TÌM HIỂU VỀ BỘ LỌC THÔNG DẢI ĐIỀU HƯỞNG SỬ DỤNG DIODE BIẾN DUNG

LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc phát triển hướng tới cách mạng công nghiệp lần thứ 4. Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghê và ngày càng có nhiều thiết bị truyền thông hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau, khiến cho nhu cầu đòi hỏi một thiết bị có khả năng tùy chỉnh tần số cộng hưởng để lọc được các tín hiệu mong muốn. Trong Bài viết Này Em xin trình bày những kiến thức cở bản về đường truyền siêu cao tần cũng như kiến thức nền tảng để thiết kế một bộ lọc thông dải điều hưởng bằng việc sử dụng các diode biến dung. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền, Viện Điện TửViễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đã hướng dẫn tận tình cùng những góp ý vô cùng bổ ích để em có thể hoàn thiện bài nghiên cứu này này. Em xin chân thành cảm ơn. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ …………………………………………………………………...i CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ BỘ LỌC CAO TẦN 2 1.1 Lý thuyết bộ lọc tần số 2 1.1.1 phân tích mạch điện siêu cao tần 2 1.2 Phương pháp suy hao chèn trong thiết kế bộ lọc 7 1.2.1 Tổng quan 7 1.2.2 Phương pháp chuyển đổi và chuẩn hóa 9 1.2.3 Một số dạng bộ lọc thường sử dụng 11 1.3 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng 18 1.3.1 Cuộn cảm có thể điều chỉnh 18 1.3.2 Tụ điện có thể điều chỉnh 19 1.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 2. BỘ LỌC THÔNG DẢI VỚI BỘ CỘNG HƯỞNG VI DẢI SONG SONG 25 2.1 Lý thuyết đường truyền vi dải 25 2.1.1 cấu trúc đường truyền vi dải 25 2.1.2 đường truyền vi dải song song 26 2.1.3 Ưu, nhươc điểm của đường truyền vi dải 29 2.2 Các mô hình tương đương thường gặp trong đường truyền vi dải 29 2.2.1 Đường truyền hở mạch, ngắn mạch 29 2.2.2 kết thúc mở 30 2.2.3 Khe hẹp (S) 31 2.2.4 Gấp khúc 31 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 5 - 2020

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc phát triển hướng tới cách mạng công nghiệp lần thứ 4 Hiệnnay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghê và ngày càng có nhiều thiết bịtruyền thông hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau, khiến cho nhu cầu đòi hỏi mộtthiết bị có khả năng tùy chỉnh tần số cộng hưởng để lọc được các tín hiệu mong muốn.Trong Bài viết Này Em xin trình bày những kiến thức cở bản về đường truyềnsiêu cao tần cũng như kiến thức nền tảng để thiết kế một bộ lọc thông dải điều hưởngbằng việc sử dụng các diode biến dung

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền, Viện ĐiệnTử-Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đã hướng dẫn tận tình cùngnhững góp ý vô cùng bổ ích để em có thể hoàn thiện bài nghiên cứu này này

Em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

……… i

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ BỘ LỌC CAO TẦN 2

1.1 Lý thuyết bộ lọc tần số 2

1.1.1 phân tích mạch điện siêu cao tần 2

1.2 Phương pháp suy hao chèn trong thiết kế bộ lọc 7

1.2.1 Tổng quan 7

1.2.2 Phương pháp chuyển đổi và chuẩn hóa 9

1.2.3 Một số dạng bộ lọc thường sử dụng 11

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng 18

1.3.1 Cuộn cảm có thể điều chỉnh 18

1.3.2 Tụ điện có thể điều chỉnh 19

1.4 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 2 BỘ LỌC THÔNG DẢI VỚI BỘ CỘNG HƯỞNG VI DẢI SONG SONG 25

2.1 Lý thuyết đường truyền vi dải 25

2.1.1 cấu trúc đường truyền vi dải 25

2.1.2 đường truyền vi dải song song 26

2.1.3 Ưu, nhươc điểm của đường truyền vi dải 29

2.2 Các mô hình tương đương thường gặp trong đường truyền vi dải 29

2.2.1 Đường truyền hở mạch, ngắn mạch 29

2.2.2 kết thúc mở 30

2.2.3 Khe hẹp (S) 31

2.2.4 Gấp khúc 31

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng cao tần hai cửa (4 cực) 1

