Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải

Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên các cấu trúc cộng hưởng cơ bản của công nghệ vi dải để ứng dụng trong việc thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

NGUYỄN ĐỨC UYÊN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI

ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN

DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

NGUYỄN ĐỨC UYÊN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI

ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN

DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 9 52 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Đỗ Quốc Trinh

2 PGS TS Lê Vĩnh Hà

HÀ NỘI – NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội

dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và

chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ công trình nào khác, các dữ liệu

tham khảo được trích dẫn đầy đủ

Hà nội, ngày tháng 01 năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Đức Uyên

Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, phòng Đào tạo, viện Điện tử vừa là cơ sở đào tạo, đơn vị quản lý Trường cao đẳng Phát thanh Truyền hình I nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi

hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô, các nhà khoa học, đồng nghiệp và bạn bè thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, viện Điện tử, khoa Vô tuyến Điện tử học viện Kỹ thuật quân sự đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian qua

Tôi dành lời cảm ơn đặc biệt đến bố mẹ, gia đình vợ con, họ hàng bạn

bè trong và ngoài cơ quan, những người luôn đồng hành, động viên và là chỗ dựa về mọi mặt, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để có được kết quả nghiên cứu ngày hôm nay

Tác giả

Nguyễn Đức Uyên

MỤC LỤC Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……….……… ….vi

DANH MỤC CÁC BẢNG.………. ……… ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 7

1.1 Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến 7

1.2 Phân loại các bộ lọc siêu cao tần 10

1.2.1 Bộ lọc dạng sóng 10

1.2.2 Bộ lọc phân cực 10

1.2.3 Bộ lọc tần số 11

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại đối với các bộ lọc cơ bản và bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng 14

1.3.1 Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại 14

1.3.1.1 Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải 17

1.3.1.2 Bộ ghép cộng hưởng ghép nối 20

1.3.1.3 Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ 25

1.3.1.4 Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn 28

1.3.2 Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng, tại thời điểm hiện tại 32

1.3.2.1 Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần 35

1.3.2.2 Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần 36

1.3.2.3 Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng 38

1.3.2.4 Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng 39

1.4 Tiêu chí kỹ thuật chung của các bộ lọc siêu cao tần đa băng và băng rộng, siêu rộng được đề xuất 40

1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án 42

1.6 Kết luận chương 1 43

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN 44

2.1 Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau 45

2.2 Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng 46

2.3 Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa 49

2.3.1 Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) 49

2.3.2 Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR) 51

2.3.3 Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR) 53

2.4 Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới 55

2.4.1 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng 55

2.4.2 Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông 58

2.4.3 Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông 60

2.5 Kết luận chương 2 65

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI 66

3.1 Giới thiệu và phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc 66

3.1.1 Giới thiệu chung 66

3.1.2 Phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc siêu cao tần 67

3.1.2.1 Trình tự thiết kế một bộ lọc 67

3.1.2.2 Mô hình thực nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm 69

3.2 Kết quả thiết kế chế tạo, mô phỏng đo kiểm so sánh, đánh giá bộ lọc ba băng và bốn băng tần, băng rộng và băng siêu rộng bằng công nghệ vi dải 71

3.2.1 Bộ lọc bốn băng sử dụng bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông 71 3.2.1.1 Cấu trúc của bộ lọc 72

3.2.1.2 Đặc tính của bộ cộng hưởng 73

3.2.1.3 Thiết kế bộ lọc và kết quả 75

3.2.1.4 So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc bốn băng 78

3.2.2 Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng 80

3.2.2.1 Cấu trúc của bộ lọc 81

3.2.2.2 Đặc tính của các bộ cộng hưởng 82

3.2.2.3 Thiết kế bộ lọc và kết quả 84

3.2.2.4 So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc ba băng 91

3.2.3 Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng đoạn ngắn mạch vòng vuông 92

3.2.3.1 Cấu trúc của bộ lọc 92

3.2.3.2 Đặc tính của bộ cộng hưởng 93

3.2.3.3 Thiết kế bộ lọc và kết quả 95

3.2.3.4 So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc băng rộng 99

3.2.4 Bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông 101

3.2.4.1 Cấu trúc cơ bản của bộ lọc 101

3.2.4.2 Thiết kế bộ lọc băng thông (UWB) dựa trên cấu trúc cơ bản 104

3.2.4.3 Thiết kế bộ lọc băng thông (UWB) với băng thông chữ V .104

3.2.4.4 So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V 108

3.3 Tổng hợp các công trình nghiên cứu của luận án 110

3.4 Kết luận chương 3 111

KẾT LUẬN 113

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

 Sự suy giảm của đường microstirip

o Tần số cộng hưởng cho mỗi cộng hưởng tương đương

l Độ dài đường truyền không tổn hao

k Hệ số ghép nối

𝜀 Hệ số điện môi

𝐸 Véc tơ cường độ điện trường

H Véc tơ cường độ từ trường

ABW Độ rộng băng tần tuyệt đối (Absolute band width)

BPF Bộ lọc thông dải (Band Pass Filter)

COS Đoạn hở mạch chữ thập (Cross Open Stub)

CSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch chữ

thập (Crossed Open and Short Stub Loaded Resonator)

CDMA Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access) Combline C Bandpass Filters là bộ lọc băng thông kết hợp có sẵn DGS Cấu trúc mặt đất dị tật (Defect Ground Structure)

IF Tần số trung tần (Intermediate Frequency)

RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency)

GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for

Mobile Communications)

NR-ITLM Triết xuất âm – Vật liệu siêu dẫn đường truyền (Negative

Refractive – Index transmission line Metamaterials)

MMRR Bộ cộng hưởng vòng đa chế độ nhánh chữ thập (Crossed

Stub Multi – mode Ring Resonator)

LTE Tiến hóa dài hạn (Long Term Evolution)(Công nghệ)

OSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở mạch (Open Stub Loaded

Resonator)

PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier)

FWB Phân đoạn băng thông (Fractional band width)

TD-SCDMA Đa truy cập phân mã đồng bộ phân theo thời gian (Time

Division Synchronous Code Division Multiple Access) SAW Bề mặt sóng âm (Surface Acoustic Wave)

SIR Bộ cộng hưởng bậc trở kháng(Stepped Impedance Resonator)SRCLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông (Square

Ring Crossed Loaded Resonator) SRSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông

(Square ring Stub Loaded Resonator) SSLR Cộng hưởng chêm ngắn mạch (Short Stub Loaded Resonator) UWB Dải băng rộng, siêu rộng (Ultra Wideband Bandpass)

WCDMA Đa truy cập phân mã băng rộng (Wideband Code Division

Multiple Access) WLAN Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network) WiMax Hệ thống truy cập không dây băng rộng theo tiêu chuẩn

IEEE 802 – 16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

DANH MỤC CÁC BẢNG Trang

Bảng 3.1 Kích thước vật lý của bộ lọc bốn băng tần 77

Bảng 3.2 Kết quả đo mô phỏng của bộ lọc bốn băng 78

Bảng 3.3 Bảng so sánh bộ lọc đề xuất với bộ lọc bốn băng đã công bố 79

Bảng 3.4 Kích thước vật lý của bộ lọc ba băng tần 83

Bảng 3.5 Kết quả đo của bộ lọc ba băng tần 90

Bảng 3.6 Bảng so sánh một số công trình đã công bố 91

Bảng 3.7 Kích thước vật lý của bộ lọc băng rộng 97

Bảng 3.8 Kết quả đo của bộ lọc băng rộng 99

Bảng 3.9 Bảng so sánh bộ lọc băng rộng với các công trình đã công bố 100

Bảng 3.10 Kích thước vật lý của bộ lọc UWB với băng thông chữ V 108

Bảng 3.11 Kết quả đo mô phỏng của bộ lọc băng băng thông chữ V 108

Bảng 3.12 Bảng so sánh bộ lọc UWB với các công trình đã công bố 109

Bảng 3.13 Tổng hợp các công trình luận án đã công bố 110

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Bốn loại bộ lọc tần số cơ bản 11

