Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển các bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng, ứng dụng trong hệ thống thông tin vô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

NGUYỄN TRẦN QUANG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN
ĐA BĂNG CÓ KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘC LẬP TẦN SỐ
CỘNG HƯỞNG, ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI
Chuyên ngành :

Kỹ thuật Điện tử

Mã số

62 52 02 03

:

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2018


2
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. TẠ CHÍ HIẾU
2. TS. VŨ TUẤN ANH

Phản biện 1:

PGS. TS. ĐỖ QUỐC TRINH - HỌC VIỆN KỸ THUẬT
QUÂN SỰ

Phản biện 2:

PGS. TS. VŨ VĂN YÊM - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phản biện 3:

PGS. TS. LÊ VĨNH HÀ - VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
QUÂN SỰ

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Viện, họp tại
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi..... giờ..... ngày..... tháng.....năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Trước đây với các thiết bị thông tin vô tuyến truyền thống hoạt động trên
một băng tần chỉ sử dụng bộ lọc thông dải có một băng tần đáp ứng, thì hiện
nay với yêu cầu tích hợp nhiều công nghệ siêu cao tần khác nhau trên cùng một
thiết bị thông tin vô tuyến đã đặt ra vai trò cần thiết của bộ lọc siêu cao tần đa
băng. Với một thiết bị vô tuyến khai thác đồng thời cả công nghệ WLAN ở tần
số 2,4GHz và công nghệ WiMAX ở tần số 3,5GHz sẽ sử dụng bộ lọc thông dải
có hai băng tần tương ứng. Ngoài ra, với sự phát triển liên tục của các công
nghệ mới, cùng một công nghệ có thể sử dụng trên nhiều băng tần khác nhau.
Hiện nay, với một thiết bị vô tuyến sử dụng công nghệ WLAN theo chuẩn
802.11n (năm 2009) hoặc theo chuẩn 802.11ac (năm 2013) sẽ khai thác đồng
thời cả hai băng tần 2,4GHz và 5GHz.
Trong thiết kế các bộ lọc thông dải, việc lựa chọn và điều chỉnh tần số
cộng hưởng của băng tần đóng vai trò quyết định. Đối với bộ lọc siêu cao
tần đa băng, việc lựa chọn và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các
băng tần cũng quyết định đến tính năng hoạt động của bộ lọc, phức tạp hơn
do có nhiều băng tần khác nhau. Nhiều công trình về bộ lọc siêu cao tần đa
băng đề xuất có các tần số cộng hưởng của các băng tần bị phụ thuộc lẫn
nhau, dẫn đến việc thiết lập và điều chỉnh trong quá trình thiết kế phức tạp,
gặp nhiều khó khăn. Việc nghiên cứu, đề xuất một phương pháp mới trong
thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng thiết lập, điều chỉnh các tần
số cộng hưởng một cách độc lập là rất cần thiết.
Một trong các phương pháp cơ bản trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa
băng là sử dụng các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ trên kết cấu mạch dải
không đối xứng. Trong các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ cơ bản, có một
số cấu trúc có khả năng thiết lập các tần số cộng hưởng không phụ thuộc lẫn
nhau. Tuy nhiên các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ cơ bản này chưa đáp
ứng được khả năng thiết lập và điều chỉnh độc lập các tần số cộng hưởng
cho các bộ lọc siêu cao tần ba băng, bốn băng trong thực tế. Việc phát triển
từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng
mới có khả năng trên là một hướng nghiên cứu hợp lý.

2

Đã có một số luận án của nghiên cứu sinh trong nước gần đây nghiên
cứu về bộ lọc đa băng, tuy nhiên chưa có hướng nghiên cứu nào tập trung
về khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của
các băng tần.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế, chế tạo
các bộ lọc siêu cao tần đa băng ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến có
khả năng đơn giản, độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng
của các băng tần.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tập trung vào các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ được phát triển từ các
cấu trúc cộng hưởng cơ bản trên kết cấu mạch dải không đối xứng có khả năng
thiết lập các tần số cộng hưởng độc lập.
4. Phương pháp nghiên cứu
 Từ nghiên cứu tài liệu cơ sở lý thuyết cơ bản và các tài liệu tham khảo,
nghiên cứu thiết kế các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế bộ lọc
siêu cao tần đa băng.
 Sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu chỉnh các cấu trúc đề xuất.
 Chế tạo sản phẩm, so sánh kết quả thực tế với kết quả mô phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn
Luận án đã đóng góp nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và khoa học
trong xu hướng phát triển chung của lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay. Các
kết quả đạt được của luận án phù hợp với thực tiễn hoạt động khoa học
nghiên cứu trong thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần đa băng trên kết cấu
mạch dải không đối xứng, làm đơn giản hóa việc thiết lập và điều chỉnh các
tần số cộng hưởng trung tâm của các băng tần một cách độc lập, giải quyết

được các vấn đề khó khăn và phức tạp trước đây do ảnh hưởng phụ thuộc
lẫn nhau giữa các tần số cộng hưởng trung tâm của một bộ lọc siêu cao tần
đa băng.
6. Bố cục luận án
Bố cục của luận án gồm: Mở đầu, 3 chương và kết luận.


3

 Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu, đối tượng phạm vi
nghiên cứu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, những đóng góp mới của
luận án.
 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO
TẦN ĐA BĂNG
 Chương 2: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ
BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG
 Chương 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU
CAO TẦN ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ
XUẤT
 Kết luận: Những đóng góp mới của luận án, hướng phát triển nghiên cứu.


4

Chương 1
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN
ĐA BĂNG
1.1. Tổng quan về bộ lọc siêu cao tần đa băng
1.1.1. Giới thiệu chung về bộ lọc siêu cao tần đa băng
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bộ lọc tần số đóng vai trò quan

trọng với chức năng chọn lọc tần số hoạt động. Đối với hệ thống thông tin vô
tuyến hoạt động ở dải siêu cao tần, bộ lọc siêu cao tần thu/phát là khối nằm
cạnh khối ăng-ten.
Ăng-ten

Bộ lọc
thu

Khuếch đại
cao tần

Bộ
trộn

Bộ lọc
thông dải
Xử
lý
tín
hiệu

Ngoại
sai
Bộ lọc
phát

Khuếch đại
công suất

Bộ lọc

thông dải

Bộ
trộn

Lọc siêu cao tần

Hình 1.1. Sơ đồ khối rút gọn hệ thống thông tin vô tuyến siêu cao tần.

Hiện nay phương pháp sử dụng kết cấu mạch dải, nhất là mạch dải không
đối xứng (microstrip) đang là xu hướng phát triển.
1.1.2. Các phương pháp thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng
1) Phương pháp dựa trên các lý thuyết thiết kế bộ lọc kinh điển.
2) Phương pháp sử dụng các điểm không truyền dẫn.
3) Phương pháp sử dụng bộ cộng hưởng đa chế độ.
4) Phương pháp nối tầng các bộ lọc độc lập.
1.2. Tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần đa
băng
1.2.1. Các nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần đa băng
 Các nghiên cứu về bộ lọc hai băng.


5

 Các nghiên cứu về bộ lọc ba băng.
 Các nghiên cứu về bộ lọc bốn băng.
1.2.2. Nhận xét chung
Nhiều phương án đã đem lại các kết quả ngày một hoàn thiện, tuy nhiên
qua tổng hợp và đánh giá một số công trình tiêu biểu, các nghiên cứu chưa tập
trung vào khả năng thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng

tần một cách độc lập và đơn giản.
1.3. Hướng nghiên cứu của luận án
Hướng tập trung của luận án là nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng
hưởng đa chế độ mới có khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập và
điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần sử dụng thiết kế, chế tạo
bộ lọc siêu cao tần đa băng.
1.4. Tiêu chí chung các bộ lọc siêu cao tần đa băng đề xuất
- Các băng tần cho các công nghệ: trong dải quy định 4G (1,8GHz),
WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); hoặc trong dải lựa chọn từ 5GHz
đến 6GHz cho WLAN hoặc WiMAX.
- Trong các băng tần

-3dB

≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB.

- Rogers RO4003 εr=3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027.
1.5. Kết luận Chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về bộ lọc siêu cao tần đa băng, các
phương pháp cơ bản để thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng đã được tổng hợp
và đánh giá khái quát qua các tài liệu nghiên cứu. Đề xuất hướng nghiên cứu
của luận án, xây dựng tiêu chí chung.


6

Chương 2
XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ BỘ LỌC
SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG
2.1. Các cấu trúc cộng hưởng cơ bản

2.1.1. Bộ cộng hưởng ½ bước sóng
Z0

Zin

ZL

L0

Hình 2.1. Đoạn đường truyền mạch vi dải hở mạch đầu cuối.

Tần số cộng hưởng:

f 

c
2 L0  eff

2.1.2. Bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch
0
LB

Z2

Z1
0’
LA

Hình 2.2. Cấu trúc của bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch.

