấu trúc đào thoát hình π và đặc tính cộng hưởng
Hình 2.26 Cấu trúc khắc hình chữ π
(a) DMS hình π (mặt trên ) (b) DGS hình π (mặt dưới)
Cấu trúc đào thoát trong vùng xám là kim loại và vùng trắng là chất nền, với vật liệu có hằng số 2.65 và độ dày 1.6 mm được sử dụng để phân tích các đặc điểm cộng hưởng Đường truyền vi dải có bề rộng 4.3 mm và trở kháng 50 Ω, cùng với các thông số a1, a2 = 7 mm và b1, b2, c1, c2, d1, d2 = 0.4 mm, được mô phỏng bằng phần mềm HFSS 11 Cấu trúc DMS hình π được phân tích chi tiết về ảnh hưởng của tham số a, với hình 2.27 cho thấy DMS hình π có tần số cộng hưởng duy nhất tại 5.39 GHz, giảm khi kích thước a tăng Tương tự, DGS hình π có tần số cộng hưởng tại 5.43 GHz, cũng giảm khi kích thước a tăng DMS hình π có đặc điểm sóng ngắn và đặc điểm chắn dải tương tự như DGS hình π.
Hình 2.27 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 hao xen 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 khả năng chắn dải, cho phép thiết kế bộ lọc chắn dải thu nhỏ Bộ lọc A, được thể hiện trong hình 2.28, bao gồm hai tầng và hiển thị 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 2.29 Hình 2.29 cũng hiển thị mặt trên và mặt dưới của bộ lọc B Trong cả hai hình, 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, và diện tích của bộ lọc B không tăng so với bộ lọc A.
Hình 2.28 Cấu trúc của bộ lọc chắn dải DMS hình π
Hình 2.29 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 2.30 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 2.31 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 trong hình 7, có thể nhìn thấy từ hình 2.32., 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 2.30 Hình ảnh thực tế của 2 bộ lọc chắn dải (Bộ lọc A và bộ lọc B)
Hình 2.31 Kết quả mô phỏng và đo tần số cộng hưởng của bộ lọc chắn dải A
Hình 2.32 Kết quả mô phỏng và đo tần số cộng hưởng của bộ lọc chắn dải B.
Kết luận chương
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá khái niệm về đường truyền vi dải, cấu trúc của nó, cũng như các loại cấu trúc DGS và DMS từ cơ bản đến phức tạp, bao gồm nhiều hình dáng và sự kết hợp khác nhau Sự đa dạng của các cấu trúc này sẽ được làm rõ hơn, và trong chương sau, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết cách thiết kế một cấu trúc DGS kết hợp với cấu trúc DMS.
THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG DGS (Defected Ground Structure) VÀ DMS (Defected Microstrip Structure)
Giới thiệu chương
Chương 3 sẽ đưa ra bài toán thiết kế và mô phỏng mạch lọc sử dụng cấu trúc DGS và DMS Hai cặp đường truyền vi dải ghép khe là thích hợp để cung cấp đáp ứng lọc và việc ghép khe giữa chúng phụ thuộc vùng ghép và khoảng cách giữa chúng Các hệ số ghép một lần nữa được cải thiện bằng cách thực hiện thêm vòng chia DGS ở mặt đất Các thông số thiết kế trong đồ án này sử dụng các thông số ban đầu trong thiết kế của [7] Kết quả mô phỏng của đồ án sẽ được so sánh với [7].
Giới thiệu cấu trúc bộ lọc mới sử dụng DGS và DMS
Nhiều nghiên cứu cho thấy mô hình khắc trên bề mặt đất kim loại là giải pháp hiệu quả để tạo ra dải băng tần hạn chế cho băng chắn và sóng ngắn, nhờ vào việc giảm thiểu xáo trộn từ các dòng điện phân phối DGS hình chuông, được phát hiện bởi D.Ahn, đã được ứng dụng trong thiết kế bộ lọc thông thấp Một đơn vị DGS được mô tả như bộ lọc Butterworth đơn cực, trong đó điện dung được thu nhận từ khe và điện cảm từ các vòng lặp.
Các nghiên cứu về DGS hình chuông đã chỉ ra rằng các hình dạng khác nhau có thể được sử dụng để thiết kế bộ lọc, bộ chia và bộ khuếch đại Một bộ lọc với tần số làm việc và tần số cắt giới hạn cao hơn sẽ cho hiệu suất tốt hơn so với các bộ lọc cực Chen JX đã đề xuất một cấu trúc DGS hình ellip, trong đó một phương pháp tiếp cận mới được áp dụng để cải thiện hiệu quả hoạt động của các đường dây truyền tải vi dải thông qua việc sử dụng các khe trong đường truyền vi dải Cấu trúc này được gọi là cấu trúc khắc trên đường truyền vi dải (DMS), mang lại giải pháp hấp dẫn để đạt được dải thông, dải chắn và đặc tính sóng ngắn tốt.
Các yếu tố sóng ngắn trên vi dải đã tăng lên do nhiễu loạn trong đường truyền, gây ra bởi quỹ đạo xung quanh các khe trong dòng điện cảm và điện dung cao Điều này giúp tạo ra băng chắn và kích thước nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng đang phát triển Bài viết này trình bày việc nghiên cứu DMS kết hợp với DGS hình elip để phát triển bộ lọc hiệu quả Các mảng DMS hai đơn vị đã được áp dụng để đạt được phản ứng dừng bộ lọc, trong khi các đơn vị DMS tiếp giáp với dòng vi dải và cấu trúc DGS đã tạo ra phản ứng lọc thông dải, có thể được sử dụng trong các bộ lọc sóng vi dải hiện đại và hệ thống truyền thông RF như truyền hình vệ tinh, GPS, và Bluetooth.
Giới thiệu sơ lược về 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) cho các cấu trúc ba chiều Nó cho phép tính toán các đặc trưng điện học của linh kiện tần số cao và tốc độ cao, giúp các kỹ sư tách các tham số kí sinh như S, Y, Z HFSS cũng hỗ trợ hình dung trường điện từ ba chiều, bao gồm trường khu gần và trường khu xa, đồng thời tạo ra các mẫu chương trình mô phỏng cho mạch in (SPICE) và thực hiện thiết kế tối ưu.
HFSS là phần mềm mô phỏng điện từ hàng đầu, cho phép mô tả chính xác hoạt động điện của linh kiện và đánh giá hiệu quả chất lượng tín hiệu thông qua việc phân tích tổn hao đường truyền, tổn hao phản xạ, đối ngẫu kí sinh và phát xạ Với khả năng mô phỏng các trường điện từ trong cấu trúc ba chiều bao gồm kim loại, điện môi và vật liệu từ, HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều Phần mềm này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp cho thiết kế tần số vô tuyến RF, anten và mạch in Theo www.ansoft.com, HFSS không chỉ là phần mềm chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S mà còn hỗ trợ mô phỏng điện từ cho các linh kiện tần số cao với tốc độ nhanh chóng Nó được sử dụng để thiết kế các phần tử thụ động trên chip, đầu nối mạch in, anten, linh kiện RF/vi ba và gói IC tần số cao, giúp phát triển sản phẩm khoa học nhanh chóng và nâng cao độ chính xác trong thiết kế.
Phiên bản mới nhất của HFSS mang đến những cải tiến cho các kỹ sư RF và vi ba, đồng thời mở rộng khả năng phối hợp thiết kế điện từ với các lĩnh vực khác trong thiết kế IC RF/analog, thiết kế multi-gigabit, cũng như trong các vấn đề liên quan đến EMI/EMC.
HFSS được sử dụng để mô phỏng các đầu nối, ống dẫn sóng, linh kiện trên chip và anten Ngoài ra, HFSS còn hỗ trợ khảo sát các tham số và tối ưu cấu trúc thiết kế.
HFSS là một phần của họ sản phẩm của Ansoft
- Các bộ quét tần số
Khi người sử dụng muốn tạo ra một lời giải qua một dải tần số, việc thực hiện một bộ quét tần số là cần thiết Có nhiều loại bộ quét khác nhau mà người dùng có thể lựa chọn để đáp ứng nhu cầu của mình.
Nhanh chóng tạo ra một lời giải duy nhất cho mỗi phép chia trong một khoảng tần số, đặc biệt hiệu quả cho các mẫu đột ngột cộng hưởng hoặc thay đổi hoạt động trong băng tần số.
Rời rạc là phương pháp tạo ra các lời giải trường tại các điểm tần số cụ thể trong một dải tần Phương pháp này hiệu quả nhất khi chỉ cần mô tả chính xác kết quả ở một số ít điểm tần số trong dải tần.
Nội suy là quá trình đánh giá một lời giải cho toàn bộ dải tần, mang lại hiệu quả tốt nhất khi dải tần rộng và đáp ứng tần số một cách đồng đều Điều này trở nên cần thiết khi yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá tài nguyên sẵn có của bạn.
Thiết lập các kích thích trong thiết kế HFSS giúp bạn xác định các nguồn trường điện từ, bao gồm điện tích, dòng điện và điện áp trên vật thể hoặc bề mặt Các loại kích thích này bao gồm: Wave port, Lumped port, sóng tới, nguồn điện áp, nguồn dòng điện và nguồn phân cực từ.
Các điều kiện biên đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính trường trên bề mặt của vùng bài toán và các giao diện vật thể Những điều kiện này bao gồm nhiều loại đường biên khác nhau như Perfect E, Perfect H, trở kháng, phát xạ, PML, chất dẫn điện hữu hạn, đối xứng, chủ-tớ, lumped RLC, trở kháng phân lớp và các mặt phẳng đất vô hạn Việc hiểu rõ các loại điều kiện biên này là cần thiết để tối ưu hóa các mô hình và giải pháp trong lĩnh vực kỹ thuật.
Các tính chất của vật liệu tuyến tính:
+ Hệ số từ thẩm tương đối
+ Hệ số điện môi tương đối
+ Tổn hao điện môi tiếp tuyến
+ Tổn hao từ tiếp tuyến
Các tính chất của vật liệu ferít:
Thông tin cũng bao gồm những điều sau:
+ Các vật liệu không đẳng hướng
+ Các tính chất của vật liệu phụ thuộc tần số
Khi sử dụng HFSS, bạn nên chọn loại lời giải Driven Modal để tính toán các hệ số S cho linh kiện thụ động và cấu trúc tần số cao như vi dải, ống dẫn sóng và đường truyền dẫn Các lời giải ma trận S sẽ được thể hiện dưới dạng các số hạng liên quan đến năng lượng tới và phản xạ của các mốt trong ống dẫn sóng.
Khi sử dụng HFSS để tính toán các tham số S, bạn nên chọn loại lời giải Driven Terminal, đặc biệt khi làm việc với các cổng truyền dẫn đa chất dẫn Các lời giải ma trận S sẽ được thể hiện dưới dạng các số hạng của điện áp và dòng điện tại các đầu cuối.
Lựa chọn phương pháp giải mốt riêng là cần thiết để xác định các mốt riêng và cộng hưởng của cấu trúc Bộ giải mốt riêng sẽ xác định các tần số cộng hưởng cũng như các trường tương ứng tại những tần số này.
Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng DGS
Để thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng DGS, chúng ta sẽ tạo ra một bộ lọc với hình dạng và kích thước như hình 3.1 Phần mềm HFSS sẽ được sử dụng để mô phỏng đặc tính tần số của bộ lọc Nghiên cứu đặc tính cấu trúc này sẽ được thực hiện với nền điện môi PTFE có hệ số điện môi ℰ r = 3.2, suy hao tiếp xúc 0.0025 và độ dày 0,79 mm Độ rộng (W) của đường truyền vi dải là 1.92 mm, tương ứng với trở 50Ω, và các kích thước của L, T và g lần lượt là 4 mm.
Khe ghép có thể được cải thiện bằng cách chia vòng DGS trên mặt phẳng đất, bên dưới đường vi dải xung quanh khe ghép Các kích thước của đơn vị DGS bao gồm a = 4 mm, t = 0.5 mm và S = 0,5 mm.
Hình.3.1 Kết cuối cấu trúc vi dải[7]
Hình.3.2 Cấu trúc sửa đổi với DGS đơn vị[7]
Kết quả khảo sát với những thông số ban đầu được thể hiện trong hình 3.3.
Khảo sát sự thay đổi các tham số
Để khảo sát sự thay đổi của các tham số, chúng ta sẽ điều chỉnh từng tham số một cách tuần tự, trong khi giữ nguyên các tham số khác Phương pháp này giúp làm nổi bật sự khác biệt khi thay đổi từng tham số Cụ thể, chúng ta sẽ thay đổi khoảng cách khe g giữa hai cặp đường truyền vi dải và khoảng cách s của vòng chia DGS, cùng với các tham số a và t.
3.5.1 Thay đổi các tham số bằng cách thay đổi khoảng cách khe g Để khảo sát sự thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách khe g ta có thể lần lượt tăng khe g lên theo nhiều bước nhảy khác nhau g = 0.6, 0.8, 1, 1.6, 2
Khảo sát khi g = 0.6 ta có kết quả như hình 3.3
Hình 3.3 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi g = 0.6 mm
Khi ta tăng g lên 0.8 mm thì đồ thị đã có sự thay đổi rõ rệt trên hình 3.4
Hình 3.4 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi tham số g thay đổi
Bằng cách thay đổi giá trị g theo các bước nhảy đã nêu, chúng ta có thể quan sát sự biến đổi rõ rệt của các điểm làm việc và các điểm tần số cắt trên đồ thị, như được minh họa trong hình 3.5.
