Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN VIỄN THÔNG Đề tài: Thiết kế mô mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô HFSS Lớp : Giảng viên hướng dẫn: 50K ĐTVT TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa NGHỆ AN – 05/2013 BẢNG THÔNG QUA ĐỒ ÁN MÔN HỌC Lớp : 50 K1-ĐTVT Tên đề tài : Thiết kế mô mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô HFSS Nhận xét (cho Lần Ngày Nội dung phép/ không Chữ ký cho phép, thông GVHD qua đợt sau) Nhận đề tài đồ án, hướng dẫn xây dựng đề cương Thông qua đề cương đồ án Thông qua thuyết minh đồ án lần Thông qua thuyết minh đồ án lần Thông qua vẽ kết mô Nhận xét chung: ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .4 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bộ lọc 1.2 Các đặc tính lọc 1.3 Các loại lọc 1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) 1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) 1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) 1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) 1.4 Cấu trúc DGS 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Đặc tính kỹ thuật DGS 1.5 Bộ lọc thông thấp DGS CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS BẰNG PHẦN MỀM HFSS 13 2.1 Chọn cấu trúc DGS 13 2.2 Mạch tương đương DGS 13 2.3 Các bước mô lọc thông thấp DGS 14 2.4 Kết qủa mô 15 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng vùng ăn mòn lên tần số làm việc tần số cắt loc 15 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng độ rộng khe (g) lên tần số làm việc tần số cắt loc 17 KẾT LUẬN 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 21 LỜI MỞ ĐẦU Trên giới, việc nghiên cứu lọc thu nhiều kết Có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế lọc thông thấp Tuy nhiên, nước ta nghiên cứu thực tế việc thiết kế chế tạo mạch lọc Bằng chứng tất tài liệu tham khảo tài liệu tiếng anh nhà khoa học nước Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng hệ thống thông tin sóng điện từ, thời đại nay, công nghê không dây phát triển cách nhanh chóng Phổ tần số sóng điện từ nguồn tài nguyên có hạn phải chia sẻ Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách kết hợp tần số khác Yêu cầu quan trọng việc thiết kế lọc tần số khả chống nhiễu tín hiệu có tần số khác Như đặc tính lọc, hay đáp ứng tần, lọc phải có khả lựa chọn loại bỏ tần số dải tần cách tối ưu Không nằm xu hướng nhỏ gọn hóa thiết bị thông tin liên lạc, lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao giá thành thấp ngày quan tâm nghiên cứu phát triển Những tiến gần 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 (Microelectromechanic Systems – MEMS) trở thành động lực mạnh mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu cấu trúc lọc vi dải (microstrip) dạng lọc khác cho ứng dụng cao tần Bên cạnh đó, với giúp sức công cụ hỗ trợ thiết kế máy tính , chẳng hạn phần mềm thiết kế mô trường điện từ (HFSS) tạo nên cách mạng lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bộ lọc Về bản, lọc điện mạch mà thiết kế để thay đổi, làm biến dạng từ chối tất tần số không mong muốn tín hiệu điện chấp nhận cho vượt qua tín hiệu mong muốn nhà thiết kế mạch Nói cách khác lọc “lọc ra” tín hiệu