Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
BỘ LỌC BỐN BĂNG THÔNG MẠCH DẢI KÍCH THƯỚC NHỎ
SỬ DỤNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CHỮ THẬP BIẾN ĐỔI
KẾT HỢP VỚI CỘNG HƯỞNG ½ BƯỚC SÓNG
Nguyễn Trần Quang1*, Bùi Ngọc Mỹ2
Tóm tắt: Bốn băng thông được thiết kế điều khiển để hoạt động tại 2,4/3,5/5,0
5,4GHz, phù hợp với dải tần số cho các ứng dụng WLAN WiMAX. Bộ lọc siêu
cao tần bốn băng thông với kích thước nhỏ được trình bày trong bài báo này sử
dụng cấu trúc cộng hưởng cộng hưởng chữ thập biến đổi kết hợp với cộng hưởng ½
bước sóng. Khi tần số trung tâm của băng thông thứ hai đã được cố định, các tần số
trung tâm của băng thông thứ nhất, thứ ba thứ thể được điều khiển thuận
tiện bằng việc điều chỉnh các kích thước của các cấu trúc cộng hưởng. Ngoài ra,
bằng việc sử dụng cấu trúc ghép nghiêng đối xứng 00, những điểm 0 sát với biên
của các băng thông đã được tạo ra để đạt được chất lượng chọn lọc cao.
Từ khóa: Bộ lọc, Siêu cao tần, Cộng hưởng, Mạch dải.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của thông tin vô tuyến thế hệ mới với
nhiều các ứng dụng, nhu cầu sử dụng bộ lọc dải thông có nhiều băng tần khác nhau
ngày càng trở nên quan trọng. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên
cứu, đề xuất về các bộ lọc siêu cao tần có nhiều băng thông. Một yêu cầu hết sức quan
trọng trong thiết kế bộ lọc có nhiều băng thông là việc lựa chọn và điều chỉnh các tần
số cộng hưởng của các băng thông là đơn giản và độc lập. Trong bài báo này, nhóm
tác giả đề xuất về một bộ lọc siêu cao tần bốn băng thông sử dụng một cấu trúc cộng
hưởng mới trên mạch dải. Cấu trúc cộng hưởng được đề xuất là sự kết hợp của hai cấu
trúc cộng hưởng cơ bản: cấu trúc chữ thập biến đổi và cấu trúc ½ bước sóng. Cấu trúc
cộng hưởng mới được đề xuất đã tạo ra bốn băng thông hoạt động độc lập tại các tần
số trung tâm 2,4/3,5/5,0 và 5,4GHz, cho các ứng dụng sử dụng công nghệ WLAN và
WiMAX. Ưu điểm nổi bật của bộ lọc đề xuất là việc điều chỉnh, lựa chọn các tần số
cộng hưởng trung tâm của bốn băng thông là đơn giản và hoàn toàn độc lập.
2. THIẾT KẾ BỘ LỌC BỐN BĂNG THÔNG VỚI CẤU TRÚC CỘNG
HƯỞNG MỚI KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘC LẬP CÁC TẦN SỐ
CỘNG HƯỞNG
Hiện nay, mạch dải được sử dụng phổ biến để thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu
cao tần nhiều băng thông do đơn giản, thuận tiện trong tính toán, thiết kế các dải
tần số hoạt động. Mạch dải có cấu trúc chữ thập là một dạng cộng hưởng cơ bản
được sử dụng trong thiết kế các bộ lọc siêu cao tần [1]. Cộng hưởng cấu trúc chữ
thập trình bày trong hình 1a là dạng kết hợp giữa đoạn trục chính với một đoạn
chêm hở mạch và một đoạn chêm ngắn mạch ở điểm chính giữa. Đây là cấu trúc
đối xứng qua trục 0-0’, ta có thể sử dụng phương pháp chế độ chẵn, lẻ để phân
tích, tính toán các tần cố cộng hưởng [2], [3].
Trong hình 1, L1 Z1 là độ dài và trở kháng của một nửa đường truyền đoạn
mạch chính, L2 Z2 là độ dài và trở kháng của đoạn chêm ngắn mạch, L3 Z3
độ dài và trở kháng của đoạn chêm hở mạch.
76
N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải… cộng hưởng ½ bước sóng.
1
Z = Z
L
c
1
c
1
Nghiên cứu khoa học công nghệ
0
L2
Z1
Z2
Zin,o
Z1
L1/2
b
Zin,e
L2
Z1
L1/2
c L3
2Z2
2Z3
L1
Z3
L3
Zin,e1
L2
Z1
2Z2
Zin,e2
Z1
0’
a
L1/2
d
L /2
eL3
2Z3
Hình 1. Phân tích chế độ chẵn, lẻ cấu trúc cộng hưởng chữ thập bản.
(a) Cấu trúc cộng hưởng chữ thập bản, (b) Chế độ lẻ, (c) Chế độ chẵn.
(d) Chế độ chẵn nhánh 1, (e) Chế độ chẵn nhánh 2.
Tín hiệu siêu cao tần truyền qua mạch dải sẽ phụ thuộc vào đặc tính vật lý của
đoạn mạch, điện áp trên đường truyền sẽ phụ thuộc vào vị trí của điểm tiếp xúc.
Theo [4], trở kháng vào Zin của đoạn mạch dải được tính bằng:
ZL + jZ0 tanl
in 0 Z0 + jZL tanl
(1)
Với Z0 là trở kháng của từng đoạn mạch, thay tải
ZL = 0
với các đoạn ngắn
mạch, và ZL = với các đoạn hở mạch vào công thức (1) ta tính được Zin của các
chế độ chẵn, lẻ. Trường hợp cộng hưởng xảy ra khi
Zin = , các tần số cộng
hưởng tại các chế độ với trường hợp riêng Z1 = 2Z2 = 2Z3 được tính bằng [5]:
fo = 2 1 ceff
(2)
fe1 = 2(L + 2L2)
eff
(3)
fe2 = (L + 2L3 )
eff
(4)
Với c=3.108 m/s là vận tốc ánh sáng, εeff là hằng số điện môi hiệu dụng.
Như vậy, mạch dải dạng cấu trúc cộng hưởng chữ thập có ba tần số cộng hưởng
cơ bản. Trước đây, khi nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần ba băng thông sử dụng
mạch dải có cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi tương đương, nhóm tác giả đã
có công trình được công bố trên Tạp chí Hội thảo về công nghệ viễn thông quốc tế
ATC 2013, trang 492-495, [6]. Hình 2 là cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi
với đoạn chêm hở mạch L3 trong cấu trúc chữ thập cơ bản được thay thành vòng
vuông có độ dài gấp đôi.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017
77
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
0
Z2 L2
0
Z1 L1/2
Z3 L3
Z2 L2
Z3 L3
Z1 L1
0’(a)
0’(b)
Hình 2. Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi tương đương.
(a) Biến đổi đoạn chêm hở mạch L3 thành vòng vuông; (b) Vòng vuông được
xoay lên trên để giảm diện tích.
Cấu trúc cộng hưởng kết hợp giữa cộng hưởng chữ thập biến đổi và cộng hưởng
½ bước sóng được trình bày trong hình 3. Tần số cộng hưởng thứ tư của bộ lọc
được tạo ra hoàn toàn độc lập, được tạo ra từ cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng.
Giá trị của fλ/2 chỉ phụ thuộc vào độ dài đường truyền.
f / 2 = c
g eff
với L=nλg/2
n=1,2,...
(5)
0-0’
L3
L2
L1
In
Out
L=nλg/2
Hình 3. Cấu trúc cộng hưởng kết hợp chữ thập biến đổi tương đương
½ bước sóng.
Cấu trúc kết hợp với cộng hưởng ½ bước sóng cũng đã được nhóm tác giả sử dụng
trong thiết kế đề xuất bộ lọc siêu cao tần ba băng thông công bố trên Tạp chí Hội thảo
quốc tế Việt Nam-Nhật bản về ăng-ten và truyền sóng 2014, trang 257-260, [7].
Từ công thức (2), ngoài việc phụ thuộc vào hằng số điện môi hiệu dụng εeff, tần
số cộng hưởng fo chỉ phụ thuộc vào độ dài đoạn mạch chính của cấu trúc cộng
hưởng chữ thập biến đổi L1. Từ công thức (3) và (4), tần số cộng hưởng chế độ
chẵn fe1 fe2 ngoài phụ thuộc vào L1, thì chỉ phụ thuộc vào độ dài của một đoạn
mạch chêm L2 L3. Theo công thức (5), tần số cộng hưởng fλ/2 chỉ phụ thuộc vào
độ dài của đoạn mạch cộng hưởng ½ bước sóng. Với L2>0 ta có fe1o và với
L1/2>L3 thì foe2. Như vậy với L2>0 và lựa chọn L1/2>L3 ta có fe1oe2. Tần số
78
N. T. Quang, B. N. Mỹ, “Bộ lọc bốn băng thông mạch dải… cộng hưởng ½ bước sóng.