Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: 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; Đề xuất giải pháp 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 SIWCPW có dải thông rộng, độ chọn lọc cao và kích thước nhỏ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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

1 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 LƯỢNG MỘT SỐ PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN TRONG ĐÀI RA ĐA Ngành: Kỹ thuật ra đa dẫn đường Mã số : 9520204 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023
2 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Lê Vĩnh Hà 2. TS Dương Tuấn Việt Phản biện 1: PGS.TS Trịnh Đăng Khánh Phản biện 2: PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 3: TS Lê Duy Hiệu Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/ Bộ Quốc phòng vào hồi giờ ngày tháng năm ……. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/ Bộ Quốc phòng - Thư viện Quốc gia Việt Nam
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 anten 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 anten – 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. 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:  Các nghiên cứu hiện tại về công nghệ vật liệu nền SIW vẫn đang tập trung vào ứng dụng cho các thiết bị viễn thông ở tần số 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 tr c mới, với mục tiêu giảm kích thước, cải thiện băng thông, và đặc biệt là giảm thiểu t n hao. 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 lượng 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
2 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 2 lớp có băng thông rộng, t n 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 công nghệ DGS để nâng cao chất lượng các bộ lọc thông dải SIW- CPW có dải thông rộng, độ chọn lọc cao và kích thước nhỏ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: 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:  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 vàcông nghệ DGS để nâng cao chất lượng các bộ lọc thông dải. 4. Nội dung nghiên cứu  Phân tích t ng quan về công nghệ thực hiện trên chất nền, tìm hiểu một số giải pháp công nghệ thực hiện trên chất nền để nâng cao chất lượng các phần tử siêu cao tần trong các hệ thống ra đa hiện nay và phân tích t ng quan tình hình nghiên cứu về công nghệ vật liệu nền hiện nay.  Nghiên cứu các giải pháp thực hiện trên công nghệ SIW từ đó đề
3 xuất các giải pháp kỹ thuật mới có thể phát triển trong thực tế nhằm nâng cao độ chọn lọc, giảm thiểu t n hao và kích thước cho các bộ lọc HMSIW băng tần S; giảm t n hao cho các bộ di pha SIW 2 lớp băng tần X có băng thông rộng, t n 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 t n hao của các bộ lọc SIW-CPW dải rộng băng tần C và băng tần X. 5. Phương 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. 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 trong xu hướng phát triển chung của lĩnh vực ra đa hiện nay đồng thời 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
