Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải

công bố. Trong phần này sẽ đi sâu phân tích so sánh các công trình liên quan tiêu biểu đối với các nghiên cứu thực tế của luận văn, để từ đó đưa ra những so sánh và phát triển theo hướng tích cực để luận án hoàn thiện tốt hơn. 1.3.2.1. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần. Mặc dù bộ lọc sử dụng hai băng tần hiện vẫn còn được sử dụng ở một số trang thiết bị vô tuyến điện tử nhưng rất ít dùng và vì luận án này không nghiên cứu nên không đề cập so sánh sâu hơn. 1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần. Trong tài liệu [90], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) đã đưa ra thiết kế một bộ lọc ba băng tần bằng cách đưa hai điểm truyền không vào một dải đáp ứng băng rộng. Các điểm truyền không thu được bằng cách sử dụng các đoạn song song hở mạch có cộng hưởng tương ứng với vị trí của các điểm truyền không, trong khi đáp ứng băng rộng dựa trên đoạn một phần tư bước sóng. Đáp ứng của bộ lọc này cho thấy, bộ lọc có hiệu suất kém trong vùng chắn dải. Hơn nữa, kích thước tổng thể của bộ lọc là rất lớn. Trong tài liệu [114], tác giả VanPhuong DO (Đỗ Văn Phương) đã đưa ra thiết kế bộ lọc bốn băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng nhiều chế độ, bằng cách kết hợp hai bộ cộng hưởng một phần tư bước sóng ngắn mạch và hai bộ cộng hưởng nửa bước sóng hở mạch. Bộ lọc này có ưu điểm là có thể điều chỉnh được độc lập các tần số cộng hưởng trung tâm, tuy nhiên do sử dụng nhiều cấu trúc khác nhau nên việc điều chỉnh độ rộng dải thông của mỗi tần số cộng hưởng sẽ khó khăn, do tín hiệu cao tần sẽ đồng thời truyền qua nhiều cấu trúc, mặt khác các cấu trúc khác nhau sẽ phụ thuộc vào kích thước vật lý nên sẽ có ảnh hưởng đến việc điều chỉnh băng tần của bộ lọc. 5 Trong tài liệu [84], tác giả Nguyễn Trần Quang cũng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thâp biến đổi kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc bốn băng tần. Bộ lọc này tuy có ưu điểm là điều chỉnh độc lập được các tần số cộng hưởng, nhưng có nhược điểm hạn chế là độ dài của cấu trúc nửa bước sóng phụ thuộc vào cấu trúc vật lý của đoạn chêm hở mạch. 1.3.2.3. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng. Trong tài liệu[10], một bộ cộng hưởng nửa bước sóng đoạn phân nhánh đơn được sử dụng để thiết kế một bộ lọc băng thông hẹp với hai điểm truyền không, và sau đó, bộ lọc này đã được thay đổi để thiết kế bộ lọc băng thông rộng trong [95]. Trong tài liệu [115], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng nhiều chế độ kết hợp với các đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc băng thông rộng. Mặc dù bộ lọc có thể điều chỉnh được độ rộng băng tần thông qua điều chỉnh chiều dài của đoạn chêm hở mạch và ngắn mạch, phân đoạn băng thông 100.8% là tương đối rộng. Tuy nhiên, do độ chính xác chế tạo hạn chế, rất khó để thực hiện được các đường ghép có trở kháng cao và khoảng cách ghép chặt chẽ. 1.3.2.4. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng. Trong những năm gần đây bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng UWB với hiệu suất cao là một thành phần thiết yếu trong các hệ thống truyền thông không dây. Các bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng vi dải đã nhận được nhiều sự chú ý do những ưu điểm như kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo, và đã được phát triển trong các tài liệu tham khảo [100]-[102]. Trong [100], một bộ lọc thông dải siêu rộng mới sử dụng bộ cộng hưởng vòng đã được đưa ra. Bằng cách tạo ra một bộ cộng hưởng nhiều chế độ và ghép song song với các đường nửa bước sóng và một phần tư bước sóng đã thu được một bộ lọc thông dải siêu rộng với năm cực truyền [101]. Để khắc phục 1 số nhược điểm các bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng khác nhau với dải băng chữ V sử dụng các cấu trúc khác nhau đã được đưa ra [103-108]. Tuy nhiên, ít nghiên cứu mô tả ứng 6 dụng của bộ cộng hưởng vòng trong các bộ lọc băng thông siêu rộng với một hoặc nhiều dải chữ V dựa trên khái niệm nhiễu tín hiệu ngang. Bộ lọc băng thông siêu rộng trình bày trong luận văn đã phát huy được những ưu điểm, phần nào khắc phục được hạn chế của các bộ lọc trên. 1.4. Tiêu chí kỹ thuật chung của các mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu rộng đề xuất. Dải thông các băng tần của mạch lọc thiết kế (Δ-3dB) có giá trị lớn hơn hoặc bằng 100MHz, trong các dải thông của bộ lọc, hệ số tổn hao chèn (IR) có giá trị tuyệt đối phải nhỏ hơn 3dB, hệ số tổn hao phản hồi (RL) có giá trị tuyệt đối phải lớn hơn 14dB (Theo tiêu chuẩn điện áp tỉ số sóng đứng VSWR đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến có chất lượng tốt có giá trị từ 1,1 đến 1,5). Ngoài ra Tiêu chuẩn 802.16-2004 [2] cho WiMAX ở dải tần số 2–11 GHz. 3G một tần số cũng được chọn 2.1 GHz, 4G ba tần số cũng được chọn 2.6 GHz; 1.8GHz; 800 MHz. Cũng căn cứ theo tiêu chuẩn FCC [31] quy định cho chuẩn một băng siêu rộng có dải tần trong phân đoạn băng thông(FBW) ở biên độ tại -10dB có giá trị lớn hơn 20% thì được gọi là băng siêu rộng UWB. 1.5. Định hướng nghiên cứu của Luận án. Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế, lựa chọn kiểu, cấu trúc cộng hưởng để đề xuất ra các cấu trúc bộ lọc mới. Thực hiện ứng dụng phần mềm HFSS 15.0 để thiết kế mô phỏng sau đó chế tạo ra sản phẩm, chạy thử nghiệm trên phần mềm và thực hiện đo lường, hoặc chứng minh trên lý thuyết. So sánh kết quả đo lường và mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá về các bộ lọc nghiên cứu. 1.6. Kết luận chương 1. Đã giới thiệu, phân loại các bộ lọc siêu cao tần, các nghiên cứu về bộ lọc đến thời điểm hiện tại, đặc biệt giới thiệu và phân tích cấu trúc mạch cộng hưởng đường truyền vi dải là một cấu trúc cơ bản, nền tảng để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới. Trên cơ sở này, xây dựng tiêu chí kỹ thuật chung của mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu rộng, thiết kế và đưa ra đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án. 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN Chương này nghiên cứu tính chất của các bộ cộng hưởng nửa bước sóng được phối ghép sau đó đề xuất một số bộ cộng hưởng mới. 2.1. Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau. 2.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng. Hình 2.1 (a) mô tả một bộ cộng hưởng đường truyền mở với chiều dài 𝐿 = 𝜆𝑔 2⁄ tương ứng. Hình 2.1. Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng (a) Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng; (b) Chuẩn hóa phân bố điện áp tại tần số cộng hưởng cơ bản và hài bậc hai. Mạch cộng hưởng vi dải chỉ xảy ra cộng hưởng khi 𝑍𝑖𝑛 = ∞, điều đó có nghĩa là 𝑡𝑎𝑛𝛽𝐿0 = 0. Khi 𝛽𝐿0 = 𝜋, ta sẽ có mối quan hệ giữa hệ số truyền sóng điện từ và chiều dài 𝐿0, với 𝛽 = 𝜋 𝐿0⁄ , khi phần mạch cộng hưởng của đường truyền có chiều dài 𝐿0 = 𝜆𝑔 2⁄ , tức là nửa bước sóng, thì lúc này hệ số truyền sóng là 𝛽 = 2𝜋 𝜆𝑔⁄ . Thay 𝛽 bởi 2𝜋 𝜆0⁄ ta sẽ có được bước sóng truyền dẫn có tần số cộng hưởng 𝜆𝑔 = 2𝐿0. Quan hệ giữa bước sóng truyền dẫn và tần số trong cấu trúc là: 𝑓 = 𝑐 𝜆𝑔√𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.10) 𝑓 = 𝑐 2𝐿0√𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.11) Đường truyền Điện áp 8 2.3. Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa. 2.3.1. Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR). Hình 2.3 thể hiện cấu trúc vật lý của bộ cộng hưởng đoạn chêm hở chính giữa. Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) được đề xuất [28] bao gồm một bộ cộng hưởng nửa bước sóng microstrip thông thường và một đoạn hở mạch được thể hiện trong hình 2.3. Chiều dài microstrip được chêm hở gắn tại điểm chính giữa tương ứng. Hình 2.3. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR). (a) Cấu trúc bộ cộng hưởng chêm hở; (b) Chế độ lẻ; (c) Chế độ chẵn Kết quả đầu vào dẫn nạp cho chế độ lẻ được biểu diễn như (2.12-2.13) )2/tan( 1 1 , j Y Y oddin  (2.12) Trong đó 1 = 1L là chiều dài điện của đường vi dải. Khi Yin,odd = 0, tần số cộng hưởng chế độ lẻ có thể được suy ra là: e odd L cn f 12 )12(   (2.13) Các tần số cộng hưởng chế độ chẵn khi Z3 = 2Z2 = Z1: e even LL nc f )2( 21   (2.18) Từ công thức (2.18), có nghĩa là tần số cộng hưởng đầu tiên, cụ thể là f1_ fodd được điều khiển bởi tỷ số của trở kháng đặc trưng và chiều dài điện của đường nửa bước sóng. Trong khi đó, từ công thức (2.18) tần số cộng hưởng thứ hai, cụ thể là f2_ feven có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tỷ số trở kháng đặc trưng và chiều dài điện của đường nửa bước sóng và đoạn hở mạch. 9 2.3.2. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR). Cấu trúc bộ cộng hưởng là đối xứng và phân tích chế độ đa mốt được sử dụng để mô tả đặc tính trở kháng lối vào cho chế độ chẵn – lẻ. (a) (b) (c) Hình 2.4. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (a) Cấu trúc SSLR; (b) Chế độ chẵn; (c) Chế độ lẻ. Tần số cộng hưởng cơ bản ở 2 chế độ có thể được xác định như sau: e even LL cn f )(4 )12( 21    (2.22) e odd L cn f 14 )12(   (2.23) 2.3.3. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR). Hình 2.6. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập Tần số cộng hưởng f0 và chế độ chẵn 1, và chẵn 2 được tính bằng: 𝑓𝑜 = 𝑐 2𝐿𝐴√𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.27) 𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛1 = 𝑐 2(𝐿𝐴+2𝐿𝐵)√𝜀𝑓𝑓 (2.28) 𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛2 = 𝑐 2(𝐿𝐴+2𝐿𝐶)√𝜀𝑓𝑓 (2.29) 10 2.4. Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới. 2.4.1. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng. Hình 2.7. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập Với cấu trúc của bộ cộng hưởng đoạn chêm hình chữ thập tần số cộng hưởng chế độ chẵn và chế độ lẻ, ngoài việc tạo ra được tần số cơ bản sẽ sinh ra được một tần số ở chế độ chẵn và một tần số ở chế độ lẻ [77]. Các tần số cơ bản được tạo ra với các chế độ như sau: 𝑓𝑜𝑑𝑑 = (2𝑛−1)𝑐 2𝐿𝛼 √𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.31) 𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛 = 𝑛𝑐 (𝐿𝑎+2𝐿𝑏+𝐿𝑐)√𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.33) 𝑓𝑟 = 𝑐 2𝐿√𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.34) 2.4.2. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Hình 2.8. Hai cấu trúc của cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông. Tại hình 2.8 là cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Sau khi phối kết hợp của cấu trúc các tần số cơ bản tính như sau: L0+L0/2 L1 L2 L0 L0/2 11 𝑓𝜆 = 𝑐 𝐿0√𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.37) e even LL cn f )(4 )12( 21    (2.38) e odd L cn f 14 )12(   (2.39) Cấu trúc cộng hưởng đa mốt với chế độ chẵn lẻ fodd; feven có thể tạo tiếp ra các tần số fodd1; feven2. 2.4.4. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông. Hình 2.14 (a) thể hiện bố cục của bộ cộng hưởng vòng vuông cơ bản và cấu trúc tương đương, nó bao gồm một vòng vuông đơn và hai đoạn đường gấp ghép xác định, hình 2.14 (b) và (c) là cấu trúc tương đương ở chế độ chẵn và chế độ lẻ của mạch cộng hưởng. Hình 2.14. Cấu trúc mạch tương đương của bộ cộng hưởng vòng vuông. (a) Cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông. (b) Mạch tương đương chế độ chẵn. (c) Mạch tương đương chế độ lẻ. Các tần số chẵn và lẻ có thể được tính toán như sau: e odd LL c f )(4 21   (2.48) e odd LsLL c f )(4 21 1   (2.49) e even LL c f )(2 31   (2.50) es even LLL c f )(4 21 1   (2.51) 12 2.5. Kết luận chương 2. Trong chương 2 đã phân tích lý thuyết các bộ cộng hưởng khác nhau và đặc tính của cộng hưởng vi dải, cộng hưởng 1/4 bước sóng cộng hưởng 1/2 bước sóng các cấu trúc cộng hưởng vòng vuông và cộng hưởng chữ thập, đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch từ đó đã đề xuất xây dựng được các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên nền tảng các cấu trúc cộng hưởng cơ bản, vì vậy các cấu trúc này là tiền đề để thực hiện thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần và băng thông rộng, siêu rộng có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng. CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI 3.1. Giới thiệu và phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc. 3.1.1. Giới thiệu chung. Trong chương 3 đưa ra các kết quả nghiên cứu đề xuất thiết kế xây dựng đều phải dựa trên cơ sở tuân thủ theo các