Đang tải... (xem toàn văn)
Lời nói đầuBộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triển một cách nhanh chóng. Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phải được chia sẻ. Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau. Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau. Như vậy đặc tính lọc, hay đáp ứng tần, của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số trong dải tần một cách tối ưu nhất. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá thành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu, bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperature Superconductors – HTS), mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMIC), hệ vi điện cơ (Microelectromechanic Systems – MEMS) … đã trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc lọc vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần. Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính (CAD tools), chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trường điện từ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần.Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộ lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF). Trong đó, bộ lọc thông dải đóng vai trò gần như quan trọng nhất trong các thiết bị thông tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp. Đồ án này nhằm giới thiệu một phương pháp thiết kế bộ lọc thông dải , với khả năng loại bỏ tần số ngoài dải thông đạt mức cao nhất có thể. Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn PGS,TS Đào Ngọc Chiến ( Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông- Khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã hướng dẫn tận tình chu đáo cho tôi để hoàn thành nhiệm vụ , mục tiêu đồ án đề ra. Đồng thời tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Bích Huyền và các thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu, phát triển đề tài, cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ , động viên tôi trong thời gian qua.Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2011 Sinh Viên Trân Thị Hoài Tóm tắt đồ án Ngày nay với sự phát triển của thiết bị điên tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi , các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới công nghệ mới để tối ưu và thu nhỏ kích thước của thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người . Đồ án này nhằm giới thiệu phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải băng thông hẹp kích thước nhỏ dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng. Trong đồ án này, một bộ lọc sẽ được thiết kế để hoạt động trong dải tần 3G, tần số từ 1920 MHz đến 2170 MHz, băng thông tỷ lệ đạt đến 90%. Mạch lọc được mô phỏng và phân tích trên phần mềm HFSS 12.Mục lụcLời nói đầu1Tóm tắt đồ án3Mục lục4Danh sách hình vẽ5Danh sách các từ viết tắt8Phần mở đầu9Chương 1 Giới thiệu111.1. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển111.2. Động lực nghiên cứu141.3. Kết quả mong muốn15Tổng kết chương16 Chương 2 Cơ sở lý thuyết172.1. Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần172.1.1. Lý thuyết đường truyền vi dải182.1.2. Phân tích mạng siêu cao tần202.1.2.1. Các tham số của mạng siêu cao tần202.1.2.2. Ma trận tán xạ S212.1.2.3. Ma trận trở kháng Z và dẫn nạp Y232.1.2.4. Ma trận truyền đạt ABCD242.2. Lý thuyết về mạch lọc cao tần262.2.1. Khái quát về mạch lọc tần số262.2.2. Bộ lọc thông thấp272.2.3. Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung302.2.4. Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp322.3. Phân tích cấu trúc vòng cộng hưởng342.3.1. Mô hình đường truyền của cấu trúc cộng hưởng vòng352.3.2. Mô hình vách từ (magnetic-wall) cho vòng cộng hưởng382.5. Giới thiệu phần mềm Ansoft HFSS 1241Chương 3 Phân tích thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng tần 3G493.1. Giới thiệu493.2. Cơ sở thiết kế bộ lọc thông dải băng thông hẹp503.2.1. Các mode sóng trên vòng cộng hưởng503.3. Mạch lọc thông dải băng tần 3G53 Chương 4 Kết luận chung và hướng phát triển624.1. Kết luận chung624.2. Hướng phát triển trong tương lai62Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt63Tài liệu tham khảo64Danh sách hình vẽ
