Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch cao tần điều khiển điện trên nền công nghệ SIW

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN MẠCH CAO TẦN<br /> ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRÊN NỀN CÔNG NGHỆ SIW<br /> Nguyễn Văn Việt*, Dương Tuấn Việt, Trần Minh Nghĩa, Lê Trọng Hiếu<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị<br /> chuyển mạch cao tần băng C có điều khiển điện trên công nghệ ống sóng tích hợp<br /> chất nền. Thiết bị có nhiệm vụ chuyển mạch đơn cực hai vị trí bằng cách điều khiển<br /> điện cho các diode PIN với các tính năng hoạt động cao : có khả năng thay đổi độ<br /> rộng dải thông, tổn hao truyền thấp và giá thành rẻ. Mạch được thiết kế và chế tạo<br /> trên chất nền Rogers 5880 với hằng số điện môi 2.2 và độ dày chất nền 0.787 mm.<br /> Kết quả đo đạc là phù hợp với các tính toán trong thiết kế. Với lợi thế nhỏ gọn, dễ<br /> chế tạo mà hiệu suất tốt thì đây sẽ là một sản phẩm rất phù hợp cho các ứng dụng<br /> dải sóng siêu cao tần và sóng milimet.<br /> Từ khóa: Bộ chuyển mạch; SPST; SPDT; SIW; Diode PIN.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Ống sóng tích hợp chất nền (gọi tắt là SIW- Substrate Integrated Waveguide ) là một<br /> dạng đường truyền siêu cao tần mới bắt đầu phổ biến trong những năm gần đây [1], [2].<br /> Dựa trên lớp chất nền cách điện phẳng với các lớp kim loại ở mặt trên và dưới được đục lỗ<br /> kim loại hai bên để tạo nên hai thành bên như ống dẫn sóng truyền thống. SIW kết hợp<br /> được những ưu điểm của mạch in phẳng và ống sóng kim loại truyền thống. Các thành<br /> phần SIW nhỏ, gọn, tổn hao và kí sinh thấp, dễ chế tạo, linh hoạt và đặc biệt là giá thành<br /> thấp hơn nhiều so với ống sóng hình chữ nhật truyền thống. Ưu điểm lớn nhất của công<br /> nghệ này là dễ chế tạo, sản xuất trên cùng một tấm mạch in phẳng trong cùng một hệ<br /> thống (bao gồm cả chuyển đổi, ống sóng hình chữ nhật, chuyển mạch cao tần, các thành<br /> phần thụ động, tích cực và cả ănten) [3], [4], [5].<br /> Chuyển mạch ống sóng nằm trong thành phần của hệ thống thu phát siêu cao tần đã<br /> được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ra đa, tên lửa, hàng không vũ<br /> trụ. Bộ chuyển mạch ống sóng sử dụng diode PIN là một trong các kỹ thuật hiện đại cho<br /> phép thiết lập và khống chế đường truyền năng lượng linh hoạt, đáp ứng nhanh nhằm nâng<br /> cao chất lượng thu-phát tín hiệu, tăng hiệu quả và độ ổn định chế độ làm việc của hệ<br /> thống. Với công nghệ truyền thống áp dụng để thiết kế các bộ chuyển mạch cao tần bằng<br /> chuyển mạch cơ khí thường cồng kềnh và hỏng hóc khó sửa chữa trong quá trình sử dụng,<br /> khai thác. Trong bài báo này, bộ chuyển mạch SPDT (Single Pole Double Throw- đơn cực<br /> hai vị trí) được đưa ra khảo sát và nghiên cứu, mạch dựa trên cấu trúc SIW/HMSIW (Half<br /> Mode SIW- SIW nửa chế độ) được mô phỏng và thiết kế có thể thực hiện chức năng<br /> chuyển mạch SPDT trên băng C.