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

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 55 THIẾT KẾ BỘ LỌC UWB VỚI BĂNG THÔNG CHỮ V SỬ DỤNG BỘ CỘNG HƯỞNG ĐOẠN CHÊM CHỮ THẬP VÒNG VUÔNG Nguyễn Đức Uyên1*, Lê Vĩnh Hà2 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết kế mới bộ lọc băng thông siêu rộng, dựa trên bộ lọc băng thông rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng vuông chữ thập đoạn chêm ngắn mạch kết hợp với đoạn chêm hở mạch để thu được bộ lọc siêu rộng có tính chọn lọc cao. Vị trí của băng thông mong muốn có thể thay đổi độc lập bằng cách thay đổi chiều dài của một đường vi dải, tương ứng. Mẫu bộ lọc viba siêu rộng đã được thiết kế và thử nghiệm. Các kết quả đo thực tế tiệm cận với kết quả mô phỏng. Bộ lọc được thiết kế có ưu điểm đơn giản về quy trình lựa chọn băng thông, cải thiện tính chọn lọc. Từ khóa: Bộ lọc; Đường truyền; Đoạn chêm; Siêu rộng. I. GIỚI THIỆU Các ứng dụng băng thông rộng và siêu rộng đang được quan tâm trong việc thiết kế các bộ lọc băng thông rộng và siêu rộng với mức tổn hao thấp và hiệu suất cao, đặc biệt là kể từ khi Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép sử dụng dải hoạt động không cần giấy phép từ (3.1-10.6) GHz cho các ứng dụng thương mại hoặc trên 10.6 GHz [1]. Ủy ban Truyền thông Liên bang đã phân bổ phổ tần 7.5GHz cho việc sử dụng không cần giấy phép cho các thiết bị băng thông siêu rộng [2]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để sản xuất các loại bộ lọc dải thông băng rộng cho hệ thống không dây siêu rộng. Các dịch vụ phổ biến nhất như, WiFi, RFID, 4G, 5G,v.v được đưa ra giới thiệu, một trong những giới hạn chính của hệ thống là các bộ lọc siêu rộng hiệu suất cao. Nhiều tác giả đã thiết kế và chế tạo các bộ lọc băng thông siêu rông như trong [3-9] . Mặc dù các thiết kế này có ưu điểm là có thể tạo ra nhiều băng thông bằng cách kết nối các bộ lọc khác nhau, người thiết kế cũng có thể chèn một dải chặn vào một dải băng rộng để thu được một bộ lọc dải rộng và siêu rộng , nhưng các thiết kế này vẫn còn có nhược điểm là do sử dụng ghép nối nhiều bộ lọc nên tổn hao chèn lớn, kích thước hình học tô pô lớn, phức tạp, khó khăn trong việc điều chỉnh riêng biệt dải thông độc lập. Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một bộ lọc băng thông siêu rộng nhỏ gọn với băng thông chữ V sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Bộ lọc có băng thông siêu rộng dựa trên bộ lọc dải rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Bộ lọc này có ưu điểm là đơn giản trong thiết kế và chế tạo, hoàn toàn có khả năng điều chỉnh độc lâp các tần số cộng hưởng để tạo nên băng thông siêu rộng, khắc phục được nhược điểm của các thiết kế trước đó. Trong thiết kế này, một cấu trúc mới của đường truyền vi dải được phát triển bằng cách nhúng một đoạn chêm hở mạch trở kháng cao để tạo ra băng thông siêu rộng mới với băng thông 3dB là 119%. Sau đó, bộ lọc UWB với băng thông siêu rộng chữ V được thiết kế và chế tạo. Phần mềm HFSS được sử dụng để mô phỏng thiết kế và chế tạo bằng công nghệ mạch in 2 lớp. Kết quả đo thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng. II. CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC Trong phần này, chúng ta xem xét một số tính năng khác nhau của bộ lọc băng siêu rộng với phân tích toàn sóng EM là những băng thông được điều chỉnh độc lập trong các dải tần số mong muốn. Cấu trúc được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và đơn giản. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông chữ thập vòng vuông.” 56 Hình 1 và 2 (a) trình bày cấu trúc và mạch tương đương của bộ lọc dải thông băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng vòng vuông. Từ cổng 1 đến cổng 2, hai đường truyền chính với trở kháng đặc tính Z1 và chiều dài điện 2θ1 được giới thiệu, một đoạn ngắn mạch với trở kháng đặc tính Z2 và chiều dài điện θ2, một đoạn hở mạch với trở kháng đặc tính Z3 và chiều dài điện θ3 là đường rẽ được kết nối ở giữa của đường truyền chính thứ nhất. Hai đường truyền vi dải với trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω được kết nối vào cổng 1 và 2 Hình 1. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc băng rộng. Hình 2. (a) Mạch tương đương, (b) Mạch tại chế độ lẻ, (c) Mạch tại chế độ chẵn. Mạch tương đương được trình bày trong hình 2(a), trong khi mạch tương đương chế độ chẵn và lẻ được trình bày trong hình 2(b),(c), tương ứng. Dẫn nạp đầu vào chế độ chẵn/lẻ là: 331 2 1221 2 11 3312211 1 1 2/)tantan(2/)cottan( 2/)tan(2/)cot(tantan ZZZZZ ZZZZ j Z jYine      Với chế độ chẵn (1) 1 1cot2 Z jYino   Với chế độ lẻ (2) Tần số cộng hưởng cho chế độ chẵn /lẻ được tính khi Yine/Yino= 0 hoặc Zine/Zino = 0 và công thức tính toán để cho ra các tần số đối với cấu trúc này được áp dụng[7]: eL c f    ; e odd L cn f 14 )12(   ; e odd LL cn f )(4 )12( 31 1    ; Và e even LL cn f )(4 )12( 21 1    ; e even LLL cn f )(4 )12( 21 2    Mô phỏng đặc tuyến tần số cộng hưởng tại chế độ chẵn/lẻ cho bộ cộng hưởng vòng dưới ghép nối lỏng được thể hiện trong hình 3, trong đó f là tần số cơ bản được xác định, feven là tần số xác định được ở chế độ chẵn, fodd là tần số xác định ở chế độ lẻ. Ta có thể thấy rằng có Nghiên c Tạp chí Nghi ba c cộ ch mộ Hình 3 lọ tần b củ bằ điề tần số cộng h ch các ph (a). Như đ để điể thông ch mạ ộ ng hư ủ y t đi c c Vòng vuông ch ộ a đo ng cách đi u khi ế độ chẵn Để th m không trong b ch tr ng hư ở ếu đư ểm truy ộng hư lọ ạn chêm ng th ần m ực hi ở ứu khoa học công nghệ ở ng th ợ . Mô ph c. Có th ển b ực hi ã phân tích trong [9], tr ệ ữ kháng cao, và ch ên c ng trong d c xác đ ề ởng vòng ều ch ằng cách đi ư feven1 ệ ở r n m V có th ứu KH&CN ứ tư n không n ỏ ể ởng chế độ lẻ và n b ộng và thu h ột đi Hình 5. 2f ịnh b ng đáp ữ thu đư ắn m ỉnh chi f ộ ộ ể ả odd dư thậ even2 lọc băng ểm truy lọ đư (a) (b) K i tầ 1 n ởi các t ằm g ứng |S ới ghép n p đo ợ ạch, ch ề ều ch di chuy III. c UWB cơ b ợc đi i (a) C quân s n b ằm cách xa chúng. Do đó, băng thông cho b ạn ng c ch u dài c f ẹp, đư ền không và m ề ều dài c ết qu ộ lọ ầ ần d 21 ế ế ỉnh chi odd1 ể THI thông siêu r u khi ấu trúc b ả ự, Số c và m n s ải t | củ ối l ắn m độ độ ủa b không thay đ n theo hư ợc đ ở ủ mô ph ố c ần s a b ỏ ạ cộng hư th ều dài c ẾT KẾ V ặ kháng đ ản. Hơn n ển b a đo 56 ột đi ộng hư ố ộ ng. ch và h ứ hai ch ộ c t trên m ằng cách đi ạn ng ộ ỏng , 08 ể trên đ ở ộng hư ớng ộng ch ặc tính c ộ lọc UWB v |S - 20 m truy ởng ch Hình 4. ở ng đ ủ ủa đo ổi với f À CÁC K ặ t băng thông ch ữ ắn m 21 18 ể cả hư mạ ầ yế ởng vòng, và ch ạ 0 khi ữ t ph a, t ạ | dư ền không c ế i thi Mô ph ởng chế độ chẵn/lẻ so với ch có th u tiên b u là ch n h θ V, thì ẳng đ ủa đo ần s ều ch ch. ớ ới ghép nối lỏng. độ ện tính ch ở θ2, trong khi các t 2 tăng lên. ẾT QUẢ ố i băng thông ch chẵ ể ằ ế mạ đo ối x ạn m trung tâm và d ỉnh t n f ỏng đáp ứ tạ ng cách đi độ ch. ạn h ứ ắ ữ ỷ ạnh c even1 ọ o ra ba c lẻ ế Trong ở ng, như ch c r V có th lệ ủ và n lọ có th đ m ẽ có th trở (b) a d ộ feven2 c. ng ộ ều ch ộ th hình 4 cho th ạch tr ể kháng c ữ V ải thông, trong khi cộ các t ng hư ể đư ứ ần số cộng h ở ỉ ể đư đư ải thông c ; ng hư , trong khi ần số cộng θ ỉnh kích thư ợc đi ba có th kháng cao có ra trong hình 5 ợ ợc đưa ra theo 2 tại f ởng trên d c đi ủa đo ởng vòng 0. ều ch ể ều ch ủa băng fz1 đư ấy các ưởng ạn h 57 là ải ớc ỉnh ợc ỉnh ở Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông chữ thập vòng vuông.” 58 Hình 5 (b) chỉ ra các tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ cho bộ cộng hưởng vòng với các đoạn hở mạch/ngắn mạch trở kháng cao, dưới ghép nối lỏng và một điểm truyền không (fz) nằm tại 5.2 GHz. Hình 6. (a) Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc UWB với W3 khác nhau; (b) Dưới L1 khác nhau. Hình 6 (a) chỉ ra mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất với các giá trị khác nhau của W3 . Chúng ta thấy rằng tần số trung tâm của băng thông chữ V thay đổi tăng lên từ 5.0 GHz tới 5.3 GHz, 5.6 GHz khi W3 dao động từ 4.0 mm xuống 3.6 mm, 3.1 mm tương ứng. Hình 6 (b) cho thấy mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc trong trường hợp L1 có độ dài khác nhau. Dải thông của băng thông chữ V tăng lên khi L1 tăng. Hình 7. Nguyên mẫu thiết kế trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 của bộ lọc băng thông siêu rộng. Bằng thiết kế này một bộ lọc UWB nhỏ gọn với băng thông chữ V điều chỉnh đã được thực hiện (hình 7). Sau khi tối ưu hóa bằng Ansoft HFSS 15.0 các thông số thiết kế được chọn là W1 = 1.4mm, W2 = 0.8mm, W3 = 3.3mm, L1 = 1.7mm, L2 = 0.5mm, L3 = 3.4mm, L= 5.7mm, và đường kính lỗ khuyên là 0.7mm. Một nguyên mẫu của bộ lọc UWB được đề xuất với băng thông chữ V được thiết kế và chế tạo trên một chất nền với r = 4.4 và h = 0.8 mm. Ảnh nguyên mẫu được thể hiện trong Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 59 hình 8, kích thước của bộ lọc khoảng 7 mm * 6.5 mm(0.27λg * 0.36λg ;λg là bước sóng dẫn của đường truyền vi dải 50Ω tại 6.85 GHz) cho thấy thiết kế khá nhỏ gọn. Hình 8. Ảnh của bộ lọc UWB với băng thông chữ V được chế tạo. Hình 9. Mô phỏng và đo đáp ứng của bộ lọc. Các thông số S được đo và trễ nhóm được minh họa trong hình 7(b). Băng thông của bộ lọc là 119% (2.5 - 11.0 GHz), trong khi tổn hao chèn đo được với bộ lọc nhỏ hơn 0.8 dB, và tổn hao phản hồi là lớn hơn 15 dB, trễ nhóm nhỏ hơn 0.35 ns trong toàn bộ băng thông. Tổn hao chèn trong băng thông chữ V lớn hơn 20 dB và băng thông tại -3 dB là 4.6% tại 5.2 GHz hoàn toàn phù hợp với các tham số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc siêu cao tần quy định. Kết quả của bài báo được so sánh với một số công trình được công bố gần đây trên bộ lọc UWB băng thông chữ V trình bày trong bảng 1 dưới đây: Bảng 1. So sánh bộ lọc được thiết kế với các bộ lọc UWB băng thông chữ V được công bố. Công trình r/chiều cao (mm) Kích thước (mm) Tần số chữ V/tổn hao (dB) Dải thông (GHz) [5] 2.2/1.0 31 mm × 20 mm 3.6/5.9/8.0/ > 10 3.1–10.6 [6] 2.65/1.0 30 mm × 16 mm 5.3/7.8/ > 20 2.8–11 [7] 2.55/0.8 22.5 mm × 13.7 mm 5.5/ > 10 3.1–10.6 [8] 3.38/0.508 20 mm × 15 mm 6/ > 20 ( băng thông chữ V từ 5.8–6.2) 3.6–10.1 Bài báo 4.4/0.8 7 mm × 6.5 mm 5.2/5.3/5.6/>20 2.5 - 11.0 IV. KẾT LUẬN Một bộ lọc UWB băng thông chữ V băng thông siêu rộng được thiết kế bằng cách sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm ngắn mạch, với đoạn hở mạch trở kháng cao có các phần mở rộng và thu hẹp được đặt trên mặt phẳng đối xứng đã được trình bày. Phân đoạn băng thông của bộ lọc siêu rộng có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh tỷ lệ trở kháng của đoạn hở mạch trở kháng cao, và chiều dài của đoạn ngắn mạch. Kết quả mô phỏng và đo đạc đã cho thấy tổn hao do chèn thấp, độ trễ nhóm phẳng và độ chặn ngoài dải cao, cho thấy tính khoa học của thiết kế được đề xuất, phù hợp với phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Bộ lọc được thiết kế hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng không dây dải rộng và siêu rộng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Federal Communications Commission. “Revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra-wideband transmission systems”. FCC ET-Docket, April. 2002. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông chữ thập vòng vuông.” 60 [2]. Aiello G. R and Rogerson G. D. “Ultra-wideband wireless system”. IEEE Microw. Mag., vol. 4, no. 2, pp. 36–47, Jun. 2003. [3]. Luo S, and Zhu L. “A novel dual-mode dual-band bandpass filter based on a single ring resonator”. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol.19, no. 8, pp. 497–499, Aug. 2009. [4]. Shaman H and Hong J.-S. “A novel ultra-wideband bandpass filter with pairs of transmission zeroes”. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 17, no. 2, pp. 121– 123, Feb. 2007. [5]. Wei, F., Z. D. Wang, F. Yang, and X. W. Shi, “Compact UWB BPF with triple- notched bands based on stub loaded resonator”, IEEE Electronics Letters, Vol. 49, No. 2, 124–126, January 2013. [6]. Song, Y., G. M. Yang, and G. Wen, “Compact UWB bandpass filter with dual notched bands using defected ground structures”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 24, No. 4, 230–232, April 2014. [7]. Zhu, H. and Q. X. Chu, “Ultra-wideband bandpass filter with a notch-band using stub-loaded ring resonator”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 23, No. 7, 341–343, July 2013. [8]. Shan, Q., C. Chen, and W. Wu, “Design of an UWB bandpass filter with a notched band using asymmetric loading stubs”, IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Vol. 2, 5–8, June 2016. [9]. Kim C. H, and Chang K. “Ring resonator bandpass filter with switchable bandwidth using steppedimpedance stubs”. IEEE Trans. Microw.Theory Tech., vol 58, no 12, pp. 3936-3944. Dec. 2010. ABSTRACT DESIGN OF UWB FILTER WITH V-BAND USING SQUARE CROSS STUB LOADED RESONATOR The article, introduces a new design method for UWB filter based on the broadband filter using square cross stub loaded resonace. The square cross stub loaded resonator structure is combined short circuit square cross stub load resonator with the open stub loaded resonator to obtain a highly selective Ultra Wide Band filter. The position of the desired bandwith can be changed independently corrected by varying the length of a microstrip line, respectively . A Ultra wide Band microwave filte has been designed and tested. The experiment measurement results are asymptotic to the simulation results. The designed filter has the advantages of simple process in selecting individual bandwith, improving selectivity. Keywords: Filter; Transmission lines; Stub-loaded; Ultra wide Band. Nhận bài ngày 03 tháng 5 năm 2018 Hoàn thiện ngày 08 tháng 6 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018 Địa chỉ: 1 Trường Cao đẳng Phát thanh truyền hình I - Phủ Lý, Hà Nam; 2 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email: uyenvov@gmail.com.