4 mở đầu, 3 chương chính, kết luận, danh mục công trình khoa học đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN 1.1. Tổng quan về công nghệ vật liệu nền 1.1.1. Giới thiệu chung về công nghệ vật liệu nền Công nghệ vật liệu nền có thể hiểu một cách đơn giản đó là: “Các kỹ thuật tác động lên vật liệu nền điện môi như khắc, ăn mòn theo một dạng thức nào đó để gây nhiễu điện từ trường lên vật liệu nền làm cho phân bố dòng trên bề mặt bị thay đ i, dẫn đến thay đ i đặc tính truyền dẫn của đường truyền để tạo ra các phần tử siêu cao tần với t n hao thấp, gọn nhẹ, dễ chế tạo, thiết kế linh hoạt và giá thành tiết kiệm và đặc biệt là có thể tích hợp các mạch tích cực, các thành phần thụ động và các yếu tố bức xạ trên cùng một bề mặt” . 1.1.2. Công nghệ dải chắn điện từ EBG Công nghệ dải chắn điện từ EBG được định nghĩa như sau: “EBG là những cấu trúc nhân tạo tuần hoàn (hoặc đôi khi không tuần hoàn) cản trở hoặc hỗ trợ sự lan truyền sóng điện từ trường trong một dải tần xác định đối với mọi góc tới và mọi trạng thái phân cực của sóng”. 1.1.3. Công nghệ cấu trúc mặt đế khuyết DGS DGS được xây dựng bằng cách khắc một hoặc nhiều ô trên mặt đế của vật liệu nền. Được phát triển từ EBG nên cấu tr c DGS cũng kế thừa đặc tính chắn sóng (stop band) của EBG. Nếu cùng một tần số hoạt động, kích thước của mạch trên công nghệ DGS sẽ giảm xuống. Đây chính là đặc tính đường truyền sóng chậm, giúp giảm kích thước cho anten kích thước nhỏ. Bằng việc thay đổi các kích thước khác nhau của cấu trúc DGS, có thể thu được tần số hoạt động mong muốn. 1.1.4. Công nghệ ống d n ng t ch hợp vật liệu nền SIW Khái niệm ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền SIWcó thể định nghĩa như sau: “SIW là ống dẫn sóng điện từ được tổng hợp trong chất điện môi bằng cách sắp xếp các lỗ kim loại có chu kỳ kết nối các tấm kim loại ở mặt trên và mặt dưới của vật liệu nền”. Về t ng quát, cấu tr c hình học của SIW được minh họa thông qua cấu
5 tr c SIW dạng chữ nhật tiêu chuẩn như trên Hình 1.9, trong khi các dạng cấu tr c khác (tròn, tam giác, đa giác,…) có đặc trưng và phương pháp phân tích gần tương tự. Biểu hiện về đặc tính lan truyền điện từ trường của SIW dạng chữ nhật là giống như các ống dẫn sóng kim loại hình chữ nhật truyền thống, vì vậy chế độ chi phối của sóng trong SIW cũng là chế độ TE10,. Hình 1.9 Sơ đồ cấu tr c của SIW chữ nhật Công thức thiết kế thực nghiệm đầu tiên liên quan đến chiều rộng W của SIW có thể được xác định bởi tần số cộng hưởng tương ứng: √( ) ( ) (1.9) √ với Leff là chiều dài tương đương của DFW. Do đó, phương trình thiết kế cho SIW sẽ là: (1.10) Với d và s thỏa mãn điều kiện: (1.11) Quan hệ trong (1.10) cuối cùng được chuẩn hóa bởi công thức: (1.13) Tuy nhiên, gần đây, một số tài liệu tham khảo đã cho thấy các mô hình khác nhau tạo ra sự rò rỉ bức xạ khác nhau, phụ thuộc vào tỷ lệ d/s, như sau: (1.14) √ với và (1.15) Tương tự cấu tr c SIW chữ nhật, SIW hình tròn cũng được xây dựng hoàn toàn trên đế điện môi có độ dày h và bán kính R như trong Hình 1.12.
6 Tần số cộng hưởng của hốc tròn: (1.17) √ Bán kính r tương đương của hốc và các tham số hình học của lỗ khoan cũng được xác định theo công thức: √ (1.18) Hình 1.12 Cấu hình SIW hình tròn 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 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của các phần tử siêu cao tần khi ứng dụng công nghệ SIW đó là: T n hao, công nghệ chế tạo và kích thước, băng thông. Tuy nhiên, tham số t n hao sẽ ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng của các phần tử siêu cao tần khi ứng dụng công nghệ SIW. Bảng 1.1 T ng hợp so sánh công nghệ SIW với công nghệ mạch phẳng và công nghệ WG c điển TT Công nghệ Mạch phẳng WG cổ điển SIW Yêu cầu Rất tốt cho các ứng Lý tưởng cho Ứng dụng được 1 Ứng dụng dụng tần số thấp các ứng dụng cho cả dải tần số nhưng không hiệu và các hệ cao và dải tần thấp quả cho các ứng thống ở dải dụng ở dải tần mm tần số cao Yêu cầu về gia Quy trình sản xuất Khó chế tạo Vừa phải dễ sản 2 công, chế tạo nghiêm ngặt khi thực xuất cả ở tần số hiện ở tần số cao thấp và tần số cao Tiết kiệm chi phí, dễ Chi phí đắt, Chi phí vừa phải, 3 Chi phí dàng tích hợp với khó tích hợp dễ tích hợp với các thiết bị phẳng với các thiết bị các thiết bị phẳng
7 khác phẳng khác khác Rất nhỏ gọn nhưng Rất cồng kềnh Rất nhỏ gọn và 4 Kích thước t n hao bức xạ cao nhưng t n hao giảm đáng kể t n bức xạ tốt hao bức xạ cao 5 Hệ số phẩm Thấp Cao Rất tốt chất 6 Khả năng xử lý Thấp Cao Tốt công suất Bảng 1.2 T ng hợp những ưu, nhược điểm và ứng dụng của công nghệ SIW, công nghệ EBG và DGS TT Công Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng nghệ 1 EBG - Có thể thiết kế đa - Chỉ tạo được các - Phần tử siêu băng tần, dải siêu cấu tr c đơn giản và cao tần thụ rộng, kích thước nhỏ đồng phẳng, nếu động và phần tử gọn; không đồng phẳng rất phát xạ: Bộ lọc, - Chất lượng tốt so với khó chế tạo. anten, bộ cộng đường truyền vi dải chia công suất. thông thường 2 DGS - Có thể thiết kế đa Chỉ tạo được các cấu Phần tử siêu băng tần, dải rộng, tr c đơn giản và đồng cao tần thụ kích thước nhỏ gọn; phẳng, nếu không động và phần tử - Chất lượng khá tốt so đồng phẳng rất khó phát xạ: Bộ lọc, với đường truyền vi chế tạo. anten, bộ cộng dải thông thường chia công suất. 3 SIW - Khắc phục được các - Khi thiết kế ở tần số - Phần tử siêu nhược điểm của WG thấp thì kích thước cao tần tích cực kim loại (giá đắt, gia càng lớn, không phù và thụ động, công khó, cồng kềnh, hợp với mạch tích phần tử phát xạ: khó tích hợp với hợp dưới băng L và Ống dẫn sóng, mạch phẳng...) và của do đó phải dùng các bộ lọc, bộ cộng đường truyền mạch biến thể của SIW. chia công suất, dải (t n hao lớn, công - Với các ứng dụng bộ trộn, bộ dao suất thấp, nhậy cảm có công suất lớn thì động, bộ di pha, với nhiễu của các cần phải xem xét đến …
8 phần tử liền kề...) khả năng chịu đựng - Làm giảm đáng kể công suất của vật liệu hệ số Q của WG kim nền. loại. 1.3. Một số kỹ thuật sử dụng trong luận án 1.4. Tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ vật liệu nền 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Các nghiên cứu ngoài nước về công nghệ vật liệu nền hiện nay đang tập trung vào phát triển các ứng dụng của công nghệ vật liệu nền cho băng tần từ Ka trở lên với các ứng dụng cụ thể như sau: i) Phát triển các cấu tr c EBG phẳng có kích thước nhỏ, cấu tr c đơn giản nhờ sử dụng các đường vi dải dạng gấp kh c, xoắn ốc. Các nghiên cứu chỉ dừng lại ở đề xuất cấu tr c và ít được ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị siêu cao tần hay anten hoặc các ứng dụng vẫn tập trung vào các hệ thống anten có cấu hình đơn giản hoặc anten dây, anten lưỡng cực. ii) Công nghệ DGS đã được nghiên cứu và phát triển khá rộng rãi trong thiết kế anten vi dải với rất nhiều ứng dụng như giảm nhỏ kích thước anten, giảm hài, giảm phân cực chéo, mở rộng băng thông, tạo phân cực tròn, tạo anten đa băng tần và đặc biệt là giảm tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt gần nhau trong thiết kế anten mảng, anten nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. iii) Một số kết quả nghiên cứu các ứng dụng của công nghệ SIW trong thiết kế phần tử tích cực và thụ động đã được công bố trên các tạp chí IEEE Trans. on Micro-wave Theory and Techniques, Microw. Opt. Technol. Lett.,… với mục đích cải thiện tính nhỏ gọn và mở rộng băng thông của công nghệ. Tuy nhiên, các ứng dụng của SIW chủ yếu đang nghiên cứu cho dải tần băng Ka trở lên. Đối với dải tần dưới băng tần Ka và đặc biệt là ở các băng tần cho ra đa quân sự (băng tần X, băng tần C và băng tần S), các nghiên cứu hiện nay còn rất ít và hầu như chưa áp dụng được vào thực tế. 