Mạch lọc thông dải kích thước nhỏ, tổn hao thấp sử dụng công nghệ SIW cấu trúc CSRR cho ứng dụng thông tin vệ tinh băng Ku

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Mạch lọc thông dải kích thước nhỏ, tổn hao thấp sử dụng công nghệ SIW cấu trúc CSRR cho ứng dụng thông tin vệ tinh băng Ku" trình bày nghiên cứu mạch lọc thông dải trên nền công nghệ SIW làm việc trên băng tần Ku, với các cấu hình khác nhau của khung cộng hưởng CSRR. Cấu trúc chuyển đổi xẻ khe được sử dụng giúp thu gọn kích thước bộ lọc hơn nữa. Cấu trúc 1 và cấu trúc 2 trong bài báo có kích thước gọn nhẹ lần lượt là 25.7x7.2 mm2 và 12.3x7.5 mm2. Các thiết kế cũng tối ưu hóa hệ số phẩm chất khung cộng hưởng CSRR để đạt được tổn hao thấp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mạch lọc thông dải kích thước nhỏ, tổn hao thấp sử dụng công nghệ SIW cấu trúc CSRR cho ứng dụng thông tin vệ tinh băng Ku

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Mạch lọc thông dải kích thước nhỏ, tổn hao thấp sử dụng công nghệ SIW cấu trúc CSRR cho ứng dụng thông tin vệ tinh băng Ku Nguyễn Hoàng Chương, Nguyễn Phước Nguyên, Phan Trọng Việt, Mai Văn Tá, Nguyễn Tuấn Hưng, Nguyễn Huy Hoàng, và Lương Duy Mạnh Khoa Vô tuyến điện tử Le Quy Don Technical University Email: nguyenhoangchuong2002.daian@gmail.com, nguyen82vodoi@gmail.com, vietphan2201@gmail.com, tamv@lqdtu.edu.vn, hoangnh@lqdtu.edu.vn, manhld@lqdtu.edu.vn Tóm tắt— Các cấu trúc lọc trên nền công nghệ ống dẫn sóng tần số cắt của đường truyền SIW [1]. Một số công trình được tích hợp chất nền (SIW) đã và đang được tập trung nghiên cứu công bố đã đề xuất các bộ lọc dùng khung cộng hưởng CSRR rộng rãi. Bộ lọc dùng công nghệ SIW sử dụng các vòng chia cộng làm việc ở băng C [5], băng X [6]. Các bộ lọc trên có đặc tính hưởng bổ sung (Complementary Split - Ring Resonator - CSRR) lọc như tiêu hao chèn nhỏ và tổn hao ngược trong dải thông cho phép đạt được kích thước nhỏ gọn cùng tổn hao thấp nhờ khá tốt, tuy nhiên kích thước mạch chưa tối ưu do sử dụng hoạt động dưới vùng tần số cắt của đường truyền SIW. Bài báo trình bày nghiên cứu mạch lọc thông dải trên nền công nghệ cấu trúc chuyển đổi hình côn. Bộ lọc thông dải SIW băng Ku SIW làm việc trên băng tần Ku, với các cấu hình khác nhau của chưa được nghiên cứu trước đây. Trong nghiên cứu này, khung cộng hưởng CSRR. Cấu trúc chuyển đổi xẻ khe được sử nhóm tác giả thiết kế các bộ lọc thông dải sử dụng khung cộng dụng giúp thu gọn kích thước bộ lọc hơn nữa. Cấu trúc 1 và cấu hưởng CSRR hoạt động ở băng Ku cho ứng dụng thông tin trúc 2 trong bài báo có kích thước gọn nhẹ lần lượt là 25.7  7.2 vệ tinh. Để đạt được các đặc tính lọc theo yêu cầu, nhóm tác mm2 và 12.3  7.5 mm2. Các thiết kế cũng tối ưu hóa hệ số phẩm giả đã tiến hành khảo sát kỹ lưỡng các cấu hình khác nhau chất khung cộng hưởng CSRR để đạt được tổn hao thấp. Bộ lọc của cấu trúc CSRR kết hợp với thực hiện điều chỉnh các kích thiết kế đạt được tiêu hao chèn nhỏ hơn -1 dB, tổn hao ngược thước quan trọng liên quan đến tần số cộng hưởng và hệ số nhỏ hơn -16 dB trong dải thông, các chỉ tiêu này tốt hơn hoặc phẩm chất của chúng để đảm bảo dải tần làm việc cũng như tương đương với các kết quả đã công bố ở cùng băng tần. Các tổn hao chèn nhỏ. Ngoài ra, cấu trúc chuyển đổi xẻ khe được bộ lọc được thiết kế và có thể hướng đến ứng dụng cho thông tin vệ tinh băng Ku. dùng thay thế cho cấu trúc chuyển đổi hình côn giúp giảm đáng kể kích thước bộ lọc. Index Terms— Ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW, vòng chia Kết quả cho thấy, các chỉ tiêu của các bộ lọc được thiết kế cộng hưởng bổ sung CSRR, mạch lọc thông dải băng Ku. khá tốt và có thể hướng đến ứng dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh băng Ku. Phần tiếp theo của bài báo được bố trí I. GIỚI THIỆU như sau: mục II tóm tắt các cấu hình của cặp khung CSRR. Bộ lọc cơ khí được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến trong Các bộ lọc thông dải băng Ku với các cấu hình khác nhau của các hệ thống thông tin vệ tinh băng Ku do có độ chọn lọc cao, cặp CSRR được thiết kế và phân tích trong mục III. Cuối tiêu hao chèn thấp, và công suất chịu được lớn. Tuy nhiên, cùng, mục IV kết luận bài báo. nhược điểm khó khắc phục của các bộ lọc cơ khí đó là có kích II. CÁC CẤU HÌNH CỦA KHUNG CỘNG HƯỞNG CSRR thước cồng kềnh, khó tích hợp với cấu trúc mạch dải, chi phí sản xuất cao, và điều chỉnh phức tạp. Gần đây, công nghệ ống 1. Khung cộng hưởng CSRR dẫn sóng tích hợp chất nền (SIW) ra đời và được nghiên cứu Các khung cộng hưởng vòng phân chia bổ sung CSRR có rộng rãi nhờ các ưu điểm nổi bật như: dễ dàng tích hợp với thể dễ dàng khắc vào các mạch SIW nhờ công nghệ mạch in các cấu trúc mạch dải, dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch PCB. Các tham số hình học của khung CSRR được chỉ ra trên in thông thường, đảm bảo công suất chịu được tốt. Cấu trúc hình 1(a). Mỗi khung CSRR bao gồm hai vòng kim loại hình này được thiết kế trên chất tấm nền điện môi phẳng, các lớp chiếc nhẫn đặt song song với nhau và cách nhau một khoảng dẫn điện trên và dưới làm bằng kim loại được đục hai hàng lỗ cách nhỏ. Khi sóng điện từ đi qua các vòng kim loại, nó sẽ song song có tác dụng như bức tường định hướng năng lượng tương tác với các vòng tạo ra hiệu ứng cộng hưởng. Sơ đồ sóng siêu cao tần [1], tạo thành ống dẫn sóng dạng kín. tương đương của một khung CSRR được mô tả bằng một Các bộ lọc xây dựng trên công nghệ SIW sử dụng các cấu mạch cộng hưởng LC [5]. Tần số cộng hưởng của khung có trúc cộng hưởng khác nhau như trụ điện cảm [2], mống mắt thể thay đổi bằng cách thay đổi điện dung và điện cảm tương [3] và CSRR [4]. Cấu trúc lọc dùng khung cộng hưởng CSRR tương của khung thông qua thay đổi kích thước hình học của có ưu điểm kích thước nhỏ gọn nhờ hoạt động ở dưới vùng khung CSRR. Sự thay đổi của tần số cộng hưởng theo chiều ISBN ............ 978-604-80-8932-0 168
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) dài của khung được thể hiện trên hình 1(b). Có thể thấy tần 2. Bộ lọc thông dải băng Ku sử dụng các cặp khung cộng số cộng hưởng giảm khi tăng chiều dài của khung. Điều này hưởng CSRR cấu hình mặt - mặt được lý giải là do điện cảm tương đương tăng khi tăng chiều Kết quả tham số ma trận tán xạ của bộ lọc thông dải bậc 3 dài của khung CSRR. sử dụng 3 mắt lọc đơn vị với cấu hình mặt - mặt được chỉ ra Trong các bộ lọc SIW dùng khung cộng hưởng CSRR đã trên Hình 6. công bố, các mắt lọc đơn vị được hình thành nhờ ghép một Có thể thấy các tham số tiêu hao chèn và tổn hao ngược cặp CSRR theo các cấu hình khác nhau như mô tả ở mục II.2 trong dải thông khá tốt. Điều này đạt được là do khung CSRR dưới đây. được thiết kế có hệ số phẩm chất Qu lớn khoảng 280. Tuy nhiên, độ gạt ngoài dải thông của bộ lọc này vẫn còn hạn