Nghiên cứu phát triển các bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng, ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

Việc nghiên cứu, đề xuất một phương pháp mới trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng thiết lập, điều chỉnh các tần số cộng hưởng một cách độc lập là rất cần thiết.. Đã có

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

NGUYỄN TRẦN QUANG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN

ĐA BĂNG CÓ KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘC LẬP TẦN SỐ

Kỹ thuật Điện tử

62 52 02 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS TẠ CHÍ HIẾU

2 TS VŨ TUẤN ANH

Phản biện 1: PGS TS ĐỖ QUỐC TRINH - HỌC VIỆN KỸ THUẬT

QUÂN SỰ

Phản biện 2: PGS TS VŨ VĂN YÊM - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phản biện 3: PGS TS LÊ VĨNH HÀ - VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trước đây với các thiết bị thông tin vô tuyến truyền thống hoạt động trên một băng tần chỉ sử dụng bộ lọc thông dải có một băng tần đáp ứng, thì hiện nay với yêu cầu tích hợp nhiều công nghệ siêu cao tần khác nhau trên cùng một thiết bị thông tin vô tuyến đã đặt ra vai trò cần thiết của bộ lọc siêu cao tần đa băng Với một thiết bị vô tuyến khai thác đồng thời cả công nghệ WLAN ở tần

số 2,4GHz và công nghệ WiMAX ở tần số 3,5GHz sẽ sử dụng bộ lọc thông dải

có hai băng tần tương ứng Ngoài ra, với sự phát triển liên tục của các công nghệ mới, cùng một công nghệ có thể sử dụng trên nhiều băng tần khác nhau Hiện nay, với một thiết bị vô tuyến sử dụng công nghệ WLAN theo chuẩn 802.11n (năm 2009) hoặc theo chuẩn 802.11ac (năm 2013) sẽ khai thác đồng thời cả hai băng tần 2,4GHz và 5GHz

Trong thiết kế các bộ lọc thông dải, việc lựa chọn và điều chỉnh tần số cộng hưởng của băng tần đóng vai trò quyết định Đối với bộ lọc siêu cao tần đa băng, việc lựa chọn và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần cũng quyết định đến tính năng hoạt động của bộ lọc, phức tạp hơn

do có nhiều băng tần khác nhau Nhiều công trình về bộ lọc siêu cao tần đa băng đề xuất có các tần số cộng hưởng của các băng tần bị phụ thuộc lẫn nhau, dẫn đến việc thiết lập và điều chỉnh trong quá trình thiết kế phức tạp, gặp nhiều khó khăn Việc nghiên cứu, đề xuất một phương pháp mới trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng có khả năng thiết lập, điều chỉnh các tần

số cộng hưởng một cách độc lập là rất cần thiết

Một trong các phương pháp cơ bản trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng là sử dụng các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ trên kết cấu mạch dải không đối xứng Trong các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ cơ bản, có một

số cấu trúc có khả năng thiết lập các tần số cộng hưởng không phụ thuộc lẫn nhau Tuy nhiên các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ cơ bản này chưa đáp ứng được khả năng thiết lập và điều chỉnh độc lập các tần số cộng hưởng cho các bộ lọc siêu cao tần ba băng, bốn băng trong thực tế Việc phát triển

từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới có khả năng trên là một hướng nghiên cứu hợp lý

Đã có một số luận án của nghiên cứu sinh trong nước gần đây nghiên cứu về bộ lọc đa băng, tuy nhiên chưa có hướng nghiên cứu nào tập trung

về khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần đa băng ứng dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến có khả năng đơn giản, độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tập trung vào các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ được phát triển từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản trên kết cấu mạch dải không đối xứng có khả năng thiết lập các tần số cộng hưởng độc lập

4 Phương pháp nghiên cứu

 Từ nghiên cứu tài liệu cơ sở lý thuyết cơ bản và các tài liệu tham khảo, nghiên cứu thiết kế các cấu trúc cộng hưởng mới sử dụng thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng

 Sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu chỉnh các cấu trúc đề xuất

 Chế tạo sản phẩm, so sánh kết quả thực tế với kết quả mô phỏng

5 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn

Luận án đã đóng góp nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và khoa học trong xu hướng phát triển chung của lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay Các kết quả đạt được của luận án phù hợp với thực tiễn hoạt động khoa học nghiên cứu trong thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần đa băng trên kết cấu mạch dải không đối xứng, làm đơn giản hóa việc thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của các băng tần một cách độc lập, giải quyết được các vấn đề khó khăn và phức tạp trước đây do ảnh hưởng phụ thuộc lẫn nhau giữa các tần số cộng hưởng trung tâm của một bộ lọc siêu cao tần

đa băng

6 Bố cục luận án

Bố cục của luận án gồm: Mở đầu, 3 chương và kết luận

 Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, những đóng góp mới của luận án

