BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: Mô phỏng bộ lọc thông dải (BPF) ở tần số 2.6 GHz cho 5G sub band

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

Đề tài:
Mơ phỏng bộ lọc thông dải (BPF) ở tần số 2.6 GHz cho 5G sub band

Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Anh Quang
Sinh viên thực hiện :
Nguyễn Viết Phong

20186316

Nguyễn Thị Thu Giang

20182470

Đỗ Vũ Thanh Hiền

20182494


Hà Nội, 6 - 2021


MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................................ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................iii
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................................4
1.1 Lý thuyết chung..............................................................................................................4
1.1.1 Bộ lọc thông dải.......................................................................................................4
1.1.2 Một số tham số của bộ lọc........................................................................................5
1.2 Phân loại bộ lọc thông dải..............................................................................................5
1.2.1 Bộ lọc thông dải rộng...............................................................................................5
1.2.2 Bộ lọc thông dải hẹp.................................................................................................6
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI.................................................................7
2.1 Phân tích u cầu đề tài.................................................................................................7
2.2 Tính tốn các thơng số của mạch..................................................................................8
2.2.1 Thiết kế bộ lọc thông thấp........................................................................................8
2.2.2 Thiết kế bộ lọc Bandpass filter...............................................................................10
2.2.3 Mô phỏng bộ lọc thông dải sử dụng phần mềm ADS............................................12
KẾT LUẬN..............................................................................................................................14


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

LPF

Low Pass Filter

BPF

Band Pass Filter

HPF

High Pass Filter

SF

Shape Factor

IL

Insertion Loss

i


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tín hiệu khi qua bộ lọc thơng dải....................................................................4
Hình 1.2 Bộ lọc thơng dải lý tưởng................................................................................5
Hình 1.3 Tổng quan về bộ lọc băng thơng rộng.............................................................6
Hình 1.4 Sơ đồ bộ lọc thơng dải rộng............................................................................6
Hình 2.1 Cấu trúc hình T của bộ lọc thơng dải định dạng chữ T với bậc 3 (N = 3).......7
Hình 2.2 Bộ lọc thơng thấp với tần số cut – off 2.6 GHz...............................................8
Hình 2.3. Response for 0.5 dB ripple Chebyshev LPF....................................9
Hình 2.4. Mơ hình Lowpass filter với bậc bộc lọc N = 5.............................................10
Hình 2.5. Sơ đồ mạch bộ lọc Bandpass filter bậc N = 5..............................................11
Hình 2.6 Mạch mơ phỏng bộ lọc thơng dải với N = 5..................................................13
Hình 2.7 Kết quả đồ thị S11, S21................................................................................13

DANH MỤC BẢNG BIỂU
ii

Bảng 1. Bảng chuyển đổi từ Lowpass sang các bộ lọc.................................................11
Bảng 2 Low-Pass Chebysev Filter Coefficients – 0.5 dB Ripple................11

iii


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Lý thuyết chung
1.1.1 Bộ lọc thông dải
-

BPF (Band Pass Filter ) là “ Bộ lọc thông dải”

-

Mạch lọc thông dải là một mạch điện tử được sử dụng để vượt qua các tần số
trong một dải tần cụ thể để chỉ thu được một dải tần số nhất định để xử lý tiếp
trong mạch ứng dụng. Dải tần này chủ yếu nằm giữa các tần số cắt là f 1và f2
trong đó f1 là tần số cắt thấp hơn và f2 là tần số cắt cao hơn.

-

Phạm vi tần số được chấp nhận này được gọi là băng thơng của bộ lọc ( kí hiệu
là BW).

Hình 1.1 Tín hiệu khi qua bộ lọc thơng dải

Hình 1 .1 mơ tả hình ảnh một tín hiệu ban đầu có dải tần từ 0 đến hơn 40, sau
khi đi qua bộ lọc thơng dải thì bộ lọc đã lọc các tần số thấp hơn 10 và cao hơn 20

chỉ giữ lại dải tần [10;20].
-

Tần số trung tâm được ký hiệu là 'f C ' và nó cịn được gọi là tần số cộng hưởng
hoặc tần số đỉnh. f C =√ f 1 . f 2
Dưới đây là hình ảnh đáp ứng tần số của bộ lọc thơng dải lý tưởng Hình 1 .2

4


Hình 1.2 Bộ lọc thơng dải lý tưởng

1.1.2 Một số tham số của bộ lọc
 Băng thông: BW = f2 - f1
 Q : Hệ số phẩm chất
Q=

fC
2 π BW

Q phụ thuộc vào độ rộng của băng thông, cụ thể là tỉ nghịch với băng thơng. Điều đó
có nghĩa là nếu độ rộng băng thơng tăng thì hệ số phẩm chất giảm và nếu độ rộng băng
tần giảm thì hệ số phẩm chất tăng.
 Ripple : Độ gợn sóng
 Shape Factor (SF): Hình dáng bộ lọc
 IL (Insertion Loss): Hệ số suy hao chèn

1.2 Phân loại bộ lọc thông dải
Bộ lọc được phân loại dựa trên Q và được chia thành hai loại:
1.2.1 Bộ lọc thông dải rộng

Với Q < 10, có đáp tuyến phẳng rộng trên một dải tần số, BW lớn .
BPF rộng là sự kết hợp của LPF và HPF như được mơ tả ở Hình 1 .3

5


Hình 1.3 Tổng quan về bộ lọc băng thơng rộng

Đầu tiên tín hiệu sẽ đi qua bộ lọc thơng cao, tín hiệu đầu ra của bộ lọc thơng cao
này sẽ có xu hướng đến vơ cùng và do đó tín hiệu có xu hướng đến vơ cùng được
đưa đến bộ lọc thông thấp ở cuối.
Bộ lọc thông thấp này sẽ thơng qua tín hiệu tần số cao.
Khi bộ lọc thơng cao được xếp tầng với bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông dải đơn
giản sẽ thu được. Để nhận ra bộ lọc này, thứ tự của các mạch thông thấp và thơng
cao phải giống nhau.
Dưới đây Hình 1 .4 là ví dụ về một bộ lọc dải rộng sử dụng điện trở và tụ điện
(trong đó fH tương ứng f1 và fL tương ứng f2)

Hình 1.4 Sơ đồ bộ lọc thơng dải rộng

Trong bài tập lớn này, nhóm em sử dụng bộ lọc thông dải rộng bởi các lý do sẽ
được trình bày ở phần Phân tích u cầu đề tài
1.2.2 Bộ lọc thơng dải hẹp
Với Q > 10, có phản hồi dạng chng, có BW nhỏ hơn.

6


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI

2.1 Phân tích yêu cầu đề tài
Đề tài: Mô phỏng bộ lọc thông dải ở tần số 2,6GHz cho 5G suband.
Dải tần được sử dụng : f 1 = 2,5 GHz và f 2 = 2,6 GHz => f c= √ f 1 . f 2 = 2,55 GHz
ω1=2× π × f 1=5 π × 109 (rad /s)
ω2 =2× π × f 2=5.2 π × 109 (rad /s)
ωC =2× π × f c =5.1 π × 109 (rad /s)

{

Băng thơng: BW = f 2 −f 1 = 0.1( GHz )
Hệ số phẩm chất: Q=

fC
=4.05<10
2 π BW

=> Sử dụng bộ lọc thông dải rộng.
Mạch sử dụng tụ điện và cuộn cảm vì tốn ít năng lượng và việc thiết kế đơn giản.
Mạch mô phỏng sử dụng cấu trúc liên kết T (Hình 2 .5 Cấu trúc hình T của bộ lọc thơng
dải định dạng chữ T với bậc 3 (N = 3)). Thay vì có một phần tử duy nhất trong mỗi chân
của bộ lọc như trong trường hợp của bộ lọc thông thấp và thơng cao, bộ lọc thơng dải có
một mạch cộng hưởng ở mỗi chân. Các mạch cộng hưởng này là mạch LC điều chỉnh nối
tiếp hoặc song song.

Hình 2.5 Cấu trúc hình T của bộ lọc thơng dải định dạng chữ T với bậc 3 (N = 3)

7


2.2 Tính tốn các thơng số của mạch

2.2.1 Thiết kế bộ lọc thơng thấp
Tính tần số chuẩn hóa f =

f3
. Stopband suy giảm ở 18dB và áp dụng Hình 2 .7., ta sẽ
fc

suy ra được bậc của bộ lọc.

Hình 2.6 Bộ lọc thông thấp suy giảm ở tần số 18dB

8


Hình 2.7. Response for 0.5 dB ripple Chebyshev LPF

Ta có công thức tụ điện và cuộn cảm trong thực tế
L=

Lk R
wC

C=

Ck
wC R

Với C k, Lk là các giá trị gk
Mạch lọc thơng thấp như Hình 2 .8 dưới đây:

9


Hình 2.8. Mơ hình Lowpass filter với bậc bộc lọc N = 5

2.2.2 Thiết kế bộ lọc Bandpass filter
Ta có : f 1 = 2,5 GHz và f 2 = 2,6 GHz => f c= √ f 1 . f 2 = 2,55 GHz
ω1=2× π × f 1=5 π × 109 (rad /s)
ω2 =2× π × f 2=5.2 π × 109 (rad /s)
ωC =2× π × f c =5.1 π × 109 (rad /s)

{

Băng thông: BW = f 2 −f 1 = 0.1( GHz )
Thiết kế bộ lọc thông dải như Hình 2 .9

10


Hình 2.9 Bộ lọc thơng dải

Chọn BW C−off =f c 2−f 0=2.615−2.55=0.065 GHz
Ta có: BW lowpass=f 2−f 0=2.6−2.55=0.05GHz
Chọn thiết kế bộ lọc Chebyshev với ripple là 0.5 dB do độ gợn sóng của bộ lọc
nhỏ và SF tốt.
Xét :

B W C −off 0.065(GHz )
=
=1.3

B W lowpass 0.05(GHz )

Từ cách thiết kế bộ lọc thơng thấp ta có cách thiết kế bộ lọc thơng dải tương tự
như sau:
Ta có các giá trị L, C normalized:
• Các phần tử nối tiếp:
L=

LLP
2 πBW

C=

2 πBW
w o2 LLP

norm

norm

11


• Các phần tử song song:
L=

2 πBW
2
w o C LP

norm

C=

C LP
2 πBW
norm

Các giá trị L, C thực tế
• Các phần tử nối tiếp:
L=

LLP R
2 πBW

C=

2 πBW
2
w o LLP R

norm

norm

• Các phần tử song song:
L=

2 πBW . R
wo2 C LP

norm

C=

C LP
2 πBW . R
norm

Tóm lại các bước như sau: Từ bộ lọc thông thấp nguyên mẫu => bộ lọc thông
thấp normalize => bộ lọc thông dải normalize => bộ lọc thông dải thực tế (actual).
Cụ thể ở Bảng 1.

