Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần đa băng ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến có khả năng đơn giản, độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần.

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 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN TRẦN QUANG 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 Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2018
2 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. TẠ CHÍ HIẾU 2. TS. VŨ TUẤN ANH Phản biện 1: PGS. TS. ĐỖ QUỐC TRINH - HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Phản biện 2: PGS. TS. VŨ VĂN YÊM - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phản biện 3: PGS. TS. LÊ VĨNH HÀ - VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi..... giờ..... ngày..... tháng.....năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trước đây với các thiết bị thông tin vô tuyến truyền thống hoạt động trên một băng tần chỉ sử dụng bộ lọc thông dải có một băng tần đáp ứng, thì hiện nay với yêu cầu tích hợp nhiều công nghệ siêu cao tần khác nhau trên cùng một thiết bị thông tin vô tuyến đã đặt ra vai trò cần thiết của bộ lọc siêu cao tần đa băng. Với một thiết bị vô tuyến khai thác đồng thời cả công nghệ WLAN ở tần số 2,4GHz và công nghệ WiMAX ở tần số 3,5GHz sẽ sử dụng bộ lọc thông dải có hai băng tần tương ứng. Ngoài ra, với sự phát triển liên tục của các công nghệ mới, cùng một công nghệ có thể sử dụng trên nhiều băng tần khác nhau. Hiện nay, với một thiết bị vô tuyến sử dụng công nghệ WLAN theo chuẩn 802.11n (năm 2009) hoặc theo chuẩn 802.11ac (năm 2013) sẽ khai thác đồng thời cả hai băng tần 2,4GHz và 5GHz. Trong thiết kế các bộ lọc thông dải, việc lựa chọn và điều chỉnh tần số cộng hưởng của băng tần đóng vai trò quyết định. Đối với bộ lọc siêu cao tần đa băng, việc lựa chọn và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần cũng quyết định đến tính năng hoạt động của bộ lọc, phức tạp hơn do có nhiều băng tần khác nhau. Nhiều công trình về bộ lọc siêu cao tần đa băng đề xuất có các tần số cộng hưởng của các băng tần bị phụ thuộc lẫn nhau, dẫn đến việc thiết lập và điều chỉnh trong quá trình thiết kế phức tạp, gặp nhiều khó khăn. Việc nghiên cứu, đề xuất một phương pháp mới trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng thiết lập, điều chỉnh các tần số cộng hưởng một cách độc lập là rất cần thiết. Một trong các phương pháp cơ bản trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng là sử dụng các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ trên kết cấu mạch dải không đối xứng. Trong các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ cơ bản, có một số cấu trúc có khả năng thiết lập các tần số cộng hưởng không phụ thuộc lẫn nhau. Tuy nhiên các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ cơ bản này chưa đáp ứng được khả năng thiết lập và điều chỉnh độc lập các tần số cộng hưởng cho các bộ lọc siêu cao tần ba băng, bốn băng trong thực tế. Việc phát triển từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới có khả năng trên là một hướng nghiên cứu hợp lý.
2 Đã có một số luận án của nghiên cứu sinh trong nước gần đây nghiên cứu về bộ lọc đa băng, tuy nhiên chưa có hướng nghiên cứu nào tập trung về khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần đa băng ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến có khả năng đơn giản, độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tập trung vào các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ được phát triển từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản trên kết cấu mạch dải không đối xứng có khả năng thiết lập các tần số cộng hưởng độc lập. 4. Phương pháp nghiên cứu  Từ nghiên cứu tài liệu cơ sở lý thuyết cơ bản và các tài liệu tham khảo, nghiên cứu thiết kế các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng.  Sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu chỉnh các cấu trúc đề xuất.  Chế tạo sản phẩm, so sánh kết quả thực tế với kết quả mô phỏng. 5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn Luận án đã đóng góp nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và khoa học trong xu hướng phát triển chung của lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay. Các kết quả đạt được của luận 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. Ăng-ten Bộ lọc Khuếch đại Bộ Bộ lọc thu cao tần trộn thông dải Xử Ngoại lý sai tín hiệu Bộ lọc Khuếch đại Bộ lọc Bộ phát công suất thông dải trộn Lọc siêu cao tần 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.
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 Z0 Zin ZL L0 Hình 2.1. Đoạn đường truyền mạch vi dải hở mạch đầu cuối. c Tần số cộng hưởng: f  2 L0  eff 2.1.2. Bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch 0 LB Z2 Z1 0’ LA Hình 2.2. Cấu trúc của bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch. c c Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: f o  , chế độ chẵn: fe  2 L A  eff ( LA  2 LB )  eff 2.1.3. Bộ cộng hưởng dây chêm ngắn mạch 0 LB Z2 LB 2Z2 Z1 Z1 Z1 0’ LA LA/2 LA/2 (a) (b) (c) 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. c c Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: fo  , chế độ chẵn: fe  2 LA  eff 2( LA  2 LB )  eff 2.1.4. Bộ cộng hưởng chữ thập c Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: fo  . 2 LA  eff
7 c c Tần số cộng hưởng chế độ chẵn: f e1  ; fe2  2( LA  2 LB )  eff ( LA  2 LC )  eff LB Z1 Z1 2Z2 0 Zin,o Zin,e LA/2 LA/2 LB LC 2Z3 Z2 (b) (c) LA LB Z1 Z1 2Z2 Z1 LC Z3 Zin,e2 Zin,e1 0’ LA/2 LA/2 LC 2Z3 (a) (d) (e) 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 0-0’ W2 Z2 LB d Z1 LA W1 Vào Ra W0 L0=λg/2 Hình 2.5. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch. c Tần số cộng hưởng đoạn mạch đường truyền ½ bước sóng: f   2 L0  eff c c Tần số cộng hưởng dây chêm ngắn mạch: fo  ; fe  2 LA  eff 2( LA  2 LB )  eff
8 Bảng 2.1. So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết. Tần số Tính toán lý Kết quả mô phỏng Độ dài cộng hưởng thuyết (mm) (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 0 0 0 2Z3 LC Z2 LB W2 Z2 LB Z2 LB W1 Z1 LA Z1 LA Z1 LA Z3 LC 2Z3 LC 0’ W3 W3’ (c) 0’ (b) 0’ (a) 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: c c c fo  ; f e1  ; fe2  2 L A  eff 2( LA  2 LB )  eff ( LA  2 LC )  eff
9 Bảng 2.2. So sánh So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết. Tần số Tính toán lý Kết quả mô phỏng Độ dài cộng hưởng thuyết (mm) (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 0-0’ . 2Z3 LC W3 Z2 LB W2 d Z1 LA W1 Vào Ra L0=λg/2 W0 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. c Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng tần số cộng hưởng thứ tư f   . 2 L0  eff
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 0 Z3 LC . W3 W2 Z2 LB Vào W1 Ra Z1 LA Z4 LD W4 0’ 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: c f e3  ( L A  2 LD )  eff 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.
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. L9 L2 L6 L3 S2 W0 L8 L1 L4 Ra S3 L5 S1 Vào L10 W1 W3 W2 L7 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.
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. Vào L0 W0 L1 L6 L2 W3 L5 W2 L7 L3 W1 L4 S2 S1 Ra 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
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. L9 S4 L2 L6 L3 L1 W0 L8 Ra S1 L1 W3 L L W2 S L12 S Vào L13 W4 L11 L7 W2 W1 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.
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. W0 S1 Vào L8 S0 L1 L2 L9 W4 L6 W2 L7 L5 L3 S3 W1 L4 S2 S4 Ra W3 L10 L0 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.
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: