Bộ lọc microstrip hai băng sử dụng SIR

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Bộ lọc microstrip hai băng sử dụng SIR
Đỗ Văn Phương∗ , Phan Văn Hưng† , Trần Nguyễn Thị Nhật Lệ∗
∗

Trường Đại học Thông tin liên lạc;
† Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Email: ,

Tóm tắt nội dung—Bài báo đề xuất một bộ lọc thông
dải (BPF) microstrip hai băng nhỏ gọn mới sử dụng cấu
trúc ghép cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) ở mặt phẳng
phía trên và cấu trúc khuyết mặt phẳng đất (DGS) hình
chữ nhật. Chất lượng và tần số trung tâm hai dải thơng
của bộ lọc được kiểm sốt bằng cách điều chỉnh hợp lý
kích thước các SIR; kích thước và vị trí các DGS hình chữ
nhật của bộ lọc. Kết quả mô phỏng trên phầm mềm HFSS
xác định hai dải thông của bộ lọc đề xuất hoạt động tại
tần số 2,6GHz và 3,9GHz phù hợp với lý thuyết thiết kế.

Từ khóa: Bộ lọc thông dải (BPF), bộ lọc microstrip
hai băng, cộng hưởng trở kháng bậc (SIR), bộ lọc
microstrip hai băng sử dụng SIR.
I.

GIỚI THIỆU

Bộ lọc siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong
sự phát triển của các hệ thống viễn thông không dây và
được coi là một phần không thể thiếu của hệ thống đầu

cuối RF [1], [2] và [3]. Chính vì vậy, nghiên cứu, phát
triển các bộ lọc siêu cao tần chất lượng cao đáp ứng
yêu cầu của các hệ thống vô tuyến đa băng, đa dịch vụ
đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu và
thực hiện [3], [4] và [5]. Một trong những phương pháp
được sử dụng rộng rãi hiện nay là thiết kế DGS trong
các bộ lọc thông dải hoặc thông thấp để cải thiện chất
lượng chọn lọc tần số. Trong [6], một bộ lọc thông dải
công tác tại tần số 2,4GHz được nghiên cứu, chế tạo dựa
trên cấu trúc hai lớp. Kích thước của DGS có thể thay
đổi để kiểm sốt tần số công tác của bộ lọc. Trong [7],
bằng cách điều chỉnh phù hợp vị trí và kích thước của
DGS quả tạ trong mặt phẳng đất của mạch cộng hưởng
ghép song song làm tăng phẩm chất của bộ lọc đề xuất.
Trong [8], một bộ lọc thông dải hai băng sử dụng DGS
hình chữ I được thiết kế, trong đó DGS chỉ có thể thay
đổi tần số băng thứ hai. Trong [9], một bộ lọc hai băng
cũng được thiết kế, chế tạo bằng cách sử dụng mạch

ISBN 978-604-80-7468-5

256

cộng hưởng trở kháng bậc vịng vng và DGS hình
chữ L. Tuy nhiên, cũng chỉ có một dải thơng của BPF
được kích thích bởi DGS, một dải thông khác được tạo
ra bởi đường truyền microstrip. Trong [10], một bộ lọc
thông dải hai băng được thiết kế, chế tạo dựa trên cấu
trúc hai mặt phẳng là mặt phẳng microstrip ở trên và
mặt phẳng đất có các rãnh DGS xen kẽ để tạo ra hai

