Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng trong anten BTS 4G

• Tác giả: Nguyễn Văn Nguyên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Quyền
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng trong anten BTS 4G
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ LỌC CAO TẦN
• 1.1. Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến
• 1.2. Phân loại bộ lọc siêu cao tần
• 1.2.1. Bộ lọc dạng sóng
• 1.2.2. Bộ lọc phân cực
• 1.2.3. Bộ lọc tần số
• 1.3. Lý thuyết bộ lọc tần số
• 1.3.1. Phân tích mạch điện siêu cao tần
• 1.4. Phương pháp suy hao chèn trong thiết kế bộ lọc
• 1.4.1. Phương pháp chuyển đổi và chuẩn hóa
• 1.4.2. Một số dạng bộ lọc thường sử dụng
• 1.5. Kết luận chương
• 2. BỘ LỌC THÔNG DẢI VỚI BỘ CỘNG HƯỞNG VI DẢI SONG SONG
• 2.1. Lý thuyết đường truyền vi dải
• 2.1.1. Cấu trúc đường truyền vi dải
• 2.1.2. Đường truyền vi dải song song
• 2.1.3. Ưu, nhược điểm của đường truyền vi dải
• 2.2. Các mô hình tương đương thường gặp trong đường truyền vi dải
• 2.2.1. Đường truyền hở mạch
• 2.2.2. Kết thúc mở
• 2.2.3. Các cấu trúc bộ cộng hưởng đường truyền vi dải
• 2.2.3.1. Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải
• 2.2.3.2. Bộ cộng hưởng ghép nối
• 2.2.3.3. Bộ cộng hưởng giả xen kẽ
• 2.3. Kết luận chương
• 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC THÔNG DẢI ỨNG DỤNG CHO ANTEN BTS 4G
• 3.1. Đặc tính kỹ thuật
• 3.2. Mô phỏng bộ lọc thông dải
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Layout của mạch
• 3.5. Cấu hình đo kiểm
• 3.6. Kết quả đo thực tế
• 3.7. Kết luận chương
• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• KẾT LUẬN CHUNG
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Bộ Lọc Cao Tần Cho Anten BTS 4G

Bộ lọc tương tự đã có lịch sử phát triển lâu đời, từ trước Thế chiến II. Do tầm quan trọng trong hệ thống viễn thông, nhiều nghiên cứu về phương pháp thiết kế, cấu trúc cộng hưởng và kinh nghiệm thực hiện bộ lọc đã được công bố. Cấu trúc cộng hưởng vòng lặp hở mạch được nghiên cứu rộng rãi. Ví dụ, Hussein Shman đề xuất ghép kênh hai bộ lọc thông dải dựa trên cấu trúc này cho 5G, với tần số cộng hưởng 14 GHz và 28 GHz, suy hao thấp. Slawomir Koziel mô phỏng bộ lọc Chebyshev bậc 3 với tần số cộng hưởng 2 GHz, băng thông 100 MHz. Al-Yasir thiết kế bộ lọc điều hưởng bậc ba sử dụng diode biến dung, tần số cộng hưởng 3.8 GHz. Các nghiên cứu này cho thấy tiềm năng của bộ lọc cao tần trong các ứng dụng viễn thông hiện đại. Bộ lọc cao tần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu và hiệu suất của hệ thống.

1.1. Ứng Dụng Bộ Lọc Tần Số Siêu Cao Tần Trong BTS 4G

Bộ lọc tần số siêu cao tần là thiết bị chọn lọc tần số, cho phép dải tần số nhất định đi qua và chặn các tần số khác. Nó là thành phần không thể thiếu trong thiết bị vô tuyến điện tử. Về kết cấu, bộ lọc là mạng bốn cực có suy giảm đặc tính trên một hoặc nhiều khoảng tần số. Tần số được đi qua gọi là thông dải, bị chặn lại gọi là dải chắn. Bộ lọc có thể hình thành từ R, L, C (bộ lọc thụ động) hoặc kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán (bộ lọc tích cực). Bộ lọc thụ động có ưu điểm là linh kiện rẻ, đơn giản, dễ lắp, nhưng có hạn chế về điện cảm, phẩm chất mạch thấp. Bộ lọc tích cực có độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định, nhưng bị ảnh hưởng bởi suy hao hệ số khuếch đại khi tần số tăng.