Lời nói đầu Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triển một cách nhanh chóng. Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phải được chia sẻ. Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau. Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau. Như vậy đặc tính lọc, hay đáp ứng tần, của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số trong dải tần một cách tối ưu nhất. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá thành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vật liệu, bao gồm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperature Superconductors – HTS), mạch tích hợp đơn tinh thể cao tần (Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMIC), hệ vi điện cơ (Microelectromechanic Systems – MEMS) … đã trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc lọc vi dải (microstrip) cũng như các dạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần. Bên cạnh đó, với sự giúp sức của các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính (CAD tools), chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trường điện từ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần. Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộ lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF). Trong đó, bộ lọc thông dải đóng vai trò gần như quan trọng nhất trong các thiết bị thông tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp. Đồ án này nhằm giới thiệu một phương pháp thiết kế bộ lọc thông dải , với khả năng loại bỏ tần số ngoài dải thông đạt mức cao nhất có thể. Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn PGS,TS Đào Ngọc Chiến ( Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông- Khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã 1 hướng dẫn tận tình chu đáo cho tôi để hoàn thành nhiệm vụ , mục tiêu đồ án đề ra. Đồng thời tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Bích Huyền và các thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu, phát triển đề tài, cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ , động viên tôi trong thời gian qua. Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2011 Sinh Viên Trân Thị Hoài Tóm tắt đồ án 2 Ngày nay với sự phát triển của thiết bị điên tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi , các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới công nghệ mới để tối ưu và thu nhỏ kích thước của thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người . Đồ án này nhằm giới thiệu phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải băng thông hẹp kích thước nhỏ dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng. Trong đồ án này, một bộ lọc sẽ được thiết kế để hoạt động trong dải tần 3G, tần số từ 1920 MHz đến 2170 MHz, băng thông tỷ lệ đạt đến 90%. Mạch lọc được mô phỏng và phân tích trên phần mềm HFSS 12. Mục lục 3 Danh sách hình vẽ 4 Danh sách các từ viết tắt PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in RF Radio Frequency Tần số vô tuyến điện LO Local Oscillator Bộ dao động nội IF Intermediate Frequency Trung tần CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp FDTD Finite Differental Time Domain Phương pháp vi sai hữu hạn theo miền thời gian TM Transverse Magnetic Sóng từ ngang VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng về điện áp TEM Transverse Electric Magnetic Sóng điện từ ngang SIR Stepped-Impedance Resonator Bộ cộng hưởng trở kháng nhảy bậc FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường 5 Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt STT Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt 1 Microwave Vi ba (cao tần) 2 Baseband Băng cơ bản 3 Lowpass Filter Bộ lọc thông thấp 4 Bandpass Filter Bộ lọc thông dải 5 Highpass Filter Bộ lọc thông cao 6 Bandstop Filter Bộ lọc chắn dải 7 Microstrip line Đường truyền vi dải 8 Cell Ô, khối nhỏ 9 Mesh Lưới, sự tạo lưới 10 Group Delay Trễ nhóm 6 Phần mở đầu Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc mọi nơi, công nghệ truyền thông không dây đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Các thiết bị thông tin vô tuyến được thu nhỏ kích thước ở mức tối đa để tăng khả năng tích hợp, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động và thông tin vệ tinh. Mạch lọc tần số là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị này. và hướng phát triển của các cấu trúc lọc không chỉ ở việc cải thiện đặc tính hoạt động mà còn ở sự nhỏ gọn trong kích thước vật lý. Đối với các thiết bị thông tin di động và vệ tinh, các dạng mạch lọc thông dải thường được sử dụng, nhờ giá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch in (PCB). Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc thông dải bao gồm sử dụng đế điện môi có hằng số điện môi lớn, hay bẻ cong các đường dải dẫn của các cấu trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa ra các cấu trúc lọc có kích thước nhỏ gọn hơn. Trong đó giải pháp thứ ba đang được quan tâm phát triển và đạt được những kết quả nhất định. Một trong những cấu trúc được áp dụng cho việc thiết kế các bộ lọc đó là cấu trúc cộng hưởng dạng vòng. Cấu trúc này khi được kích thích sẽ gây nên hiện tượng cộng hưởng hai mode sóng. Hiện tượng này làm cho một vòng cộng hưởng hoạt động giống như hai bộ cộng hưởng riêng rẽ. Điều này đồng nghĩa với việc, nếu một mạch lọc bậc N cần có N bộ cộng hưởng ghép với nhau thì dùng cấu trúc vòng cộng hưởng hai mode sóng sẽ làm giảm số lượng bộ cộng hưởng đi một nửa, do đó làm giảm kích thước vật lý của toàn bộ mạch lọc. Bên cạnh đó, vòng cộng hưởng hai mode sóng còn được dùng để thiết kế các bộ lọc dải rộng, với đáp ứng tần có độ dốc tối đa, cải thiện khả năng chọn lọc và cách ly tần số. Trong đồ án này, một mạch lọc với dải 3G (từ 1920 MHz đến 2170 MHz) sẽ được thiết kế, nhằm minh họa cho phương pháp thiết kế một bộ lọc thông dải băng hẹp dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng, với sự giúp đỡ của phần mềm mô phỏng trường điện từ HFSS 12. Đồ án được trình bày thành ba chương. Trong chương 1 trình bày ngắn gọn về vai trò và 7 hiện trạng phát triển của bộ lọc. Tiếp theo đó chương 2 là những kiến thức cơ bản về cao tần và mạch lọc. Ở chương 3 là những phân tích thiết kế bộ lọc thông dải hoạt động ở dải tần 3G. 8 Chương 1 Giới thiệu 1.1. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển Bộ lọc tần số là một bộ lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải tần mong muốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác. Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải và bộ lọc chắn dải. Hai loại bộ lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại bộ lọc còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới. Hình 1.1 mô tả dạng đáp ứng tần và ký hiệu sơ đồ khối của từng loại bộ lọc. Hình 1. 1 Bốn loại bộ lọc: a) thông thấp; b) thông cao; c) thông dải; d) chắn dải. Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên tần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị dẫ đường, cảm biến và 9 các hệ thống khác. Với sự tiến bộ của thông tin và các ứng dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ cho ngày càng nhiều hệ thống. Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trong một khoảng phổ tần nhất định. Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tín hiệu trong khoảng tần số đó. Chúng đóng nhiều vai trò khác nhau trong một hệ thống, như trong Hình 1.2 là sơ đồ một máy thu phát vô tuyến. Hình 1. 2 Sơ đồ khối của một máy thu phát vô tuyến song công . Phần sơ đồ khối phía trên thực hiện chức năng thu, còn phần phía dưới thực hiện chức năng phát. Hai chức năng này sử dụng chung một anten, một bộ song công (duplexer) và bộ dao động nội (LO). Có thể thấy, nhiều bộ lọc được sử dụng trong hệ thống và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Chẳng hạn như trong phần thu, bộ lọc phía sau LNA được dùng để chặn tần số ảnh và tần số rò rỉ từ đường truyền. Nếu không có sự ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh cũng sẽ được đổi xuống trung tần (IF) và gây ra nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) của hệ thống. Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp sẽ khử đi thành phần không mong muốn trong tín hiệu sau trộn cũng như tần số rò từ bộ dao động nội. Trong phần phát, một bộ lọc được đặt giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất để lựa chọn tần số mong muốn và loại bỏ các tần số khác được tạo ra sau bộ đổi tần lên. Cả khối phát và khối thu đều sử dụng chung một bộ song công gồm hai mạch lọc thông dải. Một bộ lọc có dải thông là dải tần thu, được dùng để lựa chọn tần số cho bộ thu và khử các tín hiệu khác truyền đến bộ thu. Với bộ lọc kia, tần số trung tâm là tần số phát, bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng. 10 [...]