<br /> 2. THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN MẠCH CAO TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN<br /> TRÊN CÔNG NGHỆ SIW<br /> 2.1. Chuyển mạch đơn cực một vị trí SPST (Single Pole Single Throw)<br /> Cấu trúc được đề xuất để mô phỏng được chỉ ra trên hình 1, dựa trên sự kết hợp giữa<br /> cấu trúc SIW và HMSIW. Cấu trúc HMSIW vẫn giữ được sự ưu việt của cấu trúc SIW<br /> nhưng kích thước giảm đi gần một nửa[6], [7]. HMSIW với các chêm hở mạch đã được<br /> nghiên cứu chi tiết trong [8]. Cấu trúc đưa ra sử dụng các chêm hở mạch (stubs) được bố<br /> trí hai bên thành của các cấu trúc HMSIW là mấu chốt quan trọng để cấu trúc có thể thực<br /> hiện khả năng chuyển mạch. Liên kết giữa các chêm hở mạch và HMSIW thông qua một<br /> diode PIN có nhiệm vụ là chuyển mạch cao tần. Công cụ mô phỏng ở đây sử dụng phần<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 45<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> mềm Ansoft HFSS [9]. Đây là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng các cấu trúc siêu cao<br /> tần trên giao diện 3D. HFSS có thể được dùng để tính toán, mô phỏng các tham số như<br /> tham số S, tần số cộng hưởng và các trường E, H.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình cấu trúc chuyển mạch SPST với 1 chêm hở mạch<br /> (kích thước: cm).<br /> Chêm hở mạch với độ rộng w, độ dài l được mắc shunt với HMSIW thông qua diode<br /> PIN như hình 1. Tham số S giữa phần T và T’ trong hình được xác định:<br /> S11 = -Z0/(2Zs + Z0) (1)<br /> S21 = 2Zs/(2Zs + Z0) (2)<br /> Ở đây, Z0 và Zs là trở kháng đặc trưng của đường truyền HMSIW và trở kháng đầu vào<br /> của chêm hở mạch (stub), tương ứng. Khi Zs→ ∞, S21 xấp xỉ 1 cho tổn hao đường truyền,<br /> HMSIW lúc này ở trạng thái “ON”, và khi Zs tiến tới 0, S21 ≈ 0, HMSIW lúc này ở “trạng<br /> thái OFF”. Như vậy bằng việc điều khiển diode PIN ta có thể thay đổi chế độ chuyển mạch<br /> trên đường truyền HMSIW, và đây chính là ý tưởng chính cho cấu trúc này.<br /> Mô phỏng mô hình SPST như hình 1 khi sử dụng 1 chêm hở mạch và khi không sử<br /> dụng chêm hở mạch ta được kết quả như hình 2. Độ dài của chêm hở mạch bằng ¼ bước<br /> sóng tại tần số 7.25 GHz. Chất nền sử dụng ở đây là Rogers 5880 với hằng số điện môi ɛr<br /> = 2.2, tang tổn hao = 0.0009 và độ dày chất nền = 0.787 mm.<br /> Từ kết quả mô phỏng trên hình 2 ta thấy, khi sử dụng chêm hở mạch, tín hiệu truyền<br /> từ cổng 1 gần như bị phản xạ trở lại mà không truyền được sang cổng 2 trong dải tần từ 7<br /> GHz đến 7.5 GHz (S11 < 0.15 dB; S21 > 25 dB). Còn khi chúng ta không sử dụng chêm hở<br /> mạch thì gần như toàn bộ tín hiệu được truyền qua với tổn hao phản xạ thấp (S11 > 20dB;<br /> S21 < 0.15 dB).<br /> XY Plot 1 m1 HFSSDesign8 ANSOFT<br /> 0.00<br /> <br /> <br /> -5.00<br /> <br /> <br /> -10.00<br /> Name X Y<br /> m1 7.3000 -0.1154<br /> -15.00<br /> m2 7.3000 -36.7784<br /> Tham so S (dB)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> m3 7.3000 -42.2925<br /> -20.00<br /> <br /> <br /> -25.00<br /> <br /> <br /> Curve Inf o<br /> -30.00<br /> dB(S(1,1)) Khong co stub<br /> Setup1 : Sw eep<br /> -35.00 m2 dB(S(2,1)) Khong co stub<br /> Setup1 : Sw eep<br /> dB(S(1,1))_1 Co stub<br /> Imported<br /> -40.00 m3<br /> dB(S(2,1))_1 Co stub<br /> Imported<br /> -45.00<br /> 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50<br /> Freq [GHz]<br /> <br /> <br /> Hình 2. Kết quả mô phỏng SPST khi sử dụng và không sử dụng chêm hở mạch (stub).<br /> Mô phỏng cũng chỉ ra rằng, muốn mở rộng dải thông làm việc của chuyển mạch thì ta<br /> có thể tăng số lượng chêm hở mạch lên. Tương tự như vậy, số lượng chêm ít đi thì dải<br /> thông sẽ giảm xuống.<br /> <br /> <br /> 46 N. V. Việt, …, L. T. Hiếu, “Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch … công nghệ SIW.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô phỏng cấu trúc SPST với 1 và 2 chêm hở mạch trên HFSS.