BỘ LỌC TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỄN THÔNG
Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về bộ lọc tần số Phân loại bộ lọc, các cấu trúc cơ bản, lịch sử phát triển và ứng dụng của nó trong viễn thông Bộ lọc siêu cao tần với các tham sô phân bố cũng được xem xét trong chương này.
Bộ lọc tần số
Bộ lọc là hệ thống xử lý tín hiệu, điều chỉnh các đặc trưng tần số của tín hiệu dựa trên một điều kiện nhất định Cụ thể, bộ lọc thay đổi phổ tín hiệu đầu vào X(Ω) theo đáp ứng tần số H(Ω) của nó, từ đó tạo ra tín hiệu mới với phổ đã được điều chỉnh.
Y(Ω) = X(Ω).H(Ω) thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra, trong đó hàm H(Ω) đóng vai trò là hàm trọng số, điều chỉnh đáp ứng tần số cho các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu.
Bộ lọc có thể được mô tả đơn giản qua biểu diễn của nó trong miền tần số, bao gồm đáp ứng tần số với hai thành phần chính là đáp ứng biên độ và đáp ứng pha.
Xét bộ lọc có dải thông là (Ω 1 ,Ω 2 ) Nếu đây là bộ lọc lý tưởng thì đáp ứng tần số có dạng như sau:
0, Ω ≠ (1.1) ở đây C và n 0 là hằng số
Tín hiệu ra bộ lọc lý tưởng có dạng:
Tín hiệu ra chỉ là tín hiệu vào đã được thay đổi bởi một hệ số nhân và bị trễ một khoảng thời gian Sự thay đổi biên độ và độ trễ này không gây méo tín hiệu.
Vậy bộ lọc lý tưởng là bộ lọc có đáp ứng biên độ có dạng chữ nhật và đáp ứng pha là tuyến tính trong giải thông:
Có nhiều loại bộ lọc với các ứng dụng khác nhau, trong đó phổ biến nhất là bộ lọc thông thấp, thông cao, thông dải và chắn dải.
Hình sau thể hiện các đáp ứng biên độ của 4 loại bộ lọc thông dụng Đ ộ lợ i 1
Dải thông Dải chắn Đ ộ lợ i 1
Dải thông Dải chắn Đ ộ lợ i 1
Dải thông Dải chắn Đ ộ lợ i 1
(a) Mạch lọc thông thấp (b) Mạch lọc thông cao
(d) Mạch lọc chắn dải (c) Mạch lọc thông dải
Hình 1.1 Đáp ứng biên độ của bốn loại bộ lọc cơ bản
Các đáp ứng biên độ của bộ lọc không có dạng chữ nhật do không phải là bộ lọc lý tưởng, và giữa dải thông và dải chắn tồn tại một dải chuyển tiếp Độ lợi của bộ lọc tại một tần số cụ thể tương ứng với giá trị đáp ứng biên độ tại tần số đó Tần số cắt được xác định là tần số tại đó độ lợi đạt 1/√2 giá trị lớn nhất Bộ lọc càng gần với bộ lọc lý tưởng khi độ dốc lớn và dải chuyển tiếp nhỏ, điều này yêu cầu bậc của bộ lọc phải lớn.
Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên
Sóng điện từ bao gồm nhiều tần số, phục vụ cho các hệ thống như thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫn đường và cảm biến Với sự phát triển của công nghệ thông tin và ứng dụng vô tuyến, phổ tần sóng điện từ ngày càng phải chia sẻ giữa nhiều hệ thống Mỗi hệ thống chỉ sử dụng một khoảng phổ tần nhất định, và các bộ lọc được áp dụng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số đó, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của hệ thống, như được minh họa trong sơ đồ máy thu phát vô tuyến.
Bộ lọc số Máy tách sóng
RF/IF Băng cơ bản
Hình 1 2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công
Phần sơ đồ khối của hệ thống chia thành hai chức năng chính: thu và phát, sử dụng chung một anten, bộ song công và bộ dao động nội Trong phần thu, bộ lọc sau LNA có nhiệm vụ chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ, ngăn chặn nhiễu và cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp giúp loại bỏ thành phần không mong muốn trong tín hiệu Trong phần phát, bộ lọc giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất lựa chọn tần số mong muốn và loại bỏ tần số không cần thiết Cả hai khối thu và phát đều sử dụng chung bộ song công với hai mạch lọc thông dải, một bộ lọc dành cho tần số thu và một bộ lọc cho tần số phát, giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.
Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất một cách độc lập bởi
Năm 1915, Campbell và Wagner đã tiến hành nghiên cứu về đường truyền có tải, dựa trên lý thuyết cổ điển về các hệ dao động Kết quả của nghiên cứu này đã dẫn đến sự phát triển của hai hướng độc lập, bao gồm lý thuyết về các tham số ảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss) [1].
Phương pháp tham số ảnh, được phát triển vào những năm 1920 bởi Campbell, Zobel và những người khác, cho phép xây dựng các mạch lọc thụ động với linh kiện tham số tập trung Khác với các tham số tán xạ, tham số ảnh mô tả mạng hai cửa nhưng thường không phản ánh chính xác các tham số đầu vào và đầu ra, do đó chỉ là phương pháp xấp xỉ Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là khả năng thiết kế mạch lọc bậc cao mà không cần máy tính, và đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duy nhất được biết đến cho đến năm 1939 Tuy nhiên, người thiết kế gặp khó khăn trong việc kiểm soát đặc tính của dải thông và dải chắn, khiến phương pháp này không đảm bảo độ chính xác cao hơn khi cần thiết.
Lý thuyết về tổn hao xen đã chứng tỏ tính hiệu quả vượt trội so với phương pháp tham số ảnh của Darlington và Cauer từ năm 1939 Lý thuyết này cho phép xấp xỉ đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt và xây dựng mạch điện phù hợp Quá trình thiết kế mạch lọc được chia thành hai bước: xác định hàm truyền đạt và tổng hợp mạch điện dựa trên đáp ứng tần đã ước lượng Mặc dù phương pháp này ban đầu chưa được chú ý do yêu cầu tính toán lớn, nhưng đến giữa những năm 1950, nhờ vào sự phát triển của máy tính tốc độ cao, lý thuyết tổn hao xen đã trở nên phổ biến hơn phương pháp tham số ảnh.
Với sự phát triển của lý thuyết, thiết kế mạch lọc đã tiến hóa từ các mạch cộng hưởng tham số tập trung LC sang các cấu trúc cộng hưởng tham số phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải Sự tiến bộ này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghệ viễn thông.
Năm bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy nghiên cứu và chế tạo các cấu trúc lọc khác nhau, bao gồm vật liệu gốm, thạch anh và vật liệu siêu dẫn Mạch lọc vi dải là một cấu trúc quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in Trong các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều cấu trúc lọc như cáp đồng trục, cấu trúc điện môi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải được sử dụng Bộ lọc đồng trục có ưu điểm về khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao và kích thước nhỏ, nhưng khó chế tạo Cấu trúc điện môi cũng nhỏ gọn và ít tổn hao, nhưng giá thành cao và kỹ thuật xử lý phức tạp là hạn chế Bộ lọc ống dẫn sóng được áp dụng rộng rãi nhờ khả năng kiểm soát công suất trong các ứng dụng cao tần, nhưng kích thước lớn là nhược điểm của chúng.
Hiện nay, mạch lọc thông dải đang được ưa chuộng trong các thiết bị thông tin vô tuyến do sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và khả năng dễ dàng chế tạo, tích hợp vào các thiết bị viễn thông.
Phân loại bộ lọc
Bộ lọc được chia thành hai loại chính: bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Bộ lọc tích cực sử dụng thiết bị khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu, trong khi bộ lọc thụ động không có thiết bị khuếch đại, dẫn đến tín hiệu đầu ra có biên độ nhỏ hơn so với tín hiệu đầu vào Do đó, bộ lọc thụ động RC làm giảm bớt các tín hiệu và có mức tăng ít hơn một.
Theo dạng đáp ứng tần, bộ lọc tần số được chia thành bốn loại: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải và bộ lọc chắn dải Bộ lọc thông thấp và thông cao cho phép tín hiệu đi qua toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt, trong khi bộ lọc thông dải và chắn dải chỉ cho phép truyền hoặc chặn tín hiệu trong một dải tần cụ thể nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới.
1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter)
Bộ lọc thông thấp cho phép các dao động có tần số nhỏ hơn tần số cắt đi qua, trong khi các tín hiệu có tần số cao hơn sẽ bị hấp thụ năng lượng, dẫn đến đầu ra tín hiệu giảm dần Khi tần số tăng, cường độ tín hiệu giảm và tiến gần đến 0.
6 ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng được định nghĩa như sau:
(a) Bộ lọc lý tuởng (b) Bộ lọc thực tế
Hình 1.3 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp
Mạch lọc thông thấp được mô tả trong Hình 1.4 bao gồm hai cửa, với nguồn điện áp V S, trở kháng nguồn Z S và trở kháng tải Z L Giả định rằng sóng công suất vào mạch lọc có biên độ bằng 1, biên độ của sóng phản xạ và sóng truyền qua sẽ tương ứng với hệ số phản xạ R(ω) và hệ số truyền T(ω), cả hai đều là các hàm phụ thuộc vào tần số.
Hình 1.4 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ số truyền đạt và hệ số phản xạ
Mạch lọc thông thấp có thể được đặc trưng bởi tần số chuẩn hóa / c với
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
Khi k là hằng số liên quan đến độ gợn của đáp ứng tần trong dải thông, việc lựa chọn hàm F N(Ω) phụ thuộc vào yêu cầu loại bỏ tần số ngoài dải và độ gợn cho phép trong dải thông Thông thường, có hai dạng bộ lọc chính: bộ lọc Butterworth (bộ lọc phẳng tối đa) và bộ lọc Chebyshev (bộ lọc có gợn đồng đều) Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa được tính toán dựa trên các đặc tính của bộ lọc này.
Còn đối với bộ lọc Chebyshev:
L k T (1.8) với T N là đa thức Chebyshev bậc N
Hình 1.5 Đáp ứng tần của mạch lọc thông thấp bậc 3
Hình 1.5 thể hiện tham số tổn hao xen giữa của mạch lọc thông thấp bậc 3, trong đó giá trị tổn hao tại tần số cắt (Ω = c1) bằng Lc So sánh hai đồ thị cho thấy đáp ứng tần của mạch lọc Chebyshev tăng nhanh hơn ở dải tần phía trên tần số cắt so với mạch lọc Butterworth Điều này chỉ ra rằng bộ lọc Chebyshev có đặc tính lọc dốc hơn, gần gũi hơn với đặc tính lọc lý tưởng như mô tả trong hình 1.3.
Hình 1.6 minh họa hai dạng mạch lọc thông thấp kiểu bậc thang, trong đó g k đại diện cho thành phần điện dung hoặc điện cảm chuẩn hóa thứ k, còn g 0 và g N+1 là điện trở hoặc điện dẫn chuẩn hóa của nguồn và tải Đối với mạch lọc thông thấp kiểu Butterworth, giá trị L c = 3dB tại c 1, các giá trị chuẩn hóa g k được tính toán theo công thức cụ thể.
Mạch lọc Chebyshev có thể được thiết kế với các linh kiện tham số tập trung, trong đó giá trị L c được xác định tại tần số c 1 Để tính toán hằng số k, ta sử dụng các công thức phù hợp với thiết kế mạch.
Bậc của mạch lọc Chebyshev N được xác định dựa trên yêu cầu về độ suy hao trong dải chắn, theo tài liệu tham khảo [3] Các giá trị g k được tính toán theo công thức cụ thể.
1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)
Bộ lọc thông cao cho phép các dao động có tần số lớn hơn tần số cắt đi qua, trong khi các tín hiệu có tần số nhỏ hơn sẽ bị hấp thụ năng lượng, dẫn đến đầu ra tín hiệu giảm dần, với tần số càng nhỏ thì tín hiệu đầu ra càng gần 0 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng được định nghĩa rõ ràng.
(a) Bộ lọc lý tuởng (b) Bộ lọc thực tế
Hình 1.7 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao 1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter)
Dải Dải chắn thông Dải chắn v
(a) Bộ lọc lý tuởng (b) Bộ lọc thực tế
Hình 1.8 Đáp ứng tần số bộ lọc thông dải
Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) là bộ lọc cho phép tần số nằm trong
Bộ lọc thông dải lý tưởng có tần số giới hạn, cho phép các tần số nằm trong khoảng này đi qua, trong khi các tần số thấp hơn hoặc cao hơn đều bị chặn lại.
Sơ đồ mạch lọc thông dải hai cửa và đồ thị tham số tổn hao xen theo tần số được mô tả trong hình 1.9 và hình 1.10
Hình 1.9 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang
Hình 1.10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải
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:
Từ hình 1.9, các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch lọc thông thấp được chuyển đổi thành các nhánh cộng hưởng LC song song và nối tiếp trong mạch lọc thông dải Điều kiện cần thiết là tổn hao xen tại tần số cắt trên và tần số cắt dưới của mạch thông dải phải bằng giá trị tổn hao xen tại c 1 của mạch thông.
11 thấp ban đầu Như vậy, các giá trị L k và C k của từng nhánh cộng hưởng sẽ được tính như sau:
đối với nhánh LC nối tiếp (1.16)
đối với nhánh LC song song (1.17)
Bộ lọc thông dải được tạo thành từ bộ lọc thông thấp thông qua việc kết hợp các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp hoặc song song Trong thực tế, việc thiết kế các bộ cộng hưởng này đồng thời có thể gặp khó khăn, đặc biệt ở dải tần siêu cao Để khắc phục, người ta sử dụng các bộ biến đổi trở kháng hoặc dẫn nạp nhằm liên kết các bộ cộng hưởng cùng kiểu với nhau, tạo thành mạch lọc thông dải Hình 1.11 minh họa bộ biến đổi trở kháng và bộ biến đổi dẫn nạp, giúp biến đổi trở kháng Zb hoặc dẫn nạp Yb tại một đầu thành trở kháng Za hoặc dẫn nạp Ya khi nhìn từ đầu kia Giá trị trở kháng và dẫn nạp đặc trưng của các bộ biến đổi này lần lượt là K và J.
Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b)
Xét một mạng có phần tử dẫn nạp Yp(ω) được đặt giữa hai bộ biến đổi trở kháng, như minh họa trong hình 1.12(a) Trở kháng vào được xác định bằng cách nhìn từ hai đầu của mạng.
Trở kháng nối tiếp Z S (ω) tương đương với dẫn nạp song song Y p (ω), cho phép biến đổi giữa hai loại mạch Khi đặt Z S (ω) giữa các bộ biến đổi dẫn nạp J, nó tương đương với một phần tử dẫn nạp song song Y p (ω) Đặc tính này giúp chuyển mạch lọc trong sơ đồ như hình 1.9 thành mạch lọc chỉ với các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song, từ đó làm cho việc triển khai các bộ lọc cao tần trở nên thuận tiện hơn khi sử dụng các thành phần tham số phân tán.
Hình 1.12 Biến đổi tương đương giữa thành phần trở kháng nối tiếp và dẫn nạp song song sử dụng các bộ biến đổi: a )trở kháng (K); b) dẫn nạp (J)
Hình 1.13 Mạch lọc thông dải sử dụng bộ biến đổi trở kháng
Bộ lọc siêu cao tần
Bộ lọc siêu cao tần là mạng 2 cổng dùng để điều khiển đáp ứng tần số tại một vị trí cụ thể trong hệ thống siêu cao tần, bao gồm bộ lọc tần số thấp Ở tần số thấp dưới 500 MHz, mạch lọc thường được tạo thành từ cuộn cảm và tụ điện Tuy nhiên, khi tần số hoạt động tăng lên trong dải siêu cao tần, điện kháng và điện nạp của các linh kiện không còn biến thiên tuyến tính theo tần số Do đó, thiết kế mạch lọc siêu cao tần cần xem xét các tham số phân tán Mặc dù vậy, ở tần số tương đối thấp và dải tần hẹp, các thành phần phân tán vẫn có thể được xấp xỉ như linh kiện tham số tập trung, cho phép áp dụng phương pháp cũ trong tính toán và tổng hợp bộ lọc với độ chính xác tương đối cho dải tần siêu cao.
Siêu cao tần (Microwave) là sóng điện từ dao động điều hòa có tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, với chiều dài bước sóng từ 1m đến 1mm Sóng điện từ này có tần số trên 30 GHz, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông và nấu ăn.
