Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên các cấu trúc cộng hưởng cơ bản của công nghệ vi dải để ứng dụng trong việc thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên nền tảng của công nghệ này, có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng của các băng tần.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Đỗ Quốc Trinh 2. PGS. TS Lê Vĩnh Hà HÀ NỘI – NĂM 2019
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày tháng 01 năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Đức Uyên
iv LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Bộ quốc phòng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Đại tá PGS. TS Đỗ Quốc Trinh, Đại tá PGS. TS Lê Vĩnh Hà, các thầy giáo đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, trang bị định hướng phương pháp nghiên cứu, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học và kiểm tra đánh giá các kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu trong bốn năm qua và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, phòng Đào tạo, viện Điện tử vừa là cơ sở đào tạo, đơn vị quản lý. Trường cao đẳng Phát thanh Truyền hình I nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô, các nhà khoa học, đồng nghiệp và bạn bè thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, viện Điện tử, khoa Vô tuyến Điện tử học viện Kỹ thuật quân sự đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian qua. Tôi dành lời cảm ơn đặc biệt đến bố mẹ, gia đình vợ con, họ hàng bạn bè trong và ngoài cơ quan, những người luôn đồng hành, động viên và là chỗ dựa về mọi mặt, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để có được kết quả nghiên cứu ngày hôm nay. Tác giả Nguyễn Đức Uyên
v MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT…………….………..….vi DANH MỤC CÁC BẢNG.……………………………………...……………....ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........................................................ x MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .................................................................................................... 7 1.1. Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến ................. 7 1.2. Phân loại các bộ lọc siêu cao tần .................................................................10 1.2.1. Bộ lọc dạng sóng .................................................................................10 1.2.2. Bộ lọc phân cực ...................................................................................10 1.2.3. Bộ lọc tần số ........................................................................................11 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 ..............................14 1.3.1. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại .........14 1.3.1.1. Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải .................................................17 1.3.1.2. Bộ ghép cộng hưởng ghép nối ..........................................................20 1.3.1.3. Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ ......................................................25 1.3.1.4. Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn .......................28 1.3.2. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng, tại thời điểm hiện tại.............................................................................................32 1.3.2.1. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần ....................................35 1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần...........36 1.3.2.3. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng .......................38 1.3.2.4. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng ...............39 1.4. Tiêu chí kỹ thuật chung của các bộ lọc siêu cao tần đa băng và băng rộng, siêu rộng được đề xuất .........................................................................................40
vi 1.5. Định hướng nghiên cứu của luận án .............................................................42 1.6. Kết luận chương 1 .........................................................................................43 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 ..............................................................44 2.1. Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau ..................................................45 2.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng .................................................46 2.3. Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa ............................49 2.3.1. Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) ...........................................49 2.3.2. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR) ..............................51 2.3.3. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR) ...............53 2.4. Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới .......................................................55 2.4.1. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng .............................................................................................................55 2.4.2. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông .............58 2.4.3. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông ...................60 2.5. Kết luận chương 2 .........................................................................................65 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI ..............................................................66 3.1. Giới thiệu và phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc ........................66 3.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................66 3.1.2. Phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc siêu cao tần ................67 3.1.2.1. Trình tự thiết kế một bộ lọc ..............................................................67 3.1.2.2. Mô hình thực nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm................69 3.2. Kết quả thiết kế chế tạo, mô phỏng đo kiểm so sánh, đánh giá bộ lọc ba băng và bốn băng tần, băng rộng và băng siêu rộng bằng công nghệ vi dải ................71 3.2.1. Bộ lọc bốn băng sử dụng bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông71 3.2.1.1. Cấu trúc của bộ lọc............................................................................72
