Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải (tt)

Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất một số cấu trúc cộng hưởng mới để ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải cũng chính là nội dung đề tài luận án ngh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

NGUYỄN ĐỨC UYÊN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN DỰA

TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 9 52 02 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Đỗ Quốc Trinh

2 PGS TS Lê Vĩnh Hà

Phản biện 1: PGS TS Trần Xuân Tú PGS TS Bùi Ngọc Mỹ

Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Phản biện 2: PGS TS Tạ Minh Đức

Tổng cục 2, Bộ Quốc Phòng

Phản biện 3: PGS TS Bùi Ngọc Mỹ

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện, họp tại Viện Khoa học Công nghệ quân sự vào hồi……h……,

ngày…….tháng……năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Bộ lọc đóng một vai trò không thể thay thế được trong các hệ thống

vô tuyến điện tử Mặc dù các công trình nghiên cứu thiết kế trước đây đang được ứng dụng có nhiều thành tựu song vẫn còn những hạn chế cần khắc phục như độ chọn lọc tần số chưa cao, chế tạo còn tương đối phức tạp, kích thước chưa được tối ưu, chưa giảm được đáng kể các tổn hao Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất một số cấu trúc cộng hưởng mới

để ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải cũng chính là nội dung đề tài luận án nghiên cứu mà nghiên cứu sinh đang thực hiện

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới và ứng dụng trong thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng của các băng tần

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu về lý thuyết siêu cao tần, nghiên cứu cấu trúc

bộ cộng hưởng siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng dùng trong thiết kế

bộ lọc dựa trên công nghệ vi dải Xây dựng một số cấu trúc mới ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải Thiết

kế chế tạo các bộ lọc nhiều băng tần, bộ lọc dải rộng và siêu rộng mới tương đối gọn nhẹ về kích thước trọng lượng, đơn giản về cấu trúc, nâng cao được tính chọn lọc

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết các mạch cộng hưởng siêu cao tần Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế để đề xuất ra các cấu trúc mới, so sánh kết quả với các kết quả nghiên cứu trước về cấu trúc, tính năng, kích cỡ

Thực hiện phần mềm HFSS 15.0 để mô phỏng sau đó chế tạo sản phẩm, thực hiện đo kiểm, hoặc chứng minh trên lý thuyết So sánh kết quả đo lường và mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá sản phẩm

5 Nội dung nghiên cứu của luận án

Dựa vào bộ cộng hưởng nửa bước sóng, một phần tư bước sóng đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới có khả năng điều chỉnh và thiết lập độc lập các tần số cộng hưởng của các băng tần

Ứng dụng cấu trúc cộng hưởng mới đề xuất thiết kế xây dựng đưa ra được cấu trúc bộ lọc siêu cao tần dựa trên nền tảng công nghệ vi dải mới,

có tính thực tiễn cao

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý Nghĩa khoa học: Đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ

sở các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được tính toán và ứng dụng trong thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh tần số cộng hưởng của các băng

Ýnghĩa thực tiễn: Các kết quả đạt được của luận án phù hợp với đáp

ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay trong các hệ thống thông tin, viễn thông và phù hợp với thực tiễn có kết cấu nhỏ gọn dễ ràng phối ghép với các thiết bị vô tuyến điện trong lĩnh vực lọc đa băng tần và băng rộng, siêu rộng

7 Bố cục luận án

Bố cục luận án bao gồm: Mở đầu, ba chương và kết luận Mở đầu đưa

ra tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu, đối tượng phạm vi, nội dung phương pháp nghiên cứu, những đóng góp mới của luận án Chương 1 giới thiệu tổng quan về cộng hưởng vi dải, bộ lọc siêu cao tần dùng trong các hệ thống thông tin vô tuyến Tại chương 2 tổng hợp lý thuyết bộ cộng hưởng cơ bản,

cơ sở tính toán để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới Trong chương 3 đề xuất phát triển các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng, siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải và kết luận kết quả nghiên cứu, những đóng góp mới của luận án, hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC

HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1 Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến

Bộ lọc là một loại thiết bị chọn lọc tần số đặc biệt, tùy theo cách thiết kế và lắp đặt nó có tác dụng cho phép một dải tần số nhất định đi qua và chặn lại các tần số nằm ngoài dải đó hoặc ngược lại nó chặn lại một dải tần số nào đó và cho đi qua các tần số nằm ngoài dải tần số đó vì vậy nó là một phần tử không thể thiếu trong các thiết bị vô tuyến điện tử hiện nay Về kết cấu, bộ lọc là mạng bốn cực có suy giảm đặc tính trên một, hay một số khoảng nhất định của thang tần số, tần số này được đi qua gọi là thông dải hoặc bị chặn lại gọi là dải chặn