không mong muốn 1.2 Các đặc tính lọc Đáp ứng tần số Tần số cắt Điểm cực Dải thông Dải chắn 1.3 Các loại lọc Bộ lọc chia thành hai loại riêng biệt: lọc tích cực lọc thụ động Bộ lọc tích cực có thiết bị khuếch tăng cường độ tín hiệu lọc thụ động không chứa thiết bị khuếch tăng cường tín hiệu Vì có hai thành phần thụ động thiết kế lọc thụ động tín hiệu đầu có biên độ nhỏ so với tín hiệu đầu vào tương ứng nó, lọc thụ động RC làm giảm bớt tín hiệu có mức tăng 1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) Đáp ứng tần số lọc thông thấp lý tưởng Hình 1.1 Đồ thị đáp ứng tần số lọc thông thấp lý tưởng 1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) Đáp ứng tần số lọc thông cao lý tưởng Hình 1.2 Đồ thị đáp ứng tần số lọc thông cao lý tưởng 1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) Đáp ứng tần số lọc thông dải lý tưởng định nghĩa sau: Hình 1.3 Đồ thị đáp ứng tần số lọc thông dải lý tưởng 1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) Đáp ứng tần số lọc chắn dải lý tưởng dịnh nghĩa sau: Hình 1.4 Đồ thị đáp ứng tần số lọc chắn dải lý tưởng 1.4 Cấu trúc DGS 1.4.1 Khái niệm cấu trúc hình thành từ hình dạng khắc mặt phẳng đế kim loại Là cấu trúc cải tiến từ cấu trúc PBG, hình dạng khắc mặt phẳng đế có chu kỳ chu kỳ, Với cấu trúc DGS người thiết kế dễ dàng thay đổi điều chỉnh mạch tương đương (LC) Hình 1.5 Hình dạng mặt phẳng đế DGS Cấu trúc DGS sử dụng để thiết kế cộng hưởng, lọc, chia/ghép, tạo dao động hay anten 1.4.2 Đặc tính kỹ thuật DGS Các đặc tính DGS khe (g) cộng hưởng hay vùng ăn mòn (a,b) mặt phẳng đế, đặt trực tiếp cấp nguồn khớp nối Dễ dàng thay đồi giá trị điện dung (C) cảm kháng (L) thông qua việc thay đổi diện tích vùng ăn mòn, bề rộng khe hình số cấu trúc DGS sử dụng Mỗi cấu trúc khác có sơ đồ tương đương tỷ lệ L-C khác nhau, khả phối hợp, khả đáp ứng thông số điện khác Mỗi người thiết kế chọn cấu trúc phù hợp cho ứng dụng cụ thể Cấu trúc DGS không tăng đáng kể đặc tính trở kháng đường cấp nguồn mà cải thiện hiệu suất chắn dải cách loại trừ dải tần cao cho phép thông dải kết cho thấy lọc với cấu trúc DGS nhỏ hiệu lọc vi dải thông thường Các thông số thiết kế cấu trúc DGS (a,b,w g) Hình 1.6 Đế DGS Hệ số phản xạ truyền đạt lọc thông thấp 1.5 Bộ lọc thông thấp DGS LPF phần thiếu hầu hết hệ thống mạch thiết kế truyền thống, lọc thông thấp thường thực cách sử dụng bước trở kháng Tuy nhiên, lọc sơ khai (stub-line) chiếm diện tích lớn lọc bậc trở kháng cung cấp tần số cắt không sắc nét Hơn nữa, có tồn đời dải phổ giả cho hai loại lọc Photonic band-gap (PBG) nhỏ gọn cực cấu trúc DGS nghiên cứu rộng rãi cho ứng dụng họ sóng ngắn khu vực sóng milimet cấu trúc có chắn dải rộng kích thước nhỏ Cũng có có báo cáo cấu trúc tích hợp với lọc thông thấp để tăng suy giảm tối đa để ngăn chặn tần số không mong muốn Tuy nhiên, khó để tìm thấy mạch tương đương tham số mạch PBG có nhiều thông số thiết kế mà ảnh hưởng đến tính chất bề rộng băng, chẳng hạn số lượng hình dạng lưới, khoảng cách, khối lượng phần 10 Một Bộ lọc thông thấp LPF thụ động RC đơn giản, dễ dàng thực cách kết nối với loạt điện trở với tụ điện hình Trong loại hình xếp lọc tín hiệu đầu vào (Vin) áp dụng cho kết hợp hàng loạt (cả hai điện trở tụ điện với nhau) tín hiệu đầu (Vout) thực tụ điện Đây loại lọc thường biết đến " lọc - "hoặc" lọc cực", lệnh đơn cực?, Bởi có "một" thành phần phản ứng, tụ điện, mạch Bộ lọc thông thấp RC Hình 1.7 RC lọc thông thấp Như đề cập hướng dẫn, điện kháng tụ điện thay đổi nghịch với tần số, giá trị điện trở không đổi thay đổi tần số Ở tần số thấp điện kháng điện dung (XC) tụ điện lớn so với giá trị điện trở điện trở, R kết điện áp tụ điện, Vc lớn giảm điện áp điện trở, VR thấp nhiều Ở tần số cao ngược lại với Vc nhỏ VR lớn Trong mạch RC Bộ lọc thông thấp mạch, phân loại tần số biến mạch chia tiềm tương tự nhìn vào điện trở hướng dẫn Trong hướng dẫn mà sử dụng phương trình sau để tính toán điện áp đầu cho hai điện trở nối tiếp 11 (1) R1+R2=RT Cũng biết kháng điện dung tụ điện mạch AC cho là: Đối lập với dòng điện mạch AC gọi trở kháng , biểu tượng Z cho mạch loạt bao gồm điện trở series với tụ điện nhất, trở kháng tính sau: Sau đó, cách thay phương trình cho trở kháng vào phương trình (1) Vì vậy, cách sử dụng phương trình hai điện trở loạt thay cho trở kháng, tính toán điện áp đầu lọc RC cho tần số định 12 Hình 1.8 Đáp ứng tần số lọc thông thấp Đáp ứng tần số lọc để gần phẳng cho tần số thấp tất tín hiệu đầu vào truyền trực tiếp, dẫn đến mức tăng gần 1, gọi thống nhất, đạt đến tần số (ƒc) điểm Cut-off Điều điện kháng tụ điện cao tần số thấp ngăn chặn dòng điện thông qua tụ điện Sau thời điểm tần số cắt phản ứng mạch giảm cho độ dốc -20dB/ Octave (-6dB/Octave) "roll-off" tín hiệu tần số trở nên yếu đi, tần số cao kháng tụ điện trở nên thấp mà mang lại hiệu tình trạng ngắn mạch thiết bị đầu cuối kết đầu không Đối với mạch lọc thông thấp, tất tàn số cắt điểm fc thay đổi suy giảm coi băng thông lọc Các tần số tín hiệu điểm điểm cắt thường cho lọc Dừng băng khu vực suy giảm nhiều 13 CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS BẰNG PHẦN MỀM HFSS 2.1 Chọn cấu trúc DGS Trong đề tài nghiên cứu, tập trung nghiên cứu lọc thông thấp DGS có cấu trúc đơn giản vùng ăn mòn (a,b) có kích thước hình vuông khe (g) nằm bề rộng (w) 1.2 mm Hình 2.1Cấu trúc DGS có miền ăn miền a=b khe (g) 2.2 Mạch tương đương DGS Hình 2.2 Sơ đồ tương đương lọc thông thấp DGS Phần nét đứt phần tương đương vùng DGS Đây lọc thông thấp điểm cực có cấu trúc đơn giản gồm cuộn cảm (L) mắc song song với tụ (C) 14 Đây công thức liên quan đến việc tính toán xác định giá trị phần tử mạch điện 2.3 Các bước mô lọc thông thấp DGS B1: Tạo dự án B2: Vẽ cấu trúc 3D Vẽ mặt phẳng đế Vẽ lớp điện môi Vẽ đường cấp nguồn B3: Vẽ vùng cấu trúc DGS Thiết kế vùng ăn mòn Thiết kế khe gap Tiến hành ghép, cắt B5: Tạo vùng xạ B6: Cấp nguồn B7: Cài đặt thông số quét B8: Chạy mô Hình 2.3 Bộ lọc thông thấp DGS HFSS 2.4 Kết mô 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng vùng ăn mòn lên tần số làm việc tần số cắt loc 15 Để khảo sát ảnh hưởng vùng ăn mòn đến tần số làm việc tần số cắt lọc, ta tiến hành mô khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21) với cac giá trị a,b khác Tại giá trị a,b ta thu đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số, hình 2.5 số đồ thị hệ số tổn hao giá trị khác a,b Từ hình 2.6 ta thấy, a=b tăng tần số