Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông "Nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần" trình bày tổng quan về bộ chỉ tiêu kỹ thuật của một bộ lọc hốc cộng hưởng; Mô hình hóa hốc cộng hưởng, đánh giá về cường độ trường điện từ truyền trong hốc; Đề xuất cải tiến cấu trúc ghép năng lượng trường điện từ giữa hai hốc cộng hưởng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS VŨ VĂN YÊM
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, các kết quả khoa học được trình bày trong quyển luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận án i
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến thầy GS.TS Vũ Văn Yêm đã hướng dẫn và định hướng khoa học cho tôi trong suốt khóa học. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS. Nguyễn Xuân Quyền cùng các thành viên của RF Lab đã hỗ trợ và cùng tôi thực hiện một số công việc thiết kế trong luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo, quý thầy cô và cán bộ trong Bộ môn Hệ thống Viễn thông, Viện Điện tử - Viễn thông và Phòng Đào tạo đã tạo các điều kiện thuận lợi về nơi học tập, nghiên cứu, các thủ tục hành chính và góp ý chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học, Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp Khoa Điện tử - Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dành cho tôi. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình của tôi. Những người đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua. Đây cũng là động lực lớn nhất giúp tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành kết quả của luận án này. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. x MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN .................................................................................... 10 1.1. Tổng quan về đặc tính của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần . 10 Bộ tham số đặc tuyến của bộ lọc ................................................................... 10 Khảo sát các tham số về cơ khí và điều kiện môi trường .............................. 12 1.2. Phương pháp xây dựng bộ lọc thông dải từ bộ lọc thông thấp mẫu ............. 13 Định nghĩa chung .......................................................................................... 13 Xây dựng bộ lọc thông dải từ bộ lọc thông thấp mẫu ................................... 14 Nguyên tắc tổng hợp bộ lọc........................................................................... 19 1.3. Quy trình thiết kế, mô phỏng bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần ............................................................................................................................ 19 1.4. Phương pháp tinh chỉnh, tối ưu bộ lọc hốc cộng hưởng .............................. 26 Phương pháp tinh chỉnh bằng lý thuyết về độ trễ nhóm................................ 26 Phương pháp tinh chỉnh dựa vào tham số cực trị điện nạp ........................... 27 1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 29 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA VÀ CẤU TRÚC BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN ............................................................................ 30 2.1. Mô hình hóa hốc cộng hưởng......................................................................... 30 Hốc cộng hưởng đơn ..................................................................................... 30 Ghép giữa hai hốc cộng hưởng...................................................................... 32 Ghép chéo giữa hai hốc cộng hưởng không liền kề ...................................... 39 Tiếp điện cho bộ lọc hốc cộng hưởng (ghép vào/ra của bộ lọc) ................... 41 Mô hình tương đương của bộ lọc hốc cộng hưởng ....................................... 42 2.2. Mô hình hóa và thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng không khí ứng dụng trong máy thu phát LTE-A sử dụng hai đường ghép chéo kiểu C................................. 43 Tổng hợp bộ lọc hốc cộng hưởng LTE ......................................................... 43 Thiết kế, mô phỏng và đánh giá .................................................................... 45 iii