Hình 1.2 Đáp ứng biên độ được chuẩn hóa của lọc Butterworth thông thấp là đặc tính nền tảng của lọc thông thấp 12

Hình 1.3 Cực của lọc Butterworth ổn định với bậc N = 5 13

Hình 1.4 Chebyshev loại 1 có bậc lẻ (N=5) 13

Hình 1.5 Bình phương đáp ứng biên độ của lọc thông thấp Chebyshev-II 13

Hình 1.6 Một số mạch cộng hưởng đường truyền vi dải điển hình 17

Hình 1.7 Phân bố điện áp trên đường truyền vi dải 19

Hình 1.8 Bộ cộng hưởng vi ba ghép nối 21

Hình 1.9 Bộ cộng hưởng trường ghép nối 21

Hình 1.10 Dòng điện trong mạch cộng hưởng ghép nối 23

Hình 1.11 Cộng hưởng đồng bộ điều chỉnh ghép đôi không tương hỗ 24

Hình 1.12 Cộng hưởng vi dải nửa bước sóng ghép nối 25

Hình 1.13 Mô phỏng bộ ghép cộng hưởng giả sen kẽ S21 26

Hình 1.14 Mô phỏng và tính toán hệ số ghép hàm số của θ 27

Hình 1.15 Bố trí của bộ lọc vi dải giả xen kẽ 29

Hình 1.16 Hệ số ghép của bộ cộng hưởng giả xen kẽ 30

Hình 1.17 Mô phỏng phân bố dòng điện trên đường truyền vi dải 30

Hình 1.18 Bố trí của bộ lọc thông dải SIR giả xen kẽ vi băng nhỏ gọn với dải chặn mở rộng 31

Hình 2.1 Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng 46

Hình 2.2 Đường ghép nối với cường độ ghép nối zero tại một tần số 47

Hình 2.3 Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) 50

Hình 2.4 Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR) 52

Hình 2.5 Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập cơ bản 51

Hình 2.6 Cấu trúc bộ cộng hưởngchêm ngắn và hở chữ thập (CSLR) 52

Hình 2.7 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng 56

Hình 2.8 Hai cấu trúc của mạch cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông 58

Hình 2.9 Mạch tương đương của mạch cộng hưởng chêm chữ thập 60

Hình 2.10 Mô phỏng cấu trúc mạch cộng hưởng chữ thập vòng vuông 60

Hình 2.11 Cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng vuông 61

Hình 2.12 Cấu trúc trở kháng của cộng hưởng vòng vuông 61

Hình 2.13 Cấu trúc mạch tương đương của cộng hưởng vòng vuông 62

Hình 2.14 Mô phỏng S 21 của bộ lọc với đoạn L s thay đổi 63

Hình 2.15 Mô phỏng S 21 của bộ lọc với đoạn L 3 thay đổi 64

Hình 3.1 Mô tả trình tự thiết kế một bộ lọc siêu cao tần 68

Hình 3.2 Mô hình hệ thống đo kiểm theo phương pháp cơ bản 69

Hình 3.3 Mô hình máy phân tích mạng vector đo kiểm bộ lọc 70

Hình 3.4 Cấu trúc của cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông 72

Hình 3.5 Mô phỏng tổn hao do chèn của SRCLR dưới các kích thước vật lý khác nhau 73

Hình 3.6 Thiết kế bộ lọc bốn băng trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 73

Hình 3.7 Cấu trúc của bộ lọc bốn băng 76

Hình 3.8 Bộ lọc bốn băng thực tế đã chế tạo 76

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc bốn băng đề xuất 77

Hình 3.10 Cấu trúc hình học của bộ lọc ba băng đề xuất 81

Hình 3.11 Cấu trúc tương đương của bộ lọc ba băng đề xuất 82

Hình 3.12 Thiết kế bộ lọc ba băng trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 84

Hình 3.13 So sánh đáp ứng của bộ lọc ba băng được đề xuất 86

Hình 3.14 Mô phỏng ảnh hưởng của L3 thay đổi lên ba băng thông 86

Hình 3.15 Mô phỏng ảnh hưởng của L6 thay đổi lên ba băng thông 87

Hình 3.16 Mô phỏng ảnh hưởng của L8 thay đổi lên ba băng thông 87

Hình 3.17 Bộ lọc ba băng tần thực tế đã chế tạo 89

Hình 3.18 So sánh kết quả của bộ lọc ba băng tần được thiết kế 89

Hình 3.19 Cấu trúc bộ cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm ngắn mạch 93

Hình 3.20 Các tần số mạch cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ của bộ lọc dưới chiều dài L s nhánh cụt ngắn khác nhau 94

Hình 3.21 Các tần số mạch cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ của bộ lọc dưới chiều dài L s nhánh cụt ngắn khác nhau 95

Hình 3.22 Cấu trúc hình học của bộ lọc băng rộng đề xuất 96

Hình 3.23 Thiết kế bộ lọc băng rộng trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 96

Hình 3.24 Bộ lọc băng rộng thực tế đã chế tạo 97

Hình 3.25 So sánh kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc băng rộng 98

Hình 3.26 Cấu trúc cơ bản của cộng hưởng vòng vuông 101

Hình 3.27 Cấu trúc trở kháng của cộng hưởng vòng vuông 101

Hình 3.28 Mô phỏng |S21| của cấu trúc vòng với ghép nối lỏng 102

Hình 3.29 Mạch tương đương của cộng hưởng vòng ghép nối lỏng 103

Hình 3.30 Mô phỏng các tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ so với θ2 tại f0 103 Hình 3.31 So sánh kết quả mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc UWB 104

Hình 3.32 Bố cục bộ lọc siêu rộng(UWB) với băng thông chữ V 105

Hình 3.33 Kết quả mô phỏng |S21| với ghép nối yếu 105

Hình 3.34 Thiết kế bộ lọc siêu rộng với băng thông chữ V trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 106

Hình 3.35 Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc UWB với W3 và L1 106

Hình 3.36 Bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V đã chế tạo 107

Hình 3.37 Mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc UWB băng thông chữ V 107

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Bộ lọc đóng một vai trò không thể thay thế được trong các hệ thống vô tuyến điện tử Với sự phát triển nhanh chóng gần đây và được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin không dây khác nhau, những yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt được đặt ra đặc biệt cho các bộ lọc siêu cao tần là kích thước nhỏ hơn, hiệu suất cao hơn, tích hợp tốt nhiều băng thông và chi phí thấp hơn và cũng là những yêu cầu cấp thiết ngày nay Gần đây hoạt động đa băng tần được xem là cần thiết để giải quyết những thách thức về sử dụng hiệu quả băng tần tương tác đặc tuyến tần, cũng như công suất có hạn của các

hệ thống không dây khác nhau

Sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ không dây và di động đã làm tăng nhu cầu tích hợp nhiều hơn trong một công nghệ truyền thông hoặc các tiêu chuẩn vào một hệ thống duy nhất, nơi mà các tiêu chuẩn khác nhau có thể hoạt động trong dải tần số khác nhau Các module vi ba và tần số vô tuyến đa băng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống thông tin liên lạc hiện đại Bộ lọc thông dải đa băng, băng rộng với công nghệ vi dải cũng là một trong những thành phần quan trọng nhất trong mạch đầu cuối hiện nay

Gần đây nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc đa băng đã được đề xuất Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để thu được bộ lọc thông dải hiệu suất cao là tạo ra truyền zero nằm ở phía trên và dưới của băng thông, được gọi

là mạch cộng hưởng đoạn ngắn mạch chữ thập (COS) Các mạch cộng hưởng

đa chế độ là các cấu trúc hỗ trợ đồng thời truyền hai hoặc nhiều băng tần con độc lập Do đó, đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế của cả bộ lọc đơn băng và đa băng Việc nghiên cứu và thiết kế các mạch lọc đa băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng mới trở thành một đòi hỏi cấp thiết trong thực tiễn, và hiện nay đây vẫn là vấn đề có tính thời sự Mặc dù các công trình nghiên cứu thiết

kế trước đây đang được ứng dụng có nhiều thành tựu song vẫn còn những hạn chế cần khắc phục như độ chọn lọc tần số chưa cao, chế tạo còn tương đối phức

tạp, kích thước chưa được tối ưu, chưa giảm được đáng kể các tổn hao

Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải cũng chính

là nội dung đề tài nghiên cứu mà Nghiên cứu sinh đang thực hiện Qua phương pháp nghiên cứu, đánh giá tổng hợp, đã góp phần giúp nghiên cứu sinh hệ thống lại một cách tổng quan về hướng đi mới, đưa ra được hướng giải quyết mới nhằm hoàn thiện luận án này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên các cấu trúc cộng hưởng cơ bản của công nghệ vi dải để ứng dụng trong việc thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên nền tảng của công nghệ này, có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng của các băng tần

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu về lý thuyết, cấu trúc cộng hưởng siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng có thể dùng trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải Xây dựng một số cấu trúc mới ứng dụng cho thiết kế các mạch lọc siêu cao tần Thiết kế chế tạo các mạch lọc nhiều băng tần, mạch lọc dải rộng và siêu rộng mới với công nghệ vi dải tương đối gọn nhẹ về kích thước, đơn giản về cấu trúc, nâng cao được tính chọn lọc, đáp ứng phạm vi nghiên cứu trong lĩnh vực tần số quy định của Ủy ban truyền thông Liên bang (FCC) về việc cho phép sử dụng dải hoạt động không giấy phép từ 3.1GHz - 10.6GHz cho các ứng dụng thương mại [31] siêu cao tần đa băng tần và băng rộng, siêu rộng (UWB) [33]

4 Phương pháp nghiên cứu

Để thiết kế một bộ lọc thường thì người ta phải đưa ra căn cứ các chỉ tiêu

kỹ thuật từ các kỹ thuật cơ bản sau đó tìm ra hàm truyền của bộ lọc có bậc n theo mô hình của bộ lọc Butterworth, Chebyshev I và II (Cauer) từ đó đưa ra

các giá trị linh kiện cấu trúc lên bộ lọc là R, L, C thiết kế bộ lọc thông thấp sau

đó biến đổi tần số để đưa ra bộ lọc thông cao, bộ lọc chắn dải và thông dải và thường sử dụng thuật toán và chương trình Matlab để mô phỏng thiết kế để ra một bộ lọc Tuy nhiên trong luận án này nghiên cứu sinh nghiên cứu chế tạo ra

bộ lọc là dạng bộ lọc ghép của rất nhiều bộ lọc với nhau, nghiên cứu sinh đã khai thác thừa hưởng những thành tựu khoa học của các nhà khoa học đi trước

đã nghiên cứu xây dựng đặt nền móng cho các bước tính toán và không xây dựng lại những kết quả đã được chứng mình mà chỉ sử dụng phần kết quả sau của quá trình này để xây dựng tiếp, theo phương pháp sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng thiết kế điều chỉnh tham số gốc của bộ cộng hưởng

cơ bản trong bộ lọc, biến đổi chất nền, chất điện môi và đặc biệt điều chỉnh dây chêm theo nguyên tắc tăng chiều dài dây chêm thì tần số cộng hưởng tại băng tần đó sẽ giảm và ngược lại Kết hợp phân tích lý thuyết và Mô phỏng để tìm

ra được kết quả tối ưu của mỗi băng tần của bộ lọc đó, sau đó phát triển

ra kết quả bộ lọc của mình

Vì vậy luận án tập trung nghiên cứu, tính toán khoa học, trên cơ sở nghiên cứu các kiến thức lý thuyết chuyên ngành kết hợp với thực hành, thí nghiệm, đưa ra kết quả nghiên cứu và thử nghiệm trên thực tế, cụ thể gồm:

- Nghiên cứu lý thuyết mạch cộng hưởng siêu cao tần, cấu trúc vi dải

- Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế để đề xuất ra các cấu trúc mới, so sánh kết quả với các kết quả nghiên cứu trước đó về cấu trúc, tính năng và kích cỡ

- Tính toán khoa học các tham số theo phương pháp sử dụng phần mềm

mô phỏng chuyên dụng HFSS 15.0, nhằm hiệu chỉnh các tham số cấu trúc, sau đó chế tạo sản phẩm, thực hiện đo kiểm và chứng minh

- So sánh kết quả đo lường và mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá về quá trình nghiên cứu

5 Nội dung nghiên cứu của luận án

Tập trung nghiên cứu các nội dung liên quan về bộ lọc siêu cao tần để đóng góp giá trị khoa học có tính cấp thiết trong xu thế phát triển chung của lĩnh vực thông tin vô tuyến Các kết quả nghiên cứu phải phù hợp với thực tiễn hoạt động nghiên cứu khoa học mà luận án đề cập và thực tế hiện nay Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các mạch lọc siêu cao tần nhiều băng trên kết cấu mạch dải sao cho đơn giản hóa việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của các băng tần một cách độc lập, giải quyết được các vấn

đề khó khăn và phức tạp trước đây do ảnh hưởng phụ thuộc lẫn nhau giữa các tần số cộng hưởng trung tâm của một mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng thông rộng và siêu rộng với các tiêu chí cơ bản sau:

- Dựa vào cấu trúc cộng hưởng nửa bước sóng, một phần tư bước sóng kết hợp với đoạn chêm hở mạch, ngắn mạch đồng nhất và cấu trúc đối xứng nghiêng không độ, để nâng cao tính chọn lọc của bộ lọc và để phân biệt cổng vào và cổng ra, đồng thời tạo ra nhiều điểm truyền không để nâng cao tính chọn lọc của bộ lọc và đề xuất xây dựng được cấu trúc cộng hưởng mới phù hợp với phạm vi nội dung nghiên cứu để sử dụng việc thiết kế, chế tạo bộ lọc

ba băng thông, bốn băng thông, băng thông rộng và siêu rộng

- Các cấu trúc cộng hưởng mới phải có khả năng điều chỉnh và thiết lập độc lập các tần số cộng hưởng của các băng tần, có thể dễ dàng được sử dụng

để thiết kế, chế tạo các bộ lọc nhiều băng thông, băng rộng và siêu rộng, đáp ứng được yêu cầu đề ra là có chi phí thấp, đơn giản về cấu trúc, cải thiện được hiệu suất của bộ lọc và nâng cao được tính lựa chọn của bộ lọc

-Từ cấu trúc cộng hưởng mới xây dựng, đề xuất thiết kế, xây dựng và đưa ra được cấu trúc bộ lọc siêu cao tần đa băng tần, bộ lọc băng thông rộng

và siêu rộng mới dựa trên công nghệ vi dải, có kiểm nghiệm đo đạc, so sánh, đánh giá và có tính thực tiễn cao

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu, đề xuất thành công

các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ sở các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được tính toán ghép nối với nhau và ứng dụng trong thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên nền tảng công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh độc lập tần

số cộng hưởng của các băng Các kết quả đạt được có hàm lượng giá trị và ý nghĩa khoa học nhất định, có tính mới được công bố tại hội nghị trong và ngoài nước, các tạp chí khoa học có phản biện

Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả đạt được của luận án phù hợp với đáp

ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay trong các hệ thống thông tin vô tuyến viễn thông và phù hợp với thực tiễn và nhu cầu trong tương lai với yêu cầu ngày càng cao, nghiêm ngặt về thiết kế, chế tạo và độ chọn lọc cũng như kết cấu nhỏ gọn, có tính điều chỉnh cơ động dễ ràng phối ghép với các thiết bị vô tuyến điện khác nhau trong lĩnh vực lọc đa băng tần và băng rộng, siêu rộng

7 Bố cục luận án

Bố cục luận án: ‘‘Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết

kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải’’ gồm có phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận được tóm tắt như sau:

Phần mở đầu: Đưa ra tính cấp thiết của đề tài luận án, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án cũng như ý nghĩa khoa học và thực tiễn và bố cục nội dung của luận án.

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về các bộ lọc, bộ lọc siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng vi dải dùng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bao gồm giới thiệu tổng quan về bộ lọc tần số siêu cao tần, phân loại bộ lọc siêu cao tần sau đó tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu về mạch cộng hưởng đến

thời điểm hiện tại, nghiên cứu phân tích bộ cộng hưởng đường truyền vi dải, nghiên cứu cộng hưởng ghép nối, cộng hưởng giả xen kẽ, bộ lọc vi dải thông dải giả xen kẽ với thiết kế nhỏ gọn từ đó tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu

về các loại bộ lọc, các công trình công bố điển hình đến thời điểm hiện tại Xây dựng tiêu chí kỹ thuật chung của các bộ lọc siêu cao tần dựa trên nền tảng, công nghệ vi dải được thiết kế và đề xuất hướng nghiên cứu

Tại chương 2: Nghiên cứu cơ sở tính toán để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ sở tổng hợp lý thuyết mạch cộng hưởng và các cấu trúc cộng hưởng cơ bản, đi sâu phân tích lý thuyết các bộ cộng hưởng khác nhau để tìm hiểu đặc tính của bộ cộng hưởng vi dải nửa bước sóng, nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa, bộ cộng hưởng chêm hở mạch, chêm ngắn mạch, chêm ngắn mạch kết hợp chêm hở chữ thập và từ đó xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông, bộ cộng hưởng chêm ngắn mạch vòng vuông để thiết

kế các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng

Trong chương 3: Đưa ra đề xuất thiết kế phát triển các bộ lọc siêu cao tần đa băng tần gồm ba băng thông, bốn băng thông, băng thông rộng và băng thông rộng, siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải Thiết kế mô phỏng, chế tạo

và đánh giá các bộ lọc bốn băng thông được thiết kế với cấu trúc chữ thập đoạn chêm ngắn mạch, bộ lọc ba băng tần được thiết kế dựa trên biến thể của cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng, bộ lọc băng rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng vuông với đoạn chêm ngắn mạch, bộ lọc băng thông siêu rộng được thiết kế với cấu trúc cộng hưởng vòng vuông kết hợp với đoạn chêm ngắn mạch thu hẹp và phần mở rộng hình chữ nhật với dải thông của băng thông chữ V

Kết luận: Đưa ra nhận xét đánh giá các kết quả vừa nghiên cứu của luận

án, những đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo

1.1 Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến

Bộ lọc là một loại thiết bị chọn lọc tần số đặc biệt, tùy theo cách thiết

kế và lắp đặt nó có tác dụng cho phép một dải tần số nhất định đi qua và chặn lại các tần số nằm ngoài dải đó hoặc ngược lại nó chặn lại một dải tần số nào

đó và cho đi qua các tần số nằm ngoài dải tần số đó vì vậy nó là một phần tử không thể thiếu trong các thiết bị vô tuyến điện tử hiện nay

Về kết cấu, bộ lọc là mạng bốn cực có suy giảm đặc tính trên một, hay một số khoảng nhất định của thang tần số, tần số này được đi qua gọi là thông dải hoặc bị chặn lại gọi là dải chặn Trên thực tế, bộ lọc có thể hình thành từ 3 phần từ là R, L, C được gọi là bộ lọc thụ động Bộ lọc thụ động có ưu điểm là linh kiện rẻ tiền, đơn giản, dễ lắp, tuy nhiên hạn chế của nó là có điện cảm khó chuẩn hóa, dễ gây ra hiện tượng hỗ cảm, phẩm chất mạch thấp, không có tính khuếch đại cho nên thường bị suy hao, khó phối hợp tổng trở Ngoài ra người ta có thể hình thành bộ lọc tích cực bằng cách phối hợp với các bộ khuếch đại thuật toán Dạng bộ lọc này có ưu điểm là độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định Nhược điểm của chúng là, khi tần số tăng lên, thì bị ảnh hưởng

do suy hao hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại, làm lệch pha giữa các tín hiệu vào ra, làm thay đổi đặc trưng của bộ lọc

Bộ lọc được phân thành bộ lọc thông thấp, thông cao, thông dải, và chặn dải Có hai bộ lọc thông dải chủ yếu là bộ lọc băng thông rộng, và bộ lọc băng thông hẹp Bộ lọc băng thông rộng có vùng dải thông tương đối rộng, tại các giá trị tần số trong đó, hệ số điện áp đỉnh - đỉnh của tín hiệu vào ra gần như không đổi, tạo thành một đường thẳng từ tần số cắt dưới đến tần số cắt trên Các tần số còn lại hệ số điện áp giảm nhanh Bộ lọc băng thông hẹp có dải thông của bộ lọc rất hẹp từ 3 - 10 Hz, nên hai tần số cắt rất gần nhau Do khoảng dải thông có một tần số trung tâm tại đó hệ số điện áp là lớn nhất, cho nên bộ lọc có tính chọn lọc tần số rất cao Bộ lọc chắn dải là sự kết hợp giữa mạch lọc thông cao và mạch lọc thông thấp, nhằm hình thành một mạch lọc

có tính chất chặn một khoảng tần số nào đó Khoảng tần số bị chặn rộng hay hẹp tùy thuộc vào sự tính toán các thông số bộ lọc Để tạo thành bộ lọc chắn dải thì có thể mắc song song một bộ thông cao với mạch thông thấp, mục đích

là để suy giảm những tần số ở dải thông thấp và thông cao để có được dải thông mong muốn

Tùy theo mục đính yêu cầu, kết cấu và giải tần số của thiết bị mà người ta thiết kế bộ lọc tham số phân bố hay tập trung để thuận lợi cho việc

bố trí linh kiện và không gây can nhiễu ảnh hưởng tới hệ số phẩm chất chung của thiết bị [1]

Cộng hưởng đường vi dải và các bộ lọc thường được sử dụng trong truyền thông không dây do có kích thước không lớn, chi phí sản xuất thấp, và khả năng chịu tác động yếu tố môi trường tốt hơn các cấu trúc khác như tinh thể thạch anh và khả năng tích hợp với các thiết bị Các bộ lọc này có thể được sử dụng trên phạm vi của dải tần rộng bằng cách sử dụng với các loại vật liệu điện môi và chất nền khác nhau Nhược điểm chính của loại bộ lọc này là tổn hao chèn cao, do hệ số Q thấp hơn các loại cộng hưởng khác

Theo đáp ứng tần số, bộ lọc điện tử được phân loại thành bốn nhóm: Bộ

lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải, và bộ lọc chặn dải Trong truyền thông không dây bộ lọc thông dải là sử dụng rộng rãi nhất Đối với việc thiết kế bộ lọc thông dải Microtrip một số các kỹ thuật khác tồn tại và hầu hết các bộ lọc mới được đề xuất với các đặc tính tiên tiến dựa trên các cấu trúc khác nhau

Một bộ lọc thông thấp là một bộ lọc để chuyển đi tín hiệu với tần số thấp hơn so với một tần số cắt nhất định và làm suy giảm tín hiệu với tần số cao hơn tần số cắt Lượng suy hao cho mỗi tần số phụ thuộc vào thiết kế bộ lọc Các bộ lọc đôi khi được gọi là bộ lọc cắt tần số cao Bộ lọc thông thấp là ngược lại của bộ lọc thông cao Bộ lọc thông cao là bộ lọc truyền tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt đã được chọn và làm suy giảm tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cắt Lượng suy giảm cho mỗi tần số phụ thuộc vào thiết kế bộ lọc Các nghiên cứu thiết kế bộ lọc thường sẽ sử dụng bộ lọc thông thấp làm bộ lọc nguyên mẫu Bộ lọc mong muốn được lấy từ nguyên mẫu bằng cách chia

tỷ lệ cho băng thông và trở kháng mong muốn và chuyển đổi thành dạng băng tần mong muốn

Một bộ lọc thông dải là sự kết hợp của một bộ lọc thông thấp và một bộ lọc thông cao Một bộ lọc thông dải có thể được đặc trưng bởi hệ số Q của nó

Hệ số Q là nghịch đảo của các phân đoạn băng thông Một bộ lọc hệ số Q cao

sẽ có một dải thông hẹp và một bộ lọc hệ số Q thấp sẽ có một dải thông rộng Lần lượt gọi là bộ lọc băng hẹp và băng rộng Đối với bộ lọc băng thông rộng vùng dải thông của mạch tương đối rộng, tại các giá trị tần số trong đó, hệ số điện áp đỉnh - đỉnh của tín hiệu vào - ra gần như không đổi, tạo thành một đoạn thẳng từ tần số cắt dưới đến tần số cắt trên Với các tần số còn lại điện

áp giảm nhanh Mạch lọc băng thông hẹp, vùng dải thông của mạch rất bé, cỡ

3 - 10 Hz, do vậy hai tần số cắt rất gần nhau Trong khoảng dải thông có một tần số cắt trung tâm mà tại đó hệ số điện áp là lớn nhất, cho nên có tính chọn

lọc rất cao, được ứng dụng trong việc chống nhiễu khi thu các tín hiệu có nhiều tạp nhiễu hay trong tinh chỉnh dò tín hiệu

Các bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi trong các bộ phát và bộ thu không dây Chức năng chính của một bộ lọc như vậy trong một bộ phát là để hạn chế băng thông của tín hiệu đầu ra cho băng tần được phân bổ cho việc truyền tải Điều này ngăn cản nhiễu từ các máy phát tới các trạm khác Ở đầu thu, bộ lọc thông dải cho phép các tín hiệu trong một phạm vi lựa chọn tần số

để nghe hoặc giải mã, trong khi ngăn chặn các tín hiệu ở tần số không mong muốn đi qua Một bộ lọc thông dải cũng tối ưu hóa tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và

độ nhạy của đầu thu

Trong các ứng dụng cả truyền và nhận, bộ lọc thông dải cũng được thiết

kế, có băng thông tối ưu cho chế độ và tốc độ truyền thông đang được sử dụng, tối đa hóa số lượng các thiết bị phát tín hiệu mà có thể tồn tại trong một

hệ thống, trong khi giảm thiểu nhiễu hoặc cạnh tranh giữa các tín hiệu

Trong xử lý tín hiệu, một bộ lọc chắn dải là một bộ lọc mà cho qua hầu hết các tần số không thay đổi gì, nhưng làm suy giảm những tần số trong một dải cụ thể đến mức rất thấp Bộ lọc Notch là một bộ lọc chắn dải với dải chắn hẹp (hệ số Q cao) Tương tự mạch lọc thông dải thì mạch lọc chắn dải cũng có hai loại phổ biến là chắn dải hẹp và chắn dải rộng

1.2 Phân loại các bộ lọc siêu cao tần

Siêu cao tần có tần số hoạt động cao rất dễ bị tác động bởi các phần tử

và can nhiễu xung quanh, và cấu trúc bộ lọc là một cấu trúc của một mạng 4 cực, và được chia thành các loại chính [2]:

1.2.1 Bộ lọc dạng sóng:

Là dạng mạch lọc có cấu trúc cho phép dạng sóng cần truyền dẫn đi qua nó với mức suy hao nhỏ nhất, còn các dạng sóng không cần thiết sẽ bị suy giảm hoặc phản xạ, thậm chí bị triệt tiêu

- Bộ lọc thông thấp; Bộ lọc thông cao

- Bộ lọc thông dải; Bộ lọc chặn dải

Hình 1.1 mô tả dạng đáp ứng tần và ký hiệu sơ đồ khối của các loại bộ lọc tần số cơ bản [2] trong đó các loại bộ lọc Butterworth; Chebyshev I-II (Cauer) và Elliptic

không tuyến tính) Hình 1.2 chỉ đáp ứng biên độ tần số được chuẩn hóa của lọc Butterworth Bậc lọc cao hơn gần với đáp ứng lý tưởng

Đặc tính lọc bao gồm tần số cạnh dải qua p , tần số cạnh dải dừng s , tần số cắt (hoặc-3 dB)c , độ gợn sóng dải qua p , và độ gợn sóng dải dừng

Vì lọc Butterworth không có độ gợn sóng, p và s xem như sự suy giảm Sự

suy giảm dải qua và dải dừng có thể diễn tả trong dải dB

Hình 1.2 Đáp ứng biên độ được chuẩn hóa của lọc Butterworth thông

thấp là đặc tính nền tảng của lọc thông thấp

Hàm truyền và đáp ứng tần số thường được diễn tả ở dạng bình phương thay vì ở dạng biên độ Lọc Butterworth với bậc N và tần số cắt c có N cực nằm bên nửa mặt phẳng trên nửa vòng tròn bán kính c (hình 1.3) Từ đặc tính cho trước, lọc bậc N và tần số cắt

Hình 1.3 Cực của lọc Butterworth ổn định với bậc N = 5

Lọc Chebyshev (cũng gọi là lọc Cauer) có độ chuyển tiếp hẹp hơn lọc Butterworth filter mà có cùng bậc lọc Có hai loại lọc : Chebyshev-I có độ

Tần số chuẩn hóa

Mặt phẳng S

gợn sóng trong dải qua và giảm đơn điệu trong dải dừng và Chebyshev-II có thuộc tính ngược lại Bình phương đáp ứng biên độ hàm truyền của Chebyshev-I phụ thuộc CN (x) được gọi là đa thức Chebyshev-I loại 1 và thông số độ gợn sóng  Hình 1.4 mô phỏng bình phương đáp ứng biên độ

Hình 1.4 Chebyshev loại 1 có bậc lẻ (N = 5)

Ở đây có sự liên hệ giữa những đối số và độ gợn sóng dải qua p đưa ra công

thức để tính lọc bậc N Hình 1.5 vẽ bình phương đáp ứng biên độ Chebyshev-II

Hình 1.5 Bình phương đáp ứng biên độ của lọc thông thấp Chebyshev-II

Lọc Elliptic có độ gợn sóng trong cả dải qua và dải dừng, có dải chuyển tiếp ngắn nhất, bình phương đáp ứng biên độ mà phụ thuộc thông số độ gợn sóng  như lọc Chebyshev và hàm Jacobian elliptic function UN (x)

Lọc Bessel có độ chuyển tiếp dải qua dài hơn lọc Butterworth nhưng có đáp ứng pha tuyến tính Tuy nhiên, lọc Bessel không sử dụng trong thiết kế lọc số

Các nghiên cứu về mô hình bộ lọc Butterworth, Chebyshev I và II (Cauer)

sử dụng thuật toán, tần số lấy mẫu, tần số Nyquist để thiết kế chủ yếu ứng dụng phát triển bộ lọc số IIR; FIR hoặc tương tự sang số (A/D), xử lý tín hiệu

số và sử dụng chương trình Matlab để mô phỏng thiết kế

Bộ lọc Chebyshev

Bộ lọc Butterworth

Sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ không dây và di động đã làm tăng nhu cầu tích hợp nhiều hơn trong một công nghệ truyền thông hoặc các tiêu chuẩn vào một hệ thống duy nhất, nơi mà các tiêu chuẩn khác nhau có thể hoạt động trong dải tần số khác nhau Các module vi ba và tần số vô tuyến đa băng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống thông tin liên lạc hiện đại Bộ lọc thông dải đa băng là một trong những module quan trọng nhất trong mạch đầu cuối

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại đối với các bộ lọc cơ bản, bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng

1.3.1 Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại

Lý thuyết bộ lọc hiện đại được mở rộng từ gộp phần tử (LC) cộng hưởng để cộng hưởng phân bố, chẳng hạn như ống dẫn sóng, đồng trục và Stripline/Microtrip Trong thiết kế của nhiều bộ lọc cộng hưởng phân bố giá trị của các yếu tố của mạng nguyên mẫu thông thấp được sử dụng để xác định các đặc tính truyền quan trọng của bộ lọc sử dụng công thức có nguồn gốc đối với từng loại bộ lọc [1]

Phương pháp tham số ‘‘ảnh’’ được phát triển vào những năm 1920 với phương pháp này gồm có đặc điểm kỹ thuật của các đặc tính dải thông và dải chặn cho một mạng có 2 cổng nối tầng Quan điểm ảnh, được sử dụng trong phương pháp này là tương tự như quan điểm sóng được sử dụng trong việc phân tích các đường truyền tải Do đó, phương pháp này cung cấp một chuỗi liên kết giữa các bộ lọc thực tế và cấu trúc chu kỳ vô hạn [2] Bộ lọc này có cấu trúc rất đơn giản có thể được thiết kế mà có thể không cần đến máy vi tính mô phỏng Tuy nhiên, giá trị thành phần không thực tế đôi khi có thể thu được bằng cách sử dụng tham số ảnh ảo [3] và thường sử dụng kỹ thuật xấp xỉ,

và đây cũng là phương pháp thiết kế bộ lọc thực tế tốt nhất cho đến khi máy tính trở nên phổ biến

Lý thuyết tổn hao chèn còn được gọi là lý thuyết lọc hiện đại, phức tạp hơn nhưng kỹ thuật thiết kế chính xác Phương pháp thiết kế này bao gồm hai bước cơ bản: xác định hàm số truyền mà đặc điểm kỹ thuật bộ lọc xấp xỉ yêu cầu và tổng hợp các mạch điện tử sử dụng tần số đáp ứng ước tính của các hàm số truyền trước đó Phương pháp này rất hiệu quả, nó đã trở thành rộng rãi tốt nhất trước khi những máy tính tốc độ cao được sử dụng để mô phỏng

Thiết kế cuối cùng của toàn bộ phần tử bộ lọc thông thấp, thông dải, chắn dải, và thông cao có thể thu được từ nguyên mẫu thông thấp bằng cách

sử dụng phép biến đổi tần số và trở kháng Bộ lọc thông dải răng lược bao gồm mảng của các cộng hưởng song song mà ngắn mạch tại một đầu với tụ điện nạp ở đầu kia Đây là bộ lọc rất nhỏ gọn với chiều dài của bộ cộng hưởng bằng λg/8 ở tần số dải thông cơ bản fo và đáp ứng sai số tập trung vào khoảng

4f o Bộ lọc Combline (Combline Bandpass filters) là bộ lọc băng thông kết hợp có sẵn cho mọi tần số trung tâm từ 250MHz đến 18GHz được triển khai rộng rãi sử dụng cộng hưởng đồng trục Các thiết kế của các bộ lọc trong microstirip bao gồm tối ưu hóa và máy vi tính là công cụ chính hỗ trợ thiết kế

Bộ lọc xen kẽ bao gồm các đường được ghép nối song song một phần

tư bước sóng, mà ngắn mạch ở một đầu và hở mạch ở đầu kia Khớp nối giữa những đường xen kẽ mạnh hơn khớp nối đường răng lược nên làm cho các bộ lọc xen kẽ có khả năng đơn giản hơn trong việc chế tạo các bộ lọc tần số cao

và các ứng dụng băng thông rộng, kích thước của bộ lọc xen kẽ cũng khá nhỏ

gọn và bộ lọc xen kẽ có hài giả đầu tiên 3f o Thiết kế chính xác của bộ lọc xen

kẽ trong microstirip cũng liên quan tới các kỹ thuật tối ưu, như tối ưu không gian, tối ưu hóa đồ thị đặc tuyến, hoặc tối ưu hóa tham số sử dụng trong thiết

kế bộ lọc Phương pháp thiết kế được dựa trên nhận biết trực tiếp và ghép ký sinh của mỗi bộ cộng hưởng [3] Các bộ lọc ghép nối song song (Parallel - coupled - line - Filter) ban đầu được đề xuất là các bộ lọc cấu trúc vi dải phổ

biến nhất, chúng bao gồm các bộ cộng hưởng nửa bước sóng được ghép với nhau cùng một nửa chiều dài của nó Đối với các loại bộ lọc băng hẹp, bộ ghép được định trước bởi các đường ghép song song vận tốc pha khác nhau giữa chế độ chẵn và lẻ trong khu vực đường ghép nối Như vậy đối với việc thiết kế các bộ lọc đường ghép nối song song băng hẹp sẽ được áp dụng thiết

kế đường cong đặc biệt hoặc các kỹ thuật tối ưu hóa và sử dụng môi trường lý tưởng Các bộ lọc ghép nối song song trong đó các bộ cộng hưởng gấp khúc được biết đến như là bộ lọc xoắn, trong đó cộng hưởng nửa bước sóng có dạng hình chữ U Với sự sửa đổi này đã làm giảm đáng kể kích thước của bộ lọc, cộng hưởng xoắn được thu nhỏ kích thước, trong đó cộng hưởng được uốn cong vào bên trong để tạo thành khu vực đường ghép nối, thường được

sử dụng trong việc thiết kế các bộ lọc thông dải ghép nối chữ thập thu gọn (Compact cross – coupled bandpass filter) Cộng hưởng xoắn được thu nhỏ kích thước tương tự với bộ cộng hưởng vòng hở khung vuông, được sử dụng

để thu được điện dung và ghép từ tính bằng cách chỉ cần ghép nối gần đúng thông qua các dải bao bọc Đây là loại bộ cộng hưởng có thể được sử dụng để xây dựng bộ nối tầng bốn băng vi dải (microstrip cascaded quadruplet) và các loại khác của bộ lọc thông dải ghép nối chữ thập Một loại bộ cộng hưởng chế tạo ra các bộ lọc khác làm cho kích thước bộ lọc thông dải nhỏ gọn là ghép nối cộng hưởng chế độ kép với các bộ cộng hưởng vi dải vòng, cả hai vòng

mở và vòng cộng hưởng chế độ kép được sử dụng trong thiết kế trên nền tảng

bộ lọc thông dải vi băng

Do sự phát triển của truyền thông không dây và sự xuất hiện của hệ thống mới yêu cầu kích thước nhỏ, bộ lọc chi phí thấp với hiệu suất cao Do

đó thu nhỏ kích thước của bộ lọc thông dải với nâng cao đặc tính của chúng là một thách thức lớn trong việc thiết kế các bộ lọc hiện đại Điều này đạt được bằng cách cải thiện các khái niệm thông thường và phương pháp tiếp cận,

cũng như giới thiệu các cấu trúc liên kết để xây dựng và thiết kế mới Kích thước của bộ lọc ghép nối song song có thể được giảm bằng cách uốn cong đường vi dải ghép nối trong khi nén các hài giả mạo hoặc thực hiện việc tạo đường nhánh chặn dải bên trong bộ cộng hưởng cũng có thể dẫn đến giảm kích thước và nén hài giả mạo

Đối với các bộ lọc cộng hưởng xoắn thu nhỏ, tiếp tục giảm kích thước cùng với loại trừ hài giả mạo đạt được bằng cách sử dụng một trong hai tụ điện xen kẽ nhúng trong bộ cộng hưởng hoặc các phần tử với các trở kháng đặc trưng khác nhau, ví dụ bộ cộng hưởng xoắn SIR bậc trở kháng cũng có thể được sử dụng trong thiết kế bộ lọc cộng hưởng xoắn băng kép nhỏ gọn

1.3.1.1 Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải

Các bộ cộng hưởng vi dải theo hình thức của đường truyền giới hạn là một trong ba nhóm lớn của các bộ cộng hưởng vi dải phân bố được sử dụng trong việc thiết kế các bộ lọc Hai nhóm khác của cộng hưởng phân bố là vòng vi dải và cộng hưởng mảng (microstrip ring - patch resonators) Cộng hưởng vòng vi dải được sử dụng cho thiết kế bộ lọc băng đôi [4],[5], trong khi cộng hưởng mảng được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng mà khả năng xử

lý công suất cao là cần thiết [6],[7]

Hình 1.6 Một số mạch cộng hưởng đường truyền vi dải điển hình

(a) Mạch cộng hưởng phần tử tập trung; (b) Mạch cộng hưởng phần tử gần

Tại hình 1.6 mô tả một số mạch cộng hưởng đường truyền vi dải điển hình Thông thường cộng hưởng vi dải có thể là bất kỳ cấu trúc mà có thể chứa ít nhất một trường điện từ dao động, một phần của đường truyền vi dải

bị chặn với hai đường bao phản xạ theo hình thức mạch hở hoặc ngắn mạch trở thành bộ cộng hưởng vi băng tại một số tần số cụ thể Trở kháng đầu vào

và độ dẫn nạp không tổn hao hở mạch đường vi băng là:

Z in = -jZ 0 cosl = -jZ 0 cos (1.1)

Y in = jY 0 tanl = jY 0 tan (1.2)

Trong đó Z0, Y0 và θ là trở kháng đặc trưng, độ dẫn nạp, độ dài điện Từ (1.1) ta có thể thấy rằng trở kháng đầu vào của dòng hở mạch bằng không khi

θ =(2n -1 )π/2 ở đó n =1, 2, 3…, hoặc tại các tần số mà tại đó chiều dài vật lý

của đường l là bội lẻ của một phần tư bước sóng hoặc l = (2n -1)λ g /4

Do đó trong vùng lân cận của các tần số này dòng hở mạch tương

đương với một loạt mạch cộng hưởng, mà điều kiện cộng hưởng là Z in= 0 Tương tự như vậy có thể thấy rằng từ (1.2) dòng hở mạch tương đương với mạch cộng hưởng song song trong vùng lân cận của các tần số mà tại đó độ

dài vật lý của độ dài điện () là một bội số của nửa bước sóng dài, tức là khi θ

cộng hưởng dòng hở mạch vi băng λ g /2 là cơ bản xây dựng các khối của các

bộ lọc băng thông dựa trên bộ lọc băng thông ghép nối song song gốc

Bằng cách tương tự với dòng hở mạch, chế độ không tổn hao dòng ngắn mạch là một cộng hưởng có thể thấy từ công thức cho trở kháng đầu vào

và độ dẫn nạp

Z in = Z 0 tan l = Z 0 tan (1.3)

Y in = - jY 0 cos l = -jY 0 cos (1.4)

Từ (1.3 -1.4) dòng ngắn mạch là một mạch cộng hưởng song song ở tần

số khi chiều dài của dòng này là gần một bội lẻ của một phần tư bước sóng và

như một loạt cộng hưởng tại tần số khi chiều dài của dòng này là bội của một

nửa bước sóng, cộng hưởng dòng ngắn mạch vi băng λ g /4 được sử dụng trong

thiết kế bộ lọc băng thông xen kẽ

Công thức cho giá trị của các yếu tố ghép nối của cộng hưởng song

song dòng hở mạch tương đương λ g /2 là:

0

Z R

0

Z R

Đối với cộng hưởng đường truyền phân bố, phân bố của điện trường và

từ trường tại tần số cộng hưởng là rất quan trọng vì nó có thể phản ánh chính xác bản chất của trường cộng hưởng được ghép nối

Hình 1.7 Phân bố điện áp trên đường truyền vi dải

Sự phân phối điện áp ở tần số cộng hưởng được thể hiện trong hình 1.7, phân bố điện áp của dòng mạch hở (a), và dòng ngắn mạch (b), n=1 (liền nét),

n=2 (nét đứt) Đường nét liền thể hiện các tần số cộng hưởng cơ bản của bộ cộng hưởng, các đường nét đứt ở tần số cộng hưởng giả thứ nhất

Mỗi cộng hưởng được đặc trưng bởi hệ số phẩm chất Q, được sử dụng như là biện pháp đo tổn hao trong mạch cộng hưởng và được định nghĩa là:

Qu =(năng lượng trung bình được lưu trong mạch cộng hưởng)

(năng lượng tổn hao mỗi giây trong mạch cộng hưởng) (1.7)

Sự phụ thuộc tổng hệ số Q của cộng hưởng vi dải vào trở kháng đặc trưng khá phức tạp và cũng phụ thuộc vào các tham số khác của vi băng, như tham số h và ε của đường truyền vi dải và ảnh hưởng trực tiếp tới chiều dài đoạn chêm và chiều dày miếng điện môi, chất nền

1.3.1.2 Bộ cộng hưởng ghép nối

Cách ghép nối là chuyển năng lượng từ một mạch này tới mạch khác, các cộng hưởng ghép nối là rất quan trọng để thiết kế bộ lọc Việc ghép giữa hai cộng hưởng cho dù điều chỉnh cùng đồng bộ hoặc không thì đều được đặc trưng bởi hai tần số riêng có thể được xác định bằng thí nghiệm hoặc mô phỏng EM toàn sóng Hệ số ghép nối cộng hưởng vi ba (microwave) có thể được định nghĩa như là một tỷ lệ ghép nối năng lượng để lưu trữ năng lượng:

Trong đó E và H là vector điện trường và từ trường của cộng hưởng

được thể hiện trong hình 1.8 Các trường được xác định tại cộng hưởng và tích phân theo thể tích trên cả vùng có hiệu quả với hằng số điện môi  và độ

từ thẩm  Các bộ cộng hưởng 1 và 2 có thể có các tần số cộng hưởng khác nhau Hệ số ghép có thể có dấu dương hoặc dấu âm do cách ghép của vector không gian trường

Hình 1.8 Bộ cộng hưởng vi ba ghép nối

Các bộ cộng hưởng được ghép với nhau nếu chúng có trở kháng chung,

có thể là một điện trở, điện dung, điện cảm hoặc hỗ cảm Điện dung phổ biến đưa ra dạng ghép điện áp, trong khi điện cảm đưa ra dạng ghép từ trường Ghép hỗn hợp là sự kết hợp của cả hai Hình 1.9 minh họa mô hình ghép phần

tử tương đương cho ghép từ trường (a) và ghép điện dung (b)

Hình 1.9 Bộ cộng hưởng trường ghép nối

(a) Ghép từ trường; (b) Ghép điện dung

Ở đó C và L là điện dung riêng và độ tự cảm của cộng hưởng, và M và

C m đại diện cho cảm ứng tương hỗ và điện dung tương hỗ Trong hình 1.9 (a)

ta có:

V 1 = I 1 Z 1 +jMI 2 (1.9)

0 =I 2 Z 2 + jMI 1

Trong đó jMI 2 là điện áp gây ra do dòng điện thứ hai trong mạch

Trong trường hợp điều chỉnh cộng hưởng đồng bộ cả hai mạch đều giống hệt nhau và trở kháng của mạch là:

Z 1 = Z 2 = R+j(L – 1/C) (1.10)

Hệ số ghép mạch nhỏ hơn I 1 liên tục tăng, trong khi I 2 ban đầu tăng lên

và sau đó rơi xuống sau khi đạt giá trị cực đại của nó I 2 =-V 1 /2R khi k =

tần số gần o chúng ta có thể đưa ra biến mới d =  - o điện kháng của mạch cộng hưởng có thể được biểu diễn với độ chính xác như sau:

(L – 1/C) = o L(/o - o/) 2Ld (1.13) Dòng điện trong bộ cộng hưởng là:

Cực đại và cực tiểu đối với các dòng điện có thể được tìm thấy bằng

cách lấy đạo hàm và lập phương trình mô đun bằng 0 của dòng điện dùng d

như một biến Ba giá trị tần số cực đại và cực tiểu của dòng I 2 là d =0 và:

Nếu trong (1.15) kQ>1 có ba nghiệm thực và d =0 là một cực tiểu và

hai nghiệm khác là cực đại và đây gọi là trường hợp ghép chặt Ghép chặt sẽ

sinh ra hai cộng hưởng trong cả hai mạch và khi k tăng lên, đỉnh cộng hưởng

di chuyển ra phía ngoài và vùng lõm sâu ở giữa

Nếu kQ=1 thì ba nghiệm đều trùng khớp và d =0 xác định dòng điện

tối đa trong bộ cộng hưởng thứ hai I 2= V 1 /2R và đây là trường hợp ghép tối

ưu Nếu cả hai bộ cộng hưởng có cùng tần số cộng hưởng nhưng hệ số chất

lượng khác nhau thì ghép tối ưu là k = 1/ √Q 1 Q 2

Nếu kQ<1 chỉ có một nghiệm thực xác định tối đa thì đây là ghép lỏng

và trong trường hợp này mạch hầu như độc lập và dòng điện trong bộ cộng hưởng thứ hai nhỏ hơn I 2= V 1 /2R

Hình 1.10 minh họa dòng điện I2 trong mạch cộng hưởng ghép nối với

ghép tối ưu k 0 = 1/Q và được mô tả các hệ số ghép cho các mạch ghép nối:

Hình 1.10 Dòng điện trong mạch cộng hưởng ghép nối

Trong đó k có giá trị từ 0,3k 0 đến 2k 0 và k = k 0 (1.16), một hình thức

khác của hai bộ cộng hưởng đồng bộ được điều chỉnh ghép nối không tương

hỗ từ với mặt phẳng đối xứng được thể hiện trong hình 1.11

Hình 1.11 Cộng hưởng đồng bộ điều chỉnh ghép không tương hỗ

Nếu mặt phẳng đối xứng T-T’ trong hình này được thay thế bởi một ngắn mạch (hoặc một điện từ trường) thì mạch cộng hưởng mới duy nhất sẽ

có một tần số cộng hưởng:

 

1 2

 

1 2

Trong trường hợp này ghép nối làm tăng thông lượng lưu trữ và các tần

số cộng hưởng là thấp hơn tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng không ghép nối đơn Công thức chung cho hệ số ghép về tần số cộng hưởng của hai chế độ:

chế độ cộng hưởng đơn khi k=1/Q (ghép tối ưu) và khi k1/Q (ghép lỏng)

1.3.1.3 Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ (pseudo interdigital bandpass)

Các nghiên cứu so sánh của ghép cộng hưởng giả xen kẽ và cộng hưởng xoắn [13], thì ghép cộng hưởng xen kẽ có tham số tương đương tốt có thể được coi như là một sự kết hợp của ghép gần đúng thông qua các khe S1,S2 và S3 như thể hiện trong hình 1.12 (a) Nếu cộng hưởng có cùng kích

thước L và H thì độ rộng của các khe S1, và S3 là bằng nhau Để xác định phần đóng của mỗi khe trong ghép nối, cấu trúc chỉ ra trong hình 1.12 đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng mô phỏng EM

Hình 1.12 Cộng hưởng vi dải nửa bước sóng ghép nối

(a) Giả xen kẽ; (b) Xoắn; (c) Ghép nối qua khe S 1 ; (d) Ghép qua khe S 1 và S 2 ;

(e) Ghép qua khe S 1 ,S 2 và S 3

Tất cả cộng hưởng vi băng sử dụng trong nghiên cứu này là cộng hưởng mạch hở g /2 với cộng hưởng cơ bản tại 2.5GHz Tất cả các khe ghép,

ngoại trừ S3 trong hình 1.12 (d) và S3 trong hình 1.12 (e) đã được chọn là 0.3

mm Việc cung cấp các bộ cộng hưởng được sắp xếp thông qua ghép nối song song gắn với đường cấp 50Ω Hằng số điện môi được sử dụng trong mô

phỏng này là r=2.2 và bề dày là h =0.787 mm Chiều rộng của khe S2 của cộng hưởng ghép chỉ ra trong hình 1.12 (d) được chọn là 2.4 mm[18]-[20] Đây là chiều rộng tối thiểu của khe S2 mà tại đó bộ cộng hưởng xoắn được ghép, thể hiện trong hình 1.12 (b), là ghép tới hạn (critically coupled) tức là, giả lập S21 của ghép cộng hưởng chỉ có một đỉnh tại tần số cộng hưởng, và phần đóng góp vào tổng ghép bằng cách tách khoảng cách S2 có thể được bỏ qua Giá trị này đã được tìm thấy bằng cách mô phỏng cộng hưởng ghép thể hiện trong hình 1.12 (b) Tương tự, bằng cách mô phỏng cộng hưởng ghép thể hiện trong hình 1.12 (c), đã tìm ra rằng khi chiều rộng của khe đạt S1 = 2.8

mm cộng hưởng trở thành ghép tới hạn Do đó, với chiều rộng của khe S3 của cấu trúc thể hiện trong hình 1.12 (e) được chọn là 2.8 mm và phần đóng góp vào tổng ghép nối bằng cách tách khoảng cách S3 có thể được bỏ qua Sự khác biệt này xảy ra do điều kiện toàn bộ cộng hưởng phải có cùng chiều dài điện

và chiều dài của đường ghép Tất cả các trở kháng của S21 được mô phỏng thể hiện trong hình 1.13, là các hệ số ghép mô phỏng và tính toán của cấu trúc trong hình 1.12 và là một hàm của chiều dài các đường ghép nối

Đường biểu thị giả xen kẽ (chấm đen); xoắn (nét liền đen); ghép qua

khe S 1 (nét liền xám); ghép qua khe S 1 và S 2 (nét đứt đen); ghép qua khe S 1 và

Tần số (GHz)