Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

1
mục lục

Lời nói đầu 3
Chơng I:
Những cơ sở lý thuyết chung về các
bộ lọc siêu cao tần 41.1. Tổng quan các bộ lọc siêu cao tần 4
1.1.1. Các bộ lọc với các phần tử phân bố 6
1.1.2. Các bộ lọc hốc cộng hởng 8
1.1.3. Các bộ lọc mạch dải 12
1.2. Quy trình thiết kế các bộ lọc SCT 15
1.2.1. Các bộ lọc tối u Chebyshev và Butterworth 15
1.2.2. Kỹ thuật ánh xạ trực tiếp 20
1.2.3. Một phơng pháp thiết kế chuẩn của Ozaka và Ishi 24
1.2.4.Một phơng pháp thiết kế gần đúng của Cobrn 25
1.2.5. Phơng pháp thiết kế gần đúng của matthai 30
1.3. Các ứng dụng của bộ lọc siêu cao tần 33
1.3.1. Các mạch tiền chọn lọc (chọn lọc đầu vào) 33
1.3.2. Các bộ lọc lF (bộ lọc trung tần) 33
1.3.3. Các bộ lọc đơn biên 33


Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

3

lời nói đầu

Ngày nay khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật vô tuyến điện tử nói
riêng phát triển mạnh mẽ. Các thiết bị vô tuyến làm việc ở dải sóng siêu cao tần
trong các lĩnh vực nh: thông tin sóng cực ngắn, thông tin tiếp sức, thông tin vệ
4
chơng I
những cơ sở lý thuyết chung về
các bộ lọc siêu cao tần
1.1. Tổng quan các bộ lọc siêu cao tần
Các bộ lọc là trung tâm của nhiều vấn đề thiết kế. Chúng đợc sử dụng để
tách và cộng nhiều tần số khác nhau nh trong các bộ lọc tần, bộ nhân tần hoặc
bộ thông tin dồn kênh (Multipllexer). Dải phổ sóng điện từ là hữu hạn và cần
đợc tiết kiệm các bộ lọc đợc sử dụng để hạn chế phát xạ từ những máy phát
công suất lớn trong vùng giới hạn phổ đã đợc quy định, ngoài ra bộ lọc còn
đợc sử dụng để bảo vệ máy thu tránh khỏi nhiễu ở bên ngoài lọt vào dải tần làm
việc.
Các mạch giống bộ lọc còn hay đợc gặp trong các mạch phối hợp trở
kháng, khi giữa hai đờng truyền có trở kháng đặc tính khác nhau hoặc giữa một
máy phát và một tải điện kháng. Nh vậy nhu cầu phải có bộ lọc ở tất cả các tần
số, từ tần số rất thấp đến tần số siêu cao tần và dải quang học.
Các bộ lọc siêu cao tần có thể phân chia theo chức năng (lọc dải thông,
chặn dải, lọc thông thấp, lọc thông cao, ), theo chế độ làm việc (phản hồi, hấp
thụ, ), theo cấu trúc vật lý ( đồng trục, ống sóng hình chữ nhật, làm trên đờng
dây đôi, ghép trực tiếp, ghép các phần tử bớc sóng, ghép /2, mạch dải, ), theo
ứng dụng (có thể điều hởng đợc, điều hởng cố định, ), theo tải (nối tải đơn,
tải kép, ), hoặc theo cách biểu diễn năng lợng (điện từ trờng,sóng spin, siêu
âm, ). Phần lớn các dạng bộ lọc trên đợc thống kê ở dới đây. Nhng cần lu ý
rằng việc ghép nhóm này theo một cách nào đó có thể là bất kỳ và không có giới
hạn để khảo sát bất kỳ sơ đồ phân chia nào.
Ngợc lại với các bộ lọc sóng đợc thiết kế bằng các phần tử tập trung nh
các cuộn cảm, các tụ và các tinh thể, các bộ lọc SCT về cơ bản hoàn toàn khác.
Nó không có các phần tử tập trung mà chỉ bao gồm các cuộn cảm kháng phân bố


Sơ đồ phân chia các bộ lọc siêu cao tần
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

6
1.1.1. Các bộ lọc với các phần tử phân bố.
Một đoạn đờng truyền có thể đợc sử dụng trong hệ thống nh một phần
tử bộ lọc. Tần số cộng hởng đợc xác định bằng trở kháng sóng và độ dài
đờng truyền. Đờng truyền có độ dài 3/4 bớc sóng tơng đơng với mạch
cộng hởng một phần t bớc sóng. Bằng cách tơng tự, một đờng truyền có độ
dài một phần hai bớc sóng tơng đơng với mạch cộng hởng cả bớc sóng.
Sóng điện trờng truyền trong đờng truyền bị suy giảm liên tục bởi các
phần tử tổn hao trong đờng truyền. Khi đờng truyền đợc sử dụng nh một
phần tử bộ lọc, nó có tác dụng nh bộ lọc dải thông. Trở kháng đặc tính của
đờng truyền phụ thuộc vào kích thớc của đờng truyền.


có thể có tính dung kháng, cảm kháng, cộng hởng nối tiếp hoặc song song phụ
thuộc vào mối quan hệ giữa độ dài đờng truyền và bớc sóng.
Một giải pháp kỹ thuật hay sử dụng nhất để thực hiện gần đúng đặc tính
của điện kháng tập trung ở các tần số SCT và UHF là việc sử dụng các đoạn
đờng truyền có độ dài ngắn và đợc ngắn mạch hoặc hở mạch đầu cuối. Đặc
trng của các mạch hai cửa đợc làm từ những đoạn đờng truyền đồng trục là
có hệ số phẩm chất tơng đối lớn ( 1000) và nh vậy chúng rất hay đợc sử
dụng cho các mạch UHF.
Một đoạn đờng truyền ngắn mạch đầu cuối làm việc giống nh một cảm
kháng và đoạn đờng truyền hở mạch đầu cuối thì có tính chất nh một dung
kháng tập trung với độ dài của nó nhỏ hơn nhiều so với 1/4 bớc sóng (xem hình
vẽ 1.1 giữa l = 0 và l = /4). Nó có thể đợc đặt song song với một đoạn dây
đồng trục dài hơn bằng cách nối chúng ở góc phải của một đoạn đờng truyền
dài hơn.
Các nhánh có thể đợc nối song song với một đờng truyền đồng trục
bằng đờng truyền lõm, mà nó có thể đợc đặt nối tiếp với các lõm ngoài hoặc
lõm trong của dây đồng trục. Việc nối tiếp có thể thực hiện đ
ợc trên ống dẫn
sóng mỏng bằng cách đặt các nhánh trên thành rộng của ống dẫn sóng hình chữ
nhật. Một nhánh nối tiếp với thành hẹp của ống sóng hình chữ nhật coi là đợc
nối song song với ống sóng chính. Nếu độ rộng của nhánh nhỏ so với bớc sóng
() thì nó chỉ có tác động ở một điểm đơn dọc trên đờng truyền và phản xạ từ
điểm đứt quãng (không liên tục) đó trở nên đáng kể. Khi đoạn đờng truyền nối
tiếp vào ống sóng có một trở kháng lớn cũng áp dụng tơng tự.
Bởi vì các nhánh nối tiếp không thuận tiện khi sử dụng trong đờng truyền
mạch dải, nên phải áp dụng kỹ thuật nối khác để thực hiện các phần tử tập trung
nối tiếp trong các đờng truyền dạng này.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

0
).
k
12
k
23
k
n-1,n vào ra
1 2 3 n-1 n
Hình 1.2: Cấu trúc bộ lọc kiểu hốc cộng hởng ghép cơ bản Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

9



10 Hình 1.4: Mạch cộng hởng của bộ lọc xoắn cấu hình 1/4 bớc sóng.
Hệ số phẩm chất trong dải VHF có độ lớn bằng 1000, các mạch cộng
hởng xoắn hay đợc sử dụng nhất trong dải tần từ 20 đến 500MHZ, ở dải tần
này trên thực tế hay sử dụng các phần tử tập trung và các mạch cộng hởng tinh
thể nhng các hốc cộng hởng đồng trục quá lớn. Các bộ lọc xoắn có thể đợc
sử dụng tốt cho các bộ lọc dải hẹp và dải rộng, lên tới 20% tần số trung tâm và
thậm trí có thể đợc sử dụng ở tần số cao hơn. Khi cả hai loại: Xoắn và hốc cộng
hởng đều đợc làm từ vật liệu dẫn nh đồng, đồng vàng hoặc nhôm thì hệ số
phẩm chất Q có độ lớn khoảng vài trăm và 1000. Mỗi kích thớc của dây xoắn
và hốc cộng hởng đều liên quan toán học với tất cả các kích thớc khác của
mạch cộng hởng.

hởng: tần số trung tâm, hệ số phẩm chất Q và trở kháng đặc tính. Nói chung,
đối với mỗi mốt cộng hởng các tham số này có giá trị khác nhau.
1.1.3. Các bộ lọc mạch dải
Các bộ lọc dải thông gồm các mạch cộng hởng ghép nhiều lớp trên mạch
dải đợc làm từ các dải có độ dài 1/2 bớc sóng ghép đầu cuối đến đầu cuối hoặc
ghép song song nh thấy ở hình vẽ 1.6.
Cách ghép song song có u điểm lớn hơn cách ghép đầu cuối bởi vì nó
làm suy giảm chiều dài của bộ lọc và có đáp tuyến suy giảm trong dải theo hàm
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

12
số có dạng đối xứng. Hài đầu tiên có ở 3
0
và khoảng cách khe giữa hai dải ghép
song song cạnh nhau là lớn hơn nhiều. Do vậy sai số kích thớc khe ghép cũng
giảm đi, khe ghép lớn hơn cũng cho phép mức công suất lớn hơn đi qua bộ lọc.

Trong đó:
h: độ dày của chất điện môi
S
i,i+1
: khoảng cách giữa hai đoạn dây dẫn thứ i và i + 1.
W
i
: độ rộng của dải thứ i
l: độ dài của các dải dẫn sóng
t: độ dày của kim loại
Nếu không có dung kháng tải trong bộ lọc thì chiều dài của mỗi thanh là
/4. Tác dụng ghép điện, từ trờng trong ống sóng sẽ triệt tiêu lẫn nhau và cấu
trúc răng lợc trở lên một cấu trúc tất cả đều đặn. Thờng thì đòi hỏi làm dung
kháng tải trong bộ lọc này lớn sao cho thanh cộng hởng có độ dài nhỏ hơn 1/8
bớc sóng, kết quả bộ lọc sẽ có kích thớc nhỏ, cho phép độ ghép đáng kể giữa
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

14
các thanh cộng hởng. Trong kiểu bộ lọc này luôn luôn xuất hiện đáp tuyến dải
thông hài thứ hai. Khi chiều dài thực tế các thanh chỉ bằng 1/8 bớc sóng ở tần
số cơ bản, dải thông thứ hai sẽ nằm ở trên 4f
0
một chút. Các cấu trúc răng lợc
đợc ứng dụng rất nhiều và rộng rãi ở trong kỹ thuật SCT. Suy giảm của nó ở dải
thông đầu tiên phụ thuộc và độ dài các thanh cộng hởng. Suy giảm đi qua bộ
15
- Trên mạch dải có các mạch cộng hởng đợc ghép song song với nhau
hoặc dới dạng các bộ lọc răng lợc (com.line) hoặc cài răng lợc
(Interdigital).
- Trên ống sóng chữ nhật dùng cửa sổ điện cảm và giữa chúng là các
đoạn nửa bớc sóng.
- Trên ống sóng đồng trục với lõi trong đợc thay đổi kích thớc (dạng
đĩa).
1.2.1. Các bộ lọc tối u Chebyshev và Butterworth
Horton và Wenzel đã tìm ra các hàm truyền Chebyshev và Butterworth
tổng quát cho các bộ lọc đờng truyền không tổn hao. Các bộ lọc kiểu này bao
gồm các bộ biến đổi lý tởng, các cuộn cảm và các tụ nối tiếp và các phần tử đơn
vị. Hãy gọi S
11
, S
22
, S
21
, S
12
là các tham số tán xạ phức của bộ lọc hai cửa, nh
vậy hàm truyền Chebyshev tổng quát sẽ là [3]:
() () () ()
[]
2
2
21
1



Zc
Zn
ZU
m
1
1
coshsinh
cossin

Đối với Z 1
Đối với Z > 1
Dạng thứ hai của hàm Chebyshev cha đợc chuyển hoá:
()
()
()





=


Zshm
Zsm
ZT
m
1











=
2
1
22
1
2
s
p
c
w
hay
w



Trong đó: W
p
: Độ rộng dải thông
W
s


Đối với bộ lọc dải thông:

)6.1(
cot
cot
)5.1(
1
1
2
2
CC
C
C
g
g
w
w
x
w
w
w
w
Y


==


=

tổ hợp nào của m và n thoả mãn k = n + m đều cho đáp tuyến có tính chất dải
thông hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên khả năng lọc, trở kháng vào và pha
truyền đạt khác nhau tuỳ thuộc vào cách chọn m và n. Để làm rõ hơn sự phụ
thuộc của khả năng lọc vào n và m hãy quan sát bộ lọc dải Chebyshev với m và n
đợc cho phép biến đổi nhng tổng của chúng là không đổi và bằng k.
Suy giảm dải chặn sẽ là:

)coshcosh(cosh1
1
112
2
21
ynxm
S
p

++=

, (1.7)
Trong đó: x,y đợc cho bởi (1.4), (1.5).
Và có thể viết lại nh sau:
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

18


(1.9)

Bởi vì m + n = k tơng đơng với m = k (1 x)n. Khảo sát (1.9)
cho thấy rằng giảm đơn điệu khi v tăng và nó luôn luôn nhỏ hơn 1. Nh vậy
m luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng m. Nó cho ta thấy rằng đối với một bộ lọc có số
bậc cho trớc thì khả năng chọn lọc sẽ cực đại khi m cực đại và khi số phần tử
dạng LC là cực đại.
Đó không phải là kết quả bất ngờ vì số phần tử dạng LC tạo ra các điểm
không của đờng truyền trên trục thực tần số nơi mà các phần tử đơn vị tạo ra
các điểm không của đờng truyền ở S = 1.
Tuy nhiên khảo sát kỹ hơn hàm cho thấy nó gần bằng 1 ở vùng tần số
cắt đối với độ rộng dải thay đổi nhỏ. Điều này đợc thấy rõ ở hình (1.9) ở đó
đợc vẽ theo hàm của tần số đã đợc chuẩn hoá v/v
c
với tham số độ rộng dải nhỏ
và. Nh vậy đối với các bộ lọc dải thông có độ rộng hẹp của các phần tử đơn vị
và các phần tử kiểu LC thêm vào gần bằng tới độ chọn lọc trên phần thêm vào
của dải tần.
Đồ thị ở phần 1.9 có thể đợc sử dụng cùng với giản đồ của Kawakami để
xác định độ suy giảm ở bất kỳ tần số nào hoặc ngợc lại để xác định số bậc của
bộ lọc cần thiết để đạt đợc độ chọn lọc cho trớc. Trong trờng hợp này các
tham số m
,
của [1.9] thay tham số n
,
trong các hình của Kawakami. Cần lu ý
rằng các tham số của m
,
là hàm của tần số, nh vậy giá trị mới của m
,
Hình 1.10: Sơ đồ bộ lọc bậc thang thông thấp dạng tập trung
Các tham số g
i
là dung kháng (hoặc dẫn nạp) đối với các phần tử mắc sơn
và là cảm kháng (hoặc là điện kháng) đối với các phần tử mắc nối tiếp. Các bảng
giá trị các phần tử cho các đặc trng của bộ lọc Chebyshev và Butterworth hoặc
các bộ lọc khác đã đợc cho trớc [7]. Các giá trị của các phần tử thờng đợc
cho trớc dới dạng đã đợc chuẩn hoá nh vậy đối với các bộ lọc Chebyshev,
tần số cắt có độ nhấp nhô bằng nhau xảy ra ở cỡ = 1 trong khi ở bộ lọc
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

20
Butterworth tần số cắt 3dB xảy ra ở = 1. Mức trở kháng thờng đợc chọn sao
cho g
0
= 1, còn bộ lọc đờng truyền có thể đợc thiết kế bằng cách áp dụng
phơng pháp chuyển đổi Richard trực tiếp cho một bộ lọc mẫu gồm các phần tử


=
, (1.10)
Tơng tự nh vậy, phép chuyển đổi dải thông:

)
2
cos()
2
cos()
2
(
00
,,








S
x
x
tg =





Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

21
Khi các tham số
,
x
và
0
đã đợc chọn các đặc tính tần số của bọ lọc
đờng truyền đợc xác địn cho tất cả . Ngợc lại, đáp tuyến của bộ lọc mẫu ở
tần số bằng với đáp tuyến cả bộ lọc chặn dải:

S
tg





'
1
0
2

=
(1.12)
và với bộ lọc dải thông :

Hình1.12 a/ Bộ lọc mẫu, b/ Bộ lọc đờng truyền
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT
sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc dải thông

22
Với phép ánh xạ (1.10,1.11) bộ lọc mẫu vẽ ở hình 1.10 chuyển đổi một
cách tơng ứng sang bộ lọc đờng truyền đợc vẽ ở hình 1.12(a,b). Nếu số bậc
của bộ lọc lớn hơn hoặc bằng 3 ngời ta đôi khi có thể thực hiện bộ lọc bằng
cách nói tiếp các đoạn đờng truyền ở một mặt phẳng tham chiếu đơn. Tuy nhiên
sự thành công của cách thực hiện kiểu này phụ thuộc giá trị trở kháng của các
đoạn đờng truyền, mà ngợc lại chúng có liên quan tới các giá trị độ rộng dải
và trở kháng của bộ lọc. Trong thực tế ngời ta tìm ra các độ rộng dải thông
thờng đợc thực hiện khi số bậc bộ lọc lớn hơn bằng 3 là chia bộ lọc ra các
thành phần chữ T(LCL), (LCL) đối với các bộ lọc chặn dải và thành (CLC),
(CLC) đối với các bộ lọc dải thông [4].
1.2.3. Một phơng pháp thiết kế chuẩn của Ozaka và Ishi
Trong thực tế, kỹ thuật thiết kế kiểu ánh xạ trực tiếp trình bày ở phần trên
bị giới hạn trong ứng dụng của chúng. Thờng đòi hỏi phải thiết kế bộ lọc dải
rộng dải lớn hơn 4GHz rất khó thực hiện theo phơng pháp trên.
Một dạng của kỹ thuật ánh xạ trực tiếp đặc biệt có ích khi thiết kế các bộ
lọc chặn dải đợc Ozaka và Ishi mô tả. Phơng pháp của họ bao gồm việc đa
vào các thành phần đơn vị thừa (d) vào bộ lọc đờng truyền nhằm tách về mặt
vật lý các L và C bằng một hoặc nhiều phần tử đơn vị. Phơng pháp này rễ thực

21
(
,
). Khi đó đáp tuyến của bộ lọc đờng truyền trớc khi chèn các phần tử lọc
đơn vị vào sẽ là[6]:
S
21
(
S
tg)
và đáp tuyến sau khi chèn k phần tử đơn vị sẽ là:

)(
1
1
21
2/



tgS
tg
jtg
S
k





24
1.2.4.Một phơng pháp thiết kế gần đúng của Cobrn.
Cobrn đã tìm ra một phơng pháp thiết kế: sử dụng các bộ lọc mẫu thông
thấp gồm các phần tử tập trung và các mạch gần giống nh các bộ biến đổi tổng
dẫn lý tởng. Phơng pháp đúng với trờng hợp các bộ lọc có độ rộng dải lớn
gần bằng 15%.
10
10
01
gg
CG
j =

nn
nn
nn
gg
CG
j
1
1
1,


+
=

tii

=

tii
tii
tii
gg
LL
k



=
,