Bộ lọc thông dải microstrip ba băng ứng dụng cho WLAN & WiMAX

Bộ lọc thông dải microstrip ba băng
ứng dụng cho WLAN & WiMAX
Đỗ Văn Phương
Khoa Viễn thông
Đại học Thông tin Liên lạc
Khánh Hịa, Việt Nam


Nguyễn Đình Q
Khoa Viễn thơng
Đại học Thơng tin Liên lạc
Khánh Hịa, Việt Nam


Nguyễn Văn Chính
Khoa Viễn thơng
Đại học Thơng tin Liên lạc
Khánh Hịa, Việt Nam


băng chất lượng cao được thiết kế sử dụng cấu trúc đường
truyền ghép và tải SIR. Tuy nhiên cấu trúc bộ lọc này khá phức
tạp, khó thiết lập các băng thơng mong muốn. Trong [13], một
bộ lọc thông dải microstrip hai băng cấu trúc mới sử dụng SIR
đạt hiệu suất cao nhờ 3 điểm 0 truyền dẫn được tạo ra khi thiết
kế thêm hai tải dây chêm vào đoạn mạch dải I/O.

Tóm tắt - Bài báo này, trình bày một bộ lọc thơng dải (BPF)
microstrip ba băng cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) mới ứng
dụng cho các hệ thống WLAN và WiMAX. Ba băng thông của
bộ lọc được thiết lập tại các tần số 1.8/3.5/5.8GHz khi điều chỉnh

tỷ lệ trở kháng các mạch SIR của bộ lọc trong quá trình thiết kế
bộ lọc. Một bộ lọc thông dải microstrip ba băng mới, nhỏ gọn,
chất lượng cao được thiết kế, đề xuất với kết quả mơ phỏng tốt
đã minh chứng cho tính đúng đắn của lý thuyết thiết kế bộ lọc
ba băng sử dụng cộng hưởng SIR đa mode.

Trong bài báo này, đề xuất một mẫu bộ lọc thông dải ba
băng mới cho các hệ thống WLAN và WiMAX. Cấu trúc bộ
lọc sử dụng SIR và tải dây chêm ngắn mạch. Các tần số trung
tâm của 3 băng thơng hoạt động tại 1.8/3.5/5.8GHz có thể
được kiểm soát khi điều chỉnh hợp lý tỷ lệ các đoạn mạch của
SIR và tải dây chêm ngắn mạch. Bộ lọc đề xuất được thiết kế
trên chất nền Rogers RO4350, hằng số điện mơi 3.6, có kích
thước khá nhỏ gọn (13.1×12.9) mm. Cấu trúc bộ lọc và kết
quả mơ phỏng được trình bày và phân tích sau đây.

Từ khóa - Bộ lọc thông dải (BPF), Cộng hưởng trở kháng bậc
(SIR), cộng hưởng ba phần, WLAN, WiMAX.

I. GIỚI THIỆU
Trong những năm qua, công nghệ truyền thông không dây
đã phát triển rất nhanh, các hệ thống không dây đa băng được
sử dụng phổ biến. Trong đó, BPF có vai trị thiết yếu trong các
hệ thống truyền thông không dây khác nhau, đặc biệt là trong
các hệ thống vô tuyến siêu cao tần yêu cầu mạch và linh kiện
kích thước nhỏ [1,2]. Vì vậy, việc nghiên cứu, đề xuất các bộ
lọc thơng dải siêu cao tần kích thước nhỏ, chất lượng cao đã
trở thành một hướng phát triển quan trọng [3]. Để thiết kế các
bộ lọc thơng dải microstrip đa băng có thể được thực hiện theo
nhiều phương pháp thiết kế sáng tạo như bộ lọc ba băng sử