vii 3.2.1.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng .............................................................73 3.2.1.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả .................................................................75 3.2.1.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc bốn băng ................78 3.2.2. Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng ..................................................................................80 3.2.2.1. Cấu trúc của bộ lọc............................................................................81 3.2.2.2. Đặc tính của các bộ cộng hưởng .......................................................82 3.2.2.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả .................................................................84 3.2.2.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc ba băng ..................91 3.2.3. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng đoạn ngắn mạch vòng vuông ....................................................................................................................92 3.2.3.1. Cấu trúc của bộ lọc............................................................................92 3.2.3.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng .............................................................93 3.2.3.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả .................................................................95 3.2.3.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc băng rộng ..............99 3.2.4. Bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông .......................................................................101 3.2.4.1. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc ..............................................................101 3.2.4.2. Thiết kế bộ lọc băng thông (UWB) dựa trên cấu trúc cơ bản .........104 3.2.4.3. Thiết kế bộ lọc băng thông (UWB) với băng thông chữ V. ............104 3.2.4.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V ...............................................................................................108 3.3. Tổng hợp các công trình nghiên cứu của luận án .......................................110 3.4. Kết luận chương 3 .......................................................................................111 KẾT LUẬN ........................................................................................................113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................117
viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Β Hệ số truyền sóng từ trường β1 Hằng số lan truyền tại tần số cộng hưởng cơ bản c Vận tốc ánh sáng c=3.108m/s Q Hệ số phẩm chất của bộ lọc Qu Hệ số nạp tải fo Tần số cộng hưởng cơ bản f Tần số cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng fodd Tần số cộng hưởng chế độ lẻ feven Tần số cộng hưởng chế độ chẵn h Độ dày chất nền điện môi g Bước sóng dẫn tại tần số fo Zin Trở kháng lối vào Yin Dẫn nạp lối vào ZL Trở kháng tải Zo Trở kháng đặc tuyến truyền Z Trở kháng đoạn mạch Zin,odd Trở kháng vào chế độ lẻ Zin,even Trở kháng vào chế độ chẵn Yo Độ dẫn nạp 𝜃 Độ dài điện  Sự suy giảm của đường microstirip o Tần số cộng hưởng cho mỗi cộng hưởng tương đương l Độ dài đường truyền không tổn hao. k Hệ số ghép nối
ix 𝜀 Hệ số điện môi 𝜇 Độ từ thẩm 𝐸 Véc tơ cường độ điện trường H Véc tơ cường độ từ trường  Pi =3.14 S Khoảng cách giữa các đoạn Sf Chiều rộng khe S1,2 Chiều rộng khe 1, 2... S11 Hệ số tổn hao phản hồi S21 Hệ số tổn hao truyền T-T’ Trục đối xứng h Độ dày điện môi W Độ rộng của một đoạn Chữ viết tắt ABW Độ rộng băng tần tuyệt đối (Absolute band width) BPF Bộ lọc thông dải (Band Pass Filter) COS Đoạn hở mạch chữ thập (Cross Open Stub) CSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch chữ thập (Crossed Open and Short Stub Loaded Resonator) CDMA Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access) Combline C. Bandpass Filters là bộ lọc băng thông kết hợp có sẵn DGS Cấu trúc mặt đất dị tật (Defect Ground Structure) IF Tần số trung tần (Intermediate Frequency) RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency)
x GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications) NR-ITLM Triết xuất âm – Vật liệu siêu dẫn đường truyền (Negative Refractive – Index transmission line Metamaterials) MMRR Bộ cộng hưởng vòng đa chế độ nhánh chữ thập (Crossed Stub Multi – mode Ring Resonator). LTE Tiến hóa dài hạn (Long Term Evolution)(Công nghệ). OSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở mạch (Open Stub Loaded Resonator) PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) FWB Phân đoạn băng thông (Fractional band width) TD-SCDMA Đa truy cập phân mã đồng bộ phân theo thời gian (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access). SAW Bề mặt sóng âm (Surface Acoustic Wave) SIR Bộ cộng hưởng bậc trở kháng(Stepped Impedance Resonator) SRCLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông (Square Ring Crossed Loaded Resonator) SRSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông (Square ring Stub Loaded Resonator) SSLR Cộng hưởng chêm ngắn mạch (Short Stub Loaded Resonator) UWB Dải băng rộng, siêu rộng (Ultra Wideband Bandpass) WCDMA Đa truy cập phân mã băng rộng (Wideband Code Division Multiple Access) WLAN Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network) WiMax Hệ thống truy cập không dây băng rộng theo tiêu chuẩn IEEE 802 – 16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access).