1.2 Phân loại các bộ lọc siêu cao tần

có 4 loại như trên

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại đối với các bộ lọc cơ bản và bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng

1.3.1 Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại 1.3.1.1 Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải

1.3.1.2 Bộ cộng hưởng ghép nối

1.3.1.3 Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ

1.3.1.4 Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn

Đối tượng của bộ lọc giả xen kẽ là phát triển các bộ lọc thông dải vi băng nhỏ gọn và bộ phối hợp với hiệu suất cao, đó là dễ dàng thiết kế điều chỉnh và thay đổi tần số cộng hưởng mong muốn và chi phí thấp

1.3.2 Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng, tại thời điểm hiện tại

Cùng với sự phát triển của truyền thông không dây hiện nay cấu trúc

bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng cũng đang phát triển mạnh mẽ, các công trình nghiên cứu liên tục được công bố Trong phần này sẽ đi sâu phân tích so sánh các công trình liên quan tiêu biểu đối với các nghiên cứu thực tế của luận văn, để từ đó đưa ra những so sánh và phát triển theo hướng tích cực để luận án hoàn thiện tốt hơn

1.3.2.1 Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần

Mặc dù bộ lọc sử dụng hai băng tần hiện vẫn còn được sử dụng ở một số trang thiết bị vô tuyến điện tử nhưng rất ít dùng và vì luận án này không nghiên cứu nên không đề cập so sánh sâu hơn

1.3.2.2 Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần

Trong tài liệu [90], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) đã đưa

ra thiết kế một bộ lọc ba băng tần bằng cách đưa hai điểm truyền không vào một dải đáp ứng băng rộng Các điểm truyền không thu được bằng cách sử dụng các đoạn song song hở mạch có cộng hưởng tương ứng với

vị trí của các điểm truyền không, trong khi đáp ứng băng rộng dựa trên đoạn một phần tư bước sóng Đáp ứng của bộ lọc này cho thấy, bộ lọc có hiệu suất kém trong vùng chắn dải Hơn nữa, kích thước tổng thể của bộ lọc là rất lớn

Trong tài liệu [114], tác giả VanPhuong DO (Đỗ Văn Phương) đã đưa ra thiết kế bộ lọc bốn băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng nhiều chế độ, bằng cách kết hợp hai bộ cộng hưởng một phần tư bước sóng ngắn mạch và hai bộ cộng hưởng nửa bước sóng hở mạch Bộ lọc này có

ưu điểm là có thể điều chỉnh được độc lập các tần số cộng hưởng trung tâm, tuy nhiên do sử dụng nhiều cấu trúc khác nhau nên việc điều chỉnh

độ rộng dải thông của mỗi tần số cộng hưởng sẽ khó khăn, do tín hiệu cao tần sẽ đồng thời truyền qua nhiều cấu trúc, mặt khác các cấu trúc khác nhau sẽ phụ thuộc vào kích thước vật lý nên sẽ có ảnh hưởng đến việc điều chỉnh băng tần của bộ lọc

Trong tài liệu [84], tác giả Nguyễn Trần Quang cũng sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thâp biến đổi kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc bốn băng tần Bộ lọc này tuy có ưu điểm là điều chỉnh độc lập được các tần số cộng hưởng, nhưng có nhược điểm hạn chế là độ dài của cấu trúc nửa bước sóng phụ thuộc vào cấu trúc vật lý của đoạn chêm hở mạch

1.3.2.3 Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng

Trong tài liệu[10], một bộ cộng hưởng nửa bước sóng đoạn phân nhánh đơn được sử dụng để thiết kế một bộ lọc băng thông hẹp với hai điểm truyền không, và sau đó, bộ lọc này đã được thay đổi để thiết kế bộ lọc băng thông rộng trong [95] Trong tài liệu [115], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng nhiều chế độ kết hợp với các đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế bộ lọc băng thông rộng Mặc dù bộ lọc có thể điều chỉnh được độ rộng băng tần thông qua điều chỉnh chiều dài của đoạn chêm hở mạch và ngắn mạch, phân đoạn băng thông 100.8% là tương đối rộng Tuy nhiên, do độ chính xác chế tạo hạn chế, rất khó để thực hiện được các đường ghép có trở kháng cao và khoảng cách ghép chặt chẽ