Bảng 1. Bảng chuyển đổi từ Lowpass sang các bộ lọc

12


Từ Bảng 1.Bảng 1. ta chuyển mơ hình Lowpass Filter sang Bandpass Filter được mơ
hình mạch như sau:

Hình 2.10. Sơ đồ mạch bộ lọc Bandpass filter bậc N = 5

 Bảng hệ số gk (Bảng 2)

Bảng 2 Low-Pass Chebysev Filter Coefficients – 0.5 dB Ripple

Tương ứng với bậc bộ lọc N = 5, từ Bảng 2 ta có:
g1 = 1.7058, g2 = 1.2296, g3 = 2.5408, g4 = 1.2296, g5 = 1.7058, g0 = g6 = 1
R0 =50 Ω



Tính L,C normalized

L1 norm=L5 norm =

g1
g5
−9
=
=2.715× 10
2 π × BW 2 π × BW

C 1norm =C 5 norm=

13

2 π × BW 2 π × BW
=
=1.435 ×10−12
2
2
ω C × g1
ωC × g5


L2 norm=L 4 norm =

2 π × BW 2 π × BW
=

=1.991 ×10−12
2
2
ωC × g 2
ωC × g4

C 2norm =C 4 norm =

g2
g4
−9
=
=1.957 × 10
2 π × BW 2 π × BW

L3 norm =

g3
−9
=4.044 ×10
2 π × BW

C 3 norm=

2 π × BW
=9.633 ×10−13
2
ωC × g3

 Tính L,C actual

L1 actual=L5 actual =L1 norm × R0 =L5 norm × R0=1.3575 ×10−7 ( H )
C 1 actual=C 5 actual=

C 1norm C 5 norm
−14
=
=2.87 ×10 (F)
R0
R0

L2 actual= L4 actual =L2norm × R0=L4 norm × R0=9.955× 10−11 ( H)
C 2 actual=C 4 actual =

C2 norm C 4 norm
=
=3.914 × 10−11 ( F )
R0
R0

L3 actual =L3 norm × R0=2.022 ×10−7 ( H )
C 3 actual=

C3 norm
−14
=1.92266× 10 (F )
R0

2.2.3 Mơ phỏng bộ lọc thơng dải sử dụng phần mềm ADS
Mạch đã thiết kế được và kết quả như Hình 2 .11 và Hình 2 .12

Hình 2.11 Mạch mô phỏng bộ lọc thông dải với N = 5

14


Hình 2.12 Đồ thị S11, S21

Nhận xét:
- Băng thơng: BW = 0.1 GHz lớn lọc được tần số cao từ 2.5GHz đến 2.6GHz phù
hợp với ứng dụng mạng 5G hiện nay.
- Bộ lọc Chebyshev với ripple 0.5dB có độ gợn sóng rất nhỏ mà ta mong muốn.
- Shape Factor: SF=

BWA
2.604−2.498
=
=0.81
B W A max 2.617−2.486
min

Ta thấy Shape Factor (SF) khá tốt gần đến 1 => Bộ lọc có độ dốc lớn.
- Insertion Loss: Ta thấy tại m10 trên đồ thị Hình 2 .12 Đồ thị S11, S21 là điểm
với đường S11 lớn nhất là -8.443 dB = 0.143 (lần) => Tín hiệu bị mất mát còn lớn
trên 10% . Tuy nhiên đánh đổi lại Shape Factor đẹp, độ gợn sóng nhỏ và băng
thông rộng.
Tuy nhiên thực tế các linh kiện L,C của mạch điện trên khó có thể tạo ra trong
thực tế mà cần thay thế bằng mạch điện vi dải.

Sau khi có kết quả chúng em đã so sánh với bộ lọc sẵn có của phần mềm ADS
(Hình 2 .13 và Hình 2 .14)

15


Hình 2.13 Mạch BPF có sẵn trong ADS

Hình 2.14 Đồ thị S11, S21

Nhận xét: Shape Factor: SF=

BWA
2.591−2.510
=
=0.723
B W A max 2.606−2.494
min

Tại m3 trên đồ thị Hình 2 .14Hình 2 .12 là điểm với đường S11 lớn nhất là -9.640 dB
=> 0.108 lần.
16


Như vậy bộ lọc trong phần mềm ADS có suy hao chèn thấp hơn nhưng đổi lại hệ số
nhỏ hơn tức độ dốc không tốt bằng.

17