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Một số năm gần đây nhiều nhóm nghiên cứu trong nước đã công bố các kết quả nghiên cứu liên quan đến các ứng dụng trên vật liệu nền như Trường Đại học
9 Bách khoa Hà nội, Học viện Kỹ thuật quân sự và Trường Đại học Công nghệ/ Đại học Quốc gia Hà nội đã có công bố về ứng dụng của cấu tr c EBG, DGS. Đối với các nghiên cứu về SIW thì hiện tại Viện KH&CNQS đã có một số công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước. Các nghiên cứu này đã và đang được phát triển tiếp bởi nhóm nghiên cứu với mục tiêu là để cải thiện chất lượng của các phần tử thụ động cũng như tích cực siêu cao tần trong máy thu của đài ra đa sử dụng công nghệ vật liệu nền SIW. 1.5. Định hướng nghiên cứu  Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW để đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần: bộ lọc HMSIW có kích thước và suy hao nhỏ, độ chọn lọc cao; bộ di pha SIW 2 lớp có băng thông rộng, t n 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.Các phần tử dựa trên các giải pháp đã đề xuất này đều có khả năng đưa vào ứng dụng trong tuyến cao tần của các đài ra đa.  Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW kết hợp với công nghệ EBG và DGS để đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng các bộ lọc thông dải SIW-CPW có dải thông rộng, t n hao và kích thước nhỏ. Các bộ lọc thông dải SIW-CPW này đều có khả năng đưa vào ứng dụng trong tuyến cao tần của các đài ra đa. 1.6. Kết luận Chương 1 Chương 1 đã đưa ra những khái niệm chung về các công nghệ ứng dụng vật liệu nền như công nghệ EBG, DGS, đi vào phân tích công nghệ SIW, là công nghệ mà nghiên cứu sinh sẽ sử dụng trong các đề xuất nghiên cứu chính của luận án. Đã t ng hợp và đánh giá khái quát các nghiên cứu ứng dụng về công nghệ vật liệu nền ở trong và ngoài nước. Đưa ra những đánh giá về tình hình nghiên cứu của các ứng dụng công nghệ vật liệu nền để đưa ra hướng nghiên cứu phù hợp của luận án. Chương 2 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CÁC PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN 2.1. Đề xuất bộ lọc HMSIW có suy hao và kích thước nhỏ, độ chọn lọc cao
10 2.1.1. Cơ ở lý thuyết đề xuất bộ lọc thông dải HMSIW Do SIW hoạt động trong chế độ chi phối TE10 là chủ yếu, điện trường E có giá trị cực đại nằm trên mặt phẳng đứng trung tâm và dọc theo hướng truyền, vì vậy mặt phẳng trung tâm có thể được coi là một bức tường từ tính tương đương được biểu diễn ở hình 2.2. Hình 2.2 Hình dạng và chế độ sóng của HMSIW Dựa vào ý tưởng này, ta có thể chia đôi SIW bằng một bức tường từ tính tưởng tượng và mỗi nửa SIW trở thành cấu tr c HMSIW. Cấu tr c mới gần như vẫn có thể giữ được phân bố trường điện từ gốc trong mỗi phần riêng của nó, trong khi chỉ cần mở rộng thêm một đoạn chất nền để đảm bảo ngăn năng lượng rò rỉ bức xạ. 2.1.2. Bộ lọc thông dải HMSIW c uy hao và k ch thước nhỏ, độ chọn lọc cao Cấu tr c của một bộ lọc HMSIW theo nguyên lý đã trình bày ở trên được thể hiện ở Hình 2.4. Hình 2.4 Cấu tr c bộ lọc HMSIW Độ ghép giữa các bộ cộng hưởng được điều khiển chủ yếu dựa trên chiều dài l và chiều rộng a của các bộ cộng hưởng thành phần. Khi các bộ cộng hưởng kết hợp với nhau, bằng việc thay đ i các tham số của các bộ cộng