1.3.2.4 Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng

Trong những năm gần đây bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng UWB với hiệu suất cao là một thành phần thiết yếu trong các hệ thống truyền thông không dây Các bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng vi dải

đã nhận được nhiều sự chú ý do những ưu điểm như kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo, và đã được phát triển trong các tài liệu tham khảo [100]-[102] Trong [100], một bộ lọc thông dải siêu rộng mới sử dụng bộ cộng hưởng vòng đã được đưa ra Bằng cách tạo ra một bộ cộng hưởng nhiều chế độ và ghép song song với các đường nửa bước sóng và một phần tư bước sóng đã thu được một bộ lọc thông dải siêu rộng với năm cực truyền [101] Để khắc phục 1 số nhược điểm các bộ lọc thông dải băng thông siêu rộng khác nhau với dải băng chữ V sử dụng các cấu trúc khác nhau đã được đưa ra [103-108] Tuy nhiên, ít nghiên cứu mô tả ứng

dụng của bộ cộng hưởng vòng trong các bộ lọc băng thông siêu rộng với một hoặc nhiều dải chữ V dựa trên khái niệm nhiễu tín hiệu ngang Bộ lọc băng thông siêu rộng trình bày trong luận văn đã phát huy được những ưu điểm, phần nào khắc phục được hạn chế của các bộ lọc trên

1.4 Tiêu chí kỹ thuật chung của các mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu rộng đề xuất

Dải thông các băng tần của mạch lọc thiết kế (Δ-3dB) có giá trị lớn

hơn hoặc bằng 100MHz, trong các dải thông của bộ lọc, hệ số tổn hao

chèn (IR) có giá trị tuyệt đối phải nhỏ hơn 3dB, hệ số tổn hao phản hồi (RL) có giá trị tuyệt đối phải lớn hơn 14dB (Theo tiêu chuẩn điện áp tỉ số

sóng đứng VSWR đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến có chất lượng tốt

có giá trị từ 1,1 đến 1,5) Ngoài ra Tiêu chuẩn 802.16-2004 [2] cho WiMAX ở dải tần số 2–11 GHz 3G một tần số cũng được chọn 2.1 GHz, 4G ba tần số cũng được chọn 2.6 GHz; 1.8GHz; 800 MHz

Cũng căn cứ theo tiêu chuẩn FCC [31] quy định cho chuẩn một băng siêu rộng có dải tần trong phân đoạn băng thông(FBW) ở biên độ tại -10dB có giá trị lớn hơn 20% thì được gọi là băng siêu rộng UWB

1.5 Định hướng nghiên cứu của Luận án

Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế, lựa chọn kiểu, cấu trúc cộng hưởng để đề xuất ra các cấu trúc bộ lọc mới Thực hiện ứng dụng phần mềm HFSS 15.0 để thiết kế mô phỏng sau đó chế tạo ra sản phẩm, chạy thử nghiệm trên phần mềm và thực hiện

đo lường, hoặc chứng minh trên lý thuyết So sánh kết quả đo lường và

mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá về các bộ lọc nghiên cứu

1.6 Kết luận chương 1

Đã giới thiệu, phân loại các bộ lọc siêu cao tần, các nghiên cứu về

bộ lọc đến thời điểm hiện tại, đặc biệt giới thiệu và phân tích cấu trúc mạch cộng hưởng đường truyền vi dải là một cấu trúc cơ bản, nền tảng

để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới Trên cơ sở này, xây dựng tiêu chí

kỹ thuật chung của mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu rộng, thiết kế và đưa ra đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN

Chương này nghiên cứu tính chất của các bộ cộng hưởng nửa bước sóng được phối ghép sau đó đề xuất một số bộ cộng hưởng mới

2.1 Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau

2.2 Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng

Hình 2.1 (a) mô tả một bộ cộng hưởng đường truyền mở với chiều dài 𝐿 = 𝜆𝑔⁄ tương ứng 2

Hình 2.1 Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng

(a) Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng; (b) Chuẩn hóa phân bố