2.3. Thiết kế bộ Duplexer có hốc cộng hưởng lục giác ứng dụng trong trạm thu phát gốc LTE-A ...................................................................................................... 50 Phân tích, lựa chọn topo của bộ lọc ............................................................... 51 Phân tích thuộc tính và tính toán kích thước hốc cộng hưởng đơn. .............. 53 Mô phỏng bộ lọc LTE-A và duplexer ........................................................... 54 Thiết kế bộ lọc thông thấp đồng trục Band3 ................................................. 58 2.4. Chế tạo thử nghiệm bộ Duplexer, đo đạc và đánh giá................................... 63 Chế tạo thử nghiệm, kết quả đo đạc .............................................................. 63 Đánh giá kết quả và thảo luận ....................................................................... 67 2.5. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 68 CHƯƠNG 3. MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI TIẾN CẤU TRÚC GHÉP GIỮA HAI HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN .................................... 70 3.1. Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc kề nhau ................ 70 Phân tích đánh giá ảnh hưởng của cấu trúc ghép điện từ .............................. 70 Đề xuất cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng liền kề................... 72 Áp dụng trong thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng ............................................. 74 Đánh giá đề xuất ............................................................................................ 79 3.2. Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc đường ghép kiểu C ............................. 79 Đề xuất cấu trúc ghép cải tiến ....................................................................... 80 Áp dụng trong thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng ............................................. 83 Nhận xét, đánh giá ......................................................................................... 90 3.3. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 90 CHƯƠNG 4. CẢI TIẾN CẤU TRÚC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN CÔNG SUẤT LỚN ................................................................... 92 4.1. Phân tích về đặc tính chịu đựng công suất của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần ..................................................................................................................... 92 Đặc điểm về khả năng chịu đựng công suất của đường truyền đồng trục..... 92 Đánh giá yêu cầu về độ chịu đựng công suất trong máy thu phát sóng vô tuyến ................................................................................................................................. 93 Phân tích, tính toán thông số về khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc (PH) ................................................................................................................................. 95 Tổng quan về các phương pháp thiết kế tăng độ chịu đựng công suất của bộ lọc ................................................................................................................................. 96 4.2. Đề xuất cấu trúc cải tiến đặc tính PH của bộ lọc .......................................... 97 Cấu trúc đề xuất. ............................................................................................ 97 iv
Quy trình thiết kế bộ lọc đạt PH mong muốn................................................ 99 Áp dụng cấu trúc đề xuất trong thiết kế bộ lọc hốc eNodeB ...................... 100 Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế bộ lọc hốc gNodeB ......................... 105 4.3. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 112 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 113 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 124 PHỤ LỤC CÁC PHẦN TỬ TRONG BỘ DUPLEXER CHẾ TẠO THỬ ...... 