Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
339
THIẾT KẾ MẠCH LỌC THÔNG DẢI BĂNG C
ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Ngô Thị Lành, Trần Văn Hội
Trường Đại học Thủy lợi, email: lanhnt@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Trong hệ thống thu phát vô tuyến nói chung
và hệ thống thông tin di động 5G nói riêng,
mạch lọc thông dải BPF (Band-Pass Filter) là
thành phần quan trọng để lựa chọn tín hiệu
trong dải cần phát hoặc cần thu và loại bỏ tín
hiệu không cần thiết ở ngoài băng tần. Hình 1
thể hiện sơ đồ khối của bộ phát vô tuyến băng
C. Tín hiệu sau khi xử lý sẽ được điều chế ở
tần số trung tần, tín hiệu sau đó được đưa qua
bộ khuếch đại IF và đưa qua bộ lọc thông dải
BPF. Do tín hiệu sau bộ điều chế ngoài thành
phần phổ của tín hiệu điều chế còn có các
thành phần sóng hài bậc cao, nên bộ lọc BPF1
sẽ lọc lấy băng tần tín hiệu cần phát loại bỏ
sóng hài ảnh hưởng đến các hệ thống khác.
Tín hiệu sau đó lại được đưa đến bộ trộn nâng
tần để chuyển lên tần số cao tần băng C, tín
hiệu này được đưa đến bộ khuếch đại công
suất và đưa qua bộ lọc thông dải BPF2. Bộ lọc
BPF2 sẽ lọc lấy ra dải tần mong muốn và loại
bỏ thành phần hài bậc cao của quá trình trộn
tần tạo ra. Đối với dải tần số quy hoạch cho hệ
thống di động 5G tại Việt Nam bao gồm băng
S (2,5 - 2,6 GHz) và băng C (3,6 - 4,0 GHz).
Hình 1. Sơ đồ khối phát cao tần băng C
Có nhiều nghiên cứu thiết kế và chế tạo các
mạch lọc BPF sử dụng các giải pháp khác
nhau, nhưng với mạch BPF làm việc ở tần số
cao thường sử dụng mạch vi dải (Microstrip)
với các dạng mạch: sử dụng bộ cộng hưởng
nửa bước sóng ghép đầu cuối [2]; sử dụng bộ
cộng hưởng nửa bước sóng ghép song song
[3]; sử dụng bộ cộng hưởng nửa bước sóng
ghép răng lược [4]. Mỗi phương pháp thiết kế
có ưu nhược điểm và ứng dụng trong các lĩnh
vực khác nhau. Mục tiêu của bài báo này trình
bày quá trình nghiên cứu, thiết kế mạch lọc
thông dải BPF hoạt động ở băng tần C với dải
tần 3,6 - 4,0 GHz ứng dụng trong hệ thống
thông tin di động 5G tại Việt Nam. Mạch lọc
thông dải thiết kế sử dụng bộ cộng hưởng nửa
bước sóng ghép song song với các tham số:
Tần số trung tâm 3,8 GHz, băng thông 400
MHz, gợn sóng băng thông LAr = 0,1 dB, suy
hao ngoài băng LAs = 30 dB ở tần số Ωs = 2.
2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠCH BPF
Cấu trúc của các bộ lọc thông dải dùng
mạch vi dải sử dụng bộ cộng hưởng nửa bước
sóng ghép song song thể hiện trên hình 2 [5].
Các bộ cộng hưởng được đặt sao cho các bộ
cộng hưởng liền kề song song với nhau dọc
theo một nửa chiều dài của chúng. Sự sắp xếp
song song này mang lại khả năng ghép tương
đối lớn cho khoảng cách nhất định giữa các
bộ cộng hưởng và do đó, cấu trúc bộ lọc này
đặc biệt thuận tiện để xây dựng các bộ lọc có
băng thông rộng hơn so với cấu trúc của các
bộ lọc vi dải ghép đầu cuối [2].
Mỗi bộ cộng hưởng được ghép với bộ cộng
hưởng liền kề theo một nửa chiều dài của
chúng, ví dụ một nửa của bộ cộng hưởng có
chiều dài l1 và một nửa là l2, mỗi đoạn này có
chiều rộng là W1 và W2, 2 đoạn W1 ghép song
với nhau với khoảng cách s1 tương tự 2 đoạn
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
340
W2 với khoảng cách s2. Thông số về chiều dài
l, chiều rộng W và khoảng cách ghép s của các
đoạn ghép phụ thuộc vào đặc tính của mạch vi
dải và thông số thiết kế bộ lọc.
Hình 2. Cấu trúc bộ lọc BPF ghép song song
Để tính toán các tham số về chiều dài,
chiều rộng và khoảng cách ghép giữa các bộ
cộng hưởng nửa bước sóng ta sử dụng công
thức sau [5]:
0,1
001
J.FBW
Y2gg
(1)
1
11
0
1jj,
2
.FBW
Y
J
jj
ntoj gg
(2)
1nn0
1nn,
g2g
.FBW
Y
J
(3)
trong đó: g0, g1, .., gn là phần tử mẫu của bộ
lọc thông thấp kiểu bậc thang Chebyshev với
tần số cắt chuẩn hóa Ωc = 1, và FBW là hệ số
băng thông của bộ lọc thông dải. Jj,j+1 là dẫn
nạp đặc trưng của bộ chuyển đổi J và Y0 là
dẫn nạp của đường truyền vi dải. Từ các giá
trị tính toán của bộ chuyển đổi J ở trên, ta
tính toán các trở kháng đặc tính chế độ chẵn
và lẻ của các bộ cộng hưởng đường truyền vi,
giá trị này được xác định bởi công thức sau:
2
0
1jj,
0
1jj,
0
1jj,oe Y
J
Y
J
1
Y
1
)Z( (4)
2
0
1jj,
0
1jj,
0
1jj,oo Y
J
Y
J
1
Y
1
)Z( (5)
với j = 0 - n.