cắt, tần số làm việc lọc giảm gần tuyến tính Hình 2.4 Cấu trúc DGS 16 Magnitude (dB) 0 -10 -10 -20 -20 -30 -30 a=b=1.5mm-s11 a=b=2.5mm-s11 a=b=3.0mm-s11 a=b=4.6mm-s11 -40 -50 a=b=1.5mm-s21 a=b=2.5mm-s21 a=b=3.0mm-s21 a=b=4.6mm-s21 10 -40 -50 12 Frequency (GHz) Hình 2.5 Tần số làm việc tần số cắt thay đổi a,b 10 Pole Frequency cutoff Frequency (GHz) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 a=b (mm) Hình 2.6 Tần số làm việc tần số cắt giảm thuyến tính tăng a,b 17 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng độ rộng khe (g) đến tần số cắt tần số làm việc Để khảo sát ảnh hưởng độ rộng khe (g) đến tần số làm việc tần số cắt lọc, ta tiến hành mô khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21) với cac giá trị g khác Tại giá trị g ta thu đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số, hình 2.7 số đồ thị hệ số tổn hao giá trị khác g Từ hình 2.8 ta thấy, g tăng tần số cắt, tần số làm việc lọc tăng gần tuyến tính Hình 2.7 Tần số làm việc tần số cắt thay đổi khe (g) 18 Hình 2.8 Tần số làm việc tần số cắt tăng thuyến tính tăng bề rộng khe (g) 19 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm tòi sư tận tình bảo TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đồ án viễn thông đề tài “Thiết kế mô mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô HFSS” hoàn thành Qua việc nghiên cứu giúp em hiểu thêm nhiều kiến thức thực tế mạch lọc mà việc học lý thuyết lớp được, giúp em sử dụng thành thạo phần mềm HFSS để phục vụ cho công việc nghiên cứu sau Mặc dù cố gắng vào việc thực đồ án sai sót trình thực em xin nhận lời góp ý bổ sung cho đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jason Yun, Peter Shin, “Design Applications of Defected Ground Structures”, Ansoft 2003 [2] Filters with Defected Ground Structure (DGS), IEEE Trans Mic Theo & Techni, 49, 86-93, 2001 [3] “Design and Implementation of Filters with Defected Ground Structure (DGS) for Microwave Mixer Applications”, Ansoft 2003 21 PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 • Đầy đủ tính 3D o Tích hợp mô o Ảo hóa o Mô hình hóa 3D tự động hó a • Quét tham số tối ưu • Dễ dàng cài đặt quét, tối ưu, nhạy, phân tích số liệu • Công nghệ quét tần số nhanh 22 [...]... 19 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm tòi cũng như sư tận tình chỉ bảo của TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đồ án viễn thông đề tài Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS đã được hoàn thành Qua việc nghiên cứu thì giúp em hiểu thêm nhiều kiến thức thực tế về mạch lọc mà việc học lý thuyết trên lớp không có được, ngoài ra nó còn giúp em sử dụng thành thạo phần mềm. .. mạch điện 2.3 Các bước mô phỏng bộ lọc thông thấp DGS B1: Tạo dự án B2: Vẽ cấu trúc 3D Vẽ mặt phẳng đế Vẽ lớp điện môi Vẽ đường cấp nguồn B3: Vẽ vùng cấu trúc DGS Thiết kế vùng ăn mòn Thiết kế khe gap Tiến hành ghép, cắt B5: Tạo vùng bức xạ B6: Cấp nguồn B7: Cài đặt thông số quét B8: Chạy mô phỏng Hình 2.3 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS 2.4 Kết quả mô phỏng 2.4.1 Khảo sát sự... đổi hoặc không có sự suy giảm và được coi là băng thông của bộ lọc Các tần số tín hiệu trên điểm này điểm cắt thường được