Hình.3.5.Thay đổi của f với thông số S khi g thay đổi
Hình 3.5 cho thấy sự thay đổi của thông số tán xạ theo khoảng cách khác nhau của khe g, với các thông số khác không đổi Khoảng cách tăng lên dẫn đến việc giảm tác động của khe điện từ giữa các đường truyền vi dải, làm giảm hệ số ghép (klog 10 (I2 I1) 2) Đồng thời, sự gia tăng khoảng cách cũng làm giảm hệ số Sharpness và các thuộc tính đặc trưng khác, như được thể hiện trong Bảng 3.1 Kết quả này được so sánh với nghiên cứu trong tài liệu [7] được trình bày ở Bảng 3.2.
Bảng 3.1 Các thông số khác nhau khi thay đổi g
Tần số làm việc f 01 (Ghz)
Hệ số Sharpness (Db/Ghz )
Hệ số ghép nối của Mag (k)
Bảng 3.2 Các thông số khác nhau khi g thay đổi trong [7]
Tần số làm việc f 01 (Ghz)
Hệ số Sharpness (Db/Ghz )
Hệ số ghép nối của Mag (k)
Từ bảng 3.1, ta nhận thấy tần số làm việc f01 thấp hơn tần số cắt fc1 và không thay đổi nhiều khi g thay đổi; tuy nhiên, tần số cộng hưởng và tần số làm việc f01 lại giảm khi khoảng cách khe tăng, như thể hiện trong hình 3.6 So với bảng 3.2, có sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng của đồ án và nghiên cứu [7].
Tổn hao xen có sự thay đổi gần như tuyến tính với g, trong khi hệ số ghép nối lại biến đổi theo cấp số nhân với g Về mặt toán học, f 01 liên quan đến g thông qua phương trình sau:
Y= 0.0224x 4 + 0.558x 3 + 5.025x 2 - 20.078x + 30,969 (3.1) Ở đây, x và y tương ứng với tần số làm việc f 01 (trong GHz) và khoảng cách khớp nối g (mm) tương ứng
Hình 3.6 Thay đổi của f 01 và f c1 khi g thay đổi
3.5.2 Thay đổi các tham số bằng cách thay đổi khoảng cách khe s Để khảo sát sự thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách khe s ta có thể lần lượt tăng khe s lên với bước nhảy 0.4 mm từ s = 0.2 mm tới 1.4 mm Và giữ nguyên các tham số khác không đổi
Khảo sát khi s = 0.2 ta có kết quả như hình 3.7
Hình 3.7 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi s = 0.2 mm
Khi ta tăng s lên đạt 0.6 mm thì đồ thị đã có sự thay đổi rõ rệt ,ta có thể quan sát sự thay đổi đó trên hình 3.8
Hình 3.8 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi tham số s thay đổi
Bằng cách lần lượt thay đổi giá trị s theo các bước nhảy đã nêu, chúng ta có thể khảo sát sự biến đổi của các điểm làm việc và các điểm tần số cắt 0 trên đồ thị, như được minh họa trong hình 3.9.
Hình 3.9 Thay đổi của f với thông số S khi s thay đổi
Hình 3.9 cho thấy sự biến đổi của thông số S với các giá trị khác nhau của chiều dài khe chia vòng S tại khoảng cách khớp nối g = 0,6 mm, trong khi các thông số khác được giữ không đổi Sự khác biệt trong đặc điểm được thể hiện rõ ràng trong Bảng 3.3, và kết quả này được so sánh với Bảng 3.4 trong nghiên cứu [7] Nhận thấy rằng khi tần số cộng hưởng tăng, chiều dài khe cũng gia tăng Đồng thời, tổng chiều dài đường điện xung quanh đơn vị DGS giảm, dẫn đến giảm giá trị điện cảm Sự gia tăng tần số cộng hưởng được thể hiện trên đồ thị Hình 3.9, với mối quan hệ toán học giữa f01 và S được mô tả bằng phương trình sau đây.
