Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 55
THIẾT KẾ BỘ LỌC UWB VỚI BĂNG THÔNG CHỮ V 
SỬ DỤNG BỘ CỘNG HƯỞNG ĐOẠN CHÊM 
CHỮ THẬP VÒNG VUÔNG 
Nguyễn Đức Uyên1*, Lê Vĩnh Hà2 
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết kế mới bộ lọc băng thông 
siêu rộng, dựa trên bộ lọc băng thông rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn 
chêm chữ thập vòng vuông. Cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng vuông chữ thập đoạn 
chêm ngắn mạch kết hợp với đoạn chêm hở mạch để thu được bộ lọc siêu rộng có 
tính chọn lọc cao. Vị trí của băng thông mong muốn có thể thay đổi độc lập bằng 
cách thay đổi chiều dài của một đường vi dải, tương ứng. Mẫu bộ lọc viba siêu rộng 
đã được thiết kế và thử nghiệm. Các kết quả đo thực tế tiệm cận với kết quả mô 
phỏng. Bộ lọc được thiết kế có ưu điểm đơn giản về quy trình lựa chọn băng thông, 
cải thiện tính chọn lọc. 
Từ khóa: Bộ lọc; Đường truyền; Đoạn chêm; Siêu rộng. 
I. GIỚI THIỆU 
Các ứng dụng băng thông rộng và siêu rộng đang được quan tâm trong việc thiết kế các 
bộ lọc băng thông rộng và siêu rộng với mức tổn hao thấp và hiệu suất cao, đặc biệt là kể 
từ khi Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép sử dụng dải hoạt động không cần 
giấy phép từ (3.1-10.6) GHz cho các ứng dụng thương mại hoặc trên 10.6 GHz [1]. Ủy ban 
Truyền thông Liên bang đã phân bổ phổ tần 7.5GHz cho việc sử dụng không cần giấy 
phép cho các thiết bị băng thông siêu rộng [2]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để sản xuất 
các loại bộ lọc dải thông băng rộng cho hệ thống không dây siêu rộng. Các dịch vụ phổ 
biến nhất như, WiFi, RFID, 4G, 5G,v.v được đưa ra giới thiệu, một trong những giới hạn 
chính của hệ thống là các bộ lọc siêu rộng hiệu suất cao. Nhiều tác giả đã thiết kế và chế 
tạo các bộ lọc băng thông siêu rông như trong [3-9] . Mặc dù các thiết kế này có ưu điểm 
là có thể tạo ra nhiều băng thông bằng cách kết nối các bộ lọc khác nhau, người thiết kế 
cũng có thể chèn một dải chặn vào một dải băng rộng để thu được một bộ lọc dải rộng và 
siêu rộng , nhưng các thiết kế này vẫn còn có nhược điểm là do sử dụng ghép nối nhiều bộ 
lọc nên tổn hao chèn lớn, kích thước hình học tô pô lớn, phức tạp, khó khăn trong việc 
điều chỉnh riêng biệt dải thông độc lập. 
Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một bộ lọc băng thông siêu rộng nhỏ gọn với băng 
thông chữ V sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông. Bộ lọc có 
băng thông siêu rộng dựa trên bộ lọc dải rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm 
chữ thập vòng vuông. Bộ lọc này có ưu điểm là đơn giản trong thiết kế và chế tạo, hoàn 
toàn có khả năng điều chỉnh độc lâp các tần số cộng hưởng để tạo nên băng thông siêu 
rộng, khắc phục được nhược điểm của các thiết kế trước đó. Trong thiết kế này, một cấu 
trúc mới của đường truyền vi dải được phát triển bằng cách nhúng một đoạn chêm hở 
mạch trở kháng cao để tạo ra băng thông siêu rộng mới với băng thông 3dB là 119%. Sau 
đó, bộ lọc UWB với băng thông siêu rộng chữ V được thiết kế và chế tạo. Phần mềm 
HFSS được sử dụng để mô phỏng thiết kế và chế tạo bằng công nghệ mạch in 2 lớp. Kết 
quả đo thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng. 
II. CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC 
Trong phần này, chúng ta xem xét một số tính năng khác nhau của bộ lọc băng siêu 
rộng với phân tích toàn sóng EM là những băng thông được điều chỉnh độc lập trong các 
dải tần số mong muốn. Cấu trúc được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và đơn giản. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông  chữ thập vòng vuông.” 56 
Hình 1 và 2 (a) trình bày cấu trúc và mạch tương đương của bộ lọc dải thông băng rộng 
sử dụng bộ cộng hưởng vòng vuông. Từ cổng 1 đến cổng 2, hai đường truyền chính với trở 
kháng đặc tính Z1 và chiều dài điện 2θ1 được giới thiệu, một đoạn ngắn mạch với trở 
kháng đặc tính Z2 và chiều dài điện θ2, một đoạn hở mạch với trở kháng đặc tính Z3 và 
chiều dài điện θ3 là đường rẽ được kết nối ở giữa của đường truyền chính thứ nhất. Hai 
đường truyền vi dải với trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω được kết nối vào cổng 1 và 2 
Hình 1. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc băng rộng. 
Hình 2. (a) Mạch tương đương, (b) Mạch tại chế độ lẻ, (c) Mạch tại chế độ chẵn. 
Mạch tương đương được trình bày trong hình 2(a), trong khi mạch tương đương chế độ 
chẵn và lẻ được trình bày trong hình 2(b),(c), tương ứng. Dẫn nạp đầu vào chế độ chẵn/lẻ là: 
331
2
1221
2
11
3312211
1
1
2/)tantan(2/)cottan(
2/)tan(2/)cot(tantan
ZZZZZ
ZZZZ
j
Z
jYine


 Với chế độ chẵn (1) 
1
1cot2
Z
jYino

 Với chế độ lẻ (2) 
Tần số cộng hưởng cho chế độ chẵn /lẻ được tính khi Yine/Yino= 0 hoặc Zine/Zino = 0 và 
công thức tính toán để cho ra các tần số đối với cấu trúc này được áp dụng[7]: 
eL
c
f

 ; 
e
odd
L
cn
f
14
)12( 
 ; 
e
odd
LL
cn
f
)(4
)12(
31
1
 ; 
Và 
e
even
LL
cn
f
)(4
)12(
21
1
 ; 
e
even
LLL
cn
f
)(4
)12(
21
2
 Mô phỏng đặc tuyến tần số cộng hưởng tại chế độ chẵn/lẻ cho bộ cộng hưởng vòng dưới 
ghép nối lỏng được thể hiện trong hình 3, trong đó f là tần số cơ bản được xác định, feven là 
tần số xác định được ở chế độ chẵn, fodd là tần số xác định ở chế độ lẻ. Ta có thể thấy rằng có 
Nghiên c
Tạp chí Nghi
ba c
cộ
ch
mộ
Hình 3
lọ
tần b
củ
bằ
điề
tần số cộng h
ch
các ph
(a). Như đ
để
điể
thông ch
mạ
ộ
ng hư
ủ y
t đi
c c
Vòng vuông ch
ộ
a đo
ng cách đi
u khi
ế độ chẵn 
Để
 th
m không trong b
ch tr
ng hư
ở
ếu đư
ểm truy
ộng hư
 lọ
ạn chêm ng
 th
ần m
ực hi
ở
ứu khoa học công nghệ 
ở
ng th
ợ
. Mô ph
c. Có th
ển b
ực hi
ã phân tích trong [9], tr
ệ
ữ 
 kháng cao, và ch
ên c
ng trong d
c xác đ
ề
ởng vòng
ều ch
ằng cách đi
ư
feven1
ệ
ở r
n m
V có th
ứu KH&CN 
ứ tư 
n không n
ỏ
ể
ởng chế độ lẻ 
và 
n b
ộng và thu h
ột đi
Hình 5.
