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

Lần Ngày Nội dung

Nhận xét (cho

phép/ không

cho phép, thông

qua đợt sau)

Chữ ký

GVHD

1Nhận đề tài đồ án, hướng

dẫn xây dựng đề cương

2 Thông qua đề cương đồ án

3Thông qua thuyết minh đồ

án lần 1

4Thông qua thuyết minh đồ

án lần 2

5Thông qua bản vẽ và kết

quả mô phỏng

Nhận xét chung:

……………………………………………………………………….................

……………………………………………………………………………………

……..

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………

2

MỤC LỤC

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

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)

9

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.

10

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.

11

(1)

R1+R2=RT

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.

12

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.

13

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

14

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

Hình 2.3 Bộ lọc thông thấp DGS trên HFSS

15

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

16

Hình 2.5 Tần số làm việc và tần số cắt khi thay đổi a,b

Hình 2.6 Tần số làm việc và tần số cắt giảm thuyến tính khi tăng a,b

17

4 6 8 10 12-50

-40

-30

-20

-10

0M

ag

nit

ud

e (

dB

)

Frequency (GHz)

a=b=1.5mm-s11 a=b=2.5mm-s11 a=b=3.0mm-s11 a=b=4.6mm-s11 -50

-40

-30

-20

-10

0

a=b=1.5mm-s21 a=b=2.5mm-s21 a=b=3.0mm-s21 a=b=4.6mm-s21

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)

18

Hình 2.8 Tần số làm việc và tần số cắt tăng thuyến tính khi tăng bề rộng khe (g)

19

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 !

20

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.

21

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

22