Dải sóng milimeter được xác định bởi tần số 300 GHz, với phổ tần trên đó là tia hồng ngoại, có bước sóng từ 1 âm đến 1 mm Phía trên dải tần của tia hồng ngoại là phổ tần của ánh sáng nhìn thấy, tiếp theo là tia cực tím và tia X Trong khi đó, phía dưới dải phổ siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency – RF), và ranh giới giữa dải tần vô tuyến điện và dải siêu cao tần thường không cố định.
Các ứng dụng cao tần thường được định nghĩa là các thiết bị và hệ thống điện hoạt động trong dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz Dải tần này được phân chia thành nhiều băng tần nhỏ hơn.
Dải tần số được chia thành nhiều băng tần khác nhau, mỗi băng có một khoảng tần số nhất định Băng G nằm trong khoảng 140-220 GHz, tiếp theo là Băng D từ 110-170 GHz, Băng W từ 75-110 GHz, và Băng E từ 60-90 GHz Băng V có tần số từ 50-70 GHz, Băng U từ 40-60 GHz, Băng Q từ 33-50 GHz, và Băng Ka từ 26.5-40 GHz Các băng tần khác bao gồm Băng K (18-26.5 GHz), Băng Ku (12.4-18 GHz), Băng X (8-12.4 GHz), Băng C (4-8 GHz), Băng S (2-4 GHz), Băng L (1-2 GHz), cùng với Băng UHF (300-3000 MHz) và Băng VHF (30-300 MHz).
Hình 1.16 Phổ tần số của sóng điện từ cao tần
Các tham số của mạng siêu cao tần
Một mạch lọc cao tần có thể được mô tả như một mạng hai cửa, trong đó V1, V2 và I1, I2 là điện áp và cường độ dòng điện tại hai đầu cửa, còn Z01 và Z02 là trở kháng đầu cuối Điện áp nguồn được ký hiệu là Es, và cả điện áp lẫn dòng điện đều dao động điều hòa theo thời gian.
Hình 1.17 Mạng cao tần hai cửa (bốn cực)
t V t V e j t V e j t v 1 1 cos Re 1 Re 1 (1.20) Biên độ điện áp tại cửa 1 được coi là biên độ phức và có thể viết như sau:
Trong mạch cao tần, việc đo công suất vào và ra thường quan trọng hơn so với đo cường độ dòng điện và điện áp Ở tần số siêu cao, điện áp và dòng điện chỉ cung cấp thông tin về các đại lượng như tỷ số sóng đứng (SWR) và hệ số phản xạ Công suất tới và công suất phản xạ là các tham số dễ đo nhất, với điều kiện lý tưởng là mạng 2 cửa được phối hợp tải Các biến số a1, b1 và a2, b2 được định nghĩa, trong đó a biểu thị sóng công suất tới và b biểu thị sóng công suất phản xạ Mối quan hệ giữa công suất, điện áp và dòng điện được xác định rõ ràng.
Với các định nghĩa biến số trên, công suất tại cửa n là:
Dấu (*) thể hiện giá trị liên hợp phức Ở đây có thể thấy a n a * n /2 là công suất tới cửa n, còn b n b n * /2 là công suất phản xạ tại cửa n
Hệ phương trình tuyến tính mô tả hoạt động của mạng hai cửa như trong hình 1.17 sử dụng sóng công suất là các biến số: b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 (1.24)
Viết dưới dạng ma trận:
Ma trận S được gọi là ma trận tán xạ của mạng hai cửa
Các tham số tán xạ S mn được xác định như sau:
Trong đó a n = 0 thể hiện rằng cửa n được phối hợp trở kháng hoàn toàn
(không có phản xạ từ tải)
Các tham số S 11 và S 22 được gọi là hệ số phản xạ, trong khi S 12 và S 21 là hệ số truyền đạt Các tham số tán xạ thường có dạng số phức và được biểu diễn qua biên độ và pha Giá trị biên độ thường được chuyển đổi sang đơn vị decibels (dB).
S mn 20 log mn m, n = 1; 2 (1.27) Đối với bộ lọc, người ta định nghĩa hai tham số sau:
L A là tổn hao xen giữa cửa n và cửa m, trong khi L R là tổn hao ngược tại cửa n Tỷ số sóng đứng về điện áp, hay còn gọi là Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), được định nghĩa như sau:
Khi tín hiệu đi qua mạch lọc tần số, sẽ xuất hiện một khoảng trễ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào Tham số trễ này ảnh hưởng đến quá trình truyền tải và xử lý tín hiệu.
18 quan trọng cần được xem xét trong bộ lọc là trễ nhóm, hay trễ đường bao tín hiệu, được định nghĩa là:
Tham số tán xạ là yếu tố quan trọng trong phân tích mạng cao tần, đặc biệt là với mạng hai cửa, nơi S12 = S21 Nếu mạng hai cửa có tính đối xứng, ngoài tính chất tương hỗ, ta còn có S11 = S22 Đối với mạng không có tổn hao, tổng công suất truyền qua và công suất phản xạ phải bằng tổng công suất tới, thể hiện định luật bảo toàn năng lượng trong mạng hai cửa không tổn hao.
1.5.2 Ma trận trở kháng Z và dẫn nạp Y
Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong mạng hai cửa hình 1.17 có thể được viết như sau:
Viết dưới dạng ma trận:
Ma trận Z được gọi là ma trận trở kháng vì bốn tham số của nó đều liên quan đến trở kháng [2]
Ngoài ra người ta còn định nghĩa ma trận dẫn nạp Y:
Khi đánh giá hệ thống mạng hai cửa được ghép nối theo kiểu nối tiếp hoặc song song, việc sử dụng ma trận trở kháng Z và ma trận dẫn nạp Y là rất quan trọng.
19 dụng, giúp cho việc tính toán trở nên dễ dàng hơn.
1.5.3 Ma trận truyền đạt ABCD
Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện ở cửa 1 với điện áp và dòng điện ở cửa
2 của mạng hai cửa trong hình 1.18 được biểu diễn bằng hệ thức sau:
I 1 CV 2 DI 2 (1.35) Viết dưới dạng ma trận, ta có:
Bốn tham số trong ma trận ABCD có thể xác định thông qua các phép đo ở mạch hai cửa với điều kiện ngắn mạch và hở mạch Ma trận ABCD có những tính chất quan trọng: Đối với mạng hai cửa tương hỗ, điều kiện AD – BC = 1 được áp dụng Trong khi đó, đối với mạng hai cửa đối xứng, A và D phải bằng nhau Nếu mạng hai cửa không có tổn hao, các giá trị A và D sẽ là số thực, trong khi B và C sẽ là số thuần ảo.
Hình 1.18 Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương
Ma trận ABCD là công cụ quan trọng trong phân tích hệ thống cao tần, đặc biệt cho các mạng hai cửa được kết nối theo kiểu nối tầng Kiểu kết nối này thường được áp dụng trong thiết kế mạch lọc, vì hầu hết các mạch lọc đều được tạo thành từ các thành phần ghép nối tầng Để hiểu rõ hơn, chúng ta sẽ xem xét trường hợp đơn giản với cấu trúc nối tầng gồm hai mạng hai cửa, như minh họa trong hình 1.18.
Với cấu hình nối ghép như trên, ta có:
Đầu vào của mạng N” là đầu ra của mạng N’, nên:
Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện ở hai đầu cuối của hệ thống là:
Hệ thống mạng hai cửa ghép tầng tương đương với một mạng hai cửa có ma trận ABCD, được xác định bằng tích các ma trận ABCD thành phần Điều này áp dụng cho hệ thống bao gồm các mạng hai cửa nối tầng với bất kỳ số lượng nào.
Tổng kết chương
Bộ lọc là thành phần thiết yếu trong hệ thống thông tin viễn thông, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu Sự phát triển của mạng viễn thông và nhu cầu sử dụng băng tần ngày càng cao yêu cầu bộ lọc phải hoạt động hiệu quả, giảm thiểu nhiễu giữa các tín hiệu khác nhau Ngoài yêu cầu về dải tần, bộ lọc hiện đại cần có kích thước nhỏ gọn để dễ dàng tích hợp vào các thiết bị viễn thông tinh vi Chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về bộ lọc tần số băng tần kép dựa trên lý thuyết về bộ lọc tần số và mạch lọc siêu cao tần.