2f
ịnh b
ng đáp 
ữ 
 thu đư
ắn m
ỉnh chi
f
ộ 
ộ
ể 
ả
odd
 dư
thậ
even2
lọc băng
ểm truy
 lọ
đư
(a)
(b) K
i tầ
1 n
ởi các t
ằm g
ứng |S
ới ghép n
p đo
ợ
ạch, ch
ề
ều ch
 di chuy
III.
c UWB cơ b
ợc đi
i
 (a) C
quân s
n b
ằm cách xa chúng. Do đó, băng thông cho b
ạn ng
c ch
u dài c
f
ẹp, đư
ền không và m
ề
ều dài c
ết qu
ộ lọ
ầ
ần d
21
ế 
ế 
ỉnh chi
odd1
ể
THI
thông siêu r
u khi
ấu trúc b
ả
ự, Số
c và m
n s
ải t
| củ
ối l
ắn m
độ 
độ
ủa b
 không thay đ
n theo hư
ợc đ
ở 
ủ
 mô ph
ố c
ần s
a b
ỏ
ạ
cộng hư
 th
ều dài c
ẾT KẾ V
ặ
kháng đ
ản. Hơn n
ển b
a đo
 56
ột đi
ộng hư
ố
ộ 
ng.
ch và h
ứ hai ch
ộ c
t trên m
ằng cách đi
ạn ng
ộ 
ỏng 
, 08
ể
 trên đ
ở
ộng hư
ớng 
ộng ch
ặc tính c
ộ
lọc UWB v
|S
 - 20
m truy
ởng ch
Hình 4.
ở
ng đ
ủ
ủa đo
ổi với 
f
À CÁC K
ặ
t băng thông ch
ữ
ắn m
21
18
ể cả
hư
 mạ
ầ
 yế
ởng vòng, và ch
ạ
0 khi 
ữ 
t ph
a, t
ạ
| dư
ền không c
ế 
i thi
 Mô ph
ởng chế độ chẵn/lẻ so với 
ch có th
u tiên b
u là ch
n h
θ
V, thì 
ẳng đ
ủa đo
ần s
ều ch
ch.
ớ
ới ghép nối lỏng.
độ 
ện tính ch
ở 
θ2, trong khi các t
2 tăng lên.
ẾT QUẢ
ố
i băng thông ch
chẵ
ể
ằ
ế
mạ
đo
ối x
ạn m
 trung tâm và d
ỉnh t
n f
ỏng đáp ứ
 tạ
ng cách đi
 độ
ch.
ạn h
ứ
ắ
ữ 
ỷ
ạnh c
even1
ọ
o ra ba c
 lẻ
ế
 Trong 
ở
ng, như ch
c r
V có th
 lệ
ủ
 và 
n lọ
 có th
 đ
 m
ẽ có th
 trở
(b)
a d
ộ
feven2
c. 
ng 
ộ
ều ch
ộ th
hình 4 cho th
ạch tr
ể
 kháng c
ữ V
ải thông, trong khi 
 cộ
các t
ng hư
ể đư
ứ 
ần số cộng h
ở
ỉ 
ể đư
 đư
ải thông c
; 
ng hư
, trong khi 
ần số cộng 
θ
ỉnh kích thư
ợc đi
ba có th
 kháng cao có 
ra trong hình 5 
ợ
ợc đưa ra theo 
2 tại f
ởng trên d
c đi
ủa đo
ởng vòng 
0.
ều ch
ể
ều ch
ủa băng 
fz1
 đư
ấy các 
ưởng 
ạn h
57
 là 
ải 
ớc 
ỉnh 
ợc 
ỉnh 
ở 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông  chữ thập vòng vuông.” 58 
Hình 5 (b) chỉ ra các tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ cho bộ cộng hưởng vòng với 
các đoạn hở mạch/ngắn mạch trở kháng cao, dưới ghép nối lỏng và một điểm truyền 
không (fz) nằm tại 5.2 GHz. 