dụng SIR và cộng hưởng tải SIR [4-7]. Trong [4], một bộ lọc
thông dải microstrip ba băng sử dụng SIR không đối xứng ứng
dụng cho GSM, WiMAX và hệ thống không dây băng siêu
rộng được đề xuất. Cấu trúc này rất khó thiết lập các băng tần
mong muốn khi điều chỉnh cả tỷ lệ và đồ dài vật lý của của
các SIR. Trong [5], một BPF microstrip hai băng có cấu trúc
răng lược cải tiến với một loạt các mạch SIR tải dây chêm
được sử dụng. Một số bộ lọc thông dải khác sử dụng cấu trúc
SIR và SIR không đối xứng hai mode để tạo ra BPF đa băng
chất lượng cao, triệt sóng hài và cho dải chặn rộng [6,7]. Trong
[8], một bộ lọc microstrip ba băng kích thước nhỏ ứng dụng
cho các hệ thống Bluetooth, WIMAX và WLAN được đề xuất.
Cấu trúc này, có ba mạch cộng hưởng khác nhau gồm SIR cho
Bluetooth (2,4GHz), cộng hưởng vịng vng cho WIMAX
(3,5GHz) và SIR tải dây chêm cho WLAN (5,2-5,8GHz).
Thực hiện ghép chặt giữa các mạch cộng hưởng với đường
cấp nguồn tạo ra một số điểm khơng truyền dẫn (TZ) đã có thể
cải thiện hiệu suất của bộ lọc được đề xuất. Tuy nhiên, bộ lọc
có khá phức tạp, khó thiết lập các tần số cơng tác và kích thước
mạch cịn khá lớn (16,2 ×12,3) mm. Một BPF hai băng nhỏ
gọn sử dụng SIR biến đổi được đề xuất. bằng cách lựa chọn
thích hợp tỷ lệ trở kháng và độ dài tỷ lệ của các SIR có thể xác
định được hai dải thơng mong muốn tại 2,4/5,2GHz [9]. Trong
[10, 11], một thiết kế bộ lọc 3 băng khác được thực hiện khi
sử dụng các SIR độc lập. Tuy nhiên, các bộ lọc đề xuất trong
2 cơng trình này có cạnh dải thơng khơng đủ độ dốc, khả năng
chọn lọc tần số yếu. Trong [12], hai BPF băng rộng và đơn

II. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG SIR HAI MODE

2 Z 2

21 Z 1

2 Z 2

(a)

2 Z 2 1 Z 1

Yin lẻ
(b)

2 Z 2

Yin chẵn

1 Z 1

(c)

Hình 1. (a) Cấu trúc SIR /2. (b) Mạch tương đương
mode lẻ. (c) Mạch tương đương mode chẵn
Từ cấu trúc mạch cộng hưởng SIR /2 hai mode cơ bản được
biểu diễn như Hình 1. Khi đó: Hình 1(a) biểu diễn cấu trúc cơ
bản của mạch SIR microstrip nửa bước sóng (λ/2) được thiết
kế bằng cách xếp tầng theo chiều dài của một đoạn mạch dài
(2θ1), trở kháng cao (Z1) ở trung tâm, kết nối với hai đoạn
mạch ngắn (θ2) trở kháng thấp (Z2) ở hai bên. Khi kích thích
chế độ mode lẻ giữa các SIR qua mặt phẳng diện, mạch tương

đương gần đúng như minh họa trên Hình 1(b), xác định được
tần số cộng hưởng cơ bản (f0) [9]:

Rz  tan(1 ) tan(2 )

(1)

trong đó Rz là tỷ số của trở kháng đặc tính Z2 với Z1.
Khi kích thích chế độ mode chẵn qua mặt phẳng từ, mạch
tương đương gần đúng được thể hiện trong Hình 2(c) có thể
xác định được tần số cộng hưởng cơ bản (f0) [9]:

XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE

56


Rz  cos(1 ) tan( 2 )

(2)

Chọn 1 = 2 = 0, xác định tần số cộng hưởng đầu tiên:

tan( s1 )  

(3)

trong đó s1 là độ dài điện đối với tần số giả đầu tiên tại fs1.
Từ (1) và (3) có:

f s1  s1



1
f 0  0 2 tan ( Rz )

(4)

Từ (4) cho thấy tần số sóng hài chỉ được xác định bởi Rz.
III. THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI 3 BĂNG
Từ phân tích trên, có thể xác định được giá trị Rz, Z1 và Z2
để tạo ra cấu trúc bộ lọc thông dải hai băng tại 2,5/5,8GHz.
Bên cạnh đó, dựa vào tính chất mặt phẳng đối xứng khi phân
tích mode cộng hưởng chẵn lẻ [12] để thêm vào tải dây chêm
ngắn mạch và thiết kế cấu trúc bộ lọc ba băng như thể hiện
trên Hình 2. Cấu trúc bộ lọc thơng dải microstrip ba băng đề

(a)

(b)
Hình 3. Kết quả mô phỏng đáp ứng tần số khi thay đổi
kích thước L6. (a) S11 điều chỉnh. (b) S21 điều chỉnh
Chúng ta có thể nhận thấy rằng giá trị S11 kém hơn và tần
số trung tâm tăng dần tại băng thơng thứ nhất và thứ 2 khi thay
đổi kích thước L6 giảm. Trong khi đó, giá trị của S11, S21 và tần
số trung tâm cũng thay đổi kém và lệch khỏi giá trị 5,8GHZ
khi kích thước L6 giảm tương ứng từ 4,2 mm xuống đến 3,5
mm (tất cả các các giá trị được cố định). Tương tự, Hình 4(a),
(b) cũng cho thấy các giá trị S11, S21 và tần số trung tâm của

băng 2 và băng 3 thay đổi đáng kể khi điều chỉnh kích thước
vật lý đoạn mạch L13 của SIR (thay đổi tỷ lệ trở kháng bậc của
SIR).

