Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch vi dải ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đã đề xuất giải pháp thiết kế bộ lọc vi dải cộng hưởng ghép song song sử dụng kỹ thuật DGS để cải thiện tham số tổn hao nâng cao chất lượng của bộ lọc. Thiết kế thử nghiệm 03 bộ lọc vi dải cộng hưởng đường truyền ghép song song sử dụng kỹ thuật DGS ứng dụng trong các hệt hống thông tin vô tuyến WLAN, WiMAX.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch vi dải ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỖ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH VI DẢI ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG A. Các công trình sử dụng kết quả trong luận án: 1. Van Phuong Do, Duc Uyen Nguyen, Minh Tan Doan and Van-Phuc Hoang (2016), “A Novel Compact Microstrip Multi-Band Bandpass Filter Using Dual-Mode Res- onator”, Proceedings of the 2016 Vietnam-Japan International Symposium on An- Người hướng dẫn khoa học: tennas and Propagation (VJISAP 2016), Khanh Hoa, Viet Nam, pp. 74-78. 1. TS. Đoàn Minh Tân 2. TS. Tạ Chí Hiếu 2. Đỗ Văn Phương, Nguyễn Tuấn Khang, Tạ Chí Hiếu và Đoàn Minh Tân (2016), “Bộ lọc thông dải bốn băng sử dụng mạch cộng hưởng tải dây chêm lồng trong mạch cộng hưởng nửa bước sóng ứng dụng cho WLAN và WIMAX”, Chuyên san CNTT&TT, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 9, tr. 83-94. 3. Do Van Phuong, Ta Chi Hieu and Doan Minh Tan (2016), “Quad-Band Bandpass Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Quốc Định Filter Using Embedded Stub-Loaded Uniform Impedance Resonators and Open-Loop Resonators”, Journal of Science and Technology, MTA, No.178, pp. 59-68. Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Xuân Quyền 4. Đỗ Văn Phương, Tạ Chí Hiếu và Đoàn Minh Tân (2018), “Bộ lọc thông dải mi- crostrip sử dụng DGS ứng dụng cho WLAN”, Tạp chí KH&CN QS, số 53, tr. 125-134. 5. Van-Phuong Do, Duy-Manh Luong, Chi-Hieu Ta and Minh-Tan Doan (2018), “A Phản biện 3: PGS. TS. Lê Nhật Thăng Novel Wideband Bandpass Filter using H-shaped DGS”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), Vol 8, No 04 pp. 2021-2028. (Scopus) 6. Đỗ Văn Phương, Tạ Chí Hiếu và Đoàn Minh Tân (2017), “Bộ lọc thông dải hai băng mới sử dụng cấu trúc khuyết đất ứng dụng cho WLAN và WiMAX”, Tạp chí Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số ..../QĐ-HV ngày 19 tháng 12 năm 2018 của Giám đốc Học viện Khoa học và Kỹ thuật, Học viện kỹ thuật Quân sự, số 187, tr. 191-201. Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi........giờ........ngày B. Các công trình khác công bố trong thời gian thực hiện luận án: ........tháng........năm ........ 1. Van Phuong Do, Duc Uyen Nguyen, Tran Quang Nguyen and Minh Tan Doan (2016), “Quad-Band Bandpass Filter Using Square Ring Crossed Stub Loaded Resonators”, Proceedings of The 2016 International Confer- ence on Advanced Technologies For Communications, Ha Noi, pp. 468-471. Có thể tìm hiểu luận án tại: 2. c Đỗ Văn Phương, Tạ Chí Hiếu và Đoàn Minh Tân (2016), “Bộ lọc thông - Thư viện Quốc gia Việt Nam dải ghép cạnh với DGS hình chữ H cho hệ thống WiMAX”, Kỷ yếu Hội - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự. thảo toàn quốc về Điện tử, TT&CNTT (REV 2016), Hà Nội, tr. 1/36-1/40.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN MỞ ĐẦU 1. Một số kết quả đạt được của luận án: 1. Tính cấp thiết của đề tài Luận án đã đề xuất hai giải pháp thiết kế và hai nhóm bộ lọc vi dải ứng Ngày nay, những phát minh đột phá về công nghệ và sự tiến bộ vượt bậc dụng trong hệ thống vô tuyến. Các kết quả nghiên cứu đóng góp của luận án: của khoa học kỹ thuật đã góp phần phát triển rất nhanh các hệ thống thông 1. Đề xuất giải pháp thiết kế bộ lọc vi dải đa băng sử dụng cấu trúc mạch tin vô tuyến đáp ứng yêu cầu của người sử dụng. Cùng với sự phát triển đó, bộ cộng hưởng tải nhiều dây chêm đa mode kết hợp với mạch cộng hưởng đơn lọc siêu cao tần luôn đóng một vai trò quan trọng, là một thành phần không mode được cấp nguồn trực tiếp kiểu dây rẽ đối xứng để tạo ra nhiều điểm thể thiếu để thực hiện chia sẻ nguồn tài nguyên phổ tần số hữu hạn cho nhiều truyền 0 trong đáp ứng tần số nâng cao đặc tính chọn lọc tần số của bộ lọc. hệ thống vô tuyến khác nhau và loại bỏ nhiễu đường truyền. Do đó, yêu cầu Thiết kế thử nghiệm 03 bộ lọc vi dải đa băng có khả năng ứng dụng trong các nâng cao chất lượng của bộ lọc chi phối đáng kể đến chất lượng của các hệ hệ thống thông tin vô tuyến GPS, WLAN, WiMAX. thống thông tin vô tuyến. 2. Đề xuất giải pháp thiết kế bộ lọc vi dải cộng hưởng ghép song song sử Để nâng cao chất lượng bộ lọc siêu cao tần đáp ứng yêu cầu ngày càng dụng kỹ thuật DGS để cải thiện tham số tổn hao nâng cao chất lượng của bộ cao của hệ thống vô tuyến, nhiều phương pháp thiết kế đã được áp dụng như lọc. Thiết kế thử nghiệm 03 bộ lọc vi dải cộng hưởng đường truyền ghép song phương pháp sử dụng công nghệ và vật liệu tiên tiến, phương pháp thiết kế song sử dụng kỹ thuật DGS ứng dụng trong các hệt hống thông tin vô tuyến phát triển cấu trúc bộ lọc hoặc phương pháp kết hợp. Trong đó, phương pháp WLAN, WiMAX. thiết kế phát triển cấu trúc bộ lọc được ứng dụng rộng rãi với nhiều giải pháp 2. Hướng phát triển của luận án: kỹ thuật khác nhau. Khảo sát các công trình trong nước và quốc tế cho thấy Từ những kết quả đóng góp của luận án, để phát triển hướng nghiên cứu các bộ lọc siêu cao tần công nghệ mạch vi dải được thiết kế và đề xuất vẫn của đề tài, tác giả đề xuất một số vấn đề cần nghiên cứu sau: còn những hạn chế chất lượng. Vì vậy, việc nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế nâng cao chất lượng bộ lọc và đề xuất các cấu trúc bộ lọc vi dải chất 1. Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc vi dải đa băng điều chỉnh được vị trí các điểm lượng cao ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến hiện nay là đề tài nghiên cứu 0 đường truyền và độ rộng băng. có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Phương pháp nghiên cứu: 2. Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc vi dải đa băng có khả năng điều chỉnh được Thực hiện tính toán giải tích và sử dụng các phần mềm mô phỏng EM để tần số trung tâm sử dụng các linh kiện tích cực (như điốt varactor). thiết kế phát triển cấu trúc bộ lọc, kết hợp thực nghiệm kiểm chứng kết quả: 3. Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc vi dải đa băng chất lượng cao sử dụng cộng - Phương pháp giải tích: Tính toán ước lượng gần đúng các tham số đặc hưởng đường truyền ghép song song và kỹ thuật DGS. tính, tần số cộng hưởng và kích thước thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải. - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS và ADS 4. Nghiên cứu thu nhỏ kích thước các bộ lọc vi dải đa băng sử dụng công thiết kế xây dựng cấu trúc bộ lọc vi dải đề xuất. nghệ mạch in nhiều lớp. - Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo thử nghiệm các mẫu bộ lọc được thiết kế và đo kiểm bằng máy phân tích mạng véc-tơ. So sánh kết quả đo kiểm với ***** kết quả mô phỏng và các kết quả tương tự đã công bố để kiểm chứng độ chính xác, tính khả thi của giải pháp thiết kế và cấu trúc bộ lọc đề xuất. 24 1
3. Các đóng góp chính của luận án: 1) Đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải đa băng chất lượng cao sử dụng mạch cộng hưởng tải dây chêm đa mode kết hợp với mạch cộng hưởng S11 S21 đơn mode được cấp nguồn trực tiếp kiểu dây rẽ để tạo ra nhiều điểm truyền 0 trong đáp ứng tần số nhằm cải thiện hệ số chọn lọc tần số và khả năng cách ly giữa các băng thông liền kề nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải đa băng. 2) Đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải cộng hưởng đường truyền ghép song song sử dụng kỹ thuật DGS để cải thiện hệ số tổn hao và đặc tính dải chặn nâng cao chất lượng của bộ lọc một băng, băng rộng và hai băng ứng dụng trong các hệ thống vô tuyến. (a) (b) 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Hình 3.11: Mẫu bộ lọc hai băng đề xuất và kết quả đo kiểm. (a) Mặt trên, mặt dưới. (b) So sánh đáp ứng tần số mô phỏng và đo kiểm. - Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu, đề xuất các giải pháp thiết kế nhằm cải thiện đặc tính chọn lọc tần số và nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải góp phần đóng góp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về phát triển cấu trúc bộ Đo thực nghiệm trên thiết bị Agilent Technogies E8362C tại phòng thí lọc vi dải ứng dụng trong thông tin vô tuyến siêu cao tần nên có ý nghĩa khoa nghiệm của Viện tích hợp Hệ thống/Học viện KTQS nhận được kết quả: tổn học. hao chèn/tổn hao phản hồi băng thứ nhất và thứ hai tương ứng là -0,2dB/- - Ý nghĩa thực tiễn: Các bộ lọc được thiết kế thử nghiệm có khả năng ứng 23,1dB và -0,6dB/-17,9dB. Mức loại bỏ nhiễu -20dB trong dải chặn trên mở dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến ở dải siêu cao tần như GPS, WLAN, rộng lên đến trên 10GHz. Kết quả đo kiểm gần giống với kết quả mô phỏng lý WiMAX. thuyết như hiển thị trên Hình 3.11(b). 5. Bố cục luận án: 3.3.3 Kết luận Bố cục của luận án gồm: Mở đầu, 3 chương và kết luận: Mẫu bộ lọc vi dải hai băng sử dụng kỹ thuật DGS để cải thiện hệ số tổn • Mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, phạm vi, nội dung, phương hao, nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải cộng hưởng đường truyền ghép song pháp nghiên cứu và những đóng góp mới của luận án song, ứng dụng cho WLAN và WiMAX được thiết kế thử nghiệm thành công đã khẳng định tính khoa học và độ tin cậy của giải pháp thiết kế đề xuất. • Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN CÔNG NGHỆ MẠCH VI DẢI. 3.4 Kết luận chương 3 Trong chương này, tác giả đã đề xuất giải pháp thiết kế thứ 2 là thiết kế sử • Chương 2: BỘ LỌC VI DẢI ĐA BĂNG CÓ NHIỀU ĐIỂM TRUYỀN 0 dụng kỹ thuật DGS để nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải cộng hưởng đường SỬ DỤNG MẠCH CỘNG HƯỞNG TẢI DÂY CHÊM ĐA MODE KẾT truyền ghép song song ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến. 03 cấu trúc bộ lọc HỢP VỚI MẠCH CỘNG HƯỞNG ĐƠN MODE. vi dải cộng hưởng ghép song song sử dụng kỹ thuật DGS nhằm cải thiện hệ số • Chương 3: BỘ LỌC VI DẢI CỘNG HƯỞNG ĐƯỜNG TRUYỀN GHÉP tổn hao và đặc tính dải chặn của các bộ lọc được thiết kế, chế tạo thử nghiệm SONG SONG SỬ DỤNG CẤU TRÚC KHUYẾT ĐẤT. thành công. Kết quả này đã minh chứng giải pháp thiết kế và các cấu trúc đề xuất có tính khoa học và thực tiễn. Tuy nhiên, khi sử dụng DGS có thể làm • Kết luận: Kết luận những đóng góp mới của luận án và hướng phát triển hẹp băng thông của bộ lọc và việc chế tạo bộ lọc sẽ phức tạp hơn. nghiên cứu. 2 23
với kích thước a × b bất kỳ (a = b) được minh họa trong Hình 3.10(b). W1 Chương 1 L1 L3 a TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN 50W b CÔNG NGHỆ MẠCH VI DẢI Mạch cộng DGS Lgy hưởng L2 microstrip 50W ghép ở mặt Mặt Chương này trình bày động cơ, định hướng nghiên cứu của luận án, tóm trên W2 phẳng Lgx lược các nội dung cơ bản về bộ lọc thông dải siêu cao tần trên công nghệ vi S đất dải; cấu trúc đường truyền vi dải và các tham số đặc tính; một số cấu trúc cộng hưởng vi dải cơ bản và cấu trúc khuyết đất (DGS). (a) (b) 1.1 Động cơ và ý tưởng nghiên cứu Hình 3.10: Cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS hình chữ nhật. (a) Cấu Trong mục này, trình bày khái quát các công trình trong nước và quốc tế về trúc. (b) Vị trí và kích thước DGS hình chữ nhật. thiết kế nâng cao chất lượng bộ lọc siêu cao tần công nghệ mạch vi dải. Qua Mô phỏng, điều chỉnh hợp lý kích thước và vị trí đặt hai DGS hình chữ đó, giới thiệu động cơ và ý tưởng lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án. nhật trong mặt phẳng đất, hai băng 2,4/3,5GHz có hệ số tổn hao chèn/tổn hao 1.2 Bộ lọc thông dải siêu cao tần công nghệ mạch vi dải phản hồi của băng thứ nhất và băng thứ hai tương ứng là -0,4dB/-23,1dB và Bộ lọc thông dải siêu cao tần có nhiệm vụ truyền dẫn các tín hiệu cần thiết -0,8dB/-20,5dB được thể hiện trong Hình 3.11(b). trong dải thông và loại bỏ hoặc suy giảm các tín hiệu không cần thiết trong Như vậy, sau khi thiết kế bổ sung hai DGS hình chữ nhật vào mặt phẳng dải chặn. Khi phân loại bộ lọc theo đáp ứng tần số, thì bộ lọc thông dải là loại đất của bộ lọc, điều chỉnh hợp lý kích thước và vị trí đặt hai DGS hình chữ bộ lọc rất quan trọng và thường được sử dụng trong các hệ thống vô tuyến. nhật trong mặt phẳng đất thì tổn hao chèn, tổn hao phản hồi và kích thước Trong phần này, cũng giới thiệu khái quát cấu hình các bộ lọc thông dải siêu của bộ lọc được cải thiện đáng kể so với thiết kế trước đó. Lượng cải thiện cao tần công nghệ mạch vi dải cơ bản như bộ lọc cộng hưởng đường truyền được chi tiết trong Bảng 3.3. Điều này, đã minh chứng tính khoa học của giải ghép đầu cuối, bộ lọc cộng hưởng đường truyền ghép song song, bộ lọc hairpin, pháp thiết kế và cấu trúc đề xuất. bộ lọc xen kẽ, bộ lọc ghép dây chêm, bộ lọc trở kháng bậc và bộ lọc tải dây Bảng 3.3: Mức cải thiện chất lượng và giảm nhỏ kích thước bộ lọc đề xuất chêm được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng RF/siêu cao tần. 1.3 Các tham số của bộ lọc Bộ lọc thông dải siêu cao tần được định nghĩa là một mạng hai cổng với hàm truyền (H(s) ) được mô tả bằng tỉ số tín hiệu ra Y(s) trên tín hiệu vào X(s): Y (s) H(s) = S21 (s) = (1.1) X(s) Các tham số đặc trưng của bộ lọc thông dải siêu cao tần như tổn hao chèn 3.3.2 Chế tạo bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS hình chữ nhật (IL), tổn hao phản hồi (RL), hệ số phẩm chất không tải (Q0 ), độ rộng băng Một mẫu bộ lọc vi dải hai băng mới, hoạt động tại (2,4 và 3,5)GHz có kích thông, hệ số dốc cạnh băng thông (SF ) và hệ số chọn lọc tần số băng thông thước (19,7 × 12,78)mm như Hình 3.11(a) được chế tạo và đo kiểm. (K ) được giới thiệu tóm tắt trong mục này. 22 3
1.4 Đường truyền vi dải 3.3.1 Thiết kế cấu trúc và mô phỏng bộ lọc đề xuất Phần này, giới thiệu cấu trúc đường truyền vi dải, các tham số đặc trưng Để có hai băng thông tần số 2,4GHz và 3,5GHz ứng dụng cho hệ thống và cấu trúc không liên tục của nó, làm cơ sở cho việc nghiên cứu, phân tích các WLAN và WiMAX tương ứng, một bộ lọc thông dải hai băng mới sử dụng cấu giải pháp thiết kế nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải ứng dụng trong thông tin trúc ghép song song [102] được thiết kế trên chất nền Roger RO 4350 có hằng vô tuyến. số điện môi εr = 3,66 và độ dày h = 0,762mm. 1.5 Cấu trúc cộng hưởng vi dải cơ bản Trong mục này, các cấu trúc cộng hưởng đơn mode, hai mode và ba mode L1 cơ bản được giới thiệu và phân tích để áp dụng nghiên cứu giải pháp thiết kế L3 W1 Cổng 1 50W và xây dựng cấu trúc bộ lọc mới có chất lượng tốt ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến hiện nay. L via W2 1.6 Cấu trúc khuyết mặt phẳng đất L2 Cổng 2 50W S Cấu trúc khuyết mặt phẳng đất (DGS) là phần khuyết mặt phẳng đất của mạch siêu cao tần phẳng được thiết kế theo một cấu trúc có tính toán dựa trên mạch tương đương các phần tử tập trung L, C và mô phỏng EM. Các giá trị C (a) (b) và L của mạch tương đương có thể tính gần đúng theo phương trình sau: Hình 3.9: Cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng (không sử dụng DGS). (a) Cấu trúc mặt 1 fc 1 trên. (b) Cấu trúc lỗ thông (via). L= , C= · , (1.2) 4π 2 f02 C 2Z0 2π (f02 − fc2 ) Cấu trúc bộ lọc thiết kế gồm mạch cộng hưởng vi dải ghép song song ở mặt trong đó f0 và fc là tần số cộng hưởng, tần số cắt tương ứng nhận được từ kết trên và hai lỗ thông (via) kết