Tần số cộng hưởng chế độ lẻ: f o 

c
2 L A  eff

, chế độ chẵn:

fe 

c
( LA  2 LB )  eff

2.1.3. Bộ cộng hưởng dây chêm ngắn mạch
0
LB

Z2

Z1

Z1
0’
LA
(a)

Z1

LB

LA/2

LA/2

(b)

(c)

2Z2

Hình 2.3. Phân tích cấu trúc dây chêm ngắn mạch theo chế độ chẵn, lẻ: (a) cấu trúc dây
chêm ngắn mạch; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn.

Tần số cộng hưởng chế độ lẻ:

fo 

c
2 LA  eff

, chế độ chẵn:

2.1.4. Bộ cộng hưởng chữ thập
Tần số cộng hưởng chế độ lẻ:

fo 

c
2 LA  eff

.

fe 

c
2( LA  2 LB )  eff


7

Tần số cộng hưởng chế độ chẵn:

f e1 

c
2( LA  2 LB )  eff

;

fe2 

c
( LA  2 LC )  eff

LB
0
LB

Zin,e

Zin,o

LA/2

LA/2
LC
(c)

(b)

Z2

LA

2Z2

Z1

Z1

2Z3

LB
Z1

LC

2Z2

Z1

Z3

Z1
Zin,e2

Zin,e1

LA/2
LC
(e)

LA/2

0’
(a)

(d)

2Z3

Hình 2.4. Phân tích cấu trúc chữ thập: (a) cấu trúc chữ thập; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn;
(d) chế độ chẵn 1; (e) chế độ chẵn 2.

2.1.5. Nhận xét chung
Các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được trình bày ở trên có khả năng độc lập trong
việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần.

2.2. Xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản
thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng
2.2.1. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng

½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch
0-0’
W2

d

Z2 LB
Z1 LA

W1

Vào

Ra
W0

L0=λg/2

Hình 2.5. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch.

Tần số cộng hưởng đoạn mạch đường truyền ½ bước sóng: f  
Tần số cộng hưởng dây chêm ngắn mạch:

fo 

c
2 LA  eff

;

fe 

c
2 L0  eff

c
2( LA  2 LB )  eff


8
Bảng 2.1. So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết.
Tần số
Tính toán lý
Kết quả mô phỏng
Độ dài
cộng hưởng
thuyết (mm)
(mm)
fo=2,4GHz
LA
37,51
37,70
fe=1,8GHz
LB
6,25
6,36
fλ=3,5GHz
L0
25,72
26,01

Hình 2.6. Kết quả mô phỏng giá trị /S21/ của bộ lọc khi thay đổi giá trị khoảng cách d.

2.2.2. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ
0
thập biến đổi
0

0

Z2 LB

W2
Z1 LA

W1

2Z3 LC

Z2 LB

Z2 LB

Z1 LA
Z1 LA

Z3 LC

W3

2Z3 LC

W3’

0’
(c)

0’
(b)

0’
(a) Hình 2.7. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi:

(a) Cấu trúc chữ thập cơ bản; (b) Biến đổi đoạn dây chêm hở mạch LC thành vòng vuông;
(c) Di chuyển vòng vuông lên trên.

Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng:
fo 

c
2 L A  eff

;

f e1 

c
2( LA  2 LB )  eff

;

fe2 

c
( LA  2 LC )  eff


9
Bảng 2.2. So sánh So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết.
Tần số
Tính toán lý
Kết quả mô phỏng
Độ dài
cộng hưởng
thuyết (mm)
(mm)
fo=2,4GHz
LA
37,51
37,70
fe1=1,8GHz
LB
6,25
6,36
fe2=3,5GHz
LC
6,97
7,24

Hình 2.8. Kết quả mô phỏng các giá trị /S21/ của ba cấu trúc cộng hưởng chữ thập.

2.2.3. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng
hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng
0-0’
2Z3 LC

.
W3

Z2 LB
W2
d

Z1 LA
W1

Vào
L0=λg/2

Ra

W0

Hình 2.9. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng.

Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng fo, fe1, fe2.
Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng tần số cộng hưởng thứ tư f  

c
2 L0  eff

.


10

Hình 2.10. Kết quả mô phỏng giá trị /S21/ của bộ lọc khi thay đổi giá trị khoảng cách d.

2.2.4. Thiết kế bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ
thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch
0
Z3 LC
W3

.

W2

Z2 LB

Vào

W1

Ra

Z1 LA
Z4 LD
0’

W4

Hình 2.11. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch.

Tần số cộng hưởng thứ tư do thêm đoạn mạch dây chêm:
f e3 

c
( L A  2 LD )  eff

2.3. Kết luận Chương 2
Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu, phân tích về các cấu trúc cộng
hưởng cơ bản có khả năng độc lập trong việc thiết lập và điều chỉnh các tần số
cộng hưởng của các băng tần. Dựa trên các cấu trúc cộng hưởng cơ bản, đề xuất
bốn cấu trúc cộng hưởng mới có khả năng điều chỉnh tần số độc lập.


11

Chương 3
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN
ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT
3.1. Cơ sở thiết kế, mô phỏng các bộ lọc siêu cao tần đa băng
Bộ lọc siêu cao tần đa băng được thiết kế, mô phỏng và chế tạo dựa trên
bốn cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất trong Chương 2. Hai cấu trúc cộng hưởng
được sử dụng cho thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng và hai cấu trúc cộng
hưởng cho bộ lọc siêu cao tần bốn băng.
Các bộ lọc được thiết kế có theo các tiêu chí kỹ thuật chung:
- Các băng tần cho các công nghệ: trong dải quy định 4G (1,8GHz),
WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); hoặc trong dải lựa chọn từ 5GHz

đến 6GHz cho WLAN hoặc WiMAX.
- Trong các băng tần

-3dB

≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB.

- Rogers RO4003 εr=3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027.
3.2. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng
hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch
3.2.1. Thiết kế, mô phỏng
Bộ lọc siêu cao tần ba băng được thiết kế với các tần số trung tâm của các
băng tần là 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz. Bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng
kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch.
L9
L2
L8

L6 L3

L1

L4
L5

Vào

L10

L7

S2

W0
Ra

S3
S1

W1
W3

W2

Hình 3.1. Mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½
bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch.

Theo thiết kế, trên mô hình cấu trúc của bộ lọc có hai cổng vào/ra được
phối hợp trở kháng 50 với các giá trị các giá trị L10 và W0.


12

Đoạn mạch chính LA=L1+L2+L3+L4+L5 trên cấu trúc cộng hưởng dây chêm
ngắn mạch quyết định tần số cộng hưởng băng thứ hai fo=2,4GHz.
Độ dài của đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L6 trong cấu trúc cộng hưởng
dây chêm ngắn mạch quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ nhất
fe1=1,8GHz.
Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài L0=L7+L8+L9 tạo ra tần số
cộng hưởng băng tần thứ ba fλ=3,5GHz hoàn toàn độc lập.

Bảng 3.1. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần ba băng với cấu trúc cộng hưởng
kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch.
Tham số
L1
L2
L3
L4
L5
L6

Giá trị (mm)
9
11,46
5,1
10,2
5,16
3,7

Tham số
L7
L8
L9
L10
W0
W1

Giá trị (mm)
9,9
16,5
23,4

6,5
1,78
1

Tham số
W2
W3
S1
S2
S3

Giá trị (mm)
1,65
2
0,17
0,44
0,6

Đường kính ngắn mạch d=0,5mm, kích thước 27,28mm x 28,04mm.

Hình 3.2. Đặc tuyến tần số của bộ lọc ba băng đề xuất.

Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày
trong Bảng 3.2:


13
Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc ba băng được thiết kế.
Thông số kỹ thuật
Tần số trung tâm (f0)

Tổn hao chèn (IL)
Tổn hao phản hồi (RL)
Băng thông (BW)
Băng thông hiệu dụng (FBW)
Hệ số phẩm chất ngoài (Qe)
Độ chọn lọc tần số (K)

Đơn vị
GHz
dB
dB
MHz
%
f0/ f-3dB
-3dB / -20dB

Băng 1
1,8
2,18
14,54
100
5,56
18,00
0,48

Băng 2
2,4
2,52
31,07
100

4,17
24,00
0,46

Băng 3
3,5
2,77
25,36
135
3,86
25,92
0,35

3.2.2. Đánh giá
Bộ lọc siêu cao tần với cấu trúc cộng hưởng kết hợp giữa cộng hưởng ½
bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch tạo ra ba băng tần với các tần
số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz. Các đặc tính kỹ thuật
của bộ lọc phù hợp với các chỉ tiêu chính, hệ số tổn hao chèn trong cả ba băng
thông đều nhỏ hơn 3dB, hệ số phản hồi của băng tần thứ nhất đạt so với chỉ tiêu
thiết kế (14,54dB) của băng thứ hai và thứ ba rất tốt (31,07dB và 25,36dB).
Ưu điểm của bộ lọc là có khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập và
điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của ba băng tần. Hạn chế của cấu
trúc đề xuất này là độ dài của cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài phụ
thuộc vào kích thước vật lý của cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên
trong, việc thay đổi độ dài không hoàn toàn tùy ý do ảnh hưởng đến việc phối
ghép. Ngoài ra cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng cũng có thể tạo ra các hài có
thể ảnh hưởng đến các giá trị tần số cộng hưởng của cấu trúc cộng hưởng dây
chêm ngắn mạch bên trong, trong quá trình thiết kế cần phải tránh các ảnh
hưởng này.
3.3. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập

biến đổi
3.3.1. Thiết kế, mô phỏng
Bộ lọc siêu cao tần ba băng được thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ
thập biến đổi với các tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz.
Theo mô hình thiết kế, của bộ lọc có hai cổng vào/ra được phối hợp trở
kháng 50 với các giá trị các giá trị L0 và W0.
Đoạn mạch chính trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi
LA=L1+L2+L3+L4 quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ hai fo=2,4GHz.


14

Đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L5 trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến
đổi được sử dụng để lựa chọn tần số cộng hưởng băng thứ nhất fe1=1,8GHz.
L0

Vào

L1
L6

W0
W3
W2

L7

L2

L5

L3

W1
S1

L4

S2
Ra

Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi.

Độ dài ½ vòng vuông trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi
LC=L6+L7 quyết định giá trị tần số cộng hưởng thứ ba fe2=3,5GHz.
Bảng 3.3. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần ba băng cấu trúc cộng
hưởng chữ thập biến đổi.
Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm)
Tham số
Giá trị (mm)
L1
10,3
L6
5,5
W2
1
L2
9
L7
8,3
W3

0,8
L3
8,5
L0
12
S1
0,19
L4
10,8
W0
1,78
S2
0,14
L5
3
W1
1

Đường kính của đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý của bộ lọc là
21,16mm x 18,20mm. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc:
Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày
trong Bảng 3.4:
Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc ba băng được thiết kế.
Thông số kỹ thuật
Đơn vị
Băng 1
Băng 2
Băng 3
Tần số trung tâm (f0)
GHz

1,8
2,4
3,5
Tổn hao chèn (IL)
dB
1,54
1,16
1,92
Tổn hao phản hồi (RL)
dB
26,31
28,58
31,56
Băng thông (BW)
MHz
106
184
126
Băng thông hiệu dụng (FBW)
%
5,89
7,67
3,6
Hệ số phẩm chất ngoài (Qe)
f0/ f-3dB
16,98
13,04
27,78
Độ chọn lọc tần số (K)
0,36

0,40
0,27
-3dB / -20dB


15

Hình 3.4. Đặc tuyến tần số của bộ lọc ba băng đề xuất.

3.3.2. Đánh giá
So với bộ lọc đề xuất trong Phần 3.3.1, bộ lọc này có các chỉ tiêu đặc tính
kỹ thuật tốt hơn, trong cả ba băng tần hệ số tổn hao chèn đều nhỏ hơn 2dB, hệ
số phản hồi đều lớn hơn 25dB. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có khả
năng phát triển tiếp thành cấu trúc cộng hưởng mới cho bộ lọc bốn băng.
3.4. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½
bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi
3.4.1. Thiết kế, mô phỏng
Bộ lọc sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng
chữ thập biến đổi với các tần số là 2,4GHz, 3,5GHz, 5,0GHz và 5,6GHz.
S4

L9
L8

Vào

L2 L6
L1
W2

L13

W3

L3

L1

L

S1
L

W0

Ra

S L12 S
W4

L11

L7
W1

W2

Hình 3.5. Mô hình cấu trúc bộ lọc bốn băng với cấu trúc cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½
bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi.

16

Theo thiết kế, trên mô hình cấu trúc của bộ lọc có hai cổng vào/ra được
phối hợp trở kháng 50 với các giá trị L13 và W0.
Đoạn mạch chính LA=L1+L2+L3+L4+L5 trên cấu trúc cộng hưởng chữ thập
biến đổi quyết định giá trị tần số cộng hưởng băng thứ hai fo=3,5GHz.
Độ dài của đoạn dây chêm ngắn mạch LB=L6 được sử dụng để lựa chọn và
điều chỉnh giá trị tần số cộng hưởng băng tần thứ nhất fe1=2,4GHz.
Độ dài ½ vòng vuông trên cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi bằng
LC=L11+2L12 quyết định giá trị tần số cộng hưởng fe2=5GHz.
Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài L0=L9+L10+L11+L12 quyết
định tần số cộng hưởng băng tần thứ tư fλ=5,6GHz.
Bảng 3.5. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần bốn băng cấu trúc kết hợp cộng
hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi.
Tham số
Giá trị (mm)
Tham số
Giá trị (mm)
Tham số
Giá trị (mm)
L1
9,8
L9
12,1
W3
0,28
L2
5,5
L10

3,9
W4
1
L3
4,7
L11
3,05
S0
0,2
L4
6,5
L12
3,1
S1
0,15
L5
4,1
L13
7,3
S2
0,6
L6
3,3
W0
1,78
S3
0,5
L7
5,01
W1

1,2
L8
11,79
W2
0,5

Đường kính của đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý của bộ lọc là
18,56mm x 22,48mm.

Hình 3.6. Đặc tuyến tần số của bộ lọc bốn băng đề xuất.


17
Bảng 3.6. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc bốn băng được thiết kế.
Thông số kỹ thuật
Đơn vị
Băng 1 Băng 2 Băng 3 Băng 4
Tần số trung tâm (f0)
GHz
2,4
3,5
5
5,6
Tổn hao chèn (IL)
dB
1,57
2,05
2,27
1,39
Tổn hao phản hồi (RL)

dB
22,4
15,5
25,4
24,1
Băng thông (BW)
MHz
101
100
170
400
Băng thông hiệu dụng (FBW)
%
4,2
2,9
3,4
6,9
Hệ số phẩm chất ngoài (Qe)
f0/ f-3dB
23,7
35
29,4
14,5
Độ chọn lọc tần số (K)
0,47
0,45
0,58
0,15
-3dB / -20dB

3.4.2. Đánh giá
Bộ lọc siêu cao tần sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng
hưởng chữ thập biến đổi đã tạo ra bốn băng tần độc lập với các tần số cộng hưởng
trung tâm 2,4GHz, 3,5GHz, 5GHz và 5,6GHz. Các tần số cộng hưởng trung tâm của
các băng tần được thiết lập và điều chỉnh hoàn toàn độc lập. Các chỉ tiêu kỹ thuật
chính của bộ lọc đều đạt so với yêu cầu thiết kế, riêng băng tần thứ tư với tần số cộng
hưởng trung tâm fλ quá rộng do khó điều chỉnh. Hạn chế của cấu trúc này là việc điều
chỉnh dải thông của các băng tần phức tạp, đặc biệt là băng thứ tư do ảnh hưởng của
việc ghép kết hợp giữa hai cấu trúc cộng hưởng.

3.5. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập
biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch
3.5.1. Thiết kế, mô phỏng
Bộ lọc được thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm
một đoạn dây chêm ngắn mạch có bốn tần số cộng hưởng trung tâm fe1, fo, fe2 fe3.
Vào

W0

S1
L8
L1

S0

W4

L2

L9

L6
W2

L7

L5
W1

S3

L3
L4

S2
Ra

S4

W3
L10

L0

Hình 3.7. Mô hình cấu trúc bộ lọc bốn băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi
thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch.


18

Hai cổng vào/ra được phối hợp trở kháng 50 với các giá trị L10 và W0.
Đoạn mạch chính trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi
LA=L1+L2+L3+L4 quyết định tần số cộng hưởng băng hai fo=2,4GHz.
Khi tần số fo đã được lựa chọn, độ dài đoạn dây chêm ngắn mạch LB trong
cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi sẽ được dùng để lựa chọn giá trị tần số
cộng hưởng thứ nhất fe1=1,8GHz. Trong cấu trúc, giá trị độ dài L7 được sử dụng
để lựa chọn và điều chỉnh tần số cộng hưởng fe1.
Độ dài ½ vòng vuông trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi LC
quyết định giá trị tần số cộng hưởng thứ tư fe2=5GHz. Theo thiết kế LC=L8+2L9,
độ dài L9 được sử dụng để lựa chọn và điều chỉnh tần số fe2.
Đoạn dây chêm hở mạch được thêm vào có độ dài LD=L5+ L6 quyết định
giá trị của tần số cộng hưởng thứ ba fe3=3,5GHz. Độ dài L5 được sử dụng để
điều chỉnh tần số fe3.
Các tham số W0, W1, W2, W3 và W4 được sử dụng để điều chỉnh trở kháng
đặc tính của các đoạn mạch. Các tham số S0, S1, S2, S3 và S4 là các hệ số ghép
điện dung trên cấu trúc, được sử dụng để điều chỉnh đặc tính của các băng tần
bộ lọc thiết kế.
Với phương án thiết kế như vậy, việc thiết lập và điều chỉnh các tần số
cộng hưởng trung tâm của ba băng tần cũng sẽ đơn giản và độc lập.
Bảng 3.7. Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần bốn băng cấu trúc cộng hưởng
chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch.
Tham số
Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm)
Tham số
Giá trị (mm)
L0
8,5
L7
2,3
W3

0,45
L1
13,2
L8
2,1
W4
1
L2
6
L9
3,6
S0
0,17
L3
8,5
L10
10,1
S1
0,17
L4
10,7
W0
1,78
S2
0,14
L5
6,3
W1
1
S3

1,8
L6
5,1
W2
0,75
S4
1,5

Đường kính của đoạn ngắn mạch có giá trị d=0,5mm, kích thước vật lý của
bộ lọc là 18,56mm x 22,48mm.
Bộ lọc siêu cao tần bốn băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày
trong Bảng 3.8:


19
Bảng 3.8. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc bốn băng được thiết kế.
Thông số kỹ thuật
Đơn vị
Băng 1 Băng 2 Băng 3 Băng 4
Tần số trung tâm (f0)
GHz
1,8
2,4
3,5
5
Tổn hao chèn (IL)
dB
1,39
1,07
1,71

2,96
Tổn hao phản hồi (RL)
dB
30,34
23,75
21,70
27,67
Băng thông (BW)
MHz
109
168
120
120
Băng thông hiệu dụng (FBW)
%
6,06
7,00
3,43
2,40
Hệ số phẩm chất ngoài (Qe)
f0/ f-3dB
16,51
14,28
29,17
41,67
Độ chọn lọc tần số (K)
0,29
0,31
0,28
0,22

-3dB / -20dB

Hình 3.8. Đặc tuyến tần số của bộ lọc bốn băng đề xuất.

3.5.2. Đánh giá
Bộ lọc siêu cao tần với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một
đoạn dây chêm ngắn mạch đã tạo ra bốn băng tần với các tần số cộng hưởng
trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz, 3,5GHz và 5GHz. Các tần số cộng hưởng trung
tâm của các băng tần được thiết lập và điều chỉnh hoàn toàn độc lập. Các chỉ
tiêu kỹ thuật chính của bộ lọc đều vượt trội vượt trội so với yêu cầu thiết kế. Cả
bốn băng tần của bộ lọc đều có giá trị tuyệt đối hệ số tổn hao chèn nhỏ hơn
2dB, hệ số phản hồi lớn hơn 20dB. Hệ số chế áp ngoài dải lớn hơn 30dB.
3.6. So sánh, đánh giá các sản phẩm chế tạo
Bốn mô hình cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế bộ lọc siêu cao tần
đa băng được chế tạo thành các sản phẩm thực tế để so sánh, đánh giá kiểm tra
kết quả nghiên cứu tính toán.


20

3.6.1. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng
hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Hình 3.9. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/.

3.6.2. Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến
đổi

Hình 3.10. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/.

3.6.3. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước
sóng với cộng hưởng chữ thập biến đổi

Hình 3.11. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/.


21
3.6.4. Bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi
thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch

Hình 3.12. Sản phẩm chế tạo và giá trị /S21/.

3.7. So sánh, đánh giá các cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất
Bảng 3.9. Tổng hợp so sánh, đánh giá các cấu trúc cộng hưởng đề xuất.
TT

1

2

Cấu trúc
cộng hưởng
Bộ lọc siêu cao tần
ba băng sử dụng
cấu
trúc
cộng
hưởng kết hợp
cộng hưởng ½
bước sóng với cộng

hưởng dây chêm
ngắn mạch.
Bộ lọc siêu cao tần
ba băng sử dụng
cấu
trúc
cộng
hưởng chữ thập
biến đổi.

Đặc điểm
- Bộ lọc được thiết kế có ba tần số cộng hưởng trung tâm của ba
băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập.
- Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua hệ số ghép giữa
hai cấu trúc cộng hưởng và ghép nghiêng 0o.
- Cấu trúc kết hợp ghép giữa hai cấu trúc cộng hưởng nên phải phụ
thuộc kích thước vật lý trong một khoảng nhất định.
- Do cấu trúc bên ngoài là cộng hưởng ½ bước sóng nên xuất hiện
nhiều hài có thể ảnh hưởng đến đặc tính tần số của bộ lọc.
- Bộ lọc được thiết kế có ba tần số cộng hưởng trung tâm của ba
băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập.
- Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua ghép nghiêng 0o.
- Cấu trúc cộng hưởng có thể phát triển tiếp cho bộ lọc bốn băng.
- Bộ lọc được thiết kế có bốn tần số cộng hưởng trung tâm của bốn
băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập.
- Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua hệ số ghép giữa
hai cấu trúc cộng hưởng và ghép nghiêng 0o.
- Cấu trúc kết hợp ghép giữa hai cấu trúc cộng hưởng nên phải phụ
thuộc kích thước vật lý trong một khoảng nhất định.
- Do cấu trúc bên ngoài là cộng hưởng ½ bước sóng nên xuất hiện

nhiều hài có thể ảnh hưởng đến đặc tính tần số của bộ lọc đa băng.

3

Bộ lọc siêu cao tần
bốn băng sử dụng
cấu trúc kết hợp
cộng hưởng ½
bước sóng với cộng
hưởng chữ thập
biến đổi.

4

Bộ lọc siêu cao tần
bốn băng sử dụng
cấu
trúc
cộng - Bộ lọc được thiết kế có bốn tần số cộng hưởng trung tâm của bốn
hưởng chữ thập băng tần được thiết lập và điều chỉnh độc lập.
biến đổi thêm một - Điều chỉnh đặc tính của các dải thông thông qua ghép nghiêng 0o.
đoạn dây chêm
ngắn mạch.


22

3.8. Giải pháp thực hiện thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần đa băng có
khả năng thiết lập và điều chỉnh tần số cộng hưởng độc lập
Kết quả nghiên cứu của luận án đã đề xuất được bốn cấu trúc cộng hưởng

mới sử dụng thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần đa băng. Hai cấu trúc cộng
hưởng sử dụng cho bộ lọc siêu cao tần ba băng, hai cấu trúc cộng hưởng sử
dụng cho bộ lọc siêu cao tần bốn băng.
Qua quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đánh giá các bộ lọc siêu cao
tần đa băng với các cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất, giải pháp thực hiện được
tổng hợp thành quy trình thiết kế, chế tạo đối với các cấu trúc cộng hưởng.
3.9. Kết luận Chương 3
Chương 3 đã trình bày các kết quả thiết kế, mô phỏng và đánh giá về bốn
bộ lọc siêu cao tần đa băng sử dụng các cấu trúc cộng hưởng mới. Các kết quả
nghiên cứu được chế tạo thực tế để kiểm tra, so sánh. Ưu điểm nổi bật của các
bộ lọc được đề xuất là có khả năng đơn giản và độc lập trong việc thiết lập và
điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần. Hạn chế còn tồn tại là kích
thước của bộ lọc thiết kế còn lớn, chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ lọc còn chưa
phải là tốt nhất (Hệ số tổn hao chèn, hệ số tổn hao phản hồi, hệ số phẩm chất
ngoài).


23

KẾT LUẬN
1. Về kết quả nghiên cứu
Luận án đã trình bày các kết quả nghiên cứu, thiết kế các cấu trúc cộng
hưởng mới trên kết cấu mạch dải không đối xứng, sử dụng để thiết kế, chế tạo
các bộ lọc siêu cao tần có nhiều băng. Bốn cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng
thiết kế bộ lọc siêu cao tần được đề xuất trong nội dung của luận án (hai cấu
trúc cho bộ lọc ba băng, hai cấu trúc cho bộ lọc bốn băng). Sử dụng các cấu trúc
cộng hưởng này trong thiết kế các bộ lọc siêu cao tần đa băng đem lại ưu điểm
nổi bật là khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập, điều chỉnh các tần số
cộng hưởng trung tâm của các băng tần. Các cấu trúc đề xuất đã được nghiên
cứu từ lý thuyết cơ bản, tính toán, mô phỏng để kiểm chứng và đánh giá kết

quả. Các kết quả nghiên cứu cũng đã được chế tạo thử nghiệm thành các sản
phẩm thực tế để kiểm tra và so sánh. Kết quả nghiên cứu của luận án có tính
mới, tính khoa học và có nhu cầu cần thiết trong thực tiễn.
2. Về đóng góp mới của luận án
Luận án của nghiên cứu sinh đã có những đóng góp khoa học mới bao
gồm:
(1) Đề xuất giải pháp mới trong thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần
nhiều băng có khả năng đơn giản và độc lập trong việc thiết lập và điều chỉnh
các tần số cộng hưởng của các băng tần.
(2) Đề xuất được bốn cấu trúc cộng hưởng mới có khả năng đơn giản và
độc lập trong việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng
tần (Cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng với cộng hưởng
dây chêm ngắn mạch cho bộ lọc ba băng; cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến
đổi cho bộ lọc ba băng; cấu trúc kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng với cộng
hưởng chữ thập biến đổi cho bộ lọc bốn băng; cấu trúc cộng hưởng chữ thập
biến đổi thêm một đoạn dây chêm hở mạch cho bộ lọc bốn băng).