11 hưởng thành phần sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS ch ng ta sẽ tìm được tần số trung tâm và tham số tán xạ của bộ lọc. 2.1.3. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc HMSIW băng S Bộ lọc thông dải sử dụng cấu tr c HMSIW được đề xuất nhằm mục đích để giảm kích thước khi thiết kế cho các dải tần thấp mà vẫn đảm bảo độ chọn lọc cao, t n hao nhỏ. Việc xây dựng các tham số bộ lọc thông dải băng S dựa vào tham chiếu các tham số của bộ lọc thông dải nằm ở modul thu – phát của đài ra đa băng S. Bảng 2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc băng S dựa trên cấu tr c HMSIW TT Tham số kỹ thuật Đơn vị Yêu cầu 1 Tần số trung tâm MHz 3150 2 Dải thông (@ -3dB) MHz 500±25 3 Suy hao trong dải dB 2 4 Độ chắn ngoài dải @ f0±1,5∆f dB  30 5 Độ nhấp nhô bộ lọc dB  0,5 6 Phối hợp trở kháng vào - ra  50 7 Hệ số sóng đứng  1,5 Với mục tiêu đề ra là thiết kế bộ lọc có t n hao trong dải bé và độ chắn ngoài dải tốt. Chất nền được lựa chọn trong đề xuất này là Rogger 5880 có εr = 2,2; tan δ = 0,0009 với độ dày chất nền h = 0,508 mm. T ng kích thước mạch không bao gồm hai đường cấp 3 mm là 60 mm × 30 mm. Hình 2.12 Hình ảnh thực tế của bộ lọc thiết kế, chế tạo 2.1.4. Đánh giá chất lượng của bộ lọc thông dải HMSIW băng tần S
12 Hình 2.14 là sự so sánh giữa kết quả mô phỏng (đường màu đỏ) và kết quả đo thực tế (đường màu xanh). Kết quả này cho thấy sự tương đồng giữa hai đáp ứng tần số mô phỏng và kết quả đo thực thế. Hình 2.14 So sánh kết quả mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc HMSIW băng tần S Từ các kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc HMSIW cho thấy kết quả tính toán, mô phỏng và kết quả đo thực tế tương đối trùng khớp. Bộ lọc HMSIW có ưu điểm kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, suy hao trong dải nhỏ và độ chắn ngoài dải lớn. Với những ưu điểm của bộ lọc HMSIW đã đề xuất, sản phẩm này phù hợp và có thể áp dụng cho các các đài ra đa ở dải tần băng S. Các tham số của bộ lọc HMSIW trong đề xuất này có thể đưa vào ứng dung thực tế với các giá trị tốt hơn về t n hao chèn cũng như t n hao phản hồi và độ chắn ngoài dải tương đương hoặc tốt hơn so với những kết quả đã được công bố. 2.2. Giải pháp nâng cao chất lượng của bộ di pha sử dụng cấu trúc SIW chữ nhật 2 lớp có băng thông rộng, tổn hao nhỏ và mức di pha có thể điều chỉnh bằng điện tử. 2.2.1. Cơ ở lý thuyết đề xuất bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp Các bộ di pha SIW trong đề xuất mới này bao gồm một cấu tr c SIW 2 lớp như Hình 2.15, khe ngang được sử dụng để ghép năng lượng từ lớp dưới cùng đến lớp trên cùng. Ý tưởng mới trong thiết kế là thay đ i độ dài của các khe ghép ngang bằng điện tử thông qua việc đặt một số điốt PIN ở vị trí nhất định qua các khe ngang để đạt được chiều dài mong muốn của khe.
13 Hình 2.15 Sơ đồ minh họa bộ di pha đã đề xuất 2.2.2. Bộ di pha 2 lớp sử dụng công nghệ SIW Bộ di pha như trên Hình 2.15 bao gồm hai lớp, mỗi lớp là một cấu tr c SIW. Hai lớp được ghép với nhau thông qua một khe ngang hẹp được khắc trên lớp đồng ở giữa, nghĩa là ở thành rộng chung của hai lớp SIW. 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.