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Kích thước vật lý của bộ lọc bốn băng tần ..................................... 77 Bảng 3.2. Kết quả đo mô phỏng của bộ lọc bốn băng .................................... 78 Bảng 3.3. Bảng so sánh bộ lọc đề xuất với bộ lọc bốn băng đã công bố........ 79 Bảng 3.4. Kích thước vật lý của bộ lọc ba băng tần ....................................... 83 Bảng 3.5. Kết quả đo của bộ lọc ba băng tần .................................................. 90 Bảng 3.6. Bảng so sánh một số công trình đã công bố ................................... 91 Bảng 3.7. Kích thước vật lý của bộ lọc băng rộng.......................................... 97 Bảng 3.8. Kết quả đo của bộ lọc băng rộng .................................................... 99 Bảng 3.9. Bảng so sánh bộ lọc băng rộng với các công trình đã công bố .... 100 Bảng 3.10. Kích thước vật lý của bộ lọc UWB với băng thông chữ V ........ 108 Bảng 3.11. Kết quả đo mô phỏng của bộ lọc băng băng thông chữ V.......... 108 Bảng 3.12. Bảng so sánh bộ lọc UWB với các công trình đã công bố ......... 109 Bảng 3.13. Tổng hợp các công trình luận án đã công bố .............................. 110
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Bốn loại bộ lọc tần số cơ bản .......................................................... 11 Hình 1.2. Đáp ứng biên độ được chuẩn hóa của lọc Butterworth thông thấp là đặc tính nền tảng của lọc thông thấp. .............................................................. 12 Hình 1.3. Cực của lọc Butterworth ổn định với bậc N = 5 ............................. 13 Hình 1.4. Chebyshev loại 1 có bậc lẻ (N=5) ................................................... 13 Hình 1.5. Bình phương đáp ứng biên độ của lọc thông thấp Chebyshev-II ... 13 Hình 1.6. Một số mạch cộng hưởng đường truyền vi dải điển hình ............... 17 Hình 1.7. Phân bố điện áp trên đường truyền vi dải ....................................... 19 Hình 1.8. Bộ cộng hưởng vi ba ghép nối. ....................................................... 21 Hình 1.9. Bộ cộng hưởng trường ghép nối ..................................................... 21 Hình 1.10. Dòng điện trong mạch cộng hưởng ghép nối................................ 23 Hình 1.11. Cộng hưởng đồng bộ điều chỉnh ghép đôi không tương hỗ ....... 24 Hình 1.12. Cộng hưởng vi dải nửa bước sóng ghép nối ................................. 25 Hình 1.13. Mô phỏng bộ ghép cộng hưởng giả sen kẽ S21 ............................. 26 Hình 1.14. Mô phỏng và tính toán hệ số ghép hàm số của θ. ........................ 27 Hình 1.15. Bố trí của bộ lọc vi dải giả xen kẽ ................................................ 29 Hình 1.16. Hệ số ghép của bộ cộng hưởng giả xen kẽ. .................................. 30 Hình 1.17. Mô phỏng phân bố dòng điện trên đường truyền vi dải ............... 30 Hình 1.18. Bố trí của bộ lọc thông dải SIR giả xen kẽ vi băng nhỏ gọn với dải chặn mở rộng ................................................................................................... 31 Hình 2.1. Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng. ................................ 46 Hình 2.2. Đường ghép nối với cường độ ghép nối zero tại một tần số........... 47 Hình 2.3. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) ............................ 50 Hình 2.4. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR)................ 52 Hình 2.5. Cấu trúc bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập cơ bản. .................... 51