125 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BNC British Naval Connector Đầu nối BNC BW Bandwidth Băng thông CBW Coupling Bandwidth Băng thông ghép EM Electromagnetic Điện từ FBW Fractional Bandwidth Băng thông tương đối IL Insertion Loss Tổn hao do chèn LTE-A Long Term Evolution Advanced Mạng di động thế hệ 4.5 MEMS Microelectromechanical systems Hệ thống vi cơ điện tử MIMO Multi Input Multi Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra PH Power Handling Độ chịu đựng công suất RL Return Loss Suy hao phản xạ SMA SubMiniature version A Rắc nối loại nhỏ TNC Threaded Neill–Concelman Rắc nối có khía ren TZ Transimission Zero Điểm không của hàm truyền VNA Vector Network Analyzer Máy phân tích mạng vector vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a Chiều cao của đường kim loại nối giữa hai hốc cộng hưởng b Chiều dài của đường kim loại nối giữa hai hốc cộng hưởng d Đường kính của trụ cộng hưởng đồng trục ds Đường kính vít tinh chỉnh D Đường kính trong của hốc cộng hưởng (cavity) 𝐸⃗ Cường độ điện trường f0 Tần số trung tâm gi Điện kháng của phần tử cộng hưởng thứ i trong bộ lọc thông thấp mẫu ⃗ 𝐻 Cường độ từ trường h Chiều cao của trụ cộng hưởng đồng trục H Chiều cao của hốc cộng hưởng kE Hệ số ghép kiểu điện dung kM Hệ số ghép kiểu điện cảm  K  Ma trận biến đổi trở kháng  J  Ma trận biến đổi dẫn nạp LA Hệ số tổn hao do truyền sóng LAS Hệ số tổn hao trong dải chắn LAR Độ gợn trong dải thông  M  Ma trận hệ số ghép giữa các hốc n Bậc của bộ lọc N Số sóng mang vii
Pbr Công suất chịu đựng được của hốc cộng hưởng Qu Hệ số phẩm chất không tải Qe Hệ số phẩm chất ngoài RL Hệ số suy hao phản xạ Sij Các hệ số của ma trận tán xạ Td Độ trễ nhóm VSWR Tỷ số sóng đứng điện áp w Độ rộng cửa sổ ghép giữa hai hốc liền kề WEM Năng lượng điện trường Wr es Năng lượng điện trường chứa trong hốc cộng hưởng Zin Trở kháng vào của hốc cộng hưởng Z0 Trở kháng đặc trưng  Hằng số truyền sóng θ Góc nghiêng khối nón cụt Ф Góc pha r Hằng số điện môi tương đối λ Bước sóng 0 Tần số góc trung tâm viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Độ trễ nhóm của S11 tại tần số trung tâm f 0 ............................................ 27 Bảng 2-1: Độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng.................................... 47 Bảng 2-2: Các kích thước thiết kế của bộ lọc TX .................................................... 48 Bảng 2-3: Yêu cầu kỹ thuật của bộ Duplexer trong hệ thống eNodeB Band 3 ....... 51 Bảng 2-4: Bộ tham số kích thước chi tiết của bộ cộng hưởng đơn .......................... 54 Bảng 2-5: Kích thước chi tiết ốc tinh chỉnh sau tối ưu............................................. 55 Bảng 2-6: Giá trị L,C của bộ lọc thông thấp siêu cao tần ........................................ 60 Bảng 2-7: Kích thước của các phần tử đồng trục trong bộ lọc thông thấp............... 61 Bảng 2-8: Tổng hợp kết quả đo đạc bộ Duplexer .................................................... 68 Bảng 3-1: So sánh đặc điểm của 2 loại topo ............................................................ 75 Bảng 3-2: Hệ số ghép giữa các hốc cộng hưởng ...................................................... 76 Bảng 3-3: So sánh chỉ tiêu kỹ thuật của các bộ lọc .................................................. 79 Bảng 3-4: Độ rộng băng tần ghép............................................................................. 85 Bảng 3-5: Bộ tham số chính của bộ lọc.................................................................... 85 Bảng 4-1: Các yêu cầu kỹ thuật bộ lọc ................................................................... 100 Bảng 4-2: Kết quả tổng hợp ma trận ghép [M-] và tần số cộng hưởng.................. 101 Bảng 4-3: So sánh đặc điểm đặc tuyến sau mô phỏng ........................................... 105 Bảng 4-4: Các yêu cầu kỹ thuật bộ lọc ................................................................... 105 Bảng 4-5: Kết quả tổng hợp ma trận ghép [M-] và tần số cộng hưởng (gNB) ...... 106 Bảng 4-6: Bảng giá trị các phần tử LC của sơ đồ mạch nguyên lý ........................ 106 Bảng 4-7: Kích thước cơ bản của bộ lọc hốc cộng hưởng gNodeB ....................... 109 Bảng 4-8: So sánh đặc điểm đặc tuyến sau mô phỏng ........................................... 110 Bảng 4-9: So sánh đặc điểm đặc điểm kỹ thuật với một số bộ lọc hốc cộng hưởng ................................................................................................................................ 112 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Hình dạng bộ Duplexer trong mô phỏng và thực tế................................. 10 Hình 1-2: Đặc tuyến truyền đạt của bộ lọc thông dải thông..................................... 11 Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý các bộ lọc thông thấp mẫu ............................................ 15 Hình 1-4: a) Các bộ biến đổi trở nạp chuyển cuộn cảm nối tiếp thành tụ điện song song; b) Các bộ biến đổi trở nạp dùng để chuyển đổi tụ điện song song thành cuộn cảm nối tiếp. ............................................................................................................. 