Tóm tắt 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:23

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần" là cải tiến cấu trúc của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần để nâng cao chất lượng bộ lọc, cải tiến đặc tuyến truyền đạt của bộ lọc; Cải tiến cấu trúc bộ cộng hưởng đồng trục để nâng cao khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2021
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Văn Yêm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ……. tháng …… năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong máy thu phát vô tuyến, bộ lọc thông dải siêu cao tần có vai trò rất quan trọng, đó là loại bỏ các thành phần tín hiệu không mong muốn. Ưu điểm của bộ lọc hốc cộng hưởng là có mức tổn hao trong dải thông thấp, tích hợp dễ dàng, chịu đựng công suất cao, hệ số phẩm chất cao. Do đó chúng ngày càng được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong các hệ thống thu phát vô tuyến. 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. Đã có một số nhà nghiên cứu đã mô tả quy trình thực hiện thiết kế và các thuật toán mô phỏng. Tuy nhiên công việc phân tích, thiết kế và 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 một cách đầy đủ và có hệ thống. Các loại cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng bao gồm nhiều loại khác nhau như khe ghép 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 thuộc vào chiều dài, rộng của khe mở. Trong bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục, cấu trúc ghép năng lượng điện từ bao gồm một vách chữ nhật được cắt tại vách chung giữa hai hốc cộng hưởng hay còn gọi là khe điện từ và một đinh ốc tinh chỉnh. Như vậy, độ rộng của băng tần ghép giữa các hốc bị giới hạn bởi độ rộng khe cắt và chiều sâu của đinh ốc. Nếu giá trị Mij yêu cầu quá lớn, khiến cho độ rộng vách quá lớn, mất tác dụng của việc hạn chế các mode sóng không cần thiết, hoặc chiều dài của ốc tinh chỉnh quá lớn, không đủ đảm bảo dự phòng cho sản xuất, giảm hệ số phẩm chất của bộ lọc, tốn thời gian cho công đoạn lắp ráp và tinh chỉnh sau lắp ráp. Mô hình ghép chéo giữa hai hốc cộng hưởng không liền kề đã được phân tích bằng phương pháp pha của tín hiệu. Các mối ghép này sẽ tạo thành các điểm không của hàm truyền nằm bên trái hoặc bên phải hoặc ở cả hai bên của dải thông. Gần đây đã có một số giải pháp thiết kế đường ghép chéo. Cấu trúc vòng kim loại được đặt bên trong hốc và nối giữa hai trụ cộng hưởng nhằm tạo ra điểm không của hàm truyền (TZ0) ở trên hoặc dưới dải thông bằng cách thay đổi chiều dài của dây kim loại. Cấu trúc này có ưu điểm là vẫn tạo được liên kết chéo cho hai hốc cộng hưởng mà không cần vách chung. Hoặc một mô hình ghép chéo kiểu hỗn hợp cũng được đề xuất nhằm cho phép điều chỉnh được số lượng điểm TZ0. Ngoài ra, mô hình phổ biến là cấu trúc hình quả chuông để tạo thành thành phần tụ C phân bố. Trong cấu trúc này, năng lượng ghép giữa hai hốc bị giới hạn bởi kích thước vật lý quả chuông hoặc chiều dài dây kim loại, từ đó CBW bị giới hạn. Xét về mặt công suất, trong hệ thống vô tuyến, bộ lọc máy phát (TX) thường đứng ngay bộ khuếch đại công suất (PA) nên thường yêu cầu bộ lọc phải chịu được công suất cao. Vì lý do này, mà yêu cầu về khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc TX trở thành yếu tố quan trọng trong việc thiết kế bộ lọc. Khả năng chịu đựng cộng suất (PH) của một bộ lọc thông dải chịu ảnh hưởng bởi hiện tượng đánh thủng điện môi, phóng điện, nhiễu liên điều chế thụ động, méo đặc tuyến do mất tuyến tính cơ khí – điện liên quan đến nhiệt. Thông số này thường được xác định bằng đánh giá năng lượng lữu trữ trong mỗi hốc cộng hưởng để tìm giá trị cường độ điện trường lớn nhất tại hốc đó. Đây chính là phương pháp chung để phân tích, thiết kế. Các kỹ thuật mô hình hóa điện từ trường (EM) và phân tích mạng mẫu được kết hợp với nhau để ước lượng PH mà ở đó có kết hợp đơn cực để phân tích bộ lọc theo mô hình hóa EM. Gần đây, công suất cao tần RF chịu đựng được của bộ lọc vẫn được chú trọng xem xét, đặc biệt là các bộ lọc đa mode và các bộ lọc điều hưởng. Tuy nhiên giới hạn chịu đựng công suất của bộ lọc bị giới hạn bởi cấu trúc cơ khí của hốc cộng hưởng. Ngoài ra, chưa có hiện nay quy tắc tìm ra khả năng chịu đựng công suất lớn nhất của 1 bộ lọc, vị trí hốc cộng hưởng tích trữ năng lượng lớn nhất, quy trình thiết kế bộ lọc sao cho đảm bảo PH theo yêu cầu. Vì những lý do trên mà nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần”. 