cho là trong các bộ lọc Dừng băng khu vực và suy giảm rất nhiều 13 CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS BẰNG PHẦN MỀM HFSS 2.1 Chọn cấu trúc DGS Trong đề tài nghiên cứu, chúng tôi tập trung nghiên cứu về bộ lọc thông thấp DGS có cấu trúc đơn giản là vùng ăn mòn (a,b) có... trúc DGS có miền ăn miền a=b và khe (g) chính giữa 2.2 Mạch tương đương của DGS Hình 2.2 Sơ đồ tương đương của bộ lọc thông thấp DGS Phần nét đứt chính là phần tương đương của vùng DGS Đây sẽ là một bộ lọc thông thấp một điểm cực có cấu trúc đơn giản gồm một cuộn cảm (L) mắc song song với một tụ (C) 14 Đây là các công thức liên quan đến việc tính toán và xác định các giá trị của các phần tử trong mạch. .. biết đến như một " bộ lọc - đầu tiên "hoặc" lọc một cực", tại sao lệnh đầu tiên hoặc đơn cực?, Bởi vì nó chỉ có "một" thành phần phản ứng, các tụ điện, trong các mạch Bộ lọc thông thấp RC Hình 1.7 RC bộ lọc thông thấp Như đã đề cập trong các hướng dẫn, các điện kháng của một tụ điện thay đổi nghịch với tần số, trong khi giá trị của điện trở vẫn không đổi như thay đổi tần số Ở tần số thấp điện kháng điện... R và kết quả là điện áp trên tụ điện, Vc cũng sẽ lớn trong khi giảm điện áp trên các điện trở, VR sẽ thấp hơn nhiều Ở tần số cao ngược lại là đúng với Vc là nhỏ và VR là lớn Trong khi các mạch trên là của một RC Bộ lọc thông thấp mạch, nó cũng có thể được phân loại như là một tần số biến mạch chia tiềm năng tương tự như chúng ta nhìn vào trong điện trở hướng dẫn Trong hướng dẫn mà chúng ta sử dụng. .. dòng điện thông qua các tụ điện Sau thời điểm tần số cắt này phản ứng của mạch giảm cho độ dốc -20dB/ Octave hoặc (-6dB/Octave) "roll-off" như tín hiệu trên tần số này trở nên rất yếu đi, cho đến khi ở tần số rất cao các kháng của các tụ điện trở nên quá thấp mà nó mang lại hiệu quả của một tình trạng ngắn mạch trên các thiết bị đầu cuối kết quả đầu ra trong không ra Đối với các mạch lọc thông thấp, tất... Structures”, Ansoft 2003 [2] Filters with Defected Ground Structure (DGS) , IEEE Trans Mic Theo & Techni, 49, 86-93, 2001 [3] “Design and Implementation of Filters with Defected Ground Structure (DGS) for Microwave Mixer Applications”, Ansoft 2003 21 PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 • Đầy đủ các tính năng 3D o Tích hợp mô phỏng o Ảo hóa o Mô hình hóa 3D và tự động hó a • Quét các tham số và tối ưu • Dễ...Một Bộ lọc thông thấp hoặc LPF thụ động RC đơn giản, có thể dễ dàng thực hiện bằng cách kết nối với nhau trong một loạt điện trở duy nhất với một tụ điện duy nhất như hình dưới đây Trong loại hình này sắp xếp bộ lọc tín hiệu đầu vào (Vin) được áp dụng cho các kết hợp hàng loạt (cả hai điện trở và tụ điện với nhau) nhưng tín hiệu đầu ra (Vout) được thực hiện chỉ trên tụ điện Đây là loại bộ lọc thường... đầu ra của một bộ lọc RC cho bất kỳ tần số nhất định 12 Hình 1.8 Đáp ứng tần số của một bộ lọc thông thấp Đáp ứng tần số của bộ lọc để được gần như bằng phẳng cho tần số thấp và tất cả các tín hiệu đầu vào được truyền trực tiếp, dẫn đến mức tăng gần 1, được gọi là thống nhất, cho đến khi nó đạt đến tần số (ƒc) điểm Cut-off của nó Điều này là do điện kháng của tụ điện là cao ở tần số thấp và ngăn chặn