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 lựa chọn tần số cho phép tín hiệu trong một dải tần mong muốn đi qua, đồng thời chặn các tín hiệu trong dải tần khác Các loại bộ lọc tần số được phân loại dựa trên dạng đáp ứng tần số gồm có bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải và bộ lọc chắn dải Trong đó, bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần cố định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới Hình 1.1 minh họa dạng đáp ứng tần và 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 không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ như thông tin di động, vệ tinh, radar, định vị dẫn đường, cảm biến và các hệ thống khác Với sự tiến bộ của công nghệ thông tin và ứng dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần số hạn chế phải được chia sẻ giữa nhiều hệ thống, do đó các bộ lọc đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số nhất định Chúng giúp đảm bảo các hệ thống hoạt động hiệu quả và tránh nhiễu lẫn nhau trong môi trường vô tuyến phức tạp.
Hình 1.2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công
Trong sơ đồ khối, phần phía trên thực hiện chức năng thu, còn phần phía dưới đảm nhận chức năng phát, cả hai đều sử dụng chung một anten, một bộ song công (duplexer) và bộ dao động nội (LO) Hệ thống chứa nhiều bộ lọc đa dạng nhằm thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, chẳng hạn như trong phần thu, bộ lọc sau bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) giúp ngăn chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N), từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp loại bỏ thành phần không mong muốn và tần số rò từ bộ dao động nội, đảm bảo tín hiệu sạch hơn Trong phần phát, bộ lọc được đặt giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất giúp chọn lọc tần số mong muốn và loại bỏ các tần số không cần thiết phát sinh sau quá trình đổi tần Cả khối phát và khối thu đều sử dụng chung bộ song công gồm hai mạch lọc thông dải, một để lựa chọn tần số thu và loại bỏ tín hiệu nhiễu ngoài băng, còn bộ lọc kia có trung tâm tần số phát giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất độc lập bởi Campbell và Wagner vào năm 1915 dựa trên các nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Những tiến bộ trong lý thuyết đã thúc đẩy phát triển các thiết kế mạch lọc từ các mạch cộng hưởng tập trung LC đến các cấu trúc cộng hưởng phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Công nghệ vật liệu ngày càng phát triển đã mở rộng khả năng chế tạo các dạng cấu trúc lọc mới, như vật liệu gốm, thạch anh và vật liệu siêu dẫn, nâng cao hiệu quả và ứng dụng của các hệ thống lọc.
Sự phát triển của mạch lọc tần số
Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất độc lập bởi Campbell và Wagner vào năm 1915, dựa trên nghiên cứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Các nghiên cứu sau đó phát triển theo hai hướng chính là lý thuyết tham số ảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss), đóng vai trò quan trọng trong sự hiểu biết và thiết kế các mạch lọc ngày nay.
Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởi Campbell, Zobel và các nhà nghiên cứu khác, giúp xây dựng các mạch lọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung Các tham số ảnh mô tả mạng hai cửa khác hẳn các tham số tán xạ, mặc dù cách mô tả này mang tính lý tưởng hóa vì các tham số đầu vào và đầu ra của một khâu hai cửa thường không thể hiện chính xác Do đó, phương pháp tham số ảnh chỉ là phương pháp xấp xỉ, nhưng mang lại ưu điểm là có thể thiết kế các mạch lọc bậc cao mà không cần máy tính hỗ trợ Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duy nhất được biết đến đến năm 1939 và là phương pháp thủ công duy nhất thời đó Tuy nhiên, phương pháp này khiến người thiết kế gặp khó khăn trong việc kiểm soát đặc tính của dải thông và dải chắn, và không phù hợp cho các yêu cầu độ chính xác cao hơn.
Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra hiệu quả và phổ biến hơn phương pháp tham số ảnh của Darlington và Cauer đề xuất năm 1939, giúp xấp xỉ đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt và xây dựng mạch điện phù hợp với hàm đó Phương pháp này cho phép giải quyết bài toán xấp xỉ hóa và thực hiện mạch một cách tối ưu và chính xác, chia quá trình thiết kế thành hai bước rõ ràng: xác định hàm truyền đạt đáp ứng yêu cầu và tổng hợp mạch dựa trên đáp ứng tần số ước lượng từ hàm truyền đạt Mặc dù ban đầu phương pháp này chưa được chú ý do yêu cầu tính toán lớn, đến giữa những năm 1950, nhờ sự tiến bộ của máy tính tốc độ cao, tổn hao xen bắt đầu phổ biến hơn thay thế phương pháp tham số ảnh Phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong phần tiếp theo của đồ án.
Trong quá trình phát triển lý thuyết, các thiết kế mạch lọc đã tiến hóa từ các mạch cộng hưởng tham số tập trung LC đến các cấu trúc cộng hưởng tham số phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Các tiến bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy nghiên cứu chế tạo các dạng cấu trúc lọc mới như vật liệu gốm, thạch anh, và vật liệu siêu dẫn, mở rộng ứng dụng của mạch lọc vi dải với khả năng tích hợp trên mạch in Trong 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 vi dải được sử dụng phổ biến, mỗi loại đều có ưu điểm và hạn chế riêng Các bộ lọc đồng trục nổi bật với khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao và kích thước nhỏ gọn, nhưng khó chế tạo Cấu trúc điện môi cũng có kích thước nhỏ và ít tổn hao, tuy nhiên giá thành cao và kỹ thuật xử lý phức tạp là nhược điểm chính Bộ lọc ống dẫn sóng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng kiểm soát công suất tốt, phù hợp trong cao tần, nhưng lại có kích thước lớn Hiện nay, bộ lọc thông dải được ưa chuộng trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ dễ chế tạo và các ưu điểm vượt trội khác.
Phân loại bộ lọc
Bộ lọc được chia thành hai loại chính là bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong xử lý tín hiệu Bộ lọc tích cực sử dụng các thiết bị khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu, trong khi bộ lọc thụ động không có các thiết bị khuếch đại, giúp giảm tín hiệu mà không làm tăng tín hiệu đầu ra Trong các thiết kế bộ lọc thụ động, các thành phần thụ động như điện trở và tụ điện làm giảm biên độ tín hiệu đầu ra so với tín hiệu đầu vào, mang lại mức tăng ít hơn một, đặc biệt rõ rệt trong bộ lọc RC.
Theo dạng đáp ứng tần số, mạch lọc tần số được chia thành có bốn loại chính: mạch lọc thông thấp (LPF) và mạch lọc thông cao (HPF) cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới hoặc phía trên tần số cắt đi qua, trong khi đó, mạch lọc thông dải (BPF) và mạch lọc chắn dải (BSF) chỉ truyền hoặc chặn tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới, giúp kiểm soát chính xác hơn các dải tần sử dụng trong các hệ thống truyền thông và xử lý tín hiệu.
1.4.1.Bộ lọc thông thấp LPF
Bộ lọc thông thấp là thiết bị giúp loại bỏ các tần số cao hơn tần số tới hạn, chỉ cho phép các tần số bằng hoặc thấp hơn đi qua Mạch lọc Butterworth được thiết kế để có đáp ứng biên tần mượt mà trong dải thông và đặc tính đường cong thoải ở biên Biểu đồ đáp ứng tần số của mạch lọc Butterworth bậc nhất thể hiện rõ đặc điểm này, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tín hiệu có biên dạng mượt mà.
Hình 1.3 Biểu đồ đáp ứng tấn số của mạch lọc Butterworth bậc nhất điển hình
Mạch lọc Chebyshev là một loại phổ biến của đáp ứng lọc thể hiện bằng mạch lọc Chebyshev, được biết đến với khả năng điều chỉnh biên độ đáp ứng và độ giảm thiểu nhiễu trong dải tần số mong muốn Biểu đồ đáp ứng biên tần của mạch lọc thông thấp Chebyshev thể hiện rõ đặc tính cắt xuyến và khả năng kiểm soát độ méo dạng đáp ứng, như đã trình bày trong hình minh họa dưới.