Hình 6. (a) Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc UWB với W3 khác nhau; 
 (b) Dưới L1 khác nhau. 
Hình 6 (a) chỉ ra mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất với các giá trị khác nhau 
của W3 . Chúng ta thấy rằng tần số trung tâm của băng thông chữ V thay đổi tăng lên từ 
5.0 GHz tới 5.3 GHz, 5.6 GHz khi W3 dao động từ 4.0 mm xuống 3.6 mm, 3.1 mm tương 
ứng. Hình 6 (b) cho thấy mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc trong trường hợp L1 có độ 
dài khác nhau. Dải thông của băng thông chữ V tăng lên khi L1 tăng. 
 Hình 7. Nguyên mẫu thiết kế trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 
của bộ lọc băng thông siêu rộng. 
Bằng thiết kế này một bộ lọc UWB nhỏ gọn với băng thông chữ V điều chỉnh đã được 
thực hiện (hình 7). Sau khi tối ưu hóa bằng Ansoft HFSS 15.0 các thông số thiết kế được 
chọn là W1 = 1.4mm, W2 = 0.8mm, W3 = 3.3mm, L1 = 1.7mm, L2 = 0.5mm, L3 = 3.4mm, L= 
5.7mm, và đường kính lỗ khuyên là 0.7mm. 
Một nguyên mẫu của bộ lọc UWB được đề xuất với băng thông chữ V được thiết kế và 
chế tạo trên một chất nền với r = 4.4 và h = 0.8 mm. Ảnh nguyên mẫu được thể hiện trong 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 59
hình 8, kích thước của bộ lọc khoảng 7 mm * 6.5 mm(0.27λg * 0.36λg ;λg là bước sóng dẫn 
của đường truyền vi dải 50Ω tại 6.85 GHz) cho thấy thiết kế khá nhỏ gọn. 
Hình 8. Ảnh của bộ lọc UWB với 
băng thông chữ V được chế tạo. 
Hình 9. Mô phỏng và đo đáp ứng của bộ lọc. 
Các thông số S được đo và trễ nhóm được minh họa trong hình 7(b). Băng thông của bộ 
lọc là 119% (2.5 - 11.0 GHz), trong khi tổn hao chèn đo được với bộ lọc nhỏ hơn 0.8 dB, và 
tổn hao phản hồi là lớn hơn 15 dB, trễ nhóm nhỏ hơn 0.35 ns trong toàn bộ băng thông. Tổn 
hao chèn trong băng thông chữ V lớn hơn 20 dB và băng thông tại -3 dB là 4.6% tại 5.2 GHz 
hoàn toàn phù hợp với các tham số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc siêu cao tần quy định. 
Kết quả của bài báo được so sánh với một số công trình được công bố gần đây trên bộ 
lọc UWB băng thông chữ V trình bày trong bảng 1 dưới đây: 
Bảng 1. So sánh bộ lọc được thiết kế với các bộ lọc UWB băng thông chữ V được công bố. 
Công 
trình 
r/chiều cao 
(mm) 
Kích thước (mm) Tần số chữ V/tổn hao 
(dB) 
Dải thông 
(GHz) 
[5] 2.2/1.0 31 mm × 20 mm 3.6/5.9/8.0/ > 10 3.1–10.6 
[6] 2.65/1.0 30 mm × 16 mm 5.3/7.8/ > 20 2.8–11 
[7] 2.55/0.8 22.5 mm × 13.7 
mm 
5.5/ > 10 3.1–10.6 
[8] 3.38/0.508 20 mm × 15 mm 6/ > 20 ( băng thông 
chữ V từ 5.8–6.2) 
3.6–10.1 
Bài báo 4.4/0.8 7 mm × 6.5 mm 5.2/5.3/5.6/>20 2.5 - 11.0 
IV. KẾT LUẬN 
Một bộ lọc UWB băng thông chữ V băng thông siêu rộng được thiết kế bằng cách sử 
dụng cấu trúc cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm ngắn mạch, với đoạn hở mạch trở kháng 
cao có các phần mở rộng và thu hẹp được đặt trên mặt phẳng đối xứng đã được trình bày. 
Phân đoạn băng thông của bộ lọc siêu rộng có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh tỷ 
lệ trở kháng của đoạn hở mạch trở kháng cao, và chiều dài của đoạn ngắn mạch. Kết quả 
mô phỏng và đo đạc đã cho thấy tổn hao do chèn thấp, độ trễ nhóm phẳng và độ chặn 
ngoài dải cao, cho thấy tính khoa học của thiết kế được đề xuất, phù hợp với phân tích lý 
thuyết và thực nghiệm. Bộ lọc được thiết kế hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng không dây 
dải rộng và siêu rộng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Federal Communications Commission. “Revision of part 15 of the commission’s rules 
regarding ultra-wideband transmission systems”. FCC ET-Docket, April. 2002. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. Đ. Uyên, L. V. Hà, “Thiết kế bộ lọc UWB với băng thông  chữ thập vòng vuông.” 60 
[2]. Aiello G. R and Rogerson G. D. “Ultra-wideband wireless system”. IEEE Microw. 
Mag., vol. 4, no. 2, pp. 36–47, Jun. 2003. 
[3]. Luo S, and Zhu L. “A novel dual-mode dual-band bandpass filter based on a single 
ring resonator”. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol.19, no. 8, pp. 497–499, 
Aug. 2009. 
[4]. Shaman H and Hong J.-S. “A novel ultra-wideband bandpass filter with pairs of 
transmission zeroes”. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 17, no. 2, pp. 121–
123, Feb. 2007. 
[5]. Wei, F., Z. D. Wang, F. Yang, and X. W. Shi, “Compact UWB BPF with triple-
notched bands based on stub loaded resonator”, IEEE Electronics Letters, Vol. 49, 
No. 2, 124–126, January 2013. 
[6]. Song, Y., G. M. Yang, and G. Wen, “Compact UWB bandpass filter with dual 
notched bands using defected ground structures”, IEEE Microwave and Wireless 
Components Letters, Vol. 24, No. 4, 230–232, April 2014. 
[7]. Zhu, H. and Q. X. Chu, “Ultra-wideband bandpass filter with a notch-band using 
stub-loaded ring resonator”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 
Vol. 23, No. 7, 341–343, July 2013. 
[8]. Shan, Q., C. Chen, and W. Wu, “Design of an UWB bandpass filter with a notched 
band using asymmetric loading stubs”, IEEE International Conference on Microwave 
and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Vol. 2, 5–8, June 2016. 
[9]. Kim C. H, and Chang K. “Ring resonator bandpass filter with switchable bandwidth 
using steppedimpedance stubs”. IEEE Trans. Microw.Theory Tech., vol 58, no 12, 
pp. 3936-3944. Dec. 2010. 
ABSTRACT 
DESIGN OF UWB FILTER WITH V-BAND USING SQUARE CROSS 
 STUB LOADED RESONATOR 
The article, introduces a new design method for UWB filter based on the 
broadband filter using square cross stub loaded resonace. The square cross stub 
loaded resonator structure is combined short circuit square cross stub load 
resonator with the open stub loaded resonator to obtain a highly selective Ultra 
Wide Band filter. The position of the desired bandwith can be changed 
independently corrected by varying the length of a microstrip line, respectively . A 
Ultra wide Band microwave filte has been designed and tested. The experiment 
measurement results are asymptotic to the simulation results. The designed filter 
has the advantages of simple process in selecting individual bandwith, improving 
selectivity. 
Keywords: Filter; Transmission lines; Stub-loaded; Ultra wide Band. 
Nhận bài ngày 03 tháng 5 năm 2018 
Hoàn thiện ngày 08 tháng 6 năm 2018 
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018 
Địa chỉ: 1 Trường Cao đẳng Phát thanh truyền hình I - Phủ Lý, Hà Nam; 
 2 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. 
 * Email: uyenvov@gmail.com.