Y= 0,3401x 2 + 4.6851x - 14.838 (3.2) Trong đó, x và Y tương ứng với tần số làm việc f 01 (trong GHz) và chiều rộng khe S (mm) tương ứng Ta có thể thấy f c1 liên quan với s theo phương trình:
Y = 0.9521x 3 - 19.317x 2 + 131.29X – 298 (3.3) Ở đây, x và Y tương ứng với tần số cắt f c1 Ghz và chiều rộng chia S (mm)
Bảng 3.3 Các thông số khác nhau khi thay đổi S
(Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Bảng 3.4 Các thông số khác nhau khi thay đổi S [7]
(Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Hình 3.10 Thay đổi của f 01 và f c1 khi s thay đổi
3.5.3 Thay đổi các tham số chiều dài nhánh a, hoặc độ rộng nhánh t
Để khảo sát sự thay đổi khi điều chỉnh chiều dài nhánh a, chúng ta có thể tăng a theo các bước nhảy khác nhau, bắt đầu từ 3.5 mm đến 4.5 mm với bước nhảy 1 mm, sau đó tăng lên 5 mm với bước nhảy 0.5 mm, và cuối cùng tăng thêm 1 mm để tiếp tục nghiên cứu sự thay đổi.
Khảo sát khi a = 3.5 ta có kết quả như hình 3.11
Hình 3.11 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi a = 3.5 mm
Khi ta tăng a lên đạt 4.5 mm thì đồ thị đã có sự thay đổi rõ rệt, ta có thể quan sát sự thay đổi đó trên hình 3.12
Hình 3.12 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi tham số a thay đổi
Bằng cách thay đổi lần lượt giá trị a theo các bước nhảy đã nêu, chúng ta có thể quan sát sự biến đổi rõ rệt của các điểm làm việc và các điểm tần số cắt 0 trên đồ thị, như thể hiện trong hình 3.12.
Hình 3.13 Thay đổi của f với thông số S khi a thay đổi
Sự cải thiện về độ dài nhánh, tổng chu vi của vòng tăng và tổng chiều dài điện đã ảnh hưởng đến tần số làm việc và tần số cắt, như thể hiện trong hình 3.12 và bảng 3.5 Kết quả mô phỏng trong bảng 3.5 được so sánh với kết quả trong bảng 3.6 của nghiên cứu [7] Từ đáp ứng trên cùng với đồ thị ở hình 3.14, ta có thể rút ra những kết luận quan trọng.
Y = 0.002x 5 + 0.0623x 4 - 0.7556x 3 + 4.5422x 2 - 14028x + 22,443 (3.4) Ở đây, X và y tương ứng với f 01 (trong GHz) và chiều dài nhánh a (mm)
Bảng 3.5 Các thông số khác nhau khi thay đổi a
Chiều dài nhánh vòng a (mm)
Tần số làm việc f 01 (Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Bảng 3.6 Các thông số khác nhau khi thay đổi a[7]
Chiều dài nhánh vòng a (mm)
Tần số làm việc f 01 (Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Hình 3.14 Thay đổi của f 01 và f c1 khi a thay đổi
Chúng ta tiếp tục nghiên cứu sự thay đổi của tham số t bằng cách điều chỉnh độ rộng nhánh Cụ thể, chúng ta sẽ tăng giá trị t theo bước nhảy 0.25 mm để khảo sát những biến đổi xảy ra.
Khảo sát khi t = 0.5 ta có kết quả như hình 3.15
Hình 3.15 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi t = 0.5 mm
Khi ta tăng t lên 0.25 mm, t =0.75 mm thì đồ thị đã có sự thay đổi rõ rệt ,ta có thể quan sát sự thay đổi đó trên hình 3.15
Hình 3.16 Đáp ứng tần số |S 11 | và |S 21 | khi tham số t thay đổi
Bằng cách thay đổi t theo các bước nhảy đã nêu, chúng ta có thể quan sát sự biến đổi rõ rệt của các điểm làm việc và các điểm tần số cắt 0 trong đồ thị, như được thể hiện trong hình 3.17.
Hình 3.17 Thay đổi của f với thông số S khi t thay đổi
Thay đổi theo độ rộng nhánh t DGS liên quan theo phương trình sau:
Phương trình Y = 0.0011x^5 - 0.0321x^4 + 0.3409x^3 - 1.4433x^2 + 0.7419x + 11,29 (3.5) mô tả mối quan hệ giữa tần số cắt f c1 (Ghz) và độ rộng nhánh t (mm) Sự biến đổi của cộng hưởng và tần số cắt theo chiều rộng vòng t được thể hiện rõ trong hình 3.18 và Bảng 3.7 Kết quả từ Bảng 3.7 cho thấy sự tương đồng với các giá trị trong Bảng 3.8 từ nghiên cứu [7], cho thấy sự tăng giảm của các giá trị này có sự liên quan mật thiết.