Hình 1.4 Biểu đồ đáp ứng biên tần cuả mạch lọc thông thấp chebyshev Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng được định nghĩa như sau:
Hình 1.5 Bộ lọc thông thấp lý tưởng a) Đồ thị đáp ứng tần số b) Dải thông và dải chắn của bộ lọc
1.4.2 Bộ lọc thông cao HPF
Bộ lọc thông cao HPF cho phép các tần số lớn hơn tần số giới hạn đi qua, trong khi các tần số nhỏ hơn bị chặn lại, đóng vai trò đối lập với bộ lọc thông thấp Các mạch lọc thông cao hoạt động bằng cách chặn các tín hiệu có tần số thấp hơn và cho phép các tín hiệu có tần số cao hơn đi qua, tương tự như mạch lọc thông thấp nhưng với sự thay đổi vị trí của một số linh kiện Ngoài ra, mạch lọc thông cao tích cực cũng có các đáp ứng Butterworth và Tschebyscheff, phù hợp cho nhiều mục đích xử lý tín hiệu khác nhau.
Hình 1.6 trình bày đáp ứng Butterworth và đáp ứng Tchebyscheff của mạch lọc thông cao tích cực, hai loại đáp ứng tần số phổ biến trong thiết kế lọc cao Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng được định nghĩa là khả năng loại bỏ các tín hiệu có tần số thấp hơn, trong khi vẫn duy trì tín hiệu ở các tần số cao một cách chính xác Các đặc điểm của đáp ứng Butterworth giúp bộ lọc có độ phẳng lớn trong vùng passband, còn đáp ứng Tchebyscheff nổi bật với khả năng giảm độ trở lực trong vùng passband nhưng có độ dao động cao hơn Việc lựa chọn giữa hai loại đáp ứng này phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế và mục đích sử dụng của bộ lọc cao tần số.
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) là thiết bị cho phép sóng trong một khoảng tần số xác định đi qua, trong khi loại bỏ các tần số thấp hơn hoặc cao hơn phạm vi này Các mạch lọc dải thông phức tạp hơn nhiều so với các loại lọc thông thấp và thông cao, tuy nhiên, cả hai đều có khả năng lọc theo dải tần Trong các mạch lọc thông thấp, điểm cắt dưới (cut-off frequency) thường được coi là điểm tưởng tượng dưới 0 Hz, giúp xác định phạm vi hoạt động của bộ lọc.
Một mạch lọc dải thông có thể được tạo ra bằng cách mắc nối tiếp mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao, giúp tạo ra dải tần hoạt động mong muốn Các loại mạch lọc dải thông phức tạp hơn nhờ có nhiều tham số điều chỉnh như độ lợi (K), bậc lọc (N), tần số trung tâm (Fc), băng thông (BW), và hệ số phẩm chất (Q), từ đó tăng tính linh hoạt trong thiết kế Đáp ứng tần số của bộ lọc dải thông lý tưởng được định nghĩa rõ ràng để phù hợp với các ứng dụng cụ thể, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong truyền tín hiệu.
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 ngược lại của bộ lọc thông dải, nhằm cho phép các tần số nằm ngoài khoảng giới hạn đi qua, trong khi chặn lại các tần số nằm trong vùng tần số giới hạn Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được định nghĩa rõ ràng để loại bỏ những tín hiệu không mong muốn trong phạm vi tần số giới hạn Bộ lọc chắn dải là thiết bị quan trọng trong các hệ thống xử lý tín hiệu để bảo vệ và tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn Việc thiết kế bộ lọc chắn dải đảm bảo loại bỏ hiệu quả các tần số gây nhiễu, nâng cao chất lượng tín hiệu tổng thể.
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 thiết bị có dạng mạng 2 cổng dùng để kiểm soát đáp ứng tần số tại một vị trí xác định trong hệ thống siêu cao tần Thường được sử dụng cho các loại bộ lọc tần số thấp, đặc biệt là dưới 500 MHz, nhằm giảm nhiễu và tách tín hiệu chính trong các hệ thống truyền phát và thu phát cao tần Mạch lọc siêu cao tần thường xuất hiện trong các thiết bị thu phát nhằm đảm bảo chỉ truyền và nhận các tần số mong muốn, nâng cao hiệu suất hệ thống.
Ở các tần số thấp (thường dưới 500 MHz), mạch lọc được chế tạo từ các linh kiện tập trung như cuộn cảm và tụ điện Tuy nhiên, khi hoạt động ở dải siêu cao tần, các thành phần mạch không còn thể hiện đặc tính tuyến tính theo tần số nữa, vì điện kháng và điện nạp của chúng biến đổi không đều Thiết kế mạch lọc siêu cao tần cần phải xem xét các tham số phân tán trên mạch, nhưng trong dải tần hẹp và tần số tương đối thấp, các thành phần tham số phân tán vẫn có thể xấp xỉ dưới dạng linh kiện tham số tập trung Do đó, phương pháp tính toán và tổng hợp bộ lọc theo cách truyền thống vẫn có thể áp dụng, mang lại 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
Hình 1.10 mô tả sơ đồ một mạch lọc hai cửa có nguồn điện áp VS, trở kháng nguồn ZS và trở kháng tải ZL Trong mô hình này, sóng công suất tới mạch lọc có biên độ bằng 1, và biên độ của sóng phản xạ cùng sóng truyền qua được xác định theo hệ số phản xạ Điều này giúp phân tích hiệu quả của mạch lọc trong việc kiểm soát tín hiệu và tối ưu hóa truyền công suất.
R và T , là các hàm phụ thuộc tần số [6]
Hình 1.10 trình bày sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ, giúp hiểu rõ đặc điểm của mạch lọc Mạch lọc thông thấp được đặc điểm hóa bằng tần số chuẩn hóa / c , thể hiện khả năng giảm thiểu tín hiệu có tần số cao, phù hợp cho các ứng dụng lọc tín hiệu.
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
Chọn F_N(Ω) dựa trên yêu cầu loại bỏ tần số ngoài dải thông và độ gợn đáp ứng tần cho phép trong dải thông Các loại bộ lọc phổ biến gồm có bộ lọc Butterworth với đặc điểm tối đa hóa độ phẳng của đáp ứng tần, và bộ lọc Chebyshev với gợn đều trong dải thông Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa được thể hiện như một yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ lọc nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Còn đối với bộ lọc Chebyshev:
L k T (1.8) với T N là đa thức Chebyshev bậc N
Hình 1.11 mô tả tham số tổn hao xen giữa của mạch lọc thông thấp bậc 3, với giá trị tổn hao tại tần số cắt (Ω = c1) bằng Lc Nhìn vào hai đồ thị, có thể thấy rõ rằng đáp ứng tần số của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần số cắt so với mạch lọc Butterworth Điều này có nghĩa là bộ lọc Chebyshev có đặc tính lọc dốc hơn và gần hơn với dạng đặc tính lọc của bộ lọc lý tưởng như trong hình 1.10, giúp tối ưu hiệu quả lọc tín hiệu với độ dốc tốt hơn.
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 gk biểu thị thành phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k, còn g0 và gN+1 là điện trở hoặc điện dẫn chuẩn hóa của nguồn và tải Mạch lọc này sử dụng các thành phần chuẩn hóa để thiết kế dễ dàng và tối ưu hóa hiệu suất lọc phù hợp với yêu cầu của hệ thống Trong đó, 𝑔𝐿 được xác định bằng gₙ+1, thể hiện mối liên hệ giữa các thành phần trong mạch lọc bậc thang.
Mạch lọc thông thấp kiểu Butterworth với đặc tính cắt tại điểm Lc = 3dB ở 1000Ω yêu cầu xác định các giá trị chuẩn hóa gk dựa trên công thức cụ thể Trong mạch lọc dạng bậc thang có các linh kiện tham số tập trung, việc tính toán chính xác các giá trị này là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất lọc mong muốn Các linh kiện trong mạch đóng vai trò quyết định tới đặc tính tần số, giúp tối ưu hóa hiệu quả lọc và đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra.
