Bộ lọc bốn băng thông mạch dải kích thước nhỏ sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi kết hợp với cộng hưởng ½ bước sóng

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải cộng hưởng ½ bước sóng.” 76 BỘ LỌC BỐN BĂNG THÔNG MẠCH DẢI KÍCH THƯỚC NHỎ SỬ DỤNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CHỮ THẬP BIẾN ĐỔI KẾT HỢP VỚI CỘNG HƯỞNG ½ BƯỚC SÓNG Nguyễn Trần Quang1*, Bùi Ngọc Mỹ2 Tóm tắt: Bốn băng thông được thiết kế và điều khiển để hoạt động tại 2,4/3,5/5,0 và 5,4GHz, phù hợp với dải tần số cho các ứng dụng WLAN và WiMAX. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng thông với kích thước nhỏ được trình bày trong bài báo này sử dụng cấu trúc cộng hưởng cộng hưởng chữ thập biến đổi kết hợp với cộng hưởng ½ bước sóng. Khi tần số trung tâm của băng thông thứ hai đã được cố định, các tần số trung tâm của băng thông thứ nhất, thứ ba và thứ tư có thể được điều khiển thuận tiện bằng việc điều chỉnh các kích thước của các cấu trúc cộng hưởng. Ngoài ra, bằng việc sử dụng cấu trúc ghép nghiêng đối xứng 00, những điểm 0 sát với biên của các băng thông đã được tạo ra để đạt được chất lượng chọn lọc cao. Từ khóa: Bộ lọc, Siêu cao tần, Cộng hưởng, Mạch dải. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, với sự phát triển của thông tin vô tuyến thế hệ mới với nhiều các ứng dụng, nhu cầu sử dụng bộ lọc dải thông có nhiều băng tần khác nhau ngày càng trở nên quan trọng. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu, đề xuất về các bộ lọc siêu cao tần có nhiều băng thông. Một yêu cầu hết sức quan trọng trong thiết kế bộ lọc có nhiều băng thông là việc lựa chọn và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng thông là đơn giản và độc lập. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất về một bộ lọc siêu cao tần bốn băng thông sử dụng một cấu trúc cộng hưởng mới trên mạch dải. Cấu trúc cộng hưởng được đề xuất là sự kết hợp của hai cấu trúc cộng hưởng cơ bản: cấu trúc chữ thập biến đổi và cấu trúc ½ bước sóng. Cấu trúc cộng hưởng mới được đề xuất đã tạo ra bốn băng thông hoạt động độc lập tại các tần số trung tâm 2,4/3,5/5,0 và 5,4GHz, cho các ứng dụng sử dụng công nghệ WLAN và WiMAX. Ưu điểm nổi bật của bộ lọc đề xuất là việc điều chỉnh, lựa chọn các tần số cộng hưởng trung tâm của bốn băng thông là đơn giản và hoàn toàn độc lập. 2. THIẾT KẾ BỘ LỌC BỐN BĂNG THÔNG VỚI CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI CÓ KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘC LẬP CÁC TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG Hiện nay, mạch dải được sử dụng phổ biến để thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông do đơn giản, thuận tiện trong tính toán, thiết kế các dải tần số hoạt động. Mạch dải có cấu trúc chữ thập là một dạng cộng hưởng cơ bản được sử dụng trong thiết kế các bộ lọc siêu cao tần [1]. Cộng hưởng cấu trúc chữ thập trình bày trong hình 1a là dạng kết hợp giữa đoạn trục chính với một đoạn chêm hở mạch và một đoạn chêm ngắn mạch ở điểm chính giữa. Đây là cấu trúc đối xứng qua trục 0-0’, ta có thể sử dụng phương pháp chế độ chẵn, lẻ để phân tích, tính toán các tần cố cộng hưởng [2], [3]. Trong hình 1, L1 và Z1 là độ dài và trở kháng của một nửa đường truyền đoạn mạch chính, L2 và Z2 là độ dài và trở kháng của đoạn chêm ngắn mạch, L3 và Z3 là độ dài và trở kháng của đoạn chêm hở mạch. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 77 Hình 1. Phân tích chế độ chẵn, lẻ cấu trúc cộng hưởng chữ thập cơ bản. (a) Cấu trúc cộng hưởng chữ thập cơ bản, (b) Chế độ lẻ, (c) Chế độ chẵn. (d) Chế độ chẵn nhánh 1, (e) Chế độ chẵn nhánh 2. Tín hiệu siêu cao tần truyền qua mạch dải sẽ phụ thuộc vào đặc tính vật lý của đoạn mạch, điện áp trên đường truyền sẽ phụ thuộc vào vị trí của điểm tiếp xúc. Theo [4], trở kháng vào Zin của đoạn mạch dải được tính bằng:          ljZZ ljZZ ZZ L L in   tan tan 0 0 0 (1) Với Z0 là trở kháng của từng đoạn mạch, thay tải 0LZ với các đoạn ngắn mạch, và LZ với các đoạn hở mạch vào công thức (1) ta tính được Zin của các chế độ chẵn, lẻ. Trường hợp cộng hưởng xảy ra khi inZ , các tần số cộng hưởng tại các chế độ với trường hợp riêng Z1 = 2Z2 = 2Z3 được tính bằng [5]: eff o L c f 12  (2) eff e LL c f )2(2 21 1   (3) eff e LL c f )2( 31 2   (4) Với c=3.108 m/s là vận tốc ánh sáng, εeff là hằng số điện môi hiệu dụng. Như vậy, mạch dải dạng cấu trúc cộng hưởng chữ thập có ba tần số cộng hưởng cơ bản. Trước đây, khi nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần ba băng thông sử dụng mạch dải có cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi tương đương, nhóm tác giả đã có công trình được công bố trên Tạp chí Hội thảo về công nghệ viễn thông quốc tế ATC 2013, trang 492-495, [6]. Hình 2 là cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi với đoạn chêm hở mạch L3 trong cấu trúc chữ thập cơ bản được thay thành vòng vuông có độ dài gấp đôi. e L2 0’ 0 Z1 Z2 L2 L1 L3 Z3 a Z1 L1/2 Z1 L2 L1/2 2Z3 L3 b c Z1 Z1 L1/2 2Z3 L3 d 2Z2 2Z2 Zin,o Zin,e Zin,e1 Zin,e2 L1/2 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải cộng hưởng ½ bước sóng.” 78 Hình 2. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi tương đương. (a) Biến đổi đoạn chêm hở mạch L3 thành vòng vuông; (b) Vòng vuông được xoay lên trên để giảm diện tích. Cấu trúc cộng hưởng kết hợp giữa cộng hưởng chữ thập biến đổi và cộng hưởng ½ bước sóng được trình bày trong hình 3. Tần số cộng hưởng thứ tư của bộ lọc được tạo ra hoàn toàn độc lập, được tạo ra từ cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng. Giá trị của fλ/2 chỉ phụ thuộc vào độ dài đường truyền. effg c f   2/ với L=nλg/2 n=1,2,... (5) Hình 3. Cấu trúc cộng hưởng kết hợp chữ thập biến đổi tương đương và ½ bước sóng. Cấu trúc kết hợp với cộng hưởng ½ bước sóng cũng đã được nhóm tác giả sử dụng trong thiết kế đề xuất bộ lọc siêu cao tần ba băng thông công bố trên Tạp chí Hội thảo quốc tế Việt Nam-Nhật bản về ăng-ten và truyền sóng 2014, trang 257-260, [7]. Từ công thức (2), ngoài việc phụ thuộc vào hằng số điện môi hiệu dụng εeff, tần số cộng hưởng fo chỉ phụ thuộc vào độ dài đoạn mạch chính của cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi L1. Từ công thức (3) và (4), tần số cộng hưởng chế độ chẵn fe1 và fe2 ngoài phụ thuộc vào L1, thì chỉ phụ thuộc vào độ dài của một đoạn mạch chêm L2 và L3. Theo công thức (5), tần số cộng hưởng fλ/2 chỉ phụ thuộc vào độ dài của đoạn mạch cộng hưởng ½ bước sóng. Với L2>0 ta có fe1<fo và với L1/2>L3 thì fo0 và lựa chọn L1/2>L3 ta có fe1<fo<fe2. Tần số Z3 L3 Z3 L3 Z2 0’ 0 Z1 Z2 L2 L1 (a) (b) 0 Z1 L2 L1/2 0’ L1 L3 L2 0-0’ L=nλg/2 In Out Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 79 cộng hưởng thuộc đoạn mạch cộng hưởng ½ bước sóng hoàn toàn độc lập, để thuận tiện cho thiết kế sẽ chọn fλ/2> fe2. Bộ lọc bốn băng thông được thiết kế sẽ sử dụng kết hợp giữa cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi với cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng. Cấu trúc ghép nghiêng đối xứng 00 để tạo thêm nhiều điểm 0 tăng khả năng chọn lọc tần số được sử dụng trong thiết kế bộ lọc [8]. Để phù hợp với các dải tần số hoạt động và tối ưu về kích thước, bộ lọc được thiết kế sử dụng mạch in chất điện môi FR-4 với các tham số: hằng số điện môi εr=4,4, độ dày chất nền h=0,8mm, bề dày mạch t=0,02mm và tổn hao điện môi tanδ=0,0009. Sử dụng phương án thiết kế với tần số fo =3,5GHz được lựa chọn trước, từ đó lựa chọn được giá trị L1. Với các tần số fe1=2,4GHz, fe2=5GHz theo thiết kế và giá trị L1 đã xác định trước, tính ra được giá trị L2 và L3. Tần số fλ/2=5,4GHz được thiết lập hoạt toàn độc lập, bằng việc lựa chọn độ dài mạch cộng hưởng ½ bước sóng. Qua việc điều chỉnh kích thước và phối ghép, bộ lọc sẽ được tăng độ chính xác và nâng cao chất lượng chọn lọc tần số như mục tiêu thiết kế. Bộ lọc bốn băng thông được thiết kế có hình dạng và kích thước như trong hình 4. Hình 4. Mô hình cấu trúc vật lý bộ lọc bốn băng thông được đề xuất. Trong sơ đồ, hai cổng vào (In), ra (Out) được phối hợp trở kháng 50. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi (ở bên trong) có đoạn mạch chính với chiều dài bằng L5+L6+ L7+L8+L9, độ dài đoạn mạch chính này quyết định giá trị tần số cộng hưởng f2=3,5GHz. Khi tần số f2 đã được lựa chọn, độ dài đoạn chêm ngắn mạch trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi sẽ quyết định giá trị tần số cộng hưởng f1=2,4GHz, giá trị độ dài L10 được sử dụng để lựa chọn và điều chỉnh giá trị tần số cộng hưởng f1. Độ dài ½ vòng vuông trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi chính là đoạn chêm hở mạch biến đổi tương đương (giá trị L11) sẽ quyết định giá trị tần số cộng hưởng f3=5GHz. Bằng việc điều chỉnh giá trị độ dài L11 tần số f3 sẽ được ấn định. Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng (ở bên ngoài) có độ dài đường truyền bằng L1+ L2+L3+L4. Độ dài này quyết định đến giá trị của tần số cộng hưởng f4=5,4GHz. Giá trị đoạn L4 được sử dụng để điều chỉnh f4. In Out W0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 S2 W1 W3 W2 S1 S3 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải cộng hưởng ½ bước sóng.” 80 Với phương án thiết kế như vậy, việc lựa chọn và điều chỉnh các tần số cộng hưởng sẽ đơn giản và hoàn toàn độc lập. 3. MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 13.0.2 để kiểm tra và hiệu chỉnh các giá trị. Giá trị độ dài L10 điều chỉnh để lựa chọn tần số cộng hưởng f1. Hình 5 mô tả về các thay đổi của đặc tuyến tần số của bộ lọc khi thay đổi các giá trị L10. Khi tăng L10 tần số cộng hưởng f1 sẽ giảm và ngược lại, các tần số f2, f3 và f4 không bị ảnh hưởng đáng kể. Hình 5. Kết quả mô phỏng đặc tuyến tần số khi L10 thay đổi. Hình 6. Kết quả mô phỏng đặc tuyến tần số khi L11 thay đổi. Tần số cộng hưởng f3 phụ thuộc vào giá trị độ dài ½ vòng vuông biến đổi. Độ dài ½ vòng vuông được điều chỉnh bằng giá trị L11. Hình 6 mô tả kết quả mô phỏng L11=8,25mm L11=8,35mm L11=8,45mm L10=2,95mm L10=3,05mm L10=3,15mm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 81 khi thay đổi L11, việc thay đổi có tác dụng điều chỉnh tần số f3, các tần số f1 , f2 không bị ảnh hưởng. Tần số f4 có bị ảnh hưởng một ít. Tần số cộng hưởng f4 phụ thuộc vào giá trị độ dài cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng (ở bên ngoài). Giá trị độ dài L4 được sử dụng để điều chỉnh tần số f4.. Việc thay đổi L4 chỉ có tác dụng điều chỉnh tần số f4, các tần số f1 , f2 và f3 không bị ảnh hưởng. Hình 7 mô tả việc thay đổi giá trị L4. Hình 7. Kết quả mô phỏng đặc tuyến tần số khi L4 thay đổi. Bộ lọc bốn băng thông mới được đề xuất giá trị các tham số sau khi được điều chỉnh, trình bày trong bảng 1. Đường kính của đoạn ngắn mạch trong cấu trúc cộng hưởng chêm ngắn mạch d=0,5mm. Bảng 1. Giá trị các tham số của bộ lọc siêu cao tần bốn băng thông đề xuất. Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) L1 5,2 L7 3,3 W1 0,9 L2 9,7 L8 5,72 W2 0,5 L3 12,3 L9 4,5 W3 0,5 L4 4,2 L10 3,05 S1 0,76 L5 7,7 L11 8,35 S2 0,2 L6 4,1 W0 1,5 S3 1 Bộ lọc siêu cao tần bốn băng thông được đề xuất có kích thước tương đối nhỏ 14,2  16,4 mm, diện tích sử dụng hiệu quả. Băng thông thứ nhất có tần số trung tâm là 2,4GHz, độ rộng dải thông tại 3dB là 4,2% (102MHz). Tổn hao chèn là 0,4dB, tổn hao phản hồi là 29dB. Băng thông thứ hai có tần số trung tâm là 3,5GHz, độ rộng dải thông tại 3dB là 2,6% (90MHz). Tổn hao chèn là 0,5dB, tổn hao phản hồi 18dB. Băng thông thứ ba có tần số trung tâm là 5GHz, độ rộng dải thông 3dB là 2% (101MHz). Tổn hao chèn là 1dB và tổn hao phản hồi là 19dB. L4=4,1mm L4=4,2mm L4=4,3mm Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải cộng hưởng ½ bước sóng.” 82 Băng thông thứ tư có tần số trung tâm là 5,4GHz, độ rộng dải thông 3dB là 3,7% (198MHz). Tổn hao chèn là 1,6dB và tổn hao phản hồi là 16dB. Hình 8 trình bày về đặc tuyến tần số của bộ lọc bốn băng thông đề xuất: Hình 8. Kết quả mô phỏng đặc tuyến của bộ lọc đề xuất. Kết quả nghiên cứu được so sánh với một số công trình nghiên cứu gần đây về bộ lọc bốn băng thông có dải tần gần với bộ lọc đề xuất được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Bảng so sánh các tham số của bộ lọc đề xuất. Bộ lọc Tần số trung tâm Tổn hao chèn (dB) Tổn hao phản hồi (dB) Băng thông hiệu dụng - 3dB (%) Kích thước (mm) [9] 2,4/3,5/ 5,2/6,8 0,5/1,3/ 1,3/1 13/38/ 19/26 6,4/9,4/ 3,8/4,9 20 x 22 [10] 2,4/3,59/ 5,22/6,6 0,72/0,68/ 1,8/1,39 58,82/47,66/ 15,39/13,24 12/10,7/ 8,54/5,03 22 x 22 [11] 2,45/3,5/ 5,2/5,8 0,12/0,12/ 0,23/0,25 20/20/ 15/16 4,96/5,07/ 2,32/3,63 11,35 x 6,5 [12] 2,4/3,5/ 5,2/5,8 2,0/1,9/ 1,9/1,96 15,5/14,5/ 21/16 6,7/7,2/ 6,9/5,3 12 x 19 Đề xuất 2,4/3,5/ 5,0/5,4 0,4/0,5/ 1,0/1,6 29/18/ 19/16 4,2/2,6/ 2/3,7 14,2 x 16,4 Ưu điểm nổi bật của bộ lọc đề xuất là đơn giản trong việc lựa chọn và điều chỉnh độc lập các tần số cộng hưởng trung tâm của cả bốn băng thông trong thiết kế. Nhóm tác giả đã có công trình nghiên cứu về bộ lọc bốn băng thông với các tần số trung tâm 1,8/2,4/3,5 và 4,6GHz được công bố trên Tạp chí Hội thảo về công nghệ viễn thông quốc tế ATC 2016, trang 468-471, tuy nhiên, việc điều chỉnh độc lập chỉ đạt được ở tần số cộng hưởng thứ hai và thứ tư [13]. S21 S11 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 83 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất kết quả nghiên cứu mới về thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần bốn băng thông mạch dải. Cấu trúc cộng hưởng mới bằng việc kết hợp cộng hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng, bộ lọc có ưu điểm là việc lựa chọn và điều chỉnh cả bốn tần số cộng hưởng đơn giản và hoàn toàn độc lập. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Q.X. Chu, FC. Chen, Z.H. Tu and H.Wang, “A novel crossed resonator and its applications to bandpass filter”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,Vol. 57, (2009), pp. 1753-1759. [2]. J. S. Hong and M. J. Lancaster, “Microwave filter for RF/microwave application.”, New York: Wiley, (2001), pp 18-21. [3]. I. C. Hunter, “Theory and design of microwave filters”. New York: Artech House, (2001), pp 41-43. [4]. D. M. Pozar, “Microwave Engineering”, 4rd edition, John Wiley & Sons, (2012), pp. 59. [5]. F C. Chen, Q. X. Chu and Z. H. Tu, “Tri-band bandpass filter using stub loaded resonators”, Electron. Lett., Vol. 44, (2008), pp. 747-749. [6]. Minh Tan Doan, Tran Quang Nguyen and Hai Nam Le, “Miniaturized tri- band bandpass filter using modified triple-mode resonators with multiple transmission zeros”, IEEE ATC 2013, (2013), pp. 492-495. [7]. Minh Tan Doan, Tran Quang Nguyen, T. Hong Tham Tran and Duc Uyen Nguyen, “A method to design tri-band bandpass filter for WLAN and WiMAX applications”, Proceedings Of The Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, (2014), pp. 257-260. [8]. C. M. Tsai, S. Y. Lee, and C. C. Tsai, “Performance of a planar filter using a 00 feed structure”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 50, No. 10, (2002), pp. 2362-2367. [9]. Hung-Wei Wu and Ru-Yuan Yang, “A new quad-band bandpass filter using asymmetric steped impedance resonators”, Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, Vol. 21, No. 4, (2011), pp. 203-205. 10]. Ji-Chyun Liu, Feng Sheng Huang and Ching-Pin Kuel, “Quad-band dual- mode resonator with dua-square-loop for WLAN and WiMAX systems”, IEEE Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Confence, , (2012) pp. 100-103. [11]. Haiwen Liu, Baoping Ren, Xuehui Guan, Pin Wen and Yan Wang, “Quad- band high-temperature superconducting bandpass filter using quadruple- mode square ring loaded resonator”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, No. 12, (2014), pp. 2931-2941. . [12]. Tengfei Yan, Xiao-Hong and Junfeng Yang, “A novel quad-band bandpass filter using short stub loaded E-shaped resonators”, Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, Vol. 25, No. 8, (2015), pp. 508-510. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải cộng hưởng ½ bước sóng.” 84 [13]. Van Phuong Do, Duc Uyen Nguyen, Tran Quang Nguyen and Minh Tan Doan, “Quad-Band filter using square ring crossed stub loaded resonators”, IEEE ATC 2016, (2016), pp. 468-471. ABSTRACT COMPACT MICROSTRIP QUAD-BAND BANDPASS FILTER USING A MODIFIED CROSS RESONATOR WITH A HALF-LENGTH WAVE RESONATOR Four passbands are designed and controlled to operate at 2.4/3.5/5.0 and 5.4GHz, corresponding to frequency range of WLAN and WiMAX. A compact microstrip quad-band bandpass filter is presented in this paper using a modified cross resonator with a half-length wave resonator. Whereas the second passband frequency is fixed, the center frequencies of the first, the third and the fourth passband can be conveniently controlled by tuning the dimensions of resonators. Besides, by using the skew-symmetrical 00 feeding structure, the transmission zeros near the edges of passbands are produced to achieve high selectivity. Keywords: Filter, Microwave, Resonator, Microstrip. Nhận bài ngày 06 tháng 12 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 02 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017 Địa chỉ: 1 Phòng Khoa học quân sự/Tổng cục Kỹ thuật; 2 Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email : quangkhqs@gmail.com.