1.2. Phân Loại Các Loại Bộ Lọc Siêu Cao Tần Phổ Biến

Bộ lọc được phân thành thông thấp, thông cao, thông dải và chặn dải. Có hai loại bộ lọc thông dải chủ yếu là băng thông rộng và băng thông hẹp. Bộ lọc băng thông rộng có vùng dải tương đối rộng, hệ số điện áp đỉnh-đỉnh gần như không đổi. Bộ lọc băng thông hẹp có dải thông rất hẹp, tính chọn lọc tần số cao. Bộ lọc chắn dải kết hợp thông cao và thông thấp, chặn một khoảng tần số. Cộng hưởng đường vi dải và bộ lọc thường được sử dụng trong truyền thông không dây do kích thước nhỏ, chi phí thấp, khả năng chịu tác động môi trường tốt. Bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền thông không dây.

II. Thách Thức Thiết Kế Bộ Lọc Thông Dải Cho BTS 4G

Việc thiết kế bộ lọc thông dải cho anten BTS 4G đối mặt với nhiều thách thức. Yêu cầu về hiệu suất ngày càng cao, bao gồm suy hao chèn thấp, độ chọn lọc tốt, và khả năng xử lý công suất lớn. Kích thước nhỏ gọn cũng là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các trạm BTS hiện đại. Ngoài ra, chi phí sản xuất cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính cạnh tranh. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ lọc. Do đó, quá trình thiết kế cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao nhất. Thiết kế bộ lọc là một bài toán phức tạp đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kinh nghiệm thực tế.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Bộ Lọc BTS 4G

Hiệu suất của bộ lọc BTS 4G bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Suy hao chèn (insertion loss) là một trong những yếu tố quan trọng nhất, cần được giảm thiểu để đảm bảo tín hiệu truyền qua bộ lọc không bị suy giảm quá nhiều. Độ chọn lọc (selectivity) cũng quan trọng, bộ lọc cần có khả năng loại bỏ các tín hiệu không mong muốn nằm ngoài dải tần số hoạt động. Khả năng xử lý công suất (power handling) cần đáp ứng yêu cầu của trạm BTS. Các yếu tố khác bao gồm trở kháng đầu vào/đầu ra, độ ổn định nhiệt độ, và độ tin cậy. Suy hao chèn và độ chọn lọc là hai yếu tố then chốt.

2.2. Vấn Đề Tối Ưu Kích Thước và Chi Phí Sản Xuất Bộ Lọc

Tối ưu kích thước và chi phí sản xuất là một thách thức lớn trong thiết kế bộ lọc BTS 4G. Kích thước nhỏ gọn giúp giảm kích thước tổng thể của trạm BTS, tiết kiệm không gian và chi phí lắp đặt. Chi phí sản xuất cần được giảm thiểu để đảm bảo tính cạnh tranh. Các phương pháp tối ưu bao gồm sử dụng vật liệu rẻ tiền, thiết kế đơn giản, và quy trình sản xuất hiệu quả. Tuy nhiên, việc tối ưu kích thước và chi phí không được ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ lọc. Tối ưu chi phí và giảm kích thước là hai mục tiêu quan trọng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Lọc Thông Dải Vi Dải Cho 4G

Thiết kế bộ lọc thông dải vi dải cho 4G đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp suy hao chèn (insertion loss method) là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp này dựa trên việc xác định các tham số của bộ lọc dựa trên yêu cầu về suy hao chèn và độ chọn lọc. Phần mềm mô phỏng điện từ (EM simulation software) như ADS hoặc HFSS được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế. Quá trình thiết kế bao gồm lựa chọn cấu trúc bộ lọc, xác định kích thước và vị trí của các phần tử, và tối ưu hóa các tham số để đạt được hiệu suất mong muốn. Phương pháp suy hao chèn là một công cụ hữu ích trong thiết kế.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Điện Từ EM Simulation

Phần mềm mô phỏng điện từ (EM simulation software) đóng vai trò quan trọng trong thiết kế bộ lọc thông dải vi dải. Các phần mềm như ADS (Advanced Design System) và HFSS (High Frequency Structure Simulator) cho phép mô phỏng chính xác hành vi của bộ lọc trong môi trường thực tế. Mô phỏng EM giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế, tối ưu hóa các tham số, và giảm thiểu số lượng thử nghiệm thực tế. Kết quả mô phỏng EM cần được so sánh với kết quả đo thực tế để đảm bảo độ chính xác. ADS và HFSS là hai phần mềm phổ biến.

