Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông

Nghiên cứu khoa học công nghệ

THIẾT KẾ BỘ LỌC UWB VỚI BĂNG THÔNG CHỮ V
SỬ DỤNG BỘ CỘNG HƯỞNG ĐOẠN CHÊM
CHỮ THẬP VÒNG VUÔNG
Nguyễn Đức Uyên1*, Lê Vĩnh Hà2
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết kế mới bộ lọc băng thông
siêu rộng, dựa trên bộ lọc băng thông rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn
chêm chữ thập vòng vuông. Cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng vuông chữ thập đoạn
chêm ngắn mạch kết hợp với đoạn chêm hở mạch để thu được bộ lọc siêu rộng có
tính chọn lọc cao. Vị trí của băng thông mong muốn có thể thay đổi độc lập bằng
cách thay đổi chiều dài của một đường vi dải, tương ứng. Mẫu bộ lọc viba siêu rộng
đã được thiết kế và thử nghiệm. Các kết quả đo thực tế tiệm cận với kết quả mô
phỏng. Bộ lọc được thiết kế có ưu điểm đơn giản về quy trình lựa chọn băng thông,
cải thiện tính chọn lọc.
Từ khóa: Bộ lọc; Đường truyền; Đoạn chêm; Siêu rộng.

I. GIỚI THIỆU
Các ứng dụng băng thông rộng và siêu rộng đang được quan tâm trong việc thiết kế các
bộ lọc băng thông rộng và siêu rộng với mức tổn hao thấp và hiệu suất cao, đặc biệt là kể
từ khi Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép sử dụng dải hoạt động không cần
giấy phép từ (3.1-10.6) GHz cho các ứng dụng thương mại hoặc trên 10.6 GHz [1]. Ủy ban
Truyền thông Liên bang đã phân bổ phổ tần 7.5GHz cho việc sử dụng không cần giấy
phép cho các thiết bị băng thông siêu rộng [2]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để sản xuất
các loại bộ lọc dải thông băng rộng cho hệ thống không dây siêu rộng. Các dịch vụ phổ
biến nhất như, WiFi, RFID, 4G, 5G,v.v được đưa ra giới thiệu, một trong những giới hạn
chính của hệ thống là các bộ lọc siêu rộng hiệu suất cao. Nhiều tác giả đã thiết kế và chế
tạo các bộ lọc băng thông siêu rông như trong [3-9] . Mặc dù các thiết kế này có ưu điểm
là có thể tạo ra nhiều băng thông bằng cách kết nối các bộ lọc khác nhau, người thiết kế
cũng có thể chèn một dải chặn vào một dải băng rộng để thu được một bộ lọc dải rộng và
siêu rộng , nhưng các thiết kế này vẫn còn có nhược điểm là do sử dụng ghép nối nhiều bộ

lọc nên tổn hao chèn lớn, kích thước hình học tô pô lớn, phức tạp, khó khăn trong việc
điều chỉnh riêng biệt dải thông độc lập.
Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một bộ lọc băng thông siêu rộng nhỏ gọn với băng
thông chữ V sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Bộ lọc có
băng thông siêu rộng dựa trên bộ lọc dải rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm
chữ thập vòng vuông. Bộ lọc này có ưu điểm là đơn giản trong thiết kế và chế tạo, hoàn
toàn có khả năng điều chỉnh độc lâp các tần số cộng hưởng để tạo nên băng thông siêu
rộng, khắc phục được nhược điểm của các thiết kế trước đó. Trong thiết kế này, một cấu
trúc mới của đường truyền vi dải được phát triển bằng cách nhúng một đoạn chêm hở
mạch trở kháng cao để tạo ra băng thông siêu rộng mới với băng thông 3dB là 119%. Sau
đó, bộ lọc UWB với băng thông siêu rộng chữ V được thiết kế và chế tạo. Phần mềm
HFSS được sử dụng để mô phỏng thiết kế và chế tạo bằng công nghệ mạch in 2 lớp. Kết
quả đo thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng.
II. CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC
Trong phần này, chúng ta xem xét một số tính năng khác nhau của bộ lọc băng siêu
rộng với phân tích toàn sóng EM là những băng thông được điều chỉnh độc lập trong các
dải tần số mong muốn. Cấu trúc được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và đơn giản.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018

55


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hình 1 và 2 (a) trình bày cấu trúc và mạch tương đương của bộ lọc dải thông băng rộng
sử dụng bộ cộng hưởng vòng vuông. Từ cổng 1 đến cổng 2, hai đường truyền chính với trở
kháng đặc tính Z1 và chiều dài điện 2θ1 được giới thiệu, một đoạn ngắn mạch với trở
kháng đặc tính Z2 và chiều dài điện θ2, một đoạn hở mạch với trở kháng đặc tính Z3 và
chiều dài điện θ3 là đường rẽ được kết nối ở giữa của đường truyền chính thứ nhất. Hai

đường truyền vi dải với trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω được kết nối vào cổng 1 và 2

Hình 1. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc băng rộng.

Hình 2. (a) Mạch tương đương, (b) Mạch tại chế độ lẻ, (c) Mạch tại chế độ chẵn.
Mạch tương đương được trình bày trong hình 2(a), trong khi mạch tương đương chế độ
chẵn và lẻ được trình bày trong hình 2(b),(c), tương ứng. Dẫn nạp đầu vào chế độ chẵn/lẻ là:
tan1  (Z1 cot2 ) / 2Z2  (Z1 tan3 ) / 2Z3
tan1
Với chế độ chẵn (1)
Yine  j
j
Z1
Z1  (Z12 tan1 cot2 ) / 2Z2  (Z12 tan1 tan3 ) / 2Z3

Yino  2 j

cot1
Z1

Với chế độ lẻ

(2)

Tần số cộng hưởng cho chế độ chẵn /lẻ được tính khi Yine/Yino= 0 hoặc Zine/Zino = 0 và
công thức tính toán để cho ra các tần số đối với cấu trúc này được áp dụng[7]:

f 
Và

c
L e

f even1 

;

f odd 

(2n  1)c
;
4( L1  L2 )  e

(2n  1)c
;
4L1  e
f even 2 

f odd1 

(2n  1)c
;
4( L1  L3 )  e

( 2n  1)c
4( L1  L 2  L )  e

Mô phỏng đặc tuyến tần số cộng hưởng tại chế độ chẵn/lẻ cho bộ cộng hưởng vòng dưới
ghép nối lỏng được thể hiện trong hình 3, trong đó f là tần số cơ bản được xác định, feven là
tần số xác định được ở chế độ chẵn, fodd là tần số xác định ở chế độ lẻ. Ta có thể thấy rằng có

56

N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông … chữ thập vòng vuông.”


Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ

ba ccộộng
ng hư
hưở
ởng
ng trong ddảải tầần
n bộ
ọcc và m
mộtt đi
điểểm
m truyền
truy n không ccạnh
nh ccủ
ủaa dải
d i thông, trong khi
b lọ
cộộng
ng hư
hưở
ởng
ng thứ
th tư 2fodd1

m cách xa chúng. Do đó, băng thông cho bbộ
ộ cộ
ộng
ng hư
hưởng
ng vòng
nằm
odd n
ch yyếu
chủ
u đượ
đượcc xác định
đ nh bbởii các tầ
tần
n số
s ccộng
ng hư
hưởng
ng chế
ch độ chẵẵn feven1 và feven2, trong khi fz1 là
mộộtt đi
điểm
m truyề
truyềnn không nnằm
m gần
g n dải
d i tần
t n số
số trên để
đ cảảii thiện

thi n tính ch
chọọn lọ
ọc.

Hình 33. Mô phỏ
phỏng
ng đáp ứng
ng |S21| củ
ủaa bbộ
Hình 4. Mô ph
phỏng
ỏng đáp ứ
ứng
ng các tần
tần số cộng
lọọc ccộng
ng hư
hưởng
ng vòng dư
dướii ghép nnốii llỏỏng..
hưởng chế độ chẵn/lẻ so với θ 2 tại
hưởng
ại f0.
Vòng vuông ch
chữ thậậpp đo
n ngắn
ng n m
mạạch
ch và hhở
ở mạạch

ch có th
thểể tạạo
o ra ba cộ
cộng
ng hư
ng trên ddảii
đoạn
hưởng
tầnn bbộộ lọ
ọc.
c. Có th
thểể thu đư
đượ
ng hư
hưở
ởng
ng đầ
đầu
u tiên bằ
bằng
ng cách đi
điều
u chỉnh
ch nh kích thư
thướcc
ợcc chế
ch độ cộng
củủaa đo
đoạn
n chêm ng

ngắnn m
mạch,
ch, chế
ch độ
ộ th
thứ hai ch
chủ
ủ yếếu
u là chế
chế độộ lẻẻ có th
thể được
đư ợcc đi
điềuu ch
chỉnh
nh
bằằng
ng cách đi
điều
u ch
chỉnh
nh chi
chiềều
u dài của
c a bbộ ccộng
ng hưởng
hư ng vòng, và ch
chếế độ
đ thứ
th ba có thể
thể được

đư c
điềều
u khiển
khi n bằng
b ng cách đi
điều
u chỉnh
ch nh chiều
chi u dài ccủaa đoạ
đoạn
n hở
h mạạch.
ch. Trong hình
ình 4 cho th
thấy
ấy các
tần
ần số cộng hhư
ưởng
ởng chế độ lẻ fodd1 không thay đđổi
ổi với θ2, trong khi các ttần
ần số cộng hhưởng
ởng
chế độ chẵn feven1và feven2 di chuy
chế
chuyểển
n theo hư
hướng
ng f0 khi θ2 tăng lên.
III. THIẾT

THIẾT KẾ V
VÀ
À CÁC K
KẾT
ẾT QUẢ
Đểể thực
th c hiệ
hiện
n bbộ lọcc băng thông siêu rrộng
ng chữ
ch V, thì đo
đoạnn hhở
ở mạch
m ch trở
trở kháng cao có
các ph
phần
n mở
m rộng
r ng và thu hhẹp,
p, được
đư c đặ
đặtt trên m
mặặtt phẳng
ph ng đối
đ i xứ
xứng,
ng, như ch
chỉ ra trong hình 5
(a). Như đđãã phân tích trong [9], tr

trở kháng đđặcc tính ccủaa đoạn
đo n m
mắắcc rrẽ có thể
th đượ
đư ợcc điều
chỉnh
nh
đi u ch
đểể thực
th c hiệ
hiện
n một
m t đi
điểm
m truy
n không và m
mộộtt băng thông ch
chữ V có thể
thể được
đư c đưa ra theo
truyền
điểểm
m không trong bbộộ lọọcc UWB cơ bbản.
n. Hơn nnữ
ữa,
a, tần
t n số
số trung tâm và ddảii thông của
c a băng
thông chữ

ch V có th
thể được
đư c đi
u khiểnn bbằng
ng cách đi
điều
u chỉnh
ch nh tỷ
tỷ lệệ trở
ở kháng ccủaa đo
đoạnn hhở
ở
điềều
mạạch
ch tr
trở
ở kháng cao, và ch
chiiều
u dài củ
củaa đo
đoạnn ng
ngắn
n mạ
mạch.
ch.

(a)
(b)
Hình 5. (a) Cấu
C u trúc bbộ lọcc UWB vvớ

ớii băng thông chữ
ch V;
V
(b) K
t
quả
ả
mô
ph
phỏng
ng
|S
|
dư
dưới
ới
ghép
nối
lỏng.
Kết qu
21

Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số 566, 088 - 2018
20 8

57


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hình 5 (b) chỉ ra các tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ cho bộ cộng hưởng vòng với
các đoạn hở mạch/ngắn mạch trở kháng cao, dưới ghép nối lỏng và một điểm truyền
không (fz) nằm tại 5.2 GHz.

Hình 6. (a) Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc UWB với W3 khác nhau;
(b) Dưới L1 khác nhau.
Hình 6 (a) chỉ ra mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất với các giá trị khác nhau
của W3 . Chúng ta thấy rằng tần số trung tâm của băng thông chữ V thay đổi tăng lên từ
5.0 GHz tới 5.3 GHz, 5.6 GHz khi W3 dao động từ 4.0 mm xuống 3.6 mm, 3.1 mm tương
ứng. Hình 6 (b) cho thấy mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc trong trường hợp L1 có độ
dài khác nhau. Dải thông của băng thông chữ V tăng lên khi L1 tăng.

Hình 7. Nguyên mẫu thiết kế trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0
của bộ lọc băng thông siêu rộng.
Bằng thiết kế này một bộ lọc UWB nhỏ gọn với băng thông chữ V điều chỉnh đã được
thực hiện (hình 7). Sau khi tối ưu hóa bằng Ansoft HFSS 15.0 các thông số thiết kế được
chọn là W1 = 1.4mm, W2 = 0.8mm, W3 = 3.3mm, L1 = 1.7mm, L2 = 0.5mm, L3 = 3.4mm, L=
5.7mm, và đường kính lỗ khuyên là 0.7mm.
Một nguyên mẫu của bộ lọc UWB được đề xuất với băng thông chữ V được thiết kế và
chế tạo trên một chất nền với r = 4.4 và h = 0.8 mm. Ảnh nguyên mẫu được thể hiện trong

58

N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông … chữ thập vòng vuông.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

hình 8, kích thước của bộ lọc khoảng 7 mm * 6.5 mm(0.27λg * 0.36λg ;λg là bước sóng dẫn
của đường truyền vi dải 50Ω tại 6.85 GHz) cho thấy thiết kế khá nhỏ gọn.

Hình 8. Ảnh của bộ lọc UWB với
băng thông chữ V được chế tạo.

Hình 9. Mô phỏng và đo đáp ứng của bộ lọc.

Các thông số S được đo và trễ nhóm được minh họa trong hình 7(b). Băng thông của bộ
lọc là 119% (2.5 - 11.0 GHz), trong khi tổn hao chèn đo được với bộ lọc nhỏ hơn 0.8 dB, và
tổn hao phản hồi là lớn hơn 15 dB, trễ nhóm nhỏ hơn 0.35 ns trong toàn bộ băng thông. Tổn
hao chèn trong băng thông chữ V lớn hơn 20 dB và băng thông tại -3 dB là 4.6% tại 5.2 GHz
hoàn toàn phù hợp với các tham số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc siêu cao tần quy định.
Kết quả của bài báo được so sánh với một số công trình được công bố gần đây trên bộ
lọc UWB băng thông chữ V trình bày trong bảng 1 dưới đây:
Bảng 1. So sánh bộ lọc được thiết kế với các bộ lọc UWB băng thông chữ V được công bố.
Công
Kích thước (mm) Tần số chữ V/tổn hao
Dải thông
r/chiều cao
trình
(dB)
(GHz)
(mm)
[5]
2.2/1.0

31 mm × 20 mm
3.6/5.9/8.0/ > 10
3.1–10.6
[6]
2.65/1.0
30 mm × 16 mm
5.3/7.8/ > 20
2.8–11
[7]
2.55/0.8
22.5 mm × 13.7
5.5/ > 10
3.1–10.6
mm
[8]
3.38/0.508
20 mm × 15 mm
6/ > 20 ( băng thông
3.6–10.1
chữ V từ 5.8–6.2)
Bài báo
4.4/0.8
7 mm × 6.5 mm
5.2/5.3/5.6/>20
2.5 - 11.0
IV. KẾT LUẬN
Một bộ lọc UWB băng thông chữ V băng thông siêu rộng được thiết kế bằng cách sử
dụng cấu trúc cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm ngắn mạch, với đoạn hở mạch trở kháng
cao có các phần mở rộng và thu hẹp được đặt trên mặt phẳng đối xứng đã được trình bày.
Phân đoạn băng thông của bộ lọc siêu rộng có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh tỷ

lệ trở kháng của đoạn hở mạch trở kháng cao, và chiều dài của đoạn ngắn mạch. Kết quả
mô phỏng và đo đạc đã cho thấy tổn hao do chèn thấp, độ trễ nhóm phẳng và độ chặn
ngoài dải cao, cho thấy tính khoa học của thiết kế được đề xuất, phù hợp với phân tích lý
thuyết và thực nghiệm. Bộ lọc được thiết kế hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng không dây
dải rộng và siêu rộng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Federal Communications Commission. “Revision of part 15 of the commission’s rules
regarding ultra-wideband transmission systems”. FCC ET-Docket, April. 2002.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018

59


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

[2]. Aiello G. R and Rogerson G. D. “Ultra-wideband wireless system”. IEEE Microw.
Mag., vol. 4, no. 2, pp. 36–47, Jun. 2003.
[3]. Luo S, and Zhu L. “A novel dual-mode dual-band bandpass filter based on a single
ring resonator”. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol.19, no. 8, pp. 497–499,
Aug. 2009.
[4]. Shaman H and Hong J.-S. “A novel ultra-wideband bandpass filter with pairs of
transmission zeroes”. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 17, no. 2, pp. 121–
123, Feb. 2007.
[5]. Wei, F., Z. D. Wang, F. Yang, and X. W. Shi, “Compact UWB BPF with triplenotched bands based on stub loaded resonator”, IEEE Electronics Letters, Vol. 49,
No. 2, 124–126, January 2013.
[6]. Song, Y., G. M. Yang, and G. Wen, “Compact UWB bandpass filter with dual
notched bands using defected ground structures”, IEEE Microwave and Wireless
Components Letters, Vol. 24, No. 4, 230–232, April 2014.
[7]. Zhu, H. and Q. X. Chu, “Ultra-wideband bandpass filter with a notch-band using

stub-loaded ring resonator”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters,
Vol. 23, No. 7, 341–343, July 2013.
[8]. Shan, Q., C. Chen, and W. Wu, “Design of an UWB bandpass filter with a notched
band using asymmetric loading stubs”, IEEE International Conference on Microwave
and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Vol. 2, 5–8, June 2016.
[9]. Kim C. H, and Chang K. “Ring resonator bandpass filter with switchable bandwidth
using steppedimpedance stubs”. IEEE Trans. Microw.Theory Tech., vol 58, no 12,
pp. 3936-3944. Dec. 2010.
ABSTRACT
DESIGN OF UWB FILTER WITH V-BAND USING SQUARE CROSS
STUB LOADED RESONATOR
The article, introduces a new design method for UWB filter based on the
broadband filter using square cross stub loaded resonace. The square cross stub
loaded resonator structure is combined short circuit square cross stub load
resonator with the open stub loaded resonator to obtain a highly selective Ultra
Wide Band filter. The position of the desired bandwith can be changed
independently corrected by varying the length of a microstrip line, respectively . A
Ultra wide Band microwave filte has been designed and tested. The experiment
measurement results are asymptotic to the simulation results. The designed filter
has the advantages of simple process in selecting individual bandwith, improving
selectivity.
Keywords: Filter; Transmission lines; Stub-loaded; Ultra wide Band.

Nhận bài ngày 03 tháng 5 năm 2018
Hoàn thiện ngày 08 tháng 6 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018
Địa chỉ: 1 Trường Cao đẳng Phát thanh truyền hình I - Phủ Lý, Hà Nam;
2
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.
*

Email:

60

N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông … chữ thập vòng vuông.”