xiii Hình 2.6. Cấu trúc bộ cộng hưởngchêm ngắn và hở chữ thập (CSLR). ......... 52 Hình 2.7. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng. ................................................................................................ 56 Hình 2.8. Hai cấu trúc của mạch cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông. ... 58 Hình 2.9. Mạch tương đương của mạch cộng hưởng chêm chữ thập ............. 60 Hình 2.10. Mô phỏng cấu trúc mạch cộng hưởng chữ thập vòng vuông ....... 60 Hình 2.11. Cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng vuông ..................................... 61 Hình 2.12. Cấu trúc trở kháng của cộng hưởng vòng vuông . ........................ 61 Hình 2.13. Cấu trúc mạch tương đương của cộng hưởng vòng vuông ............................... 62 Hình 2.14. Mô phỏng S21 của bộ lọc với đoạn Ls thay đổi ................................................. 63 Hình 2.15. Mô phỏng S21 của bộ lọc với đoạn L3 thay đổi ................................................. 64 Hình 3.1. Mô tả trình tự thiết kế một bộ lọc siêu cao tần ............................... 68 Hình 3.2. Mô hình hệ thống đo kiểm theo phương pháp cơ bản .................... 69 Hình 3.3. Mô hình máy phân tích mạng vector đo kiểm bộ lọc ..................... 70 Hình 3.4. Cấu trúc của cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông................ 72 Hình 3.5. Mô phỏng tổn hao do chèn của SRCLR dưới các kích thước vật lý khác nhau......................................................................................................... 73 Hình 3.6. Thiết kế bộ lọc bốn băng trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 ......... 73 Hình 3.7. Cấu trúc của bộ lọc bốn băng .......................................................... 76 Hình 3.8. Bộ lọc bốn băng thực tế đã chế tạo ................................................. 76 Hình 3.9. Kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc bốn băng đề xuất ................... 77 Hình 3.10. Cấu trúc hình học của bộ lọc ba băng đề xuất .............................. 81 Hình 3.11. Cấu trúc tương đương của bộ lọc ba băng đề xuất........................ 82 Hình 3.12. Thiết kế bộ lọc ba băng trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0.......... 84 Hình 3.13. So sánh đáp ứng của bộ lọc ba băng được đề xuất. ...................... 86 Hình 3.14. Mô phỏng ảnh hưởng của L3 thay đổi lên ba băng thông ............. 86 Hình 3.15. Mô phỏng ảnh hưởng của L6 thay đổi lên ba băng thông ............. 87
xiv Hình 3.16. Mô phỏng ảnh hưởng của L8 thay đổi lên ba băng thông ............. 87 Hình 3.17. Bộ lọc ba băng tần thực tế đã chế tạo ........................................... 89 Hình 3.18. So sánh kết quả của bộ lọc ba băng tần được thiết kế .................. 89 Hình 3.19. Cấu trúc bộ cộng hưởng vòng vuông đoạn chêm ngắn mạch ....... 93 Hình 3.20. Các tần số mạch cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ của bộ lọc dưới chiều dài Ls nhánh cụt ngắn khác nhau ..................................................................... 94 Hình 3.21. Các tần số mạch cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ của bộ lọc dưới chiều dài Ls nhánh cụt ngắn khác nhau ..................................................................... 95 Hình 3.22. Cấu trúc hình học của bộ lọc băng rộng đề xuất ........................... 96 Hình 3.23. Thiết kế bộ lọc băng rộng trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0 ...... 96 Hình 3.24. Bộ lọc băng rộng thực tế đã chế tạo .............................................. 97 Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng và đo của bộ lọc băng rộng ................ 98 Hình 3.26. Cấu trúc cơ bản của cộng hưởng vòng vuông............................. 101 Hình 3.27. Cấu trúc trở kháng của cộng hưởng vòng vuông ........................ 101 Hình 3.28. Mô phỏng |S21| của cấu trúc vòng với ghép nối lỏng. ................. 102 Hình 3.29. Mạch tương đương của cộng hưởng vòng ghép nối lỏng. .......... 103 Hình 3.30. Mô phỏng các tần số cộng hưởng chế độ chẵn/lẻ so với θ2 tại f0 103 Hình 3.31. So sánh kết quả mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc UWB. .......... 104 Hình 3.32. Bố cục bộ lọc siêu rộng(UWB) với băng thông chữ V............. ..105 Hình 3.33. Kết quả mô phỏng |S21| với ghép nối yếu.................................. ..105 Hình 3.34. Thiết kế bộ lọc siêu rộng với băng thông chữ V trên phần mềm Ansoft HFSS 15.0.. ....................................................................................... 106 Hình 3.35. Mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc UWB với W3 và L1. ......... 106 Hình 3.36. Bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V đã chế tạo. ....... 107 Hình 3.37. Mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc UWB băng thông chữ V........ 107