<br /> XY Plot 1 m1 HFSSDesign3 ANSOFT<br /> 0.00<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -10.00<br /> <br /> <br /> Name X Y<br /> m1 7.3000 -0.0901<br /> -20.00 m2 7.2000 -48.2023<br /> Tham so S (dB)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> m3 7.3000 -42.2925<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -30.00<br /> Curve Inf o<br /> dB(S(1,1)) dung 1 stub<br /> Setup1 : Sw eep<br /> dB(S(2,1))<br /> -40.00 m3 Setup1 : Sw eep<br /> dB(S(1,1))_1<br /> Imported dung 2 stub<br /> m2 dB(S(2,1))_1<br /> Imported<br /> <br /> -50.00<br /> 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50<br /> Freq [GHz]<br /> <br /> <br /> Hình 4. Kết quả mô phỏng khi dùng 1 và 2 chêm hở mạch.<br /> 2.2. Mô phỏng chuyển mạch SPDT<br /> Bài toán đặt ra yêu cầu chiến kỹ thuật của bộ chuyển mạch SPDT thiết kế bao gồm:<br /> Bảng 1. Tham số kỹ thuật của bộ chuyển mạch thiết kế.<br /> Mẫu bộ chuyển mạch cao tần<br /> Tham số kỹ thuật Đơn vị<br /> thiết kế chế tạo<br /> - Dải tần làm việc GHz 7÷7.5<br /> - Hệ số cách ly dB 35÷40<br /> - Hệ số tổn hao truyền dB ≤2<br /> - Thời gian chuyển mạch Giây (s) < 0.5<br /> - Điện áp điều khiển V 5V<br /> - Trở kháng vào ra Ω 50<br /> Trên cơ sở nghiên cứu, mô phỏng cấu trúc chuyển mạch SPST như trên đã chỉ ra,<br /> chúng tôi đưa ra mô hình cấu trúc cho bộ chuyển mạch SPDT như hình 5.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Mô hình SIW/HMSIW SPDT với 4 chêm hở mạch trên mỗi nhánh. Wmicro = 3.16;<br /> Lmicro = 7.5;Wadap = 11; Ladap = 14; Wsiw = 24; Lsiw = 7.3; Whmsiw = 12; Lhmsiw<br /> = 43.5; Wstub = 3; Lstub = 5; D stub = 10; L=10 (Đơn vị : mm).<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 47<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tương Hình 7. Mô phỏng phân bố trường E<br /> đương của bộ chuyển mạch. trong HFSS, chuyển mạch cổng 3 “trạng<br /> thái OFF” và cổng 2 “trạng thái ON”.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Kết quả mô phỏng SIW/HMSIW SPDT trong HFSS, chuyển mạch<br /> cổng 3 “trạng thái OFF” và cổng 2 “trạng thái ON”.<br /> Trên mô phỏng ta nhận thấy, muốn mở rộng dải tần số làm việc từ 7 GHz đến 7.5<br /> GHz, mỗi nhánh của chuyển mạch phải dùng đến 4 chêm hở mạch được bố trí trên đường<br /> truyền HMSIW như hình 5. Với việc tăng số chêm hở mạch, dải thông được mở rộng<br /> nhưng phải trả giá là tổn hao truyền tăng lên. Kết quả mô phỏng với cổng 2 mở và cổng 3<br /> đóng của chuyển mạch được kết quả như hình 8 với các tham số S như bảng 2. Như kết<br /> quả mô phỏng thì chuyển mạch hoàn toàn có thể làm việc đúng chức năng của bộ chuyển<br /> mạch cao tần.<br /> Bảng 2. Tham số mô phỏng đạt được.<br /> <br /> Tham số S (dB) S21 S31 S11 S32 S22<br /> Tần số (GHz)<br /> 7 ÷ 7.5 < 1.7 > 38 > 15 > 42 > 17<br /> 7.2 1.39 42 25 48 36<br /> Tổn hao truyền và hệ số cách ly cũng ảnh hưởng bởi độ dày của chất nền. Nếu dùng<br /> tấm chất nền càng dày thì tổn hao truyền càng giảm nhưng hệ số cách ly giữa 2 cổng cũng<br /> giảm theo và ngược lại. Ở đây, chúng tôi chọn độ dày chất nền 0.787 mm là căn cứ trên<br /> tổn hao truyền và hệ số cách ly theo yêu cầu của bài toán đưa ra.<br /> 3. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN<br /> Để làm rõ hơn kết quả mô phỏng đạt được của cấu trúc chuyển mạch này, chúng tôi đã<br /> tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế. Để có thể thực hiện chức năng điều khiển chuyển<br /> <br /> <br /> 48 N. V. Việt, …, L. T. Hiếu, “Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch … công nghệ SIW.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> mạch, chúng tôi sử dụng Diode PIN để điều khiển đóng hoặc mở đường truyền cao tần<br /> giữa đường truyền HMSIW và các chêm hở mạch. Diode PIN sử dụng ở đây là diode PIN<br /> SMP1340 có giá trị điện trở khi thiên áp thuận là 0.85Ω và giá trị tụ khi thiên áp ngược là<br /> 0.21 pF. Kích thước dài x rộng x cao = (1x0.8x0.6) mm. Diode có khả năng chuyển mạch<br /> nhanh trong dải tần từ 10 MHz đến 10 GHz với thời gian chuyển mạch trung bình là 100<br /> ns. Diode được cấp thiên áp nguồn 5V nhờ một mạch thiên áp để cấp dòng cho diode<br /> khoảng 10mA thông qua một điện trở nối tiếp 100 Ω và chặn cao tần bằng các tụ cao tần.<br /> Các tham số S được đo trên máy phân tích mạng Keysight N9918A, kết nối được thực<br /> hiện như hình 9a và 9b.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 9. (a) Bộ chuyển mạch cao tần đã chế tạo; (b) Đo kết quả trên máy phân tích mạng<br /> Keysight N9918A.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. Kết quả đo thực tế khi cổng 2 “trạng thái ON”, cổng 3 “trạng thái OFF”. Thứ<br /> tự S31 và S21.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 11. Kết quả đo (đường nét đứt) so với kết quả mô phỏng (đường nét liền)<br /> khi cổng 2 “trạng thái ON”, cổng 3 “trạng thái OFF”.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 49<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 12. Kết quả đo (đường nét đứt) so với kết quả mô phỏng (đường nét liền) độ cách ly<br /> giữa cổng 2 và cổng 3.<br /> Điện áp +5V dùng để cấp nguồn thiên áp cho mạch qua điện trở hạn dòng 100Ω, mỗi<br /> đi ốt Pin được thiên áp với dòng 10mA. Cổng ON sẽ được điều khiển bằng cách cấp thiên<br /> áp thuận, còn cổng OFF sẽ được cấp thiên áp ngược. Hình 11, 12 và bảng 3 chỉ ra kết quả<br /> mô phỏng và kết quả thực tế đo được khi chuyển mạch làm việc ở trạng thái ON và OFF.<br /> Bảng 3. Tham số S mô phỏng và thực nghiệm.<br /> <br /> Tham số S (dB) S21 S31 S11 S32 S22<br /> ở dải tần 7÷7.5 GHz<br /> Mô phỏng < 1.7 > 38 > 15 > 42 > 17<br /> Thực nghiệm < 1.8 > 35 > 13 > 37 > 16<br /> Hệ số cách ly đo được khi chuyển mạch làm việc ở trạng thái OFF là lớn hơn 35 dB<br /> trong dải tần từ 7 GHz đến 7.5 GHz. Và tổn hao truyền khi chuyển mạch ở trạng thái OFF<br /> là nhỏ hơn 1.8 dB trong dải sau khi trừ đi 1 dB (do đầu kết nối và cáp đo). Hệ số tổn hao<br /> phản hồi ở cổng 1 là 25 dB tại tần số 7.1 GHz. Cách ly giữa cổng 2 và 3 là lớn hơn 37 dB.<br /> Như vậy, kết quả thực tế chưa được tốt như mô phỏng nhưng vẫn tiệm cận với kết quả mô<br /> phỏng và cấu trúc này đã thực hiện được chức năng chuyển mạch theo yêu cầu.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày cách thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch cao tần điều khiển điện dựa<br /> trên cấu trúc SIW/HMSIW. Cơ chế chuyển mạch dựa trên các chêm hở mạch được kết nối<br /> với đường truyền HMSIW nhờ sự chuyển mạch của các đi ốt PIN. Dựa trên cấu trúc đưa ra<br /> và mô phỏng, bộ chuyển mạch mới dựa trên HMSIW/SIW được thiết kế chế tạo và đo đạc<br /> thực tế. Kết quả đo đạc đã minh chứng chức năng chuyển mạch của cấu trúc mới này. Với<br /> khả năng chuyển mạch cực nhanh nhờ sử dụng điều khiển điện thay vì cơ cấu cơ khí, cấu<br /> trúc này là một sản phẩm phù hợp cho ứng dụng các mạch và hệ thống cao tần có thể cấu<br /> hình được với hiệu suất cao, giá thành thấp.