16 Hình 1-5: (a) Sơ đồ tổng quát bộ lọc thông dải có các phần tử cộng hưởng là LC mắc nối tiếp; (b) Sơ đồ tổng quát bộ lọc thông dải có các phần tử cộng hưởng là LC mắc song song .................................................................................................................. 18 Hình 1-6: a) Sơ đồ mạch ghép giữa các hốc cộng hưởng; ....................................... 20 Hình 1-7: Quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo tổng quát .................................... 21 Hình 1-8: Quy trình tổng hợp bộ lọc ........................................................................ 22 Hình 1-9: Sơ đồ các bước tính toán, thiết kế các phần tử bộ lọc ............................. 23 Hình 1-10: Các bước dựng bộ lọc đầy đủ ................................................................ 23 Hình 1-11: a) Ví dụ về cấu trúc ghép chéo kiểu L; b) Ví dụ về cấu trúc ghép chéo kiểu C ........................................................................................................................ 24 Hình 1-12: Quy trình tối ưu bộ lọc bằng phần mềm ................................................ 25 Hình 1-13: Quy trình tinh chỉnh bộ lọc sau lắp ráp .................................................. 26 Hình 1-14: a) Đồ thị độ trễ nhóm hốc đầu/cuối; b) Đồ thị độ trễ nhóm khi có hai hốc cộng hưởng ............................................................................................................... 27 Hình 1-15: Mô phỏng hệ số ghép kij. a) Mô hình 3D có các port rời rạc. b) Mô phỏng độ rộng băng tần ghép Kij ......................................................................................... 28 Hình 2-1: a) Hốc cộng hưởng siêu cao tần với bộ cộng hưởng đồng trục; b) Mô hình tương đương RLC của hốc ....................................................................................... 31 Hình 2-2: a) Phân bố điện trường; b) Phân bố từ trường; c) Vector cường độ điện – trường trường trong hốc cộng hưởng ....................................................................... 32 x
Hình 2-3: Mô hình ghép hai hốc cộng hưởng liền kề. a) Mặt cắt dọc 2D. b) Mô hình 3D trong mô phỏng CBW. c) Mô hình tương đương ............................................... 33 Hình 2-4: Sơ đồ tương đương 3 hốc cộng hưởng [63] ............................................. 34 Hình 2-5: a) Mô hình ghép biểu diễn dưới dạng hệ số tương hỗ Lm. b) Mô hình ghép kiểu điện cảm giữa hai hốc cộng hưởng tương đương [43] ..................................... 35 Hình 2-6: a) Vector cường độ điện trường 𝐸; b) Vector cường độ từ trường 𝐻 trong mặt phẳng cắt ngang ................................................................................................. 36 Hình 2-7: Mô phỏng độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng liền kề........ 37 Hình 2-8: a)Cấu trúc ghép chéo kiểu C giữa hai hốc cộng hưởng; b)Mạch hai cộng hưởng có ghép điện; c)Mạch tương đương có bộ chuyển đổi dẫn nạp J = ωCm [43] .................................................................................................................................. 38 Hình 2-9: Mô phỏng năng lượng điện từ giữa hai hốc ghép chéo. (a) Cường độ điện trường; (b) Cường độ từ trường................................................................................ 39 Hình 2-10: Mô phỏng CBW giữa hai hốc cộng hưởng ghép kiểu C ........................ 39 Hình 2-11: a) Mô hình ghép topo tam giác C-C-C. b) Mô hình ghép topo tam giác L- L-C. c) Mô hình ghép topo tứ giác L-L-L-C ............................................................ 40 Hình 2-12: a) Tiếp điện kiểu vòng dây – không khí; (b) Tiếp điện bằng đầu dây hàn nối trực tiếp [1]; (c) Tiếp điện vòng dây kiểu L gián tiếp ........................................ 41 Hình 2-13: Mô hình tương đương của ghép vào/ra [63]. a) Sơ đồ tương đương biểu diễn dưới dạng hệ số ghép tương hỗ. b) Sơ đồ tương đương ................................... 42 Hình 2-14: a) Ví dụ về topo của bộ lọc có bậc 10. B). Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc tương ứng.................................................................................................................. 43 Hình 2-15: Đáp ứng tham số S sau tối ưu ................................................................ 44 Hình 2-16: a) Ma trận ghép sau tối ưu. b) Topo của bộ lọc ..................................... 44 Hình 2-17: a) Mô hình 3D của 1 hốc cộng hưởng; b) Mô hình cắt dọc của hốc cộng hưởng; c) Sơ đồ tương đương của hốc đơn (giả sử hốc không tổn hao RS = 0)....... 46 Hình 2-18: (a) Thiết kế tiếp điện đầu vào/ra của bộ lọc; (b) Sơ đồ mạch tương đương của ghép đầu vào và hốc cộng hưởng đầu tiên ......................................................... 47 xi