... vào việc tính toán thiết kế các dạng lọc khác như thông cao, thông dải hay chắn dải trong miền tần số thực, người ta sử dụng một phép biến đổi tần số để đưa đồ thị đáp ứng tần trong miền tần số chuẩn hóa Ω về miền tần số ω Cùng với đó là một phương pháp biến đổi trở kháng đồng thời giữa trở kháng nguồn tải với điện kháng của các thành phần mạch lọc Sơ đồ mạch lọc thông dải hai cửa và đồ thị tham số... số tổn hao xen theo tần số được mô tả trong Hình 2.9 và Hình 2.10 Hình 2 9 Sơ đồ mạch lọc thông dải hình bậc thang Hình 2 10 Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải 27 Công thức biến đổi tần số từ tần số chuẩn hóa của mạch lọc thông thấp sang tần số thực của mạch lọc thông dải: với (2.28) Từ hình 2.9, có thể thấy các thành phần điện dung và điện cảm trong mạch lọc thông thấp sẽ được biến... lọc lý tưởng: a) lọc thông thấp; b) lọc thông cao; c) lọc thông dải; d) lọc chắn dải 2.2.2 Bộ lọc thông thấp Hình 2.6 mô tả sơ đồ một mạch lọc hai cửa có nguồn điện áp với trở kháng nguồn , trở kháng tải Với giả thiết sóng công suất tới mạch lọc có biên độ bằng 1; biên độ của sóng phản xạ và sóng truyền qua sẽ bằng hệ số phản xạ và , là các hàm phụ thuộc tần số Hình 2 6 Sơ đồ mạch lọc hai cửa với hệ... nạp Bộ lọc thông dải trong Hình 2.9 được xây dựng từ bộ lọc thông thấp trong Hình 2.8, bao gồm các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp hoặc song song được ghép trực tiếp với nhau Trong triển khai thực tế, đôi khi việc thiết kế đồng thời các bộ cộng hưởng kiểu nối tiếp và song song là không dễ dàng, nhất là ở dải tần siêu cao Vì thế, người ta sử dụng các bộ biến đổi trở kháng hoặc dẫn nạp để liên kết các bộ. .. gợn đáp ứng tần cho phép trong dải thông Thông thường có hai dạng: Bộ lọc phẳng tối đa (maximally flat) hay còn gọi là bộ lọc Butterworth và bộ lọc có gợn đồng đều (equal-ripple) hay còn gọi là bộ lọc Chebyshev Đối với bộ lọc Butterworth, tổn hao xen giữa bằng: (2.23) Còn đối với bộ lọc Chebyshev: (2.24) với là đa thức Chebyshev bậc N Hình 2.7 mô tả tham số tổn hao xen giữa của mạch lọc thông thấp bậc... lọc tần số thành bốn loại: mạch lọc thông thấp (Low-pass filter – LPF), mạch lọc thông cao (High-pass filter – HPF), mạch lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và mạch lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF) Hai loại mạch lọc đầu tiên cho phép tín hiệu trong toàn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, còn hai loại mạch lọc còn lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần. .. thi trong các úng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn Hiện nay, các mạch lọc thông dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tin vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội, như sự dễ dàng trong việc chế tạo 1.2 Động lực nghiên cứu Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc được sử dụng với nhiều dạng đáp ứng tần khác nhau, như thông thấp, thông cao, thông dải hay chắn dải Trong. .. mm Bên trên dải tần của tia hồng ngoại là phổ tần của ánh sáng nhìn thấy được, phổ tần của tia cực tím và sau đó là tia X Bên dưới dải phổ siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency – RF) Ranh giới giữa dải tần vô tuyến điện và dải siêu cao tần thường không cố định Vì thế theo nghĩa rộng, các ứng dụng cao tần thường được hiểu là các thiết bị, hệ thống điện hoạt động trong dải tần từ 300... nối tầng với mọi số lượng 2.2 Lý thuyết về mạch lọc cao tần 22 2.2.1 Khái quát về mạch lọc tần số Mạch lọc tần số là một mạch hai cửa, có chức năng lựa chọn tín hiệu trong một dải tần số mong muốn, bằng cách cho các tín hiệu đó đi qua và làm suy hao tín hiệu ở các dải tần số không mong muốn (dải chắn) Mạch lọc thường xuất hiện trong các máy thu phát cao tần Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia mạch lọc. .. dạng đó, mạch lọc thông dải được sử dụng rộng rãi nhất Nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải đã được đề xuất Để đạt được yêu cầu về hoạt động trong dải thông cố định không phải là điều quá khó khăn Tuy nhiên khi đặt ra yêu cầu dải tần phải hẹp, và kích thước vật lý của mạch lọc phải được thu nhỏ tối đa thì bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và thông tin di . tích thiết kế bộ lọc thông dải hoạt động ở dải tần 3G. 8 Chương 1 Giới thiệu 1.1. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển Bộ lọc tần số là một bộ lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải. muốn Trong đồ án này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu, giới thiệu một phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải có dải thông hẹp, dải tần trong dải 3G, từ 1920 MHz đến 2170 MHz, đáp ứng tần trong dải thông. dải tần mong muốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác. Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải