Bài viết trình bày thiết kế một bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng sử dụng cấu trúc mống mắt dựa trên mô hình nghịch đảo trở kháng K. Cấu trúc bộ lọc được thực hiện bằng cách chèn thêm các mống mắt với kích thước độ rộng khác nhau để thay đổi chiều dài các hốc cộng hưởng.
Trang 1Thiết kế bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng
dùng cho thông tin vệ tinh băng Ku
Đinh Xuân Đông, Nguyễn Huy Hoàng, Lương Duy Mạnh
Khoa Vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Email: dinhxuandong1010@gmail.com,
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi trình bày thiết
kế một bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng sử dụng cấu
trúc mống mắt dựa trên mô hình nghịch đảo trở kháng
K Cấu trúc bộ lọc được thực hiện bằng cách chèn thêm
các mống mắt với kích thước độ rộng khác nhau để thay
đổi chiều dài các hốc cộng hưởng Bộ lọc thông dải được
thực hiện trên cấu trúc ống dẫn sóng WR75 sử dụng
mống mắt có tổn hao ngược tốt hơn 20 dB và băng thông
5.3% trong dải 14,75-14,5 GHz Bộ lọc sử dụng vật liệu
nhôm gồm 8 hốc cộng hưởng hoạt động ở băng tần Ku và
có thể sử dụng cho thông tin vệ tinh Kết quả mô phỏng
bộ lọc được thực hiện trên 2 phần mềm CST và HFSS
với mô hình ghép mống mắt và sử dụng phương pháp
Chebyshev cho thấy độ dốc vùng chuyển tiếp cao và cho
độ gợn nhỏ hơn 0.044 dB
Keywords- Thông tin vệ tinh, Bộ lọc trên ống dẫn sóng,
Mống mắt, Nghịch đảo trở kháng K
I GIỚI THIỆU Ngày nay, thông tin vệ tinh băng Ku đang ngày
càng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng ở cả
dân sự và quân sự Bộ lọc siêu cao tần trong hệ thống
thông tin vệ tinh băng Ku được sử dụng ở cả máy phát
và máy thu Khi sử dụng ở máy phát, các bộ lọc này
yêu cầu phải chịu được mức công suất lớn và có chất
lượng cao để loại bỏ các thành phần tần số không mong
muốn ở ngoài dải Mặc dù các bộ lọc hướng tới việc
thu nhỏ và tích hợp bằng cách sử dụng công nghệ mạch
dải và vi dải nhưng các công nghệ này không chịu
được mức công suất lớn ở máy phát Bộ lọc ống dẫn
sóng có thể xử lý tín hiệu ở mức công suất cao, thích
hợp sử dụng cho bộ lọc siêu cao tần yêu cầu công suất
lớn bởi vì nó có kích thước phù hợp và tổn hao thấp, do
đó hiệu suất của bộ lọc trên ống dẫn sóng hình chữ nhật
có thể đem đến khả năng xử lý tốt hơn cho đường lên
của hệ thống thông tin vệ tinh Thành phần cơ bản của
bộ lọc ống dẫn sóng là hốc cộng hưởng khoang Hình
dạng của khoang sẽ quyết định đến tần số cộng hưởng
Bài báo này trình bày về quy trình thiết kế một bộ lọc
thông dải cho tần số băng tần Ku, hoạt động ở dải
13,75 GHz – 14,5 GHz sử dụng công nghệ ống dẫn
sóng và cấu trúc thiết kế ghép mống mắt Bộ lọc sử
dụng ống dẫn sóng nhôm bao gồm 8 hốc cộng hưởng
cho dải thông hoạt động là 5.3% và độ gợn là 0,044,
cho phép bộ lọc có thể được sử dụng trong đường lên của hệ thống thông tin vệ tinh
Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: trong phần II, trình bày cơ sở quy trình thiết kế bộ lọc Trong phần III, nhóm nghiên cứu trình bày một thiết kế
bộ lọc thông dải băng Ku Phần IV trình bày kết quả
mô phỏng Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần V
II CƠ SỞ QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC Chúng tôi sử dụng bộ lọc Chebyshev để làm cơ sở thiết kế mạch lọc và mô phỏng trường điện từ (EM) để tổng hợp các kích thước vật lý của bộ lọc Hình 1 minh họa mô hình một bộ lọc Chebyshev sử dụng mô hình nghịch đảo trở kháng K Theo [6] Các bộ nghịch đảo trở kháng Kn, n + 1 có liên quan đến các phần tử nguyên mẫu bộ lọc thông thấp chuẩn hóa trên phần tử tập trung
g0, g1, g2,…,gN + 1.