Hình 2-19: (a) Cấu trúc ghép kiểu điện cảm giữa hai hốc cộng hưởng. (b) Cấu trúc ghép kiểu điện dung trong topo hình tứ giác ............................................................ 47 Hình 2-20: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX hoàn chỉnh ................................................. 48 Hình 2-21: Kết quả mô phỏng các tham số tán xạ trước tối ưu. a) Đồ thị biên độ hệ số truyền đạt S21. b) Đồ thị biên độ hệ số phản xạ S11 ............................................. 49 Hình 2-22: a) Kết quả mô phỏng S21(dB). b) Kết quả mô phỏng S11(dB) sau khi tinh chỉnh, tối ưu .............................................................................................................. 50 Hình 2-23: Sơ đồ khối bộ Duplexer ......................................................................... 51 Hình 2-24: Đồ thị các đặc tính của các bộ lọc theo sơ đồ mạch nguyên lý. a) Hệ số phản xạ và hệ số truyền đạt của bộ lọc TX; b) Hệ số phản xạ và hệ số truyền đạt của bộ lọc RX .................................................................................................................. 52 Hình 2-25: a) Topo bộ lọc TX; b) topo bộ lọc RX ................................................... 53 Hình 2-26: Mặt cắt và mô hình tương đương hốc cộng hưởng đơn ......................... 53 Hình 2-27: a) Bộ lọc TX; b) Bộ lọc RX. .................................................................. 54 Hình 2-28: a) Kết quả mô phỏng đặc tuyến của bộ lọc RX, b) Kết quả mô phỏng đặc tuyến của bộ lọc TX ................................................................................................. 56 Hình 2-29: Cấu trúc bộ Duplexer hoàn chỉnh .......................................................... 57 Hình 2-30: Kết quả mô phỏng bộ Duplexer Band 3................................................. 58 Hình 2-31: Đặc tuyến truyền đạt bộ lọc TX ............................................................. 58 Hình 2-32: Đặc tuyến truyền đạt bộ lọc RX ............................................................. 59 Hình 2-33: Sơ đồ nguyên lý bộ lọc thông thấp ........................................................ 59 Hình 2-34: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng .................................................................... 60 Hình 2-35: Kết quả mô phỏng [S] của bộ lọc thông thấp......................................... 61 Hình 2-36: Mô hình 3D mô phỏng bộ lọc thông thấp .............................................. 62 Hình 2-37: Kết quả mô phỏng bộ lọc thông thấp. a) Đồ thị hệ số truyền đạt của bộ lọc thông thấp. b) Đồ thị hệ số phản xạ của bộ lọc thông thấp ...................................... 62 Hình 2-38: Bộ Duplexer 2x2 sau chế tạo ................................................................. 64 xii
Hình 2-39: Quy trình tinh chỉnh bộ Duplexer bằng thủ công .................................. 65 Hình 2-40: Sơ đồ đo kiểm bộ Duplexer bằng máy VNA ......................................... 65 Hình 2-41: Các tham số bộ Duplexer. a) Hệ số phản xạ của bộ lọc TX. b) Hệ số phản xạ của bộ lọc RX. c) Hệ số truyền đạt của bộ lọc RX. d) Hệ số truyền đạt của bộ lọc TX. e) Hệ số cách ly 2 tuyến TX – RX .................................................................... 67 Hình 3-1: Mối quan hệ giữa độ rộng băng tần ghép và độ gợn dải thông ứng với các bộ lọc có bậc khác nhau............................................................................................ 71 Hình 3-2: Mô hình mô phỏng CBW của 2 hốc liền kề. a) Mô hình 3D. b) Mô phỏng biên độ và pha của S21. ............................................................................................. 71 Hình 3-3: a) Mô phỏng điện trường. b) Mô phỏng từ trường .................................. 72 Hình 3-4: Mô hình đề xuất tăng hệ số ghép giữa hai hốc cộng hưởng. a) Hình chiếu 2D của mô hình. b) Mô hình 3D............................................................................... 72 Hình 3-5: a) Trường điện từ trong mô hình ghép chính; b) Biên độ của vector cường độ từ trường khi b = 0mm; c) Biên độ của vector cường độ từ trường khi độ dài của b lớn nhất .................................................................................................................. 73 Hình 3-6: Đánh giá độ rộng băng tần CBW. (a) CBW thay đổi theo chiều cao. (b) CBW thay đổi theo chiều dài.................................................................................... 74 Hình 3-7: Sơ đồ sắp xếp hốc cộng hưởng bộ lọc ..................................................... 76 Hình 3-8: Duplexer hoàn chỉnh ................................................................................ 77 Hình 3-9: Kết quả mô phỏng. (a) Đồ thị hệ số phản xạ. (b) Đồ thị hệ số truyền đạt. (c) Đồ thị hệ số cách ly giữa TX-RX ....................................................................... 79 Hình 3-10: a) Mô hình 3D của đường ghép chéo kiểu C; b) Hình cắt đứng của cấu trúc đề xuất ............................................................................................................... 80 Hình 3-11: a) Sơ đồ tương đương của cấu trúc ghép chéo cũ. b) Sơ đồ tương đương của cấu trúc ghép chéo mới ...................................................................................... 81 Hình 3-12: Mô phỏng điện trường trong cấu trúc ghép kiểu C. a) Mô tả khu vực tập trung năng lượng điện trường. b) Mô phỏng độ rộng băng tần ghép ....................... 82 xiii
Hình 3-13:a) Kết quả mô phỏng CBW chéo; b) Đồ thị CBW thay đổi theo độ dài screw ......................................................................................................................... 83 Hình 3-14:a) Topo của bộ lọc hốc cộng hưởng; b) Sơ đồ nguyên lý tương đương . 84 Hình 3-15: Bộ lọc hoàn chỉnh .................................................................................. 86 Hình 3-16: a) Thiết kế đường tiếp điện đầu vào/đầu ra; b) Kết quả mô phỏng độ trễ nhóm S11 ................................................................................................................... 87 Hình 3-17: Kết quả mô phỏng bộ lọc TX 4G cải tiến cấu trúc ghép kiểu C. a) Hệ số phản xạ S11/dB. b) Hệ số truyền đạt S21/dB. c) Đồ thị độ gợn trong dải thông S21/dB .................................................................................................................................. 88 Hình 3-18: a). Đặc điểm của TZ0 khi Tcij thay đổi. b) So sánh độ dốc của đặc tuyến khi Tcij thay đổi ......................................................................................................... 89 Hình 4-1: a). Mô hình hốc cộng hưởng đơn. b). Mô phỏng cường độ điện trường trong hốc cộng hưởng đơn ................................................................................................. 96 Hình 4-2:a) Hình chiếu cạnh và hình chiếu bằng của khối nón; b) Mặt cắt của hốc cộng hưởng ............................................................................................................... 97 Hình 4-3: a) Mô hình 3D hốc cộng hưởng đề xuất. b) cường độ điện trường lớn nhất [V/m] trong hốc cộng hưởng đơn. c) Kết quả đánh giá cường độ điện trường lớn nhất khi thay đổi góc nghiêng θ. ...................................................................................... 98 Hình 4-4: Tiến trình thiết kế hốc đơn ....................................................................... 99 Hình 4-5: Topo của bộ lọc hốc LTE-A. ................................................................. 100 Hình 4-6: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng, tính toán .................................................... 101 Hình 4-7: a) Kết quả mô phỏng hệ số tán xạ của sơ đồ nguyên lý; b)Năng lượng điện từ lưu trữ trong hốc cộng hưởng............................................................................. 102 Hình 4-8: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX Band 3 hoàn chỉnh ..................................... 103 Hình 4-9: Đồ thị đặc tính bộ lọc TX 4G sau tối ưu. a) Hệ số phản xạ S11. b) Độ gợn trong dải thông. c) Hệ số truyền đạt. d) Pha của hệ số truyền đạt .......................... 104 Hình 4-10: Topo của bộ lọc máy phát trạm gNodeB. ............................................ 105 xiv
Hình 4-11: a) Sơ đồ nguyên lý mô phỏng bộ lọc; b) Sơ đồ tính toán công suất mỗi hốc .......................................................................................................................... 107 Hình 4-12: a) Kết quả mô phỏng [S] của sơ đồ nguyên lý; b)Năng lượng điện từ lưu trữ trong hốc cộng hưởng. ...................................................................................... 108 Hình 4-13: Cường độ điện trường đỉnh [V/m] trong hốc cộng hưởng tại f05. ........ 109 Hình 4-14: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX Band 3 hoàn chỉnh ................................... 110 Hình 4-15: a) Đồ thị hệ số phản xạ bộ lọc TX trạm gNB. b) Đồ thị đặc tuyến truyền đạt bộ lọc TX trạm gNB. c) Đồ thị pha của đặc tuyến truyền đạt bộ lọc TX trạm gNB ................................................................................................................................ 111 xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Bộ lọc thông dải siêu cao tần là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống thu, phát vô tuyến. Vai trò của bộ lọc là loại bỏ các tín hiệu có tần số không mong muốn, chỉ cho phép tín hiệu có tần số mong muốn truyền qua. Ngoài ra, các bộ lọc hốc cộng hưởng còn là các khối chủ yếu tạo thành các bộ Duplexer, Coupler và các bộ chọn kênh, chúng thường đứng giữa ăng ten và các bộ khuếch đại siêu cao tần trong hệ thống vô tuyến. Không chỉ vậy, các hốc cộng hưởng nối tầng và độc lập có thể sử dụng cho việc chống nhiễu, là thiết bị lý tưởng cho việc chống nhiễu xuyên điều chế máy phát. Tính chất chọn lọc của máy thu có thể tăng cao bằng cách ứng dụng việc lọc tín hiệu của các hốc cộng hưởng, bởi vậy có thể khử hài và giải quyết các vấn đề về quá tải. Các đặc tính chủ yếu của bộ lọc theo [1] như: dải thông, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao trong dải thông, độ gợn dải thông, độ dốc của bộ lọc. Tùy theo yêu cầu về kỹ thuật, mô hình thiết kế, hình dạng bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần là khác nhau. Theo nhóm tác giả Ralph Levy [2], bộ lọc có thể có dạng cài răng lược, bộ lọc kẽ, đường truyền ghép song song, dạng chữ nhật và tròn, trở kháng nhảy bước. Các kiểu cấu hình đường truyền gồm kiểu ống dẫn sóng, trụ cộng hưởng điện môi, dạng đường đồng trục, sóng phát1 (evanescent-mode), các dạng mạch in như vi dải, mạch dải, đế treo. So sánh về đặc điểm hệ số phẩm chất, dải tần làm việc, kích thước bộ lọc của các loại cấu trúc trên đã được nêu trong [3], công nghệ hốc cộng hưởng dạng đồng trục phù hợp với ứng dụng trong các trạm thu phát của mạng di động. Các dạng mô hình chủ yếu gồm ba khối nối tiếp (Cascaded Triplet) hoặc bốn khối nối tiếp (Cascaded Quadruplet) được sử dụng để tổng hợp bộ lọc [4]. Hình dạng của hốc cộng hưởng thường có hai dạng cơ bản: Dạng hình chữ nhật, trong đó, tất cả các mode TE hoặc TM đều có thể tìm được bằng cách áp dụng các điều kiện đường biên của trường điện từ; dạng hình trụ, trong đó, trường điện và từ phụ thuộc vào chiều dài và bán kính của ống dẫn sóng hình trụ kết hợp với các điều kiện biên tại các vách, tần số cộng hưởng của các mode TE và TM là khác nhau. Có một vài nhóm phương trình tính toán đáp ứng và tổng hợp của bộ lọc gồm: Nhóm phương trình áp dụng cho các bộ lọc hướng biên độ (Butterworth, Chebyshev, Elliptic, Chebyshev tổng quát 1 Evanescent-mode: Trong điện từ học, trường phát hay sóng phát, là một điện trường hoặc từ trường dao động mà không lan truyền như một sóng điện từ nhưng có năng lượng tập trung trong không gian ở vùng lân cận của nguồn (điện tích và dòng điện dao động) 1
(Chebyshev loại II)), nhóm các phương trình pha tuyến tính áp dụng cho các bộ lọc hướng pha (Bessel và Rhodes) [5]. Cấu tạo của bộ lọc hốc cộng hưởng bao gồm các hốc cộng hưởng được ghép lại với nhau qua vách ngăn. Các cấu trúc vách ghép giữa hai hốc cộng hưởng cạnh nhau đã được đánh giá, đo đạc hệ số ghép tương hỗ. Trong đó, giá trị ghép tương hỗ phụ thuộc vào tỉ số giữa chiều rộng và chiều dài của vách [6], tạo thành các đường ghép kiểu mang tính điện cảm. Sự hình thành lên các điểm không của hàm truyền (TZ0) được giải thích trong [7], trong đó, hai hốc cộng hưởng không liền kề có thể ghép với nhau tạo nên các điểm TZ0 ở bên dưới hoặc bên trên của dải thông. Việc thiết kế các TZ0 giúp tăng độ dốc của đặc tuyến truyền đạt của bộ lọc trong dải chắn. Liên kết chéo có thể mang tính điện dung hoặc điện cảm, các cấu trúc vật lý của chúng cũng được khảo sát trong [7, 8]. Lý thuyết và phương pháp tổng hợp bộ lọc biểu diễn dưới dạng ma trận liên kết được tác giả Richard J. Cameron trình bày một cách chi tiết trong [9]. Trong đó, bộ lọc bao gồm nhiều hốc cộng hưởng được ghép lại với nhau theo đường liên kết chính hoặc liên kết chéo, năng lượng liên kết giữa các hốc được biểu diễn bằng các hệ số liên kết tương hỗ giữa các hốc. Các phương pháp tinh chỉnh bộ lọc bao gồm: Tối ưu độ trễ nhóm của hệ số phản xạ bằng cách tối ưu độ trễ nhóm của tất cả các liên kết và tần số cộng hưởng [10]; Tinh chỉnh port là phương pháp phân tích trường điện từ khởi tạo của bộ lọc bằng cách chèn các port vào tất cả các trụ cộng hưởng [11]; Phương pháp dựa vào phép biến đổi Z chirp nghịch đảo (CZT ngược), đây là một dạng của hàm biến đổi Fourie rời rạc DFT, các mẫu biến đổi Z chirp phân bố theo cung xoắn ốc trong mặt phẳng Z tương ứng với dạng đường thẳng trong mặt phẳng S. Giải pháp này được Dean Fickey đưa ra trong [12]. Năm 2011, các kỹ thuật tinh chỉnh này đã được CST viết thành các tài liệu bài giảng một cách có hệ thống và đầy đủ, chúng không ngừng được cập nhật kèm các dẫn dắt ví dụ đi kèm [13] giúp cho các nhà thiết kế áp dụng một cách dễ dàng. Do tính ứng dụng cao của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần trong các hệ thống thu phát vô tuyến mà các nhà nghiên cứu trên thế giới vẫn luôn chú trọng việc cải tiến chúng cho phù hợp với sự phát triển của công nghệ mới. Các hướng nghiên bộ lọc thông dải siêu cao tần gồm: Thứ nhất là các nghiên cứu cải tiến cấu trúc ống trụ cộng hưởng và khoang cộng hưởng nhằm thu nhỏ kích thước [14–20], cải tiến đặc tính về độ dốc, suy hao trong băng [16, 18, 21–26], cải tiến cấu trúc giúp bộ lọc thực hiện đồng thời nhiều chức năng khác nhau [16]. Thứ hai là cải tiến mô hình ghép giữa hai hốc cộng hưởng nhằm đạt được bộ lọc băng rộng [27], tối ưu độ dốc đặc tuyến truyền 2
đạt trong dải chắn [28–30] hoặc thực hiện bằng cấu trúc lạ sử dụng vật liệu mới để tăng hệ số phẩm chất [18]. Thứ ba là bộ lọc hốc điều hưởng với hệ số phẩm chất cao. Đây cũng là xu hướng phổ biến trong thời gian gần đây, nhất là trong các ứng dụng hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh. Các thiết bị lọc điều hưởng trong hệ thống vệ tinh được nhóm các nhà nghiên cứu trình bày trong [31]. Trong đó, bộ lọc có khả năng thay đổi tần số cộng hưởng bằng cách điều khiển điện, từ hoặc cơ khí. Các hệ thống cơ điện tử (MEMS) có khả năng dịch chuyển vách của khoang cộng hưởng bằng một lệnh điều khiển bằng điện [32–35], cho kết quả hệ số phẩm chất Q không tải đạt lớn nhất. Bộ lọc điều hưởng cơ khí chia thành hai loại gồm: Dịch chuyển tịnh tiến để tái cấu hình kích cỡ hình dạng của chính hốc cộng hưởng mà không làm thay đổi dạng trường điện từ [36–39]; quay hoặc tịnh tiến các bộ nhiễu loạn điện môi hoặc kim loại để phá vỡ dạng trường điện từ trong hốc khi giữ nguyên kích thước khoang cộng hưởng [40, 41]. Thứ tư là về công nghệ chế tạo, bộ lọc hốc cộng hưởng thường được chế tạo bằng sự kết hợp của nhiều công đoạn gia công cơ khí khác nhau như đúc, phay, mạ. Ngoài ra, gần đây công nghệ in 3D cũng đã được phát triển [42]. a) Tình hình nghiên cứu thế giới Hiện nay, việc mô hình hóa chi tiết bộ lọc hốc cộng hưởng để triển khai vẫn chưa được các nhà nghiên cứu nêu rõ, bộ quy trình hoàn chỉnh chưa được tổng hợp đầy đủ để dễ dàng áp dụng. Cụ thể, một quy trình tổng hợp bộ lọc thông dải, áp dụng cho bộ lọc công nghệ vi dải được nêu trong [43] một cách chi tiết. Ngoài ra, nhóm tác giả Richard J.Cameron đã nêu tóm tắt bốn bước cơ bản của thủ tục thiết kế một bộ lọc hốc cộng hưởng [3]. Tuy nhiên, lý thuyết cần áp dụng cho các bước thực hiện này được trình bày trong nhiều chương trước đó. Công thức tổng hợp bộ lọc, phân tích cấu trúc ghép tương hỗ năng lượng trường điện từ giữa hai hốc cộng hưởng liền kề trong bộ lọc hốc với các dạng vách khác nhau đã được mô tả trong cuốn sách của Geogre L.Matthei trong [6]. Hãng sản xuất phần mềm CST cũng tổ chức buổi đào tạo trực tuyến qua web để hướng dẫn sử dụng phần mềm CST Studio Suite trong việc thiết kế, tinh chỉnh; các phương pháp tinh chỉnh, tối ưu bộ lọc cũng đã được trình bày. Tuy nhiên công việc tinh chỉnh bộ lọc phức tạp, trải qua nhiều bước thực hiện nên việc phối hợp các phương pháp tinh chỉnh trong cùng một dự án để đạt được kết quả tối ưu nhất, nhanh và hiệu quả là cần thiết. Việc này chưa được trình bày trong nội dung của hội thảo trực tuyến trên Web. Các loại cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng đã được mô tả trong [6] bao gồm khe hình chữ nhật, hình chữ nhật bo góc tròn, hình chữ thập, hình quả chuông. Trong đó, hệ số phân cực điện, phân cực từ được đo đạc và tính toán, các hệ số này phụ 3