Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển các bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng, ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

án phù hợp với thực tiễn hoạt động khoa học nghiên cứu trong thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần đa băng trên kết cấu mạch dải không đối xứng, làm đơn giản hóa việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của các băng tần một cách độc lập, giải quyết được các vấn đề khó khăn và phức tạp trước đây do ảnh hưởng phụ thuộc lẫn nhau giữa các tần số cộng hưởng trung tâm của một bộ lọc siêu cao tần đa băng. 6. Bố cục luận án Bố cục của luận án gồm: Mở đầu, 3 chương và kết luận. 3  Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, những đóng góp mới của luận án.  Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG  Chương 2: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG  Chương 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT  Kết luận: Những đóng góp mới của luận án, hướng phát triển nghiên cứu. 4 Chương 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG 1.1. Tổng quan về bộ lọc siêu cao tần đa băng 1.1.1. Giới thiệu chung về bộ lọc siêu cao tần đa băng Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng với chức năng chọn lọc tần số hoạt động. Đối với hệ thống thông tin vô tuyến hoạt động ở dải siêu cao tần, bộ lọc siêu cao tần thu/phát là khối nằm cạnh khối ăng-ten. Hình 1.1. Sơ đồ khối rút gọn hệ thống thông tin vô tuyến siêu cao tần. Hiện nay phương pháp sử dụng kết cấu mạch dải, nhất là mạch dải không đối xứng (microstrip) đang là xu hướng phát triển. 1.1.2. Các phương pháp thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng 1) Phương pháp dựa trên các lý thuyết thiết kế bộ lọc kinh điển. 2) Phương pháp sử dụng các điểm không truyền dẫn. 3) Phương pháp sử dụng bộ cộng hưởng đa chế độ. 4) Phương pháp nối tầng các bộ lọc độc lập. 1.2. Tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần đa băng 1.2.1. Các nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần đa băng  Các nghiên cứu về bộ lọc hai băng. Bộ lọc thu Khuếch đại cao tần Lọc siêu cao tần Ăng-ten Bộ trộn Bộ lọc thông dải Bộ lọc phát Khuếch đại công suất Bộ lọc thông dải Bộ trộn Xử lý tín hiệu Ngoại sai 5  Các nghiên cứu về bộ lọc ba băng.  Các nghiên cứu về bộ lọc bốn băng. 1.2.2. Nhận xét chung Nhiều phương án đã đem lại các kết quả ngày một hoàn thiện, tuy nhiên qua tổng hợp và đánh giá một số công trình tiêu biểu, các nghiên cứu chưa tập trung vào khả năng thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần một cách độc lập và đơn giản. 1.3. Hướng nghiên cứu của luận án Hướng tập trung của luận án là nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ mới có khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần sử dụng thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần đa băng. 1.4. Tiêu chí chung các bộ lọc siêu cao tần đa băng đề xuất - Các băng tần cho các công nghệ: trong dải quy định 4G (1,8GHz), WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); hoặc trong dải lựa chọn từ 5GHz đến 6GHz cho WLAN hoặc WiMAX. - Trong các băng tần -3dB ≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB. - Rogers RO4003 εr=3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027. 1.5. Kết luận Chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan về bộ lọc siêu cao tần đa băng, các phương pháp cơ bản để thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng đã được tổng hợp và đánh giá khái quát qua các tài liệu nghiên cứu. Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án, xây dựng tiêu chí chung. 6 Chương 2 XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG 2.1. Các cấu trúc cộng hưởng cơ bản 2.1.1. Bộ cộng hưởng ½ bước sóng Hình 2.1. Đoạn đường truyền mạch vi dải hở mạch đầu cuối. Tần số cộng hưởng: effL c f 02  2.1.2. Bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch Hình 2.2. Cấu trúc của bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch. Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: effA o L c f 2  , chế độ chẵn: effBA e LL c f )2(   2.1.3. Bộ cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Hình 2.3. Phân tích cấu trúc dây chêm ngắn mạch theo chế độ chẵn, lẻ: (a) cấu trúc dây chêm ngắn mạch; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn. Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: effA o L c f 2  , chế độ chẵn: effBA e LL c f )2(2   2.1.4. Bộ cộng hưởng chữ thập Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: effA o L c f 2  . Z0 L0 Zin ZL 0 0’ Z1 Z2 LB LA Z1 LA/2 (b) Z1 LB LA/2 2Z2 (c) 0 0’ Z1 Z2 LB LA (a) 7 Tần số cộng hưởng chế độ chẵn: effBA e LL c f )2(2 1   ; effCA e LL c f )2( 2   Hình 2.4. Phân tích cấu trúc chữ thập: (a) cấu trúc chữ thập; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn; (d) chế độ chẵn 1; (e) chế độ chẵn 2. 2.1.5. Nhận xét chung Các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được trình bày ở trên có khả năng độc lập trong việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần. 2.2. Xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng 2.2.1. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Hình 2.5. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch. Tần số cộng hưởng đoạn mạch đường truyền ½ bước sóng: effL c f   02  Tần số cộng hưởng dây chêm ngắn mạch: effA o L c f 2  ; effBA e LL c f )2(2   0 LB (c) 0’ Z1 Z2 LB LA LC Z3 (a) Z1 LA/2 Z1 LA/2 2Z3 LC (b) Z1 LB Z1 LA/2 2Z3 LC (e) (d) 2Z2 2Z2 Zin,o Zin,e Zin,e1 Zin,e2 LA/2 Vào Z1 LA Z2 LB 0-0’ L0=λg/2 Ra d W0 W1 W2 8 Bảng 2.1. So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết. Tần số cộng hưởng Độ dài Tính toán lý thuyết (mm) Kết quả mô phỏng (mm) fo=2,4GHz LA 37,51 37,70 fe=1,8GHz LB 6,25 6,36 fλ=3,5GHz L0 25,72 26,01 Hình 2.6. Kết quả mô phỏng giá trị /S21/ của bộ lọc khi thay đổi giá trị khoảng cách d. 2.2.2. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi Hình 2.7. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi: (a) Cấu trúc chữ thập cơ bản; (b) Biến đổi đoạn dây chêm hở mạch LC thành vòng vuông; (c) Di chuyển vòng vuông lên trên. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng: effA o L c f 2  ; effBA e LL c f )2(2 1   ; effCA e LL c f )2( 2   Z2 LC LC LB 2Z3 0’ 0 Z1 Z2 LA (c) 2Z3 Z2 (b) 0 Z1 LB LA 0’ 0 LB Z3 LC (a) Z1 LA 0’ W1 W2 W3 ’ W3 9 Bảng 2.2. So sánh So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết. Tần số cộng hưởng Độ dài Tính toán lý thuyết (mm) Kết quả mô phỏng (mm) fo=2,4GHz LA 37,51 37,70 fe1=1,8GHz LB 6,25 6,36 fe2=3,5GHz LC 6,97 7,24 Hình 2.8. Kết quả mô phỏng các giá trị /S21/ của ba cấu trúc cộng hưởng chữ thập. 2.2.3. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng . Hình 2.9. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng fo, fe1, fe2. Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng tần số cộng hưởng thứ tư effL c f   02  . Z1 LA 2Z3 LC Z2 LB 0-0’ L0=λg/2 Vào Ra d W0 W1 W3 W2 10 Hình 2.10. Kết quả mô phỏng giá trị /S21/ của bộ lọc khi thay đổi giá trị khoảng cách d. 2.2.4. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch . Hình 2.11. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch. Tần số cộng hưởng thứ tư do thêm đoạn mạch dây chêm: effDA e LL c f )2( 3   2.3. Kết luận Chương 2 Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu, phân tích về các cấu trúc cộng hưởng cơ bản có khả năng độc lập trong việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần. Dựa trên các cấu trúc cộng hưởng cơ bản, đề xuất bốn cấu trúc cộng hưởng mới có khả năng điều chỉnh tần số độc lập. W4 Z3 W3 LC 0 Z1 Z2 LB LA Z4 LD 0’ Vào Ra W1 W2 11 Chương 3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT 3.1. Cơ sở thiết kế, mô phỏng các bộ lọc siêu cao tần đa băng Bộ lọc siêu cao tần đa băng được thiết kế, mô phỏng và chế tạo dựa trên bốn cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất trong Chương 2. Hai cấu trúc cộng hưởng được sử dụng cho thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng và hai cấu trúc cộng hưởng cho bộ lọc siêu cao tần bốn băng. Các bộ lọc được thiết kế có theo các tiêu chí kỹ thuật chung: - Các băng tần cho các công nghệ: trong dải quy định 4G (1,8GHz), WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); hoặc trong dải lựa chọn từ 5GHz đến 6GHz cho WLAN hoặc WiMAX. - Trong các băng tần -3dB ≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB. - Rogers RO4003 εr=3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027. 3.2. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch 3.2.1. Thiết kế, mô phỏng Bộ lọc siêu cao tần ba băng được thiết kế với các tần số trung tâm của các băng tần là 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz. Bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch. Hình 3.1. Mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch. Theo thiết kế, trên mô hình cấu trúc của bộ lọc có hai cổng vào/ra được phối hợp trở kháng 50 với các giá trị các giá trị L10 và W0. Vào S1 L1 L7 L8 L5 W1 W3 L6 L2 L3 L4 W2 S2 S3 L10 L9 W0 Ra 12 Đoạn mạch chính LA=L1+L2+L3+L4+L5 trên cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch quyết định tần số cộng hưởng băng thứ hai fo=2,4GHz. Độ dài của đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L6 trong cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ nhất fe1=1,8GHz. Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài L0=L7+L8+L9 tạo ra tần số cộng hưởng băng tần thứ ba fλ=3,5GHz hoàn toàn độc lập. Bảng 3.1. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần ba băng với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch. Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L1 9 L7 9,9 W2 1,65 L2 11,46 L8 16,5 W3 2 L3 5,1 L9 23,4 S1 0,17 L4 10,2 L10 6,5 S2 0,44 L5 5,16 W0 1,78 S3 0,6 L6 3,7 W1 1 Đường kính ngắn mạch d=0,5mm, kích thước 27,28mm x 28,04mm. Hình 3.2. Đặc tuyến tần số của bộ lọc ba băng đề xuất. Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày trong Bảng 3.2: 13 Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc ba băng được thiết kế. Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng 1 Băng 2 Băng 3 Tần số trung tâm (f0) GHz 1,8 2,4 3,5 Tổn hao chèn (IL) dB 2,18 2,52 2,77 Tổn hao phản hồi (RL) dB 14,54 31,07 25,36 Băng thông (BW) MHz 100 100 135 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 5,56 4,17 3,86 Hệ số phẩm chất ngoài (Qe) f0/ f-3dB 18,00 24,00 25,92 Độ chọn lọc tần số (K) -3dB / -20dB 0,48 0,46 0,35 3.2.2. Đánh giá Bộ lọc siêu cao tần với cấu trúc cộng hưởng kết hợp giữa cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch tạo ra ba băng tần với các tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz. Các đặc tính kỹ thuật của bộ lọc phù hợp với các chỉ tiêu chính, hệ số tổn hao chèn trong cả ba băng thông đều nhỏ hơn 3dB, hệ số phản hồi của băng tần thứ nhất đạt so với chỉ tiêu thiết kế (14,54dB) của băng thứ hai và thứ ba rất tốt (31,07dB và 25,36dB). Ưu điểm của bộ lọc là có khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của ba băng tần. Hạn chế của cấu trúc đề xuất này là độ dài của cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài phụ thuộc vào kích thước vật lý của cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên trong, việc thay đổi độ dài không hoàn toàn tùy ý do ảnh hưởng đến việc phối ghép. Ngoài ra cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng cũng có thể tạo ra các hài có thể ảnh hưởng đến các giá trị tần số cộng hưởng của cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên trong, trong quá trình thiết kế cần phải tránh các ảnh hưởng này. 3.3. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi 3.3.1. Thiết kế, mô phỏng Bộ lọc siêu cao tần ba băng được thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi với các tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz. Theo mô hình thiết kế, của bộ lọc có hai cổng vào/ra được phối hợp trở kháng 50 với các giá trị các giá trị L0 và W0. Đoạn mạch chính trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LA=L1+L2+L3+L4 quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ hai fo=2,4GHz. 14 Đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L5 trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi được sử dụng để lựa chọn tần số cộng hưởng băng thứ nhất fe1=1,8GHz. Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi. Độ dài ½ vòng vuông trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LC=L6+L7 quyết định giá trị tần số cộng hưởng thứ ba fe2=3,5GHz. Bảng 3.3. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần ba băng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi. Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L1 10,3 L6 5,5 W2 1 L2 9 L7 8,3 W3 0,8 L3 8,5 L0 12 S1 0,19 L4 10,8 W0 1,78 S2 0,14 L5 3 W1 1 Đường kính của đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý của bộ lọc là 21,16mm x 18,20mm. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc: Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày trong Bảng 3.4: Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc ba băng được thiết kế. Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng 1 Băng 2 Băng 3 Tần số trung tâm (f0) GHz 1,8 2,4 3,5 Tổn hao chèn (IL) dB 1,54 1,16 1,92 Tổn hao phản hồi (RL) dB 26,31 28,58 31,56 Băng thông (BW) MHz 106 184 126 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 5,89 7,67 3,6 Hệ số phẩm chất ngoài (Qe) f0/ f-3dB 16,98 13,04 27,78 Độ chọn lọc tần số (K) -3dB / -20dB 0,36 0,40 0,27 S2 W1 S1 W2 L6 Vào Ra L1 L7 L5 W3 L2 L3 L4 L0 W0 15 Hình 3.4. Đặc tuyến tần số của bộ lọc ba băng đề xuất. 3.3.2. Đánh giá So với bộ lọc đề xuất trong Phần 3.3.1, bộ lọc này có các chỉ tiêu đặc tính kỹ thuật tốt hơn, trong cả ba băng tần hệ số tổn hao chèn đều nhỏ hơn 2dB, hệ số phản hồi đều lớn hơn 25dB. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có khả năng phát triển tiếp thành cấu trúc cộng hưởng mới cho bộ lọc bốn băng. 3.4. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi 3.4.1. Thiết kế, mô phỏng Bộ lọc sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi với các tần số là 2,4GHz, 3,5GHz, 5,0GHz và 5,6GHz. Hình 3.5. Mô hình cấu trúc bộ lọc bốn băng với cấu trúc cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi. Vào S1 L1 L7 L8 L W2 W1 L6 L2 L3 L W2 SSL13 L9 W0 Ra L1 L12 L11 W4 W3 S4 16 Theo thiết kế, trên mô hình cấu trúc của bộ lọc có hai cổng vào/ra được phối hợp trở kháng 50 với các giá trị L13 và W0. Đoạn mạch chính LA=L1+L2+L3+L4+L5 trên cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi quyết định giá trị tần số cộng hưởng băng thứ hai fo=3,5GHz. Độ dài của đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L6 được sử dụng để lựa chọn và điều chỉnh giá trị tần số cộng hưởng băng tần thứ nhất fe1=2,4GHz. Độ dài ½ vòng vuông trên cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi bằng LC=L11+2L12 quyết định giá trị tần số cộng hưởng fe2=5GHz. Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài L0=L9+L10+L11+L12 quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ tư fλ=5,6GHz. Bảng 3.5. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần bốn băng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi. Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L1 9,8 L9 12,1 W3 0,28 L2 5,5 L10 3,9 W4 1 L3 4,7 L11 3,05 S0 0,2 L4 6,5 L12 3,1 S1 0,15 L5 4,1 L13 7,3 S2 0,6 L6 3,3 W0 1,78 S3 0,5 L7 5,01 W1 1,2 L8 11,79 W2 0,5 Đường kính của đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý của bộ lọc là 18,56mm x 22,48mm. Hình 3.6. Đặc tuyến tần số của bộ lọc bốn băng đề xuất. 17 Bảng 3.6. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc bốn băng được thiết kế. Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng 1 Băng 2 Băng 3 Băng 4 Tần số trung tâm (f0) GHz 2,4 3,5 5 5,6 Tổn hao chèn (IL) dB 1,57 2,05 2,27 1,39 Tổn hao phản hồi (RL) dB 22,4 15,5 25,4 24,1 Băng thông (BW) MHz 101 100 170 400 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 4,2 2,9 3,4 6,9 Hệ số phẩm chất ngoài (Qe) f0/ f-3dB 23,7 35 29,4 14,5 Độ chọn lọc tần số (K) -3dB / -20dB 0,47 0,45 0,58 0,15 3.4.2. Đánh giá Bộ lọc siêu cao tần sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi đã tạo ra bốn băng tần độc lập với các tần số cộng hưởng trung tâm 2,4GHz, 3,5GHz, 5GHz và 5,6GHz. Các tần số cộng hưởng trung tâm của các băng tần được thiết lập và điều chỉnh hoàn toàn độc lập. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ lọc đều đạt so với yêu cầu thiết kế, riêng băng tần thứ tư với tần số cộng hưởng trung tâm fλ quá rộng do khó điều chỉnh. Hạn chế của cấu trúc này là việc điều chỉnh dải thông của các băng tần phức tạp, đặc biệt là băng thứ tư do ảnh hưởng của việc ghép kết hợp giữa hai cấu trúc cộng hưởng. 3.5. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch 3.5.1. Thiết kế, mô phỏng Bộ lọc được thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch có bốn tần số cộng hưởng trung tâm fe1, fo, fe2 fe3. Hình 3.7. Mô hình cấu trúc bộ lọc bốn băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch. Ra S1 W0 Vào L1 L7 L8 L5 W1 W3 L6 L2 L3 L4 W2 S0 S2 S3 S4 L10 L0 L9 W4 18 Hai cổng vào/ra được phối hợp trở kháng 50 với các giá trị L10 và W0. Đoạn mạch chính trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LA=L1+L2+L3+L4 quyết định tần số cộng hưởng băng hai fo=2,4GHz. Khi tần số fo đã được lựa chọn, độ dài đoạn dây chêm ngắn mạch LB trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi sẽ được dùng để lựa chọn giá trị tần số cộng hưởng thứ nhất fe1=1,8GHz. Trong cấu trúc, giá trị độ dài L7 được sử dụng để lựa chọn và điều chỉnh tần số cộng hưởng fe1. Độ dài ½ vòng vuông trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LC quyết định giá trị tần số cộng hưởng thứ tư fe2=5GHz. Theo thiết kế LC=L8+2L9, độ dài L9 được sử dụng để lựa chọn và điều chỉnh tần số fe2. Đoạn dây chêm hở mạch được thêm vào có độ dài LD=L5+ L6 quyết định giá trị của tần số cộng hưởng thứ ba fe3=3,5GHz. Độ dài L5 được sử dụng để điều chỉnh tần số fe3. Các tham số W0, W1, W2, W3 và W4 được sử dụng để điều chỉnh trở kháng đặc tính của các đoạn mạch. Các tham số S0, S1, S2, S3 và S4 là các hệ số ghép điện dung trên cấu trúc, được sử dụng để điều chỉnh đặc tính của các băng tần bộ lọc thiết kế. Với phương án thiết kế như vậy, việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của ba băng tần cũng sẽ đơn giản và độc lập. Bảng 3.7. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần bốn băng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch. Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L0 8,5 L7 2,3 W3 0,45 L1 13,2 L8 2,1 W4 1 L2 6 L9 3,6 S0 0,17 L3 8,5 L10 10,1 S1 0,17 L4 10,7 W0 1,78 S2 0,14 L5 6,3 W1 1 S3 1,8 L6 5,1 W2 0,75 S4 1,5 Đường kính của đoạn ngắn mạch có giá trị d=0,5mm, kích thước vật lý của bộ lọc là 18,56mm x 22,48mm. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày trong Bảng 3.8: 19 Bảng 3.8. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc bốn băng được thiết kế. Thông số kỹ thuật Đơn vị Băng 1 Băng 2 Băng 3 Băng 4 Tần số trung tâm (f0) GHz 1,8 2,4 3,5 5 Tổn hao chèn (IL) dB 1,39 1,07 1,71 2,96 Tổn hao phản hồi (RL) dB 30,34 23,75 21,70 27,67 Băng thông (BW) MHz 109 168 120 120 Băng thông hiệu dụng (FBW) % 6,06 7,00 3,43 2,40 Hệ số phẩm chất ngoài (Qe) f0/ f-3dB 16,51 14,28 29,17 41,67 Độ chọn lọc tần số (K) -3dB / -20dB 0,29 0,31 0,28 0,22 Hình 3.8. Đặc tuyến tần số của bộ lọc bốn băng đề xuất. 3.5.2. Đánh giá Bộ lọc siêu cao tần với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch đã tạo ra bốn băng tần với các tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz, 3,5GHz và 5GHz. Các tần số cộng hưởng trung tâm của các băng tần được thiết lập và điều chỉnh hoàn toàn độc lập. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ lọc đều vượt trội vượt trội so với yêu cầu thiết kế. Cả bốn băng tần của bộ lọc đều có giá trị tuyệt đối hệ số tổn hao chèn nhỏ hơn 2dB, hệ số phản hồi lớn hơn 20dB. Hệ số chế áp ngoài dải lớn hơn 30dB. 3.6. So sánh, đánh giá các sản phẩm chế tạo Bốn mô hình cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng được chế tạo thành các sản phẩm thực tế để so sánh, đánh giá kiểm tra kết quả nghiên cứu tính toán. 20 3.6.1. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch Hình 3.9. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/. 3.6.2. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi Hình 3.10. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/. 3.6.3. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi Hình 3.11. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/. 21 3.6.4. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch Hình 3.12. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/. 3.7. So sánh, đánh giá các cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất Bảng 3.9. Tổng hợp so sánh, đánh giá các cấu trúc cộng hưởng đề xuất. TT Cấu trúc cộng hưởng Đặc điểm 1 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch. - Bộ lọc được thiết kế có ba tần số cộng hưởng trung tâm của ba băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập. - Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua hệ số ghép giữa hai cấu trúc cộng hưởng và ghép nghiêng 0o. - Cấu trúc kết hợp ghép giữa hai cấu trúc cộng hưởng nên phải phụ thuộc kích thước vật lý trong một khoảng nhất định. - Do cấu trúc bên ngoài là cộng hưởng ½ bước sóng nên xuất hiện nhiều hài có thể ảnh hưởng đến đặc tính tần số của bộ lọc. 2 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi. - Bộ lọc được thiết kế có ba tần số cộng hưởng trung tâm của ba băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập. - Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua ghép nghiêng 0o. - Cấu trúc cộng hưởng có thể phát triển tiếp cho bộ lọc bốn băng. 3 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi. - Bộ lọc được thiết kế có bốn tần số cộng hưởng trung tâm của bốn băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập. - Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua hệ số ghép giữa hai cấu trúc cộng hưởng và ghép nghiêng 0o. - Cấu trúc kết hợp ghép giữa hai cấu trúc cộng hưởng nên phải phụ thuộc kích thước vật lý trong một khoảng nhất định. - Do cấu trúc bên ngoài là cộng hưởng ½ bước sóng nên xuất hiện nhiều hài có thể ảnh hưởng đến đặc tính tần số của bộ lọc đa băng. 4 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch. - Bộ lọc được thiết kế có bốn tần số cộng hưởng trung tâm của bốn băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập. - Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua ghép nghiêng 0o. 22 3.8. Giải pháp thực hiện thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng thiết lập và điều chỉnh tần số cộng hưởng độc lập Kết quả nghiên cứu của luận án đã đề xuất được bốn cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần đa băng. Hai cấu trúc cộng hưởng sử dụng cho bộ lọc siêu cao tần ba băng, hai cấu trúc cộng hưởng sử dụng cho bộ lọc siêu cao tần bốn băng. Qua quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đánh giá các bộ lọc siêu cao tần đa băng với các cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất, giải pháp thực hiện được tổng hợp thành quy trình thiết kế, chế tạo đối với các cấu trúc cộng hưởng. 3.9. Kết luận Chương 3 Chương 3 đã trình bày các kết quả thiết kế, mô phỏng và đánh giá về bốn bộ lọc siêu cao tần đa băng sử dụng các cấu trúc cộng hưởng mới. Các kết quả nghiên cứu được chế tạo thực tế để kiểm tra, so sánh. Ưu điểm nổi bật của các bộ lọc được đề xuất là có khả năng đơn giản và độc lập trong việc thiết lập và điều chỉ