KỸ THUẬT TẦN BĂNG TẦN KÉP VÀ CÁC CẤU TRÚC LỌC BĂNG TẦN KÉP
Giới thiệu chương
Chương 2 giới thiệu tổng quan về kỹ thuật băng tần kép, lợi ích của việc sử dụng kỹ thuật này vào thực tế Các ứng dụng của kỹ thuật băng kép, các cách thức để tạo ra một bộ lọc băng kép Ngoài ra, nội dung chương này cũng trình bày một số bộ lọc băng tần kép đã được nghiên cứu và chế tạo thành công với cấu trúc vi dải.
Kỹ thuật băng tần kép và các ứng dụng
2.2.1 Giới thiệu về kỹ thuật băng tần kép
Với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống truyền thông không dây, nhu cầu về bộ lọc vi sóng băng tần kép ngày càng tăng Bộ lọc băng tần kép được tạo ra bằng cách kết hợp hai bộ lọc riêng biệt cho hai băng tần đơn lẻ, cho phép thiết bị hoạt động song song trên cả hai băng tần.
Gần đây, sự phát triển của hệ thống truyền thông không dây (RF) đã tạo ra nhu cầu cho các thiết bị tần số vô tuyến hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau Bộ lọc băng tần kép đã trở thành thành phần quan trọng trong các hệ thống không dây, như mạng Wi-Fi IEEE 802.11a/b/g hoạt động trên dải tần 2.4/5.2GHz Việc chỉ sử dụng một dải tần thường gặp phải tình trạng quá tải, nhiễu và nghẽn mạng, do đó ngày càng nhiều thiết bị mới được thiết kế để hỗ trợ sử dụng song song cả hai băng tần.
Mạng hoạt động ở tần số 5GHz không bị xuyên nhiễu từ các thiết bị khác, điều này rất quan trọng trong môi trường gia đình hoặc văn phòng Nhiều thiết bị không dây như điện thoại không dây, thiết bị Bluetooth, lò vi sóng, và loa không dây thường sử dụng tần số 2.4GHz, dẫn đến hiện tượng xuyên nhiễu Do đó, việc lựa chọn mạng 5GHz giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của kết nối.
22 thể tránh được tất cả các vấn đề xuyên nhiễu từ các thiết bị không dây kể trên [7]
Sử dụng đồng thời cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz giúp giảm thiểu tình trạng quá tải cho các mạng khác Điều này không chỉ hạn chế nhiễu mà còn giảm tải hiệu quả tại những khu vực thường xuyên gặp phải hiện tượng quá tải, như văn phòng và khu dân cư đông đúc.
Việc sử dụng đồng thời hai băng tần giúp tăng băng thông và cải thiện tốc độ truy cập một cách đáng kể, mang lại tổng băng thông cao hơn cho người sử dụng.
Thiết bị có khả năng sử dụng đồng thời cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz, cho phép nhận được tốc độ lên đến 300Mbps Điều này tương tự như việc sở hữu hai thiết bị không dây trong một, giúp người dùng có thể thực hiện các ứng dụng như kiểm tra email và lướt web trên băng tần 2.4GHz, trong khi vẫn có thể xem video HD hoặc chơi game trực tuyến với độ trễ thấp trên băng tần 5GHz.
Các thiết bị hỗ trợ băng tần kép hiện nay còn hạn chế và có giá thành cao Nguyên nhân chính là do yếu tố công nghệ, khiến phần lớn thiết bị chỉ hoạt động trên một dải tần duy nhất Chỉ những thiết bị cao cấp mới được trang bị khả năng hỗ trợ cả hai băng tần.
+ Các thiết bị sử dụng nếu muốn sử dụng được cả hai băng tần thì phải được trang bị các thiết bị hỗ trợ
Phạm vi phủ sóng của các thiết bị mạng 5GHz và 2.4GHz khác nhau do tần số hoạt động Tần số cao hơn 5GHz dẫn đến độ suy hao tín hiệu lớn hơn theo khoảng cách, khiến cho thiết bị 5GHz có phạm vi phủ sóng nhỏ hơn so với thiết bị 2.4GHz.
Router không dây băng tần kép cung cấp hiệu suất tối ưu với tốc độ 300Mbps ở băng tần 5GHz và 300Mbps ở băng tần 2.4GHz, tổng băng thông lên đến 600Mbps Thiết bị này lý tưởng cho các ngôi nhà lớn hoặc văn phòng, cho phép xử lý nhiều ứng dụng đòi hỏi băng thông cùng lúc Băng tần 2.4GHz thích hợp cho các tác vụ đơn giản như email và duyệt web, trong khi băng tần 5GHz lý tưởng cho các ứng dụng nhạy cảm về độ trễ như chơi game trực tuyến và xem video HD.
Thiết bị TL-WDR3500 hỗ trợ xử lý băng tần 5GHz với tốc độ 300Mbps cùng lúc, cho phép người dùng kết nối đồng thời 2.4GHz và 5GHz Điều này giống như việc sở hữu hai router không dây trong một, giúp người dùng có thể thực hiện các tác vụ như gửi email và lướt web trên băng tần 2.4GHz trong khi vẫn có thể xem video HD hoặc chơi trò chơi trực tuyến trên băng tần 5GHz mà không gặp trở ngại về độ trễ.
2.2.3 Bộ lọc băng tần kép
Bộ lọc băng kép là thành phần thiết yếu trong máy thu RF, phục vụ cho các ứng dụng truyền thông không dây đa băng tần Điều này đặc biệt quan trọng trong mạng không dây cục bộ (WLANs), như các tiêu chuẩn IEEE 802.11b/g ở tần số 2.4 GHz và IEEE 802.11a ở tần số 5.2/5.7 GHz.
Mạch điện RF với băng tần hoạt động kép là thiết yếu cho các hệ thống truyền thông không dây hiện đại, như GSM và WCDMA, yêu cầu khả năng nhận và truyền tín hiệu ở 900 MHz và 1900 MHz Đối với mạng LAN không dây tốc độ cao, hai băng tần hoạt động phổ biến là 2.4GHz và 5.2GHz Bộ lọc thông dải, đặc biệt là bộ lọc băng kép, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhiều dải tần số truyền dẫn và đảm bảo hiệu suất của hệ thống truyền-nhận Bộ lọc RF không chỉ giúp lọc và cô lập tín hiệu mà còn tự động chọn tần số để truyền và suy giảm tín hiệu trong dải tần mong muốn.
Có nhiều phương pháp thiết kế bộ lọc băng kép, bao gồm việc kết hợp hai bộ lọc hoạt động trên các băng tần khác nhau và áp dụng bộ cộng hưởng trở kháng bước băng tần kép hoặc bộ cộng hưởng nhánh cụt băng kép.
Anten là thiết bị thiết yếu trong hệ thống truyền thông không dây, đóng vai trò chuyển đổi sóng điện từ giữa các hệ định hướng và không gian tự do Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, anten được thiết kế đa dạng để phục vụ cho các hệ thống truyền thông vô tuyến khác nhau.
24 dụng rất nhiều loại anten khác nhau
Hệ thống truyền thông không dây đang ngày càng phổ biến và phát triển nhanh chóng, đặc biệt trong thập kỷ qua, với nhu cầu tăng tốc độ dữ liệu và giảm kích thước anten Anten đơn cực trở nên phổ biến nhờ vào chi phí thấp và dễ dàng chế tạo, thường được tích hợp trong các hệ thống thông tin liên lạc như máy tính xách tay cho mạng WLAN Để đáp ứng nhu cầu đa băng tần trong tương lai, thiết kế anten băng rộng là cần thiết Mạng WLAN, theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, hoạt động trên hai tần số 2.4GHz và 5.2GHz, yêu cầu sử dụng anten băng tần kép để truyền và nhận tín hiệu đồng thời Anten băng kép, như cực kép hình chữ T, chữ U, hoặc chữ L, rất hữu ích cho các thiết bị di động khi chuyển từ băng tần này sang băng tần khác.
Các phương pháp tạo băng tần kép trong thiết kế bộ lọc vi dải
Cấu trúc vi dải thường được mô tả với dải dẫn sóng có bề rộng W và độ dày t, đặt trên đế điện môi có hằng số điện môi tương đối εr và chiều dày h, dưới cùng là mặt phẳng kim loại nối đất Phân bố trường trên đường truyền vi dải được thể hiện rõ trong hình 2.1(b).