nguyên tắc chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của các bộ lọc siêu cao tần sau: Tần số sử dụng theo quy định, công nghệ 4G(1.8Ghz); Wlan(2.4Ghz; 5Ghz –6 Ghz); WiMax(3.5Ghz; 5.2Ghz; 6Ghz). Băng thông tại -3dB phải  100Mhz. Suy hao do chèn (S21):  3d; Suy hao do phản xạ (S11)  14dB. 3.1.2. Phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc siêu cao tần. 3.1.2.1. Trình tự thiết kế một bộ lọc. Việc đề xuất ý tưởng thực hiện thiết kế một bộ lọc mới, trên cơ sở việc nghiên cứu tham khảo tài liệu về các bộ lọc, tiến hành xây dựng bộ lọc mới dựa trên cấu trúc của cộng hưởng cơ bản biến đổi, sau đó sử dụng phần mềm HFSS 15.0 chạy mô phỏng, điều chỉnh kết quả tối ưu hơn với các công trình trước khẳng định tính đúng đắn của bộ lọc đề xuất mới và xuất dữ liệu DATA, chế tạo bộ lọc để thực hiện đo kiểm thực tế. 3.1.2.2. Mô hình thực nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm. Sau khi đã chế tạo được bộ lọc, quá trình đo kiểm theo phương pháp truyền thống, dùng một máy phát tần số siêu cao tần tương ứng sau đó 13 đưa tín hiệu vào bộ lọc siêu cao tần, đầu ra bộ lọc ta thu được đưa lên máy hiện sóng để phân tích, với phương pháp này có nhiều hạn chế và ít dùng. Với phương pháp đo kiểm hiện nay thực hiện trên máy phân tích mạng vector, sau khi kết nối với bộ lọc chỉ việc đặt tần số phát tương ứng, tín hiệu siêu cao tần sẽ được trực tiếp phát ra từ máy phân tích mạng vector vì vậy sau quá trình phân tích đo kiểm ta dễ ràng phân tích được kết quả và đặc biệt rất thuận tiện cho việc xuất dữ liệu Data cho máy tính. 3.2. Kết quả thiết kế chế tạo, mô phỏng so sánh, đánh giá bộ lọc ba băng và bốn băng tần, băng rộng và siêu rộng bằng công nghệ vi dải. 3.2.1. Bộ lọc bốn băng sử dụng cấu trúc chêm chữ thập vòng vuông. 3.2.1.1. Cấu trúc của bộ lọc. Bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông trình bày trong mục 2.4.3 bao gồm hai đoạn gấp hở mạch, một vòng vuông, một đoạn ngắn mạch và hở mạch. 3.2.1.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng. Vì bộ cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm chữ thập là một cấu trúc đối xứng, và do đó phương pháp phân tích với cấu trúc đa mốt tại chế độ chẵn lẻ có thể được sử dụng cho đặc tính của bộ cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm chữ thập. Bốn tần số cộng hưởng tại bốn dải thông được xác định như (3.1-3.4). 𝑓1 = 𝑐 4(𝐿1+𝐿2+𝐿𝑆)√𝜀𝑒𝑓𝑓 (3.1) 𝑓2 = 𝑐 4(𝐿1+𝐿2)√𝜀𝑒𝑓𝑓 (3.2) 𝑓3 = 𝑐 2(𝐿1+𝐿2+𝐿0)√𝜀𝑒𝑓𝑓 (3.3) 𝑓4 = 𝑐 2(𝐿1+𝐿3)√𝜀𝑒𝑓𝑓 (3.4) Để chứng minh ứng dụng này, bốn tần số cộng hưởng cụ thể là f1, f2, f3, và f4 của SRCLR được đề xuất bằng cách điều chỉnh kích thước của bộ cộng hưởng (như phân tích trong mục 2.4.2). Bằng cách thay đổi chiều dài của Ls, L0, và L3, tại một số băng thông sẽ bị thay đổi, một số sẽ được giữ nguyên hoặc thay đổi không đáng kể. 14 3.2.1.3 Thiết kế bộ lọc và kết quả. Một nguyên mẫu của bộ lọc bốn băng được thiết kế và chế tạo trên một chất nền với r = 4.4 và h = 0.8 mm. Hình 3.7. Cấu trúc của bộ lọc bốn băng. Cấu trúc của bộ lọc bốn băng được đề xuất được thể hiện trong hình 3.7, bộ lọc bao gồm hai SRCLR với trở kháng đặc trưng Z = Z0 = Zs = Z3. Kích thước vật lý G1, Lc, và G2 có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yếu tố chất lượng bên ngoài đầu vào/đầu ra mong muốn và hệ số ghép cho mỗi băng tần. Sau khi tối ưu hóa bằng cách sử dụng Ansoft HFSS 15, kích thước của bộ lọc bốn băng này được xác định như sau: W1 = 1.5, W2 = 1, Wc = 0.48, L1 = 14, L2 = 2.6, L3 = 7.8, L4 = 9.2, L5 = 5.8, L6 = 7, L7 = 3.3, L8 = 3.5, L9 = 6.7, Ls = 1.6, Lc = 10.1, G1 = 0.22, G2 = 1.2, và đường kính lỗ khuyên (via) là 0.6 (tính bằng mm). Ảnh nguyên mẫu được thể hiện trong hình 3.8. Kết quả đo và mô phỏng được minh họa trong hình 3.9 Hình 3.8. Bộ lọc bốn băng thực tế đã chế tạo. 15 Trong kết quả mô phỏng tại hình 3.9, băng thông phân đoạn 3 dB của bốn dải thông (1.8/2.4/3.5 và 4.6 GHz) được tìm thấy là 6.6/8.1/3.2, và 3%, tương ứng. Tổn hao chèn nhỏ nhất đo được bao gồm tổn hao từ bộ kết nối SMA là 1.4/1.5/1.8, và1.7 dB, trong khi tổn hao phản hồi lớn hơn 24/14.5/13.5 và 16 dB, tương ứng. Mức suy giảm của tất cả các truyền không là dưới 38 dB, điều này cho thấy sự cải thiện tính chọn lọc của bộ lọc tốt. Hình 3.9. Kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc bốn băng đề xuất. Bộ lọc bốn băng tần nhỏ gọn sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông mới được đề xuất. Bằng phương pháp nhúng một đoạn hở mạch, tần số trung tâm của bốn băng thông có thể được điều khiển độc lập tới giá trị mong muốn. Hơn nữa, hiệu suất tốt, cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn và đơn giản khiến nó trở nên hấp dẫn cho truyền thông không dây. 3.2.1.4. So sánh đánh giá thiết kế bộ lọc và kết quả của bộ lọc bốn băng Bộ lọc bốn băng tần đã được thiết kế với cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông tạo ra bốn băng tần với các tần số cộng hưởng trung tâm là 1.8, 2.4, 3.5 và 4.6GHz. Các tần số cộng hưởng trung tâm của bộ lọc hoàn toàn có thể thiết lập và điều chỉnh độc lập. So sánh với các công trình đã công bố trên các tạp chí khoa học so với bộ lọc bốn băng tần được thiết kế về các chỉ tiêu kỹ thuật chính cho thấy rằng bộ lọc đã đạt được một số chỉ tiêu tốt hơn. Kết quả So sánh bộ lọc được thiết kế với các công trình bộ lọc bốn băng tần đã công bố trong [80 - 84]. Tần số, GHz B iê n đ ộ ( d B ) Kết quả đo .. Kết quả mô phỏng 16 3.2.2. Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm hình chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng. 3.2.2.1. Cấu trúc của bộ lọc. Cấu trúc của bộ lọc đề xuất được thể hiện trong hình 3.10. Bộ lọc có một số tính năng nổi bật như ba băng tần của dải thông được điều chỉnh độc lập, độ lựa chọn cao, nhỏ gọn, đơn giản, và chi phí thấp. Bộ lọc vi dải được thiết kế trên chất nền Rogers RT/duroid 5880 với hằng số điện môi 2.2 chiều dày 0.508mm và tang tổn hao 0.0009. Hình 3.10. Cấu trúc hình học của bộ lọc ba băng đề xuất. 3.2.2.2. Đặc tính của các bộ cộng hưởng. Đoạn chêm hình chữ thập được đề xuất là một biến thể của bộ cộng hưởng đoạn chêm hở mạch như thể hiện trong mục 2.3.3. Theo đó cấu trúc này có thể phân tích dựa trên chế độ chẵn/lẻ tương ứng. 3.2.2.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả. Bộ cộng hưởng cấu trúc chêm hình chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng và phân tích chế độ chẵn lẻ được sử dụng cho đặc tính này [85], ba tần số cộng hưởng tại dải thông được xác định như (3.10-3.12). 𝑓01 = 𝑐 2𝐿𝑎√𝜀𝑒𝑓𝑓 = (1.8~2.2𝐺𝐻𝑧) (3.10) 𝑓02 = 𝑐 2(2𝐿4+𝐿5+2𝐿6)√𝜀𝑒𝑓𝑓 = (2.4~2.7𝐺𝐻𝑧) (3.11) 𝑓03 = 𝑐 (𝐿𝑎+2𝐿7+𝐿8)√𝜀𝑒𝑓𝑓 = (3.2~3.5𝐺𝐻𝑧) (3.12) 17 Các tần số f01, f02, f03 tương ứng với tần số cộng hưởng chế độ lẻ (6), tần số cộng hưởng nửa bước sóng (9) và tần số cộng hưởng chế độ chẵn (8). Hình 3.13. So sánh đáp ứng của bộ lọc ba băng được đề xuất. Tần số trung tâm của ba băng thông yêu cầu là f01 = 2 GHz, f02 = 2.7 GHz, và f03 = 3.3 GHz. Đáp ứng mô phỏng được thể hiện trong hình 3.13. Sau khi tối ưu hoá, bộ lọc được thiết kế nhỏ gọn được chế tạo với quy trình mạch in hai lớp chi phí thấp chất lượng tốt, chất nền là Rogers RT/Duroid 5880 với hằng số điện môi 𝜀𝑟 = 2.2 và độ dày 0.508 mm. Hình 3.17 đưa ra ảnh của bộ lọc ba băng được chế tạo đã được đo bằng bộ phân tích mạng Vector Agilent N5245A. Hình 3.17. Ảnh của bộ lọc ba băng tần được chế tạo Các kết quả đo kiểm được và kết quả mô phỏng, thực tế thu được hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của bộ lọc đề ra, 5 điểm truyền không của ba băng tần với vị trí của các tần số tại 1.78, 2.25, 2.66, 2.93 và 3.58 GHz, tương ứng, giúp cải thiện cả hai sườn của mỗi băng thông, tăng tính chọn lọc của bộ lọc. Tần số, GHz 18 3.2.2.4. So sánh thiết kế bộ lọc và kết quả của bộ lọc ba băng. Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đã được thiết kế là cấu trúc cộng hưởng kết hơp đoạn chêm chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng có ưu điểm là các tần số dải thông được điều chỉnh độc lập thuận tiện đến các giá trị mong muốn mà không phụ thuộc vào tổng chiều dài của bộ lọc sau khi xác định được tần số trung tâm thứ nhất và cố định tần số này, phân tích đã đưa ra đã minh chứng cấu trúc của bộ lọc được thiết kế có những giá trị ưu điểm vượt trội so với một số công trình tiêu biểu. 3.2.3. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng đoạn ngắn mạch vòng vuông 3.2.3.1. Cấu trúc của bộ lọc. Cấu trúc bộ cộng hưởng vòng vuông đã được đề cập tại 2.4.3. Bộ lọc được xây dựng trên một chất nền FR4 với hằng số điện môi 4.4, chiều dày h=0.8mm và tan tổn hao là 0.0009. 3.2.3.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng. eff odd LL c f )(4 21   (3.15) eff even LL c f )(2 31   (3.17) 3.2.3.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả Hình 3.22. Cấu trúc hình học của bộ lọc băng rộng đề xuất. Độ rộng đường dẫn: 0.3 mm Độ rộng khe hở: 0.2 mm 19 Bố cục của bộ lọc bằng cách sử dụng một bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông trong đó cách ghép chữ thập giữa đường cấp nguồn I/O được đề xuất (hình 3.22). Sau khi tối ưu hóa bằng cách sử dụng Ansoft HFSS 15.0, các thông số thiết kế thu được như sau: W1 = 1.5 mm, Ws = 1.4 mm, Wr = 2.5 mm, L1 = 12.2 mm, L2 = 1.25, Lr = 8 mm, Ls = 1.8 mm, S = 0.5 mm, L3 = 2.95 mm, và đường kính lỗ khuyên là 0.7 mm. Hình 3.24. Bộ lọc băng rộng đã được chế tạo. Nguyên mẫu của bộ lọc băng rộng hình 3.24 với kích thước 8 mm * 21 mm (0.14λg * 0.37λg, λg là bước sóng dẫn của microstrip 50Ω tại 2.95 GHz) được thiết kế và chế tạo trên chất nền với hằng số điện môi 4.4 và chiều dày h = 0.8 mm. Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc băng rộng. Kết quả mô phỏng cho bộ lọc băng rộng được thể hiện trong hình 3.25, phân đoạn băng thông 3 dB chiếm 73.9% (1.86 - 4.04 GHz), tổn hao chèn nhỏ hơn 0.5 dB trong khi tổn hao phản hồi là trên 20.5 dB. Tần số, GHz B iê n đ ộ ( d B ) S21 S11 Mô phỏng ------- Đo kiểm Trễ nhóm, ns 20 3.2.3.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc băng rộng. Qua kết quả so sánh với các công trình đã được công bố cho thấy bộ lọc băng rộng được thiết kế có những tính năng ưu việt hơn, dải thông của bộ lọc tương đối rộng trong phân đoạn 3dB, trong khi tổn hao chèn thấp hơn so với bộ lọc được thiết kế trong [24],[25] nhưng tổn hao phản xạ cao so với [24],[25],[114]. Tuy nhiên, độ trễ nhóm so với [114] cao hơn nhưng kích thước nhỏ hơn các công trình trong bảng so sánh và mức chắn dải cũng tốt hơn. Hiệu suất của bộ lọc được cải thiện hơn, trễ nhóm thấp và kích thước của bộ lọc khá nhỏ gọn so với trong [24],[25],[114], bộ lọc đề xuất có các điểm truyền không nằm gần cạnh của dải thông đã chứng tỏ độ chọn lọc của bộ lọc tương đối tốt, điều này đã minh chứng cho tính đúng đắn của cấu trúc cộng hưởng mới được xây dựng và ứng dụng để thiết kế bộ lọc băng rộng với sự đơn giản trong thiết kế dễ dàng điều chỉnh tới các đáp ứng mong muốn. 3.5. Bộ lọc Siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. 3.5.1. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc: Bố cục và mạch tương đương của bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng vòng vuông trình bày trong mục 2.4.2. 3.5.2. Thiết kế bộ lọc băng thông siêu rộng (UWB) dựa trên cấu trúc cơ bản. Hình 3.26. Cấu trúc cơ bản của bộ cộng hưởng vòng vuông. Hình 3.32. Bố cục bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V . Để thực hiện băng thông chữ V dựa trên nền tảng là Bộ lọc UWB sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông được xây dựng và 21 đề xuất trong hình 3.32. 3.5.3. Thiết kế bộ lọc băng thông siêu rộng (UWB) băng thông chữ V Hình 3.35. Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc UWB với W3;L1. Hình 3.35 chỉ ra mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất dưới giá trị khác nhau của W3 và L1. Tần số trung tâm của băng thông chữ V thay đổi từ 5Ghz tới 5.2Ghz, 5.5GHz khi W3 dao động từ 4mm xuống 3.6mm, 3.1mm. Bộ lọc UWB được đề xuất với một băng thông chữ V được chế tạo trên một chất nền FR4 với r = 4.4 và h = 0.8 mm hình 3.36. Hình 3.36. Bộ lọc UWB với băng thông chữ V đã được chế tạo. Kích thước của bộ lọc 7 mm * 6.5 mm (0.28λg * 0.37λg, λg là bước sóng dẫn của microstrip 50Ω tại 6.85 GHz) cho thấy thiết kế tương đối nhỏ gọn. Các thông số S được đo và trễ nhóm được minh họa trong hình 3.37. Băng tần phân đoạn 3 dB đo được là 119% (2.5 - 11GHz), trong khi tổn hao chèn đo được với bộ l