Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến =

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------o0o---------

LUẬN VĂN
THẠC SỸ KỸ THUẬT
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VỀ
BỘ LỌC ĐIỀU HƯỞNG CHO TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN
(STUDY ON TUNABLE FILTER FOR RADIO COMMUNICATIONS)

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN CÔNG LONG

MSSV:

CB170223

Lớp:

KTĐT-2017B

Giảng viên hướng dẫn

PGS.TS NGUYỄN XUÂN QUYỀN

Cán bộ phản biện

Hà Nội, 2019

Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn dưới đây là cơng trình do bản thân tơi tiến hành
nghiên cứu và triển khai thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Xuân
Quyền. Ngoài các tài liệu tham khảo được trích dẫn, tất cả các số liệu cũng như kết
quả mơ phỏng là trung thực và được chính bản thân tơi thu thập trong q trình mơ
phỏng.
Nếu có phát hiện bất kỳ sự gian lận nào, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm
trước Hội đồng bảo vệ.

Tác giả

Nguyễn Cơng Long

2


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 8
THUẬT NGỮ/TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 9
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
NỘI DUNG ........................................................................................................... 13
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN .............................. 13

1.1.

GIỚI THIỆU .......................................................................................... 13

1.1.1. Khái niệm ........................................................................................... 13
1.1.2. Lịch sử và ứng dụng............................................................................ 14
1.2.

LÝ THUYẾT ĐƯỜNG TRUYỀN ......................................................... 15

1.3.

ĐỒ THỊ SMITH..................................................................................... 17

1.3.1. Cơ sở của đồ thị Smith ........................................................................ 17
1.3.2. Mô tả đồ thị Smith .............................................................................. 19
1.3.3. Các phương pháp phối hợp trở kháng và điều chỉnh............................ 22
1.3.4. Bộ ghép một phần tư bước sóng (λ/4) ................................................. 26
1.3.5. Điều chỉnh phối hợp trở kháng dùng 2 dây chêm – Double-Stub
Tunning ........................................................................................................... 27
1.4.

PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN CAO TẦN ................................................. 29

1.4.1. Ma trận tán xạ (Scattering matrix) ....................................................... 31
1.4.2. Ma trận truyền ABCD (The Transmission (ABCD) Matrix) ............... 31
1.4.3. Các mạng hai cửa ................................................................................ 33
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN THIẾT KẾ BỘ LỌC ĐIỀU HƯỞNG .................. 34
2.1.

LÝ THUYẾT BỘ LỌC TẦN SỐ ........................................................... 35
3


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

2.1.1. Bộ lọc ................................................................................................. 35
2.1.2. Các bộ lọc điều chỉnh được ................................................................. 36
2.1.3. Ứng dụng của bộ lọc điều chỉnh được cho mạng vô tuyến .................. 38
2.2.

THIẾT KẾ BỘ LỌC CAO TẦN ............................................................ 39

2.2.1. Thiết kế bộ lọc bằng phương pháp tổn hao chèn ................................. 39
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG CỦA
BỘ LỌC THÔNG DẢI ..................................................................................... 50
2.3.1. Thiết kế bộ lọc sử dụng các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn nạp .. 50
2.3.2. Một số phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng ............................ 59
CHƯƠNG 3: BỘ LỌC THƠNG DẢI CĨ THỂ ĐIỀU CHỈNH VỚI CÁC BĂNG
TẦN KÉP CÓ THỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP .................................................... 68
3.1.

GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................... 68

3.2.

PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT ................................................................... 70

3.2.1. Phân tích kích thích chế độ lẻ và chế độ chẵn ..................................... 70
3.2.2. Hệ số ghép (Ki) ................................................................................... 74

3.2.3. Hệ số phẩm chất mở rộng ................................................................... 77
3.3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG TẦN KÉP
ĐIỀU HƯỞNG HAI DẢI DẦN 515 - 770 MHZ VÀ 1.09 – 1.28 GHz ............. 78
3.3.1. Quy trình thiết kế ................................................................................ 78
3.3.2. Thiết kế bộ lọc và hiện thực hóa ......................................................... 79
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 91

4


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Dây dẫn song song và mơ hình tương đương ............................................ 15
Hình 2. Dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền γ và được giới hạn bởi trở
kháng tải Zt............................................................................................................ 17
Hình 3. Đồ thị Smith ............................................................................................. 19
Hình 4. Mạng phối hợp trở kháng.......................................................................... 23
Hình 5. Mạng phối hợp hình L. (a) Mạng cho zL bên trong đường trong 1 + jx. (b)
Mạng cho zL bên ngồi đường trịn 1 + jx. ............................................................. 24
Hình 6. Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm đơn (a) Dây chêm song song
(b) Dây chêm nối tiếp ............................................................................................ 25
Hình 7. Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song. ....................... 27
Hình 8. Đồ thị Smith mô tả hoạt động của một mạch điều chỉnh phối hợp trở kháng
hai dây chêm ......................................................................................................... 28
Hình 9. Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) ................................................................ 30
Hình 10. Mạng N cổng bất kỳ ............................................................................... 31
Hình 11. (a) Mạch hai cổng; (b) Kết nối chuỗi mạch hai cổng............................... 32
Hình 12. Mạng hai cửa với trở kháng tải và nguồn tổng quát ................................ 34

Hình 13. Đáp ứng của bộ lọc thơng dải lý tưởng ................................................... 36
Hình 14. Bộ lọc khoang (màu đen) và bộ lọc phần tử gộp (màu xám) nhỏ cho 500
MHz [3]. ............................................................................................................... 36
Hình 15. Phương pháp tiếp cận tần số trung tâm điều chỉnh trong bộ lọc .............. 37
Hình 16. Kiến trúc máy thu đơn giản hóa [9]......................................................... 39
Hình 17. Sơ đồ mạch điện tổng qt ...................................................................... 40
Hình 18. Quy trình thiết kế bộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn ...................... 40
Hình 19. Nguyên mẫu bộ lọc thơng thấp ............................................................... 42
Hình 20. Đáp ứng của bộ lọc thơng thấp Butterworth ............................................ 43
Hình 21. Đáp ứng tần số của một bộ lọc thơng thấp Butterworth........................... 44
Hình 22. Đáp ứng bộ lọc thông thấp Tchebyscheff ................................................ 45
5


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

Hình 23. Đáp ứng bộ lọc thơng thấp Elliptic ......................................................... 48
Hình 24. Ngun mẫu bộ lọc thơng thấp Elliptic. (a) Nối tiếp nhánh cộng hưởng
song song. (b) Song song nhánh cộng hưởng nối tiếp. ........................................... 49
Hình 25. Đáp ứng tần số một bộ lọc thơng thấp Elliptic ........................................ 50
Hình 26. Đặc tính của bộ chuyển đổi ngược trở kháng (bên trái) và dẫn nạp (bên
phải) ...................................................................................................................... 51
Hình 27. Sử dụng Inverter để chuyển đổi tương đương tụ điện và cuộn cảm ......... 52
Hình 28. Ví dụ về việc hiện thực hóa một Admittance Inverter ............................. 54
Hình 29. Bộ lọc thơng thấp sử dụng Impendance Inverter [10].............................. 55
Hình 30. Bộ lọc thơng thấp sử dụng Admittance Inverter [10] .............................. 55
Hình 31. Sơ đồ nguyên lý của hai bộ lọc thông thấp tương đương ......................... 56
Hình 32. Đặc tính truyền đạt của hai bộ lọc thơng thấp tương đương .................... 56
Hình 33. Chuyển đổi LPF → BPF (Admittance Inverter) [10] ............................... 57
Hình 34. Chuyển đổi LPF → BPF (Impedance Inverter) [10] ................................ 58

Hình 35. Sơ đồ nguyên lý hai bộ lọc thơng dải tương đương ................................. 58
Hình 36. Đặc tuyến của hai bộ lọc thơng dải tương đương .................................... 59
Hình 37. Mơ hình mạch điện tương đương đơn giản ............................................. 60
Hình 38. Mơ hình SPICE....................................................................................... 61
Hình 39. (a) Cấu trúc của bộ lọc được đề xuất. (b) Mạch kích thích tương đương
chế độ lẻ. (c) Mạch kích thích chế độ chẵn ............................................................ 63
Hình 40. Sơ đồ khối của DTC ............................................................................... 64
Hình 41. Mạch điện tương đương của DTC ........................................................... 64
Hình 42. Điện dung trong cấu hình nối tiếp và song song...................................... 65
Hình 43. Hệ số phẩm chất Q của DTC trong cấu hình song song .......................... 66
Hình 44, Mặt cắt ngang của tụ điện RF-MEMS ở vị trí khơng hoạt độn (a) và được
kích hoạt (b) .......................................................................................................... 67
Hình 45. Sơ đồ bộ lọc thơng dải băng tần kép có thể điều chỉnh được đề xuất ....... 70
Hình 46. (a) Sơ đồ của bộ cộng hưởng chế độ kép được đề xuất. (b) Mạch chế độ lẻ
tương đương. (c) Mạch chế độ chẵn tương đương ................................................. 71
6


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

Hình 47. Đồ họa chứng minh tần số cộng hưởng chế độ chẵn hoặc lẻ so với hai tụ
điện riêng biệt. (a) Tụ điện chế độ lẻ được thay đổi (Codd). Tụ điện chế độ chẵn
được thay đổi(Ceven). .............................................................................................. 73
Hình 48. Sơ đồ của hai bộ cộng hưởng ghép với cặp cổng cân bằng...................... 74
Hình 49. Các mạch tương đương để xác định các hệ số ghép theo kích thích chế độ
lẻ và chế độ chẵn. (a) Phân chia chế độ lẻ. (b) Phân chia chế độ chẵn. .................. 74
Hình 50. Hệ số ghép được tính tốn so với tụ điện chế độ lẻ và chẵn. (a) Đối với
băng thông đầu tiên. (b) Đối với băng thông thứ hai. ............................................. 76
Hình 51. Mạch tương đương với khớp nối I/O riêng biệt. (a) Trường hợp chế độ lẻ.
(b) Trường hợp chế độ chẵn. ................................................................................. 77

Hình 52. Mơ hình tương đương của điốt biến dung SMV1413 (Skyworks) ........... 80
Hình 53. Sơ đồ bộ lọc thông dải băng tần kép hai cổng có thể điều chỉnh đề xuất . 81
Hình 54. Sơ đồ nguyên lý đi-ốt biến dung SMV1413-001LF ................................ 82
Hình 55. Sơ đồ nguyên lý đi-ốt biến dung SMV1237-001LF ................................ 82
Hình 56. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc thông dải băng tần kép có thể điều chỉnh được đề
xuất ....................................................................................................................... 83
Hình 57. Kết quả mô phỏng, đo lường của bộ lọc băng tần kép có thể điều chỉnh cố
định băng thơng thứ hai và điều chỉnh băng thứ nhất (Phần_1) ............................. 83
Hình 58. Kết quả mơ phỏng, đo lường của bộ lọc băng tần kép có thể điều chỉnh cố
định băng thông thứ hai và điều chỉnh băng thứ nhất (Phần_2) ............................. 84
Hình 59. Kết quả mơ phỏng, đo lường của bộ lọc băng tần kép có thể điều chỉnh cố
định băng thông thứ nhất và điều chỉnh băng thứ hai (Phần_1) ............................. 85
Hình 60. Kết quả mơ phỏng, đo lường của bộ lọc băng tần kép có thể điều chỉnh cố
định băng thông thứ nhất và điều chỉnh băng thứ hai (Phần_2) ............................. 85
Hình 61. Kết quả mơ phỏng và đo lường của bộ lọc băng tần kép có thể điều chỉnh
(Phần_1) ................................................................................................................ 86
Hình 62. Kết quả mơ phỏng và đo lường của bộ lọc băng tần kép có thể điều chỉnh
(Phần_2) ................................................................................................................ 86

7


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Chuẩn hóa trở kháng và tần số ................................................................. 41
Bảng 2. Chuyển đổi từ bộ lọc thông thấp sang các loại bộ lọc khác ....................... 42
Bảng 3. Các giá trị phần tử cho nguyên mẫu bộ lọc thông thấp Butterworth. (g0 = 1,
Ωc = 1, LAr = 3.01 dB tại Ωc................................................................................... 44
Bảng 4. Các giá trị phần tử cho nguyên mẫu bộ lọc thông thấpTchebyscheff. ....... 47

Bảng 5. Các giá trị phần tử cho nguyên mẫu bộ lọc thông thấp Elliptic ................. 49
Bảng 6. Một số phương pháp hiện thực hóa các bộ chuyển đổi ngược trở kháng/dẫn
nạp ........................................................................................................................ 53
Bảng 7. So sánh một số loại tụ điện biến dung ...................................................... 67
Bảng 8. Các tham số của bộ lọc thơng dải băng tần kép có thể điều chỉnh ............. 81
Bảng 9. So sánh hiệu năng của các bộ lọc thơng dải băng tần kép có thể điều chỉnh
.............................................................................................................................. 88

8


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

THUẬT NGỮ/TỪ VIẾT TẮT
English
SDR

Software Defined Radio

Tiếng Việt
Vô tuyến định nghĩa bằng phần
mềm

UHF

Ultra high frequency

SCT

Tần số cực cao

Siêu cao tần

SWR

Standing wave ratio

Tỷ số sóng đứng

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Tỷ số sóng đứng về điện áp

YIG

yttrium iron garnet

Loại Laser rắn sử dụng thể pha
lê

SAW

Surface Acoustic Waves

Hiệu ứng áp điện trong sóng âm
bề mặt
Cộng hưởng sóng âm

BAW

RF

Radio frequency

Tần số vơ tuyến

CR

Cognitive Radio Networks

Mạng vô tuyến

LNA

Low noise amplifier

Bộ khuếch đại nhiễu thấp
Bộ tạo dao động cục bộ

LO
MEMS

Microelectromechanical System

Hệ thống vi cơ điện tử

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

HPF

High Pass Filter

Bộ lọc thông cao

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc thông dải

BSF

Band Stop Filter

Bộ lọc chắn dải

9


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Để đáp ứng nhu cầu thông tin mọi lúc, mọi nơi, công nghệ truyền thông không
dây đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Hiện nay, cùng với sự
phát triển của khoa học công nghệ, ngày càng xuất hiện nhiều các thiết bị truyền

thơng có khả năng hoạt động trên nhiều kênh tần số khác nhau như đầu thu kỹ thuật
số, bộ đàm và đặc biệt là các thiết bị sử dụng công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng
phần mềm (SDR). Do kênh truyền thơng có thể thay đổi trong q trình hoạt động,
việc hiện thực hóa các thiết bị này gặp phải trở ngại trong cơng đoạn lọc tín hiệu có
ích ra khỏi các tín hiệu nằm ở các dải tần lân cận từ các hệ thống xung quanh. Có
nhiều giải pháp có thể sử dụng để giải quyết vấn đề này, và một trong số đó là sử
dụng các bộ lọc thơng dải có thể cấu hình tần số cộng hưởng.
2. Lịch sử nghiên cứu
Bộ lọc tương tự có lịch sử phát triển rất lâu đời, thậm chí từ trước chiến tranh
thế giới thứ II [1]. Do tầm quan trọng của thiết bị này trong các hệ thống viễn
thơng, rất nhiều các cơng trình nghiên cứu về phương pháp thiết kế, kỹ thuật điều
chỉnh tần số cộng hưởng, và những kinh nghiệm trong việc hiện thực hóa các bộ
lọc đã được đưa ra. Nói riêng trong lĩnh vực các kỹ thuật điều chỉnh tần số cộng
hưởng, chúng ta có thể điểm qua một số cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện:
- Trong bài báo [5], B. Kapilevich đã đề cập tới những lý thuyết cơ bản và q
trình hiện thực hóa một bộ lọc thơng dải sử dụng diode biến dung với băng thơng
cố định và có bù suy hao trong dải thông. Bộ lọc trong bài báo sử dụng các bộ cộng
hưởng Step-Impedance kết hợp với các bộ cân bằng đáp ứng tần số. Tham số k
thut:
ã Di iu chnh tn s cng hng: 1080 ữ 1440MHz;
• Băng thơng 3dB: 60 ± 5MHz;
10


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vụ tuyn

ã Suy hao ti tn s cng hng: 3.5ữ5 dB.
- Cơng trình nghiên cứu “Tunable lumped-element bandpass filters for
Cognitive Radio application”, được thực hiện bởi Tatiana Pavlenko, tập trung vào
các giải pháp điều hưởng bộ lọc thông dải. Để minh họa cho cơng trình của mình,

tác giả đã thiết kế và triển khai một bộ lọc thông dải điều hưởng sử dụng tụ điện
điều chỉnh số (DTC) với các tham số kỹ thuật cụ thể:
• Dải điều chỉnh tần s cng hng: 370 ữ 570MHz;
ã Bng thụng: 50MHz hoc 100MHz (điều chỉnh được);
• Suy hao tại tần số cộng hưởng: 3.6÷4.6dB với băng thơng 50MHz.
3. Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi của đề tài
• Hiểu rõ cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần;
• Hiểu rõ cơ sở lý thuyết về thiết kế bộ lọc cao tần;
• Nắm bắt các phương pháp thiết kế bộ lọc thơng dải điều chỉnh được tần số
cộng hưởng;
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng được hoạt động của bộ lọc thông dải
điều chỉnh được tần số cộng hưởng dải siêu cao tần;
• Căn chỉnh, tối ưu hóa các tham số của bộ lọc thơng dải điều hưởng khả trình
dải siêu cao tần;
• Đưa ra được một quy trình tổng qt có tính thực tế cao về thiết kế bộ lọc
thơng dải điều hưởng.
4. Tóm tắt luận văn
Luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:
- Chương 1: Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần;
• Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần;
• Lý thuyết đường truyền;
• Đồ thị Smith;
• Phân tích mạch điện cao tần;
11


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

- Chương 2: Tổng quan thiết kế bộ lọc điều hưởng;
• Lý thuyết bộ lọc tần số;

• Thiết kế bộ lọc cao tần;
• Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng của bộ lọc thông dải;
- Chương 3: Bộ lọc thơng dải có thể điều chỉnh với các băng tần kép có thể
điều khiển độc lập;
• Giới thiệu chung về bộ lọc thơng dải băng tần kép có thể điều chỉnh;
• Phân tích lý thuyết;
• Thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng tần kép điều hưởng;
- Đề xuất một số hướng phát triển trong tương lai.
5. Phương pháp nghiên cứu
Quá trình thực hiện nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bộ lọc điều hưởng cho
truyền thơng vơ tuyến được tiến hành các bước như sau:
• Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần;
• Nghiên cứu về lý thuyết thiết kế bộ lọc cao tần;
• Nghiên cứu các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng của bộ lọc thơng
dải;
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng bộ lọc thông dải có thể điều chỉnh với
các băng tần kép có thể điều khiển độc lập.

12


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1:

LÝ THUYẾT KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

Để có thể thiết kế được bộ lọc cao tần thì đầu tiên ta cần hiểu rõ được những
khái niệm cơ bản nhất về kỹ thuật siêu cao tần cũng như các khái niệm của tần số

và những phương pháp phối hợp trở kháng trong đường truyền cao tần.

1.1.

GIỚI THIỆU

1.1.1. Khái niệm
Sóng siêu cao tần có khả năng đâm xuyên lớn nên đồng nghĩa với việc nó có
phạm vi phủ sóng lớn hơn, không bị tầng điện ly hấp thụ và là phương tiện hữu ích
để liên lạc giữa vũ trụ và trái đất.
Khái niệm siêu cao tần được hiểu tùy theo trường phái hoặc quốc gia, có thể từ
30 MHz – 300GHz, 300MHz – 300 GHz hoặc 1 GHz – 300 GHz.
Các dải tần số
AM phát thanh 535 – 1605 kHz

L - band

1 – 2 GHz

Vơ tuyến sóng ngắn 3 – 30 MHz

S – band

2 – 4 GHz

Phát thanh FM 88 - 108 MHz

C - band

4 – 8 GHz

VHF – TV (2 – 4) 54 – 72 MHz

X – band

8 – 12 GHz

VHF – TV (5 – 6) 76 - 88 MHz

Ku – band

12 – 18 GHz

UHF – TV ( 7 – 13) 174 – 216 MHz

K - band

18 – 26 GHz

UHF – TV (14 – 83) 470 – 894 MHz

Ka – band

26 – 10 GHz

Sóng vi ba 245 GHz

U - band

40 – 60 GHz

- Vì tần số cao ở dải microwaves nên lý thuyết mạch cơ sở khơng cịn hiệu lực, do
pha của áp dòng thay đổi đáng kể trong các phần tử.
- Thông số tập trung: là các đại lượng đặc tính điện xuất hiện hoặc tồn tại ở vị trí
xác định nào đó của mạch điện. Thơng số tập trung được biểu diễn bởi một phần
13


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

tử điện tương ứng, có thể xác định hoặc đo đạc trực tiếp (chẳng hạn R, C, L,
nguồn áp, nguồn dịng).
- Thơng số phân bố của mạch điện là các đại lượng đặc tính điện khơng tồn tại
duy nhất trong mạch điện mà rải đều trên chiều dài của mạch (được xác định
bằng cách đo trực tiếp).
- Trong lĩnh vực SCT, khi bước sóng λ so sánh được với kích thước của mạch thì
phải xét cấu trúc của mạch như một hệ phân bố. Đồng thời khi xét hệ phân bố,
nếu chỉ xét một phần mạch điện có kích thước << λ thì có thể thay tương đương
phần mạch điện này bằng một mạch điện có thơng số tập trung để đơn giản hóa
bài tốn.
1.1.2. Lịch sử và ứng dụng
- Lĩnh vực SCT được coi như một chuyên ngành cơ sở, có nền móng được phát
triển trên 1000 năm và đặc biệt phát triển mạnh do các ứng dụng trong radar.
- Sự phát triển của kỹ thuật SCT gắn liền với những thành tựu trong lĩnh vực các
linh kiện high – frequency – solid – state devices, các mạch tích hợp SCT và các
vi hệ hiện đại.
- Maxwell (1873) trường điện từ → Heaviside (1885 – 1887) lý thuyết ống dẫn
sóng → Heinrich Hertz (1887 – 1891) thí nghiệm ống dẫn sóng → Radiation
Laboratory ở Massachusettes Intitute of Tech (MIT).
Ứng dụng

- Anten có độ lợi cao.
- Thơng tin băng rộng (dung lượng lớn), chẳng hạn độ rộng băng 1% của tần số
600 MHz là 6 MHz (là độ rộng của một kênh TV đơn lẻ), 1% ở 60 GHz là 600
MHz (chứa được 100 kênh TV). Đây là một tiêu chuẩn quan trọng vì các dải tần
có thể sử dụng ngày càng ít đi.
- Thơng tin vệ tinh với dung lượng lớn do sóng SCT khơng bị bẻ cong bởi tầng
ion.
14


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

- Lĩnh vực radar: diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu tỷ lệ với kích thước
điện của mục tiêu và kết hợp với độ lợi của anten trong dải SCT.
- Các cộng hưởng phân tử, nguyên tử, hạt nhân xảy ra ở vùng tần số SCT do đó
các kỹ thuật SCT được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học cơ bản, cảm biến từ
xa, chẩn trị y học và nhiệt học.

1.2.

LÝ THUYẾT ĐƯỜNG TRUYỀN

Hình 1. Dây dẫn song song và mơ hình tương đương

Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín
hiệu điện áp truyền qua.
Trước hết, ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như
Hình 1. Hai dây dẫn này được mơ hình hóa:
- Điện dung song song tính theo chiều dài đợn vị của dây dẫn C [F/m].
- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài L [S/m].

15


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

Một dịng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây dẫn
theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng cũng sẽ có một điện trở hữu hạn
nối tiếp trong các dây dẫn [1][2][4].
- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [H/m].
- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [Q/m].
Một đoạn nhỏ ∆z của đường truyền biểu diễn trên sơ đồ tương đương như Hình
1. Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian.
Phương trình truyền sóng trên đường dây được xác định như sau:
𝑈(𝑧, 𝑡) = 𝑈1 𝑒 −𝛼𝑧 𝑒 𝑗(𝜔𝑡 − 𝛽𝑧) + 𝑈2 𝑒 −𝛼𝑧 𝑒 𝑗(𝜔𝑡 + 𝛽𝑧)

(1)

𝐼 (𝑧, 𝑡) = 𝐼1𝑒 −𝛼𝑧 𝑒 𝑗(𝜔𝑡 − 𝛽𝑧) + 𝐼2 𝑒 −𝛼𝑧 𝑒 𝑗(𝜔𝑡 + 𝛽𝑧)

(2)

Trong đó, α và β được xác định như sau:
𝛾 = 𝛼 + 𝑗𝛽 = √(𝑅 + 𝑗𝜔𝐿)(𝐺 + 𝑗𝜔𝐶 )

(3)

Một số đại lượng của đường truyền mà chúng ta cần quan tâm:
- Trở kháng đặc trưng Z0 được xác định bởi:
𝑈0+

𝑈0−
𝑍0 = + = −
𝐼0
𝐼0
Nếu đường truyền khơng tổn hao thì ta có: 𝑍0 = √
- Vận tốc pha: 𝑣𝜙 =

𝐿2 −𝐿1
𝑡2 −𝑡1

- Vận tốc nhóm: 𝑣𝑔 =

=

𝐿2 −𝐿1
𝑡2 −𝑡1

(4)
𝐿
𝐶

𝜔
𝛽

=

∆𝜔
∆𝛽

Đối với dây dẫn khơng tổn hao ta có 𝛽 = 𝜔√𝐿𝐶, do đó:

𝑣𝜙 =

𝜔
1
=
𝛽 √𝐿𝐶

(5)

16


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

𝑣𝑔 =

𝜕𝜔
𝜕𝛽
1
= ( )−1 =
𝜕𝛽
𝜕𝜔
√𝐿𝐶

(6)

Ta xét một dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền đạt γ và được giới
hạn bởi trở kháng tải Zt:

Hình 2. Dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền γ và được giới hạn bởi trở

kháng tải Zt

Hệ số phản xạ ΓL tại tải ZL được xác định:
𝛤𝐿 =

𝑍𝐿 − 𝑍0
𝑍𝐿 + 𝑍0

(7)

Hệ số phản xạ trên đường truyền tại điểm vị trí z = -1:
𝑈𝑏 𝑒 −𝑗𝛽𝑙
𝛤(−1) =
= 𝛤(0)𝑒 −2𝑗𝛽𝑙
𝑗𝛽𝑙
𝑈𝑏 𝑒

(8)

Hệ số sóng đứng trên đường truyền:
𝑆 = 𝑆𝑊𝑅 =

1.3.