(a) Cấu trúc hình học (b) Phân bố trường
Hình 2.1 Cấu trúc đường truyền vi dải
Khi không có đế điện môi với εr = 1, đường truyền trở thành đường dây song hành với hai dải dẫn phẳng cách nhau 2h, và mặt phẳng nối đất có thể được loại bỏ theo nguyên lý ảnh gương Trong trường hợp này, chúng ta có một đường truyền sóng TEM đơn giản, với vận tốc pha vp = c = 3.10^8 m/s và hằng số lan truyền β = k0 = ωμε.
Khi dải dẫn được đặt trên đế điện môi và phía trên là không khí, việc phân tích đường truyền trở nên phức tạp hơn Trường điện từ chủ yếu truyền trong vùng điện môi giữa dải dẫn và mặt phẳng nối đất, trong khi một phần khác lan tỏa vào không khí phía trên Do đó, đường truyền vi dải không hoàn toàn là sóng TEM, vì vận tốc pha của sóng TEM trong điện môi là c/εr, trong khi trong không khí, vận tốc pha là c.
Trường điện từ trên đường truyền vi dải là sự kết hợp giữa sóng TM và TE Trong nhiều ứng dụng thực tế, chiều dày của lớp điện môi đóng vai trò quan trọng.
Chiều dài bước sóng rất nhỏ so với kích thước đường vi dải, cho phép coi sóng truyền trong đường vi dải gần như là sóng TEM (quasi-TEM) Trong trường hợp này, vận tốc pha và hằng số lan truyền được tính toán theo công thức cụ thể.
Với eff là hằng số điện môi hiệu dụng:
Trở kháng đặc trưng của đườ ng truyền vi dải có thể được tính như sau:
Nếu cho trước giá trị trở kháng đặc trưng Z 0 và hằng số điện môi tương đối, tỷ số W/h có thể được tính như sau:
2.3.2 Các phương pháp tạo bộ lọc vi dải băng kép
Hoạt động băng tần kép có thể thực hiện bằng cách chuyển đổi giữa hai mạch đơn băng độc lập hoặc phát triển một mạch tích hợp chức năng băng kép.
Việc sử dụng chuyển mạch làm tăng tiêu thụ điện năng và suy hao xen, trong khi phương pháp khác yêu cầu các thành phần băng kép như bộ lọc băng kép Bộ lọc vi dải rất phổ biến trong thiết kế bộ lọc băng kép nhờ vào cấu trúc phẳng và khả năng kết nối dễ dàng với các thiết bị khác Để chế tạo bộ lọc vi dải băng kép, có ba phương pháp chính.
Phương pháp đầu tiên là kết hợp hai bộ lọc đơn băng thông qua một cổng đầu vào/đầu ra chung Phương pháp này dễ thực hiện vì tín hiệu từ hai băng tần đi qua các bộ cộng hưởng khác nhau, cho phép thiết kế độc lập cho hai bộ lọc thành phần.
Phương pháp khắc thêm rãnh để tạo bộ lọc thông dải băng rộng giúp tách độ rộng dải thông thành hai dải băng thông hẹp Ưu điểm của phương pháp này là đáp ứng dải chắn chính xác, tuy nhiên nhược điểm là yêu cầu nhiều bộ cộng hưởng và ứng dụng bị hạn chế do hai dải phổ tương đối gần nhau.
Phương pháp thứ ba được ưa chuộng nhờ vào tính nhỏ gọn, sử dụng bộ cộng hưởng biến đổi như bộ cộng hưởng bước trở kháng (SIR), bộ cộng hưởng vòng hở và bộ cộng hưởng vòng khóa.
Trong số các phương pháp, SIR là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển chiều dài và tỷ lệ trở kháng của các bộ cộng hưởng, nhằm đáp ứng tần số trung tâm của hai dải tần Ngoài tần số trung tâm, thông số kỹ thuật quan trọng của bộ lọc bao gồm đáp ứng tần số, độ rộng băng và gợn dải thông, tất cả đều phụ thuộc vào chất lượng các yếu tố bên ngoài và hệ số ghép trong bộ lọc ghép nối truyền thống Kỹ thuật thiết kế bộ lọc băng tần kép SIR đã được thảo luận nhiều trong tài liệu khoa học gần đây, tuy nhiên, hạn chế chính của các kỹ thuật này là hệ số ghép và yếu tố chất lượng bên ngoài chỉ được kiểm soát bởi một tham số vật lý duy nhất.
Một số bộ lọc băng kép đã được nghiên cứu và chế tạo
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu gia tăng về băng thông rộng đã dẫn đến nghiên cứu và phát triển các bộ lọc băng kép với nhiều cấu trúc và hình dạng khác nhau Mỗi loại bộ lọc được thiết kế phù hợp với các yêu cầu đặc tính riêng biệt.
28 khác nhau Sau đây là một số bộ lọc băng tần kép đã được nghiên cứu và chế tạo thành công
2.4.1 Bộ lọc thông dải băng kép sử dụng bộ cộng hưởng bước trở kháng uốn khúc [5] Đây là một bộ lọc thông dải băng kép có dải thông hẹp, với kiểu sắp xếp các khớp nối mới lạ từ đó làm giảm 50% kích thước so với các cấu trúc khớp nối trực tiếp truyền thống Bộ lọc này hoạt động ở hai băng tần là 2.4GHz và 5.7GHz cho ứng dụng WLAN Cấu trúc cơ bản của bộ cộng hưởng bước trở kháng nửa bước sóng được thể hiện trong hình 2.2
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của bộ cộng hưởng bước trở kháng
Bộ lọc này bao gồm hai đường trở kháng đặc tính khác nhau là Z1 và Z2, cùng với độ dài điện θ1 và θ2 Khi chọn θ bằng với θ2, hiện tượng cộng hưởng cơ bản sẽ xuất hiện.
Rz là tỷ số giữa trở kháng đặc tính Z1 và Z2, trong khi θ0 đại diện cho độ dài điện tại tần số cơ bản f0 Cộng hưởng tạp đầu tiên xuất hiện tại điểm này.
Trong đó, θ s1 là độ dài điện với tần số tạp đầu tiên tại f s1
Từ (2.3) ta có thể thấy, đáp ứng tạp có thể kiểm soát bởi tỷ lệ trở kháng đặc trưng R z
Bộ cộng hưởng uốn khúc được mô tả trong hình 2.3, bao gồm một phần trở kháng cao ở trung tâm và hai phần trở kháng thấp ở hai bên Đây là cấu trúc bộ cộng hưởng bước trở kháng cơ bản với thiết kế kẹp, kết hợp hai SIR gọn hơn, giúp tối ưu hóa kích thước Sự kết hợp này làm giảm kích thước tổng thể của bộ cộng hưởng lên đến 50%.
29 bộ lọc Ngoài ra còn sử dụng cách sắp xếp các khớp nối kiểu mới nhằm cải thiện suy hao xen của bộ lọc
Hình 2.3 Bố trí của bộ lọc sử dụng trở kháng uốn khúc
Bộ lọc được thiết kế và chế tạo trên chất nền thông thường dày 0.8 mm với hằng số điện môi tương đối 2.55 Hình 2.4 và hình 2.5 minh họa thiết kế và hoạt động của bộ lọc Bộ lọc băng kép đầu tiên có R z = 0.785, phục vụ cho tần số trung tâm 2.4 GHz và 5.2 GHz, với đoạn trở kháng cao được chọn có Z1 = 64.01.
Bài viết trình bày thiết kế bộ lọc băng kép với độ rộng đường (w1) là 1.5 mm và đoạn trở kháng thấp Z2 = 50 Ω với độ rộng đường (w2) là 2.2 mm Bộ lọc thứ hai được thiết kế với Rz = 0.606 cho tần số trung tâm 2.4 GHz và 5.7 GHz Đoạn trở kháng cao được chọn là Z1 = 79.88 Ω với độ rộng đường (w1) là 1.0 mm, trong khi đoạn trở kháng thấp vẫn giữ Z2 = 50 Ω.
Ω với độ rộng đường là 2.2 mm
Hình 2.4 Bộ lọc sử dụng trở kháng uốn khúc thực tế sau khi được chế tạo
Kết quả mô phỏng và đo lường tham số S cho hai thiết kế được trình bày trong hình 2.5, cho thấy rằng dữ liệu đo đạc tương thích tốt với kết quả mô phỏng.
Bộ lọc I có tần số cộng hưởng đầu tiên tại 2.4 GHz với suy hao xen nhỏ hơn 1.4 dB và suy hao phản xạ lớn hơn 20 dB; băng tần thứ hai ở 5.2 GHz có suy hao xen nhỏ hơn 1.6 dB và suy hao phản xạ lớn hơn 20 dB Trong khi đó, bộ lọc II có tần số cộng hưởng đầu tiên tại 2.4 GHz với suy hao xen nhỏ hơn 1.2 dB và suy hao phản xạ lớn hơn 19 dB; băng tần thứ hai ở 5.7 GHz có suy hao xen nhỏ hơn 1.8 dB và suy hao phản xạ lớn hơn 16 dB.
Hình 2.5 Đáp ứng tần số của bộ lọc sử dụng trở kháng uốn khúc
(a) Bộ lọc thứ nhất (2.4GHz và 5.2GHz) (b) Bộ lọc thứ 2 (2.4GHz và 5.7GHz)
2.4.2 Bộ lọc thông dải băng tần kép sử dụng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc mới [4]
Hình 2.6 Cấu trúc của bộ lọc sử dụng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc mới
Bảng 2.1 Các kích thước của bộ lọc sử dụng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc mới (đơn vị là mm)
Hình 2.7 Đáp ứng tần số của bộ lọc sử dụng đường truyền siêu vật liệu mới
Bộ lọc này được chế tạo từ siêu vật liệu với các đơn vị tế bào tích hợp điện trở shunt, cuộn cảm và tụ điện, hoạt động ở tần số 5.8GHz và 8.7GHz Nó được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin vi ba và RADAR Thiết kế của bộ lọc này là sự cải tiến từ cấu trúc của bộ lọc thông dải đơn băng, nhằm tạo ra băng tần kép mong muốn Cấu trúc được in trên chất liệu Rogers RO3003 với ε.
Bộ lọc được thiết kế với kích thước 3 và chiều cao 1.5mm, được mô phỏng bằng HFSS và kích thích qua hai đường truyền vi dải kết hợp đến đường truyền dạng côn Điều này cho phép đạt được trở kháng đầu vào mong muốn cho băng tần xác định Chiều dài cấu trúc H được điều chỉnh để thay đổi dải thông của bộ lọc Sau khi tối ưu hóa, bộ lọc thông dải đạt được tần số trung tâm 6.8GHz với S11 khoảng -21dB.
Bảng 2.2 Kích thước của cấu trúc mới
4.7 mm 9.5 mm 17.5 mm 0.5 mm 3.8 mm 5.5 mm
Cải thiện đáp ứng tần số của cấu trúc là cần thiết để phát triển bộ lọc thông dải băng tần kép, sử dụng cấu trúc liên kết đường dây truyền tải siêu vật liệu Tổng chiều dài của ba đơn vị tế bào trong cấu trúc này là 17.5mm, và kích thước của bộ lọc đạt 48.35mm x 24mm.
Bộ lọc băng kép sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ L là một giải pháp hiệu quả trong việc cải tiến cấu trúc bộ lọc, như thể hiện trong Hình 2.8 Đáp ứng tần số của bộ lọc cải tiến cũng được trình bày rõ ràng trong Hình 2.9, cho thấy khả năng tối ưu hóa hiệu suất của bộ lọc.
Bộ cộng hưởng trở kháng hình chữ L được mô tả qua hình 2.10, với θ1 và θ2 đại diện cho điện độ dài của phần trở kháng cao và thấp Các giá trị này có thể được lựa chọn tùy ý, và trong nhiều trường hợp, chúng có thể được thiết lập bằng nhau để đơn giản hóa thiết kế.
Hình 2.10 Dạng hình học của bộ lọc SIR hình chữ L
Trở kháng có thể được xác định bằng công thức sau:
F0 và fS1 đại diện cho tần số cơ bản và tần số cộng hưởng tạp nhiễu đầu tiên, là hai tần số trung tâm trong bộ lọc dải băng tần kép Bộ lọc này được thiết kế với bộ SIR hình chữ L và hai cấu trúc kép, như minh họa trong hình 2.11.
Tổng kết chương
Kỹ thuật băng tần kép, được trình bày trong chương 2, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực thông tin viễn thông Bài viết cũng đề cập đến các phương pháp tạo ra bộ lọc băng kép và cung cấp những ví dụ điển hình về bộ lọc vi dải băng tần kép đã được nghiên cứu và chế tạo thành công Những ví dụ này minh chứng rõ ràng cho lợi ích của kỹ thuật băng tần kép, đồng thời cho thấy việc chế tạo bộ lọc băng tần kép là khá dễ dàng.
THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG TẦN KÉP CÓ CẤU TRÚC VI DẢI VÒNG HỞ
Giới thiệu chương
Các bộ lọc băng kép thông thường có cấu trúc hai tầng với các dải thông khác nhau, nhưng yêu cầu hai bộ lọc lớn Do đó, mạch điện đơn với đáp ứng băng kép được ưa chuộng để tiết kiệm diện tích và chi phí Chương này giới thiệu phần mềm HFSS sử dụng trong đồ án, bộ cộng hưởng vi dải băng kép, và khảo sát các tham số của bộ lọc, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng của bộ lọc Các thông số ban đầu và phương pháp thực hiện được tham khảo từ [8], và kết quả đạt được trong chương này được so sánh với nghiên cứu [8].
Yêu cầu thiết kế và phương pháp sử dụng
Bộ lọc thông dải băng tần kép được thiết kế để hoạt động ở hai tần số trung tâm khoảng 1.5GHz và 2.5GHz, với kích thước nhỏ gọn, lý tưởng cho việc tích hợp vào các thiết bị viễn thông Sản phẩm này được phát triển từ cấu trúc unit cell và sử dụng phần mềm HFSS để phân tích các tham số, nhằm tối ưu hóa kích thước bộ lọc.
Giới thiệu sơ lược về phần mềm HFSS
Phần mềm HFSS 11 (Ansoft High Frequency Structure Simulator) là công cụ mô phỏng trường điện từ, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để giải quyết các vấn đề liên quan đến cấu trúc ba chiều phức tạp.
HFSS áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn toàn sóng ba chiều để tính toán các đặc trưng điện học của linh kiện tần số cao và tốc độ cao Với phần mềm này, kỹ sư có khả năng tách các tham số ký sinh như S, Y, Z, đồng thời hình dung trường điện từ ba chiều, bao gồm cả trường khu gần và trường khu xa, giúp tạo ra các mẫu chương trình mô phỏng chuyên nghiệp.
36 dùng cho mạch in ( SPICE – Simulation Program With Integrated Circuit Emphais), và thực hiện thiết kế tố ưu
HFSS là phần mềm mô phỏng điện từ mạnh mẽ, cho phép mô tả chính xác hoạt động của các linh kiện và đánh giá hiệu quả chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền và tổn hao phản xạ Phần mềm này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều để mô phỏng các trường điện từ, dòng điện và phát xạ trong các cấu trúc ba chiều với nhiều loại vật liệu khác nhau HFSS được công nhận là phần mềm chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S và mô phỏng mạch in toàn sóng, đặc biệt hữu ích trong thiết kế các linh kiện tần số cao, như anten, đầu nối mạch in, và các phần tử thụ động nhúng trên chip.
HFSS phát triển các sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển và khẳng định rõ hơn thành công của thiết kế
Phiên bản mới nhất của HFSS mang đến những cải tiến cho các kỹ sư RF/vi ba, đồng thời mở rộng khả năng phối hợp thiết kế điện từ với các lĩnh vực khác trong thiết kế IC RF/analog, thiết kế multi-gigabit và EMI/EMC.
HFSS là phần mềm được sử dụng để mô phỏng các đầu nối, ống dẫn sóng, linh kiện trên chip và anten Nó hỗ trợ khảo sát các tham số và tối ưu hóa cấu trúc một cách hiệu quả.
HFSS là một phần của họ sản phẩm của Ansoft
- Các bộ quét tần số
Để tạo ra một lời giải qua một dải các tần số, người sử dụng cần thực hiện một bộ quét tần số Có nhiều loại bộ quét khác nhau để lựa chọn, tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của người dùng.
Nhanh chóng tạo ra lời giải trường đầy đủ duy nhất cho mỗi phép chia trong một khoảng tần số, điều này rất hiệu quả cho các mẫu đột ngột cộng hưởng hoặc thay đổi hoạt động trong băng tần số.
Rời rạc là phương pháp tạo ra các lời giải trường tại những điểm tần số cụ thể trong một dải tần Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi chỉ cần mô tả chính xác kết quả ở một số ít điểm tần số cần thiết.
Nội suy là phương pháp đánh giá một lời giải cho toàn bộ dải tần, đặc biệt hiệu quả khi dải tần rộng và đáp ứng tần số đồng đều Điều này trở nên quan trọng khi yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá khả năng tài nguyên hiện có.
Thiết lập kích thích trong thiết kế HFSS cho phép xác định các nguồn trường điện từ, bao gồm điện tích, dòng điện và điện áp trên vật thể hoặc bề mặt Các loại kích thích bao gồm: Wave port, Lumped port, sóng tới, nguồn điện áp, nguồn dòng điện và nguồn phân cực từ.
Các điều kiện biên xác định đặc tính trường trên bề mặt của vùng bài toán và giao diện vật thể bao gồm nhiều loại đường biên khác nhau 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 rất quan trọng trong việc áp dụng các kỹ thuật tính toán và mô phỏng trong lĩnh vực điện từ.
Các tính chất của vật liệu tuyến tính:
+ Hệ số từ thẩm tương đối
+ Hệ số điện môi tương đối
+ Tổn hao điện môi tiếp tuyến
+ Tổn hao từ tiếp tuyến
Các tính chất của vật liệu ferít:
Thông tin cũng bao gồm những điều sau:
+ Các vật liệu không đẳng hướng
+ Các tính chất của vật liệu phụ thuộc tần số
Khi sử dụng HFSS, hãy chọn lời giải Driven Modal để tính toán các hệ số S cho linh kiện thụ động, cấu trúc tần số cao như vi dải, ống dẫn sóng và đường truyền dẫn Các lời giải ma trận S sẽ được thể hiện dưới dạng các số hạng liên quan đến năng lượng tới và phản xạ của các mốt trong ống dẫn sóng.
Chọn loại lời giải Driven Terminal khi cần tính toán các tham số S trong HFSS 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 điện áp và dòng điện đầu cuối.
Lựa chọn phương pháp giải mốt riêng là bước quan trọng để xác định các mốt riêng và cộng hưởng của một cấu trúc Bộ giải mốt riêng sẽ giúp tìm ra các tần số cộng hưởng của cấu trúc cùng với các trường tương ứng tại những tần số này.
Bộ cộng hưởng kép
(a) Cấu trúc SRR thông thường (b) Cấu trúc đề xuất
Hình 3.1 Bộ cộng hưởng kép [8]
Cấu trúc của bộ cộng hưởng băng kép được đề xuất và bộ cộng hưởng băng kép vòng hở thông thường có sự khác biệt về định hướng của vòng trong và cách chia sẻ dung chung với vòng ngoài Để tối ưu hóa đặc tính dải thông, chiều dài của vòng ngoài và vòng trong đã được thiết kế để cộng hưởng tại hai tần số mong muốn (f1, f2), trong đó f1 nhỏ hơn f2, với vòng ngoài cộng hưởng ở f1 và vòng trong ở f2 Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào độ dài của mỗi bộ cộng hưởng, hằng số điện môi, bề dày của chất nền và độ rộng vết.
Bộ cộng hưởng hoạt động hiệu quả khi tần số tín hiệu gần với tần số cộng hưởng của các vòng Cụ thể, khi tần số tín hiệu gần f1, vòng ngoài được kích thích và tín hiệu được truyền từ cổng vào đến cổng ra, trong khi tần số gần f2 kích thích vòng trong, cho phép truyền tín hiệu đến cổng ra Để phân tích đặc tính đáp ứng tần số, vòng ngoài cộng hưởng ở 1.5GHz và vòng trong ở 2.5GHz Thiết kế bộ cộng hưởng được trình bày trong hình 3.2 và kết quả mô phỏng trong hình 3.3, với kích thước vòng ngoài dài 11 mm và vòng trong dài 7 mm, cả hai vòng đều có độ rộng vết 1 mm Khoảng cách giữa khớp nối bộ cộng hưởng và đường tín hiệu là 0.3 mm, khoảng cách giữa các cạnh bên của hai vòng là 1 mm, và độ rộng đường tín hiệu là 1.192 mm với trở kháng 50 Ohm trên chất nền điện môi Rogers RO3010 (h = 1.27 mm và ε r = 10.2).
Hình 3.2 Cấu trúc unit cell [8]
Hình 3.3 Đáp ứng tần số của unit cell [8]
Kết quả mô phỏng đáp ứng tần số của unit cell cho thấy hai đỉnh cộng hưởng tại 1.5GHz và 2.5GHz, xác nhận bộ cộng hưởng có khả năng đáp ứng băng tần kép Để thiết kế mạch lọc thực tế với các đặc điểm mong muốn, có thể sử dụng bộ cộng hưởng nhiều khớp nối để tạo ra bộ lọc bậc cao Mức độ khớp nối giữa các cấu trúc phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước vật lý, tần số hoạt động, khoảng cách giữa các cấu trúc và tính chất của chất nền Hình 3.4 minh họa bộ lọc thông dải bậc hai sử dụng hai bộ cộng hưởng kết hợp, với đầu vào và đầu ra là đường tín hiệu vi dải có trở kháng 50 Ohm.
Hình 3.4 Cấu trúc cơ bản của bộ cộng hưởng bậc hai
Các kỹ thuật thiết kế bộ lọc cộng hưởng kết hợp được thực hiện thông qua hai phương pháp chính: đầu tiên là phương pháp dựa trên hệ số ghép nối và các yếu tố chất lượng của đầu vào và đầu ra, thứ hai là sử dụng công cụ phân tích tham số trong phần mềm HFSS để phân tích toàn sóng Trong chương này, để đơn giản hóa việc phân tích cho cấu trúc bộ lọc băng kép, chúng tôi chọn phương pháp phân tích tham số để xác định kích thước tối ưu cho cấu trúc.
Phân tích tham số sử dụng phần mềm HFSS
3.5.1 Các tham số ban đầu
Các tham số điều khiển tần số cộng hưởng riêng của cấu trúc được mô tả trong
Chiều dài vòng ngoài (L1) của bộ cộng hưởng là 11mm, trong khi chiều dài vòng trong (L2) là 7mm Độ rộng cạnh ngoài (w) được thiết lập là 1mm, với khoảng cách ghép (s) giữa các bộ cộng hưởng kề nhau là 1mm Đường tín hiệu vào và ra trên bộ cộng hưởng không có độ lệch, và các kích thước khác được xác định là g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm và s2 = 3mm.
Hình 3.5 Các tham số điều khiển tần số cộng hưởng riêng của cấu trúc
Mô phỏng đáp ứng tần số của cấu trúc được thể hiện trong hình 3.6, dựa trên các kích thước ban đầu đã nêu Phân tích tham số được thực hiện với các biến thể khác nhau của độ rộng (w), khoảng cách giữa hai bộ cộng hưởng (s), độ lệch vị trí đầu vào đầu ra đường tín hiệu, và khoảng trống (g1, g2) Do khó khăn trong việc trình bày tất cả các tham số, bài viết chỉ tập trung vào những kết quả quan trọng giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các tham số đến tần số cộng hưởng.
Hình 3.6 Mô phỏng đáp ứng tần số của cấu trúc kết hợp với các kích thước ban đầu
Từ hình 3.6, có thể thấy rằng suy hao xen (|S21| = 3.5 dB) và suy hao phản xạ (|S11| = 5 dB) tại băng tần thứ nhất (f1) không đạt yêu cầu cho cấu trúc kích thước ban đầu Tương tự, tại băng tần thứ hai, suy hao xen (|S21| = 3 dB) và suy hao phản xạ (|S11| = 6.5 dB) cũng không đủ tốt Phân tích các tham số được thực hiện nhằm xác định kích thước tối ưu để giảm suy hao xen và tăng suy hao phản xạ cho cả hai băng tần Bài viết dưới đây sẽ mô tả ảnh hưởng của các thông số khác nhau.
3.5.2 Khảo sát vị trí đường tín hiệu
Hình 3.7 Vị trí đường tín hiệu đầu vào
Vị trí của đường tín hiệu trên bộ cộng hưởng có thể điều chỉnh để giảm thiểu suy hao xen và suy hao phản xạ Hình 3.7 minh họa cấu trúc với độ lệch của đường tín hiệu đầu vào Để phân tích ảnh hưởng của vị trí đường tín hiệu đến tần số cộng hưởng, vị trí đường tín hiệu đầu vào được thay đổi từ 0 mm đến 2 mm với bước thay đổi 0.5 mm, trong khi các tham số khác được giữ nguyên (L1 = 11mm, L2 = 7mm, w).