chế. 2. Các cấu hình của khung cộng hưởng CSRR Tiêu hao chèn tại tần số 13.7 GHz ngoài dải thông là -1.7 dB. Hình 2 thể hiện các cấu hình của cặp khung CSRR: (a) Về nguyên tắc, độ dốc của bộ lọc sẽ cải thiện khi số mắt cấu hình cạnh - cạnh ngược, (b) cấu hình mặt - mặt, (c) cấu lọc đơn vị tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng số mắt lọc, tiêu hao hình cạnh - cạnh thuận, (d) cấu hình quay lưng. Các đặc trưng chèn trong dải thông sẽ nhỏ đi và kích thước của bộ lọc cũng tham số ma trận tán xạ S11 và S21 của các cấu hình được thể tăng lên. hiện trên Hình 3. Mỗi một cấu trúc với cấu hình khác nhau Trong tương lai khi sử dụng kỹ thuật nâng cao như ghép hình thành được dạng đặc tuyến khác nhau. Trong các cấu chéo các khung cộng hưởng không liền kề [8], độ dốc của bộ hình trên, cấu hình mặt - mặt và cạnh - cạnh ngược có ưu lọc có thể được cải thiện đáng kể. điểm tiêu hao chèn nhỏ trong dải thông nhỏ, thích hợp để thiết Bộ lọc có diện tích tương đối nhỏ gọn là 7.56 mm x 25.76 kế các bộ lọc thông dải có tổn hao thấp. Các kết quả của từng mm. Điều này đạt được một mặt là nhờ ưu điểm của các bộ lọc cấu trúc lọc được thể hiện ở các phần tiếp theo của bài báo. sử dụng khung cộng hưởng CSRR nói chung, mặt khác là do III. BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG KU VỚI CÁC CẤU cấu trúc ghép chuyển đổi kiểu xẻ khe được sử dụng thay cho cấu trúc ghép chuyển đổi kiểu hình côn. HÌNH KHUNG CỘNG HƯỞNG CSRR KHÁC NHAU 1. Đường truyền SIW cơ bản 3. Bộ lọc thông dải băng Ku sử dụng các cặp khung cộng Bộ lọc băng Ku trong nghiên cứu này sử dụng tấm nền hưởng CSRR cấu hình cạnh - cạnh ngược và cạnh - cạnh RT/Duroid 5880 LZ của Rogers có hằng số điện môi 2.2, độ ngược cải tiến. dày đế điện môi là 0.508 mm, tổn hao điện môi 0.0009, độ Kết quả mô phỏng trên Hình 3(b) cho thấy cấu hình cặp dày lớp đồng 1-oz. Tần số thiết kế trung tâm 14.2 GHz. Chiều khung cộng hưởng CSRR cạnh - cạnh ngược cho phép tạo ra rộng của đường truyền SIW là 6.76 mm. Đường kính lỗ via, hai điểm truyền không bên phải tần số cộng hưởng. Tính chất khoảng cách giữa các lỗ via tương ứng là 0.6 mm, 0.68 mm. này cho phép xây dựng bộ lọc có sườn bên phải rất dốc. Điều Các kích thước này được tính cho tần số trung tâm 14.2 GHz này có thể thấy rõ như kết quả thể hiện trên Hình 7. Hình 7 mô theo các công thức đã chỉ ra trong tài liệu tham khảo [2]. tả một cấu trúc bộ lọc thông dải băng Ku sử dụng 2 cặp khung Ngoài ra, đối với cấu trúc chuyển đổi từ đường truyền 50 cộng hưởng CSRR có cấu hình cạnh - cạnh ngược. Ohm sang đường truyền SIW, nhóm tác giả sử dụng cấu trúc Khảo sát của nhóm tác giả cho thấy việc nâng số cặp khung lên hơn nữa sẽ dẫn đến thu hẹp đáng kể dải thông của bộ lọc. xẻ khe (slot transition) thay cho cấu trúc dạng côn (taper Do đó, để cải thiện độ dốc ở bên sườn trái không nên thực hiện transition) đã được sử dụng ở các công bố trước [5, 6]. Điều bằng cách tăng số cặp khung CSRR một cách đơn thuần. này cho phép thu gọn đáng kể kích thước bộ lọc mà hầu như Bằng cách khoét bỏ phần kim loại giữa hai khung CSRR không làm thay đổi các chỉ tiêu của bộ lọc. Đường truyền trong một cặp khung CSRR có cấu hình cạnh - cạnh ngược, SIW cơ bản hoạt động giống như một bộ lọc thông cao với một số tần số sẽ không thể lan truyền từ nguồn đến tải. Nếu lựa đặc tuyến được chỉ ra trên Hình 4. Khi các khung CSRR có chọn kích thước của phần kim