điện áp tại tần số cộng hưởng cơ bản và hài bậc hai

Mạch cộng hưởng vi dải chỉ xảy ra cộng hưởng khi 𝑍𝑖𝑛 = ∞, điều

đó có nghĩa là 𝑡𝑎𝑛𝛽𝐿0= 0 Khi 𝛽𝐿0= 𝜋, ta sẽ có mối quan hệ giữa

hệ số truyền sóng điện từ và chiều dài 𝐿0, với 𝛽 = 𝜋 𝐿⁄ , khi phần mạch 0cộng hưởng của đường truyền có chiều dài 𝐿0= 𝜆𝑔⁄ , tức là nửa bước 2sóng, thì lúc này hệ số truyền sóng là 𝛽 = 2𝜋 𝜆⁄ Thay 𝛽 bởi 2𝜋 𝜆𝑔 ⁄ 0

ta sẽ có được bước sóng truyền dẫn có tần số cộng hưởng 𝜆𝑔 = 2𝐿0 Quan hệ giữa bước sóng truyền dẫn và tần số trong cấu trúc là:

2.3 Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa

2.3.1 Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR)

Hình 2.3 thể hiện cấu trúc vật lý của bộ cộng hưởng đoạn chêm hở chính giữa Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) được đề xuất [28] bao gồm một bộ cộng hưởng nửa bước sóng microstrip thông thường và một đoạn hở mạch được thể hiện trong hình 2.3 Chiều dài microstrip được chêm hở gắn tại điểm chính giữa tương ứng

Hình 2.3 Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR)

(a) Cấu trúc bộ cộng hưởng chêm hở; (b) Chế độ lẻ; (c) Chế độ chẵn

Kết quả đầu vào dẫn nạp cho chế độ lẻ được biểu diễn như (2.12-2.13)

)2/tan( 1

e odd

L

c n f



12

)12



(2.13)Các tần số cộng hưởng chế độ chẵn khi Z3 = 2Z2 = Z1:

e even

L L

nc f



)2



(2.18)

Từ công thức (2.18), có nghĩa là tần số cộng hưởng đầu tiên, cụ thể

là f1_ f odd được điều khiển bởi tỷ số của trở kháng đặc trưng và chiều dài điện của đường nửa bước sóng Trong khi đó, từ công thức (2.18) tần số

cộng hưởng thứ hai, cụ thể là f2_ f even có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tỷ số trở kháng đặc trưng và chiều dài điện của đường nửa bước sóng và đoạn hở mạch

2.3.2 Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR)

Cấu trúc bộ cộng hưởng là đối xứng và phân tích chế độ đa mốt

được sử dụng để mô tả đặc tính trở kháng lối vào cho chế độ chẵn – lẻ

L L

c n f



)(4

)12(

L

c n f



1

4

)12



(2.23)

2.3.3 Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR)

Hình 2.6 Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập

Tần số cộng hưởng f 0 và chế độ chẵn 1, và chẵn 2 được tính bằng:

2.4 Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới

2.4.1 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng

Hình 2.7 Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập

Với cấu trúc của bộ cộng hưởng đoạn chêm hình chữ thập tần số cộng hưởng chế độ chẵn và chế độ lẻ, ngoài việc tạo ra được tần số cơ bản sẽ sinh ra được một tần số ở chế độ chẵn và một tần số ở chế độ lẻ [77] Các tần số cơ bản được tạo ra với các chế độ như sau:

Hình 2.8 Hai cấu trúc của cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông

Tại hình 2.8 là cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông Sau khi phối kết hợp của cấu trúc các tần số cơ bản tính như sau:

𝑓 𝜆 =𝐿 𝑐

0 √𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.37)

e even

L L

c n f



)(4

)12(2



 (2.38)

e odd

L

c n f



14

)12

 (2.39)

Cấu trúc cộng hưởng đa mốt với chế độ chẵn lẻ fodd; feven có thể tạo tiếp ra các tần số fodd1; feven2

2.4.4 Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông

Hình 2.14 (a) thể hiện bố cục của bộ cộng hưởng vòng vuông cơ bản

và cấu trúc tương đương, nó bao gồm một vòng vuông đơn và hai đoạn đường gấp ghép xác định, hình 2.14 (b) và (c) là cấu trúc tương đương ở

chế độ chẵn và chế độ lẻ của mạch cộng hưởng

Hình 2.14 Cấu trúc mạch tương đương của bộ cộng hưởng vòng

vuông (a) Cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông (b) Mạch tương đương chế độ chẵn (c) Mạch tương đương chế độ lẻ

Các tần số chẵn và lẻ có thể được tính toán như sau:

e odd

L L

c f



)(

 (2.48)

e odd

Ls L L

c f



)(

c f



)(

 (2.50)

even

L L L

c f



)(

41