Bộ lọc thông dải được thiết kế ở dải tần 3,6
- 4,0 GHz nên tần số trung tâm là 3,8 GHz
với độ rộng băng tần 400 MHz, vậy FBW =
400/3800 = 0,105 hay FBW = 10,5%. Để đạt
được các yêu cầu tham số thiết kế của bộ lọc,
với LAr = 0,1 dB, và LAs = 30 dB ở Ωs = 2 ta
tính được bậc của bộ lọc theo công thức:
0,1
1
0,1
1
1
()
1
10
cosh 10
cosh
As
Ar
L
L
S
n
= 4,476 (6)
Bậc của bộ lọc chọn là n = 5, khi đó giá trị
gi của bộ lọc mẫu chebyshev là:
g
0 = g6 = 1,0 ; g1 = g5 = 1,1468;
g
2 = g4 = 1,3712 ; g3 = 1,975
Sử dụng công thức (1) đến (5) để tính toán
giá trị của trở kháng chế độ chẵn và lẻ, kết
quả thể hiện trên bảng 1.
Bảng 1. Giá trị trở kháng chế độ chẵn và lẻ
j Z0.Jj,j+1 Trở kháng chẵn
(Zoe)j,j+1
Trở khán
g
lẻ
(Zoo)j,j+1
0 0.37009 75.3534 38.3437
1 0.12526 57.0477 44.5213
2 0.09545 55.2281 45.6829
3 0.09545 55.2281 45.6829
Lựa chọn mạch dải FR4 với các thông số:
hằng số điện môi tương đối Er = 4,34, độ suy
hao TanD = 0,0025, chiều cao H = 1,5 mm,
độ dày kim loại T = 0,035 mm, độ nhám
Rough = 0,0095. Sử dụng công cụ Linecalc
của phần mềm Advanced Design System
2020 để tính toán các giá trị của khoảng cách
cộng hưởng, chiều rộng và chiều dài của các
bộ cộng hưởng song song, kết quả thể hiện
trong bảng 2:
Bảng 2. Tham số bộ cộng hưởng
và khoảng cách giữa chúng
j Khoảng cách
Sj,j+1
Độ rộng
(mm)
Nửa sóng
(/2) (mm)
0 0.3546 2.0858 10.6329
1 1.6597 2.7528 10.3127
2 2.1851 2.7948 10.2863
3 2.1851 2.7948 10.2863
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
341
Hình 3. Tính toán tham số bộ cộng hưởng
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MẠCH
Sử dụng phần mềm ADS 2020 để vẽ thiết
kế bộ lọc thông dải BPF, mạch thiết kế được
thể hiển trên hình 4. Từ hình vẽ cho thấy năm
bộ cộng hưởng vi dải nửa bước sóng được
ghép song song với nhau.
Hình 4. Bộ lọc thông dải 3,8 GHz
Sử dụng phần mềm Advanced Design
System 2020 mô phỏng bộ lọc thông dải với
các thông số trên. Kết quả mô phỏng của bộ
lọc thông dải thể hiện trên hình 5.
Hình 5. Kết quả mô phỏng tham số S
Từ hình 5 cho thấy hệ số truyền đạt S21 của
bộ lọc trong dải 3,6 - 4,0 GHz lớn hơn -2,101
dB, và hệ số phản xạ S11 nhỏ hơn -15 dB, hệ
số suy hao ngoài băng nhỏ hơn -31.5 dB ở
ngoài dài tần số 3,2 GHz và 4,4 GHz.
Sau khi thiết kế mạch nguyên lý và mô
phỏng kết quả đạt yêu cầu, sử dụng công cụ
thiết kế để layout mạch in, kết quả layout
mạch in hiển thị trên hình 6.
Hình 6. Thiết kế layout mạch in
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu,
thiết kế, mô phỏng thành công bộ lọc thông dải
hoạt động ở tần số băng rộng từ 3,6 đến 4,0
GHz với các tham số: Hệ số truyền đạt trong
băng của bộ lọc lớn hơn -2,1 dB, hệ số phản xạ
S11 nhỏ hơn -15 dB, hệ số suy giảm ngoài băng
nhỏ hơn -31.5 dB. Mạch được ứng dụng trong
hệ thống thông tin di động 5G tại Việt Nam.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] https://rfd.gov.vn/tin-tuc/pages/the-gioi-vo-
tuyen.aspx?ItemID=3136.
[2] Kartik Gupta, Namrata Sahayam, 2019,
Microstrip Coupled Band Pass Filter for the
Application in Communication System,
International Research Journal of Engineering
and Technology (IRJET), Vol. 6, Iss. 3,
pp. 206-210.
[3] Nyalapatla Chandu, Sandhya Rachamalla,
2023, Design of 9-10 GHz Microstrip
Bandpass filter for Radar Applications,
International Journal of Research in
Engineering and Science (IJRES), Vol. 11,
Iss. 7, pp. 223-228.
[4] Apurva Misra, Manish Kumar, 2019, Design
and Fabrication of Hairpin Bandpass Filter
with Square Shaped Defected Ground
Structure, Journal of Telecommunication,
Electronic and Computer Engineering, Vol.
11, No. 4, pp. 41-43.