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Bộ lọc đóng một vai trò không thể thay thế được trong các hệ thống vô tuyến điện tử. Với sự phát triển nhanh chóng gần đây và được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin không dây khác nhau, những yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt được đặt ra đặc biệt cho các bộ lọc siêu cao tần là kích thước nhỏ hơn, hiệu suất cao hơn, tích hợp tốt nhiều băng thông và chi phí thấp hơn và cũng là những yêu cầu cấp thiết ngày nay. Gần đây hoạt động đa băng tần được xem là cần thiết để giải quyết những thách thức về sử dụng hiệu quả băng tần tương tác đặc tuyến tần, cũng như công suất có hạn của các hệ thống không dây khác nhau. Sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ không dây và di động đã làm tăng nhu cầu tích hợp nhiều hơn trong một công nghệ truyền thông hoặc các tiêu chuẩn vào một hệ thống duy nhất, nơi mà các tiêu chuẩn khác nhau có thể hoạt động trong dải tần số khác nhau. Các module vi ba và tần số vô tuyến đa băng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống thông tin liên lạc hiện đại. Bộ lọc thông dải đa băng, băng rộng với công nghệ vi dải cũng là một trong những thành phần quan trọng nhất trong mạch đầu cuối hiện nay. Gần đây nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc đa băng đã được đề xuất. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để thu được bộ lọc thông dải hiệu suất cao là tạo ra truyền zero nằm ở phía trên và dưới của băng thông, được gọi là mạch cộng hưởng đoạn ngắn mạch chữ thập (COS). Các mạch cộng hưởng đa chế độ là các cấu trúc hỗ trợ đồng thời truyền hai hoặc nhiều băng tần con độc lập. Do đó, đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế của cả bộ lọc đơn băng và đa băng. Việc nghiên cứu và thiết kế các mạch lọc đa băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng mới trở thành một đòi hỏi cấp thiết trong thực tiễn, và hiện nay đây vẫn là vấn đề có tính thời sự. 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
2 tạp, kích thước chưa được tối ưu, chưa giảm được đáng kể các tổn hao. Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới ứng dụng cho thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải cũng chính là nội dung đề tài nghiên cứu mà Nghiên cứu sinh đang thực hiện. Qua phương pháp nghiên cứu, đánh giá tổng hợp, đã góp phần giúp nghiên cứu sinh hệ thống lại một cách tổng quan về hướng đi mới, đưa ra được hướng giải quyết mới nhằm hoàn thiện luận án này. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên các cấu trúc cộng hưởng cơ bản của công nghệ vi dải để ứng dụng trong việc thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên nền tảng của công nghệ này, 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, cấu trúc cộng hưởng siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng có thể dùng trong thiết kế bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải. Xây dựng một số cấu trúc mới ứng dụng cho thiết kế các mạch lọc siêu cao tần. Thiết kế chế tạo các mạch lọc nhiều băng tần, mạch lọc dải rộng và siêu rộng mới với công nghệ vi dải tương đối gọn nhẹ về kích thước, đơn giản về cấu trúc, nâng cao được tính chọn lọc, đáp ứng phạm vi nghiên cứu trong lĩnh vực tần số quy định của Ủy ban truyền thông Liên bang (FCC) về việc cho phép sử dụng dải hoạt động không giấy phép từ 3.1GHz - 10.6GHz cho các ứng dụng thương mại [31] siêu cao tần đa băng tần và băng rộng, siêu rộng (UWB) [33]. 4. Phương pháp nghiên cứu Để thiết kế một bộ lọc thường thì người ta phải đưa ra căn cứ các chỉ tiêu kỹ thuật từ các kỹ thuật cơ bản sau đó tìm ra hàm truyền của bộ lọc có bậc n theo mô hình của bộ lọc Butterworth, Chebyshev I và II (Cauer) từ đó đưa ra