Hình 1.2 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương 6

Hình 1.3 Sơ đồ mạch điện tổng quát 7

Hình 1.4 Quy trình thiết lế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn 8

Hình 1.5 Chuyển đổi phần tử cơ bản từ LPF sang HPF, BPF hoặc BSF [5] 9

Hình 1.6 Nguyên mẫu bộ lọc thông thấp[5] 10

Hình 1.7 Đáp ứng của bộ lọc thông thấp Butterworth (bằng phẳng tối đa) [5] 11

Hình 1.8 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp Butterworth 12

Hình 1.9 Đáp ứng bộ lọc thông thấp Tchebyscheff [5] 15

Hình 1.10 Nguyên mẫu bộ lọc thông thấp Elliptic [5] 16

Hình 1.11 Đáp ứng tần số một số bộ lọc thông thấp Elliptic 17

Hình 1.12 Mô hình mạch điện tương đương đơn giản [9] 18

Hình 1.13 Mô hình SPICE [9] 18

Hình 1.14 Sơ đồ khối của DTC [10] 20

Hình 1.15 Mạch điện tương đương của DTC [10] 20

Hình 1.16 Điện dung DTC trong cấu hình nối tiếp và song song 21

Hình 1.17 Hệ số phẩm chất Q của DTC trong cấu hình song song 22

Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 24

Hình 2.2 Phân bố trường trong cấu trúc vi dải 25

Hình 2.3 Cấu trúc đường truyền vi dải song song 26

Hình 2.4 Phần bố trường trong đường vi dải song song (a) chế độ chẵn (b) chế độ lẻ 26

Hình 2.5 Sơ đồ tương đương của a) đường truyền ngắn mạch, b) đường truyền hở mạch 29

Hình 2.6 Mô hình tương đương tại đầu mở của đường truyền 30

Hình 2.7 Mô hình tương đương khe hẹp S 30

Hình 2.8 Mô hình tương đương phần gấp khúc 31

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ BỘ LỌC CAO TẦN

Trong chương 1 sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản về thiết kế bộ lọc cao tần, cácphương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng của bộ lọc Những lý thuyết được đưa ra sẽcung cấp những kiến thức cơ bản để thiết kế một bộ lọc có thể cấu hình tần số cộnghưởng

1.1 Lý thuyết bộ lọc tần số

1.1.1 phân tích mạch điện siêu cao tần

1.1.1.1 Các tham số của mạng siêu cao tần

Việc mô tả một mạch lọc cao tần nói riêng hay mạch điện cao tần có hai đầu cuốinói chung được thể hiện bằng một mạng hai cửa như hình 1.1 với điện áp và cường độdòng điện lần lượt tại cửa 1 và cửa 2, trở kháng đầu cuối và điện áp nguồn

Hình 1.1 Mạng cao tần hai cửa (4 cực)

Với mạng cao tần hai cửa, điện áp và dòng điện là các đại lượng dao động điều hòatheo thời gian

V1=|V1|e jωtΦ

(1.2)Trong một mạng cao tần, đôi khi việc đo công suất đầu vào và ra quan trong hơnviệc đo cường dộ dòng điện và điện áp Trong khi đó, ở tần số siêu cao, việc đo điện

áp và dòng điện thường chỉ cho những đại lượng như tỷ số sóng đứng (SWR), hệ sốphản xạ,… tham số dễ đo nhất là công xuất phản xạ và công suất tới, điều kiện thử lýtưởng là khi mạng 2 cửa được phối hợp trở kháng tải Người ta định nghĩa các biến số

và trong đó a biểu thị sóng công suất tới và b biểu thị sóng công suất phản xạ Mốiquan hệ giữa các biến công suất và điện áp, dòng điện là:

Ma trận S được gọi là ma trận tán xạ của mạng hai cửa

Các tham số tán xạ Smn được xác định như sau:

Trong đó an = 0 thể hiện rằng của n được phối hợp trở kháng hoàn toàn Các tham

số S11 và S12 được gọi là hệ số phản xạ, còn S12 và S21 đươc gọi là hệ số truyền đạt Cáctham số tán xạ thường là các số phức nên được biểu diễn dưới dạng biên độ và pha,Giá trị biên độ thường được đổi sang đơn vị decibels(dB)

S mn=|S mn|e j Φ mn

(1.12)

¿S mn∨[dB]=20 log|S mn|dB với m , n=1,2Đối với bộ lọc, người ta định nghĩa hai tham số sau:

L A=−20 log|S mn|dB với m, n=1,2(m¿n) (1.13)

Trong đó, LA là tổn hao xen giữa cửa n và m, LR là tổn hao ngược tại cửa n Ngoài

ra, người ta còn định nghĩa tỷ số sóng đứng về điện áp (Voltage Standing Wave Ratio– VSWR) như sau:

VSWR=1+|S mn|

Khi một tín hiệu được truyền qua một mạch lựa chọn tần số như mạch lọc, tín hiệu

ở đầu ra sẽ có một khoảng trễ nhất định so với tín hiệu đầu vào, Tham số trễ quantrọng cần được xem xét trong bộ lọc là trễ nhóm, hay trễ đường bao tín hiệu, đượcđịnh nghĩa là:

τ d=−d Φ21

Tham số tán xạ có một số tính chất quan trọng khi phân tích mạng cao tần Đối vớimạng hai cửa tương hỗ S12 = S22 Nếu mạng hai cửa là dối xứng, thì ngoài tính chấttương hỗ, còn có S11 = S22 Giả sử mạng hai cửa không có tổn hao, tổng công suấttruyền qua và công suất phản xạ trở lại bằng tổng công suất tới Định luật bảo toànnăng lượng trong mạng hai cửa không có tổn hao có thể viết như sau:

Bốn tham số trong ma trận ABCD có thể xác định bằng cách thực hiện các phép đo

ở mạch hai cửa với điều kiện ngắn mạch và hở mạch Ma trận ABCD có những tínhchất sau:

Đối với mạng hai cửa tương hỗ: AD – BC = 1 (1.26)

Nếu mạng hai cửa không có tổn hao, A và D có giá trị thực còn B và C có giá trịthuần ảo

Ma trận ABCD đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hệ thống cao tần gồmnhiều mạng hai cửa ghép nối với nhau theo kiểu nối tầng Kiểu ghép nối này thườngđược sử dụng trong việc phân tích thiết kế mạch lọc, vì hầu hết các kiểu mạch lọc đềuđược cấu tạo nên từ các thành phần ghép nối tầng với nhau Đầu tiên, ta xét trườnghợp đơn giản, cấu trúc nối tầng bao gồm hai mạng hai cửa như trong hình 1.2

Hình 1.2 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương

Với cấu hình nối ghép như trên, ta có:

Đầu vào của mạng N’’ là đầu ra của mạng N’, nên:

[V2}} over {{-I} rsub {1} rsup {]=[V1}} over {{I} rsub {1} rsup {]

Như vậy, hệ thống mạng hai cửa ghép tầng tương đương với một mạng hai cửa có

ma trận ABCD bằng tích các ma trận ABCD thành phần Điều này đúng cho hệ thốngbao gồm các mạng hai cửa nối tầng với mọi số lượng

1.2 Phương pháp suy hao chèn trong thiết

kế bộ lọc

1.2.1 Tổng quan

Xét một bộ lọc không tổn hao (lossless), là bộ lọc sử dụng các linh kiện và đườngtruyền không tổn hao, được kết nối với nguồn và tải như Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ mạch điện tổng quát

Đặt PLR là tỷ số giữa công suất tối đa có thể cấp cho tải của nguồn Pinc với công suấtthực sự cấp cho tải PLoad

Đặc tả bộ lọc

Thiết kế nguyên mẫu lọc thông thấp

Chuyển đổi Triển khai bộ lọc trên thực tế

Hình 1.4 Quy trình thiết lế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn

- Trong phương pháp suy hao chèn, chúng ta sẽ dựa trên đặc tả kỹ thuật của bộlọc cần thiết kế để chọn ra kiểu bộ lọc có đáp ứng biên độ phù hợp (MaximallyFlat, Tchebyscheff, Elliptic…) sau đó xác định bậc của bộ lọc rồi cuối cùng xácđịnh giá trị các linh kiện trong bộ lọc

- Trừ bộ lọc thông thấp, để đơn giản hóa quá trình thiết kế, sau khi chọn ra kiểu

bộ lọc và bậc phù hợp, chúng ta sẽ không trực tiếp đi vào xác định giá trị linhkiện trong bộ lọc mà sẽ đi vào thiết kế nguyên mẫu lọc thông thấp rồi chuyểnđổi sang dạng bộ lọc cần thiết kế (thông cao, thông dải, chắn dải)

1.2.2 Phương pháp chuyển đổi và chuẩn hóa

Chuẩn hóa các tham số của bộ lọc thông thấp: để đơn giản cho quá trình thiết kế,trở kháng và tần số thường được chuẩn hóa như trong Bảng 1.1

Phương pháp chuyển đổi: việc chuyển đổi từ bộ lọc thông thấp sang các dạng

Thông cao (HPF)

Thông dải (BPF)

Chắn dải (BSF)

Hình 1.5 Chuyển đổi phần tử cơ bản từ LPF sang HPF, BPF hoặc BSF [5]

Các công thức chuyển trên được tính với Li, Ci là các giá trị đã chuẩn hóa trở kháng

và tần số còn Li’, Ci’ là các giá trị thực Trong đó, đối với chuyển đổi:

Hàm truyền bình phương biên độ của bộ lọc Butterworth có suy hao chèn

LAr = 3,01dB tại tần số cắt Ω c=1 được cho bởi công thức[ CITATION Jia01 \l 1033 ]:

|S21(jΩ)|2= 1

Trong đó n là bậc của bộ lọc, tương ứng với số lượng các phần tử phản ứng được yêucầu trong bộ ọc nguyên mẫu thông thấp, Loại đáp ứng này được gọi là tối đa bằngphẳng do hàm truyền đạt bình phương biên độ của nó có số lượng lớn nhất là (2n-1)đạo hàm bằng 0 tại Ω c=0 Do đó sấp xỉ bằng phẳng trong dải thông đối với bộ lọcthông thấp lý tưởng ở Ω c=0, nhưng giảm dần khi Ω tiếp cận tần số cắt Ω c Hình 1.7cho thấy một đáp ứng bằng phẳng tối đa

Hình 1.7 Đáp ứng của bộ lọc thông thấp Butterworth (bằng phẳng tối đa) [5]

Với suy hao chèn LAr = 3.01 dB, tần số cắt Ω c=1, các giá trị phần tử trong Hình 1.6 cóthể được tính bởi công thức [5]:

g0=1

g i=2 sin((2i−1)π2 n )với itừ 1 đến n (1.35)

g n +1=1

Các giá trị phần tử cho bộ lọc thông thấp Butterworth nguyên mẫu với g1=1,

Ω C=1, L Ar=3.01 dBtại Ω C được đưa ra trong Bảng 1.3

Để xác định bậc của bộ lọc Butterworth nguyên mẫu, một đặc điểm kỹ thuậtthường là sự suy giảm băng thông tối thiểu LAS dB tại Ω=Ω s>1 được đưa ra nhưsau[ CITATION Jia01 \l 1033 ]:

6 0.5176 1.4142 1.9318 1.9318 1.4142 0.5176 1.0

7 0.4450 1.2470 1.8019 2.0 1.8019 1.2470 0.4450 1.0

8 0.3902 1.1111 1.6629 1.9616 1.9616 1.6629 1.1111 0.3902 1.0Hình 1.8 mô tả đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 5, tần số cắt1GHz(3dB)

Hình 1.8 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp Butterworth

Bảng 1.4 Các giá trị phần tử cho bộ lọc thông thấp nguyên mẫu Tchebysheff [5]

Với độ gợn dải thông L Ar=0.01dB

Ω=Ω S, bậc của bộ lọc thông thấp nguyên mẫu Tchebyscheff có thể được tính bằngcông thức[ CITATION Jia01 \l 1033 ]:

n ≥

cosh−1√100.1 L As−1

100.1 L Ar−1cosh−1Ω s

(1.41)

Hình 1.9 mô tả đáp ứng của một bộ lọc thông thấp Tchebyscheff bậc 5 tần số cắt1GHz (3dB)

với n (≥3 )lẻ

Trong đó Ω i(0<Ωi<1) và Ω s>1 đại diện cho một số tần số quan trọng M và N là cáchằng số được định nghĩa F n ( Ω ) sẽ dao động giữa ± 1 với |Ω|≤ 1 và |F n(Ω=±1)|=1.Hình 1.10 minh họa hai cấu trúc mạch thường được sử dụng cho các bộ lọc thôngthấp nguyên mẫu Elliptic Không giống với bộ lọc thông thấp nguyên mẫu Butterworth

và Tchebyshev, không có công thức đơn giản nào để xác định các phần tử của các bộlọc thông thấp nguyên mẫu Elliptic Bảng 1.5 mô tả một số dữ liệu thiết kế hữu ích chocác bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Elliptic hai cổng có kết thúc bằng nhau (g0 = gn+1 =

1) được chỉ ra trong hình 1.10 Các giá trị này được đưa ra cho độ gợn dải thông

LAr=0.1 dB, tần số cắt Ω c=1, Ω s là tần số bắt đầu độ gợn dải chắn Ngoài ra, được liệt

kê bên cạnh tham số Ω c là suy hao chèn tối thiểu dải chắn LAs dB

Hình 1.10 Nguyên mẫu bộ lọc thông thấp Elliptic [5]

Bảng 1.5 Các giá trị phần tử cho nguyên mẫu bộ lọc thông thấp Elliptic [5]

n Ω c LAs dB g1 g2 g2' g3 g4

3

1.4493 13.5698 0.7427 0.7096 0.5412 0.74271.6949 18.8571 0.8333 0.8439 0.3252 0.83332.0000 24.0012 0.8949 0.9375 0.2070 0.89492.5000 30.5161 0.9471 1.0173 0.1205 0.9471

4

1.2000 12.0856 0.3714 0.5664 1.0929 1.1194 0.92441.2425 14.1259 0.4282 0.6437 0.8902 1.1445 0.92891.2977 16.5343 0.4877 0.7284 0.7155 1.1728 0.93221.3962 20.3012 0.5675 0.8467 0.5261 1.2138 0.93451.5000 23.7378 0.6282 0.9401 0.4073 1.2471 0.93521.7090 29.5343 0.7094 1.0688 0.2730 1.2943 0.93482.0000 36.0438 0.7755 1.1765 0.1796 1.3347 0.9352Hình 1.11 Mô tả đáp ứng tần số của bộ lọc Elliptic bậc 5 tần số cắt 1GHz (3dB)