loại bị khoét này sao cho vùng tần số cộng hưởng nằm dưới tần số cắt của đường truyền SIW tần số thấp bị hạn chế truyền lan, ta có thể tạo được đặc tuyến cơ bản được thêm vào đường truyền sẽ hình thành dải thông lọc có độ dốc cao đối với cả hai bên sườn. Đặc tuyến lọc của nằm dưới tần số cắt [1]. Các bộ lọc thông dải được hình thành bộ lọc sử dụng cặp khung cộng hưởng CSRR cạnh - cạnh bằng cách sắp xếp các mắt lọc đơn vị cách nhau khoảng cách ngược cải tiến này được chỉ ra trên Hình 8. Trong các bảng dưới đây, cấu trúc 1, cấu trúc 2 và cấu trúc KC trên đường truyền SIW cơ bản như chỉ ra trên Hình 5. Dải 3 lần lượt là các bộ lọc thông dải sử dụng các cặp khung CSRR thông của bộ lọc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi khoảng có các cấu hình mặt - mặt, cạnh - cạnh ngược và cạnh - cạnh cách giữa hai khung CSRR trong một mắt lọc đơn vị hoặc ngược cải tiến đã thiết kế cho băng Ku ở trên. Các kích thước bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai mắt lọc đơn vị. hình học của các cấu trúc được tổng hợp trên Bảng 1. Ở Bảng Trong khi đó tần số trung tâm của bộ lọc được điều chỉnh dựa 2, các chỉ tiêu tham số của các bộ lọc được tổng hợp và so sánh vào chiều dài Lcsrr của khung CSRR. với một số công trình đã công bố cho băng tần Ku. Có thể thấy Các tham số của các bộ lọc thiết kế dưới đây được đánh cấu trúc 1 và cấu trúc 2 có tiêu hao chèn tốt nhỏ hơn -1 dB, giá thông qua công cụ mô phỏng trường điện từ 3D CST trong dải thông. Tổn hao ngược của các cấu trúc được thiết kế Microwave Studio 2019, sử dụng phân tích miền thời gian có tốt hơn -15 dB tương đương với các công trình [4, 5]. Kích chia lưới tương thích (Adaptive meshing) để đảm bảo độ thước của cả 3 cấu trúc trong bài báo này nhỏ gọn hơn so với các bộ lọc ở các công trình [4, 5]. chính xác cao. ISBN ............ 978-604-80-8932-0 169
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Kích thước Thứ tự ví dụ Lcsrr G F W KC (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Cấu trúc 1 1.8 0.22 0.22 0.24 7.053 Cấu trúc 2 1.73 0.12 0.2 0.24 2.64 Cấu trúc 3 1.77 0.12 0.2 0.24 7.04 Bảng 1. Kích thước hình học của các cấu trúc. a) b) c) d) Hình 2. Các cấu hình của cặp khung CSRR và phấn bố điện trường tại tần số 14.25 GHz. (a) cấu hình quay lưng, (b) cấu hình cạnh - cạnh ngược, (c) cấu hình mặt - mặt, (d) cấu hình cạnh - cạnh thuận. Bảng 2. Tổng hợp chỉ tiêu tham số các bộ lọc. Hình 3. Đặc trưng tham số S11 và S21 của các cấu hình. (a) cấu hình quay lưng, (b) cấu hình cạnh - cạnh ngược, Hình 1. (a) Cấu trúc hình học khung cộng hưởng CSRR, (b) sự phụ (c) cấu hình mặt - mặt, (d) cấu hình cạnh - cạnh thuận. thuộc của tần số cộng hưởng F0 vào chiều dài khung cộng hưởng Lcsrr. ISBN ............ 978-604-80-8932-0 170
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Hình 7. Bộ lọc thông dải sử dụng hai cặp khung cộng hưởng CSRR cấu hình cạnh - cạnh ngược và phân bố điện trường. Hình 4. Đường truyền SIW cơ bản. (a) mặt trên của cấu trúc, (b) đặc tuyến đường truyền. Hình 8. Bộ lọc thông dải sử dụng ba cặp khung cộng hưởng CSRR cấu hình cạnh - cạnh ngược cải tiến và phân bố điện trường. IV. KẾT LUẬN Bài báo trình bày đề xuất thiết kế bộ lọc thông dải SIW băng Ku sử dụng các cặp khung cộng hưởng CSRR với cấu Hình 5. Bộ lọc thông dải sử dụng hai cặp khung cộng hưởng hình khác nhau. Bộ lọc sử dụng cặp khung cộng hưởng CSRR CSRR cấu hình mặt - mặt và phân bố điện trường. mặt - mặt cho dải thông rộng cỡ 700 MHz, tiêu hao chèn và tổn hao ngược trong dải thông tốt lần lượt cỡ -0.87 dB và nhỏ hơn -19 dB. Tuy nhiên độ dốc ở vùng chuyển tiếp còn hạn chế với suy hao chèn đạt cỡ -1.7 dB tại tần số cách tần số cắt dưới 180 MHz. Bộ lọc sử dụng cặp khung cộng hưởng CSRR cạnh - cạnh ngược giúp cải thiện độ dốc ở bên sườn phải với suy hao -8 dB tại tần số ngoài dải thông cách tần số cắt trên 180 MHz, trong khi vẫn đảm bảo tiêu hao chèn trong dải thông nhỏ cỡ - 0.76 dB. Bộ lọc sử dụng cặp khung cộng hưởng CSRR cạnh - cạnh ngược cải tiến cải thiện đáng kể độ dốc ở cả hai bên sườn, tuy nhiên tiêu hao chèn và tổn hao ngược trong dải thông lại xấu đi với tiêu hao chèn và tổn hao ngược lần lượt là -1.5 dB và -10 dB tại tần số trung tâm. Nhóm tác giả đề xuất sử dụng cấu trúc 1 và cấu trúc 2 cho các ứng dụng yêu cầu tiêu hao chèn và tổn hao ngược trong dải thông nhỏ. Trong khi đó, cấu trúc 3 Hình 6. Bộ lọc thông dải sử dụng ba cặp khung cộng hưởng sẽ phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi đặc tuyến lọc dốc, đòi hỏi CSRR cấu hình mặt - mặt và phân bố điện trường. về tiêu hao chèn và tổn hao ngược trong dải thông không quá ISBN ............ 978-604-80-8932-0 171
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) khắt khe. Các kết quả đạt được là khá tốt, đảm bảo bộ lọc được thiết kế có thể hướng đến sử dụng trong hệ thống vệ tinh băng Ku. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V. Arya, T. Garg, “Design and Analysis of Substrate Integrated Waveguide,” 1st International Conference on Substrate Materials, Manufacturing & Energy Technologies, pp. 835-839, Jun. 2022. [2] A. O. Nwajana, D. Amadu, Y. Kenneth, “Substrate Integrated Waveguide (SIW) Bandpass Filter with Novel Microstrip-CPW-SIW Input Coupling,” Journal of Microwaves Optoelectronics and Electromagnetic Applications, pp. 393-402, vol. 16, Jun. 2017. [3] D. Garg, N. Yadav, “Design a Substrate Integrated Waveguide IRIS Band Pass Filter in CST Software,” International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), vol. 5, Issue 8, Aug. 2018. [4] K. Choudhary and R. K. Chaudhary, “A Compact SIW Based Filtering Power Divider with Improved Selectivity Using CSRR,” in 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Fall (PIERS - FALL), Singapore, Nov. 2017. [5] Y. D. Dong, T. Yang, and T. Itoh, “Substrate Integrated Waveguide Loaded by Complementary Split Ring ResonatorsandIts Applications to Miniaturized Waveguide Filters,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, No. 9, pp. 2211-2223, Sep. 2009. [6] N. T. Linh, L. D. Manh, and N. H. Sang, “A Low Loss X - Band Bandpass Substrate Integrated Waveguide Filter Using Complementary Split-Ring Resonators,” in the 2023 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Danang, Vietnam, Oct. 2023. [7] N. Muchhal, A. Chakraborty, M. Vishwakarma, and S. Srivastava, "Slotted Folded Substrate Integrated Waveguide Band Pass Filter with Enhanced Bandwidth for Ku/K Band Applications," Progress in Electromagnetics Research, vol. 70, pp. 51-60, Jul. 2018. [8] D. L. Diedhiou, E. Rius, J.F. Favennec, and A. E. Mostrah, “Ku - band cross-coupled ceramic SIW filter using a novel electric cross- coupling,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 25, No. 2, pp. 109-111, Feb. 2015. ISBN ............ 978-604-80-8932-0 172