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Maurizio BOZZI, Luca PERREGRINI, Ke WU, Paolo ARCIONI, “Current and<br /> Future Research Trends in Substrate Integrated Waveguide Technology”,<br /> Radioengineering, vol. 18, no. 2, June 2009;<br /> <br /> <br /> 50 N. V. Việt, …, L. T. Hiếu, “Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch … công nghệ SIW.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [2]. K.Wu, D.Deslandes, and Y.Cassivi, “The substrate integrated circuits – a new<br /> concept for high-frequency electronics and optoelectronics” in Telecommunications<br /> in Modern Satelite, Cable and Broadcasting Service, 2003. TELSIKS 2003.6th<br /> Internationl Conference on, 2003, pp.P-III-P-X vol.1;<br /> [3]. T. V. Duong, W. Hong, Z. C. Hao, J. X. Zhuang, T. H. Le, and M. Jiang, “A high<br /> selectivity millymeter-wave bandpass filters using novel dual-modecircular cavity,”<br /> in Proc. Asia-Pacific Microw. Conf., vol. 1. Dec.2015, pp. 398-40;<br /> [4]. Trần Thị Trâm, Lê Vĩnh Hà, Dương Tuấn Việt, “Nghiên cứu công nghệ ống sóng tích<br /> hợp vật lyệu nền trong thiết kế các hệ thống siêu cao tần”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia<br /> 2017 về điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin (REV-ECIT 2017);<br /> [5]. T.Yang, M.Ettorre, and R.Sauleau, “Novel phase shifter design based on substrate-<br /> integrated-waveguide technology,” IEEE Microw. Compon. Lett., vol.22, no. 10,<br /> pp.518-520, Oct. 2012;<br /> [6]. H. Wei et al., “Half mode substrate integrated waveguide: A new guided wave<br /> structere for microwave and millimeter wave application,” in Proc. 31st Int. Conf.<br /> Infr. Millim. Waves, 14th Int. Conf. Teraherz Electron. (IRMMW-THz), Sep. 2006, p.<br /> 219;<br /> [7]. R.F.Xu, B.S. Izquierdo, and P.R.Young, “Switchable substrate integated waveguide,”<br /> IEEE Microw. Compon. Lett., vol.21, no.4, pp.194-196, Apr.2011;<br /> [8]. L-S.Wu et al, “A new type of periodically load half-mode substrate integrated<br /> waveguide and its applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 58, no. 4,<br /> pp. 882-893, Apr.2010;<br /> [9]. Ansoft Corporation, “HFSSv10UserGuide”, Edition: REV1.0, Software Version<br /> 10.0, 2005;<br /> ABSTRACT<br /> DESIGNING AND FABRICATING A MICROWAVE SWITCH MODULE<br /> BY ELECTRICAL CONTROL, BASED ON SIW TECHNOLOGY<br /> In this article, an experimental study and implementation of a SPDT switch<br /> module for C band applications, based on SIW technology is presented. The circuit<br /> serves as a SPDT switch by controlling the PIN diode with highlight functions: it<br /> can adjustment bandwidth, low insertion loss and low cost. For demonstration, the<br /> proposed circuit is designed and fabricated on the substrate of Rogers 5880 with<br /> thickness 0.787 mm. The good performances show the advantages of proposed<br /> circuit topology, which can be an excellent candidate for multifunctional microwave<br /> or millimeter-wave circuits.<br /> Keywords: SPDT; SPST; Diode PIN; SIW; HMSIW.<br /> <br /> Nhận bài ngày 28 tháng 02 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 21 tháng 3 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 10 năm 2018<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Rađa/Viện KH-CNQS.<br /> *<br /> Email: vietnguyenmta@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 51<br />