14 Bây giờ ch ng ta giả sử rằng là chiều dài điện của cấu tr c trong Hình 2.16c, khi điôt PIN đi qua khe ngang được đặt tại l=0 và là chiều dài điện tại l= a. Ở đây và là tần số góc cho chiều dài của khe bằng 0 và a tương ứng, l là chiều dài đường truyền tín hiệu. Với (l = l1 +l2 + l3 + l4 +l5 ) là chiều dài đường truyền tín hiệu (xem hình 2.16(c)). Một sự thay đ i nhỏ về tần số góc của bộ di pha, do sự thay đ i về chiều dài l của khe có thể được viết bởi với và sự di pha tương ứng có thể được viết như sau: ( ) (2.7) Để có được sự dịch chuyển pha mong muốn, công thức (2.7) có thể được tính cho một giá trị tương ứng về chiều dài l của khe. 2.2.3. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ di pha SIW 2 lớp Bộ di pha SIW 2 lớp được lựa chọn để thiết kế dựa trên các tham số kỹ thuật bộ di pha của hệ thống anten mạng pha của đài ra đa băng X. Bảng 2.2 Các tham số kỹ thuật của bộ di pha băng X TT Mẫu bộ xoay pha thiết Tham số kỹ thuật Đơn vị kế chế tạo 1 Dải tần làm việc MHz 8220 ÷ 8920 2 Bước xoay pha Độ 5,6 ± 0,5 3 Dải xoay pha Độ 0 ÷ 90 4 T n hao chèn dB ≤6 5 T n hao phản hồi dB 15 Bộ di pha SIW 2 lớp trong đề xuất này sử dụng mạch in RT/Duroid 6035HTC của hãng Rogers 6035HTC r = 3,48; h = 1,52 mm và t = 0,017 mm với 6 cặp điốt PIN 2A517A của Nga. Một bộ di pha 90o với bước di pha 5,6o có điều khiển bằng điện (Hình 2.20) đã được thiết kế và chế tạo như trên Hình 2.25. Sử dụng máy phân tích mạng vectơ N9918A để đo các tham số S của bộ di pha. Hình 2.27 biểu thị so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo của bộ di pha.
15 L1 L2 Ls Khe cắt W Ws Cổng vào Cổng ra Cấp nguồn Vít định vị Điốt PIN Các lỗ khoan Lớp 1 Lớp 2 Hình 2.20 Cấu tr c bộ di pha SIW 2 lớp đã đề xuất Hình 2.25 Ảnh chụp của bộ di pha băng tần X pha đã chế tạo 89,6 Kết quả đo Tần số (GHz) 78,4 67,2 Mô phỏng 5.6 56 44,8 Mô phỏng 11.2 33,6 Mô phỏng 22.2 22,4 11,2 Mô phỏng 45 0 Mô phỏng 90 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 Pha Hình 2.27 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo độ di pha của bộ di pha 2.2.4. Đánh giá chất lượng của bộ di pha SIW 2 lớp
16 Các tham số mô phỏng và thử nghiệm ở trên cho thấy tính năng kỹ thuật của bộ di pha tốt với một băng thông khá lớn. T n hao phản hồi lớn hơn 13 dB có thể quan sát được ở tần số từ 8,22 GHz đến 8,95 GHz; t n hao chèn nhỏ hơn 6 dB trong toàn bộ dải tần mong muốn. Bộ di pha SIW trong đề xuất này đã cải tiến độ di pha so với một số bộ di pha SIW đã công bố trước đây. Bên cạnh đó, bộ di pha trong đề xuất này là bộ di pha có điều khiển bằng điện. Bộ di pha này rất hữu ích cho các ứng dụng trong các hệ thống ăng-ten mạng pha cho các đài ra đa băng tần X. 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 2.3.1. Cơ ở lý thuyết giải pháp bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép Trên thực tế, tạp pha của bộ dao động hoặc các nguồn tín hiệu khác rất quan trọng trong thực tế do có thể làm giảm nghiêm trọng hiệu suất của các hệ thống điện tử. Tạp pha có thể được giảm xuống bằng cách: Lựa chọn một transistor có tạp nháy thấp, lựa chọn một transistor có hệ số tạp thấp để phối hợp trở kháng tại đầu vào của bộ khuếch đại, thiết kế bộ dao động có tỷ số tạp nhiệt ⁄ nhỏ để tránh bão hòa của transistor. Ý tưởng trong đề xuất này là sử dụng một cấu hình bộ cộng hưởng có cao để giảm tối đa tạp pha cho bộ dao động VCO. 2.3.2. Bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép (a) (b) Hình 2.33 (a) Cấu tr c bộ lọc SIW hốc cộng hưởng đơn, (b) Cấu tr c bộ lọc SIW hốc cộng hưởng kép
