Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW để nâng cao chất lượng một số phần tử siêu cao tần trong đài ra đa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW để nâng cao chất lượng một số phần tử siêu cao tần trong đài ra đa" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về công nghệ vật liệu nền; Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW để nâng cao chất lượng các phần tử siêu cao tần; Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải sử dụng công nghệ SIW kết hợp với công nghệ EBG và DGS.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW để nâng cao chất lượng một số phần tử siêu cao tần trong đài ra đa

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN THỊ TRÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MỘT SỐ PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN TRONG ĐÀI RA ĐA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2023
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN THỊ TRÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MỘT SỐ PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN TRONG ĐÀI RA ĐA Ngành: Kỹ thuật Ra đa dẫn đường Mã số: 9 52 02 04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Lê Vĩnh Hà 2. TS Dƣơng Tuấn Việt HÀ NỘI- 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Trần Thị Trâm
ii 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 PGS. TS Lê Vĩnh Hà, TS Dương Tuấn Việt, các thầy đã có định hướng, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học, giúp đỡ kiểm tra và đánh giá kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo, Viện Ra đa đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật quân sự, Đại học Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội và các nhà khoa học, chuyên gia đã cho tôi những lời khuyên, những ý kiến đóng góp quý báu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cho tôi điểm tựa vững chắc, sự động viên lớn lao giúp tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Trần Thị Trâm
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .....................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN ..................... 7 1.1. Tổng quan về công nghệ vật liệu nền ........................................................ 8 1.1.1. Giới thiệu chung về công nghệ vật liệu nền ....................................... 8 1.1.2. Công nghệ dải chắn điện từ EBG........................................................ 8 1.1.3. Công nghệ cấu trúc mặt đế khuyết DGS........................................... 13 1.1.4. Công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền SIW......................... 16 1.2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của các phần tử siêu cao tần khi ứng dụng công nghệ SIW ................................................................ 22 1.2.1. Tổn hao trong SIW ............................................................................ 22 1.2.2. Công nghệ chế tạo cho các phần tử SIW .......................................... 25 1.2.3. Kích thước và băng thông của cấu trúc SIW ................................... 25 1.3. Một số kỹ thuật sử dụng trong luận án..................................................... 30 1.3.1. Nguyên lý gây nhiễu trong các hốc cộng hưởng [32] ....................... 30 1.3.2. Nguyên lý di pha thực hiện trên SIW ............................................... 32 1.3.3. Nguyên lý về bộ dao động VCO ....................................................... 34 1.4. Tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ vật liệu nền ........................................................................................................ 35 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................... 35 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................... 38 1.5. Định hướng nghiên cứu............................................................................ 38 1.6. Kết luận Chương 1 ................................................................................... 39 Chương 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CÁC PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN ......................... 40
iv 2.1. Đề xuất bộ lọc HMSIW có suy hao và kích thước nhỏ, độ chọn lọc cao .. 41 2.1.1. Cơ sở lý thuyết đề xuất bộ lọc thông dải HMSIW............................ 41 2.1.2. Bộ lọc thông dải HMSIW có suy hao và kích thước nhỏ, độ chọn lọc cao ......................................................................................................... 44 2.1.3. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc HMSIW băng S................. 46 2.1.4. Đánh giá chất lượng của bộ lọc thông dải HMSIW băng tần S........ 53 2.2. Giải pháp nâng cao chất lượng của bộ di pha sử dụng cấu trúc SIW chữ nhật 2 lớp có tổn hao nhỏ, băng thông rộng và mức di pha có thể điều chỉnh bằng điện tử. ................................................................................................ 55 2.2.1. Cơ sở lý thuyết đề xuất bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp ..................... 55 2.2.2. Bộ di pha sử dụng cấu trúc SIW chữ nhật 2 lớp ............................... 56 2.2.3. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ di pha SIW 2 lớp ..................... 61 2.2.4. Đánh giá chất lượng của bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp ................... 68 2.3. Giải pháp thiết kế bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép ............................................................... 70 2.3.1. Cơ sở lý thuyết giải pháp bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép ................................................. 70 2.3.2. Bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép.......................................................................................... 73 2.3.3. Thực hiện bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X mới sử dụng bộ cộng hưởng chế độ gây nhiễu kép ....................................................................... 79 2.3.4. Đánh giá chất lượng của bộ VCO: .................................................... 85 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 87 Chương 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC .. 88 THÔNG DẢI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIW KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ EBG VÀ DGS.............................................................................................. 88 3.1. Cơ sở lý thuyết của giải pháp kết hợp công nghệ SIW với công nghệ EBG và DGS cho các bộ lọc thông dải ................................................................ 89
v 3.2. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc SIW-CPW băng tần C .............. 97 3.2.1. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc SIW-CPW băng tần C ........................ 97 3.2.2. Thực hiện và đánh giá chất lượng bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần C ................................................................................................. 102 3.3. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc SIW-CPW băng tần X............ 105 3.3.1. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc SIW-CPW băng tần X...................... 105 3.3.2. Thực hiện và đánh giá chất lượng bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần X ................................................................................................. 108 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................. 111 KẾT LUẬN........................................................................................................112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .................114 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................115
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT d Đường kính lỗ khoan [mm] f Tần số cộng hưởng [GHz] fc Tần số cắt [GHz] h Chiều dày vật liệu nền [mm] r Bán kính của SIW hình tròn [mm] s Khoảng cách giữa các lỗ kim khoan liền kề [mm] W Chiều rộng của SIW [mm] Weff Chiều rộng của DFW [mm] Z Trở kháng []  Hệ số suy giảm Hằng số lan truyền  Hằng số lan truyền phức Hằng số điện môi εr Hằng số điện môi tương đối Tần số góc [GHz] Bước sóng dẫn trong vật liệu điện môi [mm]  Độ từ thấm r Độ từ thấm tương đối  Tần số góc [GHz] 𝜏𝑑 Độ trễ nhóm [ns] ADC Mạch chuyển đổi tương tự - số (Analog-to-Digital Converter) ADS Hệ thống thiết kế tiên tiến (Advanced Design System) ATT Suy giảm (Attenuation) BPF Bộ lọc thông dải (Band Pass Filter) CIL Bộ mạch vòng (Circulator)
vii CSRR Bộ cộng hưởng vòng khe hở bổ sung (Complementary Split Ring Resonator) CPW Ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) CST Công nghệ mô phỏng trên máy tính (Computer Simulation Technology) DCA Mạch chuyển đổi số-tương tự (Analog-to-Digital Converter) DFW Ống dẫn sóng lấp đầy điện môi (Dielectric Fill Wave Guide) DGS Cấu trúc mặt đế khuyết (Defected Ground Structure) DMCC Hốc cộng hưởng tròn chế độ kép (Dual-Mode Circular Cavity) DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor ) FPGA Mạch tích hợp có thể lập trình cỡ lớn (Field Programmable Gate Array) EBG Dải chắn điện từ trường (Electromagnetic Band Gap) FOM Hệ số tạp (Figure of Merit) HFSS Mô phỏng cấu trúc tần số cao (High Frequency Structure Simulator) HMSIW Ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền nửa chế độ (Haft Mode Substrated Integrated Waveguide) LNA Bộ khuếch đại tạp thấp (Low Noise Amplifier) LTCC Gốm nhiệt độ nóng chảy thấp (Low Temperature Co-fired Ceramic) MIMO Nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple Input Multiple Output) PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) PCB Bảng mạch in (Printed Circuit Board) SIFW Ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền dạng gấp (Substrate Integrated Folded Waveguide) SIW Ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền (Substrate Integrated Waveguide)
viii SRR Bộ cộng hưởng vòng khe hở (Split Ring Resonator) TE Điện trường ngang (Transverse Electric) TM Từ trường ngang (Transverse Magnetic) TZ Điểm không đường truyền (Transmission Zero) UC Đồng phẳng nhỏ gọn (Uniplanar Compact) VCO Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Votlage Control Osilator) WG Ống dẫn sóng (Wave Guide)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tổng hợp so sánh công nghệ SIW với công nghệ mạch phẳng và công nghệ WG cổ điển ................................................................................ 27 Bảng 1.2 Tổng hợp những ưu, nhược điểm và ứng dụng của công nghệ SIW, công nghệ EBG và DGS .................................................................... 29 Bảng 2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc băng S dựa trên cấu trúc HMSIW .... 46 Bảng 2.2 Các kích thước bộ lọc HMSIW băng S ........................................... 49 Bảng 2.3 Tổng hợp các tham số mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc băng tần S dựa trên cấu trúc HMSIW .................................................................. 53 Bảng 2.4 So sánh chất lượng bộ lọc HMSIW đã đề xuất với các bộ lọc băng tần S đã công bố .......................................................................................... 54 Bảng 2.5 Các tham số kỹ thuật của bộ di pha băng X .................................... 61 Bảng 2.6 Các tham số thiết kế của bộ di pha SIW băng tần X ....................... 64 Bảng 2.7 Các kết quả đo đồ thị bức xạ của ăng-ten trong mặt phẳng góc tà khi ghép với hệ thống mạng pha điều khiển số băng tần X ........................ 69 Bảng 2.8 So sánh chất lượng bộ VCO đã đề xuất với một số bộ VCO đã công bố 86 Bảng 3.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc SIW-CPW băng tần C .................. 98 Bảng 3.2 Giá trị của các tham số đã được tính toán và sau khi tối ưu cho bộ lọc SIW-CPW băng tần C với 11 mắt lọc ................................................. 100 Bảng 3.3 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc thông dải băng tần C ............................................................................................ 104 Bảng 3.4 So sánh chất lượng của bộ lọc SIW-CPW so với các bộ lọc băng C đã công bố.............................................................................................. 104 Bảng 3.5 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc SIW-CPW băng tần X................ 105 Bảng 3.6 Giá trị của các tham số đã được tính toán và sau khi tối ưu cho bộ lọc SIW-CPW băng tần X ......................................................................... 107 Bảng 3.7 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần X ............................................................... 110 Bảng 3.8 Bảng so sánh bộ lọc SIW-CPW với các bộ lọc băng X đã công bố.111
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối cơ bản của một đài ra đa .................................................. 7 Hình 1.2 Các loại hình EBG [80] ...................................................................... 9 Hình 1.3 Đặc tính dải chắn băng tần và pha phản xạ của công nghệ EBG [80] 10 Hình 1.4 Mô hình hóa cấu trúc EBG hình nấm [61] ........................................ 11 Hình 1.5 Mô hình hóa cấu trúc EBG đồng phẳng [55] .................................... 12 Hình 1.6 Phân loại DGS [49] .......................................................................... 13 Hình 1.7 DGS hình quả tạ [14] ....................................................................... 14 Hình 1.8 Đặc tính đường truyền DGS [14] ..................................................... 15 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của SIW chữ nhật ..................................................... 16 Hình 1.10 Cường độ điện trường của chế độ cơ bản trong SIW .................... 17 Hình 1.11 (a) Ống dẫn sóng lấp đầy không khí, (b) ống dẫn sóng lấp đầy chất điện môi, (c) ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền ................................ 17 Hình 1.12 Cấu hình SIW hình tròn ................................................................. 20 Hình 1.13 Các cấu trúc khác nhau của SIW ................................................... 26 Hình 1.14 Một hốc cộng hưởng bị gây nhiễu bởi sự thay đổi hằng số điện môi hoặc độ từ thẩm của vật liệu trong hốc ................................................ 30 Hình 1.15 Một hốc cộng hưởng bị gây nhiễu bởi sự thay đổi hình dạng: ...... 31 Hình 1.16 Mảng trụ kim loại được chèn vào trong một WG và mạch tương đương của nó ............................................................................................... 33 Hình 1.17 Cấu trúc của bộ di pha SIW 2 trụ cơ bản ....................................... 34 Hình 1.18 Cấu hình bộ dao động phản hồi cơ bản.......................................... 35 Hình 2.1 Các đường sức điện trường chế độ TE10 được gấp lại dưới một gờ trong SIW dạng gấp .................................................................................... 41 Hình 2.2 Hình dạng và chế độ sóng của HMSIW............................................. 43 Hình 2.3 Kết nối HMSIW. .............................................................................. 44 Hình 2.4 Cấu trúc bộ lọc HMSIW .................................................................. 44
xi Hình 2.5 Cấu trúc của cộng hưởng HMSIW................................................... 45 Hình 2.6 Sơ đồ khối mô đun thu – phát cao tần của đài Ra đa băng S .............. 46 Hình 2.7 Đáp ứng của bộ lọc trên vật liệu nền Roger 5880: .......................... 48 Hình 2.8 Đáp ứng của bộ lọc trên vật liệu nền Roger 5880 với các giá trị d và s khác nhau ............................................................................................. 49 Hình 2.9 Sơ đồ mạch in của bộ lọc thông dải băng tần S ............................... 50 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng trường điện từ của bộ lọc HMSIW.................. 51 Hình 2.11 Kết quả mô phỏng các tham số bộ lọc ........................................... 51 Hình 2.12 Hình ảnh thực tế của bộ lọc thiết kế, chế tạo ................................. 51 Hình 2.13 Kết quả đo tham số S ....................................................................... 52 Hình 2.14 So sánh kết quả mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc HMSIW băng tần S 53 Hình 2.15 Sơ đồ minh họa bộ di pha đã đề xuất ............................................. 56 Hình 2.16 (a) Mạch tương đương bộ ghép ống dẫn sóng hai lớp với một khe, (b) cho hai khe ngang song song (c) cho bộ di pha hoàn chỉnh. ......... 58 Hình 2.17 Sơ đồ dòng tín hiệu bộ di pha ........................................................ 59 Hình 2.18 Các kết quả mô phỏng khả năng chịu đựng công suất của các loại vật liệu nền theo tần số ................................................................................ 61 Hình 2.19 Các kết quả mô phỏng khả năng chịu đựng công suất của vật liệu nền Rogers 6035HTC theo chiều dày của chất nền ..................................... 62 Hình 2.20 Cấu trúc bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp đã đề xuất ........................ 63 Hình 2.21 Kết quả mô phỏng các tham số S khi thay đổi các tham số kích thước của bộ di pha SIW ............................................................................. 64 Hình 2.22 Kết quả mô phỏng các tham số S trong dải (7,5 † 9,5) GHz ......... 65 Hình 2.23 Tổng hợp kết quả mô phỏng độ di pha theo khoảng cách đặt điốt ở tần số 8,91 GHz ........................................................................................ 65 Hình 2.24 Sơ đồ mạch in của bộ di pha SIW băng tần X ............................... 66 Hình 2.25 Ảnh chụp của bộ di pha SIW băng X đã gia công ......................... 66 Hình 2.26 Kết qủa đo các tham số S của bộ di pha băng tần X đã chế tạo: ... 67
xii Hình 2.27 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo độ di pha của bộ di pha ...... 67 Hình 2.28 Ảnh chụp ghép 2 bộ di pha vào hệ thống ăng-ten mạng pha điều khiển số băng tần X ...................................................................................... 68 Hình 2.29 Ảnh chụp khi đo góc quét điện trong buồng hấp thụ ..................... 69 Hình 2.30 Hình ảnh phổ công suất của tín hiệu với thăng giáng pha ngẫu nhiên. 72 Hình 2.31 Biễu diễn tạp pha bộ dao động theo mô hình Lesson .................... 73 Hình 2.32 Bộ lọc SIW chế độ kép sử dụng (a) hốc cộng hưởng tròn và (b) hốc cộng hưởng elip .................................................................................... 74 Hình 2.33 (a) Cấu trúc bộ lọc SIW hốc cộng hưởng đơn, (b) Cấu trúc bộ lọc SIW hốc hốc cộng hưởng kép ..................................................................... 75 Hình 2.34 Ảnh hưởng của vị trí lỗ khoan gây nhiễu....................................... 76 Hình 2.35 Ảnh hưởng biên độ đỉnh trễ nhóm cực đại ở Lv = 4 mm ............... 77 Hình 2.36 Mô phỏng đỉnh trễ nhóm của các BPF đa cực ............................... 78 Hình 2.37 Các BPF đa cực đã chế tạo ở trên .................................................. 78 Hình 2.38 Sơ đồ khối của một bộ dao động VCO vòng phản hồi pha với bộ lọc DMCC-SIW được đề xuất..................................................................... 79 Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý chung của bộ VCO đã khảo sát .......................... 80 Hình 2.40 Mối quan hệ giữa điều kiện dao động và độ trễ nhóm của bộ lọc ở góc gây nhiễu đã tối ưu hóa β = 420......................................................... 81 Hình 2.41 Tạp pha của VCO với điện áp điều hưởng Vtune và độ trễ nhóm 𝜏 𝑑 81 Hình 2.42 Dải điều chỉnh tần số có thể điều hưởng theo điện áp cấp cho điốt... 82 Hình 2.43 Cấu trúc (trái) và tham số S (phải) cho mạng phối hợp đầu vào (a) và mạng phối hợp đầu ra (b) .................................................................. 83 Hình 2.44 Ảnh chụp bộ VCO đã chế tạo ........................................................ 84 Hình 2.45 Hiệu suất đo được của VCO đã thiết kế với Vtune ....................... 85 Hình 2.46 So sánh kết quả đo và kết quả mô phỏng ở Vtune = 6 V............... 85 Hình 3.1 So sánh giữa cấu trúc SIW và các bộ cộng hưởng thông thường [27]. . 89 Hình 3.2 Cấu hình cho (a) SIW và (b) ô EBG với các thông số hình học ...... 91
xiii Hình 3.3 Cấu hình của bộ lọc SIW với các ô UC-EBG: .................................... 93 Hình 3.4 Cấu hình cho bộ lọc SIW-DGS ........................................................ 94 Hình 3.5 Minh họa cấu trúc CPW ................................................................... 95 Hình 3.6 Cấu hình cho bộ lọc SIW-CPW đề xuất .......................................... 97 Hình 3.7 Cấu trúc bộ lọc SIW-CPW ............................................................... 98 Hình 3.8 Đáp ứng tần số bộ lọc khi thay đổi độ dày h của vật liệu nền: ........ 99 Hình 3.9 Đáp ứng tần số bộ lọc khi thay đổi độ dày lớp đồng t của vật liệu nền. 99 Hình 3.10 Đáp ứng tần số bộ lọc khi thay đổi đường kính lỗ khoan d và khoảng cách giữa các lỗ khoan s ............................................................... 100 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng bộ lọc thông dải SIW-CPW đã tối ưu hóa: ... 101 Hình 3.12 Ảnh chụp bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần C đã thiết kế chế tạo102 Hình 3.13 Các kết quả đo thực tế bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần C: . 103 Hình 3.14 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc thông dải: Đường nét liền- Kết quả mô phỏng, Đường nét đứt- Kết quả đo thực tế ... 103 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng trường điện từ của bộ lọc SIW-CPW ............ 106 Hình 3.16 Kết quả mô phỏng đặc tuyến tần số khi thay đổi dộ dày h: ......... 106 Hình 3.17 Kết quả mô phỏng đặc tuyến với các dải tần số khác nhau (thay đổi giá trị WSIW) ........................................................................................ 106 Hình 3.18 Kết quả mô phỏng đặc tuyến tần số với số mắt lọc khác nhau .... 107 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng tối ưu đặc tuyến bộ lọc SIW-CPW băng tần X:108 Hình 3.20 Ảnh chụp bộ lọc SIW-CPW băng tần X đã gia công .................... 109 Hình 3.21 Kết quả đo đặc tuyến bộ lọc SIW-CPW băng tần X.................... 109 Hình 3.22 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế đặc tuyến của bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần X.......................................................... 110
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Ngày nay, với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của khoa học và công nghệ đã cho phép nghiên cứu và phát triển các thế hệ truyền thông vô tuyến đa phương tiện hiện đại băng rộng hay các hệ thống ra đa số với ăng-ten mạng pha tích cực và có thể thực hiện nhiều chức năng trong một đài ra đa, như: cảnh giới - dẫn đường, chỉ thị mục tiêu và điều khiển hỏa lực. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu thiết kế kỹ thuật và hoàn thiện công nghệ chế tạo các chủng loại đài ra đa và các phần tử làm việc ở dải sóng siêu cao tần, cải tiến các trang bị vũ khí hiện đại liên quan đến lĩnh vực ra đa mà trong đó, các hệ thống ăng-ten – đường truyền, tuyến thu – phát siêu cao tần luôn là bài toán cần thiết. Bài toán nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần luôn được đặt ra đối với bất kỳ hệ thống ra đa nào. Nằm trong xu hướng phát triển chung của kỹ thuật siêu cao tần trên thế giới, gần đây nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu và phát triển các phần tử siêu cao tần ứng dụng công nghệ dải chắn điện từ trường (viết tắt là EBG- Electromagnetic Band Gap) [97], công nghệ cấu trúc mặt đế khuyết (viết tắt là DGS-Defected Ground Structure) [56] và đặc biệt là công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền (viết tắt là SIW - Substrate Integrated Waveguide) [51]. Công nghệ SIW đã đưa ra những khả năng mới trong việc thiết kế các mạch và linh kiện chủ chốt hoạt động ở tần số vô tuyến (RF) và siêu cao tần [25 † 29]. Các linh kiện mạch vi dải rất tốt cho các ứng dụng tần số thấp nhưng không hiệu quả ở các tần số rất cao và liên quan đến việc khó khăn trong chế tạo các mạch ở dải sóng siêu cao tần và sóng milimet [16]. Mặt khác, các thiết bị ống dẫn sóng (viết tắt là WG- Wave Guide) là lý tưởng cho các hệ thống tần số cao hơn, nhưng rất tốn kém, khó chế tạo và khó kết nối với các linh kiện phẳng khác liền kề. SIW sẽ là thỏa hiệp rất tốt giữa ống dẫn sóng cổ điển và công nghệ đường truyền phẳng bao gồm cả mạch vi dải, đặc biệt là
2 ở dải sóng siêu cao tần vì ở dải sóng này mạch dải bị tổn hao rất nhiều nên đòi hỏi thiết kế các phần tử trên công nghệ SIW với hệ số phẩm chất Q cao [34]. Các nghiên cứu về công nghệ vật liệu nền được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm trong thời gian gần đây thể hiện rõ ở các công trình khoa học liên quan đã công bố. Công nghệ SIW đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tiễn trong truyền thông sóng milimet (Q-LINKPAN) [52] hay trong các hệ thống phân kênh chất lượng cao [39], [84], mạng không dây [31], ra đa [19], [46], cảm biến hình ảnh [100] và các thiết bị y sinh [66],... Ngoài ra, nhiều nhà khoa học ở một số trường đại học trên thế giới tập trung nghiên cứu phát triển công nghệ vật liệu nền theo các hướng với nhiều cách tiếp cận, phương pháp thực hiện nhằm giải quyết nhiều vấn đề ở dải tần cao (băng tần Ka, băng tần Q, băng tần V) như: xây dựng cấu hình ăng-ten đơn giản kích thước nhỏ [10], ăng-ten lưỡng cực [17], mở rộng dải thông [87] và thiết kế ăng-ten đa băng tần [70], các bộ lọc [39], [40], [41], bộ dao động [42], [74], các hệ thống thu phát cho ra đa MIMO [101],... Nhiều kết quả nghiên cứu đã trở thành cơ sở lý thuyết cho những nghiên cứu được ứng dụng trong thực tế. Trong các kết quả trên, một số đã giải quyết được bài toán năng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần. Tuy nhiên, vẫn còn những vấn đề tồn tại cần phải tiếp tục nghiên cứu để đạt được mục tiêu nâng cao chất lượng các phần tử siêu cao tần trong các hệ thống ra đa, đó là:  Các nghiên cứu hiện tại công nghệ vật liệu nền SIW vẫn đang tập trung vào ứng dụng cho các thiết bị viễn thông ở tần số cao băng tần Ka, băng tần V hoặc băng tần Q mà chưa có các nghiên cứu cho dải sóng siêu cao tần cho đài ra đa ở dải băng tần C, băng tần S hoặc băng tần X đồng thời cũng chưa đi sâu vào nghiên cứu kết hợp của các công nghệ thực hiện trên vật liệu nền chẳng hạn như kết hợp giữa công nghệ SIW với công nghệ EBG hoặc DGS.  Việc thực hiện các phần tử SIW trong dải sóng cm và mm sẽ cần sự phát triển của các cấu trúc mới, với mục tiêu giảm kích thước, cải thiện băng thông, và đặc biệt là giảm thiểu tổn hao. Những cấu trúc này có thể dựa trên cấu hình nhiều lớp hoặc kết hợp nhiều cấu trúc trong một phần tử sẽ mang lại
3 sự linh hoạt trong thiết kế trong khi vẫn duy trì các ưu điểm của công nghệ chế tạo phẳng và chi phí thấp. Công nghệ SIW mới sẽ thúc đẩy sự phát triển của các phần tử có chất lượng cao đồng thời có thể tích hợp thêm nhiều chức năng trong cùng một phần tử. Chính vì những lý do trên, luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW để nâng cao chất lƣợng một số phần tử siêu cao tần trong đài ra đa”. Nội dung nghiên cứu của luận án xuất phát từ nhu cầu cấp thiết của thực tế, có tính thực tiễn cao trong điều kiện các cơ sở nghiên cứu và sản xuất công nghiệp quốc phòng trong quân đội đang thực hiện các dự án sản xuất và thiết kế các hệ thống ra đa và các khí tài quân sự khác. Nội dung nghiên cứu có tính khoa học và định hướng quan trọng trong việc làm chủ công nghệ mới về siêu cao tần, đồng thời có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tế để thay thế cũng như cải tiến các mô đun, phần tử trong tuyến thu phát của các đài ra đa quân sự. 2. Mục tiêu nghiên cứu  Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và các công nghệ để thực hiện các phần tử siêu cao tần trên vật liệu nền như công nghệ EBG, công nghệ DGS và đặc biệt là công nghệ SIW để đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần trong đài ra đa. Các giải pháp này đều có khả năng đưa vào ứng dụng trong tuyến cao tần của các đài ra đa quân sự.  Đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ SIW để thực hiện bộ lọc HMSIW có kích thước và suy hao nhỏ, độ chọn lọc cao; bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp có băng thông rộng, tổn hao nhỏ và mức di pha có thể điều chỉnh bằng điện tử; bộ dao động VCO có tạp pha nhỏ sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép.  Đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ SIW kết hợp với công nghệ EBG và DGS để nâng cao chất lượng cho các bộ lọc thông dải SIW-CPW có dải thông rộng, độ chọn lọc cao và kích thước nhỏ. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần như bộ lọc thông dải băng tần S, băng tần C và băng tần X, bộ di pha băng tần X và bộ dao động băng tần X sử dụng trong các đài ra đa quân sự. Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần ứng dụng công nghệ vật liệu nền. Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:  Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW để nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần như bộ lọc, bộ di pha , bộ dao động VCO.  Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW kết hợp với công nghệ EBG và công nghệ DGS để nâng cao chất lượng các bộ lọc thông dải. 4. Nội dung nghiên cứu  Phân tích tổng quan về công nghệ thực hiện trên vật liệu nền và tình hình nghiên cứu về công nghệ vật liệu nền hiện nay, tìm hiểu một số giải pháp công nghệ thực hiện trên vật liệu nền để nâng cao chất lượng các phần tử siêu cao tần trong các hệ thống ra đa hiện nay.  Nghiên cứu các giải pháp thực hiện trên công nghệ SIW từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật mới có thể phát triển trong thực tế nhằm nâng cao độ chọn lọc, giảm thiểu tổn hao và kích thước cho các bộ lọc HMSIW băng tần S; giảm tổn hao cho các bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp băng tần X có băng thông rộng, tổn hao nhỏ và mức di pha có thể điều chỉnh bằng điện tử; giảm tạp pha trong các bộ dao động VCO băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép.  Nghiên cứu các giải pháp kết hợp công nghệ SIW với công nghệ EBG và công nghệ DGS để đưa ra giải pháp kỹ thuật mới có thể phát triển trong thực tế nhằm nâng cao dải thông, tính chọn lọc cũng như giảm thiểu tổn hao của các bộ lọc SIW-CPW dải rộng băng tần C và băng tần X.
5 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Thực hiện nghiên cứu lý thuyết về các công nghệ vật liệu nền đang được ứng dụng hiện nay, áp dụng các công cụ toán học và các phần mềm mô phỏng sau đó đánh giá kết quả thông qua thực nghiệm. Luận án sử dụng lý thuyết về các công nghệ thực hiện trên vật liệu nền, lý thuyết về truyền sóng vô tuyến, hình học giải tích, đại số tuyến tính, công cụ mô phỏng toàn sóng và sử dụng một số phần mềm mô phỏng như CST, HFSS,... để mô phỏng và tiến hành gia công chế tạo thử nghiệm một số sản phẩm. Quá trình thực nghiệm thực hiện thông qua việc đo đạc, đánh giá bằng các thiết bị đo trong Phòng thí nghiệm. 6. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần hoàn thiện các giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần trong các hệ thống ra đa. Luận án đã đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử thụ động và tích cực siêu cao tần ứng dụng công nghệ vật liệu nền. Các nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và khoa học nằm trong xu hướng phát triển chung của lĩnh vực ra đa hiện nay. Các giải pháp đề xuất đều có khả năng đưa vào ứng dụng trong tuyến cao tần của các đài ra đa băng S, băng C và băng X. Ý nghĩa thực tiễn: Các nội dung nghiên cứu của luận án phù hợp với xu hướng nghiên cứu trên thế giới và điều kiện của Việt Nam. Các kết quả đạt được của luận án phù hợp với thực tiễn hoạt động khoa học trong thiết kế, chế tạo các phần tử siêu cao tần ứng dụng công nghệ vật liệu nền để tạo ra các phần tử siêu cao tần có chất lượng tốt hơn cho các hệ thống ra đa quân sự, làm đơn giản hóa việc chế tạo các phần tử siêu cao tần, giải quyết được các bài toán cân bằng giữa tính nhỏ gọn, chất lượng và chi phí sản xuất cho các phần tử siêu cao tần đồng thời có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tế. 7. Bố cục của luận án Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu, luận án được trình bày gồm phần