Thiết kế bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục cho băng C

Bài viết Thiết kế bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục cho băng C đề xuất một giải pháp thiết kế bộ lọc thông dải khoang đồng trục có tổn hao thấp, hệ số phẩm chất (Q) cao, độ dốc lớn, được sử dụng trong thiết bị gây nhiễu UAV. Thiết bị gây nhiễu UAV có tần số trung tâm f0 = 5800MHz, độ rộng dải thông FBW = 150 MHz, sử dụng loại nhiễu tạp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thiết kế bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng

trục cho băng C Nguyễn Xuân Dũng1*, Nguyễn Ngọc Linh1, Tạ Chí Hiếu2

1Trung tâm 80, Cục TCĐT, Bộ Tổng Tham Mưu

2Khoa Vô Tuyến Điện tử, Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn

*E-mail: dunghv35@gmail.com

Tóm tắt – Bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi trong

các thiết bị Thông Tin liên lạc, Tác chiến điện tử, Ra đa,

Tên lửa v.v Trong bài báo này tác giả đề xuất một giải

pháp thiết kế bộ lọc thông dải khoang đồng trục có tổn

hao thấp, hệ số phẩm chất (Q) cao, độ dốc lớn, được sử

dụng trong thiết bị gây nhiễu UAV Thiết bị gây nhiễu

UAV có tần số trung tâm f0 = 5800MHz, độ rộng dải

thông FBW = 150 MHz, sử dụng loại nhiễu tạp Thiết kế

dựa trên các giá trị phần tử nguyên mẫu đáp ứng

Chebyshev cho các bộ lọc thông thấp, kết hợp giữa lý

thuyết và mô phỏng trên CST filter design 3D để tính

toán kích thước của bộ lọc, kích thước khung cộng

hưởng, chiều dài cũng như đường kính của mỗi hốc cộng

hưởng Xác định vị trí các giắc đầu vào, đầu ra, các khe

ghép của các bộ cộng hưởng liền kề Để đảm bảo độ dốc

của của hàm lọc, cho phép đưa vào hàm lọc “điểm không

truyền dẫn”, nó được thực hiện bằng việc ghép chéo các

khung cộng hưởng liền kề.

Từ khóa – Bộ lọc thông dải, Bộ cộng hưởng đồng trục, bộ

lọc băng C

I GIỚI THIỆU

Ngày nay việc sử dụng rộng rãi các hệ thống thông

tin không dây như hệ thống thông tin vệ tinh, các hệ

thống thông tin vô tuyến, các hệ thống TCĐT, Ra đa,

Tên lửa làm mật độ phổ tần ngày càng trở nên dầy đặc,

băng thông của bộ lọc có xu hướng hẹp hơn, và mật độ

năng lượng có xu hướng tăng lên Việc giao thoa giữa

các băng tần và nhiễu vô tuyến ảnh hưởng đến quá

trình truyền và nhận tin Hơn nữa, kích thước và khối

lượng của các bộ lọc đang có xu hướng nhỏ hơn Đồng

thời, độ dốc của các bộ lọc đã trở thành một vấn đề

quan trọng được nghiên cứu trong nhiều năm

Để loại bỏ nhiễu tạp không mong muốn ra cho

máy gây nhiễu UAV Bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng

đồng trục thường được sử dụng hơn các kiểu bộ lọc

phân bố, bộ lọc kiểu này có độ chọn lọc cao và khả

năng chịu được công suất tốt hơn, do đó có thể sử dụng

sau bộ khuếch đại công suất của máy gây nhiễu

Trong những năm gần đây, bộ lọc thông dải hốc

cộng hưởng đồng trục có rất nhiều nghiên cứu, trong

đó tập trung phát triển bộ lọc có tổn hao thấp Bộ lọc

thông dải hốc cộng hưởng đồng trục sử dụng các định

hướng không gian khác nhau để tạo ra các khớp nối

chéo được thảo luận trong [1,2], hơn nữa kích thước

(a)

r d

(b)