3 các giá trị linh kiện cấu trúc lên bộ lọc là R, L, C thiết kế bộ lọc thông thấp sau đó biến đổi tần số để đưa ra bộ lọc thông cao, bộ lọc chắn dải và thông dải và thường sử dụng thuật toán và chương trình Matlab để mô phỏng thiết kế để ra một bộ lọc. Tuy nhiên trong luận án này nghiên cứu sinh nghiên cứu chế tạo ra bộ lọc là dạng bộ lọc ghép của rất nhiều bộ lọc với nhau, nghiên cứu sinh đã khai thác thừa hưởng những thành tựu khoa học của các nhà khoa học đi trước đã nghiên cứu xây dựng đặt nền móng cho các bước tính toán và không xây dựng lại những kết quả đã được chứng mình mà chỉ sử dụng phần kết quả sau của quá trình này để xây dựng tiếp, theo phương pháp sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng thiết kế điều chỉnh tham số gốc của bộ cộng hưởng cơ bản trong bộ lọc, biến đổi chất nền, chất điện môi và đặc biệt điều chỉnh dây chêm theo nguyên tắc tăng chiều dài dây chêm thì tần số cộng hưởng tại băng tần đó sẽ giảm và ngược lại. Kết hợp phân tích lý thuyết và Mô phỏng để tìm ra được kết quả tối ưu của mỗi băng tần của bộ lọc đó, sau đó phát triển ra kết quả bộ lọc của mình. Vì vậy luận án tập trung nghiên cứu, tính toán khoa học, trên cơ sở nghiên cứu các kiến thức lý thuyết chuyên ngành kết hợp với thực hành, thí nghiệm, đưa ra kết quả nghiên cứu và thử nghiệm trên thực tế, cụ thể gồm: - Nghiên cứu lý thuyết mạch cộng hưởng siêu cao tần, cấu trúc vi dải. - 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 đó về cấu trúc, tính năng và kích cỡ. - Tính toán khoa học các tham số theo phương pháp sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng HFSS 15.0, nhằm hiệu chỉnh các tham số cấu trúc, sau đó chế tạo sản phẩm, thực hiện đo kiểm và chứng minh. - So sánh kết quả đo lường và mô phỏng để đưa ra kết luận, đánh giá về quá trình nghiên cứu.
4 5. Nội dung nghiên cứu của luận án Tập trung nghiên cứu các nội dung liên quan về bộ lọc siêu cao tần để đóng góp giá trị khoa học có tính cấp thiết trong xu thế phát triển chung của lĩnh vực thông tin vô tuyến. Các kết quả nghiên cứu phải phù hợp với thực tiễn hoạt động nghiên cứu khoa học mà luận án đề cập và thực tế hiện nay. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các mạch lọc siêu cao tần nhiều băng trên kết cấu mạch dải sao cho 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 mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng thông rộng và siêu rộng với các tiêu chí cơ bản sau: - Dựa vào cấu trúc cộng hưởng nửa bước sóng, một phần tư bước sóng kết hợp với đoạn chêm hở mạch, ngắn mạch đồng nhất và cấu trúc đối xứng nghiêng không độ, để nâng cao tính chọn lọc của bộ lọc và để phân biệt cổng vào và cổng ra, đồng thời tạo ra nhiều điểm truyền không để nâng cao tính chọn lọc của bộ lọc và đề xuất xây dựng được cấu trúc cộng hưởng mới phù hợp với phạm vi nội dung nghiên cứu để sử dụng việc thiết kế, chế tạo bộ lọc ba băng thông, bốn băng thông, băng thông rộng và siêu rộng. - Các cấu trúc cộng hưởng mới phải có khả năng điều chỉnh và thiết lập độc lập các tần số cộng hưởng của các băng tần, có thể dễ dàng được sử dụng để thiết kế, chế tạo các bộ lọc nhiều băng thông, băng rộng và siêu rộng, đáp ứng được yêu cầu đề ra là có chi phí thấp, đơn giản về cấu trúc, cải thiện được hiệu suất của bộ lọc và nâng cao được tính lựa chọn của bộ lọc. -Từ cấu trúc cộng hưởng mới xây dựng, đề xuất thiết kế, xây dựng và đưa ra được cấu trúc bộ lọc siêu cao tần đa băng tần, bộ lọc băng thông rộng và siêu rộng mới dựa trên công nghệ vi dải, có kiểm nghiệm đo đạc, so sánh, đánh giá và có tính thực tiễn cao.
