BỘ LỌC TẦN SỐ
Giới thiệu chương
Chương 1 tìm hiểu về bộ lọc tần số, bộ lọc siêu cao tần cấu trúc của từng bộ lọc, lịch sử phát triển và vai trò của các bộ lọc trong hệ thống thông tin vô tuyến Phân tích, làm rõ các thành phần có trong bộ lọc cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến bộ lọc từ đó đưa ra các bộ lọc có đặc tính tối ưu nhất về kích thước, tần số chon lọc.
Bộ lọc tần số
1.2.1 Tổng quan về bộ lọc tần số
Bộ lọc tần số là thiết bị lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải tần nhất định đi qua, đồng thời chặn lại các tín hiệu không mong muốn trong dải tần khác.
Bộ lọc là một mạch điện được thiết kế nhằm thay đổi, làm biến dạng hoặc loại bỏ các tần số không mong muốn của tín hiệu, chỉ cho phép các tín hiệu mong muốn đi qua Nói cách khác, bộ lọc có chức năng "lọc ra" những tín hiệu không cần thiết.
Theo dạng đáp ứng tần, bộ lọc tần số được phân 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 ở dải tần dưới và trên tần số cắt đi qua, trong khi bộ lọc thông dải và chắn dải chỉ cho phép tín hiệu trong một dải tần cụ thể giữa tần số cắt trên và dưới.
Bộ lọc đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm thông tin di động, vệ tinh, radar, định vị dẫn đường và cảm biến.
Với sự phát triển của công nghệ thông tin và ứng dụng trên nền tảng vô tuyến điện, phổ tần sóng điện từ ngày càng phải được chia sẻ cho nhiều hệ thống khác nhau.
Như trong hình 1.1 mô tả dạng đáp ứng tần và ký hiệu sơ đồ khối của từng loại bộ lọc tần số
Hình 1.1 Đáp ứng tần số và ký hiệu của các bộ lọc a) thông thấp; b) thông cao; c) thông dải; d)chắn dải
Tín hiệu điện từ của mỗi hệ thống chỉ hoạt động trong một khoảng tần số nhất định, và các bộ lọc được sử dụng để chọn lọc và giới hạn tín hiệu trong phạm vi này Những bộ lọc này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống, chẳng hạn như trong sơ đồ máy thu phát vô tuyến.
Phần sơ đồ khối của hệ thống gồm hai chức năng chính: thu và phát, sử dụng chung một anten, bộ song công và bộ dao động nội Trong quá trình thu, nhiều bộ lọc được sử dụng để ngăn chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ, giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp loại bỏ các thành phần không mong muốn trong tín hiệu Trong phần phát, bộ lọc giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất lựa chọn tần số mong muốn và loại bỏ tần số không cần thiết Cả hai khối thu và phát đều sử dụng chung một bộ song công với hai mạch lọc thông dải, trong đó bộ lọc đầu tiên giúp lựa chọn tần số cho bộ thu, còn bộ lọc thứ hai loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.
Hình 1.2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công
1.2.2 Sự phát triển của mạch lọc tần số
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 cổ điển về hệ dao động Sau đó, 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 những người khác, cho phép xây dựng các mạch lọc thụ động bằng cách sử dụng linh kiện tham số tập trung Khác với các tham số tán xạ, tham số ảnh mô tả mạng hai cửa một cách lý tưởng hóa, mặc dù các tham số đầu vào và đầu ra thường không phản ánh chính xác Mặc dù phương pháp này cho phép thiết kế mạch lọc bậc cao mà không cần máy tính, nhưng nó chỉ là một phương pháp xấp xỉ và là thủ công duy nhất cho đến năm 1939 Tuy nhiên, người thiết kế gặp khó khăn trong việc kiểm soát đặc tính của dải thông và dải chắn, do đó phương pháp này không đảm bảo độ chính xác cao khi cần thiết.
Lý thuyết về tổn hao xen đã chứng minh 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 đáp ứng yêu cầu đó 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 Mặc dù phương pháp này chưa được chú ý ngay do yêu cầu tính toán lớn, nhưng đến giữa những năm 1950, nó đã được áp dụng rộng rãi nhờ sự phát triển của máy tính tốc độ cao, dần trở thành lựa chọn phổ biến hơn phương pháp tham số ảnh Phương pháp tổn hao xen sẽ được trình bày chi tiết hơn trong phần sau của đồ án.
Sự phát triển của lý thuyết và công nghệ vật liệu đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại mạch lọc, từ mạch cộng hưởng tham số LC đến các cấu trúc phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải 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, các cấu trúc lọc như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi và ống dẫn sóng được sử dụng phổ biến Bộ lọc đồng trục nổi bật với khả năng che chắn điện từ và kích thước nhỏ, nhưng khó chế tạo Cấu trúc điện môi có kích thước nhỏ và ít tổn hao, tuy nhiên, giá thành cao và kỹ thuật xử lý phức tạp là nhược điểm Bộ lọc ống dẫn sóng, mặc dù có kích thước lớn, lại được ưa chuộng nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trong ứng dụng cao tần.
Hiện nay, mạch lọc thông dải ngày càng phổ biến trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ vào những ưu điểm nổi bật như dễ dàng chế tạo và hiệu suất cao.
Bộ lọc được phân thành hai loại chính: bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Bộ lọc tích cực sử dụng các thiết bị khuếch đại để tăng cường tín hiệu, trong khi bộ lọc thụ động không có thiết bị khuếch đại và do đó không thể tăng cường tín hiệu.
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 cho phép tín hiệu ở dải tần thấp đi qua, trong khi mạch lọc thông cao cho phép tín hiệu ở dải tần cao đi qua Ngược lại, mạch lọc thông dải và mạch lọc chắn dải cho phép hoặc chặn tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới.
Bộ lọc thông thấp (LPF) là thiết bị cho phép tần số nằm trong dải thông qua, trong khi các tần số cao hơn giới hạn của bộ lọc sẽ bị chặn Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng được mô tả trong định nghĩa 1.1.
Hình 1.3 Đồ thị đáp ứng tần số bộ lọc thông thấp lý tưởng b Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)
Mạch lọc siêu cao tần
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc đóng vai trò quan trọng với nhiều dạng đáp ứng tần khác nhau, trong đó mạch lọc thông dải được sử dụng phổ biến nhất Việc thiết kế mạch lọc thông dải không quá khó khăn khi yêu cầu dải thông cố định, nhưng trở nên phức tạp hơn khi cần dải tần hẹp và kích thước vật lý nhỏ Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước mạch lọc là một vấn đề quan trọng Mặc dù có thể giảm kích thước mạch thông dải bằng cách sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn, nhưng việc thay đổi cấu trúc hình học của mạch thường được ưu tiên do hằng số điện môi lớn có thể gây hiện tượng sóng mặt và tổn hao năng lượng Một giải pháp phổ biến cho các mạch lọc dải hẹp là bẻ gấp các đoạn đường truyền thẳng để tạo ra mạch lọc mới với kích thước nhỏ hơn.
Sự tiến bộ trong tính toán trường điện từ, đặc biệt là qua các phương pháp như MoM, FEM và FDTD, đã tạo động lực lớn cho sự phát triển các cấu trúc mạch lọc phức tạp Những công cụ mô phỏng điện từ hiện nay cho kết quả đáng tin cậy hơn và gần gũi với thực tế hơn Nhờ vào sự cải thiện đáng kể của máy tính, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng phát triển các dạng cấu trúc lọc tần số mới.
Ngày càng có nhiều bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng với các kiểu kích thích khác nhau, nhằm tạo ra các mạch lọc nhỏ gọn, chi phí thấp và khả năng chọn lọc tần số tối ưu Trong các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải được áp dụng Bộ lọc đồng trục có ưu điểm về khả năng che chắn điện từ và kích thước nhỏ, nhưng khó chế tạo Cấu trúc điện môi cũng nhỏ gọn và ít tổn hao, nhưng giá thành cao và kỹ thuật xử lý phức tạp là nhược điểm Trong khi đó, bộ lọc ống dẫn sóng được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng kiểm soát công suất, nhưng lại có kích thước lớn.
Mạch lọc thông dải hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ vào những ưu điểm vượt trội và quy trình chế tạo đơn giản Kỹ thuật sử dụng đường truyền vi dải đã được phát triển để thiết kế mạch lọc thông dải (BPF) với độ gợn sóng dải thông lớn hơn 100%.
1.3.1 Sơ lược về mạch lọc siêu cao tần
Mạch lọc tần số là mạch hai cửa, có nhiệm vụ lựa chọn tín hiệu trong dải tần số mong muốn, cho phép tín hiệu này đi qua và làm suy hao tín hiệu ở các dải tần số không mong muốn Mạch lọc thường được sử dụng trong các 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, đòi hỏi phải xem xét các tham số phân tán trong thiết kế 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.
Siêu cao tần (Microwave) là sóng điện từ có tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, với bước sóng từ 1m đến 1mm Sóng có tần số từ 30 GHz đến 300 GHz được gọi là dải sóng milimeter, trong khi phổ tần phía trên là tia hồng ngoại, với bước sóng từ 1 àm đến 1 mm Trên dải tần của tia hồng ngoại là ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím và tia X Dưới dải siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (RF), với ranh giới giữa hai dải này không cố định Do đó, các ứng dụng cao tần thường được hiểu là thiết bị và hệ thống hoạt động trong dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz, được chia thành các băng tần nhỏ hơn.
Hình 1.7 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần
1.3.2 Phân tích mạch lọc siêu cao tần a Các tham số của mạng siêu cao tần
Một mạch lọc cao tần, hay mạch điện cao tần nói chung, có thể được mô tả bằng một mạng hai cửa, với V1, V2 và I1, I2 là điện áp và cường độ dòng điện tại cửa 1 và cửa 2, cùng với trở kháng đầu cuối và điện áp nguồn Es Trong đó, điện áp và dòng điện là các đại lượng dao động điều hòa theo thời gian.
t V t V e j t V e j t v 1 1 cos Re 1 Re 1 (1.5) Biên độ điện áp tại cửa 1 được coi là biên độ phức và có thể viết như sau:
Trong mạch cao tần, việc đo công suất vào và ra thường quan trọng hơn so với đo cường độ dòng điện và điện áp Ở tần số siêu cao, điện áp và dòng điện chỉ cung cấp thông tin về các đại lượng như tỷ số sóng đứng (SWR) và hệ số phản xạ Công suất tới và công suất phản xạ là các tham số dễ đo nhất, với điều kiện thử lý tưởng là khi mạng 2 cửa được phối hợp tải.
Hình 1.8 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực)
Các biến số a1, b1 và a2, b2 được định nghĩa, trong đó a đại diện cho sóng công suất tới và b đại diện cho sóng công suất phản xạ Mối quan hệ giữa các biến công suất và điện áp, dòng điện được thể hiện rõ ràng.
Với các định nghĩa biến số trên, công suất tại cửa n là:
Dấu (*) thể hiện giá trị liên hợp phức Ở đây có thể thấy a n a n * / 2 là công suất tới cửa n, còn b n b n * / 2 là công suất phản xạ tại cửa n
Hệ phương trình tuyến tính mô tả hoạt động của mạng hai cửa như trong hình 1.8 sử dụng sóng công suất là các biến số:
Viết dưới dạng ma trận:
Ma trận S được gọi là ma trận tán xạ của mạng hai cửa
Các tham số tán xạ S mn được xác định như sau:
(1.11) Trong đó a n = 0 thể hiện rằng cửa n được phối hợp trở kháng hoàn toàn (không có phản xạ từ tải)
Các tham số S 11 và S 22 là hệ số phản xạ, trong khi S 12 và S 21 là hệ số truyền đạt Các tham số tán xạ thường là số phức và được thể hiện dưới dạng biên độ và pha Biên độ thường được chuyển đổi sang đơn vị decibels (dB).
S mn 20 log mn m, n = 1; 2 (1.12) Đối với bộ lọc, người ta định nghĩa hai tham số sau:
Trong bài viết, L A đại diện cho tổn hao xen giữa cửa n và cửa m, trong khi L R là tổn hao ngược tại cửa n Thêm vào đó, tỷ số sóng đứng về điện áp, hay còn gọi là Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), được định nghĩa như sau:
Khi tín hiệu đi qua mạch lựa chọn tần số như mạch lọc, tín hiệu đầu ra sẽ có một khoảng trễ nhất định so với tín hiệu đầu vào Một tham số trễ quan trọng cần xem xét trong bộ lọc là trễ nhóm, hay trễ đường bao tín hiệu.
Tham số tán xạ là yếu tố quan trọng trong phân tích mạng cao tần, đặc biệt với mạng hai cửa tương hỗ, trong đó S12 = S21 Nếu mạng hai cửa là đối xứng, thì sẽ có thêm điều kiện S11 = S22 Đối với mạng hai cửa không có tổn hao, tổng công suất truyền qua và công suất phản xạ phải bằng tổng công suất tới, thể hiện định luật bảo toàn năng lượng trong hệ thống này.
+ Ma trận trở kháng Z và dẫn nạp Y
Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong mạng hai cửa hình 1.17 có thể được viết như sau:
V 2 = Z 21 I 1 = Z 22 I 2 (1.17) Viết dưới dạng ma trận:
Ma trận Z được gọi là ma trận trở kháng vì bốn tham số của nó đều liên quan đến trở kháng
Ngoài ra người ta còn định nghĩa ma trận dẫn nạp Y:
Khi đánh giá hệ thống mạng hai cửa được kết nối theo kiểu nối tiếp hoặc song song, việc sử dụng ma trận trở kháng Z và ma trận dẫn nạp Y là rất hữu ích, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán.
+ Ma trận truyền đạt ABCD
Cấu trúc vi dải
Cấu trúc vi dải bao gồm dải dẫn sóng có bề rộng W và độ dày t, được đặt trên một đế điện môi với hằng số điện môi tương đối εr và chiều dày h, dưới cùng là mặt phẳng kim loại nối đất Phân bố trường trên đường truyền vi dải được mô tả chi tiết trong hình 1.21(b).
Đường truyền vi dải, khi không có đế điện môi với hằng số điện môi r 1, trở thành đường dây song hành với hai dải dẫn phẳng cách nhau 2h Mặt phẳng nối đất có thể được loại bỏ theo nguyên lý ảnh gương Trong trường hợp này, đường truyền sóng TEM đơn giản có vận tốc pha v p = c = 3.10^8 m/s và hằng số lan truyền k 0 .
Khi đặt dải dẫn trên đế điện môi với môi trường không khí phía trên, việc phân tích đường truyền trở nên phức tạp Phần lớn trường điện từ truyền trong vùng điện môi giữa dải dẫn và mặt phẳng nối đất, trong khi một phần khác đi vào vùng không khí phía trên Do đó, đường truyền vi dải không hoàn toàn là sóng TEM, vì vận tốc pha của sóng TEM trong vùng điện môi là c/εr, trong khi trong vùng không khí, vận tốc pha là c.
Trường điện từ trên đường truyền vi dải là sự kết hợp giữa sóng TM và TE Trong nhiều ứng dụng thực tế, chiều dày đế điện môi nhỏ hơn nhiều so với chiều dài bước sóng (h < < λ), do đó sóng truyền trong đường vi dải có thể được coi là sóng quasi-TEM Vận tốc pha và hằng số lan truyền có thể được tính toán dựa trên công thức: v_p = c / √ε_eff.
Với eff là hằng số điện môi hiệu dụng:
Trở kháng đặc trưng của đườ ng truyền vi dải có thể được tính như sau:
Nếu cho trước giá trị trở kháng đặc trưng Z 0 và hằng số điện môi tương đối, tỷ số W/h có thể được tính như sau:
Kích thước và cấu trúc vi dải của bộ lọc tần số sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại bộ lọc, có thể là cấu trúc hở vòng hoặc vòng khóa.
Cấu trúc DGS trong thiết kế mạch lọc siêu cao tần
Cấu trúc DGS (Defected Ground Structure) là một dạng cấu trúc được hình thành từ các hình dạng bất kỳ được khắc trên một mặt phẳng kim loại, mang lại sự cải tiến so với cấu trúc PBG (Photonic Band Gap) Hình dạng khắc trên mặt phẳng có thể có chu kỳ hoặc không, cho phép các nhà thiết kế linh hoạt điều chỉnh mạch tương đương (LC) một cách dễ dàng.
Cấu trúc DGS được sử dụng để thiết kế bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộ chia/ghép, bộ tạo dao động hay anten
Hình 1.22 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 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.
Cấu trúc DGS, như mô tả trong hình 1.23, bao gồm hai phần chính: vùng khắc lỗ hình chữ nhật kích thước a.b và các khe hở kích thước g.w, cùng với một vùng khắc lỗ rộng có các rãnh hẹp kết nối trên mặt phẳng kim loại Đây là cấu trúc DGS đầu tiên được phát triển Hình 1.24 minh họa tham số S của mô hình DGS, cho thấy các đặc tính của nó như bộ lọc chắn dải, hiệu năng sóng chậm và tính kháng trở cao.
DGS có nhiều ưu điểm hơn PBG, đó là:
Diện tích chu vi của các cấu trúc DGS thường nhỏ và không bao gồm các cấu trúc có chu kỳ, vì chỉ một số cấu trúc DGS sở hữu những đặc tính cơ bản tương tự như cấu trúc định kỳ và đặc tính của stop-band.
Hình 1.23 Cấu trúc DGS cơ bản
Vùng tham số S của cấu trúc DGS dumbbell có khả năng tương thích với đáp ứng chậm của bộ lọc Butterworth một cực Mô hình DGS được xây dựng đơn giản nhờ vào cấu trúc đơn vị, giúp dễ dàng lấy ra mạch tương đương.
DGS tiêu tốn ít dung lượng chu vi trên mỗi đơn vị và có cấu trúc chu kỳ đơn giản, mang lại hiệu ứng sóng chậm So với PBG, DGS dễ thiết kế, dễ vận hành và có độ chính xác cao hơn với các cấu trúc khắc thông thường DGS cũng có ưu thế hơn PBG trong ứng dụng vi sóng, đặc biệt khi cần đáp ứng yêu cầu kích thước trong những điều kiện chế tạo hạn chế.
Hình 1.24 Hệ số truyền đạt và phản xạ của cấu trúc DGS
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 microstrip Ở hình 1.25, 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 1.26, 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
Việc sử dụng dòng microstrip cong không làm thay đổi đáng kể đặc tính tần số của dòng microstrip DGS thẳng Kỹ thuật uốn cong tạo ra cấu hình 2D với nhiều đoạn cong, tương tự như đường uốn khúc Đơn vị DGS mới thiết kế này mang lại nhiều lợi thế hơn so với DGS quả tạ.
Hệ số sóng chậm cao hơn và thiết kế mạch nhỏ gọn hơn giúp cải thiện hiệu suất 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.
- Dải chắn có độ rộng hẹp hơn và loại bỏ sâu hơn
- Một Q lớn hơn bên ngoài một chút So sánh đặc tính truyền của DGS hình chữ
Các cấu trúc DGS như 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 đạt 7,478 (băng thông 3 dB là 0,39 GHz) và DGS hình chữ U có yếu tố Q lớn hơn 36,05 (băng thông 3 dB là 0,081 GHz) Điều này cho thấy rằng các cấu trúc DGS mới rất hữu ích trong việc thiết kế các mạch vi sóng, giúp nhận dạng các thiết bị chủ động và bị động với kích thước nhỏ gọn.
Cấu trúc chu kỳ như PBG và DGS được chú trọng vì tính ứng dụng rộng rãi trong anten và lò vi sóng Đường truyền tải với cấu trúc định kỳ có băng thông hữu hạn và băng thông từ chối hoạt động như bộ lọc low-pass Việc tăng cường tác dụng chậm sóng và thêm các thành phần tương tự là những đặc điểm quan trọng để nhận diện cấu trúc chu kỳ, giúp giảm kích thước mạch Chu kỳ là sự lặp lại các cấu trúc vật lý, và khi nối tầng các tế bào DGS cộng hưởng, độ sâu và chiều rộng băng thông của stopband 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 1.26 Cấu trúc DGS chu kỳ a) DGS chu kỳ theo chiều ngang; b) DGS chu kỳ theo chiều dọc
Tổng kết chương
Bộ lọc tần số, đặc biệt là bộ lọc siêu cao tần, là thành phần thiết yếu trong các hệ thống thông tin sử dụng sóng điện từ, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ không dây phát triển nhanh chóng hiện nay Thiết kế bộ lọc tần số cần đảm bảo khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau Mặc dù lý thuyết và thiết kế mạch lọc đã có sự phát triển lâu dài và hoàn thiện, nghiên cứu về các lý thuyết mới vẫn đang tiếp tục nhằm tạo ra cấu trúc lọc gọn nhẹ và tối ưu hóa khả năng chọn lọc tần số Chương 2 sẽ đi sâu vào nghiên cứu bộ lọc tần số băng tần kép dựa trên lý thuyết về bộ lọc tần số và mạch lọc siêu cao tần.
BỘ LỌC BĂNG TẦN KÉP
Bộ lọc băng tần kép và các ứng dụng
BỘ LỌC BĂNG TẦN KÉP
Chương 2 trình bày tổng quan về kỹ thuật băng tần kép, ưu nhược điểm và ứng dụng thực tế của kỹ thuật băng tần kép trong thông tin viễn thông Ngoài ra các bộ lọc băng tần kép đã được nghiên cứu và chế tạo với nhiều phương pháp khác nhau sẽ được xem xét, giới thiệu trong chương này
2.2 Kỹ thuật băng tần kép và các ứng dụng
2.2.1 Giới thiệu về kỹ thuật băng tần kép
Với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống truyền thông không dây, nhu cầu về bộ lọc băng tần kép ngày càng gia tăng Bộ lọc băng tần kép được hình thành từ việc kết hợp hai bộ lọc riêng biệt, mỗi bộ lọc hoạt động trên một băng tần đơn lẻ Nhờ đó, thiết bị được trang bị bộ lọc băng tần kép có khả năng hoạt động song song trên hai băng tần cho phép, nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Sự phát triển gần đây trong hệ thống truyền thống không dây (RF) đã yêu cầu các thiết bị tần số vô tuyến hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau, khiến bộ lọc băng tần kép trở thành một thành phần quan trọng trong đầu vào của hệ thống không dây Các thiết bị như "IEEE 802.11a/b/g" hoạt động trên băng tần kép 2.4/5.2GHz, giúp giảm thiểu nguy cơ quá tải, nhiễu và nghẽn mạng khi sử dụng một dải băng tần duy nhất Do đó, ngày càng nhiều thiết bị mới được phát triển để hỗ trợ hoạt động song song trên cả hai băng tần.
2.2.2 Ưu nhược điểm của việc sử dụng bộ lọc băng tần kép a Ưu điểm
Mạng hoạt động ở tần số 5GHz giúp tránh hiện tượng xuyên nhiễu từ các thiết bị không dây phổ biến như điện thoại không dây, thiết bị Bluetooth, lò vi sóng, và loa không dây, vốn thường sử dụng tín hiệu ở tần số 2.4GHz Điều này mang lại hiệu suất ổn định hơn cho các hoạt động trực tuyến trong gia đình và văn phòng.
Việc sử dụng đồng thời cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz không chỉ giúp hạn chế nhiễu mà còn giảm tải hiệu quả tại những khu vực thường xuyên xảy ra tình trạng quá tải, như văn phòng và khu dân cư đông đúc.
Tăng cường băng thông và cải thiện tốc độ truy cập là điều hiển nhiên khi sử dụng đồng thời hai băng tần, giúp người dùng tận dụng tổng băng thông từ cả hai băng tần.
Có thể sử dụng đồng thời cả hai băng tần Nếu một thiết bị cùng lúc nhận được
Thiết bị cung cấp hai kết nối 2.4GHz và 5GHz với tốc độ lên đến 300Mbps, cho phép người dùng thực hiện các ứng dụng như kiểm tra email và lướt web trên băng tần 2.4GHz, trong khi vẫn có thể xem video HD hoặc chơi game trực tuyến một cách mượt mà trên băng tần 5GHz Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
Các thiết bị hỗ trợ băng tần kép hiện nay vẫn còn hạn chế và có giá thành cao Nguyên nhân chính là do yếu tố công nghệ, khiến phần lớn thiết bị chỉ hoạt động ở một dải tần, trong khi chỉ những sản phẩm cao cấp mới được trang bị khả năng hỗ trợ cả hai băng tần.
Các thiết bị sử dụng nếu muốn sử dụng được cả hai băng tần thì phải được trang bị các thiết bị hỗ trợ
Phạm vi phủ sóng của băng tần 2.4 GHz và 5 GHz có sự khác biệt rõ rệt Tần số cao hơn dẫn đến độ suy hao tín hiệu lớn hơn theo khoảng cách, vì vậy thiết bị mạng sử dụng băng tần 5 GHz sẽ có phạm vi phủ sóng nhỏ hơn so với các thiết bị sử dụng băng tần 2.4 GHz.
2.2.3 Các ứng dụng của bộ lọc băng tần kép Ứng dụng đầu tiên mà chúng ta phải kể đến ở đây chính là các thiết bị mạng không dây WiFi băng tần kép, Router băng tần kép gần đây thì các thiết bị di động, lò vi sóng, các thiết bị camera giám sát, hệ thống báo động, loa không dây, bàn phím/chuột không dây…cũng được trang bị thiết bị hỗ trợ để có thể sử dụng song song cả hai băng tần a Mạng WiFi băng tần kép
Sự gia tăng nhu cầu kết nối wifi đã thúc đẩy các nhà sản xuất chú trọng đến chất lượng, tốc độ và tầm phủ sóng, dẫn đến sự ra đời của mạng wifi băng tần kép Mạng wifi băng tần kép không chỉ cung cấp tốc độ cao mà còn có khả năng hoạt động rộng, đáp ứng tốt cho các dịch vụ truyền phát video chất lượng cao, VoIP, và game trực tuyến Đối với thiết bị kết nối chuẩn 802.11n, người dùng nên chọn tần số 2,4GHz cho LINKSYS WAP610N với chế độ Wireless-N Only, trong khi tần số 5GHz nên sử dụng chế độ Wireless-A Only hoặc Wireless-N Only LINKSYS WPA610N cho phép người dùng linh hoạt chọn giữa hai tần số 2,4GHz và 5GHz.
Hình 2.1 Băng tần kép LINKSYS WPA610N b Router băng tần kép
Router không dây băng tần kép TL-WDR3500 mang đến hiệu suất tối ưu với tốc độ 300Mbps cho cả băng tần 2.4GHz và 5GHz, tổng băng thông đạt 600Mbps Thiết bị này lý tưởng cho các ngôi nhà lớn hoặc văn phòng, cho phép xử lý nhiều ứng dụng cùng lúc Băng tần 2.4GHz phù hợp cho các tác vụ đơn giản như email và duyệt web, trong khi băng tần 5GHz lý tưởng cho các ứng dụng nhạy về độ trễ như chơi game trực tuyến và xem video HD Với khả năng phát sóng đồng thời hai kết nối, TL-WDR3500 giúp người dùng tận hưởng trải nghiệm internet mượt mà và hiệu quả.
Các phương pháp tạo băng tần kép
Hoạt động băng tần kép có thể thực hiện qua hai phương pháp: chuyển mạch giữa hai mạch đơn dải độc lập hoặc phát triển một mạch đơn với chức năng băng tần kép Phương pháp đầu tiên yêu cầu chuyển mạch, dẫn đến tăng mức tiêu thụ công suất và suy giảm trung gian, trong khi phương pháp thứ hai cần thành phần băng tần kép như bộ lọc băng tần kép Bộ lọc vi dải là lựa chọn phổ biến trong thiết kế bộ lọc dải kép nhờ cấu trúc phẳng và khả năng kết nối dễ dàng với các thiết bị khác Bộ lọc vi dải băng tần kép được phân thành ba loại chính.
Bộ lọc băng tần kép là loại thiết bị sử dụng hai bộ lọc đơn dải, kết nối qua một cổng đầu vào/ra chung Đặc điểm dễ nhận biết của loại bộ lọc này là tín hiệu từ hai dải tần đi qua các cộng hưởng khác nhau, cho phép thiết kế độc lập cho từng bộ lọc.
Phương pháp thứ hai liên quan đến việc thêm một khấc vào bộ lọc để tách dải băng rộng thành hai dải phổ hẹp hơn Lợi ích của kỹ thuật này là nó đáp ứng chính xác dải suy giảm thực tế Tuy nhiên, nhược điểm là cần sử dụng nhiều bộ cộng hưởng và chỉ áp dụng hiệu quả cho hai dải phổ tương đối gần nhau.
Cách tiếp cận thứ ba, được ưa chuộng nhờ tính nhỏ gọn, sử dụng cộng hưởng biến đổi, bao gồm cộng hưởng trở kháng bước (SIR), cộng hưởng vòng hở và cộng hưởng vòng khóa.
Trong số các phương pháp, SIR là phương pháp phổ biến nhất, với chiều dài và tỷ lệ trở kháng của các bộ cộng hưởng được sử dụng để điều khiển cơ bản và tần số cộng hưởng kí sinh, nhằm đáp ứng các tần số trung tâm của hai dải Ngoài tần số trung tâm, các thông số kỹ thuật quan trọng của bộ lọc bao gồm đáp ứng tần số, băng rộng và gợn dải thông, những đặc điểm này phụ thuộc vào chất lượng các yếu tố bên ngoài và các hệ số kép trong bộ lọc ghép nối truyền thống Kỹ thuật thiết kế bộ lọc băng tần kép SIR đã được thảo luận nhiều trong các tài liệu khoa học gần đây, nhưng hạn chế chính của các kỹ thuật này là các hệ số ghép và yếu tố chất lượng bên ngoài chỉ được kiểm soát bởi một tham số vật lý duy nhất.
Một số bộ lọc bằng tần kép có cấu trúc khác nhau đã được nghiên cứu và chế tạo
Ngày càng có nhiều nghiên cứu về bộ lọc băng tần kép, với các cấu trúc khác nhau của đường truyền vi dải và hình dạng đa dạng của DGS Mỗi bộ lọc được thiết kế với cấu trúc và hình dạng riêng biệt, tùy thuộc vào đặc tính cụ thể của nó Dưới đây là một số ví dụ về bộ lọc băng tần kép.
2.4.1 Bộ lọc băng tần kép sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ L
Hình 2.2.Dạng hình học của một bộ SIR hình L
Bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ L được minh họa trong hình 2.2, trong đó θ1 và θ2 đại diện cho chiều dài điện của phần trở kháng cao và thấp Các giá trị này có thể được lựa chọn tùy ý, nhưng để đơn giản, chúng có thể được đặt bằng nhau.
Trở kháng có thể được xác định bằng công thức sau:
Trong bộ lọc lấy dải băng tần kép, f0 và fs1 là hai tần số cơ bản và tần số cộng hưởng tạp nhiễu đầu tiên, đóng vai trò trung tâm Bộ lọc này sử dụng cấu trúc SIR hình chữ L và hai cấu trúc kép, như thể hiện trong hình 2.3 Bộ cộng hưởng kép dải đơn truyền thông xác định đáp ứng tần số dựa trên hệ số ghép và các yếu tố chất lượng bên ngoài (Qe) Các thông số Dr và Gf kiểm soát hệ số ghép, trong khi Lf và gf điều chỉnh các yếu tố chất lượng bên ngoài Sự thay đổi trong tần số trung tâm và băng thông có thể đạt được thông qua việc thiết lập hai bộ thông số phù hợp.
Các thông số thiết kế được thể hiện như trên hình 2.3
Hình 2.3 Bộ lọc băng tần kép sử dụng 2 bộ SIR hình L và cấu trúc kép hai bên
Bộ lọc băng tần kép hoạt động ở tần số 2.4 và 5.2 GHz, được thiết kế với hai cấu trúc khác nhau và cơ cấu nguồn cấp dữ liệu, nhằm mục đích kiểm tra các khái niệm trong lĩnh vực công nghệ.
Cấu trúc bộ lọc được thể hiện như trong hình 2.4
Mô phỏng cấu trúc bộ lọc trên HFSS sử dụng bề mặt chất tác dụng dày 0,762 mm với ε r = 3,5 và hệ số tổn hao tan δ = 0,002 Các thông số kỹ thuật bao gồm θ 1 = 9,1 mm, θ 2 = 9,0 mm, D r = 5 mm, g r = 0,3 mm, L f = 11 mm và g f.
= 0.2mm Kết quả mô phỏng được thể hiên như trên hình 2.6.
Hình 2.5 Thông số giữa mô phỏng S11,S 21,S22 và đo đạc
Kết quả mô phỏng cho thấy tần số cộng hưởng kép của thiết kế đạt 2,4GHz và 5,2GHz, đáp ứng yêu cầu đề ra So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số không đáng kể, khẳng định bộ lọc chế tạo đạt tiêu chuẩn yêu cầu.
2.4.2 Bộ lọc băng tần kép sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ E
Bộ lọc cộng hưởng trở kháng SIR hình chữ E, như thể hiện trong hình 2.6, bao gồm ba trở kháng vi dải cao và một dòng vi dải trở kháng thấp, với cấu trúc đối xứng Cấu trúc cơ bản của vi dải SIR được mô tả trong hình 2.6(b), bao gồm ba phần: một đường truyền tải nối tiếp với hai trở kháng đặc trưng khác nhau Đường truyền tải ở giữa có độ dài lớp điện (2θ1) và trở kháng thấp (Z1), trong khi hai phần phụ có lớp điện ngắn hơn (θ2) và trở kháng cao hơn Tỷ lệ trở kháng được định nghĩa là K = Z2 / Z1 = Y1 / Y2 > 1 và θT > Π.
Hình 2.6 a) Cách bố trí của của bộ lọc băng tần kép BPF băng rộng SIR hình chữ
E được đề xuất b) Cấu trúc của SIR, tại K = Z2/Z1 > 1 and θT > π
Việc dẫn nạp của cộng hưởng Yin được cho là:
2 1 tan 1 tan 2 1 tan tan tan tan tan tan
Các điều kiện cộng hưởng có thể thu được từ những điều sau đây:
Từ (2.2) và (2.3) ta thấy các điều kiện cộng hưởng cơ bản có thể được biểu diễn:
K = tan(θ) * tan(θ) (2.4) Trong các ứng dụng thực tế, việc chọn θ1 = θ2 = θ là hợp lý hơn, vì các phương trình thiết kế có thể được đơn giản hóa đáng kể, và (1) có thể được biểu diễn như sau:
Các điều kiện cộng hưởng được xác định dựa trên tần số cơ bản fm 1 và chiều dài θ 1, với công thức tan 2 θ 1 = K hoặc θ 1 = arctan K (2.6) Kết quả mô phỏng và đo đạc cụ thể của bộ lọc này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3.
2.4.3 Bộ lọc có cấu trúc đặt biệt khác
Bộ lọc hoạt động trên hai băng tần 1.82GHz và 2.95GHz, bao gồm hai vòng hở vi dải và hai cuốn mạch hở, được gắn ở trung tâm của các dòng vi dải tương ứng Các thông số thiết kế bộ lọc được thể hiện trong hình 2.8.
Hình 2.7 Cấu trúc của bộ lọc băng tần kép
Hình 2.8 Mô phỏng cấu trúc của bộ lọc trên HFSS
Kết quả mô phỏng của bộ lọc hình 2.10 cho thấy bộ lọc thiết kế có tần số cộng hưởng tại 1.8GHz và 2.95GHz Sai số giữa kết quả mô phỏng và đo đạc là không đáng kể, chứng tỏ bộ lọc đạt yêu cầu đề ra.
Hình 2.9 Mô phỏng và đo đạc các thông số S 11 của bộ lọc băng tần kép
Tổng kết chương
Chương 2 đã trình bày một cách tổng quan về kỹ thuật băng tần kép, tầm quan trọng của của kỹ thuật băng tần kép trong các hệ thống thông tin bằng sóng điện từ; tìm hiểu về cấu trúc và hoạt động của các bộ lọc băng tần kép; ứng dụng thực tiễn của các bộ lọc băng tần kép trong các hệ thống viễn thông.
THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI, CẤU TRÚC VI DẢI BĂNG TẦN KÉP SỬ DỤNG BỘ CỘNG HƯỞNG HÌNH CHỮ E
Giới thiệu chương
Chương 3 trình bày tóm tắt về phần mền HFSS, các bước mô phỏng và thiết kế một bộ lọc Trọng tâm của chương này là mô phỏng để đạt được một bộ lọc vi dải băng tần kép sử dụng bộ cộng hưởng hình chữ E ở hai tần số trung tâm là 3.7GHz và 5.8GHz Các thông số thiết kế ban đầu của bộ lọc được thực hiện theo
Khảo sát sự thay đổi các thông số thiết kế giúp xác định và đánh giá đặc tính của bộ lọc, sau đó so sánh kết quả với [6] để thảo luận.
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) để giải quyết các cấu trúc ba chiều phức tạp.
HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn toàn sóng ba chiều để tính toán đặc trưng điện học của linh kiện tần số cao và tốc độ cao Với HFSS, kỹ sư có thể tách các tham số như S, Y, Z, hình dung trường điện từ ba chiều (bao gồm trường khu gần và trường khu xa), tạo ra các mẫu chương trình mô phỏng chuyên dụng cho mạch in (SPICE – Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis) 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 các linh kiện và đánh giá hiệu quả chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền và tổn hao phản xạ Phần mềm này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều để mô phỏng các trường điện từ, dòng điện và phát xạ trong các cấu trúc ba chiều đa dạng như kim loại, điện môi và vật liệu từ HFSS được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp cho các thiết kế tần số vô tuyến RF, anten và mạch in Theo www.ansoft.com, HFSS là công cụ chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S và mô phỏng điện từ cho các linh kiện tần số cao, bao gồm các phần tử thụ động trên chip, đầu nối mạch in, anten và các gói IC tần số cao.
HFSS phát triển các sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển và khẳng định rõ hơn 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 sang các lĩnh vực khác trong ngành kỹ thuật, bao gồm thiết kế IC RF/analog, các thiết kế multi-gigabit, và EMI/EMC.
HFSS được sử dụng để mô phỏng 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.
3.2.2 Các bước mô phỏng của một bộ lọc tần số
B3: Vẽ vùng cấu trúc mạch
Thiết kế vùng ăn mòn
B5: Cấp nguồn, sử dụng Waveport
B6: Cài đặt thông số quét
Hình 3.1 Cấu trúc mạch lọc trên HFSS
Thiết kế bộ lọc thông dải băng tần kép sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ E
Bài viết trình bày ứng dụng lý thuyết từ chương 1 và chương 2 vào thiết kế và mô phỏng bộ lọc vi dải băng tần kép, sử dụng bộ cộng hưởng hình chữ E với các kích thước và thông số cuối cùng Đồ án được thực hiện bằng phần mềm HFSS, một công cụ chuyên dụng với độ chính xác cao, phổ biến trong các công ty thiết kế viễn thông lớn.
Bộ lọc được thiết kế với các kích thước và thông số như sau: w0 = 0.6mm, w1 = 1mm, w2 = 1mm, w3 = 0.2mm, w4 = 1.55mm, l1 = 0.5mm, l2 = 0.5mm, l3 = 0.5mm, d = 0.2mm Cấu trúc của bộ lọc bao gồm ba lớp: lớp đất dày 0.1mm làm từ vật liệu đồng (Cu); lớp điện môi sử dụng chất nền Rogers RT/duroid 5.880 với hằng số điện môi εr = 2.2, mất mát tiếp xúc tanδ = 0.0009 và độ dày h = 0.508mm; lớp dải dẫn là SIR hình chữ E với đầu kết nối SMA, có tần số cộng hưởng tại 3.7GHz và 5.8GHz Hình 3.2 minh họa hình dạng của bộ lọc SIR hình chữ E.
Hình 3.3 minh họa cách bố trí của bộ lọc SIR hình chữ E với các thông số và kích thước cụ thể Trong đó, hình 3.3a) thể hiện bộ lọc băng tần kép SIR hình chữ E, còn hình 3.3b) mô tả cấu trúc của SIR [6].
Hình 3.2 Dạng hình học của bộ lọc SIR hình chữ E
Hình 3.3 a) bộ lọc băng tần kép SIR hình chữ E, b) cấu trúc của SIR
3.3.2 Mô phỏng và kết quả a Mô phỏng bằng phần mền HFSS
Hình 3.4 Mô phỏng cấu trúc mạch lọc trên HFSS b Kết quả chạy mô phỏng
Hình 3.5 Đồ thị tần số cộng hưởng s 11
Bộ lọc có kích thước nhỏ gọn 24mm × 15mm (0,39 λg × 0,25 λg) sử dụng nền hằng số điện môi thấp Tại tần số trung tâm 3.7 GHz, dải thông của bộ lọc trải từ 3.1 GHz đến 4.3 GHz, trong khi tại tần số trung tâm 5.8 GHz, dải thông là từ 5.3 GHz đến 6.8 GHz, như thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3.6 Đáp ứng tần số và độ rộng băng thông của bộ lọc
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước bộ lọc lên đặc tính của bộ lọc
3.4.1 Cố định W 0 = 0.6mm và thay đổi kích thước L 2
Khi cố định W 0 và thay đổi kích thước L 2, việc tăng L 2 từ 11mm lên 12mm khiến tần số trung tâm của bộ lọc dịch chuyển về phía tần số cao, đồng thời tạo ra phạm vi dịch chuyển lớn hơn Ngược lại, khi giảm kích thước L 2 xuống còn 11mm, tần số trung tâm sẽ thay đổi theo hướng ngược lại.
Khi L2 = 11mm, tần số trung tâm thứ nhất đạt 3.5GHz và tần số trung tâm thứ hai là 5.5GHz So với L2.5mm, cả hai tần số trung tâm đều dịch về phía tần số thấp với mức dịch chuyển ngày càng lớn Tại tần số trung tâm 3.5GHz, dải thông của bộ lọc nằm trong khoảng 2.9GHz đến 4.2GHz, trong khi tại tần số trung tâm 5.5GHz, dải thông của bộ lọc nằm trong khoảng 5.2GHz đến 6.8GHz, như thể hiện trong hình 3.7.
Hình 3.7 Đáp ứng tần số và độ rộng băng thông của bộ lọc khi cố định W 0 =
0.6mm và thay đổi L2mm
Khi chiều dài L2 là 12mm, tần số trung tâm thứ nhất đạt 3.6GHz và tần số trung tâm thứ hai là 5.7GHz So với L2 có chiều dài 5mm, cả hai tần số trung tâm đều dịch chuyển về phía tần số thấp hơn Cụ thể, tại tần số trung tâm 3.6GHz, dải thông nằm trong khoảng 2.9GHz đến 4.4GHz, trong khi tại tần số trung tâm 5.7GHz, dải thông nằm trong khoảng 5.3GHz đến 6.7GHz, như được thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3.8 Đáp ứng tần số và độ rộng băng thông của bộ lọc khi cố định W 0 =
0.6mm và thay đổi L2mm
Khi biểu diễn ba bộ lọc trên cùng một đồ thị, với W0 = 0.6mm và L2 tăng từ 11.5mm lên 12mm, ta thấy tần số trung tâm dịch chuyển về phía tần số thấp, đồng thời dải thông cũng giảm về phía tần số thấp.
Khi W 0 = 0.6mm và giảm L 2 từ 11.5mm xuống 11mm, tần số trung tâm và dải thông dịch chuyển về phía tần số thấp, với mức độ dịch chuyển của L 2 = 11mm lớn hơn Điều này cho thấy khi L 2 = 5mm, tần số trung tâm của bộ lọc đạt giá trị lớn nhất và độ rộng dải thông hẹp nhất, dẫn đến băng thông nhỏ nhất và hiệu suất bộ lọc tăng lên.
Hình 3.9 Cố định W 0 = 0.6mm và thay đổi L 2
3.4.2 Cố đinh L 2 5mm và thay đổi kích thướcW 0
Cố định L 2 và thay đổi W 0 ; tăng W 0 từ 0.6mm lên 0.8mm và giảm W 0 xuống còn 0.4mm, kết quả được mô phỏng trên hình 3.10
Hình 3.10 Đáp ứng tần số và độ rộng băng thông của bộ lọc khi cố định L 2 =
Khi cố định L2 là 11.5mm và tăng W0 lên 0.8mm, tần số trung tâm đầu tiên đạt 3.7GHz và tần số trung tâm thứ hai là 5.6GHz Ở tần số 3.7GHz, dải thông của bộ lọc nằm trong khoảng từ 3.4GHz đến 4.1GHz, trong khi tại tần số 5.6GHz, dải thông nằm trong khoảng từ 5.3GHz đến 6.5GHz.
Khi L2 được cố định ở mức 11.5mm và W0 giảm xuống 0.4mm, tần số trung tâm thứ nhất đạt 3.2GHz, trong khi tần số trung tâm thứ hai là 5.4GHz Tại tần số 3.2GHz, dải thông bộ lọc dao động từ 2.3GHz đến 4.5GHz; còn tại tần số 5.4GHz, dải thông bộ lọc nằm trong khoảng 5.1GHz đến 7.2GHz, như được thể hiện trong hình 3.11.
Hình 3.11 Đáp ứng tần số và dải thông của bộ lọc khi cố định L 2 giảm W 0 = 0.4mm
Khi biểu diễn ba bộ lọc trên cùng một đồ thị, ta nhận thấy rằng khi giữ L = 2.5mm và tăng W0 từ 0.6mm lên 0.8mm, tần số trung tâm và dải thông đều dịch chuyển về phía tần số thấp Ngược lại, khi giữ L2 = 11.5mm và giảm W0 từ 0.6mm xuống 0.4mm, cả tần số trung tâm và dải thông cũng dịch chuyển về phía tần số thấp, nhưng mức độ dịch chuyển với W0 = 0.4mm lớn hơn Điều này cho thấy với W0 = 0.6mm và L = 2.5mm, bộ lọc đạt tần số trung tâm lớn nhất và độ rộng băng thông hẹp nhất, từ đó cải thiện hiệu suất của bộ lọc Kết quả được mô phỏng trong hình 3.12.
Hình 3.12 Đáp ứng tần sô và băng thông của bộ lọc khi cố định L2 và thay đổi W0
3.4.3 Cố định W 1 mm, l 3 5mm và thay đổi kích thước l 1
Khi W 1 mm, l 3.5 mm, và l 1.5 mm, bộ lọc có hai tần số trung tâm là 3.7GHz và 5.8GHz Khi thay đổi l 1 từ 12.5mm xuống 12mm, tần số trung tâm của bộ lọc không thay đổi Tuy nhiên, khi l 1 được tăng từ 12.5mm lên 13mm, tần số trung tâm dịch chuyển về phía tần số thấp, nhưng mức độ dịch chuyển rất nhỏ và có thể bỏ qua Do đó, kích thước l 1 ảnh hưởng không đáng kể đến đặc tính của bộ lọc; với l 1 1.5mm, bộ lọc đạt được suy hao nhỏ nhất và hiệu suất tốt nhất, như thể hiện trong hình 3.13.
Hình 3.13 Đồ thị tần số cộng hưởng khi cố định W 1 , l 3 và thay đổi l 1
3.4.4 Cố định l 1 = 12.5mm, l 3 5mm và thay đổi kích thước w 1
Khi l1 = 1,5mm, l3 = 3,5mm và W1 = 12mm, bộ lọc có hai tần số trung tâm là 3.7GHz và 5.8GHz Khi giảm W1 xuống 11mm, hai tần số trung tâm dịch chuyển về phía tần số thấp nhưng mức độ dịch chuyển rất nhỏ Ngược lại, khi tăng W1 lên 13mm, cả hai tần số trung tâm không thay đổi nhưng suy hao của bộ lọc lại tăng lên Điều này cho thấy việc thay đổi kích thước W1 ảnh hưởng không đáng kể đến đặc tính của bộ lọc, với W1 = 12mm mang lại suy hao nhỏ nhất và hiệu suất tốt nhất, như thể hiện trong hình 3.14.
Hình 3.14 Đồ thị tần số cộng hưởng của bộ lọc khi cố định l 1 ,l 3 vàthay đổi W 1
3.4.5 Cố định W 1 mm, l 1 5mm và thay đổi kích thước l 3
Khi l1 = 1.5mm, l3 = 3.5mm, w1 = 12mm, bộ lọc có hai tần số trung tâm là 3.7GHz và 5.8GHz Khi l3 giảm từ 10.5mm xuống 9.5mm, tần số trung tâm thứ nhất dịch chuyển về phía tần số thấp, trong khi tần số thứ hai hầu như không thay đổi, nhưng suy hao bộ lọc tăng Ngược lại, khi l3 tăng từ 10.5mm lên 11.5mm, cả hai tần số trung tâm đều dịch chuyển lên phía tần số cao, mặc dù mức độ dịch chuyển rất nhỏ và suy hao cũng tăng Điều này cho thấy, sự thay đổi kích thước l3 có ảnh hưởng không đáng kể đến bộ lọc; với l3 = 3.5mm, bộ lọc có suy hao thấp nhất và hiệu suất thấp nhất, như được thể hiện trong hình 3.15.
Hình 3.15 Đồ thị tần số cộng hưởng của bộ lọc khi cố định W 1 , l 1 và thay đổi l 3
Qua các trường hợp đã trình bày ở trên ta thấy thông số, kích thước có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của bộ lọc
Kết luận chương
Đồ án đã thành công trong việc mô phỏng bộ lọc băng tần kép sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ E tại hai tần số trung tâm 3.7GHz và 5.8GHz Kết quả khảo sát cho thấy kích thước của W0 và L2 là những yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính của bộ lọc, trong khi sự thay đổi kích thước của L1, W1 và L3 không có tác động đáng kể.
Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng với nghiên cứu [6], cho thấy hiệu suất băng tần trên và băng tần dưới đã được cải thiện đáng kể Để tối ưu hóa hiệu suất của bộ lọc, kích thước lý tưởng được đề xuất là: w0 = 0.6mm, w1 = 1mm, w2 = 1mm, w3 = 0.2mm, l1 = 0.5mm, l2 = 0.5mm, l3 = 0.5mm, và d = 0.2mm.
Kết luận, đồ án đã thành công trong việc thiết kế và mô phỏng bộ lọc vi dải băng tần kép sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ E, giúp củng cố kiến thức về bộ lọc tần số và lý thuyết liên quan Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất của bộ lọc và áp dụng vào các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực điện tử.
Trong quá trình thiết kế bộ lọc, các thông số kỹ thuật như kích thước và chất liệu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và hiệu suất của bộ lọc.
Nghiên cứu chế tạo bộ lọc băng tần kép tối ưu đã mang lại nhiều ưu điểm vượt trội về kích thước, chất lượng, tốc độ và băng thông, hứa hẹn thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ cho mạng viễn thông trong tương lai để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Bên cạnh đó, đồ án cũng giới thiệu phần mềm mô phỏng HFSS, hướng dẫn thiết kế và xây dựng bộ lọc tần số, đồng thời khảo sát chất lượng bộ lọc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai vào thực tế.
Đề tài nghiên cứu và thiết kế bộ lọc băng tần kép ở tần số 3.7GHz và 5.8GHz cần tiếp tục được hoàn thiện thông qua một quá trình nghiên cứu bổ sung Trong tương lai, đồ án sẽ được phát triển thêm để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi các băng tần hiện tại đang dần cạn kiệt.