Hình 1 Mô hình bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục (a) Mô hình 3-D có khoang cộng hưởng, có các khớp nối chéo và hai giắc vào ra (b) Bộ cộng

hưởng đồng trục

Ngoài ra bộ lọc dạng này còn có thể điều chỉnh

cơ học bằng các vít điều chỉnh được giới thiệu trong [4], do đó, dẫn đến kích thước nhỏ, trọng lượng ít hơn,

có thể tích hợp bậc bộ lọc cao hơn và giảm đáng kể độ phức tạp trong chế tạo Bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục có được cấu hình không đối xứng khác [5]

Nhờ trình thiết kế CST filter design 3D, Bộ lọc này được chế tạo bằng kim loại nhôm sau đó mạ bạc cho kết quả Q (hệ số phẩm chất) cao mang lại lợi thế băng hẹp và suy hao thấp, độ chọn lọc cao Ngoài ra còn có các vít điều chỉnh tần số cộng hưởng và các khớp nối cho phép điều chỉnh tần số và băng thông sau sản xuất Trong phần II sẽ đưa ra các công thức và các mô phỏng

được lựa chọn nhỏ hơn λ0/4, đường kính của bộ cộng

hưởng được tính toán từ các tụ điện chuẩn hóa trên đơn

vị chiều dài của bộ cộng hưởng, việc lựa chọn này

được chính xác hóa nhờ quá trình mô phỏng bằng phần

mềm trên máy tính, như phần mềm HFSS, CST có tool

hỗ trợ Eigenmode Bước tiếp theo là ghép nối giữa các

hốc cộng hưởng và ghép nối vào ra Việc ghép nối giữa

các hốc cộng hưởng dựa trên cơ sở tỷ lệ của năng

lượng tích lũy [6] để xác định hệ số ghép giữa các hốc,

còn việc xác định vị trí giắc đầu ra đầu vào và đầu ra

dựa theo độ trễ nhóm của hệ số phản xạ [7] Các giá trị

chuẩn hóa của phần tử bộ lọc Chebychev với n=8 với

độ gợn 0.01dB được tra cứu và thể thiện trên Bảng 2

Bảng 1: Tham số bộ lọc được đề xuất

Tần số trung tâm f0 5800 MHz

Băng thông BW=150 MHz 5725 ÷ 5875 MHz

Độ gợn sóng của bộ lọc 0.01dB

Dạng đáp ứng bộ lọc Chebychev tổng quát

Tổn hao chèn (Insertion

Tổn hao phản hồi (Return

Suy hao ngoài dải

(Rejection)

≤ -30dB tại 5700 và

5900 MHz Cấu trúc bộ lọc Cavity

Kích thước (Dài x Rộng x

Cao):

Nhỏ hơn 100 x 50 x40 (mm)

Bảng 2 Giá trị chuẩn hóa của phần từ bộ lọc

Chebychev với n=8, độ gợn 0.01 dB

một bộ lọc cộng hưởng đồng trục phổ biến nhất [8] Theo [8] một đường truyền đồng trục có suy hao nhỏ nhất khi

0 77Ω

r Z

e = , với cấu trúc được chọn, chất điện môi là không khí, trở kháng đặc tính tối ưu là

77Ω Xác định kích thước điện môi D (inch) và đường kính vít điều chỉnh cộng hưởng có mối quan hệ được

mô tả trên hình 3 [9,10]

Từ hình 3 ta có giá trị K, Qu đạt cực đại khi tỉ số D/d = 3.6 Công thức tính trở kháng đặc tính cho hốc cộng hưởng đồng trục nhứ sau [8]:

- Dạng hình tròn đồng tâm:

0

60 ln( )

r

D Z

d

e

- Dạng Hình vuông:

0 10

log ( )

r

D Z

d

p e

=

(2) Hình 4 mô tả mạch tương đương của hốc cộng hưởng

bao gồm đường truyền đồng trục với độ dài l ngắn

mạch đầu cuối mắc với một điện dung Ca

Hình 2 Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục phổ biến

Hình 3 Mối quan hệ giữa trở kháng và đường kính hốc

cộng hưởng

1 0.8072 1.4130 1.7824 1.6833

1.8529 1.6193 1.5554 0.7333 1.1007

Hình 4 Mạch tương đương của hốc cộng hưởng đồng

trục

0

0

1 0

Y

Việc lựa chọn kích thước cơ khí sử dụng phần

mềm CST có tool hỗ trợ Eigenmode để xác định chế

độ cộng hưởng trong dải tần số của bài toán đặt ra

Với f0 = 5800 MHz tương ứng với bước sóng

0 5 16

C / f

l = » (cm) (trong đó c là vận tốc ánh

sáng) và λ/4 ≈ 1,29 (cm) ≈ 12,9 (mm) Từ phương trình

(3) chiều dài trục cộng hưởng trung tâm được xác định

nằm trong khoảng 0 < l < 12,9 (mm) Cấu trúc dạng

3-D của hốc cộng hưởng đồng trục thể hiện như trong

hình 5

Mối liên hệ về việc thay đổi kích thước hình học

của hốc cộng hưởng ảnh hưởng đến tham số cộng

hưởng được tiến hành mô phỏng và được thể hiện trên

hình 6 và hình 7

Hình 5 Cấu trúc dạng 3-D của hốc cộng hưởng đồng

trục

Hình 6 Ảnh hưởng của chiều cao trục cộng hưởng đến

tần số cộng hưởng

Hình 7 Ảnh hưởng sự thay đổi độ dài vít điểu chỉnh cộng hưởng đến tấn số cộng hưởng

Từ mối liên hệ giữa kích thước chiều dài trục cộng hưởng và tần số cộng hưởng trên hình 6, mối liên

hệ giữa vít điều chỉnh và tần số cộng hưởng trên hình 7 tác giả chọn kích thước như sau:

- Kích thước lõi hốc cộng hưởng: (điện môi là không khí)

+ Chiều dài: 16 mm + Chiều rộng: 16 mm + Chiều cao: 16 mm

- Trục cộng hưởng trung tâm:

+ Chiều cao: 9 mm + Đường kính bao ngoài: 7 mm + Đường kính lỗ vít điều chỉnh: 4 mm

B Ghép nối giữa các hốc cộng hưởng

*Ghép nối cộng hưởng vào/ra

Việc ghép nối của giắc SMA vào thành của trục cộng hưởng trung tâm tại đầu vào và đầu ra của bộ lọc được tính toán rất kỹ Quá trình thay đổi vị trí của giắc cũng khiến đáp ứng của bộ lọc thay đổi, tuy nhiên có thể tối ưu hóa trở kháng của hệ thống đến một giá trị

mà đáp ứng và băng thông chính xác, nghĩa là hệ số phẩm chất Q ghép ngoài (Ký hiệu Qe) đạt giá trị tương ứng với giá trị được tính toán hệ số ghép ngoài chuẩn hóa trong ma trận Lập lại quy trình tối ưu hóa này cho các vị trí khác nhau, ta có thể xác định được chiều cao của giắc so với mặt đáy của hốc cộng hưởng

Việc phân tích hệ số ghép ngoài (hệ số phẩm chất

Qe) của hốc cộng hưởng riêng lẻ dựa trên cơ sở phân tích độ trễ nhóm của hệ số phản xạ S11 [7] Hình 9 thể hiện mạch tương đương của hốc cộng hưởng đầu tiên khi được ghép với nguồn đầu vào Việc ghép nối tại đầu vào được biểu diễn bằng một điện dẫn G

Hình 8 Ghép nối SMA với hốc cộng hưởng đồng trục

h

Hình 9 Mạch tương đương ghép nối đầu vào và hốc

cộng hưởng đầu tiên

Hệ số phản xạ nhìn vào hốc cộng hưởng đầu tiên,

liên quan tới việc cấp tín hiệu của dẫn nạp đặc tính G

được tính bởi:

in in 11

in in

S

Trở kháng Yin nhìn vào hốc cộng hưởng được xác

định:

0 0

0

1

in

j L

w w

trong đó

0 1 / LC

w = Tại các tần số gần với tần số

cộng hưởng,w = w0 + D w, với D w = w0, Yin được

xác định xấp xỉ bằng:

0

2

in

w

D

Thay thế phương trình (6) vào (4), lưu ý rằng

0

e

Q = wC G ta có:

0 11

0

e e

jQ S

jQ

w w

w w

=

Phương trình 7 có thể được viết lại như sau:

11

0

e e

jQ S

jQ

w w

Ðf

w w

-=

trong đó:

( 0)

0

2arctan Qe 2 w w

f

w

độ trễ nhóm được tính bởi công thức:

df t

dw

cũng có thể được viết dưới dạng:

e

e

Q

Q

t

=

0

4

e

Thay đổi chiều cao ghép nối dây dẫn dọc theo trục

cộng hưởng trung tâm (đơn vị là mm), thu được các giá trị độ trễ nhóm và Q e tại các tần số cộng hưởng khác nhau bởi vậy cần điều chỉnh sao cho đạt được tương

ứng giá trị Q echuẩn hóa được xác định bằng công thức (13)

0

1

BW

e

f Q

R

=

với f 0 = 5800 MHz; BW = 150 MHz; R1=M S1=M L8

= 1,0781 giá trị ghép nối giữa đầu vào/ đầu ra của bộ lọc với hốc cộng hưởng đầu tiên / cuối cùng đã thu

được từ ma trận hệ số ghép, thay vào (13) ta có Q e đạt xấp xỉ giá trị bằng 36 So sánh kết quả mô phỏng và

tính toán lý thuyết, nhận thấy rằng tại độ cao giắc h = 2

mm, hai giá trị có kết quả tương đồng Trên đồ thị biểu diễn kết quả cho thấy tần số cộng hưởng sai lệch đôi chút so với tần số trung tâm, tuy nhiên có thể điều chỉnh bằng các vít điều chỉnh tần số cộng hưởng

Hình 10 S 11 dưới dạng biên độ và pha với chiều cao

giắc khác nhau

Hình 11 Giá trị độ trễ nhóm với độ cao nối giắc khác

nhau

Hình 12 Hệ số Q e với độ cao giắc khác nhau

*Ghép nối giữa hai khung cộng hưởng liền kề

Về cơ bản, hệ số ghép nối giữa các hốc cộng

hưởng siêu cao tần được ghép nối với nhau được xác

định trên cơ sở tỷ lệ của kết hợp với năng lượng tích

lũy:

1 x 2 1 2

E E v H H v

k

E v E v H v H v

e d e d m d m d

´

Trong đó E và H là các vector điện trường và từ

trường; k là hệ số ghép Lưu ý rằng, tất cả các trường

đều được xác định khi cộng hưởng và thể tích được

tính trên toàn bộ vùng ảnh hưởng với hằng số điện môi

e và độ từ thẩm m

Có nhiều cách để có thể ghép hai hốc cộng hưởng

gần nhau, trong đó cách đơn giản nhất là tạo một khe

trên tường chắn kim loại chia cách hai hốc cộng

hưởng, được gọi vách ngăn (Iris) Vách ngăn này được

gọi là phần tử kích thích dạng nhiễu xạ Mô hình thực

hiện mô phỏng ghép hai hốc cộng hưởng liền kề được

thể hiện trên hình 14

Hình 13 Ghép nối tổng quát giữa hai hốc cộng hưởng

Hình 14 Mô hình thực hiện mô phỏng ghép nối 2 hốc

cộng hưởng liền kề

Hình 15 S 21 với các giá trị chiều rộng vách ngăn khác

nhau

Tổng ghép nối giữa hai hốc cộng hưởng liền kề

sẽ có cả các thành phần từ trường và điện trường Bởi vậy, một vít điều chỉnh được thêm vào giữa khe hẹp của vách ngăn từ phần nắp đi sâu xuống dưới vùng có cường độ từ trường mạnh nhất làm việc giống một cuộn cảm mắc song song vào đường truyền, mục đích làm tăng ghép nối thành phần từ trường và làm giảm thành phần điện trường để đạt được tổng ghép nối tương ứng Thực hiện mô phỏng với các giá trị khác nhau với độ rộng vách ngăn và chiều dài vít (đơn

vị:mm) ta thu được các giá trị S 21như Hình 15 Ma trận

hệ số ghép kij được tính toán theo công thức (15)

0

j

W B

f

Áp dụng công thức (15) và mô phỏng được thể hiện trên các hình 15 đến hình 17 ta xác định hệ số ghép kij:

k 12 = k 78 = 0.02 k 23 = k 67 = 0.022

k 34 = k 56 = 0.011 k 45 = 0.014

Hình 15 Ảnh hưởng độ rộng khe chắn tới hệ số ghép

Hình 16 Ảnh hưởng độ dày khe chắn tới hệ số ghép

Hình 17 Ảnh hưởng độ dài vít tới hệ số ghép

*Ghép nối chéo 1-4 và 5-8

Sơ đồ ghép nối chép được thể hiện trên hình 18

Chiều cao vách ngăn điện dung được xác định nằm

trong vùng có phân bố điện trường mạnh nhất, là

khoảng không giữa bề mặt của vít điều chỉnh cộng

hưởng và phần hở mạch của trục cộng hưởng trung

tâm Quá trình mô phỏng được thực hiện với chiều cao

của vách ngăn tương ứng trong khoảng này Nhận thấy

rằng khi, tăng kích thước chiều rộng của vách ngăn, độ

rộng băng thông tăng lên tương ứng hệ số ghép tăng

lên Khi cùng tăng chiều rộng và chiều dài vách ngăn

càng tiến vào vùng có điện trường mạnh hệ số ghép

càng tăng lên nhanh chóng Tính toán ma trận hệ số

ghép và kết quả mô phỏng từ hình 19 đến hình 20 xác

định được kích thước vách ngăn điện dung:

+ Ghép chéo 1-4: Chiều rộng: 12 mm

Chiều cao: 8 mm + Ghép chéo 5-8: Chiều rộng: 10 mm

Chiều cao: 6 mm

Hình 18: Mô hình mô phỏng thực hiện ghép chéo

Hình 19 Mô hình thực hiện mô phỏng ghép chéo

Hình 20 Hệ số ghép chéo với chiều cao vách ngăn

điện dung 6 mm

III MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC

* Mô phỏng trên phần mềm CST studio

Từ tham số của bộ lọc, việc tính toán và mô phỏng để xác định kích thước các hốc cộng hưởng, các ghép nối liền kề, ghép nối chéo, ghép nối vào ra, xác định được kích thước cơ khí được thể hiện trên Bảng 3 Việc mô phỏng được thực hiện nhiều lần với việc điều chỉnh các tham số khác nhau để đạt được kết quả tối

ưu Trên Hình 21 thể hiện kết quả mô phỏng của bộ lọc

Bảng 3: Tham số chế tạo của bộ lọc

TT Tham số kỹ

thuật

Kích thước

1

Hốc cộng hưởng Chiều cao: 16 mm

Chiều rộng: 16 mm

Trục cộng hưởng trung tâm

Đường kính trục ngoài: 7mm

Đường kính lỗ vít: 4mm Chiều cao: 9 mm Vít điều chỉnh

2

Vách ngăn ghép nối thẳng giữa các khung

Chiều cao: 16 mm Chiều rộng: 6mm

Độ dày: 2 mm Vít điều chỉnh

3

Vách ngăn ghép nối chéo

Ghép chéo 1-4 Chiều rộng: 12 mm

Chiều cao: 8 mm Ghép chéo 5-8 Chiều rộng: 10 mm

Chiều cao: 6 mm

4

Giắc kết nối SMA Chiều cao: 2 mm

Hình 21 Kết quả mô phỏng bộ lọc

* Chế tạo và đo đạc trong phòng thí nghiệm

Sau khi tối ưu hóa, bộ lọc được dựng mô hình 3D

và thực hiện gia công bằng máy phay CNC, vật liệu

được chọn là nhôm nguyên khối, sau khi chế tạo xong

được mạ một lớp bạc Kích thước của bộ lọc (DxRxC)

= 82 x 46 x 24 (mm)

Trên hình 22 là bản vẽ 3D chế tạo bộ lọc, từ bản

vẽ này ta có thể dễ dàng gia công và chế tạo bộ lọc này

và so sánh kết quả trên thực tê Trên hình 23 thể hiện

các khoang thực tế bên trong của bộ lọc Trên hình 24

thể hiện bên ngoài bộ sau khi đã hiệu chuẩn Việc điều

chỉnh cộng hưởng và ghép nối được thiết lập trước, các

vít điều chỉnh này được bắt trên phần nắp của bộ lọc

mỗi vít đều có hai đai ốc để cố định vị trí và đáp ứng

được quá trình tinh chỉnh trong quá trình đo đạc trong

phòng thí nghiệm Quá trình hiểu chỉnh và đo đạc tham

số bộ lọc được thực hiện trên máy phân tích mạng

E5071C, trên hình 25 thế hiện việc hiệu chỉnh và đo

đạc tham số của bộ lọc

Hình 22 Bản vẽ 3D chế tạo bộ lọc

Hình 23 Khoang bên trong của bộ lọc

Hình 24 Bộ lọc đã hoàn chỉnh sau khi hiệu chuẩn

Một khía cạnh khác rất quan trọng và xử lý bề mặt của khoang Mạ bạc được áp dụng cho mặt trong của khoang, bề mặt trong của nắp, các vít điều chỉnh cũng như toàn bộ bề mặt ngoài Do tính chất dẫn điện cao của bạc nên hiệu suất suy hao chèn được cải thiện đáng kể

Trên hình 25 thể hiện việc đo đạc cũng như hiệu chuẩn bộ lọc Kết qua đo đạc sau khi đã hiệu chỉnh xong được thể hiện trên hình 26 Nhìn chung một kết quả phù hợp giữa mô phỏng và bộ lọc được chế tạo

Hình 25 Đo đạc, hiệu chỉnh tham số bộ lọc trong PTN

Hình 26 Kết quả đo của bộ lọc

(hệ số phẩm chất) cao và độ dốc lớn Ngoài ra, việc sử

dụng các vít điều chỉnh cho phép điều chỉnh tần số và

băng thông sau sản xuất Các phép đo tham số của bộ

lọc đã điều chỉnh đã đạt được như thiết kế theo lý

thuyết.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Y Wang and M Yu, “True inline cross-coupled coaxial

cavity filters,” IEEE Trans Microw Theory Techn., vol.

57, no.12, pp 2958-2965, Dec 2009

[2] M Höft and F Yousif, “Orthogonal coaxial cavity filters

with distributed cross-coupling,” IEEE Microw Wireless

Compon Lett., vol 21, no.10, pp 519-521, Oct 2011.

[3] X Du, P Tang and B Chen, “Design of a C-band coaxial

cavity band pass filter,” Prog Electrm Res Symp Proc.

Guan China., pp 1065 - 1068, Aug 2014.

[4] S Kurudere and V B Ertürk, “Novel microstrip fed

mechanically tunable combline cavity filter,” IEEE

Microw Wireless Compon Lett., vol 23, no.11, pp

578-580, Nov 2013

[5] M Yuceer, “A reconfigurable microwave combline

filter,” IEEE Trans Circt Syst., vol 63, no.1, pp 84-88,

Jan 2016.

[6] Oleksandr Glubokov, “ Development of waveguide filter

structures for wireless and satellite communications”,

March 2011

[7] C M Kudsia, R J Cameron and R R Mansour

“Microwave filters for communication systems:

fundamentals, design, and applications 2nd” Wiley,

2018.

[8] Dhanasekharan Natarajan, “A Practical Design of

Lumped, Semi-lumped & Microwave Cavity Filters”.

Lecture Notes in E Engineering, 2013.

[9] L Young G Matthaei and E.M.T Jones “Microwave

Filters, Impedance Matching Networks, and Coupling

Structures” Artech House, 1980.

[10] Daniel G Swanson, “Narrowband Combline Filter

Design with ANSYS HFSS”, DGS Associates, 2017.