17 Các nguyên mẫu bộ lọc DMCC hốc cộng hưởng đơn và kép như trên Hình 2.33 được đưa vào các bộ VCO để giảm tạp pha. Tạp pha của ch ng được giảm thiểu bằng cách thay đ i vị trí gây nhiễu của lỗ khoan để điều chỉnh linh hoạt TZ và tăng cường độ trễ nhóm ở tần số dao động. 2.3.3. Thực hiện bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X mới sử dụng bộ cộng hưởng chế độ gây nhiễu kép Bô dao động VCO vòng phản hồi pha đã khảo sát được cơ cấu lại từ mô hình của Lesson như trong Hình 2.39. Để cải thiện tạp pha của bộ dao động VCO, đề xuất đưa vào bộ lọc DMCC-SIW đa cực gây nhiễu đóng vai trò là phần tử chọn lọc tần số trong vòng phản hồi pha với các đỉnh trễ nhóm vượt trội và các hệ số Qu cao. Để đạt được tạp pha nhỏ nhất và dải tần điều khiển lớn hơn, một bộ VCO như vậy được thiết kế dựa trên mạch phản hồi pha như trong Hình 2.39 và góc gây nhiễu trong bộ lọc DMCC được tối ưu hóa là β = 420. Nó bao gồm một bộ khuếch đại sử dụng Transitor BFP840FESD HBT chất lượng cao dựa trên công nghệ SiGe khối lượng cao đáng tin cậy Infineon với dòng điện và điện áp thấp có hệ số tạp F=1,1 và hệ số khuếch đại G = 16 dB, một bộ di pha kết hợp một bộ ghép định hướng 3 dB và hai điốt varactor MA46H120 của MACOM có dải điện áp có thể điều chỉnh Vtune = (118) V. Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý chung của bộ VCO đã khảo sát
18 Hình 2.44 Ảnh chụp bộ VCO đã chế tạo Bằng cách điều chỉnh chính xác vị trí lỗ này có thể làm giảm thiểu tạp pha của bộ dao động tại vị trí tần số của đỉnh độ trễ nhóm được cải thiện. Mức tạp pha tối thiểu của VCO DMCC kép là -134,31 dBc/Hz và con số tính toán của hệ số tạp pha là -202,9 dBc/Hz, nó tốt hơn so với một số bộ VCO đã được công bố gần đây. Do đó, nguyên mẫu VCO này sẽ rất hữu ích trong các hệ thống điện tử hiện đại, ra đa nhảy tần và hệ thống thông tin liên lạc. 2.4. Kết luận chương 2 Chương 2 đã trình bày một số giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần trong đài ra đa sử dụng công nghệ vật liệu nền, cụ thể: 1. Đề xuất cấu tr c SIW nửa chế độ (HMSIW) để thiết kế chế tạo bộ lọc chất lượng cao có kích thước nhỏ, suy hao trong bé và độ chắn ngoài dảỉ lớn. 2. Đề xuất cấu tr c SIW nhiều lớp để thiết kế chế tạo bộ di pha chất lượng cao ứng dụng trong hệ thống ăng ten mạng pha của đài ra đa băng tần X. Bộ di pha được điều khiển bằng điện và cho kết quả suy hao bé mà vẫn đảm bảo mức di pha và bước di pha theo yêu cầu đề ra. 3. Đề xuất giải pháp giảm tối đa tạp pha của bộ tạo dao động VCO băng tần X bằng cách đưa bộ lọc DMCC SIW vào vòng phản hồi. Chương 3 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 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