5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu, đề xuất thành công các cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ sở các cấu trúc cộng hưởng cơ bản được tính toán ghép nối với nhau và ứng dụng trong thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa trên nền tảng công nghệ vi dải có khả năng độc lập trong thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng của các băng. Các kết quả đạt được có hàm lượng giá trị và ý nghĩa khoa học nhất định, có tính mới được công bố tại hội nghị trong và ngoài nước, các tạp chí khoa học có phản biện. Ý nghĩa 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 vô tuyến viễn thông và phù hợp với thực tiễn và nhu cầu trong tương lai với yêu cầu ngày càng cao, nghiêm ngặt về thiết kế, chế tạo và độ chọn lọc cũng như kết cấu nhỏ gọn, có tính điều chỉnh cơ động dễ ràng phối ghép với các thiết bị vô tuyến điện khác nhau trong lĩnh vực lọc đa băng tần và băng rộng, siêu rộng. 7. Bố cục luận án Bố cục luận án: ‘‘Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải’’ gồm có phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận được tóm tắt như sau: Phần mở đầu: Đưa ra tính cấp thiết của đề tài luận án, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án cũng như ý nghĩa khoa học và thực tiễn và bố cục nội dung của luận án. Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về các bộ lọc, bộ lọc siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng vi dải dùng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bao gồm giới thiệu tổng quan về bộ lọc tần số siêu cao tần, phân loại bộ lọc siêu cao tần sau đó tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu về mạch cộng hưởng đến
6 thời điểm hiện tại, nghiên cứu phân tích bộ cộng hưởng đường truyền vi dải, nghiên cứu cộng hưởng ghép nối, cộng hưởng giả xen kẽ, bộ lọc vi dải thông dải giả xen kẽ với thiết kế nhỏ gọn từ đó tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu về các loại bộ lọc, các công trình công bố điển hình đến thời điểm hiện tại. Xây dựng tiêu chí kỹ thuật chung của các bộ lọc siêu cao tần dựa trên nền tảng, công nghệ vi dải được thiết kế và đề xuất hướng nghiên cứu. Tại chương 2: Nghiên cứu cơ sở tính toán để xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới dựa trên cơ sở tổng hợp lý thuyết mạch cộng hưởng và các cấu trúc cộng hưởng cơ bản, đi sâu phân tích lý thuyết các bộ cộng hưởng khác nhau để tìm hiểu đặc tính của bộ cộng hưởng vi dải nửa bước sóng, nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa, bộ cộng hưởng chêm hở mạch, chêm ngắn mạch, chêm ngắn mạch kết hợp chêm hở chữ thập và từ đó xây dựng cấu trúc cộng hưởng mới từ các cấu trúc cộng hưởng cơ bản kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông, bộ cộng hưởng chêm ngắn mạch vòng vuông để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng. Trong chương 3: Đưa ra đề xuất thiết kế phát triển các bộ lọc siêu cao tần đa băng tần gồm ba băng thông, bốn băng thông, băng thông rộng và băng thông rộng, siêu rộng dựa trên công nghệ vi dải. Thiết kế mô phỏng, chế tạo và đánh giá các bộ lọc bốn băng thông được thiết kế với cấu trúc chữ thập đoạn chêm ngắn mạch, bộ lọc ba băng tần được thiết kế dựa trên biến thể của cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng, bộ lọc băng rộng sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng vuông với đoạn chêm ngắn mạch, bộ lọc băng thông siêu rộng được thiết kế với cấu trúc cộng hưởng vòng vuông kết hợp với đoạn chêm ngắn mạch thu hẹp và phần mở rộng hình chữ nhật với dải thông của băng thông chữ V. Kết luận: Đưa ra nhận xét đánh giá các kết quả vừa nghiên cứu của luận án, những đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo.