Báo cáo bài tập lớn môn điện tử tương tự 2 phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông thấp 1800mhz dải tần 1805 1885 mhz

Đối với các thiết bị thông tin di động và vệ tinh, các dạng mạch lọc thông dải thường được sử dụng, nhờ giá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch in PCB.. Các giải pháp thu nhỏ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2

Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông thấp

1800Mhz dải tần 1805-1885 Mhz

Sinh viên thực hiện: BÙI THỊ LÊ

MSSV: 20203480 Lớp: Điện tử 01 K65 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN NAM PHONG

Hà Nội, 7-2023

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc mọi nơi, công nghệ truyền thông không dây đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển Các thiết bị thông tin

vô tuyến được thu nhỏ kích thước ở mức tối đa để tăng khả năng tích hợp, đặc biệt

là trong các hệ thống thông tin di động và thông tin vệ tinh Mạch lọc tần số là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị này Và hướng phát triển của các cấu trúc lọc không chỉ ở việc cải thiện đặc tính hoạt động mà còn ở sự nhỏ gọn trong kích thước vật lý Đối với các thiết bị thông tin di động và vệ tinh, các dạng mạch lọc thông dải thường được sử dụng, nhờ giá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch in (PCB) Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc thông dải bao gồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn, hay bẻ cong các đường dải dẫn của các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa ra các cấu trúc lọc có kích thước nhỏ gọn hơn Thấy rõ được tầm quan trọng và vai trò của bộ lọc cao tần ngày càng lớn trong cuộc sống con người, nhóm chúng em đã thực hiện mô phỏng và thiết kế: bộ lọc GSM 1800Mhz

Em đã rất cố gắng để có thể hoàn thành tốt nhất đề tài của mình Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn chưa nhiều, cũng như có nhiều yếu tố khách quan khác mà báo cáo của nhóm còn nhiều thiếu sót Em rất mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến, phê bình và hướng dẫn thêm để các sản phẩm sau được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương I: Tổng quan

1.1 Xác định yêu cầu đề tài

- Phân tích thiết kế bộ lọc GMS 1800MHz

- Mô phỏng bộ lọc GSM 1800MHz

1.2 Khái niệm bộ lọc tần số và sự phát triển

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 Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộ lọc thông dải pass filter – BPF) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF) Hai loại bộ lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại bộ lọc còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới

Hình 1.1 mô tả đặc các dạng bộ lọc Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫn đường, cảm biến và các hệ thống khác

Với sự tiến bộ của thông tin và các ứng dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ ngày càng nhiều cho hệ thống Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trong một khoảng phổ tần nhất định Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số đó Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệ thống

Hình 1.2 cho thấy vai trò quan trọng của bộ lọc tần số trong hệ thống thu -phát sóng

Cùng với sự hoàn thiện của lý thuyết, các thiết kế mạch lọc được phát triển 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 Đồng thời, những tiến bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo các dạng cấu trúc lọc khác, như vật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn Mạch lọc vi dải là một dạng cấu trúc lọc quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in

Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc được

sử dụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải Các

bộ lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao và kích thước nhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo Các cấu trúc điện môi cũng có kích thước nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹ thuật

xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này Bộ lọc ống dẫn sóng được áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm soát công suất và tính khả thi trong các ứng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn

Hiện nay, các mạch lọc thông dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội cũng như sự dễ dàng trong việc chế tạo

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Sơ lược về bộ lọc tần số

2.1.1 Bộ lọc thông thấp (LPF)

Hình 2.1 Cấu trúc bộ lọc thông thấp

Hình 2.1 mô tả cấu trúc mạch của bộ lọc thông thấp Sau khi kết hợp giữa a

và b ta có thể tính mạch theo ma trận sau:

[𝐴 𝐵

𝐶 𝐷] = [

1 𝑅𝐺

0 1 ] [

−1 𝑅

0 1] [

𝑗𝜔𝐶 1] [

1 0 1

𝑅𝐿 1]

= [1 + (𝑅 + 𝑅𝐺) (𝑗𝜔𝐶 +

1

𝑗𝑤𝐶 + 1

- Đáp ứng tần số

𝐴 = 𝑣1

𝑣2|𝑖

2 =0

→ 1

𝐴 = 𝐻(𝜔) =

1

1 + 𝑗𝜔𝐶(𝑅 + 𝑅𝐺)

- Góc 𝜙 tương ứng

𝜙(𝜔) = 𝑡𝑎𝑛−1𝐼𝑚[𝐻(𝜔)]

𝑅𝑒[𝐻(𝜔)]

- Độ trễ

𝑡𝑔 = ⅆ𝜙(𝜔)

ⅆ𝜔

2.1.2 Bộ lọc thông cao (HPF)

Hình 2.2 Cấu trúc bộ lọc thông cao

Hình 2.2 mô tả cấu trúc mạch của bộ lọc thông cao Ta có thể tính mạch theo

ma trận sau:

[𝐴 𝐵

𝐶 𝐷] = [

1 𝑅𝐺

0 1 ] [

−1 𝑅

0 1] [

1 𝑗𝜔𝐿 1] [

1 0 1

𝑅𝐿 1]

= [1 + (𝑅 + 𝑅𝐺) (

1

𝑅𝐿) 𝑅𝐺 + 𝑅𝐿

1

- Đáp ứng tần số

𝐴 = 𝑣1

𝑣2|𝑖

2 =0

→ 1

𝐴 = 𝐻(𝜔) =

1

1 + (𝑗𝜔𝐿1 + 𝑅𝐿) (𝑅 + 𝑅𝐺)

- Cho ω → ∞

𝑣2

𝑣𝐺 =

1

1 +𝑅 + 𝑅𝑅 𝐺

𝐿

𝑅𝐿 + 𝑅𝐺 + 𝑅

2.1.3 Bộ lọc thông dải (BPF)

Bộ lọc thông dải (Band pass filter) là bộ lọc cho qua các tần số trong một phạm vi nhất định và loại bỏ các tần số bên ngoài phạm vi đó Bộ lọc được đặc trưng bởi đáp ứng tần số, là định lượng của phổ đầu ra của một hệ thống hoặc thiết bị khi đáp ứng với một kích thích, và được sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống

đó Bộ lọc thông dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số, trường hợp lý tưởng

là dạng hình chữ nhật, và trong thực tế chấp nhận là dạng "cái chuông" (hình 2.3)

Bộ lọc thông dải thông thường có thể thu được bằng cách kết hợp bộ lọc thông thấp và thông cao hoặc áp dụng thông thấp thông thường cho băng thông biến đổi Ở bài toán thiết kế bộ lọc GSM 1800Mhz này, chúng tôi áp dụng bộ lọc thông thấp chuyển đổi qua bộ lọc thông dải, nên chúng tôi bỏ qua cách kết hợp bộ lọc thông thấp và thông cao

Hình 2.4 là cách chuyển đổi giữa bộ lọc thông thấp sang bộ lọc thông dải và

bộ lọc chắn dải với BW =𝜔𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 − 𝜔𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟

Sau khi chuyển đổi, các thông số của bộ lọc thông dải được chuẩn hóa từ bộ lọc thông thấp như sau:

𝜔02𝐶𝐿𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑚

𝜔02𝐿𝐿𝑃_𝑛𝑜𝑟𝑚

𝑅𝑔

𝐿𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐿𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑒𝑑 𝑅𝑔 Dạng đặc trưng của hàm truyền hay tiêu hao chèn của bộ lọc mẫu thông thấp chuẩn hóa phổ biến được chọn tiệm cận với các hàm toán học thường có dạng đơn giản là các đa thức phẳng cực đại (Butterworth) và đa thức Chebyshev Trong báo cáo lần này chúng tôi sử dụng đa thức butterworth

Hình 2.5 là cách chuẩn hóa các phần tử bộ lọc thông thấp, theo số lượng phần

tử N Ví dụ với N=3 thì ta có 𝑔1 = 1,𝑔2 = 2,𝑔3 = 1,𝑔4 = 1 và có mạch như sau:

Ta có thể chọn N tùy ý, sao cho phù hợp với mục đích sử dụng để có hệ số suy hao phù hợp

Hình 2.7 cho thấy việc chọn N ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số suy hao của toàn mạch, nên hãy chú ý chọn N sao cho phù hợp Ở bài toán thiết kế bộ lọc GSM 1800Mhz, chúng tôi chọn N bằng 3 để tiện cho việc kiểm thử

2.2 Tần số 1800Mhz trong hệ thống GSM

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz

Hình 2.8 cho thấy cấu trúc mạng GSM gồm có 3 phần chính:

• Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem

• Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem

• Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem

Chương 3: Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc

GSM 1800MHz dải tần 1805-1885 Mhz

3.1 Xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật

Dải tần làm việc (tần số giới hạn): 1805 - 1885 MHz (downlink)

• Tần số trung tâm: 1842.5 MHz

• Loại bộ lọc: BPF

• Bậc của bộ lọc: 3

• Sơ đồ bộ lọc mẫu thông thấp: Điện dung song song

• Dạng đặc trưng của hàm truyền: Butterworth

3.2 Thiết kế bộ lọc thông thấp

Giá trị của tụ điện và cuộn cảm đối với LPF nguyên mẫu có thể được lấy trực tiếp từ hình 2.5

Chọn N=3, do đó ta có 𝑔1 = 𝑔3 = 1 = 𝐿𝐿𝑃1 = 𝐿𝐿𝑃3(𝐻) và 𝑔2 = 2 = 𝐶𝐿𝑃2(𝐹); Trở kháng nguồn 𝐺𝐺 = 𝑔0 = 1(𝛺) và trở kháng tải 𝑧0 = 𝑔4 = 1(𝛺)

3.3 Chuyển đổi mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải

Áp dụng cách chuyển mạch từ LBF sang BPF trong hình 2.4 ta có được mạch bộ lọc thông dải (BPF) như sau:

Hình 3.2 là sơ đồ mạch BPF với trở kháng nguồn 𝑅𝐺 = 𝑍𝑔 = 50(𝛺) và trở kháng tải 𝑅𝐿 = 𝑍𝐿 = 50(𝛺) Cùng với 1 dạng mạch này, chúng ta thay đổi dải tần trên chúng sẽ có được các dải tần Uplink, Downlink tương ứng của mạch lọc GSM 1800Mhz Ở báo cáo này, em sẽ xét với dải tần downlink (tần số 1805-1885 MHz)

Với dải tần 1805 – 1885 Mhz (dowlink) ta có:

𝐵𝑊 = 1880 − 1806 = 75 (𝑀ℎ𝑧)

𝑠 )

𝑠 )

𝑠 ) Với trở kháng nguồn 𝑍𝐺 = 𝑔0 = 50(𝛺) và trở kháng tải𝑅𝐿 = 𝑔4 = 50(𝛺) ta tính được các giá trị L và C trong mạch BPF sau khi chuyển đổi:

𝐿𝐵𝑃1𝑑 = 𝐿𝐵𝑃3𝑑 = 𝑧𝐺 𝑔1

𝐶𝐵𝑃1𝑢 = 𝐶𝐵𝑃3𝑑 = 1

𝑧𝐺.

𝜔02𝑔1 = 0,07035 (𝑝𝐹)

𝜔02𝑔2 = 87,94 (𝑝𝐻)

𝐶𝐵𝑃2𝑑 = 1

𝑧𝐺

𝑔2

3.4 Chạy mô phỏng và tinh chỉnh toàn mạch

3.4.1Mạch lọc GSM 1800MHz downlink mô phỏng trên ADS

Hình 3.3 Sơ đồ mạch BPF downlink mô phỏng trên ADS

3.4.2 Mô phỏng trên Butterworth

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng Return loss(S11)GSM 1800Mhz downlink trên

butterworth

Hình 3.4 là kết quả mô phỏng Return loss (S11) của bộ lọc GSM 1800Mhz down-link Butterworth Giá trị S11 tại tần số 1840MHz là -32,602dB, tại tần số 1900MHz là -0,357 dB, tại tần số 1800MHz là -1,583 dB

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng Insertion(S21)GSM 1800Mhz downlink trên

butterworth

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng Insertion loss (S21) của bộ lọc GSM 1800Mhz down-link Butterworth Giá trị S21 tại tần số 1840MHz là xấp xỉ 0 dB, tại tần số 1900Mhz là -5,149 dB, tại tần sso 1800MHz là -11,033 dB

Hình 3.6 Đồ thị kết hợp giữa S11 và S21

Hình 3.6 cho thấy đồ thị gồm 2 thông số Return loss (S11) và Insertion (S21), giúp chúng ta có cái nhìn trực quan hơn về hiệu suất của bộ lọc tại các tần số nhất định

3.4.3 Đánh giá, nhận xét

KẾT LUẬN

Thông qua bài tập lớn “Thiết kế bộ lọc GSM 1800 MHz”, nhóm chúng tôi đã có

cơ hội được hiểu rõ và học được thêm nhiều kiến thức về bộ lọc cao tần, đặc biệt là

bộ lọc GSM 1800 MHz và các tham số lý quyết có liên quan như dải tần làm việc, tần số liên quan, độ gợn sóng, cũng như xác định rõ được các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lọc và loại bộ lọc áp dụng vào đề tài là LPF butterworth Ngoài ra nhóm chúng tôi cũng có cơ hội được tìm hiểu về Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications) viết tắt là GSM, là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động và nắm được tần số hoạt động, sơ đồ khối chức năng cũng như nguyên lý vận hành cơ bản của GSM trong các thiết bị di động Cuối cùng, nhóm đã hiểu được quá trình từ tính toán lý thuyết cho đến thiết kế mô phỏng một bộ lọc Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương khớp với cơ sở lý thuyết nhóm đã

tổng hợp

TÀI LIỆU THAM KHẢO

2) T Halonen, J Romero, and J Melero, GSM, GPRS and EDGE performance: evolu-tion towards 3G/UMTS John Wiley & Sons, 2004

3) D Auffray and J Lacombe, “Electronically tunable band-stop filter,” in 1988., IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest IEEE, 1988, pp 439–442

4) Slide bài giảng môn Điện tử tương tự 2 của TS Nguyễn Nam Phong