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, dựa trên đồ thị tham khảo Các giá trị g_k được tính toán phù hợp với thông số kỹ thuật, giúp đảm bảo hiệu quả lọc tối ưu cho hệ thống Việc xác định chính xác bậc lọc là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu suất mong muốn trong thiết kế các mạch lọc Chebyshev N.
1.5.1.2 Bộ lọc thông cao của mạch lọc siêu cao tần
Mẫu bộ lọc thông thấp trên được đặc trưng bởi một mạch điện hình bậc thang gồm các thành phần điện cảm và điện dung trong miền tần số chuẩn hóa Thiết kế này giúp giảm thiểu các tín hiệu nhiễu và bỏ qua các tần số cao không mong muốn trong quá trình xử lý tín hiệu Mạch lọc này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lọc tần số chính xác và ổn định Việc sử dụng các thành phần điện cảm và điện dung trong thiết kế giúp đảm bảo hiệu suất lọc tối ưu và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cao.
Trong quá trình thiết kế các loại bộ lọc như thông cao, thông dải hay chắn dải trong miền tần số thực, người ta sử dụng phép biến đổi tần số để chuyển đổi đồ thị đáp ứng tần từ miền tần số chuẩn hóa Ω sang miền tần số ω Phương pháp này giúp xác định chính xác đặc tính của bộ lọc trong phạm vi tần số mong muốn Đồng thời, kỹ thuật biến đổi trở kháng được áp dụng để điều chỉnh tỷ lệ trở kháng giữa nguồn tải và điện kháng của các thành phần mạch lọc, tối ưu hóa hiệu quả làm việc của bộ lọc Sơ đồ mạch lọc thông dải hai cửa và đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số được trình bày rõ trong hình 1.13 và hình 1.14, minh họa rõ nét các quy trình thiết kế và phân tích trong kỹ thuật lọc 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
Hình 1.13 cho thấy các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch lọc thông thấp được biến đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối tiếp trong mạch lọc thông dải Điều kiện để thực hiện là tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần số cắt dưới của mạch thông dải phải bằng tổn hao xen của mạch thông thấp ban đầu tại Ω = c₁ Các giá trị Lₖ và Cₖ của từng nhánh cộng hưởng được tính dựa trên các tiêu chí này để đảm bảo hiệu quả lọc tối ưu.
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 trong hình 1.13 được xây dựng từ bộ lọc thông thấp trong hình 1.12, gồm các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song ghép trực tiếp với nhau Trong thực tế, việc thiết kế đồng thời các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp và song song gặp khó khăn, đặc biệt ở dải tần siêu cao Do đó, người ta sử dụng các bộ biến đổi trở kháng hoặc dẫn nạp để liên kết các bộ cộng hưởng cùng loại, tạo thành mạch lọc thông dải hiệu quả Hình 1.15 mô tả chi tiết bộ biến đổi trở kháng và bộ biến đổi dẫn nạp, có vai trò biến đổi trở kháng Zb hoặc dẫn nạp Yb ở một đầu thành trở kháng Za hoặc dẫn nạp Ya ở đầu kia của bộ biến đổi Giá trị trở kháng đặc trưng và dẫn nạp đặc trưng của các bộ biến đổi này lần lượt là K và J, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của mạch lọc.
Hình 1.15 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b)
Trong bài viết này, chúng ta xem xét một mạng gồm phần tử dẫn nạp Yp(ω) đặt giữa hai bộ biến đổi trở kháng, như minh họa trong hình 1.16 (a) Trở kháng vào của mạng, khi nhìn từ hai đầu, được xác định bằng các công thức phù hợp để phân tích hoạt động của mạch Việc đánh giá trở kháng này giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của phần tử dẫn nạp Yp(ω) trong hệ thống truyền tín hiệu Hiểu rõ các công thức tính trở kháng sẽ hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế mạng để đạt hiệu quả truyền tải tối đa, phù hợp với các quy luật của kỹ thuật truyền sóng.
Trong hệ thống truyền năng lượng, ký hiệu KP đại diện cho trở kháng nối tiếp ZS(), giúp biến đổi dẫn nạp song song Yp() thành trở kháng nối tiếp ZS() Các yếu tố này có thể thay thế cho nhau để tối ưu hoá thiết kế mạch, như minh họa trong Hình 1.16 (b) Khi trở kháng nối tiếp ZS() được đặt giữa hai bộ biến đổi dẫn nạp J, nó tương đương với một phần tử dẫn nạp song song Yp(), đảm bảo tính linh hoạt trong phân tích và thiết kế mạch RF.
Kết luận chương
Mạch lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, với các lý thuyết phân tích và thiết kế mạch lọc đã phát triển lâu dài và khá hoàn thiện Tuy nhiên, nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn tiếp tục được thực hiện nhằm tạo ra các cấu trúc lọc nhỏ gọn, tối ưu về khả năng chọn lọc tần số Các phương pháp tính toán cơ bản vẫn là nền tảng cho sự phát triển này, và các lý thuyết mới sẽ được trình bày rõ 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
2.2 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
Trong thiết kế điện tử, có hai tham số chính ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị là độ rộng dải dẫn điện W và chiều cao của tấm điện môi h Tham số quan trọng khác là hằng số điện môi tương đối của chất nền ℰ r, giúp xác định khả năng truyền điện của vật liệu Trong khi đó, độ dày của dải dẫn điện t và dẫn suất ϭ là các yếu tố kém quan trọng hơn và đôi khi có thể bỏ qua để tối ưu hóa thiết kế.
2.2.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải
Sóng truyền trên đường truyền vi dải có dạng gần giống với sóng TEM (Quasi-TEM), nghĩa là trong một số vùng chỉ có thành phần điện trường hoặc thành phần từ trường theo hướng truyền sóng Hình 2.2 thể hiện sơ đồ trường điện từ của một đường truyền vi dải cơ bản, giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và đặc điểm của loại đường truyền này.
Trên cấu trúc đường vi dải, xuất hiện sơ đồ quasi-TEM do mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không khí là không khí, gây hiện tượng không liên tục các đường sức điện trường tại mặt tiếp giáp Điều kiện biên cho điện trường yêu cầu thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục khi truyền qua biên, khiến điện trường giảm đột ngột 10 lần nếu chất nền có hằng số điện môi là 10 so với không khí Đồng thời, thành phần tiếp tuyến của điện trường cũng phải liên tục xuyên qua biên, dẫn đến phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí và phần còn lại trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng của sóng truyền trên đường vi dải nằm giữa giá trị của không khí và chất nền, ảnh hưởng đến đặc tính truyền của tín hiệu.
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 cấu trúc DGS nhưng tăng chiều dài điện từ trong đường truyền vi dải, giúp thể hiện các đặc điểm sóng ngắn và chắn dải rõ ràng Các thành phần viba mới nhất của bộ lọc chắn dải và bộ lọc thông thấp có thể được thiết kế dựa trên các đặc tính này, mang lại hiệu suất tối ưu cho bộ lọc RF Phân tích so sánh các kết quả mô phỏng sử dụng đường truyền vi dải với trở kháng 50Ω và chất nền có hằng số điện môi tương đối lần lượt là 2.2 (hình 2.3a) và 10.2 (hình 2.3b), với độ dày tương ứng 0.8 mm và 1.27 mm, cho thấy rõ sự khác biệt về hiệu suất và đặc tính sóng của các cấu trúc này.
Hình 2.3 Defected microstrip structures DMS
DMS cho hiệu năng chắn dải rõ ràng, dễ dàng thu được bằng cách sử dụng chất nền có hằng số cao, như thể hiện trong hình 2.4 Ngoài ra, DMS 2 đã được đề xuất với hiệu năng vượt trội hơn so với bộ lọc chắn dải truyền thống, như minh họa trong hình 2.5.
Hình 2.4 Mô phỏng thông số S của Hình 2.5 Mô phỏng thông số S đường truyền vi dải với đơn vị DMS so sánh DMS1 và DMS2 với 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 εr = 10.2, a = 0.2 mm, b = 14 mm, c = 0.3 mm, d = 0.3 mm Trong nghiên cứu này[9], thấy rằng DMS có thể đươc mô tả bằng chiều dải khe nằm ngang b, và chiều rộng khe dọc a, nó có thể cho thấy chiều dài khe ngang ảnh hưởng đến hiệu quả của điện cảm và càng tăng với b ngày càng tăng, và được đem dùng cho một băng tần chắn dải thấp hơn Và trong khi đó, độ rộng khe dọc ảnh hưởng đến hiệu quả điện dung, và giảm với a tăng, điện dung thấp gây ra một 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 thể hiện 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 của DGS được thiết kế như một mạch cộng hưởng LC song song, bởi vì hiệu suất băng tần chắn dải của một DMS mới là tương tự như của các đơn vị DGS, do đó các mô hình mạch tương đương của DGS có thể được sử dụng để đưa ra các thông số mạch tương đương của DMS, điện cảm Lvà điện dung C có thể được thể hiện như sau:
Các thông số mạch tương đương của DMS có thể được tính dựa trên các biểu thức cụ thể, giúp xác định tính hợp lệ của băng tần chắn dải Để kiểm tra hiệu quả, các bộ lọc chặn dải với một băng đơn, băng tần kép và ba băng tần được thiết kế dựa trên hằng số điện môi tương đối là 10,2 và độ dày 1.27 mm, như thể hiện trong hình 2.6 và 2.8 Mô phỏng phản hồi tần số so với công thức cho thấy tần số hoạt động tăng khi tham số b giảm; ví dụ, với b = 15 mm, các bộ lọc có băng thông tương đối khoảng 5,68%, tổn hao thấp hơn 0,8 dB tại tần số trung tâm 5,66 GHz, đồng thời có cặp truyền dẫn zeros với tổn hao không thấp hơn 36 dB, đảm bảo khả năng lọc hiệu quả trong hệ thống truyền dẫn RF.
Bộ lọc chắn dải đơn băng với DMS được thiết kế để xử lý băng tần kép và ba băng, trong đó, các khe thẳng đứng được sử dụng để tối ưu hóa hiệu quả của điện cảm, còn các khe ngang ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của bộ lọc Đồng thời, các khe dọc đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của điện dung, giúp bộ lọc hoạt động chính xác trong các dải tần mong muốn.
Hình 2.7 Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải với b, c = 0.3 mm, e = 0.2 mm, f = 0.6 mm, g = 1 mm
Hình 2.8 trình bày cấu trúc và mạch tương đương của bộ lọc chắn dải băng kép và ba băng với DMS, với biến b khác nhau, trong đó i = 2 hoặc 3 Đáp ứng tần số mô phỏng của bộ lọc chắn dải băng tần kép thể hiện rõ trong hình 2.9, cho thấy 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, đồng thời giữ chi phí sản xuất thấp.
Hình 2.9 Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải
Hình 2.10 Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải ba băng a = 0.4 mm, c = 1 mm, d = 0.3 mm, e = 0.6 mm
Khi b tăng lên trên 18 mm, bộ lọc chắn dải ba băng bắt đầu phát huy hiệu quả cho các điện cảm, như thể hiện trong hình 2.11 mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc Hình 2.12 cho thấy mối quan hệ giữa tần số hoạt động và tham số b, với bộ lọc hoạt động tại các tần số 1.55 GHz, 4.59 GHz và 7.59 GHz khi b = 20 mm Tần số hoạt động của bộ lọc có xu hướng thay đổi tương tự như của băng tần kép, trong đó sự biến thiên tần số của băng thứ ba rõ ràng hơn so với các băng khác.
Hình 2.11 Mối quan hệ của tần số hoạt động và tham số b
Hình 2.12 Mối quan hệ của tần số hoạt động với thông số b, a = 0.4 mm, c = 1 mm, d = 0.3 mm, e = 0.6 mm.
DGS (Defected Ground Tructure) và một số cấu trúc DGS
Cấu trúc DGS là một dạng kết cấu được hình thành từ các hình dạng bất kỳ khắc trên mặt phẳng đế kim loại, giúp tối ưu hiệu suất và dễ dàng điều chỉnh mạch tương đương (LC) Được cải tiến từ cấu trúc PBG, DGS có thể có hoặc không có chu kỳ, linh hoạt trong thiết kế và ứng dụng Cấu trúc này thường được sử dụng để thiết kế bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộ chia/ghép, bộ tạo dao động và anten, mang lại hiệu quả cao trong các thiết bị điện tử viễn thông.
Hình 2.13: Hình dạng mặt phẳng đế DGS
Cấu trúc DGS không chỉ giúp tăng đáng kể đặc tính trở kháng của đường cấp nguồn mà còn nâng cao hiệu suất chắn dải nhờ loại bỏ dải tần cao hơn và cho phép thông dải Kết quả cho thấy, các bộ lọc sử dụng cấu trúc DGS nhỏ hơn và hiệu quả hơn các bộ lọc vi dải thông thường Các thông số thiết kế cơ bản của cấu trúc DGS gồm có a, b, w và g, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất lọc.
2.4.1 Cấu trúc cơ bản và đặc tính dẫn truyền
Cấu trúc DGS gồm hai phần chính: vùng khắc lỗ hình chữ nhật với kích thước a x b, các khe hở g x w, và vùng khắc lỗ rộng kết nối các rãnh hẹp trên mặt phẳng kim loại, như mô tả trong hình 2.14 Đây là dạng cấu trúc DGS đầu tiên được thiết kế Tham số S của mô hình EM cấu trúc DGS thể hiện rõ trong hình 2.15 Cấu trúc DGS có đặc tính như bộ lọc chắn dải, hiệu năng cao đối với sóng ngắn và khả năng chống trở tốt So với PBG, DGS có nhiều ưu điểm như diện tích chu vi nhỏ hơn do không cần cấu trúc theo chu kỳ, chỉ bao gồm một số nguyên tố DGS có tính chất cơ bản giống như cấu trúc định kỳ và dải chắn, mang lại hiệu quả vượt trội trong các ứng dụng truyền sóng.
Vùng tham số S mô phỏng cấu trúc DGS hình chuông có khả năng tương thích với đáp ứng chậm loại Butterworth một cực, giúp dễ dàng thiết kế và vận hành Cấu trúc đơn vị tạo nên DGS đơn giản, giúp mô hình và mạch tương đương dễ dàng lấy ra, tiết kiệm dung lượng chu vi trên mỗi đơn vị DGS So với PBG, DGS tiêu thụ ít cấu trúc chy lỳ và có tính chính xác cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng sóng ngắn trong công nghiệp vi sóng DGS là lựa chọn lý tưởng trong các vòng xoay lò vi sóng nhờ khả năng tối ưu kích thước và dễ chế tạo trong điều kiện hạn chế công nghệ, đem lại hiệu quả vượt trội.
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 một dòng vi dải cong không làm thay đổi đáng kể đặc tính tần số của cấu trúc, vốn vẫn được duy trì từ dòng vi dải DGS thẳng Kỹ thuật uốn cong tạo thành cấu trúc 2D, giúp tạo ra nhiều đoạn cong giống như đường uốn khúc, mở rộng phạm vi chắn dải và cho phép tích hợp nhiều chu kỳ trong một khu vực vòng xoáy Cấu hình này mang lại lợi ích vượt trội so với DGS quả tạ, góp phần nâng cao hiệu quả và tiết kiệm không gian trong thiết kế mạch.
Hệ số sóng ngắn cao hơn giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn, trong khi thiết kế mạch nhỏ gọn hơn mang lại tính ứng dụng linh hoạt 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, góp phần giảm kích thước và tối ưu hóa không gian lắp đặt.