3.2. Lựa Chọn Vật Liệu và Cấu Trúc Bộ Cộng Hưởng Vi Dải

Lựa chọn vật liệu và cấu trúc bộ cộng hưởng vi dải là một bước quan trọng trong thiết kế bộ lọc. Vật liệu cần có hằng số điện môi (dielectric constant) và tổn hao điện môi (dielectric loss) phù hợp với tần số hoạt động. Cấu trúc bộ cộng hưởng vi dải có thể là vòng lặp hở (open-loop resonator), đường dây ngắn mạch (short-circuited stub), hoặc các cấu trúc phức tạp hơn. Cấu trúc bộ cộng hưởng ảnh hưởng đến hiệu suất, kích thước, và độ phức tạp của bộ lọc. Vật liệu điện môi và cấu trúc cộng hưởng cần được lựa chọn cẩn thận.

IV. Nghiên Cứu Bộ Lọc Thông Dải Với Cộng Hưởng Vi Dải Song Song

Bộ lọc thông dải với bộ cộng hưởng vi dải song song là một lựa chọn phổ biến trong thiết kế bộ lọc cho anten BTS 4G. Cấu trúc này có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, và hiệu suất tốt. Lý thuyết đường truyền vi dải là cơ sở để phân tích và thiết kế bộ lọc này. Các mô hình tương đương thường gặp trong đường truyền vi dải, như đường truyền hở mạch và kết thúc mở, cần được hiểu rõ để thiết kế chính xác. Các cấu trúc bộ cộng hưởng đường truyền vi dải, như bộ cộng hưởng ghép nối và bộ cộng hưởng giả xen kẽ, cũng được sử dụng để cải thiện hiệu suất của bộ lọc. Cộng hưởng vi dải song song mang lại nhiều ưu điểm.

4.1. Lý Thuyết Đường Truyền Vi Dải và Ứng Dụng Trong Thiết Kế

Lý thuyết đường truyền vi dải là nền tảng để thiết kế bộ lọc thông dải vi dải. Đường truyền vi dải bao gồm một dải kim loại (strip) trên một chất nền điện môi (dielectric substrate) với một mặt đất (ground plane) ở phía dưới. Các tham số của đường truyền vi dải, như trở kháng đặc tính (characteristic impedance) và hằng số lan truyền (propagation constant), phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đường truyền. Hiểu rõ lý thuyết đường truyền vi dải giúp thiết kế bộ lọc với hiệu suất mong muốn. Trở kháng đặc tính là một tham số quan trọng.

4.2. Các Mô Hình Tương Đương Thường Gặp Trong Đường Vi Dải

Trong thiết kế bộ lọc vi dải, cần sử dụng các mô hình tương đương để mô tả chính xác hành vi của các phần tử. Các mô hình tương đương thường gặp bao gồm đường truyền hở mạch (open-circuited stub), kết thúc mở (open-end effect), và khe hẹp (gap). Các mô hình này giúp tính toán chính xác các tham số của bộ lọc và tối ưu hóa thiết kế. Đường truyền hở mạch và kết thúc mở là hai mô hình quan trọng.

V. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu Bộ Lọc 4G

Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc thông dải cho anten BTS 4G có nhiều ứng dụng thực tế. Bộ lọc được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu nhiễu, cải thiện chất lượng tín hiệu, và tăng hiệu suất của trạm BTS. Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ lọc có thể đạt được suy hao chèn thấp, độ chọn lọc tốt, và kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc sử dụng vật liệu mới, cấu trúc phức tạp hơn, và phương pháp thiết kế tiên tiến. Ứng dụng thực tế là động lực cho nghiên cứu.

