KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN VIỄN THÔNG
Đề tài: Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS
Sinh viên thực hiện : Lê Văn Hoài Lớp : 50K 1 ĐTVT MSSV
: 0951083543
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa
NGHỆ AN – 05/2013
BẢNG THÔNG QUA ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên : Lê Văn Hoài Lớp : 50 K1-ĐTVT Mssv : 0951083543 Tên đề tài : Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS Nhận xét (cho Lần
Ngày
Nội dung
phép/ không
Chữ ký
cho phép, thông GVHD qua đợt sau)
1 2 3 4 5
Nhận đề tài đồ án, hướng dẫn xây dựng đề cương Thông qua đề cương đồ án Thông qua thuyết minh đồ án lần 1 Thông qua thuyết minh đồ án lần 2 Thông qua bản vẽ và kết quả mô phỏng
Nhận xét chung: ………………………………………………………………………................. …………………………………………………………………………………… …….. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… MỤC LỤC 2
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................4 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................5 1.1 Bộ lọc ................................................................................5 1.2 Các đặc tính của bộ lọc.....................................................5 1.3 Các loại bộ lọc ..................................................................5 1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter)................6 1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter)................6 1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter)................7 1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter)..................7 1.4 Cấu trúc DGS.....................................................................8 1.4.1 Khái niệm................................................................8 1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của DGS.....................................8 1.5 Bộ lọc thông thấp DGS ............................................9 CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS BẰNG PHẦN MỀM HFSS ..........................................................................................13 2.1 Chọn cấu trúc DGS..........................................................13 2.2 Mạch tương đương của DGS ..........................................13 2.3 Các bước mô phỏng bộ lọc thông thấp DGS................... 14 2.4 Kết qủa mô phỏng ...........................................................15 2.4.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn lên tần số làm việc và tần số cắt của bộ loc............................................................................ 15 2.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) lên tần số làm việc và tần số cắt của bộ loc.............................................................................17 KẾT LUẬN ................................................................................19 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................... 20 PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 ........................21
3
LỜI MỞ ĐẦU Trên thế giới, việc nghiên cứu về bộ lọc đã thu về rất nhiều kết quả. Có khá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế các bộ lọc thông thấp. Tuy nhiên, trong nước ta hiện nay vẫn còn khá ít nghiên cứu thực tế về việc thiết kế và chế tạo mạch lọc. Bằng chứng là tất cả các tài liệu chúng tôi tham khảo đều là tài liệu tiếng anh của các nhà khoa học nước ngoài. Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghê 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. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông 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 , chẳng hạn như các phần mềm thiết kế và mô phỏng trường điện từ (HFSS) đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích thiết kế mạch cao tần.
4
CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Bộ lọc Về cơ bản, một bộ lọc điện là một mạch mà có thể được thiết kế để thay đổi, làm biến dạng hoặc từ chối tất cả các tần số không mong muốn của một tín hiệu điện và chấp nhận hoặc chỉ cho vượt qua những tín hiệu mong muốn bởi các nhà thiết kế mạch. Nói cách khác bộ lọc “lọc ra” tín hiệu không mong muốn 1.2 Các đặc tính của bộ lọc
Đáp ứng tần số Tần số cắt Điểm cực Dải thông Dải chắn
1.3 Các loại bộ lọc Bộ lọc có thể được chia thành hai loại riêng biệt: bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động. Bộ lọc tích cực có các thiết bị khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu trong khi bộ lọc thụ động không chứa các thiết bị khuếch đại để tăng cường tín hiệu. Vì có hai thành phần thụ động trong một thiết kế bộ lọc thụ động các tín hiệu đầu ra có biên độ nhỏ hơn so với tín hiệu đầu vào tương ứng của nó, do đó bộ lọc thụ động RC làm giảm bớt các tín hiệu và có mức tăng ít hơn một.
5
1.3.1 Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng
Hình 1.1 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp lý tưởng 1.3.2 Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng
6
Hình 1.2 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao lý tưởng
7
1.3.3 Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng được định nghĩa như sau:
Hình 1.3 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải lý tưởng 1.3.4 Bộ lọc chắn dải BSF (Band Stop Filter) Đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng được dịnh nghĩa như sau:
8
Hình 1.4 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc chắn dải lý tưởng 1.4 Cấu trúc DGS 1.4.1 Khái niệm là một cấu trúc được hình thành từ những hình dạng bất kỳ khắc trên một mặt phẳng đế kim loại. Là cấu trúc được cải tiến từ cấu trúc PBG, hình dạng được khắc trên mặt phẳng đế có thể có chu kỳ hoặc không có chu kỳ, Với cấu trúc DGS người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi điều chỉnh mạch tương đương (LC).
Hình 1.5 Hình dạng mặt phẳng đế DGS Cấu trúc DGS được sử dụng để thiết kế bộ cộng hưởng, bộ lọc, bộ chia/ghép, bộ tạo dao động hay anten. 1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của DGS Các đặc tính cơ bản của DGS là một khe (g) cộng hưởng hay vùng ăn mòn (a,b) trên mặt phẳng đế, đặt trực tiếp dưới một cấp nguồn và khớp nối. Dễ dàng thay đồi giá trị điện dung (C) cảm kháng (L) thông qua việc thay đổi diện tích vùng ăn mòn, hoặc bề rộng khe hình 5 là một số cấu trúc DGS có thể sử dụng. Mỗi cấu trúc khác nhau thì có sơ đồ tương đương tỷ lệ L-C khác nhau, khả năng phối hợp, khả năng đáp ứng và các thông số về điện khác nhau. Mỗi người thiết kế sẽ chọn cấu trúc phù hợp nhất cho các ứng dụng cụ thể. Cấu trúc DGS không chỉ có thể tăng đáng kể các đặc tính trở kháng của đường cấp nguồn mà còn cải thiện hiệu suất chắn dải bằng cách loại trừ dải 9
tần cao hơn và cho phép thông dải. kết quả cho thấy nó bộ lọc với cấu trúc DGS thì nhỏ hơn và hiệu quả hơn các bộ lọc vi dải thông thường. Các thông số thiết kế cơ bản của một cấu trúc DGS (a,b,w và g)
10
Hình 1.6 Đế DGS và Hệ số phản xạ và truyền đạt của bộ lọc thông thấp 1.5 Bộ lọc thông thấp DGS LPF là một phần không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống mạch. trong thiết kế truyền thống, một bộ lọc thông thấp thường được thực hiện bằng cách sử dụng bước trở kháng. Tuy nhiên, các bộ lọc sơ khai (stub-line) chiếm diện tích lớn và các bộ lọc bậc trở kháng cung cấp tần số cắt kém và không sắc nét. Hơn nữa, có tồn tại ngoài đời dải phổ giả cho cả hai loại của các bộ lọc. Photonic band-gap (PBG) nhỏ gọn một cực và cấu trúc DGS đã được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng của họ trong sóng ngắn và khu vực sóng milimet. các cấu trúc có một chắn dải rộng và kích thước nhỏ. Cũng có. đã có báo cáo rằng các cấu trúc này được tích hợp với một bộ lọc thông thấp để tăng sự suy giảm tối đa và để ngăn chặn các tần số không mong muốn. Tuy nhiên, rất khó để tìm thấy các mạch tương đương và tham số của một mạch PBG. có quá nhiều thông số thiết kế. mà ảnh hưởng đến tính chất bề rộng băng, chẳng hạn như số lượng các hình dạng lưới, khoảng cách, và khối lượng phần.
11
Một Bộ lọc thông thấp hoặc LPF thụ động RC đơn giản, có thể dễ dàng thực hiện bằng cách kết nối với nhau trong một loạt điện trở duy nhất với một tụ điện duy nhất như hình dưới đây. Trong loại hình này sắp xếp bộ lọc tín hiệu đầu vào (Vin) được áp dụng cho các kết hợp hàng loạt (cả hai điện trở và tụ điện với nhau) nhưng tín hiệu đầu ra (Vout) được thực hiện chỉ trên tụ điện. Đây là loại bộ lọc thường được biết đến như một " bộ lọc - đầu tiên "hoặc" lọc một cực", tại sao lệnh đầu tiên hoặc đơn cực?, Bởi vì nó chỉ có "một" thành phần phản ứng, các tụ điện, trong các mạch. Bộ lọc thông thấp RC
Hình 1.7 RC bộ lọc thông thấp Như đã đề cập trong các hướng dẫn, các điện kháng của một tụ điện thay đổi nghịch với tần số, trong khi giá trị của điện trở vẫn không đổi như thay đổi tần số. Ở tần số thấp điện kháng điện dung (XC) của tụ điện sẽ rất lớn so với giá trị điện trở của điện trở, R và kết quả là điện áp trên tụ điện, Vc cũng sẽ lớn trong khi giảm điện áp trên các điện trở, VR sẽ thấp hơn nhiều. Ở tần số cao ngược lại là đúng với Vc là nhỏ và VR là lớn. Trong khi các mạch trên là của một RC Bộ lọc thông thấp mạch, nó cũng có thể được phân loại như là một tần số biến mạch chia tiềm năng tương tự như chúng ta nhìn vào trong điện trở hướng dẫn. Trong hướng dẫn mà chúng ta sử dụng phương trình sau đây để tính toán điện áp đầu ra cho hai điện trở duy nhất nối tiếp.
12
(1) R 1+R 2=R T Cũng biết rằng các kháng điện dung của một tụ điện trong một mạch AC được cho là:
Đối lập với dòng điện trong một mạch AC được gọi là trở kháng , biểu tượng Z và cho một mạch loạt bao gồm một điện trở duy nhất trong series với một tụ điện duy nhất, trở kháng được tính như sau:
Sau đó, bằng cách thay thế phương trình cho trở kháng ở trên vào phương trình (1).
Vì vậy, bằng cách sử dụng phương trình hai điện trở trong loạt và thay thế cho trở kháng, có thể tính toán điện áp đầu ra của một bộ lọc RC cho bất kỳ tần số nhất định.
13
Hình 1.8 Đáp ứng tần số của một bộ lọc thông thấp Đáp ứng tần số của bộ lọc để được gần như bằng phẳng cho tần số thấp và tất cả các tín hiệu đầu vào được truyền trực tiếp, dẫn đến mức tăng gần 1, được gọi là thống nhất, cho đến khi nó đạt đến tần số (ƒc) điểm Cut-off của nó. Điều này là do điện kháng của tụ điện là cao ở tần số thấp và ngăn chặn bất kỳ dòng điện thông qua các tụ điện. Sau thời điểm tần số cắt này phản ứng của mạch giảm cho độ dốc -20dB/ Octave hoặc (-6dB/Octave) "roll-off" như tín hiệu trên tần số này trở nên rất yếu đi, cho đến khi ở tần số rất cao các kháng của các tụ điện trở nên quá thấp mà nó mang lại hiệu quả của một tình trạng ngắn mạch trên các thiết bị đầu cuối kết quả đầu ra trong không ra. Đối với các mạch lọc thông thấp, tất cả các tàn số cắt dưới điểm fc thì ít thay đổi hoặc không có sự suy giảm và được coi là băng thông của bộ lọc. Các tần số tín hiệu trên điểm này điểm cắt thường được cho là trong các bộ lọc Dừng băng khu vực và suy giảm rất nhiều.
14
CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG THẤP DGS BẰNG PHẦN MỀM HFSS 2.1 Chọn cấu trúc DGS Trong đề tài nghiên cứu, chúng tôi tập trung nghiên cứu về bộ lọc thông thấp DGS có cấu trúc đơn giản là vùng ăn mòn (a,b) có kích thước là hình vuông và khe (g) nằm ở chính giữa và bề rộng (w) là 1.2 mm.
Hình 2.1Cấu trúc DGS có miền ăn miền a=b và khe (g) chính giữa 2.2 Mạch tương đương của DGS
Hình 2.2 Sơ đồ tương đương của bộ lọc thông thấp DGS
15
Phần nét đứt chính là phần tương đương của vùng DGS. Đây sẽ là một bộ lọc thông thấp một điểm cực có cấu trúc đơn giản gồm một cuộn cảm (L) mắc song song với một tụ (C).
Đây là các công thức liên quan đến việc tính toán và xác định các giá trị của các phần tử trong mạch điện. 2.3 Các bước mô phỏng bộ lọc thông thấp DGS B1: Tạo dự án B2: Vẽ cấu trúc 3D
Vẽ mặt phẳng đế Vẽ lớp điện môi Vẽ đường cấp nguồn
B3: Vẽ vùng cấu trúc DGS
Thiết kế vùng ăn mòn Thiết kế khe gap Tiến hành ghép, cắt
B5: Tạo vùng bức xạ B6: Cấp nguồn B7: Cài đặt thông số quét B8: Chạy mô phỏng
16
Hình 2.3 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS 2.4 Kết quả mô phỏng 2.4.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn lên tần số làm việc và tần số cắt của bộ loc Để khảo sát sự ảnh hưởng của vùng ăn mòn đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc, ta tiến hành mô phỏng khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21) với cac giá trị a,b khác nhau. Tại mỗi giá trị của a,b ta thu được một đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số, trong hình 2.5 là một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá trị khác nhau của a,b. Từ hình 2.6 ta thấy, khi a=b tăng thì tần số cắt, tần số làm việc của bộ lọc sẽ giảm gần như là tuyến tính.
Hình 2.4 Cấu trúc DGS
17
0 0 -10 ) B d ( e -20 d u t i n -30 g a M -40
-10 -20 -30
a=b=1.5mm-s11 a=b=2.5mm-s11 a=b=3.0mm-s11 a=b=4.6mm-s11
a=b=1.5mm-s21 a=b=2.5mm-s21 a=b=3.0mm-s21 a=b=4.6mm-s21
-50 4
6
8
10
-40 -50
12
Frequency (GHz)
Hình 2.5 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi a,b 10 Pole Frequency cutoff
9
) z H 8 G ( y c n e u q e r F
7 6 5 4 1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
a=b (mm)
Hình 2.6 Tần số làm việc và tần số cắt giảm thuyến tính khi tăng a,b
18
2.4.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số cắt và tần số làm việc Để khảo sát sự ảnh hưởng của độ rộng khe (g) đến tần số làm việc và tần số cắt của bộ lọc, ta tiến hành mô phỏng khảo sát hệ số tổn hao (S11,S21) với cac giá trị g khác nhau. Tại mỗi giá trị của g ta thu được một đồ thị hệ số tổn hao phụ thuộc tần số, trong hình 2.7 là một số đồ thị hệ số tổn hao tại các giá trị khác nhau của g. Từ hình 2.8 ta thấy, khi g tăng thì tần số cắt, tần số làm việc của bộ lọc sẽ tăng gần như tuyến tính.
Hình 2.7 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi khe (g)
19
Hình 2.8 Tần số làm việc và tần số cắt tăng thuyến tính khi tăng bề rộng khe (g)
20
KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm tòi cũng như sư tận tình chỉ bảo của TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đồ án viễn thông đề tài “Thiết kế mô phỏng mạch lọc thông thấp DGS sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS” đã được hoàn thành. Qua việc nghiên cứu thì giúp em hiểu thêm nhiều kiến thức thực tế về mạch lọc mà việc học lý thuyết trên lớp không có được, ngoài ra nó còn giúp em sử dụng thành thạo phần mềm HFSS để phục vụ cho công việc nghiên cứu sau này. Mặc dù đã cố gắng hết sức vào việc thực hiện đồ án nhưng không thể không có những sai sót trong quá trình thực hiện em xin được nhận những lời góp ý và bổ sung cho bản đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn !
21
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Jason Yun, Peter Shin, “Design Applications of Defected Ground Structures”, Ansoft 2003. [2]. Filters with Defected Ground Structure (DGS), IEEE Trans. Mic. Theo. & Techni, 49, 86-93, 2001. [3]. “Design and Implementation of Filters with Defected Ground Structure (DGS) for Microwave Mixer Applications”, Ansoft 2003.
22
PHẦN MỀM THIẾT KẾ ANSOFT HFSS V11 •
Đầy đủ các tính năng 3D o Tích hợp mô phỏng o
Ảo hóa
o
Mô hình hóa 3D và tự động hó a
•
Quét các tham số và tối ưu
•
Dễ dàng cài đặt quét, tối ưu, nhạy, phân tích số liệu
•
Công nghệ quét tần số nhanh
23