Bảng 3.7 Các thông số khác nhau khi thay đổi t Độ rộng nhánh vòng t (mm)
Tần số làm việc f 01 (Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Bảng 3.8 Các thông số khác nhau khi thay đổi t[7] Độ rộng nhánh vòng t (mm)
Tần số làm việc f 01 (Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Hình 3.18 Thay đổi của f 01 và f c1 khi t thay đổi.
Kết quả thiết kế Error! Bookmark not defined 3.7 Kết luận chương Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Sau khi khảo sát các thông số, tôi đã xác định được các giá trị cần thiết để thiết kế một bộ lọc có tần số trung tâm 8 GHz Các tham số được điều chỉnh bao gồm W = 1.92 mm, L = 4 mm, T = 2 mm, g = 0.6 mm, a = 4 mm, t = 0.5 mm, và s = 1.4 mm Kết quả mô phỏng của bộ lọc được thiết kế theo yêu cầu được trình bày trong hình 3.19.
Bộ lọc thông cao được thiết kế bằng cách tách ăn mòn một vòng DGS với kích thước a = 4 mm, t = 0,5 mm và s = 1,4 mm, cùng với g = 0,2 mm Các tham số S được mô phỏng và đo theo [7], như thể hiện trong hình 3.19 Cấu trúc này đã được mô phỏng bằng phần mềm HFSS, với kết quả cho thấy tần số làm việc tại 8 GHz và tần số cắt là 7,2 GHz Kết quả mô phỏng cho thấy dải thông bị chèn không đáng kể, chủ yếu trong chế độ băng X với mức chèn gần 1,2 dB.
Cấu trúc được đề xuất tạo ra một đáp ứng lọc thông cao, có khả năng vượt qua các tín hiệu trên 7 GHz Đặc biệt, vùng chuyển giao giữa dải thông, dải chắn và hệ số Sharpness được tính toán theo công thức [(tổn hao ngược (dB) -3 dB) / (f c1 − f 01)] dB/GHz Kết quả mô phỏng và đo thực tế cho thấy sự tương đồng đáng kể.
Một bộ lọc thông dải nhỏ gọn mới đã được phát triển với tần số trung tâm 8GHz và băng thông đạt 30% tại mức suy hao -3 dB dưới 1 dB, cùng với suy hao phản xạ lớn hơn 15 dB Phân tích ảnh hưởng của các tham số hình học đến đặc điểm đáp ứng tần số đã được thực hiện bằng phần mềm HFSS Nhờ vào việc sử dụng cấu trúc DGS (Defected Ground Structure) kết hợp với DMS (Defected Microstrip Structure), việc thiết kế bộ lọc thông dải trở nên dễ dàng hơn.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Một khái niệm mới trong thiết kế bộ lọc thông dải đã được giới thiệu, sử dụng kết hợp bộ lọc thông cao và bộ lọc thông thấp với băng rộng Nghiên cứu này đã giới thiệu cấu trúc DMS, trong đó DMS kết hợp với DGS và cấu trúc dòng vi dải tạo ra một bộ lọc thông dải hiệu quả.
Phương pháp mới này mang lại hệ số Sharpness vượt trội khi tăng và giảm cạnh, cùng với băng thông phân đoạn tốt, giúp giảm kích thước mạch Một bộ lọc thông dải đã được thiết kế với tần số trung tâm 8 GHz, băng thông 30 FBW tại -3 dB và 80 FBW tại -20 dB, cho thấy kết quả tốt khi được mô phỏng và đo Sự cải thiện đáng kể về kích thước mạch và các tính chất khác của bộ lọc trong các ứng dụng RF, sóng vi dải và hệ thống truyền thông hiện đại như truyền hình vệ tinh, GPS và Bluetooth.
Đồ án đã giới thiệu phần mềm mô phỏng HFSS, hướng dẫn cách thiết kế và xây dựng bộ lọc, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai thực tế.
Đề tài nghiên cứu và thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng DGS và DMS vẫn đang trong quá trình hoàn thiện Trong thời gian tới, đồ án sẽ tiếp tục phát triển hệ thống bộ lọc nhằm mở rộng ứng dụng ra nhiều lĩnh vực khác nhau Điều này sẽ giúp việc áp dụng vào thực tế trở nên dễ dàng hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về dịch vụ viễn thông chất lượng cho người dân.