Thiết kế bộ lọc băng thông dải kép sáng tạo

Các hệ thống giao tiếp hiện đại thường sử dụng các bộ lọc băng thông băng tần kép để cô lập các dải vận hành khác nhau trong cùng một mạng. Kích thước thiết kế truyền thống của các bộ lọc như vậy tương đối lớn và yêu cầu một mạng kết hợp bổ sung cho hai bộ lọc. Tuy nhiên, phương pháp thiết kế bộ lọc băng thông đôi được thảo luận chi tiết trong bài viết này có thể được thực hiện rất nhỏ. Cấu trúc của nó tương đối đơn giản, bao gồm hai bộ cộng hưởng xoắn ốc phân tách không đối xứng (ASSR) được xếp tầng với một dòng microstrip. Do hình học xoắn ốc vốn có của ASSR, ASSR có thể được nhúng hoàn toàn trong dòng microstrip, do đó kích thước thiết kế cuối cùng có thể được giảm thiểu. Bài viết này cũng phân tích sâu hơn về thiết kế sáng tạo này và xác nhận phương pháp thiết kế này với một cặp nguyên mẫu. Hai bộ lọc băng tần kép hoạt động từ 1,16 GHz đến 1,84 GHz và từ 1,80 GHz đến 2,45 GHz, tương ứng.

Ngành công nghiệp đã nỗ lực rất nhiều để thu nhỏ bộ lọc băng thông băng tần kép. Ví dụ, bộ lọc kết hợp chéo là một giải pháp tương đối hiệu quả. Trong phương pháp thiết kế này, bộ cộng hưởng vòng phân tách đẳng cự với các đặc tính đáp ứng tần số cộng hưởng kép được sử dụng làm cơ sở cho thiết kế của bộ lọc. Trong một ví dụ, bộ lọc băng thông băng tần kép được ghép chéo được tổng hợp bằng bốn bộ cộng hưởng và vị trí tương đối của các bộ cộng hưởng này phải được điều chỉnh cẩn thận để có được hệ số khớp nối phù hợp. Thật không may, việc sử dụng bốn bộ cộng hưởng dẫn đến giảm hiệu suất mất chèn và khó khăn trong việc đạt được kích thước nhỏ gọn (đặc biệt là kích thước cắt ngang).

Một cách tiếp cận khác là sử dụng bộ cộng hưởng vòng mở và một cuống mở song song làm cơ sở cho việc thiết kế bộ lọc băng thông băng tần kép nhỏ gọn. Được thiết kế và sản xuất ở đây là ba bộ lọc băng tần kép được tối ưu hóa để từ chối ngoài băng tần. Trong các nguyên mẫu này, băng thông thứ hai có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh vị trí và chiều dài của một cuống mở song song cụ thể. Ngoài ra còn có bộ lọc băng thông băng tần kép Micro-Planar dựa trên bộ cộng hưởng trở kháng bước cong (SIR). Phản hồi băng tần kép của bộ lọc này phụ thuộc vào các tham số hình học chính của SIR, trong khi kích thước nhỏ gọn đạt được bằng cách tích hợp SIR hình chữ U với cơ chế ghép mới nhất. Một bộ lọc băng thông băng tần kép thu nhỏ cũng được triển khai bằng cách sử dụng cấu trúc khớp nối kết hợp của Sir bước sóng ngắn và mở. Tóm lại, các phương pháp thiết kế bộ lọc băng tần kép khác nhau này dựa vào một đơn vị cơ bản với chế độ cộng hưởng kép.

Bài viết này cung cấp các phương pháp thiết kế khác nhau để tạo các bộ lọc băng thông băng tần kép nhỏ gọn. Trong cách tiếp cận mới này, bộ lọc bao gồm hai ASSR được kết nối bằng các dòng microstrip. Các Assr này là phiên bản cải tiến của một bộ cộng hưởng Helix đôi mặt phẳng và bộ cộng hưởng xoắn ốc loại chia cho đối xứng. Do hình học đặc biệt của nó, ASSR này có thể được nhúng hoàn toàn trong dòng nguồn cấp dữ liệu microstrip để hình thành trực tiếp thành phần tương ứng với kích thước mặt cắt nhỏ gọn. Nói chung, ASSR là một đơn vị thông dải hoạt động bằng cách ghép điện từ (EM). Trong thiết kế hiện tại, băng thông thứ nhất phụ thuộc vào băng thông vốn có của ASSR, trong khi băng thông thứ hai được tạo ra bởi sự kết hợp của một mạng lưới trở kháng tương đương của Assrs và các dòng microstrip được kết nối. Do đó, băng thông thứ hai có thể được điều chỉnh độc lập với băng thông thứ nhất bằng cách sử dụng chiều dài của dòng microstrip được kết nối làm tham số biến. Kết luận này cũng sẽ được xác minh bằng phân tích mô hình mạch.

Dựa trên phân tích này, chúng tôi đã thiết kế và chế tạo hai bộ lọc băng thông băng tần kép khác nhau để chứng minh tính hiệu quả của phân tích. Theo hiểu biết của chúng tôi, các bộ lọc băng thông băng tần kép này là các bộ lọc hẹp nhất được báo cáo trong tất cả các tài liệu cho đến nay do kích thước cắt ngang đặc biệt nhỏ gọn của chúng.

Hình 1: Bố cục hiển thị Assr (A) và Bộ lọc băng thông băng tần kép được đề xuất (B). Bộ lọc này sử dụng một cặp assrs và đường truyền microstrip được kết nối với nó.

Hình 1 cho thấy bố cục ASSR (A) và bộ lọc được đề xuất (b) được sử dụng trong bộ lọc băng thông băng tần kép này. Mỗi ASSR bao gồm hai mẫu xoắn ốc hình chữ nhật riêng biệt, không đối xứng. Do hình học quay của chuỗi xoắn hình chữ nhật, một đơn vị nhất định có thể được nhúng hoàn toàn trong đường microstrip, dẫn đến một kích thước cắt ngang đặc biệt nhỏ gọn. Do đó, băng thông rộng ASSR W1 vẫn không thay đổi ở mức 4,6 mm, tương đương với chiều rộng của dòng microstrip 50Ω được chế tạo trên chất nền mạch in RT/Duroid 5880 của Rogers (PCB). Hằng số điện môi tương đối của chất nền này là 2.2. Độ dày là 1,5mm. Những giá trị vật liệu này cũng được sử dụng để mô phỏng. Các giá trị cho kích thước W3 và W4 bị hạn chế do các giới hạn được áp đặt bởi dung sai sản xuất mạch (khoảng 0,1 mm tại W1 = 4,6 mm). Đối với các thiết kế bộ lọc băng thông băng tần kép này, các giá trị cho W3 = 0,6 mm và W4 = 0,3 mm được sử dụng ở đây. Trong một mô hình chung của bộ lọc dòng microstrip được ghép nối, các giá trị này sẽ hỗ trợ các thuộc tính băng thông hiệu quả thông qua khớp nối điện từ. Dự đoán này sẽ được xác minh bằng phương pháp phân tích tham số của L1 (tham số điều chỉnh chính của bộ lọc băng thông) và kết quả được hiển thị trong Hình 2.