Các thông số kỹ thuật được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: chiều dài 1mm, s = 1mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm và s2 = 3mm Hình 3.8 và 3.9 minh họa tác động của vị trí khác nhau của đầu vào đường tín hiệu đến S21 và S11, cùng với đáp ứng tần số tương ứng.
Quan sát hình 3.8 và 3.9 cho thấy vị trí của đường tín hiệu ảnh hưởng rõ rệt đến đáp ứng tần số S11 hơn là S21 Việc thay đổi vị trí chỉ làm biến đổi biên độ của suy hao phản xạ và suy hao xen, mà không ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng hay độ rộng băng tần Lựa chọn vị trí hợp lý có thể cải thiện đáp ứng tần số S11, nhưng tác động này lại khác nhau ở hai băng tần: đáp ứng tần số S11 ở băng tần thứ nhất tăng khi độ lệch vị trí tăng, trong khi ở băng tần thứ hai, đáp ứng này lại giảm.
Hình 3.8 Đáp ứng tần số S 21 với độ lệch đường tín hiệu vào khác nhau
Hình 3.9 Đáp ứng tần số S 11 với độ lệch đường tín hiệu vào khác nhau
Không thể cải thiện đáp ứng của bộ lọc chỉ bằng cách thay đổi độ lệch vị trí của đường tín hiệu vào Để khẳng định điều này, chúng ta tiếp tục khảo sát đáp ứng của bộ lọc khi thay đổi độ lệch vị trí của cả đường tín hiệu vào và ra Đáp ứng tần số |S21| dB và |S11| dB với các vị trí khác nhau của đầu vào và đầu ra được trình bày trong hình 3.10 và 3.11, trong khi các tham số khác được giữ nguyên (L1 = 11mm, L2 = 7mm, w = 1mm, s = 1mm, g1).
Kết quả từ hình 3.10 và 3.11 cho thấy việc thay đổi độ lệch của cả đường tín hiệu vào và ra không mang lại cải thiện đáng kể nào So với việc chỉ điều chỉnh độ lệch vị trí của đường tín hiệu vào, sự thay đổi này chỉ giúp cải thiện suy hao phản xạ S11 ở một số băng tần nhất định.
44 thứ nhất mà không có tác động đáng kể đến suy hao phản xạ ở băng tần thứ hai cũng như suy hao xen ở cả hai băng tần
Hình 3.10 |S 21 | dB Khi thay đổi vị trí của cả hai đường tín hiệu vào và ra
Khi chỉ thay đổi vị trí của đường tín hiệu vào và ra, không đủ để đạt được đáp ứng tần số yêu cầu cho cả hai băng tần đồng thời, điều này tương đồng với kết quả trong tài liệu [8] Tiếp theo, cần xem xét việc điều chỉnh khoảng trống g1 và g2, với độ lệch đường tín hiệu giữ ở mức 0.
3.5.3 Khảo sát độ rộng khe hở g 1 và g 2
Tác động của tham số g1 và g2 được phân tích khi độ lệch đường tín hiệu bằng 0, trong khi kích thước của các tham số khác được giữ nguyên với L1 = 11mm, L2 = 7mm, w = 1mm, s = 1mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm và s2 = 3mm Kết quả cho thấy đáp ứng tần số có sự thay đổi đáng kể dựa trên các giá trị này.
|S 11 | dB và |S 21 | dB với các giá trị g 1 và g 2 đã chọn được thể hiện ở hình 3.12 và hình 3.13
Hình 3.12 Mô phỏng đáp ứng tần số |S 21 | với các giá trị khác nhau của g1 và g2
Hình 3.13 Mô phỏng đáp ứng tần số |S 11 | với các giá trị khác nhau của g 1 và g 2
Kết quả cho thấy việc thay đổi độ rộng khe hở g1 và g2 ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng cũng như biên độ của đáp ứng tần số |S21| và |S11|, tuy nhiên sự thay đổi này không đáng kể, tương tự như những phát hiện trong nghiên cứu [8].
Việc điều chỉnh vị trí đường tín hiệu hoặc khoảng trống (g1 hay g2) không làm cải thiện đồng thời đáp ứng tần số |S11| ở cả hai băng tần Do đó, các giá trị cho những tham số này sẽ được giữ nguyên như giá trị ban đầu đã đề xuất, và các bước khảo sát tiếp theo sẽ được tiến hành.
3.5.4 Khảo sát khoảng cách ghép (s) giữa hai bộ cộng hưởng
Khoảng cách giữa các bộ cộng hưởng liền kề ảnh hưởng đến việc ghép nối chúng, với mục tiêu đạt được đáp ứng tần số và độ rộng băng trong phạm vi dải thông mong muốn.
Khoảng cách giữa các bộ cộng hưởng trong cấu trúc được thay đổi từ 0.5 mm đến 2.0 mm với bước thay đổi 0.5 mm, trong khi các tham số khác được giữ nguyên, bao gồm w = 1mm, độ lệch đường cấp tín hiệu bằng 0 mm, g1 = 1.5mm, g2 = 0.5mm, s1 = 1mm và s2 = 3mm Đáp ứng tần số (|S21| dB và |S11| dB) của cấu trúc với các khoảng cách khác nhau giữa các bộ cộng hưởng được thể hiện trong hình 3.14 và 3.15.
Hình 3.14 Đáp ứng tần số |S 21 | với các giá trị khoảng cách khác nhau
Hình 3.15 Đáp ứng tần số |S 11 | với các giá trị khoảng cách khác nhau
Từ đáp ứng tần số S21, có thể nhận thấy rằng khi khoảng cách giữa các bộ cộng hưởng tăng lên, suy hao xen cũng tăng và độ rộng băng của dải thông giảm Ngược lại, từ đáp ứng tần số S11, suy phản xạ và độ rộng băng giảm khi khoảng cách ghép tăng Điều này cho thấy khoảng cách ghép giữa các bộ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Kết luận chương
Một bộ lọc thông dải băng kép nhỏ gọn với cấu trúc vi dải vòng hở đã được mô phỏng thành công ở tần số 1448MHz và 2450MHz, đạt suy hao xen nhỏ hơn 1 dB và suy hao phản xạ lớn hơn 15 dB Phân tích ảnh hưởng của các tham số hình học đến đặc điểm đáp ứng tần số đã được thực hiện bằng phần mềm HFSS Do đó, việc thiết kế bộ lọc bậc cao trở nên dễ dàng thông qua việc sử dụng bộ cộng hưởng kép liên tầng hoặc cấu trúc kết hợp ngang.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Quá trình thực hiện đồ án giúp tôi hiểu nguyên lý hoạt động của bộ lọc băng tần kép, cũng như vai trò và ứng dụng của nó trong hệ thống thông tin viễn thông hiện nay Tôi có thể thiết kế và mô phỏng một bộ lọc vi dải băng kép hoàn chỉnh Các thông số kỹ thuật như kích thước, chất liệu và hình dạng cấu trúc đóng vai trò quan trọng trong đáp ứng tần số của bộ lọc Việc khảo sát các tham số này giúp người thiết kế nhận biết ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng của bộ lọc, từ đó điều chỉnh dải thông nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của bộ lọc.
Nghiên cứu bộ lọc băng kép giúp tối ưu kích thước, chất lượng, tốc độ và băng thông, đồng thời giảm chi phí cho các thiết bị đầu cuối nhờ tính nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp Bộ lọc này đã đáp ứng được những yêu cầu ngày càng cao của người dùng, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ cho mạng viễn thông.
Đồ án đã giới thiệu phần mềm mô phỏng HFSS, chuyên dụng cho nghiên cứu và thiết kế sản phẩm điện từ, đặc biệt là bộ lọc Phần mềm này hỗ trợ phân tích các tham số với kết quả trực quan, giúp dễ dàng hơn trong việc chế tạo các mạch thực tế.
Đề tài nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc thiết kế bộ lọc băng tần kép cho hai băng tần mới là 1.5 GHz và 2.5 GHz, nhưng vẫn còn chưa hoàn thiện Trong thời gian tới, dự án sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu trong tương lai, khi các băng tần hiện tại trở nên đông đúc và quá tải.