Mô hình nghịch đảo trở kháng K:
Hình 1 Mô hình nghịch đảo trở kháng K cho bộ lọc
Chebyshev
Tham số Δ trong công thức (2.1) - (2.2) là dải thông Đối với một môi trường phân tán, Δ được cho bởi Δ = (λg1 - λg2)∕λg0, trong đó λg0 là bước sóng lan truyền tại tần số trung tâm và λg1 và λg2 là bước sóng lan truyền tại các tần số biên Các giá trị gk thông thường cho đáp ứng Chebyshev được xác định theo công thức:
(2.1)
(2.2)
Trang 2n lẻ
n chẵn
trong đó n là thứ tự khâu lọc và LARlà độ gợn trong
băng thông có thể được tính toán từ
tổn hao ngược của bộ lọc Bộ nghịch đảo trở kháng và
dẫn nạp về cơ bản chính là biến áp trở kháng và biến
áp dẫn nạp, tương ứng Các bộ nghịch đảo
này có thể được thực hiện trên bất kỳ phần tử tập trung
nào sử dụng biến đổi tương đương
Từ công thức (2.3) ta tính được bộ tham số cho phần
tử tập trung như sau:
g0 = 1, g1 = 1.01872, g2 = 1.45177, g3 = 1.96809, g4 =
1.65701, g5 = 2.02504, g6 = 1.61042, g7 = 1.77421, g8 =
0.33529, g9 = 1.22210 Với bộ tham số này ta sẽ thay
vào (2.1) và (2.2) để tìm ra các giá trị K và chuyển
sang phần tiếp theo để tìm ra kích thước vật lý của
phần tử phân bố
III THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG KU
Trong phần này, chúng tôi xem xét thiết kế bộ lọc
kết hợp cấu trúc mống mắt Chebyshev tám cực như
được thể hiện trong Hình 2 Chúng tôi kết hợp mô
hình mạch nghịch đảo trở kháng K được thể hiện trong
Hình 1 với mô phỏng EM để tính toán kích thước vật
lý bộ lọc Bộ lọc bao gồm các hốc cộng hưởng nửa
bước sóng hình chữ nhật hoạt động với trường cơ bản
TE101 được phân tách bằng mống mắt Với việc sử
dụng mô phỏng EM, ma trận tán xạ của mống mắt và
từ đó ma trận T tương đương của nó có thể được dẫn
ra Mỗi mống mắt được biểu thị bằng hai điện cảm nối
tiếp ký hiệu là Xs và điện cảm song song ký hiệu là Xp
Sau đó có thể suy ra mống mắt của ống dẫn sóng thành
mạch tương đương như Hình 2.b Để bố trí mạch theo
dạng mô hình biến đổi trở kháng K như trong Hình 1,
chúng ta sử dụng mạch nghịch đảo trở kháng K
(b)
(c) Hình 2.Bộ lọc mống mắt ống dẫn sóng 8 cực: (a) bộ lọc nhìn từ trên xuống, (b) mạch tương đương và (c)
mạch tương đương đã điều chỉnh
Nó bao gồm một mạng cảm ứng hình T và hai phần φ/2 mỗi bên Bộ nghịch đảo K được tạo ra bằng cách thêm chiều dài φ/2 và chiều dài -φ/2 ở mỗi bên của điểm giám đoạn như Hình 2.c Mạch của Hình 2.c hoàn toàn có dạng giống như mạch nghịch đảo trở kháng K trong Hình 1 Các hốc cộng hưởng trong trường hợp này là các đường truyền có chiều dài Ln nối với hai đường truyền có độ dài -φn/2 và -φn+1/2 Sử dụng phần mềm mô phỏng EM, các tham số tán xạ của mống mắt có thể được dẫn ra Các phần tử của ma trận truyền T thể hiện trong Hình 2.c, Xs và Xp có liên quan đến các tham số tán xạ như sau:
Trong đó S11 và S21 là các tham số ma trận tán xạ của trường TE10 Đối với bộ nghịch đảo trở kháng K, Xs và
Xp liên hệ với K và φ như sau:
Cả X s và X p và do đó K và φ là các hàm của chiều rộng
mống mắt W.Vì các hàm này không rõ ràng, chúng ta cần chạy mô phỏng EM cho một loạt các chiều rộng
mống mắt để tính toán các tham số S và X s , X p, φ và
K Điều này sẽ cho phép xây dựng một bảng tra cứu
hoặc một đường cong cho K so với W Với giá trị K đã
tính được ở phần II, chúng tôi có thể xác định chiều rộng mống mắt W và sau đó sử dụng giá trị φi để tính
(2.3)
Trang 3Tiếp theo là bước chuyển sang kích thước vật lý của
bộ lọc bằng kỹ thuật EM (còn gọi là mô hình EM)
Hình 3.Mô hình nghịch đảo trở kháng (giữa) cho một
cửa sổ cảm ứng trong ống dẫn sóng
Mô hình của một mống mắt được mô tả trong Hình 3
Trong trường hợp này, độ dày t của tất cả các cửa sổ là
cố định t = 2 mm Pha φ của mô hình là âm, trong khi
Xs và Xp (chuẩn hóa đối với Z0, trở kháng đặc trưng
của chế độ cơ bản ống dẫn sóng) là dương
Thuật toán thiết kế mống mắt đối xứng gồm các bước:
1) Lấy ước lượng ban đầu cho chiều rộng mống mắt,
ví dụ, sử dụng các mô hình từ [9] hoặc một số dữ
liệu EM của các thiết kế trước đó
2) Thực hiện mô phỏng EM bằng HFSS hoặc CST ở
tần số trung tâm của mống mắt để thu được S11 và S12
3) Nhận các giá trị của mô hình bằng các công thức:
4) Nhận giá trị cho biến đổi thực của lần lặp đầu tiên
K(1) được cho bởi
5) So sánh K(1) với K mong muốn nếu K(1)thấp hơn K,
thì tăng khớp nối (mở nhẹ cửa sổ cảm ứng); nếu không
thì giảm khớp nối (đóng nhẹ cửa sổ)
6) Lặp lại các bước 2–5 n lần cho đến khi khoảng cách
K - K (n) trở nên không đáng kể
7) Với giá trị cuối cùng của φ đối với tất cả các Bộ
nghịch đảo, lấy độ dài tùy chỉnh của các bộ
cộng hưởng liền kề Hốc cộng hưởng r sẽ được điều
chỉnh bởi bộ nghịch đảo r - 1 và r (bộ nghịch đảo ở
mỗi đầu của hốc cộng hưởng r):
Ở bước đầu tiên chúng ta thu được một hốc cộng
hưởng cùng hai mống mắt ở hai đầu trong Hình 4.a
(a)
(b) Hình 4 a) Khâu lọc đầu tiên của bộ lọc b) Hai khâu
lọc đầu tiên của bộ lọc
Tiếp tục thêm khâu lọc và lặp đi lặp lại các bước thiết
kế như đã nêu ở trên chúng ta thu được kết quả tham
số tán xạ của từng bước tương ứng với số khâu lọc như Hình 5
(a) Tham số S11
(b) Tham số S21 Hình 5 Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc
qua các bước
Cứ như vậy chúng ta thực hiện các bước thiết kế cho đến khi bộ lọc đủ 8 hốc cộng hưởng như trong Hình 6.a và kết quả bộ lọc cuối cùng chúng ta nhận được như trong hình 6.b
Trang 4(a)
(b) Hình 6 a) Các kích thước đầy đủ của bộ lọc b) Hình
ảnh 3D của bộ lọc hoàn chỉnh
Kích thước (đơn vị mm) thu được sau quy trình này và
đã được tối ưu hóa là:
a = 19.05, b = 5.525 w1 = w9 = 10.345, w2 = w8 =
7.222, w3 = w7 = 6.217, w4 = w6 = 5.859, w5 = 5.728
l1 = l8 = 9.044, l2 = l7 = 10.869, l3 = l6 = 11.349, l4 = l5 =
11.449, t = 2, cho tất cả Mống mắt
IV KẾT QUẢ Kết quả mô phỏng bộ lọc trên ống dẫn sóng chữ
nhật ghép mống mắt và bộ lọc ống dẫn sóng bao gồm 8
hốc cộng hưởng bằng phần mềm HFSS và CST được
biểu diễn dưới dạng tham số S Tham số S lần lượt là
S21, S11 và S12, S22 được thể hiện trên Hình 7 Từ hình
ảnh cho thấy tần số trung tâm và băng thông thu được
là đạt chỉ tiêu yêu cầu
Từ kết quả trong Hình 7.b và Hình 7.c, Chúng ta
thấy rằng bộ lọc đạt được rất gần khớp các tham số tán
xạ của bộ lọc được mô phỏng lý thuyết Hình 7.a và có
tổn hao ngược trong dải thông lớn hơn 20 dB và có dải
thông 13,75-14,5 GHz
(b)
(c) Hình 7 a) Kết quả mô phỏng lý thuyết của bộ lọc; b) Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ lọc sau thiết kế sử dụng phần mềm CST; c) Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ lọc sau thiết kế sử dụng phần mềm HFSS Bảng 1 phía dưới so sánh chỉ tiêu thiết kế của bộ lọc với một số công trình đã công bố trước đó Có thể nhận thấy ưu điểm của bộ lọc được thiết kế có độ gơn nhỏ và dải thông tương đối rộng ở băng Ku so với các công trình khác
Bảng 1 So sánh các tham số kỹ thuật của bộ lọc:
Bài báo
Loại Chebysev Chebysev Chebysev Chebysev
Tần số trung tâm 14.12 GHz 14.2 GHz 15 GHz 13.87 GHz Dải thông 750 MHz 900 MHz 40 MHz 340 MHz
Độ gợn trong dải thông 0.044 dB 0.1 dB 0.19 dB 0.18dB
KẾT LUẬN
Bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng hình chữ nhật bằng nhôm băng tần Ku được thiết kế và mô phỏng dựa trên ống dẫn sóng WR75 cho các ứng dụng thông tin
vệ tinh băng tần Ku Bộ lọc ống dẫn sóng hình chữ nhật được hình thành bằng phương pháp ghép mống mắt Kết quả mô phỏng này cho thấy sự tồn tại của sóng điện từ lan truyền qua các lỗ hình thành trên một tấm chắn kim loại được đưa nó vào trong ống dẫn sóng hình chữ nhật và tạo thành 8 hốc cộng hưởng Đáp ứng
bộ lọc đã được thực hiện thành công trong mô phỏng
để thu được một kết quả tốt Kết quả thu được có độ
Trang 5TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lahcen Yechou, A Tribak, M Kacim, “Ku-band
Waveguide band-pass filter with iris radius,” 2014
International Conference on Multimedia
Computing and Systems (ICMCS), Apr 2014.
[2] S Upadhyay and C Panchal, “Development of
Narrowband Microwave Bandpass Filter for Ku
Band,” 2016 International Conference on
Wireless Communications, Signal Processing and
Networking (WiSPNET), Mar 2016
[3] M Latif, F Shafq, M Q Shafque, “Design &
Realization of Direct Coupled Ku-band
waveguide Iris Filter using Coupling Matrix
Model,” Proceedings of 2012 9th International
Bhurban Conference on Applied Sciences &
Technology (IBCAST), Apr 2012
[4] G Zhao, Z Zhang, X Lv, H Sun, “A Ku Band
Waveguide Bandpass Filter with E-Plane Metallic
Diaphragm,” 2010 International Conference on
Microwave and Millimeter Wave Technology,
May 2010
Measurement of Cavity Enclosed Microstrip
Edge-coupled Bandpass Filter at Ku Band,” 2015
IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), Sept 2015.
[6] R J Cameron, C M Kudsia, R R Mansour,
“Design and Physical Realization of Coupled
Resonator Filters,” Microwave Filters for Communication Systems: Fundamentals, Design, and Applications, Wiley Telecom, 2018
[7] T.S Saad, et al (eds) Microwave Engineer’s Handbook, 1971, Artech House, Norwood, MA [8] Collin, R.E., Foundation for Microwave Engineering, McGraw-Hill, 1966, New York [9] Hong, J and Lancaster, M.J (2001) Microstrip filters for RF/Microwave Applications, Wiley,
New York
[10] CST, Microwave Studio, www.cst.com
[11] ANSYS HFSS,http://www.ansys.com