Thiết kế mạch ghép vi dải ba cổng bốn kênh trong hệ thống băng rộng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-----------------------

NGƠ HỒNG ẤN

THIẾT KẾ MẠCH GHÉP VI DẢI BA CỔNG - BỐN KÊNH
TRONG HỆ THỐNG BĂNG RỘNG
Chuyên ngành:

Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ……………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………………………………………………………..

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………………………………………………………..

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày …… tháng …… năm…….

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. …………………………………………………………..
2. …………………………………………………………..
3. …………………………………………………………..
4. …………………………………………………………..
5. …………………………………………………………..

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành

- ii -


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày ….. tháng ……. năm…….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Ngơ Hồng Ấn

Ngày, tháng, năm sinh:
Chun ngành:

Giới tính:

03/01/1983

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Kỹ thuật điện tử (605270)

Khố (Năm trúng tuyển):

Nam

MSHV: 01408358

2008

I- TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch ghép vi dải ba cổng bốn - kênh trong hệ thống
băng rộng.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Thiết kế và mô phỏng hai mạch lọc vi dải thông dải song kênh ở các cặp
tần số 1.55, 4.75 GHz và 2.40, 7.20 GHz đảm bảo triệt các thành phần hài
không mong muốn xuống dưới -20 dB, dải thông 3 dB đạt được trên 400
MHz.
 Thiết kế và mô phỏng mạch ghép vi dải ba cổng bốn kênh từ hai mạch lọc
vi dải thông dải song kênh ở các cặp tần số 1.55, 4.75 GHZ và 2.40, 7.20

GHz có dải thơng 5 dB các kênh khoảng 300 MHz, cách ly hai cổng dưới
-30 dB.
 Thực hiện làm mạch ghép vi dải trên tấm đế vật liệu Rogers RT5870 có
hằng số điện mơi 2.33 và độ dày 1 mm, đo đạc các thông số ma trận tán
xạ trên mạch ghép đã chế tạo và so sánh kiểm chứng với kết quả mô
phỏng.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. Phan Hồng Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

QL CHUYÊN NGÀNH

- iii -


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Khoa Điện
– Điện tử, Bộ môn Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tơi hồn thành đồ án
này.

Chân thành cảm ơn Giáo viên hướng dẫn TS. Phan Hồng Phương, Thầy Hà đã trợ
giúp đắc lực cho việc hoàn thành đồ án.

Chân thành cảm ơn đến gia đình, ba mẹ, cùng vợ, là động lực tinh thần rất lớn trong
thời gian thực hiện đồ án.

Cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp.

- iv -


TÓM TẮT LUẬN VĂN
THIẾT KẾ MẠCH GHÉP VI DẢI BA CỔNG – BỐN KÊNH TRONG HỆ
THỐNG BĂNG RỘNG
(THÁNG 10/2010)

Công việc thiết kế mạch ghép vi dải ba cổng bốn kênh trong hệ thống băng
rộng mà luận văn đang hướng tới gồm hai bước chính. Bước thứ nhất là thiết kế hai
mạch lọc vi dải song kênh (dual-band) thông dải ở các cặp tần số 1.55, 4.75 GHz và
2.40, 7.20 GHz sử dụng cấu trúc ghép song song cộng hưởng nửa bước sóng. Bước
thứ hai là kết hợp hai mạch lọc vi dải song kênh thành một mạng thích ứng bốn
kênh, sử dụng các kiểu kết nối hình chữ T hiệu chỉnh. Yêu cầu thiết kế của mạch
ghép là bốn kênh truyền ở có dải thơng 5 dB từ 300 – 500 MHz, độ cách ly giữa
cổng hai và cổng ba dưới -30 dB. Dải thông các kênh của mạch ghép được điều
khiển bởi kích thước và khoảng các đường vi dải. Bằng cách tạo rãnh, tối ưu vị trí
và kích thước của rãnh tại vùng chồng lắp giữa hai thanh ghép vi dải để triệt các
thành phần hài không mong muốn. Các tần số trung tâm các kênh được điều chỉnh
bằng cách thay đổi độ dài của từng tầng đường ghép vi dải. Mạch ghép được ứng
dụng trong hệ thống đa băng tần cấu hình một anten đơn, có thể điều chỉnh sử dụng
trong dải tần số WLAN (2.5 và 5.0 GHz) và UWB (3.1-10.6 GHz) để có thể tích
hợp một anten sử dụng chung cho cả hai hệ thống.

- v -


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..............................................................................................................1
CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ .........................................................................3
DANH SÁCH HÌNH VẼ.........................................................................................5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU....................................................................................8
Chương 1.

MỞ ĐẦU ...........................................................................................9

1.1.

Đặt vấn đề và phạm vi nghiên cứu.............................................................9

1.2.

Tổ chức Luận văn ...................................................................................12

1.3.

Cơ sở lý thuyết về cấu trúc vi dải ............................................................12

1.3.1.

Cấu trúc đường vi dải đơn................................................................12

1.3.2.

Cấu trúc đường vi dải song song ......................................................14

Chương 2.

THIẾT KẾ MẠCH LỌC VI DẢI THÔNG DẢI SONG KÊNH........17

2.1.

Giới thiệu ................................................................................................17

2.2.

Cơ sở thiết kế ..........................................................................................17

2.3.

Triệt các thành phần hài ..........................................................................19

2.4.

Thiết kế và mơ phỏng..............................................................................20

2.4.1.

Tính tốn các kích thước ban đầu .....................................................20

2.4.2.

Mô phỏng và hiệu chỉnh cấu trúc .....................................................22

2.5.

Kết luận ..................................................................................................31

Chương 3.

THIẾT KẾ MẠCH GHÉP VI DẢI BA CỔNG BỐN KÊNH............32

3.1.

Giới thiệu ................................................................................................32

3.2.

Cơ sở thiết kế ..........................................................................................32

3.3.

Thiết kế và mơ phỏng..............................................................................35

3.3.1.

Tính tốn các kích thước ban đầu .....................................................35

3.3.2.

Mơ phỏng và hiệu chỉnh cấu trúc .....................................................36

3.4.

Hiệu chỉnh kích thước và chế tạo ............................................................40

3.5.

Kết luận ..................................................................................................42

Chương 4.

ĐO ĐẠC MẠCH GHÉP VÀ ĐÁNH GIÁ........................................43

-1 -

.


4.1.

Đo đạc mạch ghép ba cổng......................................................................43

4.1.1.

Cách thức đo đạc ma trận tán xạ.......................................................43

4.1.2.

Kết quả đo các thông số phản xạ ......................................................43

4.1.3.

Kết quả đo các thông số truyền đạt...................................................46

4.2.

So sánh kết quả đo đạc và kết quả mô phỏng...........................................47

4.3.

Đánh giá..................................................................................................52

Chương 5.

TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI..................53

5.1.

Tổng kết..................................................................................................53

5.2.

Hướng phát triển của đề tài .....................................................................54

TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................55
LÝ LỊCH KHOA HỌC..........................................................................................59
Phụ lục I.

CÁC PHƯƠNG TRÌNH KIRSCHING VÀ JANSEN...................... I-1

I.1.

Phương trình tính trở kháng đặc tính của đường vi dải đơn (Wheeler)... I-1

I.2.

Trở kháng mode chẵn và mode lẻ ở trạng thái tĩnh ................................. I-1

I.3.

Trở kháng đặc tính mode chẵn và mode lẻ ở trạng thái tán xạ ................ I-3

I.4.

Hằng số điện môi hiệu dụng của mode chẵn và mode lẻ ở trạng thái tĩnhI-6

I.5.

Hằng số điện môi hiệu dụng của mode chẵn và mode lẻ ở trạng thái tán xạ
............................................................................................................... I-7

I.6.

Đoạn vi dải hở mạch đầu cuối (open-end) .............................................. I-8

Phụ lục II.

BỘ LỌC MẪU THÔNG THẤP CHEBYSHEV VÀ CÁC BIẾN ĐỔI

MẠCH ĐIỆN ...........................................................................................................II-1
II.1.

Bộ lọc mẫu Chebyshev...............................................................................II-1

II.1.1.

Đáp ứng Chebyshev ............................................................................II-1

II.1.2.

Bộ lọc mẫu Chebyshev và các phần tử ................................................II-3

II.2.

Các biến đổi mạch điện ..............................................................................II-6

II.2.1.

Biến đổi mạch điện: ............................................................................II-6

II.2.2.

Các bộ lọc với biến đổi mạch điện ......................................................II-7

II.3.

Phép biến đổi từ bộ lọc mẫu thông thấp sang bộ lọc thông dải.................. II-10

-2 -

.

CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ
 r ,  re

Hằng số điện môi tương đối và hằng số điện môi tương đối hiệu
dụng.

 re,e (hoặc  ree )

Hằng số điện môi tương đối hiệu dụng mode chẵn

 re,o (hoặc  reo )

Hằng số điện môi tương đối hiệu dụng mode lẻ

Ca

Điện dung dọc theo chiều dài lớp đế điện môi

Cd

Điện dung dọc theo chiều dài khi lớp đế điện môi thay bằng lớp
khơng khí

Ce

Điện dung mode chẵn

Co

Điện dung mode lẻ

c

Vận tốc truyền sóng điện từ trong mơi trường khơng gian tự do
(tương đương vận tốc ánh sáng c  3.0  10 8 m / s )

g

Bước sóng dẫn hướng tính bằng Millimeter

f

Tần số tính bằng đơn vị Gigahertz.

h

Độ dày của đế điện mơi

Z 0 , Y0

Trở kháng đặc tính và trở nạp đặc tính

Z ce , Z co

Trở kháng mode chẵn và trở kháng mode lẻ của hai đường vi dải.

Z 0e , Z 0o

Trở kháng mode chẵn và trở kháng mode lẻ của hai đường vi dải
xét trong trường hợp không tổn hao

s

Khe hở giữa hai đường vi dải song song

t

Độ dày của lớp dải dẫn

W

Chiều rộng của đường vi dải đơn

BPF

Bandpass filter

ECMA

European Computer Manufacturers Association

-3 -

.


FBW

The fractional bandwidth

HWR

Half-Wavelength Resonator

ISM

The Industrial, Scientific And Medical

TEM-mode

Transverse ElectroMagnetic

U-NII

The Unlicensed National Information Infrastructure

UWB

Ultra-Wide Band

VSWR

Voltage standing wave ratio

WLAN

Wireless Local Area Network

-4 -

.


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Dải tần WLAN và UWB để thực hiện mạch ghép ở [5].........................9
Hình 1. 2. Các kiến trúc của mạch ghép: (a) Sử dụng bốn bộ lọc thông dải đơn băng,
(b) Sử dụng hai bộ lọc thơng dải song băng, (c) Sử dụng một khóa chuyển mạch để
kết nối đến hai bộ lọc thông dải song băng, (d) Sử dụng một bộ chia công suất để
kết nối đến hai bộ lọc...........................................................................................10
Hình 1. 3. Cấu trúc đường vi dải đơn...................................................................12
Hình 1. 4. Cấu trúc đường vi dải song song. ........................................................14
Hình 1. 5. Các mode cận-TEM của hai đường vi dải song song: (a) mode chẵn, (b)
mode lẻ................................................................................................................15

Hình 2. 1. Hình dạng mạch lọc cộng hưởng nửa bước sóng, kiểu dáng ParallelCoupled. ..............................................................................................................18
Hình 2. 2. Hình dạng mạch lọc thiết kế ban đầu: (a) Mạch lọc thứ nhất, (b) Mạch lọc
thứ hai. ................................................................................................................22
Hình 2. 3. Mơ phỏng đáp ứng tần số S(1,1) và S(2,1) của mạch lọc thứ nhất. ......23
Hình 2. 4. Mơ phỏng đáp ứng tần số S(1,1) và S(2,1) của mạch lọc thứ hai. ........23
Hình 2. 5. Các hình dạng hiệu chỉnh cấu trúc của mạch lọc thứ nhất....................24
Hình 2. 6. Mơ phỏng đáp ứng tần số mạch lọc thứ nhất sau mỗi lần hiệu chỉnh cấu
trúc. .....................................................................................................................25
Hình 2. 7. Đáp ứng tần số của mạch lọc thứ nhất hiệu chỉnh cấu trúc để dịch chuyển
tần số trung tâm dải thơng ...................................................................................26
Hình 2. 8. Các hình dạng hiệu chỉnh cấu trúc mạch lọc thứ hai. ...........................27

-5 -

.

Hình 2. 9. Mơ phỏng đáp ứng tần số mạch lọc thứ hai sau mỗi ba lần hiệu chỉnh cấu
trúc. .....................................................................................................................27
Hình 2. 10. Mơ phỏng đáp ứng tần số của mạch lọc thứ hai khi hiệu chỉnh cấu trúctiếp theo...............................................................................................................28
Hình 2. 11. Mô phỏng đáp ứng tần số mạch lọc thứ hai khi hiệu chỉnh rãnh biên.29
Hình 2. 12. Đồ thị mô phỏng đáp ứng tần số của hai mạch lọc sau khi hiệu chỉnh
cấu trúc để triệt các thành phần hài. .....................................................................30
Hình 2. 13. Các kích thước của hai mạch lọc thơng dải đã mơ phỏng ..................31

Hình 3. 1. Sơ đồ khối của thiết kế mạch ghép. .....................................................32
Hình 3. 2. Kích thước đường vi dải ban đầu của mạch ghép. ...............................33
Hình 3. 3. Quy trình thiết kế mạch ghép. .............................................................34
Hình 3. 4. Hình dạng ban đầu kiểu ghép hình chữ T. ...........................................35
Hình 3. 5. Hiệu chỉnh cấu trúc ghép hình chữ T sang cấu trúc ghép cận hình chữ Y.
............................................................................................................................36
Hình 3. 6. Hình dạng mạch ghép đã hiệu chỉnh kiểu ghép chữ T sang kiểu ghép cận
chữ Y...................................................................................................................37
Hình 3. 7. Mô phỏng các đáp ứng S11, S21, S31 của mạch ghép đã hiệu chỉnh
khuỷu. .................................................................................................................37
Hình 3. 8. Hình dạng mạch ghép đã hiệu chỉnh các khuỷu hai nhánh mạch ghép. 38
Hình 3. 9. Kết quả mơ phỏng các đáp ứng S11, S21, và S31 của mạch ghép sau hiệu
chỉnh khuỷu và cân bằng chiều ngang..................................................................38
Hình 3. 10. Mơ phỏng đáp ứng S23 của mạch ghép .............................................39
Hình 3. 11. Kết quả mô phỏng các đáp ứng mạch ghép sau khi hiệu chỉnh cấu trúc
để chế tạo. ...........................................................................................................41

-6 -

.

Hình 3. 12. Hình dạng mạch ghép đã chế tạo. ......................................................42

Hình 4. 1. Đo đạc thơng số S11 tại cửa 1 khi phối hợp trở kháng 50 Ohm cửa 3..44
Hình 4. 2. Đo đạc thông số S11 tại cửa 1 khi phối hợp trở kháng 50 Ohm cửa 2..44
Hình 4. 3. Đo đạc thơng số S22 tại cửa 2. ............................................................45
Hình 4. 4. Đo đạc thông số S33 tại cửa 3. ............................................................45
Hình 4. 5. Đo đạc thơng số S21 khi phối hợp trở kháng 50 Ohm tại cửa 3. ..........46
Hình 4. 6. Đo đạc thông số S31 khi phối hợp trở kháng 50 Ohm tại cửa 2. ..........46
Hình 4. 7. So sánh kết quả đo đạc và kết quả mô phỏng thơng số S11. ................47
Hình 4. 8. So sánh kết quả đo đạc và kết quả mô phỏng thông số S22. ................48
Hình 4. 9. So sánh kết quả đo đạc và kết quả mơ phỏng thơng số S33. ................48
Hình 4. 10. So sánh kết quả đo hệ số S11: (a) Trước khi xử lý mối hàn; (b) Sau khi
xử lý mối hàn. .....................................................................................................49
Hình 4. 11. Kết quả đo đạc hệ số sóng đứng VSWR tại cổng chung ....................50
Hình 4. 12. Kết quả mơ phỏng hệ số sóng đứng VSWR tại cổng chung ...............50
Hình 4. 13. So sánh kết quả đo đạc và kết quả mơ phỏng thơng số S21. ..............51
Hình 4. 14. So sánh kết quả đo đạc và kết quả mô phỏng thông số S31. ..............51

-7 -

.


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1. Các thông số điện của mạch lọc thứ nhất cộng hưởng nửa bước sóng, hai
cực ......................................................................................................................21
Bảng 2. 2. Các thông số điện của mạch lọc thứ hai cộng hưởng nửa bước sóng, hai
cực ......................................................................................................................21
Bảng 2. 3. Các tham số thiết kế của mạch lọc thứ nhất cộng hưởng nửa bước sóng,

ghép vi dải song song ..........................................................................................22
Bảng 2. 4. Các tham số thiết kế của mạch lọc thứ hai cộng hưởng nửa bước sóng,
ghép vi dải song song ..........................................................................................22
Bảng 3. 1. Các kích thước ban đầu của kiểu ghép hình chữ T cho mạch ghép......36
Bảng 3. 2. So sánh dải thông 5 dB các kênh của mạch ghép trước và sau khi hiệu
chỉnh để chế tạo...................................................................................................41
Bảng 4. 1. So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng các dải thông ở mức 5 dB..........52
Bảng 4. 2. So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng các dải thông ở mức 10 dB........52

-8 -

.


Chương 1.
1.1.

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề và phạm vi nghiên cứu

Các mạng thông tin viễn thông ngày nay từ thông tin vệ tinh, thông tin di động,
cho đến các mạng cá nhân không dây, và nhiều hệ thống thông tin khác đều hoạt
động ở chế độ song công. Các hệ thống này cịn u cầu băng thơng rộng, hoặc
truyền ở chế độ đa băng tần. Tuy nhiên việc truyền ở chế độ đa băng tần đòi hỏi cần
nhiều anten được sử dụng trong hệ thống. Khi đó, một mạch ghép cho nhiều kênh
thu hoặc nhiều kênh phát sử dụng chung một anten là một giải pháp được ưa
chuộng ở các thiết bị lưu động.
Shyh-Kang Jeng [5] đã đưa ra ý tưởng mạch ghép ba cổng – bốn kênh băng
rộng nhằm tích hợp hệ thống WLAN sử dụng dải tần 2.4, 5.0 GHz và hệ thống

UWB sử dụng dải tần 3.1-10.6 GHz (Hình 1. 1) để dùng chung một anten. Trong
khi đó, D. Budimir [1] sử dụng mạch ghép này như là cơng cụ để tích hợp các
chuẩn Wireless sử dụng các dải tần 1.65, 2.5, 4.65, 6.9 GHz vào chung một thiết bị.
Do đó, mạch ghép vi dải ba cổng – bốn kênh là một trong những chiếc chìa khóa
quan trọng để thành cơng trong việc đưa ra cấu hình sử dụng một anten đơn.

Hình 1. 1. Dải tần WLAN và UWB để thực hiện mạch ghép ở [5].

-9 -

.


Việc thiết kế một mạch ghép trong hệ thống băng rộng gặp nhiều thách thức.
Hầu hết các phương pháp truyền thống thiết kế mạch ghép tập trung vào trường hợp
băng hẹp và một cổng chỉ sử dụng cho một kênh. Ming-Iu Lai và Shyh-Kang Jeng
[5] đã đưa ra bốn kiểu kiến trúc để thiết kế một mạch ghép vi dải ba cổng – bốn
kênh sử dụng trong hệ thống băng rộng được thể hiện trên Hình 1. 2.

Hình 1. 2. Các kiến trúc của mạch ghép: (a) Sử dụng bốn bộ lọc thông dải đơn băng, (b) Sử dụng hai
bộ lọc thơng dải song băng, (c) Sử dụng một khóa chuyển mạch để kết nối đến hai bộ lọc thông dải
song băng, (d) Sử dụng một bộ chia công suất để kết nối đến hai bộ lọc.

Một vài kiểu thiết kế trực quan là thực hiện bốn bộ lọc thông dải đơn băng,
hoặc hai mạch lọc song băng và sau đó kết nối các bộ lọc với nhau như các tài liệu
[1], [2], [3], [8], được chỉ trên Hình 1. 2(a) (b). Đối với kiểu kiến trúc này, một số
các tác động tương hỗ không mong muốn giữa các bộ lọc có thể gây ra suy biến
nghiêm trọng ở các dải thông và dải chắn. Một cách khác là kết hợp các bộ lọc sử
dụng một khóa chuyển mạch hoặc bộ chia cơng suất, như chỉ trên Hình 1. 2(c) và
(d). Đối với kiểu kiến trúc với một khóa chuyển mạch mang lại hiệu quả kinh tế

khơng cao bởi nó cần một mạch phụ điều khiển khóa chuyển mạch, cịn giải pháp
sử dụng bộ chia cơng suất thì mỗi kênh sẽ mất 3 dB phụ và việc thiết kế bộ chia
công suất trong hệ thống băng rộng gặp phải nhiều vấn đề phức tạp.

- 10 -

.


Trong đề tài này, kiểu kiến trúc Hình 1. 2(b) được chọn lựa để thiết kế mạch
ghép vi dải ba cổng – bốn kênh như mong muốn. Cấu trúc bốn bộ lọc thông dải
song băng được nghiên cứu cho mạch ghép này tương tự như các bộ lọc thông dải
cộng hưởng nửa bước sóng (Half-Wavelength Resonator) mà đặc tính thơng dải của
bộ lọc được điều khiển bởi kích thước và khoảng cách các đường vi dải kết nối song
song. Các tần số trung tâm 1.55, 2.4, 4.75, 7.2 GHz được coi như một kênh đơn
băng, trong đó tương ứng hai cặp tần số trung tâm 1.55 và 4.75 GHz, 2.4 và 7.2
GHz được xem xét tương tự như hai kênh thu/phát song băng trong hệ thống cấu
hình một anten đơn.
Cơng việc thiết kế mạch ghép vi dải trong hệ thống băng rộng mà luận văn đang
hướng tới gồm hai bước chính. Bước thứ nhất là thiết kế bộ lọc vi dải thông dải, gọi
đúng hơn là mạch lọc vi dải song kênh dải thơng rộng được điều khiển bởi kích
thước và khoảng các đường vi dải, sau đó sử dụng phương pháp hiệu chỉnh cấu trúc
để triệt các thành phần hài không mong muốn. Bước thứ hai là kết hợp hai mạch lọc
vi dải song kênh thành một mạng thích ứng bốn kênh, sử dụng các kiểu kết nối hình
chữ T [5], hoặc hình chữ Y [8]. u cầu chính của bất kỳ mạch ghép nào là có độ
cách ly cao giữa các bộ lọc, cũng như cách ly giữa cổng hai và cổng ba trong mạch
ghép ba cổng – bốn kênh nói riêng, và hệ số sóng đứng VSWR tại cổng chung là
thấp nhất. Thông thường, một khi kết nối vi dải từ các bộ lọc khác nhau đến cổng
chung là nguyên nhân gây ra ảnh hưởng giữa các mạnh lọc và đặc tính hàm truyền
ban đầu bị suy giảm. Do đó, cần thiết phải hiệu chỉnh phụ từ các mạch lọc và cấu

trúc kiểu kết nối ghép.
Một vấn đề nữa là băng thông cho mỗi kênh trong mạch ghép phải đủ rộng.
Một kênh vô tuyến được gọi là băng rộng khi băng thơng của nó lớn hơn 1/4 tần số
trung tâm sóng mang của nó. Standard ECMA-368 [12] đưa ra chuẩn siêu băng
rộng UWB với băng thông cho mỗi kênh truyền lên đến 528 MHz sử dụng ở dải tần
3.1-10.6 GHz. Trong đề tài này, do ảnh hưởng nhiều của đặc tính vật liệu làm đế
hiện có và khả năng chế tạo mà ta đặt ra mục tiêu băng thông 5 dB cho mỗi kênh
của mạch ghép từ 300-500 MHz là có thể đạt yêu cầu.

- 11 -

.


1.2.

Tổ chức Luận văn

Luận văn được tổ chức thành năm chương, trong đó:
Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về ý tưởng thiết kế mạch ghép vi dải, phạm vi
nghiên cứu của đề tài, cách thức tổ chức luận văn, và cơ sở chung về mạch thiết kế.
Chương 2 thiết kế các mạch lọc vi dải sử dụng hai đường truyền sóng song
song. Phương pháp thực nghiệm hiệu chỉnh cấu trúc sẽ được sử dụng nhằm tìm ra
đáp ứng đạt yêu cầu.
Chương 3 thiết kế mạch ghép vi dải ba cổng bốn kênh bằng phương pháp hiệu
chỉnh cấu trúc, thông qua mơ phỏng để chọn các hệ số thích hợp.
Chương 4 là kết quả đo đạc và đánh giá.
Chướng 5 sẽ tổng kết và đưa ra hướng phát triển của đề tài.

1.3.

Cơ sở lý thuyết về cấu trúc vi dải

1.3.1. Cấu trúc đường vi dải đơn
Một cấu trúc vi dải đơn bao gồm một dải dẫn (microstrip line) với độ rộng W và
độ dày t được đặt trên một lớp đế điện môi với hằng số điện môi tương đối  r và
chiều dày h ; lớp thấp nhất của đế là một mặt phẳng dẫn khác được xem như mặt
phẳng đất (Hình 1. 3).

Hình 1. 3. Cấu trúc đường vi dải đơn

- 12 -

.


Ở cấu trúc này, dải dẫn được tiếp xúc với hai mơi trường, ở trên là lớp khơng
khí, ở dưới là lớp điện mơi, nên cấu trúc này cịn được gọi là cấu trúc không đồng
nhất và hai môi trường gọi là hai mơi trường dẫn sóng. Vì lớp điện môi không đồng


nhất trong môi trường vi dải nên sự phân bố điện trường E cũng không liên tục
giữa hai môi trường. Tuy nhiên lý thuyết đã chứng minh được sóng lan truyền dọc
theo đường vi dải là sóng cận – TEM (quasi-TEM) [27], và do đó các cơng thức cho
sóng thuần-TEM vẫn có thể áp dụng gần đúng. Vận tốc truyền sóng của dải dẫn
khơng những phụ thuộc vào đặc tính vật liệu mà cịn phụ thuộc vào kích thước vật
lý của dải dẫn. Phân tích ở trạng thái cận tĩnh, mode truyền chính trong dải dẫn
được giả định là mode thuần- TEM. Khi đó, đặc tính truyền dẫn của đường vi dải
được đặc trưng bởi hai tham số: hằng số điện môi hiệu dụng  re và trở kháng đặc
tính Z c , được xác định bởi [9]:

 re 

Cd
Ca

(1. 1)

1
Zc 
c Ca Cd

trong đó, Cd là điện dung theo chiều dài với lớp đế điện môi; Ca là điện dung theo
chiều dài với lớp đế điện môi thay thế bằng lớp khơng khí; và c vận tốc sóng điện
từ trong mơi trường khơng gian tự do ( c  3.0  108 m / s ).
Các ảnh hưởng đặc trưng đối với cấu trúc vi dải đơn bao gồm:
 Ảnh hưởng của độ dày dải dẫn,
 Ảnh hưởng phân tán trong dải dẫn,
 Ảnh hưởng tổn hao dải dẫn, tổn hao điện môi, tổn hao bức xạ,
 Ảnh hưởng đường biên.
Bước sóng dẫn hướng cho mode cận-TEM được tính tốn theo cơng thức [9]:

- 13 -

.


g 

300
(mm)

f (GHz ).  re

(1. 2)

trong đó  g tính theo mm và f tính theo GHz .
1.3.2. Cấu trúc đường vi dải song song
Cấu trúc đường vi dải song song (Hình 1. 4) bao gồm hai dải dẫn song song có
độ rộng W , độ dày t và cách nhau một khe hở s , chúng được đặt trên một lớp đế
điện mơi có hằng số điện mơi tương đối  r ; lớp thấp nhất của đế điện môi là một
mặt phẳng dẫn. Cấu trúc này thường được sử dụng rộng rãi cho thiết kế mạch lọc vi
dải.

Hình 1. 4. Cấu trúc đường vi dải song song.

Để phân tích đặc tính đường vi dải song song, ta phân tích chúng theo hai mode
cận-TEM: mode chẵn (even mode) và mode lẻ (odd mode). Ở trạng thái gần tĩnh,
trở kháng đặc tính của mode chẵn, trở kháng đặc tính mode lẻ, và hằng số điện môi
hiệu dụng của đường vi dải song song được xác định theo điện dung mode chẵn C e
và điện dung mode lẻ Co . Điện dụng mode chẵn và điện dung mode lẻ được mơ tả
theo phương trình [9] (Hình 1. 5):
Ce  C p  C f  C f '

(1. 3)

Co  C p  C f  C gd  C ga

(1. 4)

trong đó:

- 14 -

.


C p được định nghĩa là tụ điện mặt phẳng song song giữa dải dẫn và mặt

phẳng đất, được xác định bởi
C p   o  rW / h

(1. 5)

C f là tụ điện đường biên ngoài của dải dẫn đơn đối với mặt phẳng đất, được

xác định bởi:
1
Cf  .
2



re

/ c.Z c   C p



(1. 6)

C f ' là tụ diện đường biên trong của dải dẫn đối với mặt phẳng đất

Cf

C f '

1  A.(h / s ). tanh(8s / h)
A  exp 0.1. exp2.33  2.53W / h 

(1. 7)

Hình 1. 5. Các mode cận-TEM của hai đường vi dải song song: (a) mode chẵn, (b) mode lẻ

Đối với mode lẻ, C ga và C gd lần lượt là tụ điện biên giữa hai dải dẫn qua lớp
khơng khí và lớp điện mơi trong vùng khe hở hai dải dẫn.
Trở kháng đặc tính mode chẵn và trở kháng mode lẻ được xác định bởi:





(1. 8)





(1. 9)

Z ce  c Cea Ce
Z co  c CoaCo

1

1

ở đây: C ea và C oa là tụ điện mode chẵn và mode lẻ của đường vi dải song song với
khơng khí.

- 15 -

.


Hằng số điện môi hiệu dụng của mode chẵn  ree và của mode lẻ  reo được tính
theo cơng thức :
 ree  Ce / Cea

(1. 10)

 reo  Co / Coa

(1. 11)

Từ các giá trị trở kháng đặc tính mode chẵn, trở kháng đặc tính mode lẻ, ta tìm
được các kích thước vật lý W và s bằng bộ hệ phương trình thực nghiệm Kirchning
và Jansen [26], [Phụ lục I].

- 16 -

.

Chương 2.

THIẾT KẾ MẠCH LỌC VI DẢI THÔNG DẢI

SONG KÊNH
2.1.

Giới thiệu

Mạch lọc vi dải thường được sử dụng khá nhiều trong kỹ thuật siêu cao tần, bởi
các đường vi dải vừa làm dây nối vừa có chức năng loại bỏ những thành phần tần số
không mong muốn. Mạch lọc cộng hưởng nửa bước sóng và mạch lọc cộng hưởng
một phần tư bước sóng thường được đưa ra thiết kế và chế tạo. Phần sau đây đi thiết
kế hai mạch lọc vi dải song kênh (dual-band) thông dải ở các cặp 1.55, 4.75 GHz
và 2.40, 7.20 GHz sử dụng cấu trúc ghép song song cộng hưởng nửa bước sóng.

2.2.

Cơ sở thiết kế

Kiểu kiến trúc cho từng mạch lọc vi dải cũng quyết định nhiều đến đặc tính
truyền đạt của mạch ghép. Sở dĩ điều này là vì chúng dễ bị ảnh hưởng qua lại với
nhau khi đặt chung một tấm vi dải. M. J. Lancaster [9] đưa ra nhiều kiểu dáng mạch
lọc vi dải thông dải, và mạch lọc thông dải cộng hưởng nửa bước sóng có kiểu dáng
các đường vi dải đặt song song nhau (Parallel-Coupled, Half-Wavelength Resonator
Filter) được chọn lựa trong đề tài này.

- 17 -

.


Hình 2. 1. Hình dạng mạch lọc cộng hưởng nửa bước sóng, kiểu dáng Parallel-Coupled.

Hình 2. 1 là kiểu dáng mạch lọc thông dải với các đường vi dải đặt song song
nhau. Việc thiết kế mạch lọc thông dải chung quy về là đi tìm các kích thước vi dải
đáp ứng vào ra được thỏa mãn. Các phương trình thiết kế cho kiểu bộ lọc này được
cho bởi [9], [11]:
J 01
 FBW

.
Y0
2 g 0 g1

J j , j 1
Y0



FBW
2

J n ,n 1
Y0



.

(2. 1a)

1
g j g j 1

j  1,2,..., n  1

 FBW

.
2 g n g n 1

(b)

( c)

ở đây: g0, g1, …, gn là phần tử của mạch lọc mẫu thông thấp kiểu cấu trúc bậc thang
(ladder-line) với tần số cắt được chuẩn hóa  C  1 rad / s , và FBW (fractional
bandwidth) được định nghĩa bởi dải thông của mạch lọc thông dải chia cho tần số
trung tâm. J j , j 1 là các độ dẫn nạp đặc tính của biến đổi J (J-inverters) và Y0 là độ
dẫn nạp đặc tính của đường vi dải đầu cuối.

- 18 -

.


Các dẫn nạp đặc tính J j , j 1 được tính theo trở kháng đặc tính của mode chẵn và
mode lẻ của đường ghép cộng hưởng, mối liên hệ của chúng được xác định bởi [9]:

Z 0e  j , j 1

2
1  J j , j 1  J j , j 1  


 1 

 
Y0 
Y0
 Y0  


Z 0o  j , j 1

2
1  J j , j 1  J j , j 1  
 
 1 
 
Y0 
Y0
Y0  




(2. 2)

j  0,1,..n

Bước tiếp theo của công việc thiết kế bộ lọc là đi tìm các kích thước của các
đường vi dải ghép mà chúng quyết định đến trở kháng của mode chẵn và mode lẻ
mong muốn. Sử dụng các phương trình cơ bản của các đường vi dải ghép song song
(Parallel Coupled) ở [9], [10], [25], và áp dụng một trong các mạch lọc mẫu thông
thấp Chebyshev ta tìm được độ rộng và khoảng cách đối với mỗi cặp ghép một nửa
bước sóng.
Chiều dài thực của mỗi phần đường ghép được xác định bởi [8]:
lj 

4

 

0

   

re ,e j

re ,o j

  l

j

(2. 3)

ở đây l j là chiều dài của đường vi dải open-end tương đương theo [9],[Phụ lục I].

2.3.

Triệt các thành phần hài

Mạch lọc được thiết kế từ các cộng hưởng ghép của nhiều đường dẫn sóng song
song có độ dài nửa bước sóng, kiểu mạch lọc này có một nhược điểm là tạp nhiễu ở
các thành phần hài của tần số thiết kế f 0 . Đặc biệt trong hệ thống băng rộng thì tạp
nhiễu ở thành phần hài 2 f 0 , 3 f 0 trở nên vấn đề hết sức nghiêm trọng.
Có nhiều phương pháp kết hợp để giải quyết vấn đề này. Một cách chung nhất
để triệt thành phần hài thứ nhất là cân bằng vận tốc pha của mode chẵn (even mode)
và mode lẻ (odd mode) của các đường ghép. Tại vùng cộng hưởng chồng lấp giữa
hai đường ghép có một hiệu ứng là nếu tăng độ dài điện của mode lẻ thì mode này

- 19 -

.


sẽ truyền sóng nhanh hơn mode chẵn trong đường ghép vi dải song song [18]. Tuy
nhiên phương pháp này không thể triệt được thành phần hài thứ hai ở tần số 3 f 0 .
Một cách khác là sử dụng một tụ điện phụ để làm chậm vận tốc pha của mode
lẻ [19], hoặc tạo đường rãnh tại vùng chồng lắp để đạt được sự cân bằng giữa mode
truyền [21]. Gần đây có một số phương pháp triệt cả hai thành phần tần số hài. Ở
[17] đưa ra cách triệt cả hai thành phần tần số hài này bằng cách tạo rãnh tại mép
tại các tầng vi dải, trong khi đó [8] lại thêm vào các đường nhánh vi dải phụ. Trong
phần thiết kế sau ta tạo rãnh tại trung tâm các tầng vi dải, sau đó tiếp tục tạo rãnh tại
vùng chồng lắp giữa các tầng vi dải.

2.4.

Thiết kế và mơ phỏng

2.4.1. Tính tốn các kích thước ban đầu
Bộ lọc song kênh thứ nhất được thiết kế với các tần số trung tâm 2.4, 7.2 GHz;
và bộ lọc song kênh thứ hai ở tần số trung tâm 1.55, 4.75 GHz. Mỗi kênh của bộ lọc
có độ rộng băng thơng 300MHz. Giả định rằng mạch lọc vi dải được làm trên lớp đế
vật liệu Rogers RT5870 có hằng số điện môi 2.33 và độ dày bằng 1 mm. Sử dụng
bộ lọc mẫu thông thấp Chebyshev bậc hai ( n  2 ), độ gợn dải thông LAr  0.1 dB với
các tham số [Phụ lục 2]:
g 0  1 .0

g1  0.8431

g 2  0.6220

g 3  1.3554

Dẫn nạp Y0  1 / Z 0 và trở kháng Z 0  50  được sử dụng để tính tốn cho trở
kháng mode chẵn và mode lẻ trong cấu trúc hai đường vi dải song song.
Thông qua nhiều lần mô phỏng thực nghiệm với phần mềm IE3D V14.2, ta thấy
rằng biên trên của kênh thứ nhất và biên dưới của kênh thứ hai của bộ sẽ lệch đi 200
MHz khi triệt thành phần hài không mong muốn giữa hai kênh của bộ lọc nên trong
tính tốn thiết kế ta sẽ dịch tần số trung tâm lên 100 MHz. Do đó, các kích thước
ban đầu của hai bộ lọc song kênh được tính tốn cho tần số trung tâm 1.65 MHz và
2.5 MHz, gọi là tần số cho thiết kế, tương ứng với đó là hai bước sóng thiết kế được

- 20 -

.