Hình 2. Cấu trúc bộ lọc thơng dải ba băng đề xuất
xuất được thiết kế để chế tạo trên chất nền Rogers RO4350 có
độ dày 0,762mm, hằng số điện mơi tương đối 3,6. Sau quá
rình thiết kế, điều chỉnh phù hợp kích thước các mạch cộng
hưởng của bộ lọc đề xuất bằng phần mềm HFSS15.0, Một mẫu
bộ lọc thông dải ba băng được thiết kế: Cấu trúc bộ lọc gồm 2
SIR ghép với nhau (L7 + L8 + L11), (L13 + L9) có gắn tải dây
chêm hở mạch (L10 + L6) tạo thành mạch cộng hưởng SIR tải
dây chêm ngắn mạch ba mode (SIRSS); hai SIRSS này được
thiết kế đối xứng, ghép lỏng cấp nguồn qua hai đoạn mạch dải
bao quanh bên ngồi đóng vai trị là cổng vào/ra như thể hiện
trên Hình 2.

BẢNG 1. KÍCH THƯỚC VẬT LÝ CỦA BỘ LỌC ( TẤT CẢ TÍNH THEO MM)

Tham
số
Giá trị
Tham
số

Dải tần các băng chủ yếu được xác định bởi toàn bộ chiều
dài của các SIR, tỷ số của trở kháng đặc tính Rz, kích thước
hai tải dây chêm ngắn mạch (L10 + L6). Khoảng cách g1 và g2
được điều chỉnh hợp lý để xác định hiệu quả các băng thơng.
Hình 3(a), (b) cho thấy các kết quả mô phỏng S11, S21 có thể

được kiểm sốt khi thay đổi kích thước của tải dây chêm L6.

57

L1

L2

L3

L4

L5

L6

9,3

2,0

8,2

3,6

6,65

4,2

L7

L8

L9

L10

L11

L12

Giá trị
Tham
số

4,2

3,9

3,9

3,0

4,9

7,8

L13

d

W1

W2

W3

W4

Giá trị

4,9

0,5

0,5

1,0

1,5

1,0


Hình 5. Kết quả mơ phỏng đáp ứng tần số của bộ
lọc ba băng đề xuất
(a)
Trong khi đó, tại băng thứ nhất có S21 và tần số trung tâm gần
như khơng thay đổi, chỉ có chất lượng tham số S11 thay đổi
giảm đáng kể chất lượng.
Như vậy, bằng cách điều chỉnh hợp lý kích thước vật lý

các đoạn mạch dải và tỷ lệ trở kháng bậc của các SIR, chúng
ta có thể kiểm sốt và xác lập được ba băng thông của bộ lọc
đề xuất đạt đến các giá trị mong muốn tại ba tần số trung tâm:
1.8/3.5/5.8GHz để ứng dụng cho WLAN và WiMAX. Sau khi
tối ưu các kích thước vật lý của bộ lọc thông dải microstrip ba
băng được thiết kế và nhận được đáp ứng tần số của bộ lọc thể
hiện trên Hình 5. Kết quả mơ phỏng của bộ lọc ba băng có ba
băng thơng được tạo ra tại, tần số trung tâm tương ứng ở
1.8GHz, 3.5GHz và 5.8GHz với độ rộng băng thông 3dB
tương ứng là 16,6/11/13,5%. Tổn hao chèn đạt giá trị là
1,4/1,2/2,91dB và tổn hao phản xạ tương ứng là
21,7/20/21,6dB. Với sau điểm không truyền nằm tại 1.17GHz,
2.5GHZ, 3.5GHz, 3.8GHz, 5.15GHz và 7.0GHz với độ suy
giảm tương ứng là 50/53/60/48/56/37dB được xác định. Nhờ
6 điểm không truyền dẫn được tạo ra đã cải thiện đáng kể độ
dốc dải thông và khả năng chọn lọc của bộ lọc đề xuất.

(b)
Hình 4. Kết quả mơ phỏng đáp ứng tần số khi thay đổi
kích thước L13. (a) S11 điều chỉnh. (b) S21 điều chỉnh
Tham
số

W5

W6

g1

g2

Giá trị

0,5

0,8

0,2

0,3

Hình 6 cho thấy ảnh mẫu bộ lọc đề xuất được chế tạo trên
chất nền Rogers RO4350, độ dày 0,762mm. Bộ lọc có kích
thước rất nhỏ gọn, phù hợp cho ứng dụng trong các thiết bị và
hệ thông không dây hiện đại ngày nay.

