Phân tích và thiết kế bộ lọc thông dải cho hệ thống WLAN dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng

PHẠM NGỌC VŨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM NGỌC VŨ

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TIN HỌC

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI CHO
HỆ THỐNG WLAN DỰA TRÊN CẤU TRÚC VÒNG
CỘNG HƯỞNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật Điện tử - Tin học

2009

Hà nội- 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM NGỌC VŨ

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC THƠNG DẢI CHO HỆ
THỐNG WLAN DỰA TRÊN CẤU TRÚC VỊNG CỘNG HƯỞNG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TIN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật Điện tử - Tin học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội –2011


LỜI NĨI ĐẦU
Bộ lọc tần số đóng vai trị quan trọng trong hệ thống thơng tin bằng sóng
điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ 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. Khơng nằm ngồi xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thơng 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 (CAD tools), chẳng hạn như các phần mềm mô phỏng trường
điện từ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao

tần.
Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: Bộ lọc
thông thấp (Low-pass filter – LPF), Bộ lọc thông cao (High-pass filter – HPF), Bộ
lọc thông dải (Band-pass filter – BPF) và Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF).
Trong đó, bộ lọc thơng dải đóng vai trị gần như quan trọng nhất trong các thiết bị
thơng tin dùng sóng điện từ và có lý thuyết phân tích thiết kế khá phức tạp. Luận
văn này nhằm giới thiệu một phương pháp thiết kế bộ lọc thơng dải kích thước nhỏ

1


gọn dạng mạch vi dải, với khả năng loại bỏ tần số ngồi dải thơng đạt mức cao nhất
có thể.
Qua đây, tơi xin trân trọng cảm ơn gia đình tơi, các thầy, cô giáo trong khoa
Điện tử -Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các bạn bè trong phịng thí
nghiệm Nghiên cứu và Phát triển Truyền Thơng CRD và đặc biệt là PGS.TS Đào
Ngọc Chiến, thầy giáo trực tiếp hướng dẫn luận văn tốt nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ
tơi hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2011

Phạm ngọc Vũ

2


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Bộ lọc vi dải bản thân nó đã có kích thước rất nhỏ so với các cấu trúc lọc
khác chẳng hạn như ống dẫn sóng. Tuy nhiên, một vài ứng dụng cụ thể vẫn yêu cầu

mạch lọc vi dải phải có kích thước nhỏ hơn nữa. Trong các hệ thống thông tin vệ
tinh và thông tin di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước của mạch lọc đã trở
thành vấn đề quan trọng bậc nhất. Mặc dù kích thước mạch vi dải có thể thu nhỏ
được bằng cách chế tạo trên đế điện mơi có hằng số điện mơi lớn, nhưng việc thay
đổi cấu trúc hình học của mạch vi dải lại thường được tính đến hơn, vì hằng số điện
mơi lớn thường dẫn đến hiện tượng sóng mặt và gây tổn hao nhiều hơn. Một
phương pháp thiết kế các bộ lọc nhỏ gọn đó là uốn cong các đường mạch, thường
dùng cho các mạch lọc có các nhánh và các đường truyền dài. Mặt khác, các cấu
trúc vịng cộng hưởng hai mode sóng cũng được dùng để tạo nên bộ lọc kích thước
nhỏ.
Luận văn này nhằm giới thiệu phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải
băng rộng kích thước nhỏ dựa trên cấu trúc vịng cộng hưởng hai mode sóng. Trong
luận văn này, một bộ lọc sẽ được thiết kế để hoạt động trong hệ thống WLAN, tần
số 2,4 GHz, băng thông tỷ lệ đạt đến 67%. Mạch lọc được mơ phỏng và phân tích
trên phần mềm CST Studio Suite.

3


ABSTRACT
Microstrip filters are themselves already small in size compared with other
filters such as waveguide filters. However, for some applications, there are needs to
have smaller microstrip filters. Nowadays, satellite and mobile communication
systems are such applications that size reduction is of primary importance.
Although miniaturization of microstrip filters can be achieved by using high
dielectric constant substrates, reduction in size with changing the filters geometry is
more desirable, because high dielectric permittivity will often introduce more
surface waves and losses. One useful method to achieve a compact size in filter
designing is to have its different parts bended, especially for filters with stubs and
long straight transmission lines. On the other hand, filters using dual-mode

microstrip ring or square loop resonator are other techniques of minimizing
microstrip filter structures.
This thesis is to introduce a method to design a compact wideband band-pass
filter based on dual-mode resonator. In this thesis, a band-pass filter will be
designed for satellite application, and will operate in WLAN band, 2,4 GHz, the
fractional bandwidth is 67%. The filter structure is simulated and analyzed with
CST Studio Suite software.