5.1. Đo Kiểm và Đánh Giá Hiệu Suất Bộ Lọc Thực Tế

Sau khi thiết kế và chế tạo bộ lọc, cần thực hiện đo kiểm để đánh giá hiệu suất thực tế. Các thông số cần đo bao gồm suy hao chèn, độ chọn lọc, trở kháng đầu vào/đầu ra, và độ ổn định nhiệt độ. Kết quả đo được so sánh với kết quả mô phỏng để xác định các sai lệch và cải thiện thiết kế. Các thiết bị đo kiểm chuyên dụng, như Vector Network Analyzer (VNA), được sử dụng để thực hiện các phép đo chính xác. Vector Network Analyzer là thiết bị quan trọng.

5.2. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng và Đo Lường Thực Tế

So sánh kết quả mô phỏng và đo lường thực tế là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế bộ lọc. Sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và đo lường có thể do sai số trong quá trình chế tạo, mô hình hóa không chính xác, hoặc các yếu tố môi trường. Phân tích các sai lệch giúp cải thiện mô hình hóa, quy trình chế tạo, và thiết kế bộ lọc. Phân tích sai lệch là cần thiết để cải thiện thiết kế.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Bộ Lọc Thông Dải 4G

Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc thông dải cho anten BTS 4G là một lĩnh vực quan trọng và đầy thách thức. Các phương pháp thiết kế, cấu trúc bộ lọc, và vật liệu mới liên tục được nghiên cứu và phát triển. Trong tương lai, bộ lọc thông dải sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Các hướng phát triển bao gồm cải thiện hiệu suất, giảm kích thước, giảm chi phí, và tăng độ tin cậy. Phát triển bộ lọc là một quá trình liên tục.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải cho anten BTS 4G. Bộ lọc có thể đạt được suy hao chèn thấp, độ chọn lọc tốt, và kích thước nhỏ gọn. Các kết quả này cho thấy tiềm năng của bộ lọc trong các ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho phát triển.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc sử dụng vật liệu mới, cấu trúc phức tạp hơn, và phương pháp thiết kế tiên tiến. Các vật liệu mới có thể giúp giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất. Cấu trúc phức tạp hơn có thể giúp tăng độ chọn lọc và giảm kích thước. Phương pháp thiết kế tiên tiến có thể giúp tối ưu hóa các tham số và giảm thời gian thiết kế. Vật liệu mới và cấu trúc phức tạp là hướng phát triển.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng di động, từ 1G đến 5G, nhu cầu tích hợp các dải tần số khác nhau trong trạm thu phát (BTS) ngày càng trở nên cấp thiết. Mặc dù mạng 5G mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, nhưng chưa thể hoàn toàn thay thế các thế hệ mạng trước đó, đặc biệt là 4G. Theo ước tính, việc tích hợp các băng tần khác nhau trong cùng một trạm BTS giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và giảm thiểu chi phí đầu tư hạ tầng. Tuy nhiên, để các dải tần số hoạt động đồng thời mà không gây nhiễu lẫn nhau, bộ lọc tần số đóng vai trò then chốt trong hệ thống anten BTS.

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng cho anten BTS 4G với băng thông 400 MHz, hoạt động tại tần số trung tâm khoảng 3.8 GHz. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc sử dụng vật liệu chất nền Roger RO3010 có hằng số điện môi 10.2, thiết kế cấu trúc bộ lọc dạng Open-Loop Ring với 5 bộ cộng hưởng vi dải song song và trở kháng đầu vào 50 Ω. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với mục tiêu nâng cao hiệu suất truyền dẫn, giảm suy hao và tăng hệ số phẩm chất của bộ lọc trong các hệ thống anten BTS 4G.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc cải thiện chất lượng tín hiệu, giảm thiểu nhiễu và tăng khả năng tích hợp nhiều băng tần trong cùng một thiết bị, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác mạng di động hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về kỹ thuật siêu cao tần (microwave engineering) và thiết kế bộ lọc tần số. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết mạng hai cửa và ma trận tán xạ (S-parameters): Mạng hai cửa được mô tả bằng ma trận tán xạ S, trong đó các tham số S11, S21, S12, S22 biểu diễn hệ số phản xạ và truyền đạt tín hiệu qua bộ lọc. Các tham số này được đo bằng Vector Network Analyzer để đánh giá hiệu suất bộ lọc.

2. Phương pháp suy hao chèn (Insertion Loss Method): Đây là phương pháp thiết kế bộ lọc dựa trên đặc tính suy hao chèn, giúp xác định bậc bộ lọc và các giá trị linh kiện phù hợp. Bộ lọc thông thấp nguyên mẫu được chuẩn hóa và chuyển đổi sang bộ lọc thông dải theo các công thức chuẩn hóa trở kháng và tần số.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Bộ lọc thông dải (Bandpass Filter): Cho phép tín hiệu trong một dải tần nhất định đi qua và chặn các tần số ngoài dải đó.
• Bộ cộng hưởng vi dải (Microstrip Resonator): Cấu trúc đường truyền vi dải có khả năng cộng hưởng tại tần số xác định, dùng làm phần tử cơ bản trong thiết kế bộ lọc.
• Hệ số phẩm chất (Q-factor): Đo lường độ chọn lọc và tổn hao của bộ lọc, hệ số Q cao biểu thị bộ lọc có băng thông hẹp và suy hao thấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả mô phỏng và đo kiểm thực nghiệm bộ lọc thông dải được thiết kế. Cỡ mẫu nghiên cứu là một bộ lọc cụ thể với 5 bộ cộng hưởng Open-Loop Ring, sử dụng chất nền Roger RO3010 kích thước 72×12×1 mm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng bằng phần mềm Advanced Design System (ADS): Thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng đáp ứng tần số (S11, S21) và tối ưu hóa các tham số bộ lọc.
• Thiết kế layout và chế tạo mạch bằng Altium Designer: Hỗ trợ quá trình sản xuất bộ lọc thực tế.
• Đo kiểm bằng Vector Network Analyzer E5071C ENA của Keysight: Đánh giá hiệu suất bộ lọc trong dải tần từ 9 kHz đến 20 GHz, tập trung vào tần số trung tâm 3.8 GHz và băng thông 400 MHz.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bắt đầu từ việc khảo sát lý thuyết, thiết kế mô phỏng, chế tạo mẫu và đo kiểm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất mô phỏng bộ lọc: Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số phản xạ S11 tại tần số trung tâm 3.4 GHz đạt khoảng -21 dB, thể hiện khả năng phản xạ tín hiệu rất thấp. Hệ số truyền đạt S21 duy trì ổn định trong toàn dải thông 400 MHz, đảm bảo tín hiệu được truyền qua hiệu quả.

2. Kích thước nhỏ gọn: Bộ lọc có kích thước 72×12×1 mm, phù hợp với yêu cầu tích hợp trong anten BTS 4G, giúp tiết kiệm không gian và giảm chi phí sản xuất.

3. Chất liệu và cấu trúc: Sử dụng vật liệu Roger RO3010 với hằng số điện môi 10.2 giúp tăng hệ số phẩm chất Q, giảm tổn hao chèn. Cấu trúc 5 bộ cộng hưởng Open-Loop Ring song song tối ưu hóa băng thông và độ chọn lọc.

4. Kết quả đo thực tế: Mặc dù kết quả đo kiểm trên Vector Network Analyzer cho thấy hiệu suất bộ lọc khá tốt, có sự sai số nhất định so với mô phỏng do quá trình chế tạo. Tuy nhiên, các thông số S11 và S21 vẫn nằm trong giới hạn kỹ thuật cho phép, đảm bảo tính ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự sai lệch giữa mô phỏng và đo thực tế chủ yếu do các yếu tố như sai số trong quá trình gia công, độ chính xác của vật liệu và ảnh hưởng môi trường. So sánh với các nghiên cứu trước đây, bộ lọc đề xuất có băng thông rộng hơn (400 MHz so với khoảng 100 MHz trong một số bộ lọc tương tự) và hệ số phản xạ thấp hơn, thể hiện sự cải tiến đáng kể.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong S11 và S21 theo tần số, minh họa rõ ràng vùng băng thông hoạt động và mức suy hao. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật như tần số cộng hưởng, băng thông, suy hao chèn cũng giúp đánh giá trực quan hiệu quả bộ lọc.

Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả truyền dẫn trong hệ thống anten BTS 4G, đồng thời mở rộng khả năng tích hợp cho các thế hệ mạng di động tiếp theo như 5G.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo: Áp dụng công nghệ gia công chính xác cao và kiểm soát chất lượng vật liệu để giảm sai số, nâng cao độ đồng nhất của bộ lọc, từ đó cải thiện sự phù hợp giữa mô phỏng và thực tế. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất.

2. Nâng cao hệ số phẩm chất Q: Nghiên cứu sử dụng các vật liệu chất nền có hằng số điện môi cao hơn hoặc cấu trúc cộng hưởng mới nhằm giảm tổn hao chèn, tăng hiệu suất truyền dẫn. Thời gian: 1 năm; chủ thể: nhóm nghiên cứu và đối tác công nghiệp.

3. Mở rộng ứng dụng cho băng tần 5G: Thiết kế bộ lọc tương tự cho các băng tần cao hơn, đáp ứng yêu cầu tích hợp đa băng tần trong trạm BTS thế hệ mới. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Tích hợp các công cụ mô phỏng EM và CAD để tự động hóa quá trình thiết kế, giảm thời gian và chi phí nghiên cứu. Thời gian: 1 năm; chủ thể: nhóm phát triển phần mềm và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế anten và bộ lọc viễn thông: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ lọc thông dải vi dải, giúp cải tiến sản phẩm và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên tại các nhà mạng di động: Hiểu rõ về vai trò và đặc tính kỹ thuật của bộ lọc trong trạm BTS, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và vận hành hiệu quả.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về kỹ thuật siêu cao tần và thiết kế bộ lọc.

4. Các nhà sản xuất linh kiện viễn thông: Hướng dẫn quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ lọc, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ lọc thông dải là gì và tại sao quan trọng trong anten BTS?
   Bộ lọc thông dải cho phép tín hiệu trong một dải tần nhất định đi qua và chặn các tần số ngoài dải đó, giúp giảm nhiễu và tăng chất lượng truyền dẫn trong anten BTS. Ví dụ, bộ lọc băng thông 400 MHz tại 3.8 GHz giúp tích hợp hiệu quả các băng tần 4G.

2. Tại sao sử dụng vật liệu Roger RO3010 trong thiết kế bộ lọc?
   Roger RO3010 có hằng số điện môi cao (10.2) và tổn hao thấp, giúp tăng hệ số phẩm chất Q của bộ lọc, giảm suy hao và cải thiện hiệu suất truyền dẫn.

3. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Phần mềm Advanced Design System (ADS) được dùng để mô phỏng sơ đồ mạch và đáp ứng tần số, kết hợp với Altium Designer để thiết kế layout và hỗ trợ chế tạo.

4. Sai số giữa mô phỏng và đo thực tế do đâu?
   Sai số chủ yếu do quá trình gia công không hoàn hảo, biến đổi vật liệu và điều kiện môi trường ảnh hưởng đến đặc tính bộ lọc.

5. Bộ lọc này có thể ứng dụng cho mạng 5G không?
   Bộ lọc được thiết kế cho băng tần 4G nhưng có thể điều chỉnh và mở rộng cho các băng tần 5G với các cải tiến về cấu trúc và vật liệu.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ lọc thông dải vi dải bậc 5 ứng dụng trong anten BTS 4G với băng thông 400 MHz tại tần số trung tâm 3.8 GHz.
• Sử dụng vật liệu Roger RO3010 giúp tăng hệ số phẩm chất và giảm tổn hao chèn, nâng cao hiệu suất bộ lọc.
• Kết quả mô phỏng và đo kiểm thực tế cho thấy bộ lọc đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật, phù hợp với ứng dụng trong hệ thống viễn thông hiện đại.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng cho mạng 5G trong tương lai.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả hệ thống anten BTS.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm thực tế trên hệ thống BTS, đồng thời phát triển các phiên bản bộ lọc cho các băng tần khác nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng của mạng di động hiện đại.