tần số trung tâm 2,44GHz và 3,28GHz với dải chặn lên
đến -30dB trong khoảng từ 3,7GHZ đến 9GHz. Trong
[11] và [12], nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế bộ
lọc thông dải hai băng microstrip có các lỗ thơng kết
nối mạch cộng hưởng ở mặt phẳng trên với mặt phẳng
đất để có thuộc tính hai băng. Bộ lọc sử dụng cấu trúc
DGS hình quả tạ đã cải thiện đáng kể giá trị tổn hao
chèn và tổn hao phản xạ. Tuy nhiên, cấu trúc của các
mạch cộng hưởng và cấu trúc các DGS khá phức tạp.
Bài báo này đề xuất một bộ lọc thông dải microstrip
hai băng mới đơn giản, nhỏ gọn sử dụng cấu trúc SIR
gấp và cấu trúc khuyết mặt phẳng đất hình chữ nhật
như thể hiện trong Hình 1. Bằng cách điều chỉnh hợp
lý kích thước các SIR gấp, kích thước và vị trí hai DGS
hình chữ nhật có thể kiểm soát được tần số trung tâm,
các tham số tổn hao của 2 băng và giảm thiểu kích
thước của bộ lọc. Kết quả mô phỏng xác định bộ lọc đề
xuất hoạt động tại tần số 2,6GHz và 3,9GHz phù hợp
ứng dụng cho WLAN và di động 5G [13]. Các giá trị
tổn hao chèn/tổn hao phản xạ của 2 băng tương ứng là
-0,1dB/-21,8dB và -0,1dB/-23,7dB thỏa mãn lý thuyết
thiết kế.
II. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC HAI BĂNG
Hình 1 thể hiện cấu trúc bộ lọc thông dải microstrip
hai băng được thiết kế. Bộ lọc hoạt động tại hai dải thơng
có tần số trung tâm lần lượt là 2,6GHz và 3,9GHz. Cấu
trúc bộ lọc gồm hai mạch cộng hưởng SIR uốn gấp khúc
để giảm thiểu kích thước tổng thể (Hình 1a), kết hợp
với hai DGS hình chữ nhật như thể hiện trong Hình 1b.
Trong đó, mạch SIR gấp khúc hở mạch đầu cuối được

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

+ Tỷ lệ trở kháng,
Z1
,
Z2

(1)

θ1
,
θ1 + θ2

(2)

k=
+ Tỉ lệ chiều dài điện,
α=

+ Trở kháng vào của SIR nhận được là:
Yin = j

Z2 tanθ1 tanθ2 − Z1
,
Z1 (Z1 tanθ1 + Z2 tanθ2 )

(3)

trong đó Z1 , θ1 và Z2 , θ2 là trở kháng đặc tính và độ
dài điện tương ứng của SIR cơ bản.
Từ đó, xác định hai tần số cộng hưởng của SIR có thể
được điều khiển bằng cách thay đổi giá trị k và α trong
(1) và (2). Trên cơ sở đó, sử dụng phần mềm HFSS 15.0
thiết kế một cấu trúc SIR cơ bản thỏa mãn các công thức
(1), (2) và (3) để nhận được hai băng tần mong muốn.
Hình 1. Hình ảnh bộ lọc thơng dải 2 băng đề xuất. (a) Bộ cộng hưởng
SIR ghép. (b) DGS hình chữ nhật.

Hình 2. Cấu trúc SIR cơ bản

coi là mạch cộng hưởng mode kép có thể điều chỉnh
độc lập hai tần số cộng hưởng (f1 và f2 ) do SIR tạo ta.
Thiết kế gấp các SIR làm xuất hiện hai đường tín hiệu
và hai điểm truyền khơng được tạo ra ở hai cạnh viền
của mỗi dải thông làm tăng khả năng chọn lọc tần số
của bộ lọc. Hai đoạn mạch dải trở kháng đặc tính 50Ω
được kết nối đến hai mạch SIR gấp khúc đóng vai trị
như cổng vào và cổng ra, đồng thời cấp nguồn cho bộ
lọc.
A. Cấu trúc SIR cơ bản
Để tạo ra hai băng có tần số trung tâm tương ứng là
f1 và f2 , chỉ cần thiết kế một mạch cộng hưởng SIR
cơ bản. Cấu trúc của SIR cơ bản được thể hiện trong
Hình 2. Hai thơng số quan trọng của SIR là tỷ lệ trở
kháng và tỷ lệ chiều dài điện:

ISBN 978-604-80-7468-5

257

B. Thiết kế bộ lọc thông dải 2 băng sử dụng SIR
Một BPF microstrip hai băng cấu trúc đơn giản được
thiết kế bằng cách ghép hai SIR với nhau và thực hiện
gấp khúc để giảm thiểu kích thước và triệt nhiễu của
bộ lọc. Trong đó, các phần trở kháng cao của hai SIR
được thiết kế gấp khúc và kết nối kiểu dây rẽ với 2 đoạn
mạch dải trở kháng 50Ω đầu vào và đầu ra như thể hiện
trong Hình 3.
Để nâng cao chất lượng chọn lọc và góp phần kiểm
sốt các băng tần của bộ lọc đề xuất, nhóm tác giả thiết
kế bổ sung hai DGS hình chữ nhật vào mặt phẳng đất
của bộ lọc [14] như thể hiện trong Hình 4.
Trong Hình 3, các đoạn mạch dải làm nhiệm vụ cấp
nguồn đầu vào/ra được kết nối với phần trở kháng cao
gấp khúc kiểu dây rẽ của SIR. Do đó tín hiệu được
truyền vào SIR sẽ có hai đường khác nhau. Khi độ lệch
pha giữa tín hiệu truyền trên hai đường khác nhau là
180 độ, và chiều dài phần gấp khúc của SIR tăng trên
12mm, sẽ tạo ra hai điểm truyền không trong đáp ứng
S21 của bộ lọc.
Một cấu trúc bộ lọc thông dải microstrip hai băng
sử dụng SIR kết hợp DGS hình chữ nhật nhỏ gọn được
thiết kế trên chất nền Rogers RO4350, độ dày 0,762mm
và hằng số điện mơi εr = 3,6. Kích thước tổng thể của
bộ lọc đề xuất là (16.8 × 13.2)mm. Các tham số kích
thước của bộ lọc được xác định và liệt kê trong Bảng I.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Bảng I
KÍCH

THƯỚC BỘ LỌC THÔNG DẢI HAI BĂNG ĐỀ XUẤT

Tham số
Giá trị
Tham số
Giá trị

L1
12.4
W4
2.2

L2
10.6
S1
1.3

L3
9.7
S2
0.8

L4
3.0
a

3.0

W1
1.5
b
5.0

W2
0.5

(mm)
W3
0.5

Hình 5. Đáp ứng tần số của bộ lọc hai băng đề xuất

Hình 3. Cấu trúc bộ lọc thơng dải hai băng sử dụng SIR

C. Kết quả mô phỏng bộ lọc hai băng
Sử dụng phần mềm HFSS 15.0 để tối ưu hóa tham số
cấu trúc bộ lọc thơng dải microstrip hai băng đã được
thiết kế. Hai băng của bộ lọc tạo ra có thể kiểm sốt
bằng cách điều chỉnh kích thước của các SIR, điều chỉnh
vị trí và kích thước của hai DGS hình chữ nhật.

Hình 4. Cấu trúc DGS hình chữ nhật

ISBN 978-604-80-7468-5

258

Kết quả mơ phỏng được thể hiện ở Hình 5 cho thấy
đặc tuyến tổn hao chèn S11 và tổn hao phản xạ S21 của
bộ lọc có xuất hiện 4 điểm truyền không đã cải thiện
đáng kể độ dốc cạnh của mỗi băng thông, nâng cao chất
lượng chọn lọc tần số. 4 điểm truyền không được tạo ra
tại các tần số với mức suy hao tương ứng là 2.05GHz/53dB, 3.2GHz/-44dB, 4.3GHz/-42dB và 6.57GHz/64dB.
Tần số trung tâm băng tần thứ nhất và băng tần thứ hai
của bộ lọc là 2.6GHz và 3.9GHz. Dải chặn dưới và dải
chặn trên của bộ lọc rất rộng với giá trị loại bỏ nhiễu
lớn hơn 22dB, như thể hiện trên Hình 5 đã minh chứng
cho phương pháp thiết kế và cấu trúc bộ lọc đề xuất.
Kết quả này của bộ lọc đề xuất có thể đáp ứng yêu
cầu của hệ thống không dây hiện đại và đạt được mục
tiêu thiết kế. Hai băng tần cơng tác có tần số trung tâm
f1 và f2 của bộ lọc trong thiết kế này có thể được kiểm
sốt khi thay đổi kích thước L1 , L4 .
Hình 6 cho thấy khi điều chỉnh kích thước L1 thì tần
số trung tâm, độ rộng băng thông và tổn hao chèn của
hai băng thay đổi. Trong khi đó, điều chỉnh kích thước
L4 thì đặc tuyến S11 và S21 của bộ lọc đề xuất cũng
được kiểm sốt như minh họa trên Hình 7 và Hình 8.
Như vậy, một cấu trúc bộ lọc microstrip hai băng nhỏ
gọn sử dụng SIR kết hợp DGS được thiết kế và đề xuất.
Bằng cách điều chỉnh kích thước các SIR, vị trí, kích
thước các DGS có thể kiểm sốt được tần số trung tâm,
độ rộng băng thơng và chất lượng chọn lọc tần số của
bộ lọc. Một bản mẫu bộ lọc microstrip hai băng hoàn
chỉnh được thiết kế như thể hiện trên Hình 9.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Hình 8. Mơ phỏng S11 khi thay đổi kích thước L4

Hình 6. Mơ phỏng S11 , S21 khi thay đổi kích thước L1

Hình 7. Mơ phỏng S21 khi thay đổi kích thước L4
Hình 9. Bản thiết kế bộ lọc thông dải hai băng được đề xuất.

III. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày một bộ lọc thông dải hai băng mới
sử dụng hai cấu trúc phẳng gồm cấu trúc SIR ghép ở
mặt trên và cấu trúc khuyết đất hình chữ nhật trong mặt
phẳng đất. Thực hiện điều chỉnh kích thước các SIR
ghép, điều chỉnh vị trí và kích thước của hai DGS có
thể kiểm sốt được hai băng thông; các tham số tổn hao
chèn/tổn hao phản xạ của băng thứ nhất và băng thứ
hai tương ứng là -0,1dB/-23,1dB và -0,1dB/-23,9dB. Từ
kết quả này, bộ lọc được đề xuất có thể đáp ứng yêu
cầu để ứng dụng trong các hệ thống không dây hiện nay.

ISBN 978-604-80-7468-5

259

TÀI LIỆU
[1] S. Sedighi Maragheh, M. Dousti, M. Dolatshahi, and B. Ghalamkari, "A dualmode tunable bandpass filter for GSM, UMTS,
WiFi, and WiMAX standards applications," International Journal
of Circuit Theory and Applications, vol. 47, pp. 561-571, 2019.

[2] C. Tan, Z. Yu, and C. Xie, "An L-Band Bandpass Filter with
Narrow Bandwidth and Miniature Based on LTCC Technology,"
Progress In Electromagnetics Research M, vol. 87, 2019.
[3] W. Huang, L. Li, L. Li, Y. Ren, and Y. Ma, "A compact coplanar
waveguide dual-band bandpass filters based on defected ground
structures," IEICE Electronics Express, p. 18.20210053, 2021.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

[4] L. Wang, C. Zhao, C. Li, and X. Lin, "Dual-band bandpass filter
using stub loaded resonators with multiple transmission zeros,"
in Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), 2010 9th
International Symposium on, 2010, pp. 1208-1211.
[5] A. Sami and M. Rahman, "A very compact quintuple band
bandpass filter using multimode stub loaded resonator," Progress
In Electromagnetics Research C, vol. 93, pp. 211-222, 2019.
[6] M. Khan, M. Zakariya, M. Saad, Z. Baharudin, M. U. Rehman,
and P. W. Wong, "Tuning of end-coupled line bandpass filter for
2.4 GHz using defected ground structure (DGS) parameters," in
Business Engineering and Industrial Applications Colloquium
(BEIAC), 2013 IEEE, 2013, pp. 131-134.
[7] S. K. Parui and S. Das, "A new defected ground structure for different microstrip circuit applications," RADIOENGINEERINGPRAGUE-, vol. 16, p. 16, 2007.
[8] K. M. Ho, H. K. Pang, and K. W. Tam, "Dualband bandpass
filter using defected ground structure," Microw. optical technol.
lett., vol. 48, pp. 2259-2261, 2006.
[9] W. N. Chen, W. K. Chia, C. F. Yang, and C. L. Shih, "Design
of dualband bandpass filter using stepped impedance resonator
and defected ground structure," Microw. Optical Technol. Lett.,
vol. 49, pp. 3099-3103, 2007.

[10] L. Ren and H. Huang, "Dual-band bandpass filter based on dualplane microstrip/interdigital DGS slot structure," Electron. Lett.,
vol. 45, pp. 1077-1079, 2009.
[11] F. Xu, Z. Wang, M. Xiao, J. Duan, J. Cui, Z. Zhu, et al., "A compact dual-band band-pass filter with wide stop-band using two
resonators combined by via-hole," Progress In Electromagnetics
Research C, vol. 41, pp. 81-95, 2013.
[12] A. Kumar and M. Kartikeyan, "Design and realization of microstrip filters with new defected ground structure (DGS),"
Engineering Science and Technology, an International Journal,
2016.
[13] Bộ TT truyền thông "Dự thảo thông tin quy hoạch băng tần
(3,6-4,2)GHz cho TT di động 5G" 2020.
[14] H. W. Liu, Z. F. Li, X. W. Sun, and J. F. Mao, "An improved
1D periodic defected ground structure for microstrip line," IEEE
Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 14, pp. 180-182, 2004.

ISBN 978-604-80-7468-5

260