 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG

 Chương 2: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ

BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG

 Chương 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT

 Kết luận: Những đóng góp mới của luận án, hướng phát triển nghiên cứu

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN

ĐA BĂNG 1.1 Tổng quan về bộ lọc siêu cao tần đa băng

1.1.1 Giới thiệu chung về bộ lọc siêu cao tần đa băng

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng với chức năng chọn lọc tần số hoạt động Đối với hệ thống thông tin vô tuyến hoạt động ở dải siêu cao tần, bộ lọc siêu cao tần thu/phát là khối nằm cạnh khối ăng-ten

Hình 1.1 Sơ đồ khối rút gọn hệ thống thông tin vô tuyến siêu cao tần

Hiện nay phương pháp sử dụng kết cấu mạch dải, nhất là mạch dải không đối xứng (microstrip) đang là xu hướng phát triển

1.1.2 Các phương pháp thiết kế bộ lọc siêu cao tần đa băng

1) Phương pháp dựa trên các lý thuyết thiết kế bộ lọc kinh điển

2) Phương pháp sử dụng các điểm không truyền dẫn

3) Phương pháp sử dụng bộ cộng hưởng đa chế độ

4) Phương pháp nối tầng các bộ lọc độc lập

1.2 Tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần đa băng

1.2.1 Các nghiên cứu về bộ lọc siêu cao tần đa băng

 Các nghiên cứu về bộ lọc hai băng

Bộ lọc thu

Khuếch đại cao tần

Lọc siêu cao tần

Ăng-ten

Bộ trộn

Bộ lọc thông dải

Bộ lọc phát

Khuếch đại công suất

Bộ lọc thông dải

Bộ trộn

Xử

lý tín hiệu Ngoại

sai

 Các nghiên cứu về bộ lọc ba băng

 Các nghiên cứu về bộ lọc bốn băng

1.2.2 Nhận xét chung

Nhiều phương án đã đem lại các kết quả ngày một hoàn thiện, tuy nhiên qua tổng hợp và đánh giá một số công trình tiêu biểu, các nghiên cứu chưa tập trung vào khả năng thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần một cách độc lập và đơn giản

1.3 Hướng nghiên cứu của luận án

Hướng tập trung của luận án là nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng đa chế độ mới có khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng của các băng tần sử dụng thiết kế, chế tạo

bộ lọc siêu cao tần đa băng

1.4 Tiêu chí chung các bộ lọc siêu cao tần đa băng đề xuất

- Các băng tần cho các công nghệ: trong dải quy định 4G (1,8GHz), WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); hoặc trong dải lựa chọn từ 5GHz đến 6GHz cho WLAN hoặc WiMAX

- Trong các băng tần -3dB ≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB

- Rogers RO4003 ε r =3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027

Chương 2 XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG THIẾT KẾ BỘ LỌC

SIÊU CAO TẦN ĐA BĂNG 2.1 Các cấu trúc cộng hưởng cơ bản



0

2



2.1.2 Bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch

Hình 2.2 Cấu trúc của bộ cộng hưởng dây chêm hở mạch

Tần số cộng hưởng chế độ lẻ:

eff A

o L

c f



2

 , chế độ chẵn:

eff B A

e

L L

c f



) 2



2.1.3 Bộ cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Hình 2.3 Phân tích cấu trúc dây chêm ngắn mạch theo chế độ chẵn, lẻ: (a) cấu trúc dây

chêm ngắn mạch; (b) chế độ lẻ; (c) chế độ chẵn

Tần số cộng hưởng chế độ lẻ:

eff A

o

L

c f



2

 , chế độ chẵn:

eff B A

e

L L

c f



) 2 (

L

c f

Tần số cộng hưởng chế độ chẵn:

eff B A

e

L L

c f



) 2 ( 2

1



eff C A

e

L L

c f



) 2 (

2.2.1 Thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng

½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Hình 2.5 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Tần số cộng hưởng đoạn mạch đường truyền ½ bước sóng:

eff L

c f





0 2



Tần số cộng hưởng dây chêm ngắn mạch:

eff A

o

L

c f



2

eff B A

e

L L

c f



) 2 (

Bảng 2.1 So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết

Tần số

Tính toán lý thuyết (mm)

Kết quả mô phỏng (mm)

Hình 2.6 Kết quả mô phỏng giá trị /S21/ của bộ lọc khi thay đổi giá trị khoảng cách d

2.2.2 Thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi

Hình 2.7 Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi:

(c) Di chuyển vòng vuông lên trên

Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng:

eff A

o

L

c f



2

eff B A

e

L L

c f



) 2 ( 2

1



eff C A

e

L L

c f



) 2 (

Bảng 2.2 So sánh So sánh số liệu mô phỏng với số liệu tính toán lý thuyết

Tần số

Tính toán lý thuyết (mm)

Kết quả mô phỏng (mm)

Hình 2.8 Kết quả mô phỏng các giá trị /S21/ của ba cấu trúc cộng hưởng chữ thập

2.2.3 Thiết kế bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc kết hợp cộng hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng

Hình 2.9 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng chữ thập biến đổi với cộng hưởng ½ bước sóng

Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi có ba tần số cộng hưởng f o , f e1 , f e2 Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng tần số cộng hưởng thứ tư

eff L

c f





0 2

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng giá trị /S21/ của bộ lọc khi thay đổi giá trị khoảng cách d.

2.2.4 Thiết kế bộ lọc siêu cao tần bốn băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch

Hình 2.11 Cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi thêm một đoạn dây chêm ngắn mạch

Tần số cộng hưởng thứ tư do thêm đoạn mạch dây chêm:

eff D A

e

L L

c f



) 2 (

Chương 3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN

ĐA BĂNG VỚI CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG ĐỀ XUẤT

3.1 Cơ sở thiết kế, mô phỏng các bộ lọc siêu cao tần đa băng

Bộ lọc siêu cao tần đa băng được thiết kế, mô phỏng và chế tạo dựa trên bốn cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất trong Chương 2 Hai cấu trúc cộng hưởng được sử dụng cho thiết kế bộ lọc siêu cao tần ba băng và hai cấu trúc cộng hưởng cho bộ lọc siêu cao tần bốn băng

Các bộ lọc được thiết kế có theo các tiêu chí kỹ thuật chung:

- Các băng tần cho các công nghệ: trong dải quy định 4G (1,8GHz), WLAN (2,4GHz, 5GHz), WiMAX (3,5GHz); hoặc trong dải lựa chọn từ 5GHz đến 6GHz cho WLAN hoặc WiMAX

- Trong các băng tần -3dB ≥100MHz, IL≤ 3dB, RL≥14dB

- Rogers RO4003 ε r =3,55, h=0,813mm, t=0,035mm, tanδ=0,0027

3.2 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

3.2.1 Thiết kế, mô phỏng

Bộ lọc siêu cao tần ba băng được thiết kế với các tần số trung tâm của các băng tần là 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz Bộ lọc sử dụng cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Hình 3.1 Mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng kết hợp cộng hưởng ½

bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Theo thiết kế, trên mô hình cấu trúc của bộ lọc có hai cổng vào/ra được

phối hợp trở kháng 50 với các giá trị các giá trị L 10 và W 0

Đoạn mạch chính L A =L 1 +L 2 +L 3 +L 4 +L 5 trên cấu trúc cộng hưởng dây chêm

ngắn mạch quyết định tần số cộng hưởng băng thứ hai fo =2,4GHz

Độ dài của đoạn dây chêm ngắn mạch L B =L 6 trong cấu trúc cộng hưởng

dây chêm ngắn mạch quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ nhất

f e1 =1,8GHz

Cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài L 0 =L 7 +L 8 +L 9 tạo ra tần số

cộng hưởng băng tần thứ ba fλ =3,5GHz hoàn toàn độc lập

Bảng 3.1 Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần ba băng với cấu trúc cộng hưởng

kết hợp cộng hưởng ½ bước sóng với cộng hưởng dây chêm ngắn mạch

Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm)

Hình 3.2 Đặc tuyến tần số của bộ lọc ba băng đề xuất

Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày trong Bảng 3.2:

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc ba băng được thiết kế

Ưu điểm của bộ lọc là có khả năng đơn giản và độc lập trong thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng trung tâm của ba băng tần Hạn chế của cấu trúc đề xuất này là độ dài của cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng bên ngoài phụ thuộc vào kích thước vật lý của cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên trong, việc thay đổi độ dài không hoàn toàn tùy ý do ảnh hưởng đến việc phối ghép Ngoài ra cấu trúc cộng hưởng ½ bước sóng cũng có thể tạo ra các hài có thể ảnh hưởng đến các giá trị tần số cộng hưởng của cấu trúc cộng hưởng dây chêm ngắn mạch bên trong, trong quá trình thiết kế cần phải tránh các ảnh hưởng này

3.3 Bộ lọc siêu cao tần ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi

3.3.1 Thiết kế, mô phỏng

Bộ lọc siêu cao tần ba băng được thiết kế sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi với các tần số cộng hưởng trung tâm 1,8GHz, 2,4GHz và 3,5GHz Theo mô hình thiết kế, của bộ lọc có hai cổng vào/ra được phối hợp trở

kháng 50 với các giá trị các giá trị L 0 và W 0

Đoạn mạch chính trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi

L A =L 1 +L 2 +L 3 +L 4 quyết định tần số cộng hưởng băng tần thứ hai f o =2,4GHz

Đoạn dây chêm ngắn mạch L B =L 5 trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến

đổi được sử dụng để lựa chọn tần số cộng hưởng băng thứ nhất fe1 =1,8GHz

Hình 3.3 Mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng với cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi

Độ dài ½ vòng vuông trong cấu trúc cộng hưởng chữ thập biến đổi

L C =L 6 +L 7 quyết định giá trị tần số cộng hưởng thứ ba f e2 =3,5GHz

Bảng 3.3 Giá trị các tham số vật lý của bộ lọc siêu cao tần ba băng cấu trúc cộng

hưởng chữ thập biến đổi

Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm)

Đường kính của đoạn ngắn mạch d=0,5mm, kích thước vật lý của bộ lọc là

21,16mm x 18,20mm Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc:

Bộ lọc siêu cao tần ba băng tần có các thông số kỹ thuật cơ bản trình bày trong Bảng 3.4:

Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ lọc ba băng được thiết kế