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 phỏng mạch lọc thông thấp
DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS

Lớp

:

Giảng viên hướng dẫn:

50K 1 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 phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng
phần mềm mô phỏng HFSS
Nhận xét (cho
Lần

Ngày

Nội dung

phép/ không

Chữ ký

cho phép, thông

GVHD

qua đợt sau)
1
2
3
4
5

Nhận đề tài đồ án, hướng
dẫn xây dựng đề cương
Thông qua đề cương đồ án
Thông qua thuyết minh đồ
án lần 1
Thông qua thuyết minh đồ
án lần 2
Thông qua bản vẽ và kết
quả mô phỏng

Nhận xét chung:

……………………………………………………………………….................
……………………………………………………………………………………
……..
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………

2


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................4
CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................5
1.1 Bộ lọc ................................................................................5
1.2 Các đặc tính của bộ lọc.....................................................5
1.3 Các loại bộ lọc ..................................................................5
1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter)................6
1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)................6
1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter)................7
1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter)..................7
1.4 Cấu trúc DGS.....................................................................8
1.4.1 Khái niệm................................................................8
1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của DGS.....................................8
1.5 Bộ lọc thông thấp DGS ............................................9
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 của DGS ..........................................13
2.3 Các bước mô phỏng bộ lọc thông thấp DGS................... 14

2.4 Kết qủa mô phỏng ...........................................................15
2.4.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn lên tần số làm việc và
tần số cắt của bộ loc............................................................................ 15
2.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) lên tần số làm việc và
tần số cắt của bộ loc.............................................................................17
KẾT LUẬN ................................................................................19
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................... 20
PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 ........................21

3


LỜI MỞ ĐẦU
Trên thế giới, việc nghiên cứu về bộ lọc đã thu về rất nhiều kết quả. Có
khá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế các bộ lọc thông thấp. Tuy nhiên,
trong nước ta hiện nay vẫn còn khá ít nghiên cứu thực tế về việc thiết kế và chế
tạo mạch lọc. Bằng chứng là tất cả các tài liệu chúng tôi tham khảo đều là tài
liệu tiếng anh của các nhà khoa học nước ngoài.
Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng
điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghê không dây đang phát triển
một cách nhanh chóng. Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và
phải được chia sẻ. Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác
nhau. Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng
chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau. Như vậy đặc tính lọc, hay
đáp ứng tần, của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số
trong dải tần một cách tối ưu nhất. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các
thiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá
thành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.
Những tiến bộ gần đây trong 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 cơ (Microelectromechanic Systems – MEMS) đã trở thành động lực mạnh
mẽ thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc lọc vi dải (microstrip) cũng như các
dạng bộ lọc khác cho các ứng dụng cao tần. Bên cạnh đó, với sự giúp sức của
các công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính , chẳng hạn như các phần mềm thiết
kế và mô phỏng trường điện từ (HFSS) đã tạo nên một cuộc cách mạng trong
lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần.

4


CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Bộ lọc
Về cơ bản, một bộ lọc điện là một mạch mà có thể được thiết kế để thay đổi,
làm biến dạng hoặc từ chối tất cả các tần số không mong muốn của một tín hiệu
điện và chấp nhận hoặc chỉ cho vượt qua những tín hiệu mong muốn bởi các
nhà thiết kế mạch. Nói cách khác bộ lọc “lọc ra” tín hiệu không mong muốn
1.2 Các đặc tính của bộ lọc






Đáp ứng tần số
Tần số cắt
Điểm cực

Dải thông
Dải chắn

1.3 Các loại bộ lọc
Bộ lọc có thể được chia thành hai loại riêng biệt: bộ lọc tích cực và bộ lọc
thụ động. Bộ lọc tích cực có các thiết bị khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu
trong khi bộ lọc thụ động không chứa các thiết bị khuếch đại để tăng cường tín
hiệu. Vì có hai thành phần thụ động trong một thiết kế bộ lọc thụ động các tín
hiệu đầu ra có biên độ nhỏ hơn so với tín hiệu đầu vào tương ứng của nó, do đó
bộ lọc thụ động RC làm giảm bớt các tín hiệu và có mức tăng ít hơn một.

5


1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter)
Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng

Hình 1.1 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng
1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)
Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng

6


Hình 1.2 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng

7


1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter)

Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng được định
nghĩa như sau:

Hình 1.3 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng
1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter)
Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được dịnh nghĩa
như sau:

8


Hình 1.4 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng
1.4 Cấu trúc DGS
1.4.1 Khái niệm là một cấu trúc được hình thành từ những hình dạng bất
kỳ khắc trên một mặt phẳng đế kim loại. Là cấu trúc được cải tiến từ cấu trúc
PBG, hình dạng được khắc trên mặt phẳng đế có thể có chu kỳ hoặc không có
chu kỳ, Với cấu trúc DGS người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi điều chỉnh
mạch tương đương (LC).

Hình 1.5 Hình dạng mặt phẳng đế DGS
Cấu trúc DGS được sử dụng để thiết kế bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộ
chia/ghép, bộ tạo dao động hay anten.
1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của DGS
Các đặc tính cơ bản của DGS là một khe (g) cộng hưởng hay vùng
ăn mòn (a,b) trên mặt phẳng đế, đặt trực tiếp dưới một cấp nguồn và khớp nối.
Dễ dàng thay đồi giá trị điện dung (C) cảm kháng (L) thông qua việc thay đổi
diện tích vùng ăn mòn, hoặc bề rộng khe hình 5 là một số cấu trúc DGS có thể
sử dụng.
Mỗi cấu trúc khác nhau thì có sơ đồ tương đương tỷ lệ L-C khác
nhau, khả năng phối hợp, khả năng đáp ứng và các thông số về điện khác nhau.

Mỗi người thiết kế sẽ chọn cấu trúc phù hợp nhất cho các ứng dụng cụ thể.
Cấu trúc DGS không chỉ có thể tăng đáng kể các đặc tính trở kháng
của đường cấp nguồn mà còn cải thiện hiệu suất chắn dải bằng cách loại trừ dải
tần cao hơn và cho phép thông dải. kết quả cho thấy nó bộ lọc với cấu trúc DGS
thì nhỏ hơn và hiệu quả hơn các bộ lọc vi dải thông thường.
Các thông số thiết kế cơ bản của một cấu trúc DGS (a,b,w và g)

9


Hình 1.6 Đế DGS và Hệ số phản xạ và truyền đạt của bộ lọc thông thấp
1.5 Bộ lọc thông thấp DGS
LPF là một phần không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống mạch. trong
thiết kế truyền thống, một bộ lọc thông thấp thường được thực hiện bằng cách sử
dụng bước trở kháng. Tuy nhiên, các bộ lọc sơ khai (stub-line) chiếm diện tích
lớn và các bộ lọc bậc trở kháng cung cấp tần số cắt kém và không sắc nét. Hơn
nữa, có tồn tại ngoài đời dải phổ giả cho cả hai loại của các bộ lọc.
Photonic band-gap (PBG) nhỏ gọn một cực và cấu trúc DGS đã được
nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng của họ trong sóng ngắn và khu vực sóng
milimet. các cấu trúc có một chắn dải rộng và kích thước nhỏ. Cũng có. đã có
báo cáo rằng các cấu trúc này được tích hợp với một bộ lọc thông thấp để tăng
sự suy giảm tối đa và để ngăn chặn các tần số không mong muốn. Tuy nhiên, rất
khó để tìm thấy các mạch tương đương và tham số của một mạch PBG. có quá
nhiều thông số thiết kế. mà ảnh hưởng đến tính chất bề rộng băng, chẳng hạn
như số lượng các hình dạng lưới, khoảng cách, và khối lượng phần.

10


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 được 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 dung (XC) của tụ điện sẽ rất lớn so với giá
trị điện trở của điện trở, 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 phương trình sau đây để tính toán điện áp đầu ra cho hai điện trở duy nhất
nối tiếp.

11


(1)
R1+R2=RT
Cũng biết rằng các kháng điện dung của một tụ điện trong một mạch AC
được cho là:

Đối lập với dòng điện trong một mạch AC được gọi là trở kháng , biểu
tượng Z và cho một mạch loạt bao gồm một điện trở duy nhất trong series với
một tụ điện duy nhất, trở kháng được tính như sau:

Sau đó, bằng cách thay thế phương trình cho trở kháng ở trên vào phương trình
(1).

Vì vậy, bằng cách sử dụng phương trình hai điện trở trong loạt và thay thế
cho trở kháng, có thể tính toán điện áp 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 bất kỳ 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 cả các tàn số cắt dưới điểm fc thì ít
thay 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 kích thước là hình vuông
và khe (g) nằm ở chính giữa và bề rộng (w) là 1.2 mm.

Hình 2.1Cấu 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 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 ảnh hưởng của vùng ăn mòn lên tần số làm việc và tần
số cắt của bộ loc
15


Để khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn đến tần số làm việc và
tần số cắt của bộ lọc, ta tiến hành mô phỏng khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21)
với cac giá trị a,b khác nhau. Tại mỗi giá trị của a,b ta thu được một đồ thị hệ số

tổn hao phụ thuộc tần số, trong hình 2.5 là một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá
trị khác nhau của a,b. Từ hình 2.6 ta thấy, khi a=b tăng thì tần số cắt, tần số làm
việc của bộ lọc sẽ giảm gần như là tuyến tính.

Hình 2.4 Cấu trúc DGS

16


Magnitude (dB)

0

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

4

6

a=b=1.5mm-s21
a=b=2.5mm-s21
a=b=3.0mm-s21
a=b=4.6mm-s21

8

10

-40
-50

12

Frequency (GHz)
Hình 2.5 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi a,b
10
Pole
Frequency cutoff

Frequency (GHz)

9
8
7
6
5
4
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 và tần số cắt giảm thuyến tính khi tăng a,b

17


2.4.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số cắt và tần số
làm việc

Để khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số làm việc và
tần số cắt của bộ lọc, ta tiến hành mô phỏng khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21)
với cac giá trị g khác nhau. Tại mỗi giá trị của g ta thu được một đồ thị hệ số tổn
hao phụ thuộc tần số, trong hình 2.7 là một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá trị
khác nhau của g. Từ hình 2.8 ta thấy, khi g tăng thì tần số cắt, tần số làm việc
của bộ lọc sẽ tăng gần như tuyến tính.

Hình 2.7 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi khe (g)

18


Hình 2.8 Tần số làm việc và tần số cắt tăng thuyến tính khi tăng bề rộng khe (g)

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 HFSS để phục vụ cho công việc nghiên cứu
sau này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức vào việc thực hiện đồ án nhưng không thể
không có những sai sót trong quá trình thực hiện em xin được nhận những lời
góp ý và bổ sung cho bản đồ án được hoàn thiện hơn.
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 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 dàng cài đặt quét, tối ưu, nhạy, phân tích số liệu
• Công nghệ quét tần số nhanh

22