𝑈𝑚𝑎𝑥 1 + |𝛤|
=
𝑈𝑚𝑖𝑛 1 − |𝛤|

(9)

ĐỒ THỊ SMITH

1.3.1. Cơ sở của đồ thị Smith
Trong kỹ thuật siêu cao tần, các bài tốn phân tích và thiết kế các mạch điện
hoạt động ở tần số siêu cao thuờng dẫn tới việc giải các hệ phương trình rất phức
tạp. Điều này gây nhiều khó khăn cho người thiết kế, nhất là khi cần có ngay một
17


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

lời giải cho các vấn đề kỹ thuật trong một khoảng thời gian sớm nhất. Đồ thị Smith
là công cụ được sử dụng rất nhiều trong phân tích và thiết kế các mạch siêu cao tần.
Ta có thể thực hiện nhiều phép tính tốn trực tiếp trên đồ thị Smith, đơn giản chỉ
bằng cách vẽ hình và đọc trị số mà khơng cần dùng các cơng cụ tốn học khác. Sự
tiện dụng thực sự của đồ thị Smith là ở chỗ nó có thể được sử dụng để chuyển đổi
các hệ số phản xạ sang trở kháng chuẩn hóa (hay dẫn nạp chuẩn hóa) và ngược lại
nhờ sử dụng các đường tròn trở kháng (hay dẫn nạp) trên đồ thị. Khi làm việc với
trở kháng trên đồ thị Smith, các đại lượng chuẩn hóa được sử dụng và chúng ta sẽ
ký hiệu bằng chữ thường. Hằng số chuẩn hóa thường là trở kháng đặc tính của
đường truyền sóng.
Một cách tổng quát đồ thị Smith được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa hệ số
phản xạ Γ(z) và trở kháng Z(z) tại một điểm z bất kỳ nào đó trên đường dây truyền
sóng như sau:
Trở kháng đường dây tại điểm z:
𝑍(𝑧) = 𝑍0

1 + 𝛤(𝑧)
1 − 𝛤(𝑧)

(10)

Sau khi được chuẩn hóa theo trở kháng đặc tính của đường truyền sóng Z0, z(z)
= Z(z)/Z0 trở thành:
1 + 𝛤(𝑧)
1 − 𝛤(𝑧)

(11)

𝑍 (𝑧) − 𝑍0 𝑧(𝑧) − 1
=
𝑍 (𝑧) + 𝑍0 𝑧(𝑧) + 1

(12)

𝑧(𝑧) =
Hệ số phản xạ tại z:
𝛤(𝑧) =

Để đơn giản, ta bỏ đi ký hiệu z và coi Γ, Z đại diện cho hệ số phản xạ, trở kháng
sóng tại điểm z trên đường dây và z đại diện cho trở kháng chuẩn hóa của đường
dây tại z và ta có mối quan hệ giữa hai đại lượng này:

18


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

𝛤=

𝑧−1
1+𝛤
↔𝑧=
𝑧+1
1−𝛤

(13)

1.3.2. Mơ tả đồ thị Smith

Hình 3. Đồ thị Smith

Đồ thị Smith chuẩn được cho trên Hình 3. Để có thể vận dụng tốt đồ thị trong
phân tích thiết kế mạch siêu cao tần cần phải hiểu cặn kẽ về cấu trúc và ý nghĩa của
các ký hiệu, các thang đo trị số, các phép tính và các phép biến đổi trên đồ thị.
- Trước hết cần lưu ý rằng tất cả các giá trị trở kháng trên đồ thị Smith đều là trở
kháng chuẩn hóa theo một giá trị trở kháng chuẩn hóa (Z0) cho trước. Khi đọc
được giá trị của z phải suy ra giá trị thực của trở kháng theo biểu thức Z = z ×
Z0.
19


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

- Đồ thị Smith nằm trong phạm vi vịng trịn đơn vị vì hệ số phản xạ Γ là một số
phức có module ≤ 1. Khơng xét các điểm Γ nằm ngoài phạm vi của đồ thị
Smith.
- Các đường đẳng r là họ các vịng trịn có tâm nằm trên trục hồnh của biểu đồ
và ln đi qua điểm có Γr = 1. Giá trị r của mỗi vịng trịn đẳng r được ghi dọc
theo trục hồnh, từ 0→∞ (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên phải ứng

với giá trị r = ∞).
- Các đường đẳng x là họ các vịng trịn có tâm nằm trên trục vng góc với trục
hồnh tại Γr = 1. Có hai nhóm đường trịn đẳng x:
• Với các giá trị x dương (cảm kháng), các đường tròn đẳng x nằm ở phía trên
trục hồnh của đồ thị. Giá trị của x tăng từ 0 đến ∞, được ghi dọc theo chu vi
của vòng tròn đơn vị ở nửa trên của trục hoành và được đặt tên là "Thành
phần điện kháng cảm kháng (+jX/Z0) hoặc Điện nạp dung kháng (+jB/Y0)”.
• Với các giá trị x âm (dung kháng), các đường đẳng x nằm ở phía dưới trục
hồnh của đồ thị. Giá trị của x giảm dần từ 0 đến ∞, được ghi dọc theo chu vi
của vòng tròn đơn vị (chỉ ghi giá trị tuyệt đối |x|) ở nửa đồ thị phía dưới trục
hồnh và được đặt tên là "Thành phần điện kháng dung kháng (-jX/Z0) hoặc
điện nạp cảm kháng (-jB/Y0).
- Các đường đẳng r và các đường đẳng x hình thành họ các đường trịn trực giao
với nhau. Giao điểm của một đường đẳng r với một đường đẳng x bất kỳ đều
tương ứng với một trở kháng z = r + jx đã chuẩn hóa theo Z0.
- Tâm của đồ thị Smith là giao điểm của đường đẳng r = 1 và đường đẳng x = 0
(trục hồnh của đồ thị). Do đó nó tương ứng với trở kháng chuẩn hóa z = 1 (tức
Z = Z0). Điểm này đặc biệt quan trọng vì nó đại diện cho trường hợp tải hoàn
toàn phối hợp trở kháng với đường dây hoặc mạch thiết kế được phối hợp trở
kháng. Đây cũng là điểm có hệ số phản xạ Γ = 0 (có phối hợp trở kháng).
- Điểm mút trái của trục hoành của đồ thị Smith là giao điểm của đường đẳng r =
0 và đẳng x = 0, do đó nó tương ứng với trở kháng chuẩn hóa z = 0 (hay Z = 0)
20


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến

và điểm này đại diện cho một ngắn mạch. Đây cũng là điểm có hệ số phản xạ Γ
= −1.
- Điểm mút bên phải của trục hoành của đồ thị Smith là điểm đặc biệt mà tất cả

các đường đẳng r và đẳng x đều đi qua (mọi giá trị của r và x). Ta coi điểm này
tương ứng với trở kháng chuẩn hóa z → ∞ là một hở mạch. Đây cũng là điểm có
hệ số phản xạ Γ = +1.
- Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đường truyền có thể được xác định khi biết hệ số
phản xạ Γ tại vị trí tải dựa trên công thức:
𝑉0− −2𝑖𝛽𝑙
𝛤(𝑙 ) = + 𝑒
𝑉0

(14)

𝛤(𝑙) = 𝛤𝑒 −2𝑖𝛽𝑙

(15)

- Biểu đồ Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vectơ Γ trên đồ thị
một góc quay ứng với một độ dịch chuyển bằng 2βl, trong đó 𝛽 =

2𝜋
𝜆

. Góc quay

này có thể xác định theo độ (từ -180o đến 180o), hoặc theo số bước sóng (từ 0
đến 0,5λ cho mỗi vịng quay).
• Theo quy định của biểu đồ Smith:
o Chiều quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hồ.
o Chiều quay từ nguồn hướng về tải là ngược chiều kim đồng hồ.
• Trên mỗi chiều quay, có một vịng đánh số theo độ và một vịng đánh số theo
số bước sóng để tiện sử dụng.

- Đối với đường truyền tải có tổn hao (α ≠ 0), khi di chuyển dọc theo đường
truyền sóng thì module của hệ số phản xạ Γ cũng biến thiên tỉ lệ với e−2αl. Điều
này có nghĩa khi di chuyển về hướng nguồn (l tăng) thì |Γ| giảm dần và khi di
chuyển về phía tải (l giảm) thì |Γ| tăng dần.
- Module của hệ số phản xạ |Γ| tại bất kỳ điểm nào cũng có thể được xác định
theo giá trị "Hệ số phản xạ - Reflection coefficient" ở phần dưới bên trái của đồ
thị Smith.
21


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

- Hệ số sóng đứng S trên đường truyền khơng tổn hao cũng có thể được xác định
theo đồ thị Smith. Với đường truyền không tổn hao, giá trị của |Γ| và S đều là
hằng số trên suốt chiều dài của đường truyền.
Như vậy, các vòng tròn tâm là gốc tọa độ trên đồ thị Smith có thể được coi là
các đường đẳng |Γ| hoặc các đường đẳng S, mỗi vòng tròn tương ứng một giá trị
của |Γ| và một giá trị duy nhất của S.
Họ các đường đẳng S này không được vẽ cụ thể trên đồ thị Smith có thể xác
định chúng một cách dễ dàng nhờ thang giá trị "Hệ số sóng đứng - Standing Wave
Ratio (SWR)" ở phần dưới bên trái của đồ thị. Giá trị này có thể được tính:
• Hệ số sóng đứng (𝑆 =

𝑉𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑚𝑖𝑛

), với thang giá trị từ 1 đến ∞ (Tỷ số điện áp).

• Hệ số sóng đứng tính theo dB (dBS), với thang giá trị từ 0 dB đến ∞.
1.3.3. Các phương pháp phối hợp trở kháng và điều chỉnh

Mục tiêu phối hợp trở kháng
- Lấy được công suất cực đại trên tải, giảm thiểu công suất tổn hao trên đường
truyền.
- Đối với các phần tử nhạy thu, phối hợp trở kháng để tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu
của hệ thống (anten, LNA…).
- Phối hợp trở kháng trong một mạng phân phối công suất (mạng nuôi anten
mảng) sẽ cho phép giảm biên độ và lỗi pha.
Nếu ZL chứa phần thực khác 0 thì mạng phối hợp trở kháng ln có thể tìm
được. Có nhiều phương án phối hợp, tuy nhiên cần theo các tiêu chí sau:
- Độ phức tạp: đơn giản, rẻ, dễ thực hiện, ít tổn hao.
- Độ rộng băng: cần phối hợp trở kháng tốt trong một dải tần rộng, tuy nhiên sẽ
phức tạp hơn.

22


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

Hình 4. Mạng phối hợp trở kháng

- Lắp đặt: Tùy vào dạng đường truyền hoặc ống dẫn sóng quyết định phương án
phối hợp trở kháng.
- Khả năng điều chỉnh: Trong một số ứng dụng, mạng phối hợp phải có khả năng
điều chỉnh được nhằm phối hợp với một tải có trở kháng thay đổi. Trên quan
điểm này, một số loại mạng phối hợp dễ thực hiện điều này hơn một số mạng
khác.
Ý tưởng cơ bản của phối hợp trở kháng minh họa trên Hình 4 cho thấy một
mạng phối hợp trở kháng đặt giữa một trở kháng tải và một đường truyền.
1.3.3.1. Phối hợp trở kháng với các phần tử tập trung (các mạng hình L)
Dạng đơn giản nhất của phối hợp trở kháng là dùng khâu L, sử dụng 2 phần tử

điện kháng để phối hợp 1 tải tùy ý với đường truyền có 2 cấu hình khả dĩ, có sơ đồ
như vẽ ở Hình 5. Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có
nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở.
Nếu trở kháng đặc trưng của tải ZL = ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1 + jx trên đồ
thị Smith, chúng ta sử dụng sơ đồ Hình 5a ngược lại chúng ta sử dụng sơ đồ Hình
5b.

23


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

Hình 5. Mạng phối hợp hình L. (a) Mạng cho zL bên trong đường trong 1 + jx. (b) Mạng
cho zL bên ngồi đường trịn 1 + jx.

1.3.3.2. Mạch điều chỉnh phối hợp trở kháng dùng đoạn dây chêm (Single –
Stub tuning)
Phối hợp trở kháng bằng dây chêm (nhánh) là phương pháp được sử dụng khá
phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh. Một mạch điều chỉnh như vậy rất thuận tiện
nhìn từ khía cạnh chế tạo mạch cao tần do các phần tử tập trung không cần thiết.
Đặc biệt dây chêm điều chỉnh song song rất dễ chế tạo dưới dạng đường truyền vi
dải hoặc đường truyền dải. Hơn nữa, phương pháp phối hợp này dễ điều chỉnh và
có dải tần hoạt động khá lớn. Trong mạch điều chỉnh một dây chêm, hai tham số có
thể điều chỉnh được là khoảng cách d từ tải tới vị trí dây chêm và trị số của điện
nạp hay điện kháng tạo ra bởi dây chêm song song hoặc nối tiếp.
Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với
đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem Hình 6).
- Ưu điểm: Khơng dùng các phần tử tập trung → dễ chế tạo; dạng shunt stub
(dây chêm song song) đặt biệt dễ chế tạo cho mạch ghi giải (microstrip) hoặc
mạch dải (stripline).

- Hai thông số điều chỉnh là khoảng cách d và Y hoặc Z.
- Nếu dẫn nạp nhìn vào đoạn dây cách tải 1 khoảng d có dạng Y0 + jB thì dẫn
nạp của dây chêm sẽ được chọn là –jB.
- Nếu trở kháng của đoạn dây nối tải, cách tải đoạn bằng d là Z0 + jZ thì trở
kháng dây chêm nối tiếp (series stub) được chọn là –jX.

24


Nghiên cứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vơ tuyến

Hình 6. Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm đơn (a) Dây chêm song song (b)
Dây chêm nối tiếp

Dây chêm song song
Các cơng thức tính d và l:
Đối với một dây chêm hở mạch:
𝑙0
1
𝐵𝑆
−1
𝐵
=
𝑡𝑎𝑛−1 ( ) =
𝑡𝑎𝑛−1 ( )
𝜆 2𝜋
𝑌0
2𝜋
𝑌0

(16)

Đối với một dây chêm ngắn mạch:
𝑙𝑠 −1
𝑌0
1
𝑌0
=
𝑡𝑎𝑛−1 ( ) =
𝑡𝑎𝑛−1 ( )
𝜆
2𝜋
𝐵𝑆
2𝜋
𝐵

(17)

Nếu độ dài cho bởi (16) và (17) là âm thì λ/2 có thể được cộng vào để cho kết
quả dương.
Dây chêm nối tiếp
Các công thức tính d và l:
Đối với một dây chêm ngắn mạch:
𝑙𝑠
1
𝑋𝑆
−1
𝑋
=
𝑡𝑎𝑛−1 ( ) =

𝑡𝑎𝑛−1 ( )
𝜆 2𝜋
𝑍0
2𝜋
𝑍0

(18)

Đối với một dây chêm hở mạch:
𝑙0 −1
𝑍0
1
𝑍0
=
𝑡𝑎𝑛−1 ( ) =
𝑡𝑎𝑛−1 ( )
𝜆
2𝜋
𝑋𝑆
2𝜋
𝑋

(19)

25