nối mạch cộng hưởng này với mặt phẳng đất. quả mô phỏng EM và Z0 là trở kháng đầu vào và đầu ra của mạch. Trong đó, mạch cộng hưởng vi dải ghép song song được kết nối trực tiếp đến Áp dụng cấu trúc và các đặc tính của DGS vào thiết kế bộ lọc vi dải có thể hai đoạn mạch dải dây rẽ trở kháng 50Ω đóng vai trò là cổng đầu vào, cổng cải thiện đáng kể hệ số tổn hao, nâng cao chất lượng bộ lọc ứng dụng cho các đầu ra và đường dây cấp nguồn của bộ lọc như thể hiện trong Hình 3.9(a). hệ thống vô tuyến. Mô phỏng, thiết kế bộ lọc đề xuất trên phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS và thay đổi kích thước L, W1 và S của mạch cộng hưởng ghép song song để nhận 1.7 Kết luận chương 1 hai băng tần mong muốn tại (2,4/3,5)GHz, tổn hao chèn/tổn hao phản hồi băng Chương này đã trình bày tổng quan về nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải thứ nhất và băng thứ hai tương ứng là -0,5dB/-16,5dB và -1,0dB/-16,8dB với ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến và hướng nghiên cứu của Luận án. Giới kích thước bộ lọc được thể hiện trên Hình 3.9(b) và Bảng 3.2. thiệu khái quát các cấu trúc bộ lọc thông dải công nghệ mạch vi dải cơ bản và những vấn đề liên qua đến thiết kế bộ lọc thông dải siêu cao tần ứng dụng Bảng 3.2: Kích thước của bộ lọc không sử dụng DGS (tính theo mm). trong thông tin vô tuyến; cấu trúc đường truyền vi dải và tham số đặc tính; giới Tham số L L1 L3 W1 W2 S d/via thiệu cấu trúc không liên tục và mạch tương đương của đường truyền vi dải Giá trị 23,2 6,5 11,6 6,2 1,4 0,38 0,6 ứng dụng cho thiết kế cấu trúc bộ lọc. Đặc biệt, các cấu trúc và đặc tính của một số mạch cộng hưởng vi dải cơ bản; cấu trúc, mô hình mạch tương đương Để nâng cao chất lượng bộ lọc đề xuất, tác giả áp dụng giải pháp thiết kế và nguyên lý làm việc của DGS được tổng hợp, hệ thống và phân tích, làm cơ đề xuất là khắc bổ sung hai đơn vị DGS hình chữ nhật vào mặt phẳng đất của sở cho nghiên cứu thiết kế nâng cao chất lượng các bộ lọc vi dải đề xuất. bộ lọc như thể hiện trong Hình 3.10(a). Mỗi DGS hình chữ nhật được thiết kế 4 21
S11 S21 Chương 2 BỘ LỌC VI DẢI ĐA BĂNG CÓ NHIỀU ĐIỂM TRUYỀN 0 SỬ DỤNG MẠCH CỘNG HƯỞNG TẢI DÂY CHÊM ĐA MODE KẾT HỢP VỚI MẠCH CỘNG HƯỞNG ĐƠN MODE Trước những yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng hiện nay, đòi hỏi (a) (b) các hệ thống vô tuyến phải nâng cao chất lượng, hoạt động với nhiều băng tần Hình 3.8: Hình ảnh mẫu bộ lọc băng rộng đề xuất và so sánh kết quả. (a) Mặt riêng biệt và cho phép truy cập nhiều dịch vụ khác nhau trên cùng một thiết trên, mặt dưới. (b) So sánh kết quả mô phỏng và đo kiểm. bị đầu cuối. Trong chương này, tác giả đề xuất giải pháp thứ nhất cho thiết kế bộ lọc vi dải đa băng chất lượng cao ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến là giải pháp kết hợp mạch cộng hưởng tải nhiều dây chêm đa mode với mạch cộng hưởng đơn mode, cấp nguồn kiểu dây rẽ để cải thiện chất lượng bộ lọc. bộ lọc băng rộng đã công bố trước trước đó cho thấy, bộ lọc đề xuất đạt được 03 bộ lọc vi dải ba băng, bốn băng có nhiều điểm 0 đường truyền trong đáp hệ số tổn hao tốt hơn, cấu trúc đơn giản nhỏ gọn hơn. ứng tần số được thiết kế và thử nghiệm thành công, khẳng định tính khoa học và thực tiễn của giải pháp thiết kế và các cấu trúc bộ lọc đa băng đề xuất. 3.2.3 Kết luận 2.1 Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải ba băng sử dụng mạch Đề xuất này thực hiện một giải pháp kỹ thuật mở rộng băng thông và cải cộng hưởng tải dây chêm hở mạch. thiện hệ số tổn hao của bộ lọc vi dải. Giải pháp được thực hiện bằng cách bổ Đề xuất này, xây dựng một cấu trúc bộ lọc vi dải ba băng mới sử dụng sung 3 đơn vị DGS hình chữ H vào mặt phẳng đất của bộ lọc. Một mẫu bộ mạch cộng hưởng λ/4 đơn ngắn mạch đầu cuối lồng trong mạch cộng hưởng trở lọc vi dải băng rộng sử dụng mạch cộng hưởng đường truyền ghép song song kháng đồng dạng với tải dây chêm hở mạch để tạo ra 08 điểm 0 đường truyền và 3 đơn vị DGS hình chữ H được thiết kế và chế tạo. Kết quả đo kiểm nhận trong đáp ứng tần số nhằm cải thiện hệ số chọn lọc tần số và tăng khả năng được độ rộng băng thông (2,8 ÷ 6,8)GHz; hệ số tổn hao chèn lớn nhất 0,8dB cách ly giữa các băng tần liền kề của bộ lọc đề xuất. Ba dải thông được kiểm và hệ số tổn hao phản hồi tối đa 40dB trong dải thông; băng thông hiệu dụng soát dễ dàng hoạt động tại các tần số 1,57/2,45/3,5GHz tương ứng. Một bộ 83,3%. Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo minh chứng tính lọc vi dải ba băng mới được thiết kế, mô phỏng và bình luận. đúng đắn của giải pháp thiết kế và cấu trúc bộ lọc đề xuất. 2.1.1 Thiết kế và phân tích và mô phỏng cấu trúc bộ lọc đề xuất 3.3 Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS Thiết kế bộ lọc vi dải ba băng ứng dụng cho các hệ thống GPS, WLAN và hình chữ nhật ứng dụng cho hệ thống WLAN và WiMAX WiMAX trên chất nền Rogers RT/Duroid 5880 độ dày h = 0,8mm, hằng số Trong đề xuất này, một cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng nhỏ gọn mới dựa điện môi εr = 2, 2. Một cấu trúc bộ lọc ba băng được xây dựng dựa trên mạch trên cấu trúc hai mặt phẳng (cấu trúc cộng hưởng đường truyền ghép song cộng hưởng λ/2 và λ/4 như thể hiện trên Hình 2.1(a). Trong đó, các mạch cộng song ở mặt phẳng trên và DGS hình chữ nhật ở mặt phẳng đất) được thiết kế hưởng đều thiết kế uốn gấp hợp lý để giảm thiểu kích thước tổng thể của bộ và thử nghiệm. lọc đề xuất. Hai đoạn mạch dải trở kháng đặc tính 50Ω được kết nối đến các 20 5
m mạch cộng hưởng bên ngoài, đóng vai như cổng vào/ra của bộ lọc. Khi đó, các p mạch cộng hưởng trong hoạt động tại băng thông thứ nhất (f1 ), còn các mạch 50 W o n S21 S11 cộng hưởng ngoài tạo ra tần số băng thông thứ hai và thứ ba (f2 và f3 ). Tần Độ lớn [dB] số của các băng tương ứng được thiết lập theo (2.1), (2.2), (2.3), được biểu diễn trên Hình 2.2. S4 S3 L7 S4 L7 L5 W2 50 W S1 Tần số [GHz] La L2 d 50W 50W W1 W2 S2 L8 (b) (a) (b) L1 W2 L4 L3 d Hình 3.7: Cấu trúc và kết quả mô phỏng của bộ lọc vi dải băng rộng sử dụng ba L6 W2 W2 DGS hình chữ H. (a) Cấu trúc. (b) S11 và S21 . Lb (a) (c) Bảng 3.1: Tham số vật lý của bộ lọc băng rộng đề xuất (tính bằng mm) Tham Giá Tham Giá Tham Giá Tham Giá Hình 2.1: Cấu trúc bộ lọc vi dải ba băng đề xuất. (a) Cấu trúc bộ lọc. (b) Cấu số trị số trị số trị số trị trúc cộng hưởng 2 mode. (c) Cấu trúc cộng hưởng đơn mode. L1 2,1 S 3,8 g 0,4 o 2,3 c c L2 9,7 a 7,0 c 3,3 p 0,5 fodd = f2 = √ = √ , (2.1) W1 1,4 b 0,6 m 7,5 (L5 + W2 + L8 + W1 + L6 + 2L4 ) εef f La εef f W2 0,6 d 5,0 n 0,5 nc feven = f3 = √ , (2.2) [La + 2(L7 + S1 )] εef f c 3.2.2 Chế tạo bộ lọc vi dải băng rộng đề xuất và bình luận f1 = √ , (2.3) 4Lb εef f Một mẫu bộ lọc vi dải băng rộng ứng dụng cho WLAN, WiMAX sử dụng trong đó c là vận tốc truyền ánh sáng trong không gian tự do và εef f là hằng cấu trúc cộng hưởng ghép song song kết hợp với ba đơn vị DGS hình chữ H số điện môi hiệu dụng của chất nền. được thiết kế và chế tạo trên chất nền RO 4350 có εr = 3,66, h = 0,762mm. Bằng cách điều chỉnh phù hợp kích thước và khoảng cách ghép của các mạch Hình ảnh bộ lọc đề xuất được chế tạo như Hình 3.8(a) có kích thước khá cộng hưởng, ba băng thông của bộ lọc đề xuất có thể dễ dàng được thiết lập nhỏ gọn (18 × 7,8)mm. Kết quả đo kiểm trên máy phân tích mạng véc-tơ tại riêng. Hơn nữa, 08 điểm 0 đường truyền được tạo ra trong đáp ứng tần số làm phòng thí nghiệm của Viện tích hợp hệ thống - Học viện kỹ thuật Quân sự cho hệ số dốc cạnh băng thông sắc nét, giúp bộ lọc có chất lượng chọn lọc tần được thể hiện trên Hình 3.8(b) gần giống với kết quả mô phỏng: độ rộng băng số khá tốt được thể hiện trên Hình 2.2(b). Một bộ lọc vi dải ba băng mới hoạt đạt 83,3% ứng với khoảng tần số (2,8 - 6,8)GHz, tần số 4,8GHz, hệ số tổn hao động tại các tần số 1,57/2,45/3,5GHz ứng dụng cho các hệ thống GPS, WLAN chèn cực đại 0,8dB và hệ số tổn hao phản hồi lớn nhất lên đến 40dB. Tuy và WiMAX được thiết kế có kích thước theo Bảng 2.1. nhiên, kết quả đo có độ sai lệch với kết quả mô phỏng được cho là sai số do Kết quả mô phỏng các tham số đặc tính của bộ lọc được thể hiện trên hàn nối thủ công. Hình 2.2(b). Hệ số K của các băng tương ứng được xác định là 0,41/0,46/0,24. So sánh thông số đặc tính của bộ lọc thông dải băng rộng đề xuất với các 6 19
thiết kế ba đơn vị DGS hình chữ H. Bằng cách điều chỉnh phù hợp kích thước và vị trí các đơn vị DGS hình chữ H trong mặt phẳng đất thì độ rộng dải thông và hệ số tổn hao của bộ lọc được cải thiện đáng kể. 3.2.1 Thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải băng rộng W1 L1 S11 50 W S (a) S21 Độ lớn [dB] L2 (b) Hình 2.2: Hình ảnh và đáp ứng tần số của bộ lọc ba băng. (a) Hình ảnh bộ lọc. (b) (S11 và S21 ). 50 W W2 Tần số [GHz] Bảng 2.1: Tham số vật lý của bộ lọc ba băng đề xuất (tính bằng mm) (a) (b) Tham Giá Tham Giá Tham Giá Tham Giá Hình 3.6: Cấu trúc và đáp ứng tần số của bộ lọc vi dải băng rộng không sử dụng số trị số trị số trị số trị DGS hình chữ H. (a) Cấu trúc. (b) Đáp ứng tần số. L1 7,5 L5 10,3 W1 1,5 S3 0,8 L2 9,4 L6 9,15 W2 1,0 S4 0,2 Cấu trúc bộ lọc thông dải băng rộng được thiết kế dựa vào cấu trúc bộ lọc L3 4,7 L7 12,3 S1 0,3 d 0,5 Butterworth đường truyền ghép bậc 2, gắn đầu vào, đầu ra kiểu dây rẽ như L4 6,0 L8 2,2 S2 0,3 Hình 3.6(a). Cấu trúc thiết kế gồm hai đoạn mạch vi dải độ dài cộng hưởng λ/2 ghép song song với nhau. Kích thước mạch cộng hưởng đường truyền vi dải ghép song song được xác định là L1 = 2.1mm, L2 = 9.7mm, W1 = 1.4mm, W2 2.1.2 Kết luận = 0.6mm và S = 0.38mm. Đề xuất đã thiết kế một cấu trúc bộ lọc vi dải đa băng mới có khả năng Để cải thiện đặc tính, nâng cao chất lượng bộ lọc đề xuất, tác giả đã lợi ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến hiện nay. Kết quả mô phỏng đã góp phần dụng đặc tính của DGS hình chữ H và thiết kế khắc bổ sung ba đơn vị DGS củng cố lý thuyết thiết kế phát triển bộ lọc đa băng chất lượng cao và khẳng hình chữ H trong mặt phẳng đất như minh họa trong Hình 3.7(a). Sự bổ sung định tính đúng đắn, khoa học của giải pháp thiết kế đề xuất. này sẽ làm tăng mức độ tự do các thông số tham gia điều chỉnh cho bộ lọc đề 2.2 Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng sử dụng mạch xuất dẫn tới khả năng cải thiện chất lượng cao. Khi điều chỉnh đúng kích thước ba đơn vị DGS hình chữ H, bộ lọc đề xuất cộng hưởng tải dây chêm đa mode kết hợp với mạch cộng nhận được kết quả mô phỏng như Hình 3.7(b) với các tham số đặc tính nhận hưởng vòng đơn mode được là: Tần số trung tâm 4,93GHz,băng thông phân đoạn 72,6%; tổn hao chèn Trong đề xuất này, thiết kế một cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng nhỏ gọn lớn hơn -0,68dB, tổn hao phản hồi lớn hơn -31,5dB. Chất lượng của bộ lọc đề mới sử dụng mạch cộng hưởng tải nhiều dây chêm lồng trong mạch cộng xuất được cải thiện đáng kể so với bộ lọc thiết kế trước đó đã khẳng định tính hưởng nửa bước sóng. Bằng cách điều chỉnh hợp lý kích thước và khe ghép khoa học đúng đắn của giải pháp thiết kế và cấu trúc bộ lọc băng rộng đề xuất. của các mạch cộng hưởng, bốn băng thông được thiết kế làm việc tại các tần số 18 7
2,5/3,5/4,9/5,8GHz tương ứng với các ứng dụng cho WLAN và WiMAX. Hơn nữa, 09 điểm 0 đường truyền được tạo ra để cải thiện chất lượng chọn lọc và S21 hiệu suất chặn dải của bộ lọc. Một mẫu bộ lọc vi dải bốn băng mới được thiết S11 kế, chế tạo và đo kiểm. Kết quả đo kiểm gần giống với các kết quả mô phỏng. S5 W5 L6 L7 L14 L11 L3 L8 L1 S3 S4 50W L10 W1 L9 50W S1 L5 L12 (a) (b) W3 L4 W6 d W4 L2 Hình 3.5: Hình ảnh mẫu bộ lọc đề xuất và so sánh kết quả. (a) Mặt trên, mặt W2 S2 dưới. (b) So sánh kết quả đo với kết quả mô phỏng L13 (a) (b) tích mạng véc-tơ Technologies E8362C tại phòng thí nghiệm của Viện tích hợp Hình 2.3: Cấu trúc và đáp ứng tần số bộ lọc. (a) Cấu trúc. (b) Đáp ứng tần số. hệ thống - Học viện kỹ thuật Quân sự và nhận được giá trị các tham số đặc tính là: tần số trung tâm 5,61GHz, S11 = -1,32dB, S21 = -17,8dB, và mức suy 2.2.1 Phân tích cấu trúc thiết kế và mô phỏng giảm dải chặn -25dB như hiển thị trong Hình 3.5(b). Tuy nhiên kết quả đo kiểm có sự sai lệch so với kết quả mô phỏng lý thuyết được xác định là sai số Cấu trúc bộ lọc thông dải bốn băng đề xuất gồm mạch cộng hưởng trong vật liệu, sai số chế tạo có thể chấp nhận được. được nhúng vào mạch cộng hưởng ngoài như minh họa trong Hình 2.3(a). Cấu trúc mạch cộng hưởng ngoài tạo ra băng thông thứ tư có tần số f4 được tính 3.1.3 Kết luận gần đúng theo công thức (2.4). Mạch cộng hưởng bên trong là cộng hưởng tải nhiều dây chêm ba mode có ba tần số hoạt động tương ứng được xác định theo Một cấu trúc bộ lọc đề xuất mới sử dụng kỹ thuật DGS để nâng cao chất các công thức (2.5), (2.6) và (2.7). lượng bộ lọc được xây dựng theo giải pháp thiết kế đề xuất đạt kết quả tốt. Điều này được minh chứng với một mẫu bộ lọc vi dải mới làm việc ở tần số c f4 = √ , (2.4) 5,61GHz có độ rộng dải thông 840MHz (15,5%) ứng dụng cho hệ thống WLAN 2 [2 (L12 + W1 + (L11 − L14 )) + 2L13 ] εef f được thiết kế, chế tạo và đo kiểm. Kết quả đo thực nghiệm đạt được tổn hao chèn -1,32dB và tổn hao phản hồi -17,8dB. Các giá trị đo kiểm gần giống với c flẻ1 = √ , (2.5) các giá trị mô phỏng lý thuyết, điều này khẳng định độ tin cậy và tính khả thi 4(L1 + L2 ) εef f của giải pháp thiết kế và cấu trúc bộ lọc đề xuất. c fchẵn1 = √ , (2.6) 3.2 Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải băng rộng sử dụng DGS 4 (L1 + L2 + L6 + W4 ) εef f hình chữ H c Cấu trúc bộ lọc đề xuất được thiết kế trên hai mặt phẳng, trong đó ở mặt fchẵn2 = √ , (2.7) 4 (L1 + L2 + L6 + W4 + L7 ) εef f trên thiết kế một mạch cộng hưởng đường truyền ghép song song, ở mặt đất 8 17
trong đó c là vận tốc truyền của ánh sáng trong không gian tự do, εef f là hằng số điện môi của chất nền. Quá trình thiết lập các tần số f1 , f2 , f3 và f4 của bốn băng thông tương ứng được thực hiện bằng việc thay đổi hợp lý kích thước của các mạch cộng hưởng trên phần mềm mô phỏng HFSS. Một cấu trúc bộ lọc bốn băng đề xuất có kích thước được xác định chi tiết trong Bảng 2.2. Kết quả mô phỏng được biểu diễn như Hình 2.3(b) với các giá trị nhận được là: Tần số trung tâm bốn băng là (2,5/3,5/4,9 và 5,8)GHz, độ rộng dải thông -3dB (5,6/3,4/1,3 và 2,1)% tương ứng. Hệ số tổn hao chèn và hệ số tổn hao phản hồi của bốn băng tương ứng là (a) (b) (1,6/1,59/2,3 và 2,0)dB và (17,4/17,8/23 và 23,4)dB. 09 điểm 0 đường truyền (T Z1 đến T Z9 ) đã cải thiện đáng kể đặc tính chọn lọc tần số và khả năng cách Hình 3.3: Cấu trúc và đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất có sử dụng DGS hình ly giữa các băng thông liền kề của bộ lọc. chữ H. (a) Cấu trúc bộ lọc. (b) Đáp ứng S11 và S21 . Bảng 2.2: Tham số vật lý của bộ lọc bốn băng đề xuất (tính bằng mm) Sau khi bổ sung vào mặt phẳng đất của bộ lọc vi dải ghép song song một Tham Giá Tham Giá Tham Giá Tham Giá DGS hình chữ H, các tham số S11 và S21 của bộ lọc được cải thiện đáng kể như số trị số trị số trị số trị hiển thị trên Hình 3.4 với các giá trị cụ thể là băng thông hiệu dụng tăng từ L1 7,9 L8 6,55 W1 1,5 S2 0,2 13,6% lên đến 15,5%, tổn hao chèn tăng từ -1,75dB lên -1,0dB và tổn hao phản L2 2,0 L9 1,7 W2 0,5 S3 0,2 hồi giảm từ -10,2dB xuống -21dB như hiển thị trong Hình 3.4. L3 5,3 L10 1,75 W3 0,5 S4 0,5 L4 2,3 L11 6,1 W4 0,5 S5 1,7 L5 2,3 L12 8,4 W5 0,7 W5 0,5 L6 1,9 L13 12 W6 0,8 L7 2,5 L14 6,5 S1 0,2 2.2.2 Chế tạo bộ lọc, đo kiểm và bình luận Để kiểm chứng lý thuyết phân tích ở trên, một mẫu bộ lọc thông dải bốn băng được thiết kế, chế tạo trên vật liệu Rogers RO 4350, hằng số điện môi εr = 3, 66, độ dày h = 0,762mm như thể hiện trên Hình 2.4(a). Hình 3.4: So sánh S11 và S21 trong trường hợp không và có sử dụng DGS chữ H. Sau nhiều lần điều chỉnh thiết kế chế tạo bù sai số, chọn linh kiện tốt và thực nghiệm bảo đảm chất lượng, một mẫu bộ lọc bốn băng được chế tạo có 3.1.2 Chế tạo và đo kiểm bộ lọc đề xuất kích thước (14 x 16,6)mm với kết quả đo kiểm trên máy phân tích mạng véc-tơ Bộ lọc vi dải đề xuất được thiết kế, chế tạo trên vật liệu Roger RO 4350 có Anritsu 37247D đạt gần giống kết quả mô phỏng như Hình 2.4(b). Hệ số chọn hằng số điện môi εr = 3,66 và độ dầy h = 0,762mm có kích thước (14 × 9,85)mm lọc tần số của các băng tần tương ứng đạt: 0,54/0,41/0,47/0,27 cho thấy đặc với hình ảnh mặt trước và mặt sau như thể hiện trên Hình 3.5(a). tính chọn lọc của các băng tốt. Kết quả đo kiểm mẫu bộ lọc đề xuất (chế thử lần đầu tiên) trên máy phân So sánh với một số bộ lọc tương tự trước đó [80-83] thấy rằng, bộ lọc vi 16 9
Mặt trên Cấu trúc bộ lọc (a) (b) Mặt dưới Hình 2.4: Hình ảnh và kết quả đo kiểm. (a) Hình ảnh bộ lọc. (b) So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo kiểm. Hình 3.1: Cấu trúc bộ lọc đề xuất. một mạch cộng hưởng đường truyền ghép song song kết nối trực tiếp đến đoạn dải bốn băng đề xuất có đặc tính chọn lọc tần số và khả năng cách ly giữa các mạch dải 50Ω để ghép nguồn tín hiệu vào/ra như thể hiện trên Hình 3.2(a). băng tần liền kề tốt do có 09 điểm 0 đường truyền được tạo ra trong đáp ứng Mô phỏng với phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế bộ lọc đề xuất và nhận được tần số. L1 2.2.3 Kết luận W1 Cổng 1 Một bộ lọc vi dải bốn băng mới đáp ứng yêu cầu của WLAN, WiMAX và L ứng dụng riêng truy cập an ninh công cộng mạng không dây đô thị (băng thông W2 4,9GHz) được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công với bốn băng công S Cổng 2 tác tại (2,5/3,5/4,9 và 5,8)GHz có thể kiểm soát độc lập, đặc tính chọn lọc và khả năng cách ly giữa các băng tần tốt. Kết quả đo kiểm phù hợp với phân tích lý thuyết và gần giống kết quả mô phỏng. 2.3 Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng sử dụng cộng (a) (b) hưởng tải dây chêm đa mode nhúng trong mạch cộng Hình 3.2: Cấu trúc và đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất không sử dụng DGS hình hưởng vòng đơn mode chữ H. (a) Cấu trúc bộ lọc. (b) Đáp ứng S11 và S21 . Đề xuất này thiết kế một cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng mới sử dụng mạch cộng hưởng trở kháng đồng dạng tải dây chêm hở/ngắn mạch được nhúng kết quả mô phỏng như biểu diễn trên Hình 3.2(b) với đặc tính nhận được là trong mạch cộng hưởng vòng hở. Bằng cách điều chỉnh hợp lý các kích thước tần số trung tâm 5,6GHz, tổn hao chèn -1,75dB, tổn hao phản hồi -10,2dB. và khoảng cách ghép tương ứng của các mạch cộng hưởng, bốn băng thông tại Để cải thiện giá trị hệ số tổn hao của bộ lọc được thiết kế, một cấu trúc (1,54, 2,5, 3,4 và 5,3)GHz được thiết kế cho các ứng dụng trong hệ thống GPS, DGS hình chữ H được sử dụng và khắc bổ sung vào mặt phẳng đất như thể WLAN và WiMAX tương ứng. Hơn nữa, 11 điểm 0 đường truyền được tạo ra hiện trên Hình 3.3(a) Giá trị L và C của đơn vị DGS chữ H được tính gần đúng trong đáp ứng tần số đã cải thiện đáng kể hệ số dốc cạnh băng thông nâng theo các biểu thức (1.2). 10 15
cao đặc tính lọc tần số và hiệu quả dải chặn của bộ lọc. Một bộ lọc vi dải bốn băng mới được thiết kế, chế tạo và đo kiểm. Kết quả đo kiểm gần giống với kết Chương 3 quả mô phỏng đã khẳng định tính khả thi của bộ lọc đề xuất. BỘ LỌC VI DẢI CỘNG HƯỞNG ĐƯỜNG TRUYỀN GHÉP 2.3.1 Thiết kế, phân tích cấu trúc và mô phỏng bộ lọc đề xuất SONG SONG SỬ DỤNG CẤU TRÚC KHUYẾT ĐẤT Cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất gồm hai mạch cộng hưởng trong được nhúng trong hai mạch cộng hưởng vòng bao quanh bên ngoài. Mạch cộng Để nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải, nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau hưởng bên trong là mạch cộng hưởng trở kháng đồng dạng mắc một tải dây đã được nghiên cứu và thực hiện. Trong đó, giải pháp thiết kế nâng cao chất chêm hở mạch và một tải dây chêm ngắn mạch tại điểm giữa để thực hiện cộng lượng bộ lọc vi dải sử dụng kỹ thuật cấu trúc khuyết đất (DGS) được áp dụng hưởng đa mode với nhiều điểm 0 đường truyền và tạo ra ba băng tần thứ nhất với ưu điểm là hiệu suất băng thông hầu như không thay đổi khi thêm vào (f1 ), thứ hai (f2 ) và thứ ba (f3 ). Mạch cộng hưởng bên ngoài là mạch cộng mặt phẳng đất các cấu trúc DGS và dễ dàng kiểm soát các tham số của bộ lọc trong quá trình thiết kế. Trong chương này, tác giả đề xuất giải pháp thiết kế L2 L1 L4 thứ hai là sử dụng kỹ thuật DGS nhằm nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải cộng L7 L8 S8 W1 W4 d S7 hưởng ghép song song ứng dụng trong các hệ thông vô tuyến hiện nay. 03 bộ L9 S6 L6 Port2 L3 lọc vi dải đơn băng, băng rộng và hai băng sử dụng kỹ thuật DGS cải thiện hệ W3 TZ9 TZ10 số tổn hao được thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành công đã khẳng định tính W2 TZ5 TZ8 TZ11 Port1 S3 TZ2 đúng đắn của giải pháp thiết kế và các cấu trúc bộ lọc đề xuất. S2 S4 L5 S5 TZ1 TZ7 TZ4 TZ6 TZ3 W5 3.1 Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải cộng hưởng ghép song S1 song sử dụng DGS hình chữ H ứng dụng cho WLAN (a) (b) Đề xuất này thiết kế một cấu trúc bộ lọc vi dải đơn băng sử dụng kỹ thuật DGS ứng dụng cho WLAN tần số 5,6GHz được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm. Hình 2.5: Cấu trúc và đáp ứng tần số. (a) Cấu trúc. (b) Đáp ứng tần số. Bộ lọc được thiết kế trên cấu trúc hai mặt phẳng gồm một mạch cộng hưởng hưởng vòng hở tạo ra băng tần thứ tư (f4 ), mạch cộng hưởng này được kết nối vi dải ghép song song ở mặt phẳng trên và một DGS hình chữ H ở mặt phẳng với hai đoạn mạch dải trở kháng đặc tính 50Ω đóng vai trò là cổng vào/ra của đất. Bằng cách điều chỉnh hợp lý kích thước vật lý mạch cộng hưởng ghép song bộ lọc đề xuất. Để giảm thiểu kích thước và giảm tương hỗ lẫn nhau giữa các song, kích thước và vị trí đặt DGS hình chữ H thì các tham số đặc tính của bộ mạch cộng hưởng của bộ lọc, các mạch cộng hưởng trong và ngoài được thiết lọc đề xuất được cải thiện đáng kể và kiểm soát dễ dàng. kế nhúng vào nhau và uốn gấp hợp lý như Hình 2.5(a). 3.1.1 Thiết kế cấu trúc bộ lọc và mô phỏng Tần số bốn băng được xác định theo (2.8), (2.9), (2.10) và (2.11). c Để ứng dụng cho hệ thống WLAN băng tần thấp, một bộ lọc vi dải với yêu f4 ≈ √ , (2.8) 2 [2 (L3 + W1 + (L4 − L1 )) + 2L2 ] εef f cầu hoạt động tại 5,6GHz, băng thông lớn hơn 380MHz (chuẩn IEEE 802.11a), tổn hao chèn lớn hơn -3dB, tổn hao phản hồi nhỏ hơn -15dB và mức triệt nhiễu c fo1 = √ (2.9) 2(L6 + L7 ) εef f dải chặn nhỏ hơn -20dB được thiết kế trên chất nền Roger RO 4350, hằng số điện môi εr = 3,66 và độ dầy h = 0,762mm. c fe1 = √ (2.10) Cấu trúc tổng thể của bộ lọc thiết kế như Hình 3.1. Trong đó, ở mặt trên 2(L6 + L7 + 2L5 ) εef f 14 11
c fe2 = √ , (2.11) (L6 + L7 + 2(L8 + S8 + L9 + S4 )) εef f S11 S21 trong đó c là vận tốc truyền ánh sáng trong không gian tự do, εef f là hằng số điện môi hiệu dụng của chất nền. Thực hiện mô phỏng bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất trên phần mềm HFSS và nhận được kết với bốn băng tần công tác tại (1,54/2,5/3,4/5,3)GHz như biểu diễn trong Hình 2.5(b), kích thước của bộ lọc được xác định trong Bảng 2.3. 08 điểm 0 đường truyền (T Z2 - T Z9 ) được tạo ra làm tăng độ dốc cạnh băng thông, nâng cao hệ số chọn lọc tần số mỗi băng thông. Bên cạnh đó, ba điểm (a) (b) 0 đường truyền khác là T Z1 , T Z10 và T Z11 giúp cải thiện dải chặn trên và dải chặn dưới của bộ lọc hư thể hiện trong Hình 2.5(b). Hình 2.6: Hình ảnh và đáp ứng tần số. (a) Hình ảnh bộ lọc. (b) Đáp ứng tần số. 2.3.2 Chế tạo, đo kiểm và bình luận 2.3.3 Kết luận Để minh chứng cho phân tích lý thuyết và mô phỏng nêu trên, một mẫu bộ lọc vi dải bốn băng có tần số 1,54, 2,5, 3,4 và 5,3GHz được chế tạo trên chất Bộ lọc vi dải bốn băng chất lượng cao được nghiên cứu thiết kế thành công nền có εr = 3,66 và độ dày h = 0,8mm như Hình 2.5(a). Mẫu bộ lọc vi dải bốn theo giải pháp thiết kế kết hợp cấu trúc cộng hưởng tải dây chêm ngắn/hở mạch đa mode với mạch cộng hưởng vòng hở đơn mode để tạo ra bộ lọc vi dải Bảng 2.3: Tham số kích thước của cấu trúc bộ lọc đề xuất (tính theo mm) bốn băng mới có 11 điểm 0 đường truyền trong đáp ứng tần số nâng cao chất Tham Tham Tham Tham lượng bộ lọc. Một mẫu bộ lọc vi dải bốn băng công tác tại 1,54/2,5/3,4/5,3GHz Giá trị Giá trị Giá trị Giá trị số số số số tương ứng được chế tạo thử nghiệm thành công với kết quả đo kiểm gần giống L1 3,2 L7 13,2 W3 0,5 S4 0,6 kết quả mô phỏng đã khẳng định tính khoa của giải pháp thiết kế và cấu trúc L2 11 L8 16,2 W4 0,5 S5 0,2 bộ lọc đề xuất. L3 10,7 L9 11,7 W5 0,5 S6 0,6 2.4 Kết luận chương 2 L4 5,9 d 0,5 S1 1,0 S7 0,3 L5 3,3 W1 1,5 S2 0,4 S8 0,5 Trong chương 2, đề xuất giải pháp thứ nhất để thiết kế bộ lọc vi dải đa L6 13,2 W2 0,5 S3 0,2 băng chất lượng cao ứng dụng trong các hệ thống GPS, WLAN, WiMAX. 03 cấu trúc bộ lọc vi dải ba và bốn băng mới đề xuất đã được thiết kế thử nghiệm băng được chế tạo theo thiết kế có kích thước (20,8 × 13,0)mm được thể hiện thành công. Các kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp thiết kế bộ lọc đa như Hình 2.6(a). Do kiểm với mẫu bộ lọc thử nghiệm tốt nhất trên máy phân băng sử dụng mạch cộng hưởng tải dây chêm đa mode kết hợp với mạch cộng tích mạng véc-tơ Agilent 8753ES và nhận được kết quả đo gần giống kết quả hưởng đơn mode, cấp nguồn trực tiếp kiểu dây rẽ đã tạo ra rất nhiều điểm 0 mô phỏng như thể hiện trên Hình 2.6(b). Trong đó, tổn hao chèn và tổn hao đường truyền trong đáp ứng tần số, đã cải thiện đáng kể đặc tính chọn lọc tần phản hồi của bốn băng tương ứng là (-0,3/-1,1/-0,3/-1,4)dB và (-20/-22/-17/- số và khả năng cách ly giữa các băng tần liền kề, nâng cao chất lượng bộ lọc. 20)dB, hệ số chọn lọc tần số K của bốn băng tương ứng là 0,24/0,45/0,4/0,25. Kết quả thử nghiệm thành công 03 mẫu bộ lọc ứng dụng giải pháp đề xuất So sánh bộ lọc đề xuất với một số bộ lọc đã được công bố trong [17-19] cho thứ nhất đã khẳng định tính khoa học đúng đắn của giải pháp thiết kế và các thấy bộ lọc đề xuất có đặc tính chọn lọc tần số và khả năng cách ly giữa các cấu trúc đề xuất. băng tần liền kề tốt hơn. 12 13