Các cấu trúc DGS mới, như DGS hình chữ U, có Q lớn hơn chút so với các DGS thông thường So sánh đặc tính truyền của DGS hình chữ U với DGS hình xoắn ốc và DGS thông thường cho thấy các thiết kế này nhằm tạo ra các tần số cộng hưởng tương tự, nhưng DGS hình chữ U có yếu tố Q vượt trội (hơn 36,05) với băng thông 3 dB là 0,081 GHz Trong khi đó, DGS xoắn ốc có Q là 7,478 và băng thông 3 dB là 0,39 GHz, cho thấy DGS hình chữ U phù hợp hơn trong việc thiết kế các mạch sóng vi dải nhỏ gọn để nhận dạng thiết bị chủ động và bị động, đồng thời giúp ngăn chặn các họa âm hiệu quả.
Cấu trúc chu kỳ như PBG và DGS được quan tâm nhiều nhất nhờ tính ứng dụng rộng rãi trong thiết kế ăng-ten và lò vi sóng Đường truyền với cấu trúc định kỳ có băng thông hữu hạn và chức năng như bộ lọc thông thấp, giúp kiểm soát hiệu quả các tín hiệu Việc tăng tác dụng song ngắn và bổ sung các thành phần tương tự là các đặc điểm quan trọng để nhận biết cấu trúc chu kỳ cũng như giảm kích thước mạch nhờ vào các đặc tính này Chu kỳ đại diện cho sự lặp lại của các cấu trúc vật lý, trong đó việc xếp chồng các tế bào DGS cộng hưởng trên mặt khắc ảnh hưởng đến độ sâu và băng thông của các bộ lọc dải, vốn phụ thuộc vào số lượng chu kỳ Hiện nay, có hai loại DGS chu kỳ chính: DGS theo chiều ngang (HPDGS) và DGS theo chiều dọc (VPDGS), với đặc điểm hình dạng đơn vị, khoảng trống giữa các đơn vị DGS, và sự phân bố của chúng được thể hiện rõ trong hình 1.23.
(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 nổi bật với khả năng tạo ra các chu kỳ theo hướng thẳng đứng và nằm ngang, còn gọi là VPDGS, giúp mở rộng dải chắn của đường cong đáp ứng tần số Trong khi đó, DGS truyền thống chỉ gồm cấu trúc HPDGS với các tầng nối tiếp theo hướng truyền, thích hợp cho các ứng dụng như tạo dao động và khuếch đại do có khả năng chắn dải tốt và truyền sóng ngắn Các dạng cấu trúc khắc hình vuông của DGS chu kỳ cung cấp khả năng chắn dải hiệu quả và phù hợp với truyền sóng ngắn, đồng thời được đề xuất so sánh với các DGS không đồng dạng tròn sử dụng phân bố như Chebyshev, phân phối logarit, hoặc C1/n, nhằm tối ưu hoá dòng vi dải và thay đổi kích thước lỗ vuông theo phân bố biên độ Ứng dụng của VPDGS có khả năng tạo ra yếu tố sóng ngắn cao hơn HPDGS, giúp tăng chiều dài dòng điện trong các bộ khuếch đại mà vẫn giữ được độ dài vật lý ban đầu Ví dụ, việc chèn VPDGS vào các kết nối giúp giảm kích thước của bộ khuếch đại, có thể giảm tới 38,5% đến 44,4% chiều dài đường truyền so với ban đầu.
Cấu trúc bộ lọc DGS kết hợp đường truyền vi dải
Nghiên cứu này giới thiệu về bộ lọc thông thấp DGS có cấu trúc đơn giản gồm vùng ăn mòn với kích thước a = 4.15 mm, b = 6.2 mm và khe (g) = 0.5 mm nằm ở biên Bề rộng của bộ lọc là w = 1.2 mm Bài viết tập trung khảo sát ảnh hưởng của việc dịch chuyển khe (g) từ vị trí ở biên đến trung tâm, theo mô hình trình bày trong hình 2.19.
Hình 2.18 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS
Hình 2.19 trình bày cấu trúc DGS với miền ăn mòn a, b và khe g, trong đó khe g ở vị trí biên (hình 2.19a) và trung tâm (hình 2.19b) Để nghiên cứu ảnh hưởng của việc dịch chuyển khe g từ vị trí biên đến trung tâm, ta đã thực hiện mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) tại các vị trí khác nhau của khe g Kết quả thể hiện qua các đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số tại các vị trí khác nhau từ g1 đến g7, như trong hình 2.20 Phân tích các đồ thị này cho thấy, khi khe g dịch chuyển đến vị trí trung tâm, cả tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc đều tăng gần như tuyến tính.
Hình 2.20 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi vị trí khe (g)
Dựa trên cấu trúc hình 2.20.a với các thông số a = 4.15mm, b = 6.2mm, g = 0.5mm ở vị trí biên, bài viết khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi độ rộng khe (g) từ 0.5mm đến 1.2mm đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc Việc này giúp xác định cách biến đổi khe hở ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ lọc trong các ứng dụng RF và viễn thông Kết quả cho thấy, tăng độ rộng khe g làm giảm tần số cắt nhưng lại nâng cao tần số làm việc, góp phần tối ưu hóa thiết kế bộ lọc theo yêu cầu kỹ thuật.
Hình 2.21 trình bày cấu trúc DGS với độ rộng khe (g) = 1.2mm, nhằm khảo sát ảnh hưởng của độ rộng khe đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc Các mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) được thực hiện với các giá trị khác nhau của g, cho phép phân tích sự biến đổi của hệ số tổn hao theo tần số Kết quả cho thấy, khi độ rộng khe g tăng, tần số cắt và tần số làm việc của bộ lọc cũng tăng theo xu hướng tuyến tính, giúp tối ưu hóa thiết kế bộ lọc theo yêu cầu kỹ thuật.
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
Để khảo sát ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc, chúng tôi tiến hành mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) với các giá trị khác nhau của g Các kết quả cho thấy, từng giá trị của g tạo ra những đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số, như minh họa trong hình 2.24 với các đồ thị phản ánh sự biến đổi của hệ số tổn hao tại các giá trị g khác nhau.
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
Hình 2.24 thể hiện mối liên hệ giữa tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi độ rộng khe (g) Để nghiên cứu ảnh hưởng của vùng ăn mòn đến các tần số này, chúng tôi đã mô phỏng hệ số tổn hao (S11, S21) với các giá trị a khác nhau, dần dần tiến đến giá trị b Các đồ thị hệ số tổn hao theo tần số tại các mức a tăng dần đến b thể hiện rõ qua Hình 2.25, cho thấy khi a bằng b, tần số cắt và tần số hoạt động của bộ lọc giảm gần như theo 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)
Hình 2.26 trình bày cấu trúc đào thoát nơi vùng xám là kim loại, còn vùng trắng là chất nền Để phân tích các đặc điểm cộng hưởng của cấu trúc, một loại vật liệu có hằng số 2.65 và độ dày 1.6 mm được sử dụng Cấu trúc có bề rộng 4.3 mm, phù hợp cho đường truyền vi dải có trở kháng 50 Ω, với các thông số a1, a2 = 7 mm, b1, b2, c1, c2, d1, d2 = 0.4 mm, và được mô phỏng bằng phần mềm HFSS 11 Cấu trúc DMS hình π được tạo thành và ảnh hưởng của tham số a đến cấu trúc đã được phân tích chi tiết Các tham số của cấu trúc DMS và DGS hình π thể hiện rõ trong Hình 2.27 Trong đó, DMS hình π có tần số cộng hưởng duy nhất tại 5.39 GHz, và khi kích thước đơn vị a tăng, tần số cộng hưởng giảm Trong khi đó, DGS hình π có tần số cộng hưởng duy nhất tại 5.43 GHz, và tần số cộng hưởng giảm khi kích thước a tăng DMS hình π có đặc điểm sóng ngắn và khả năng 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
DMS hình π có đặc tính sóng ngắn và chắn dải, thích hợp để thiết kế bộ lọc chắn dải thu nhỏ Một bộ lọc chắn dải 2 tầng hình π (bộ lọc A) đã được thiết kế, thể hiện rõ trong hình 2.28 với mặt trên và mặt dưới của bộ lọc Để cải thiện hiệu suất hoạt động nhờ đặc điểm cộng hưởng của DGS hình π, DGS này được thêm vào bộ lọc A Bộ lọc B là sự kết hợp của bộ lọc A và DGS hình π, được trình bày trong hình 2.29 với mặt trên và mặt dưới Trong các hình này, vùng màu xám là kim loại, 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 nằm tại trung tâm mặt phẳng đất và diện tích của bộ lọc B không tăng so với bộ lọc A, giúp giữ nguyên kích thước nhưng nâng cao hiệu quả lọc.
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
Đường truyền vi dải có cấu trúc đặc trưng, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống viễn thông Các loại cấu trúc DGS và DMS từ cơ bản đến phức tạp gồm nhiều hình dạng khác nhau giúp mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng Sự kết hợp giữa cấu trúc DMS và DGS thể hiện tính đa dạng và linh hoạt của các loại cấu trúc này Để thiết kế một cấu trúc DGS kết hợp với DMS hiệu quả, cần hiểu rõ các nguyên lý cơ bản và các bước triển khai, sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo của tài liệu.
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
Dây soắn DGS được sử dụng để thiết kế bộ lọc thông thấp hiệu quả, trong đó mô tả như một bộ lọc Butterworth đơn cực Trong cấu hình này, điện dung được thu từ khe (gap) và điện cảm được tạo ra bởi các vòng lặp, giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất của bộ lọc.
Nghiên cứu về các cấu trúc DGS hình chuông với nhiều dạng khác nhau đã được ứng dụng trong thiết kế bộ lọc, bộ chia và bộ khuếch đại, mang lại khả năng lọc cao hơn các bộ lọc cực truyền thống Cấu trúc DGS hình ellip, được đề xuất bởi Chen JX, đã mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng truyền dẫn Một phương pháp tiếp cận mới gọi là cấu trúc khắc trên đường truyền vi dải (DMS) đã được phát triển để cải thiện hiệu quả hoạt động của các đường dây truyền tải vi dải bằng cách tích hợp các khe trong đường truyền này DMS trở thành một giải pháp hấp dẫn nhằm đạt được các đặc tính dải thông, dải chắn và sóng ngắn tối ưu.
Các yếu tố sóng ngắn trên các vi dải tăng lên do sự nhiễu loạn trong đường truyền vi dải gây ra bởi quỹ đạo quanh các khe trong dòng điện cảm và điện dung cao của dòng vi dải Điều này giúp tạo ra băng chắn nhỏ gọn, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng phát triển hiện nay Trong bài viết này, DMS cùng với bộ lọc hình elip của DGS đã được nghiên cứu để tạo ra bộ lọc hiệu quả hơn Các mảng DMS hai đơn vị được sử dụng để phản hồi dừng bộ lọc, với các đơn vị DMS tiếp giáp tiếp điểm dòng vi dải và cấu trúc chia vòng của DGS, nhằm tạo ra phản ứng lọc thông dải phù hợp làm kết cấu trước trong các hệ thống sóng vi dải hiện đại như truyền hình vệ tinh, GPS, Bluetooth.
Giới thiệu sơ lược về phần mềm HFSS
Phần mềm mô phỏng trường điện từ HFSS 11 (Ansoft High Frequency Structure Simulator) là công cụ mạnh mẽ để phân tích các đặc trưng điện từ của các cấu trúc 3D bất kỳ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn toàn sóng ba chiều HFSS giúp kỹ sư tách biệt các tham số kí sinh như S, Y, Z, đồng thời hình dung trường điện từ 3D gồm trường khu gần và trường khu xa, hỗ trợ tạo các mẫu mô phỏng chuyên dụng cho mạch in, như SPICE, nhằm tối ưu hóa thiết kế cao tần và tốc độ cao.
HFSS mô tả chính xác hoạt động điện của các linh kiện, đánh giá hiệu quả tín hiệu như tổn hao đường truyền, phản xạ do không phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh và phát xạ Phần mềm này có khả năng mô phỏng các trường điện từ, dòng điện và phát xạ trong các cấu trúc ba chiều gồm kim loại, điện môi, vật liệu từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều HFSS được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp để thiết kế các thiết bị tần số vô tuyến RF, anten, mạch in và các linh kiện RF/vi ba, giúp giảm thời gian phát triển và nâng cao độ chính xác của thành phẩm Theo www.ansoft.com, HFSS là phần mềm tiêu chuẩn trong ngành để phân tích tham số S, mô phỏng toàn sóng (full wave SPICE), và mô phỏng điện từ các linh kiện tần số cao với tốc độ cao, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế các phần tử thụ động trên chip, đầu nối mạch in, gói IC tần số cao và các ứng dụng RF khác.
Phiên bản mới nhất của HFSS mang đến các cải tiến đáng kể trong phát triển sản phẩm cho kỹ sư RF/vi-ba, đồng thời mở rộng khả năng phối hợp thiết kế điện từ để phục vụ các lĩnh vực khác như thiết kế IC RF/analog, hệ thống truyền dữ liệu multi-gigabit và các vấn đề EMI/EMC.
HFSS là phần mềm được sử dụng để mô phỏng các đầu nối, ống dẫn sóng, linh kiện trên chip, anten, giúp khảo sát các tham số và tối ưu cấu trúc một cách chính xác Công cụ này rất hữu ích trong thiết kế các hệ thống viễn thông, vi điện tử, và các ứng dụng RF, giúp tối ưu hiệu suất và đảm bảo độ chính xác của các sản phẩm Việc sử dụng HFSS giúp các kỹ sư dễ dàng mô phỏng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của các linh kiện điện tử cao tần, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.
HFSS là một phần của họ sản phẩm của Ansoft
Các bộ quét tần số là công cụ quan trọng giúp người dùng tạo ra các lời giải qua một dải các tần số khác nhau Khi cần phát hiện hoặc phân tích các tín hiệu trong phạm vi tần số rộng, người dùng có thể lựa chọn từ nhiều loại bộ quét phù hợp Việc sử dụng bộ quét tần số giúp tối ưu hóa quá trình khảo sát, nâng cao độ chính xác trong phân tích các đặc tính của tín hiệu trong dải tần số mong muốn.
Phương pháp nhanh chóng tạo ra một lời giải trường đầy đủ duy nhất cho mỗi phép chia trong một khoảng tần số, giúp xử lý các mẫu đột ngột cộng hưởng hoặc thay đổi hoạt động trong băng tần số một cách hiệu quả.
Trong quá trình thiết kế, việc tạo ra các lời giải trường tại các điểm tần số cụ thể trong một dải tần là rất quan trọng Để đạt hiệu quả cao, chỉ cần mô tả chính xác các kết quả tại một số điểm tần số cần thiết trong dải tần, giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và giảm thiểu sự rời rạc trong mô hình.
Nội suy là quá trình đánh giá một lời giải cho toàn bộ dải tần, giúp đảm bảo phản ứng tần số phù hợp Để đạt hiệu quả tối ưu, nên thiết lập dải tần rộng và đáp ứng tần số bằng phẳng, đảm bảo các đặc điểm của hệ thống hoạt động chính xác Trong trường hợp yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá tài nguyên sẵn có, việc nội suy giúp cân bằng giữa hiệu suất và nguồn lực.
Trong thiết kế HFSS, việc thiết lập các kích thích là bước quan trọng giúp xác định chính xác các nguồn trường điện từ, điện tích, dòng điện và điện áp trên vật thể hoặc bề mặt Các loại kích thích phổ biến bao gồm Wave port, Lumped port, nguồn sóng tới, nguồn điện áp, nguồn dòng điện và nguồn phân cực từ, đều đóng vai trò quan trọng trong mô phỏng và phân tích hiệu suất của thiết kế Việc lựa chọn và cấu hình đúng các kích thích sẽ nâng cao độ chính xác của kết quả phân tích trong quá trình thiết kế hệ thống RF và vi sóng.
Các đường biên đóng vai trò quan trọng trong việc cụ thể hóa đặc tính trường trên các bề mặt của vùng bài toán và các giao diện vật thể Điều kiện biên bao gồm các loại đường biên 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 Những thông tin này giúp xác định chính xác các đặc tính của trường điện từ tại các điểm biên, hỗ trợ thiết kế và phân tích mô hình điện tử hiệu quả hơn Việc hiểu rõ các loại đường biên này là nền tảng để áp dụng các điều kiện biên phù hợp trong các bài toán điện từ và mô phỏng kỹ thuật.
- Các vật liệu Các tính chất của vật liệu tuyến tính:
+ Hệ số từ thẩm tương đối + Hệ số điện môi tương đối + Điện dẫn khối
+ Tổn hao điện môi tiếp tuyến + Tổn hao từ tiếp tuyến
Các tính chất của vật liệu ferít:
+ Đường bão hòa từ + Hệ số Lande G + Delta H
Thông tin cũng bao gồm những điều sau:
+ Các vật liệu không đẳng hướng + Các tính chất của vật liệu phụ thuộc tần số
Lời giải Driven Modal phù hợp khi muốn HFSS tính các hệ số S dựa trên đặc điểm của các 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 này thể hiện các số hạng liên quan đến năng lượng tới và phản xạ của các mốt ống dẫn sóng, giúp phân tích chính xác hơn các hệ thống vi sóng và RF.
Lời giải Driven Terminal là lựa chọn phù hợp khi bạn muốn HFSS tính toán các tham số S dựa trên đầu cuối của các cổng truyền dẫn đa chất dẫn Các lời giải ma trận S sẽ được biểu diễn dưới dạng các số hạng của điện áp và dòng điện tại các đầu cuối.
Lời giải mốt riêng giúp xác định các tần số cộng hưởng của cấu trúc và các trường tại các tần số này Việc lựa chọn loại lời giải mốt riêng phù hợp là yếu tố quan trọng để tính các mốt riêng, cũng như các cộng hưởng của cấu trúc Bộ giải mốt riêng xác định các tần số cộng hưởng của cấu trúc, giúp phân tích đúng các trường tại các tần số cộng hưởng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng kỹ thuật.
Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng DGS
Để thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng DGS, ta sẽ tạo hình dạng và kích thước theo hình 3.1 và sử dụng phần mềm HFSS để mô phỏng đặc tính tần số của nó Nghiên cứu đặc tính cấu trúc này được thực hiện bằng mô phỏng trên 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 Đường truyền vi dải có độ rộng W = 1.92 mm để đạt trở kháng 50Ω Các kích thước của các thành phần L, T và g lần lượt là 4 mm, phù hợp với thiết kế bộ lọc thông dải hiệu quả.
Các khe ghép có thể được cải thiện bằng cách chia vòng DGS trên mặt phẳng mặt đất, phía bên dưới đường vi dải xung quanh khe ghép, như minh họa trong hình 3.2 Kích thước của đơn vị DGS gồm các thông số chính là a = 4 mm, t = 0,5 mm và S = 0,5 mm, giúp nâng cao hiệu quả liên kết và giảm thiểu sự co ngót của bê tông Quy trình này phù hợp để tối ưu hóa quá trình thi công, đảm bảo độ chính xác và bền vững của kết cấu.
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, ta điều chỉnh tăng giảm từng tham số một, trong khi các tham số còn lại được giữ nguyên để dễ dàng nhận diện sự khác biệt Cụ thể, quá trình này tập trung vào việc thay đổi khoảng cách khe g giữa hai cặp đường truyền vi dải, cũng như khoảng cách s của vòng chia DGS Ngoài ra, các tham số khác như a và t cũng được điều chỉnh để phân tích tác động của chúng đến hệ thống, giúp xác định các ảnh hưởng quan trọng của từng yếu tố trong thiết kế và vận hành.
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 |S11| và |S21| 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 |S11| và |S21| khi tham số g thay đổi
Chúng tôi đã thay đổi giá trị của tham số g theo các bước nhảy đã đề cập để khảo sát sự biến đổi của các điểm làm việc và điểm cắt tần số của đồ thị Kết quả của quá trình này được thể hiện rõ ràng trong hình 3.5, giúp làm rõ ảnh hưởng của từng bước điều chỉnh đến hệ thống.
Hình.3.5.Thay đổi của f với thông số S khi g thay đổi
Hình 3.5 trình bày các biến thể của thông số tán xạ đối với các giá trị khoảng cách khác nhau của khe g, cho thấy rằng tăng khoảng cách làm giảm tác dụng khe điện từ giữa các đường truyền vi dải, dẫn đến giảm hệ số ghép (klog 10 (I2 I1)2) Ngoài ra, việc tăng khoảng cách còn làm giảm hệ số Sharpness và ảnh hưởng đến các thuộc tính đặc trưng khác, như thể hiện trong Bảng 3.1 Kết quả này được so sánh với nghiên cứu [7], trình bày trong Bảng 3.2, cho thấy sự ảnh hưởng của khoảng cách khe g đến hiệu suất truyền dẫn trong các hệ thống vi dải.
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, có thể thấy tần số làm việc \(f_{01}\) thấp hơn nhiều so với tần số cắt \(f_{c1}\), và nó không thay đổi nhiều khi giá trị \(g\) thay đổi Tuy nhiên, tần số cộng hưởng và tần số làm việc \(f_{01}\) giảm dần theo sự gia tăng khoảng cách khe, như đã thể hiện trong hình 3.6 So sánh với bảng 3.2, ta nhận thấy có sự khác biệt rõ rệt giữa kết quả mô phỏng trong đề án và các nghiên cứu trước đây [7].
Dựa trên các con số đã trình bày, ta nhận thấy tổn hao xen thay đổi gần như tuyến tính theo biến g, trong khi hệ số ghép nối biến đổi theo cấp số nhân với g Về mặt toán học, mối liên hệ giữa f01 và g được mô tả qua phương trình sau, thể hiện sự phụ thuộc chặt chẽ và tỷ lệ thuận giữa các tham số này trong quá trình phân tích.
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 |S11| và |S21| 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 điều chỉnh biến s theo các bước nhảy đã đề cập, chúng ta khảo sát sự thay đổi của các điểm làm việc và các điểm tần số cắt gốc của đồ thị Kết quả này được thể hiện rõ trong hình 3.9, giúp hình dung rõ hơn về ảnh hưởng của từng bước điều chỉnh đối với hệ thống.
Hình 3.9 Thay đổi của f với thông số S khi s thay đổi
Hình 3.9 thể hiện các biến thể của thông số S với giá trị khác nhau của chiều dài khe chia vòng S khi khoảng cách khớp nối g = 0,6 mm, trong khi các thông số khác được giữ cố định Các đặc điểm đặc trưng biến đổi theo các giá trị khác nhau của S được trình bày rõ trong Bảng 3.3, và kết quả này được so sánh với bảng 3.4 trong nghiên cứu [7] Tăng chiều dài khe dẫn đến tăng tần số cộng hưởng, đồng thời làm giảm tổng chiều dài đường điện xung quanh đơn vị DGS, từ đó giảm giá trị điện cảm Điều này dẫn đến khả năng cộng hưởng ở tần số cao hơn, như thể hiện rõ trên đồ thị hình 3.9 Mối quan hệ toán học giữa tần số cộng hưởng f₀ và thông số S được mô tả bằng phương trình liên quan 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
Tần số làm việc f 01 (Ghz) Tần số cắt f c1 (Ghz) Hệ số Sharpness
Bảng 3.4 Các thông số khác nhau khi thay đổi S [7]
Tần số làm việc f 01 (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
Trong quá trình khảo sát sự thay đổi, chúng tôi đã điều chỉnh chiều dài nhánh a bằng cách tăng từng bước khác nhau Ban đầu, chúng tôi bắt đầu từ giá trị 3.5 mm và tăng lên 4.5 mm với bước nhảy 1 mm, sau đó tiếp tục tăng lên 5 mm với bước 0.5 mm để phân tích ảnh hưởng Tiếp theo, chúng tôi tăng thêm 1 mm để quan sát sự tác động của sự thay đổi chiều dài nhánh này, nhằm đánh giá chính xác ảnh hưởng đến hệ thống.
Khảo sát khi a = 3.5 ta có kết quả như hình 3.11
Hình 3.11 Đáp ứng tần số |S11| và |S21| 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
Khi thay đổi tham số a theo các bước nhảy đã đề cập, chúng ta nhận thấy rõ sự dịch chuyển của các điểm làm việc và điểm tần số cắt 0 trên đồ thị Các thay đổi này thể hiện rõ qua hình 3.12, minh chứng cho hiệu quả của quá trình điều chỉnh tham số trong phân tích hệ thống.
Hình 3.13 Thay đổi của f với thông số S khi a thay đổi
Kết quả mô phỏng thể hiện sự cải thiện về độ dài nhánh, tổng chu vi vòng tăng, và tổng chiều dài điện làm tăng tần số làm việc cũng như tần số cắt, như thể hiện trong hình 3.12 và Bảng 3.5 Những dữ liệu trong Bảng 3.5 được so sánh với kết quả trong Bảng 3.6 của nghiên cứu trước [7], giúp đánh giá hiệu quả của các tham số Đáp ứng được trình bày qua đồ thị ở hình 3.14 cho thấy các thay đổi tích cực và phù hợp với kỳ vọng của nghiên cứu. -Tăng hiệu quả nghiên cứu với công cụ tối ưu nội dung chuẩn SEO, giúp bạn nhanh chóng làm rõ ý chính và tăng tương tác! [Learn more](https://pollinations.ai/redirect/draftalpha)
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 tôi tiếp tục khảo sát sự thay đổi khi điều chỉnh tham số t, tập trung vào ảnh hưởng của độ rộng nhánh t Bằng cách tăng dần t lên từng bước 0,25 mm, chúng tôi phân tích rõ sự thay đổi của các hiệu quả liên quan, đảm bảo hiểu rõ tác động của từng mức độ mở rộng nhánh đối với kết quả tổng thể Phương pháp này giúp tối ưu hóa các tham số để nâng cao hiệu suất và đảm bảo tính chính xác của mô hình.
Khảo sát khi t = 0.5 ta có kết quả như hình 3.15
Hình 3.15 Đáp ứng tần số |S11| và |S21| 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 |S11| và |S21| khi tham số t thay đổi
Bằng việc thay đổi tham số t theo các bước nhảy đã đề cập, chúng ta nhận thấy sự biến đổi rõ rệt của các điểm làm việc, đặc biệt là các điểm tần số cắt 0 trên đồ thị Những thay đổi này được thể hiện rõ ràng trong Hình 3.17, giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của tham số t đối với đặc tính của hệ thống.
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:
Dưới đây là các câu quan trọng chứa ý nghĩa của đoạn văn, được viết lại theo tiêu chuẩn SEO:1 Công thức dự đoán mối quan hệ giữa tần số cắt f c1 (GHz) và độ rộng nhánh t (mm) được biểu diễn bằng phương trình bậc năm: Y = 0.0011x^5 - 0.0321x^4 + 0.3409x^3 - 1.4433x^2 + 0.7419x + 11,29.2 Trong đó, x tương ứng với tần số cắt f c1 (GHz) và Y là độ rộng nhánh t (mm).3 Sự biến đổi của cộng hưởng và tần số cắt theo chiều rộng vòng t thể hiện rõ qua hình 3.18 và bảng 3.7.4 Kết quả trong bảng 3.7 đã được so sánh với các dữ liệu trong bảng 3.8 của nghiên cứu [7], cho thấy các giá trị tăng giảm có sự phù hợp và tương đồng.
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 quá trình khảo sát các thông số, tôi đã xác định các giá trị tối ưu cho bộ lọc có tần số trung tâm là 8 GHz, 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 Các tham số này đã được điều chỉnh để đảm bảo bộ lọc hoạt động chính xác theo yêu cầu thiết kế Kết quả mô phỏng sau khi thiết kế hoàn chỉnh thể hiện rõ trên hình 3.19, chứng tỏ bộ lọc đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đã đề ra.
Hình 3.19 trình bày đáp ứng tần số |S11| và |S21| của bộ lọc thông cao, được thiết kế dựa trên khái niệm tách ăn mòn của một vòng DGS (a = 4 mm, t = 0,5 mm và s = 1,4 mm) với g = 0,2 mm Các kích thước khác được giữ tương tự, đảm bảo tính chính xác của mô phỏng Kết quả mô phỏng và đo lường theo [7] cho thấy bộ lọc hoạt động tại tần số 8 GHz, với tần số cắt là 7,2 GHz Phân tích cho thấy dải thông hầu như không bị chèn nhiễu, chủ yếu trong chế độ băng X, tuy nhiên có sự suy giảm khoảng 1,2 dB trong khả năng truyền tín hiệu.
Cấu trúc đề xuất cho thấy khả năng tạo ra đáp ứng lọc thông cao vượt qua tín hiệu trên 7 GHz Một vùng chuyển giao rõ ràng xuất hiện giữa dải thông, dải chắn và hệ số Sharpness được tính bằng [(tổn hao ngược (dB) -3 dB) / (f c1 − f 01)] dB/GHz, giúp đánh giá hiệu suất của filter Các kết quả mô phỏng và đo lường thực tế đều cho thấy sự tương đồng, xác nhận tính chính xác của thiết kế.
Một bộ lọc thông dải nhỏ gọn, hiệu quả với tần số trung tâm 8 GHz và băng thông (FBW) đạt 30% tại -3 dB suy hao nhỏ hơn 1 dB, cùng với suy hao phản xạ lớn hơn 15 dB, đã được thiết kế thành công Các tham số hình học của cấu trúc ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm đáp ứng tần số đã được phân tích chi tiết bằng phần mềm HFSS Việc sử dụng cấu trúc mặt đất bị lỗi (DGS) kết hợp với cấu trúc viếp bị lỗi (DMS) giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ lọc thông dải một cách dễ dàng và hiệu quả.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Một khái niệm mới về thiết kế các bộ lọc thông dải đã được giới thiệu, sử dụng kết hợp giữa bộ lọc thông cao và bộ lọc thông thấp có băng tần rộng để tạo ra hiệu suất tối ưu Nghiên cứu mới trình bày cấu trúc DMS kết hợp cùng với cấu trúc dòng vi dải DGS nhằm nâng cao khả năng lọc và đạt được bộ lọc thông dải chất lượng cao Phương pháp này mang lại các giải pháp thiết kế lọc hiệu quả, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và ổn định cao trong xử lý tín hiệu.
Phương pháp này có hệ số Sharpness vượt trội khi tăng và giảm cạnh, giúp cải thiện phân đoạn băng thông một cách hiệu quả Cấu trúc thiết kế này không chỉ giảm kích thước mạch mà còn nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng RF, sóng vi dải và hệ thống truyền thông hiện đại Một bộ lọc thông dải mới với tần số trung tâm 8 GHz và độ rộng băng thông 30 FBW tại -3 dB, cùng 80 FBW tại -20 dB đã được thiết kế, mô phỏng và đo lường cho kết quả tích cực Những cải tiến này góp phần tối ưu hóa kích thước mạch và nâng cao tính chất của các bộ lọc, mang lại lợi ích rõ rệt trong các hệ thống như truyền hình vệ tinh, GPS và Bluetooth.
Đồ án giới thiệu phần mềm mô phỏng HFSS chuyên dụng, giúp thiết kế và xây dựng bộ lọc một cách chính xác và hiệu quả Việc sử dụng phần mềm HFSS tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình triển khai ứng dụng thực tế của các bộ lọc, đảm bảo tính khả thi và kỹ thuật của dự án.
Trong hướng phát triển của đề tài, đồ án hiện tại chỉ mới nghiên cứu và thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng DGS và DMS, vẫn còn nhiều phần chưa được hoàn thiện Trong tương lai, sẽ tiếp tục nghiên cứu, tối ưu hóa và xây dựng hệ thống bộ lọc nhằm mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Việc này sẽ giúp nâng cao khả năng áp dụng thực tế, đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông chất lượng cao ngày càng tăng của người dân.