4


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................1
TÓM TẮT LUẬN VĂN................................................................................................3
ABSTRACT ..................................................................................................................4
MỤC LỤC .....................................................................................................................5
DANH SÁCH HÌNH VẼ ..............................................................................................8
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................10
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................11
Chương 1 .....................................................................................................................13
Giới thiệu .....................................................................................................................13
1.1. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển ...................................................................13
1.2. Động lực nghiên cứu ............................................................................................17
1.3. Kết quả mong muốn .............................................................................................20
Tổng kết chương ..........................................................................................................22
Chương 2 .....................................................................................................................23
Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................23
2.1. Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần .................................................23
2.1.1. Lý thuyết đường truyền vi dải ........................................................................ 24
2.1.2. Phân tích mạng siêu cao tần ........................................................................... 26

2.1.2.1. Các tham số của mạng siêu cao tần .........................................................26
2.1.2.2. Ma trận tán xạ S .......................................................................................27
2.1.2.3. Ma trận trở kháng Z và dẫn nạp Y ...........................................................29
2.1.2.4. Ma trận truyền đạt ABCD........................................................................30
2.2. Lý thuyết về mạch lọc cao tần ..............................................................................32
2.2.1. Khái quát về mạch lọc tần số ......................................................................... 32
2.2.2. Bộ lọc thông thấp ........................................................................................... 33
2.2.3. Mạch lọc thông dải sử dụng linh kiện tham số tập trung ............................... 36
2.2.4. Mạch lọc với bộ biến đổi trở kháng và dẫn nạp ............................................. 38
5


2.3. Phân tích cấu trúc vịng cộng hưởng ....................................................................41
2.3.1. Mơ hình đường truyền của cấu trúc cộng hưởng vịng .................................. 42
2.3.2. Mơ hình vách từ (magnetic-wall) cho vịng cộng hưởng ............................... 46
2.4. Phương pháp phân tích vi sai hữu hạn miền thời gian .........................................49
2.4.1. Giới thiệu........................................................................................................ 49
2.4.2. Phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian ................................................... 51
2.4.2.1. Công thức cơ bản .....................................................................................51
2.4.2.2. Giới thiệu phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian ...........................54
2.4.2.3. Tính ổn định của thuật toán .....................................................................58
2.4.2.4. Điều kiện biện hấp thụ .............................................................................59
2.4.2.5. Điều kiện biên hấp thụ của Mur ..............................................................59
2.4.2.6. Nguồn sóng ..............................................................................................64
2.4.2.7. Kích thước của cell ..................................................................................66
2.4.2.8. Kích thước bước thời gian cho việc ổn định ...........................................67
2.5. Giới thiệu phần mềm CST STUDIO SUITE 2008 ..............................................69
Tổng kết chương ..........................................................................................................74
Chương 3 .....................................................................................................................75
Phân tích, thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng rộng cho hệ thống WLAN ...75

3.1. Giới thiệu ..............................................................................................................75
3.2. Cơ sở thiết kế bộ lọc thơng dải băng rộng dạng vịng vi dải ................................76
3.2.1. Các mode sóng trên vịng cộng hưởng ........................................................... 76
3.2.2. Mạch lọc dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng hai mode sóng ....................... 80
3.2.3. Điều kiện cộng hưởng nhiều mode sóng ........................................................ 82
3.3. Mạch lọc thơng dải băng tần WLAN ...................................................................87
Tổng kết chương ..........................................................................................................93
Chương 4 .....................................................................................................................94
Kết luận chung và hướng phát triển ............................................................................94
4.1. Kết luận chung......................................................................................................94
6


4.2. Hướng phát triển trong tương lai ..........................................................................94
Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt ..........................................................................95
Tài liệu tham khảo .......................................................................................................96

7


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bốn loại bộ lọc: ........................................................................................... 13
Hình 1.2: Sơ đồ khối của một máy thu phát vơ tuyến song cơng. .............................. 14
Hình 1.3: Các cấu trúc lọc vi dải thơng dụng: ............................................................ 17
Hình 1.4: Các bộ cộng hưởng vi dải hai mode sóng: .................................................. 19
Hình 1.5: Mạch lọc dải rộng kiểu nhánh đường truyền ngắn mạch (a) và đáp ứng tần
(b) ................................................................................................................................ 21
Hình 2.1: Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1]....................................................... 23
Hình 2.2: Đường truyền vi dải. a) Cấu trúc hình học. b) Phân bố trường. ................. 24
Hình 2.3: Mạng cao tần hai cửa (bốn cực) .................................................................. 26

Hình 2.4: Mạng hai cửa nối tầng và mạng hai cửa tương đương ................................ 31
Hình 2.5: Đáp ứng tần của bốn loại mạch lọc lý tưởng: ............................................. 33
Hình 2.7: Đáp ứng tần của mạch lọc thơng thấp bậc 3. .............................................. 35
Hình 2.8: Mạch lọc thơng thấp dạng bậc thang với các linh kiện tham số tập trung. . 35
Hình 2.9: Sơ đồ mạch lọc thơng dải hình bậc thang. .................................................. 37
Hình 2.10: Đồ thị tổn hao xen theo tần số của mạch lọc thông dải. ........................... 37
Hình 2.11: Sơ đồ khối bộ biến đổi trở kháng (a) và bộ biến đổi dẫn nạp (b) ............. 39
Hình 2.12: Biến đổi tương đương giữa thành phần trở kháng nối tiếp và dẫn nạp
song song sử dụng các bộ biến đổi: a )trở kháng (K); b) dẫn nạp (J) ......................... 40
Hình 2.13: Mạch lọc thơng dải tham số phân tán sử dụng các bộ biến đổi [1] .......... 41
Hình 2.14: Cấu trúc cộng hưởng vịng một cửa. ......................................................... 43
Hình 2.15: Sóng đứng trên hai đoạn của vịng cộng hưởng........................................ 45
Hình 2.16: Mạch cộng hưởng vi dải vịng kín: a) hình vng; b) hình trịn. .............. 45
Hình 2.17: Mơ hình vách từ (Magnetic-Wall) cho vịng cộng hưởng. ....................... 47
Hình 2.18: Cách chia cell trong FDTD. ...................................................................... 54
Hình 2.19: Các vector E và H trong các cell. .............................................................. 55
Hình 2.20: Thuật toán FDTD. ..................................................................................... 56

8


Hình 2.21: Giao diện xây dựng mơ hình và thiết lập mô phỏng của phần mềm CST
MICROWAVE STUDIO 2008 ................................................................................... 73
Hình 2.22: Giao diện thể hiện kết quả mơ phỏng ....................................................... 73
Hình 3.1: Mạch cộng hưởng vi dải dạng vịng có điểm xáo trộn cấu trúc .................. 78
Hình 3.2: Phân bố dịng điện trên vịng cộng hưởng ở Hình 2.18 tại các tần số: (a)
tần số cộng hưởng dưới của mode n = 1; (b) tần số cộng hưởng trên của mode n = 1;
(c) mode n = 2; (d) tần số cộng hưởng dưới của mode n = 3; (e) tần số cộng hưởng
trên của mode n = 3; (f) mode n = 4; (g) tần số cộng hưởng dưới của mode n = 5;
(h) tần số cộng hưởng trên của mode n = 5; ............................................................... 79

Hình 3.3: Hàm truyền đạt của bộ cộng hưởng Hình 2.18 ........................................... 80
Hình 3.4: Mạch lọc bậc hai sử dụng linh kiện tham số tập trung ............................... 81
Hình 3.5: Mạch lọc thơng dải bậc hai: a) Sơ đồ; b) Dạng đáp ứng tần....................... 82
Hình 3.6: Sơ đồ ngun lý của mạch lọc thơng dải băng rộng [6] ............................. 83
Hình 3.7: Mơ hình đường truyền cho mạch lọc trong Hình 3.1: a) Vách từ (MW) và
vách điện (EW); b) Mode chẵn; c) Mode lẻ................................................................ 83
Hình 3.8: Đáp ứng tần của một mạch cộng hưởng ba mode sóng trong điều kiện
ghép tương hỗ giữa các mode cộng hưởng yếu (nét đứt) và ghép đầy đủ (nét liền)
[5]. ............................................................................................................................... 85
Hình 3.9: Tần số cộng hưởng chuẩn hóa của các mode chẵn (𝑓𝑒1/𝑓𝑜1 và 𝑓𝑒2/𝑓𝑜1)
phụ thuộc vào chiều dài chuẩn hóa của các nhánh (𝑡 = 𝜃2/𝜃1) trong hai trường
hợp: hai nhánh bằng nhau (nét đứt) và khơng bằng nhau (nét liền) [6]. ..................... 86
Hình 3.10: Giá trị phần ảo của 𝑌21 phụ thuộc vào chiều dài điện của vịng cộng
hưởng [6]. .................................................................................................................... 86
Hình 3.11: Mạch lọc thông dải băng thông cho băng tần WLAN (từ 2.402 – 2.484
GHz). ........................................................................................................................... 88
Hình 3.12: Kết quả mơ phỏng hệ số truyền đạt (𝑆21) khi thay đổi kích thước của
Stub hình vng .......................................................................................................... 89
Hình 3.13: Kết quả mơ phỏng hệ số truyền đạt (𝑆21) khi thay đổi độ rộng khe g ..... 90
Hình 3.14: Kết quả mơ phỏng hệ số truyền đạt (𝑆21) khi thay đổi bề rộng w1 ......... 90
9


Hình 3.15: Kết quả mơ phỏng hệ số truyền đạt (𝑆21) khi thay đổi bề rộng w2 ......... 91
Hình 3.16: Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ (S11) và hệ số truyền đạt (𝑆21) của mơ
hình bộ lọc cuối cùng. ................................................................................................. 91
Hình 3.17: Mơ hình mạch lọc được chế tạo thực tế .................................................... 92
Hình 3.18: Kết quả đo đạc của mạch lọc .................................................................... 92
Hình 3.19: Trễ nhóm từ cửa 1 đến cửa 2. ................................................................... 93

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
PCB

Printed Circuit Board

Bảng mạch in

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến điện

LO

Local Oscillator

Bộ dao động nội

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

CST

Computer Simulation Technology

Công nghệ mô phỏng bằng

máy tính

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

FDTD

Finite Differental Time Domain

Phương pháp vi sai hữu hạn
theo miền thời gian

TM

Transverse Magnetic

Sóng từ ngang

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Tỷ số sóng đứng về điện áp

TEM

Transverse Electric Magnetic

Sóng điện từ ngang

SIR

Stepped-Impedance Resonator

Bộ cộng hưởng trở kháng
nhảy bậc

FET

Field Effect Transistor

10

Transistor hiệu ứng trường


PHẦN MỞ ĐẦU
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. Các thiết bị
thơng tin vơ tuyến được thu nhỏ kích thước ở mức tối đa để tăng khả năng tích hợp,
đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động và thông tin vệ tinh. Mạch lọc tần số
là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị này. và hướng phát triển của các cấu
trúc lọc không chỉ ở việc cải thiện đặc tính hoạt động mà cịn ở sự nhỏ gọn trong
kích thước vật lý. Đối với các thiết bị thông tin di động và vệ tinh, các cấu trúc lọc
vi dải thường được sử dụng, nhờ giá thành rẻ và dễ dàng chế tạo bằng công nghệ
mạch in (PCB). Các giải pháp thu nhỏ kích thước mạch lọc vi dải bao gồm sử dụng
đế điện mơi có hằng số điện môi lớn, hay bẻ cong các đường dải dẫn của các cấu

trúc lọc truyền thống, hay nghiên cứu đưa ra các cấu trúc lọc có kích thước nhỏ gọn
hơn. Trong đó giải pháp thứ ba đang được quan tâm phát triển và đạt được những
kết quả nhất định.
Một trong những cấu trúc vi dải được áp dụng cho việc thiết kế các bộ lọc đó
là cấu trúc cộng hưởng dạng vịng. Cấu trúc này khi được kích thích sẽ gây nên hiện
tượng cộng hưởng hai mode sóng. Hiện tượng này làm cho một vòng cộng hưởng
hoạt động giống như hai bộ cộng hưởng riêng rẽ. Điều này đồng nghĩa với việc, nếu
một mạch lọc bậc N cần có N bộ cộng hưởng ghép với nhau thì dùng cấu trúc vịng
cộng hưởng hai mode sóng sẽ làm giảm số lượng bộ cộng hưởng đi một nửa, do đó
làm giảm kích thước vật lý của tồn bộ mạch lọc. Bên cạnh đó, vịng cộng hưởng
hai mode sóng cịn được dùng để thiết kế các bộ lọc dải rộng, với đáp ứng tần có độ
dốc tối đa, cải thiện khả năng chọn lọc và cách ly tần số. Trong luận văn này, một
mạch lọc với dải thơng bao phủ tồn bộ hệ thống WLAN (2,4 GHz) sẽ được thiết
kế, nhằm minh họa cho phương pháp thiết kế một bộ lọc thơng dải băng rộng dựa
trên cấu trúc vịng cộng hưởng, với sự giúp đỡ của phần mềm mô phỏng trường
điện từ CST STUDIO SUITE 2008. Luận văn này được trình bày thành ba chương:

11


Chương 1: Giới thiệu chung về hiện trạng vấn đề, động lực và kết quả mong
muốn đạt được.
Chương 2: Trình bày các kiến thức cơ bản về cao tần, lý thuyết mạch lọc và
phân tích cấu trúc vịng cộng hưởng.
Chương 3: Phân tích thiết kế bộ lọc dựa trên những kiến thức đã trình bày ở
các phần trước.
Chương 4: kết luận chung và hướng phát triển

12

Chương 1

Giới thiệu
1.1. Bộ lọc tần số, vai trò và sự phát triển
Bộ lọc tần số là một bộ lựa chọn tần số, cho phép tín hiệu trong một dải tần
mong muốn đi qua và chặn lại những tín hiệu trong dải tần khác. Theo dạng đáp
ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành bốn loại: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông
cao, bộ lọc thông dải và bộ lọc chắn dải. Hai loại bộ lọc đầu tiên cho phép tín hiệu
trong tồn bộ dải tần phía dưới và phía trên tần số cắt đi qua, cịn hai loại bộ lọc còn
lại cho phép truyền qua hoặc chặn lại tín hiệu trong một dải tần nhất định nằm giữa
tần số cắt trên và tần số cắt dưới. Hình 1.1 mô tả dạng đáp ứng tần và ký hiệu sơ đồ
khối của từng loại bộ lọc.

Hình 1.1: Bốn loại bộ lọc:

13


a) thông thấp; b) thông cao; c) thông dải; d) chắn dải.

Bộ lọc là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống khai thác tài nguyên
tần số sóng điện từ, bao gồm từ thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, định vị
dẫ đường, cảm biến và các hệ thống khác. Với sự tiến bộ của thông tin và các ứng
dụng trên nền vô tuyến điện, phổ tần có hạn của sóng điện từ phải chia sẻ cho ngày
càng nhiều hệ thống. Tín hiệu điện từ của từng hệ thống chỉ được giới hạn trong
một khoảng phổ tần nhất định. Các bộ lọc được dùng để lựa chọn và giới hạn tín
hiệu trong khoảng tần số đó. Chúng đóng nhiều vai trị khác nhau trong một hệ
thống, như trong Hình 1.2 là sơ đồ một máy thu phát vơ tuyến.

Hình 1.2: Sơ đồ khối của một máy thu phát vơ tuyến song cơng.

Phần sơ đồ khối phía trên thực hiện chức năng thu, cịn phần phía dưới thực
hiện chức năng phát. Hai chức năng này sử dụng chung một anten, một bộ song
công (duplexer) và bộ dao động nội (LO). Có thể thấy, nhiều bộ lọc được sử dụng
trong hệ thống và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Chẳng hạn như trong phần
thu, bộ lọc phía sau LNA được dùng để chặn tần số ảnh và tần số rị rỉ từ đường
truyền. Nếu khơng có sự ngăn chặn này, tính hiệu tần số ảnh cũng sẽ được đổi
xuống trung tần (IF) và gây ra nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) của
hệ thống. Sau bộ trộn tần, bộ lọc thông thấp sẽ khử đi thành phần khơng mong
muốn trong tín hiệu sau trộn cũng như tần số rò từ bộ dao động nội. Trong phần
phát, một bộ lọc được đặt giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất để lựa chọn tần

14


số mong muốn và loại bỏ các tần số khác được tạo ra sau bộ đổi tần lên. Cả khối
phát và khối thu đều sử dụng chung một bộ song cơng gồm hai mạch lọc thơng dải.
Một bộ lọc có dải thông là dải tần thu, được dùng để lựa chọn tần số cho bộ thu và
khử các tín hiệu khác truyền đến bộ thu. Với bộ lọc kia, tần số trung tâm là tần số
phát, bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ nhiễu và tần số giả ngoài băng.
Lý thuyết về mạch lọc lần đầu tiên được đề xuất một cách độc lập bởi
Campbell và Wagner vào năm 1915. Kết quả có được xuất phát từ những nghiên
cứu về đường truyền có tải và lý thuyết cổ điển về các hệ dao động. Các nghiên cứu
sau đó phát triển theo hai hướng độc lập, đó là nghiên cứu lý thuyết về các tham số
ảnh (image-parameter) và lý thuyết tổn hao xen (insertion-loss).
Phương pháp tham số ảnh được phát triển vào những năm 1920 bởi
Campbell, Zobel và một vài người khác. Phương pháp này giúp xây dựng các mạch
lọc thụ động sử dụng linh kiện tham số tập trung. Các tham số ảnh mô tả mạng hai
cửa khác hẳn các tham số tán xạ như đã biết. Sự mô tả này được lý tưởng hóa vì các

tham số đầu vào và đẩu ra của một khâu hai cửa trong phương pháp này thường
khơng thể hiện chính xác được. Vì thế phương pháp tham số ảnh chỉ là phương
pháp xấp xỉ. Ưu điểm của phương pháp này là có thể thiết kế ra những mạch lọc bậc
cao mà không cần sự trợ giúp của máy tính. Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc duy
nhất được biết đến cho đến năm 1939 và cũng là phương pháp thủ công duy nhất.
Tuy nhiên, người thiết kế khó có thể kiểm sốt được đặc tính của dải thơng và dải
chắn khi sử dụng phương pháp này. Vì thế nếu u cầu độ chính xác nhiều hơn thì
phương pháp này khơng đảm bảo.
Lý thuyết về tổn hao xen tỏ ra thơng dụng và có hiệu quả hơn phương pháp
tham số ảnh được Darlington và Cauer đề xuất vào năm 1939. Về cơ bản, lý thuyết
này sẽ xấp xỉ các đặc tính của mạch lọc bằng hàm truyền đạt, và xây dựng nên một
mạch điện thỏa mãn hàm truyền đạt đó. Như vậy, bài tốn xấp xỉ hóa và bài tốn
thực hiện có thể được giải quyết riêng rẽ một cách tối ưu và chính xác nhất. Với
phương pháp này, việc thiết kế mạch lọc được chia thành 2 bước: Xác định hàm
truyền đạt thỏa mãn yêu cầu đặc tính của mạch lọc; tổng hợp mạch điện sử dụng

15


đáp ứng tần đã được ước lượng bằng hàm truyền đạt. Tuy nhiên, phương pháp này
chưa được chú ý ngay do u cầu một khối lượng tính tốn khổng lồ. Cho đến giữa
những năm 1950, phương pháp này mới bắt đầu được áp dụng rộng rãi. Với sự tiến
bộ của các hệ thống máy tính tốc độ cao, phương pháp tổn hao xen dần dần trở nên
thông dụng hơn cả phương pháp tham số ảnh. Phương pháp này sẽ được đề cập lỹ
hơn trong chương 2 của luận văn.
Cùng với sự hoàn thiện của lý thuyết, các thiết kế mạch lọc được phát triển
từ các mạch cộng hưởng tham số tập trung LC đến các cấu trúc cộng hưởng tham số
phân tán như cáp đồng trục, ống dẫn sóng và đường vi dải. Đồng thời, những tiến
bộ trong công nghệ vật liệu đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo các dạng cấu
trúc lọc khác, như vật liệu gốm, thạch anh, hay vật liệu siêu dẫn … Mạch lọc vi dải

là một dạng cấu trúc lọc quan trọng nhờ khả năng tích hợp trên mạch in.
Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến cao tần, nhiều dạng cấu trúc lọc
được sử dụng như cáp đồng trục, cấu trúc điện mơi, ống dẫn sóng và cấu trúc vi dải.
Các bộ lọc đồng trục có nhiều ưu điểm, như có khả năng che chắn điện từ, ít tổn hao
và kích thước nhỏ, tuy nhiên lại khó chế tạo. Các cấu trúc điện mơi cũng có kich
thức nhỏ và ít tổn hao, nhưng bù lại giá thành của các bộ lọc tương đối cao và kỹ
thuật xử lý phức tạp là điểm hạn chế của dạng bộ lọc này. Bộ lọc ống dẫn sóng
được áp dụng khá rộng rãi, nhờ khả năng kiểm sốt cơng suất và tính khả thi trong
các úng dụng cao tần, nhược điểm của chúng là có kích thước lớn.
Hiện nay, các mạch lọc vi dải được sử dụng nhiều trong các thiết bị thông tin
vô tuyến nhờ những ưu điểm vượt trội, như sự dễ dàng trong việc chế tạo bằng công
nghệ mạch in, khả năng tương thích với các linh kiện tích cực, và giá thành rẻ.
Mạch lọc vi dải có thể áp dụng được cho nhiều phạm vi tần số khác nhau khi được
chế tạo trên các vật liệu đế khác nhau. Nhược điểm lớn nhất của mạch lọc vi dải, đó
là hệ số phẩm chất Q khơng cao, do đó khả năng lựa chọn tần số khơng được tốt
lắm. Nói chung, cấu trúc lọc vi dải là một lựa chọn thích hợp cho việc thiết kế bộ
lọc trong hệ thống thông tin vô tuyến. Các cấu trúc lọc vi dải quen thuộc được mơ tả
trong Hình 1.3.

16


Hình 1.3: Các cấu trúc lọc vi dải thơng dụng:
a) Mạch lọc đường zig-zag (hairpin filter); b) Mạch lọc xen kẽ (interdigital filter);
c) Mạch lọc khe điện dung (capacitive gap filter); d) Mạch lọc nhánh cụt (stub
filter); e) Mạch lọc đường ghép song song (parallel-coupled lines filter).

1.2. Động lực nghiên cứu
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, mạch lọc được sử dụng với nhiều
dạng đáp ứng tần khác nhau, như thông thấp, thông cao, thông dải hay chắn dải.

Trong các dạng đó, mạch lọc thơng dải được sử dụng rộng rãi nhất. Nhiều phương
pháp thiết kế mạch lọc thông dải đã được đề xuất. Để đạt được yêu cầu về hoạt
động trong dải thông cố định không phải là điều quá khó khăn. Tuy nhiên khi đặt ra

17


yêu cầu dải tần phải rộng, và kích thước vật lý của mạch lọc phải được thu nhỏ tối
đa thì bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn. Trong các hệ thống thông tin vệ tinh và
thông tin di động hiện nay, việc thu nhỏ kích thước của mạch lọc đã trở thành vấn
đề quan trọng bậc nhất. Mặc dù kích thước mạch vi dải có thể thu nhỏ được bằng
cách chế tạo trên đế điện mơi có hằng số điện mơi lớn, nhưng việc thay đổi cấu trúc
hình học của mạch vi dải lại thường được tính đến, vì hằng số điện mơi lớn thường
dẫn đến hiện tượng sóng mặt và gây tổn hao nhiều hơn. Đối với các mạch lọc dải
rộng, giải pháp thay đổi cấu trúc hình học thường thấy đó là bẻ gấp các đoạn đường
truyền thẳng trên các mạch lọc thơng thường để có dạng mạch lọc mới với kích
thước nhỏ hơn [1].
Một hướng giải quyết vấn đề khác, đó là đề xuất ra những cấu trúc lọc mới,
có hình dạng nhỏ gọn hơn. Hướng nghiên cứu này đã làm xuất hiện thêm những bộ
lọc có cấu trúc hết sức đa dạng. Cấu trúc cộng hưởng vịng hai mode sóng như trong
Hình 1.4[1] là một trong số đó. Kể từ khi lần đầu tiên được đề xuất bởi Wolff vào
năm 1971, cấu trúc này đã chứng tỏ những ưu điểm của mình trong việc có thể tạo
nên những mạch lọc với đáp ứng tần ở dải thơng rất dốc, kích thước cấu trúc nhỏ và
giá thành chế tạo rẻ. Việc nghiên cứu các mạch lọc dựa trên vịng cộng hưởng hai
mode sóng đang được các nhà khoa học và các kỹ sư quan tâm, với mục đích mở
rộng dải thơng hay tăng khả năng tùy biến của đặc tính lọc. Cấu trúc cộng hưởng
này sẽ được phân tích kỹ hơn trong chương 2.

18

Hình 1.4: Các bộ cộng hưởng vi dải hai mode sóng:
a) dạng đĩa trịn; b) dạng tấm vng; c) vịng trịn; d) vịng vng [1]

Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc trong việc tính tốn trường điện từ, cũng là
một động lực quan trọng góp phần lớn vào sự phát triển của những cấu trúc mạch
lọc phức tạp. Các phương pháp tính tốn trường điện từ như phương pháp MoM
(Method of Moments), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element
Method), phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian (FDTD-Finite Difference
Time Domain) đã được phát triển trong những năm gần đây. Cùng với sự xuất hiện
của các công cụ mô phỏng trường điện từ sử dụng các phương pháp trên, kết quả
mô phỏng trở nên đáng tin cậy và càng gần hơn với kết quả đo đạc. Ngày nay, với
những chiếc máy tính với khả năng tính tốn được cải thiện một cách đáng kể, các
nhà nghiên cứu đã có thể đẩy nhanh q trình phát triển các dạng cấu trúc lọc tần số
mới.
Chính vì thế, ngày càng xuất hiện nhiều các bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng
hưởng vịng với các kiểu kích thích khác nhau, được nối thêm các đoạn, các nhánh
nhằm đạt được các đặc tính lọc mong muốn, nhưng với mục đích chung đều là để
tạo ra các mạch lọc có kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng chọn lọc tần số tối
ưu.
19


1.3. Kết quả mong muốn
Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu, giới thiệu một phương pháp
thiết kế mạch lọc thơng dải có dải thơng rộng, dải tần là băng tần WLAN, từ 2.402
GHz đến 2.484 GHz, đáp ứng tần trong dải thơng phải có độ dốc tối đa để tăng khả
năng chọn lọc tần số. Cấu trúc vi dải được sử dụng là vòng cộng hưởng hai mode
sóng, được đặt thêm các nhánh và có phương thức tiếp điện thích hợp nhằm đạt
được mục tiêu thiết kế.

Với dải tần từ 2.402 GHz đến 2.484 GHz, dạng mạch lọc vi dải được đề xuất
là mạch lọc gồm các nhánh đường truyền một phần tư bước sóng ngắn mạch như
trong Hình 1.5. Đây là một cấu trúc lọc khá phổ biến, dễ dàng thiết kế và có mặt
trong hầu hết các tài liệu cơ bản về bộ lọc cao tần [1]. Kích thước của mạch lọc này
là 25 𝑚𝑚 × 25 𝑚𝑚. Bộ lọc được thiết kế trong luận văn này sẽ có kích thước nhỏ
hơn và có đặc tính chọn lọc tần số tối ưu hơn cấu trúc lọc truyền thống này.

(a)

20


Tổn hao ngược và hệ số truyền đạt
(dB)

5
0
-5
-10
-15
-20
-25

S11

-30

S21

-35

-40
-45
-50
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tần số

(b)
Hình 1.5: Mạch lọc dải rộng kiểu nhánh đường truyền ngắn mạch (a) và đáp ứng
tần (b)

Q trình phân tích thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm
CST STUDIO SUITE 2008, tính tốn trường điện từ bằng phương pháp vi phân
hữu hạn miền thời gian (Finite Difference Time Domain – FDTD) để thu được tham
số tổn hao ngược và hệ số truyền đạt.

21


Tổng kết chương
Như vậy có thể thấy, với vai trị là một thành phần không thể thiếu trong các
hệ thống thơng tin bằng sóng điện từ, mạch lọc tần số và các lý thuyết phân tích
thiết kế mạch lọc đã có một q trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn thiện.
Tuy nhiên việc nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn tiếp tục được thực hiện trong thời
gian gần đây dựa trên những phương pháp tính tốn cơ bản nhằm tạo ra những cấu
trúc lọc kích thước gọn nhẹ và khả năng chọn lọc tần số tối ưu nhất. Các lý thuyết
này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các chương sau.

22


Chương 2

Cơ sở lý thuyết
2.1. Lý thuyết chung về phân tích mạch điện cao tần
Khái niệm siêu cao tần (Microwave) dùng để chỉ sóng điện từ dao động điều
hịa có tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, với chiều dài bước sóng
tương ứng từ λ = c/f = 1 m tới λ = 1 mm. Sóng điện từ với tần số trên 30 GHz đến
300 GHz gọi là dải sóng milimeter; phổ tần phía trên dải sóng milimeter là của tia
hồng ngoại, với bước sóng từ 1 µm đến 1 mm. Bên trên dải tần của tia hồng ngoại là

phổ tần của ánh sáng nhìn thấy được, phổ tần của tia cực tím và sau đó là tia X. Bên
dưới dải phổ siêu cao tần là dải tần vô tuyến điện (Radio Frequency – RF). Ranh
giới giữa dải tần vô tuyến điện và dải siêu cao tần thường khơng cố định. Vì thế
theo nghĩa rộng, các ứng dụng cao tần thường được hiểu là các thiết bị, hệ thống
điện hoạt động trong dải tần từ 300 kHz đến 300 GHz. Dải tần này được chia thành
các băng tần nhỏ hơn, như trong Hình 2.1 [1].

Hình 2.1: Phổ tần số của sóng điện từ cao tần [1]

23