Hình 6. Hình ảnh mẫu bộ lọc thơng dải microstrip ba
băng đề xuất

58


[5] W.-Y. Chen, M.-H. Weng, and S.-J. Chang, "A new tri-band bandpass
filter based on stub-loaded step-impedance resonator," IEEE Microwave
and Wireless Components Letters, vol. 22, pp. 179-181, 2012.
[6] Y.-M. Chen, S.-F. Chang, C.-C. Chang, and T.-J. Hung, "Design of
stepped-impedance combline bandpass filters with symmetric insertionloss response and wide stopband range," IEEE transactions on
microwave theory and techniques, vol. 55, pp. 2191-2199, 2007.
[7] J. Konpang and N. Wattikornsirikul, "An Analysis of High Selectivity
and Harmonic Suppression Based on Stepped-Impedance Resonator

Structure for Dual-Mode Diplexer," Progress In Electromagnetics
Research C, vol. 112, pp. 45-54, 2021.
[8] I. Jadidi, M. A. Honarvar, and F. Khajeh-Khalili, "Compact tri-band
microstrip filter using three types of resonators for bluetooth, WIMAX,
and WLAN applications," Progress In Electromagnetics Research, vol.
91, pp. 241-252, 2019.
[9] Chang, S.-H., M.-H. Weng, and H. Kuan, “Design of a compact dualband bandpass filter using trisection stepped impedance resonators,”
Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 49, No. 6, 1274–1277, Jun. 2007.
[10] Y.-C. Chiou, P.-S. Yang, J.-T. Kuo, and C.-Y. Wu, "Transmission zero
design graph for dual-mode dual-band filter with periodic steppedimpedance ring resonator," Progress In Electromagnetics Research, vol.
108, pp. 23-36, 2010.
[11] Wu, Yongle, et al. "High performance single-ended wideband and
balanced bandpass filters loaded with stepped-impedance stubs." IEEE
Access 5 (2017): 5972-5981.
[12] H. Liu, J. Lei, Y. Zhao, W. Xu, Y. Fan, and T. Wu, "Tri‐band microstrip
bandpass filter using dual‐mode stepped‐impedance resonator," Etri
Journal, vol. 35, pp. 344-347, 2013.
[13] Guo, Long, Zhi-Yuan Yu, and Long Zhang. "Design of a dual-mode
dual-band filter using stepped impedance resonators." Progress In
Electromagnetics Research Letters 14 (2010): 147-154.

IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, một bộ lọc thông dải microstrip ba băng
mới sử dụng SIR và tải dây chêm ngắn mạch được đề xuất;
Bằng cách thay đổi tỷ lệ trở kháng đặc tính, tỷ lệ độ dài của
SIR và kích thước của tải dây chêm có thể kiểm sốt ba băng
tần cơng tác của bộ lọc đạt giá trị mong muốn. Phương pháp
thiết kế, kiểm soát tần số cơng tác của bộ lọc được phân tích
và minh chứng bằng mô phỏng và thử nghiệm. Bộ lọc mới
được đề xuất có hiệu suất tốt nhờ 06 điểm không truyền dẫn

được tạo ra làm tăng độ dốc cạnh dải thơng và dễ dàng để kiểm
sốt ba băng thơng đạt giá trị thiết kế mong muốn.
REFERENCES
[1] Hong, J.S. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, 2nd ed.;
Wiley: New York, NY, USA, 2011.
[2] Liu, Bo, and Yimin Zhao. "Compact tri-band bandpass filter for WLAN
and WiMAX using tri-section stepped-impedance resonators." Progress
In Electromagnetics Research Letters 45 (2014): 39-44.
[3] Ibrahim, A.A.; Abdalla, M.A.; Budimir, D. Coupled CRLH transmission
lines for compact and high selective bandpass filters. Microw. Opt.
Technol. Lett. 2017, 59, 1248–1251.
[4] W.-Y. Chen, M.-H. Weng, S.-J. Chang, H. Kuan, and Y.-H. Su, "A new
tri-band bandpass filter for GSM, WiMAX and ultra-wideband
responses by using asymmetric stepped impedance resonators,"
Progress In Electromagnetics Research, vol. 124, pp. 365-381, 2012.
[5] Weng, Min-Hang, Hung-Wei Wu, and Yan-Kuin Su. "Compact and low
loss dual-band bandpass filter using pseudo-interdigital stepped
impedance resonators for WLANs." IEEE Microwave and wireless
components letters 17.3 (2007): 187-189.

59