Hình 1.11 Đáp ứng tần số một số bộ lọc thông thấp Elliptic

Những dạng bộ lọc trên có các đặc điểm đáng chú ý như sau:

 Bậc của lọc chính bằng số lượng thành phần phản kháng (tụ điện, cuộn cảm đốivới bộ lọc thông thấp, thông cao, cặp tụ điện – cuộn cảm mắc song song hoặcđối với bộ lọc thông dải, chắn dải) sử dụng trong bộ lọc, Bậc của bộ lọc cànglớn thì khả năng chọn lọc tần số càng cao, tuy nhiên suy hao của bộ lọc sẽ tănglên

 Do việc thiết kế bộ lọc bậc cao yêu cầu khối lượng tính toán rất lớn nên trênthực tế thường sử dụng một số phần mềm CAD như Advanced System Designcảu Alilent, CST hoặc MATLAB để thực hiện việc tổng hợp bộ lọc

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng

Nguyên tắc của việc điều chỉnh tần số cộng hưởng của các mạch lọc là điều chỉnhtần số cộng hưởng của các bộ cộng hưởng thành phần Trong trường hợp mạch lọc sửdụng các bộ cộng hưởng LC, chúng ta có thể sử dụng một số phương pháp như sau:

1.3.1 Cuộn cảm có thể điều chỉnh

Đặc điểm chung của các cuộn cảm điều chỉnh được chính là cơ chế điều chỉnhthường là cơ học, dải giá trị điều chỉnh được cũng khá hạn chế, do đó việc số hóa quátrình điều chỉnh sẽ gặp nhiều khó khăn

1.3.2 Tụ điện có thể điều chỉnh

1.3.2.1 Tụ điện điều chỉnh được bằng phương pháp cơ học

Tụ điện có thể điều chỉnh bằng phương pháp cơ học cũng có những đặc tính tương

tự với cuộn cảm có thể điều chỉnh được Chúng ta sẽ không đề cập chi tiết về loại linhkiện này vì nó rất khó để số hóa quá trình điều khiển

1.3.2.2 Diode biến dung (Varactor diode)

Là một thiết bị bán dẫn có giá trị điện dúng thay đổi như một hàm của điện áp đượcphân cực ngược trên nó Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi điệndung biến thiên được điều khiển bằng điện áp Do đó, một diode biến dung có thểđược tích hợp như một phần của phương pháp thiết kế bộ lọc điều hưởng

Hình 1.12 Mô hình mạch điện tương đương đơn giản [9]

Hình 1.13 Mô hình SPICE [9]

Giá trị điện dung biến thiên thiên (CJ) là hàm của giá trị điện áp phân cực ngược(VR) cũng như các tham số CJ0, M, VJ Mô hình SPICE định nghĩa giá trị điện dungbiến thiên như sau[CITATION Placeholder1 \l 1033 ]:

 Ưu điểm:

- Nhỏ gọn, rẻ tiền, ít tiêu thụ năng lượng

- Dải giá trị điện dung điều chỉnh được là khá lớn

- Tốc độ điều chỉnh cao

- Rất thuận lợi trong các bộ lọc có thể điều chỉnh được

tụ điện sẽ đóng góp vào tổng giá trị điện dung Tất cả điều này được chứa trong mộtkhối đơn và cần các thành phần điều khiển bổ sung [10] Tụ điện MIM thường đượckết nối song song với nhau, mỗi tụ điện được kết nối với một chuyển mạch FET tronghàng Điện dung đạt tối đa khi tất cả các chuyển mạch được bật vì điện dung của các

tụ điện kết nối riêng lẻ song song tính tổng Điện dung đạt tối thiểu khi tất cả cácchuyển mạch bị ngắt [8]

Trong hình 1.15 là mạch tương đương DTC Nó bao gồm ba phần hcính: lõi điềuchỉnh (RS và CS), điện cảm đóng gói ký sinh (LS) và mạng rẽ nhánh ký sinh (CP, RP1,

RP2)