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu  Cải tiến cấu trúc của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần để nâng cao chất lượng bộ lọc, cải tiến đặc tuyến truyền đạt của bộ lọc.  Cải tiến cấu trúc bộ cộng hưởng đồng trục để nâng cao khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc.  Mô hình hóa được cấu trúc bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần, xây dựng quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo, tinh chỉnh bộ lọc một cách chi tiết. 1
Đối tượng nghiên cứu Nhằm đạt được mục tiêu của luận án, đầu tiên các thông số đặc trưng trong đặc tuyến bộ lọc thông dải được phân tích, đánh giá để xem xét tác động của các kích thước hốc, cấu trúc sắp xếp các hốc và cấu trúc ghép giữa các hốc. Từ đó, các giải pháp cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng, cấu trúc đường ghép chính và ghép chéo giữa hai hốc nhằm cải tiến topo của bộ lọc được đưa ra. Theo đó, đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm mô hình hóa bộ lọc hốc cộng hưởng, cấu tạo hốc cộng hưởng, cấu tạo đường ghép trường điện từ giữa hai hốc cộng hưởng, cách sắp xếp (topo) của bộ lọc hốc cộng hưởng. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu gồm lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết: Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc nắm bắt các kiến thức cơ bản về bộ lọc hốc cộng hưởng, phương pháp phân tích, mô hình hóa, nghiên cứu về cấu trúc và vật liệu của bộ lọc hốc cộng hưởng trong các công trình nghiên cứu đã được công bố. Từ đó, đề xuất các cải tiến cấu trúc, mô hình tương đương để đạt được hệ số phẩm chất bộ lọc tốt hơn, suy hao nhỏ hơn hoặc băng thông rộng hơn. Mô phỏng: Các cấu trúc bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần sẽ được nghiên cứu thiết kế và mô phỏng, tối ưu dựa trên việc kết hợp phần mềm mô phỏng EM. Thực nghiệm: Sau khi nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và tối ưu bằng phần mềm sẽ tiến hành chế tạo thử nghiệm và đo đạc, đánh giá. Các mẫu thiết kế chế tạo sẽ được kết nối với các máy phân tích mạng siêu cao tần để đo dải tần làm việc; hệ số sóng đứng tại đầu vào và đầu ra của bộ lọc; độ tổn hao trong dải thông; độ dốc trong miền tần số cắt, độ cách ly hai bộ lọc thu, phát trong bộ Duplexer; độ gợn trong miền dải thông. Dựa vào kết quả đo được sẽ so sánh với kết quả mô phỏng theo lý thuyết và rút ra các nhận xét, đánh giá. Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu về bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần. Với công nghệ này, bộ lọc có khả năng ứng dụng trong dải tần 1GHz – 12GHz.  Định hướng ứng dụng trong các thiết bị thu phát vô tuyến, thông tin di động, phát thanh truyền hình, thông tin vệ tinh và Radar.  Về công nghệ, sử dụng hốc cộng hưởng có dạng đồng trục, khoang cộng hưởng làm bằng vật liệu kim loại dẫn điện tốt, trụ cộng hưởng có thể là kim loại, điện môi, siêu vật liệu. 3. Các kết quả đạt được của luận án a) Cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng, cụ thể: Đề xuất sử dụng đường kim loại nối giữa hai hốc cộng hưởng liền kề nhằm làm tăng độ ghép nối, nhờ đó giảm chiều dài của ốc điều chỉnh cơ khí. Do năng lượng từ trường liên kết tăng lên, năng lượng điện từ trường ghép tổng cộng tăng, do đó hệ số ghép từ trường hay độ rộng băng tần ghép tăng. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng độ rộng băng tần ghép tăng lên ~ 3 lần khi chiều cao của thanh kim loại là 10mm và chiều dài là 15m, tăng ~2 lần khi chiều cao là 4mm và chiều dài thanh kim loại lớn nhất. Áp dụng cấu trúc trên vào trong thiết kế một bộ Duplexer hoạt động tại Band 7 bậc 8 nhằm đánh giá hiệu quả. Kết quả thu được bộ Duplexer có BW = 70MHz, RL < 10dB, độ gợn trong dải thông là dưới 0,42dB, độ cách ly TX – RX = 97dB. Cấu trúc này không chỉ ứng dụng cho RRU Band 7 mà còn có khả năng ứng dụng trong các băng tần và ứng dụng khác. Đề xuất cải tiến đường ghép kiểu C giữa hai hốc không liền kề trong bộ lọc. Cấu trúc mới đề xuất về mặt vật lý là bổ sung thêm một ốc tinh chỉnh bằng kim loại đặt ở giữa miếng điện môi PTFE so với cấu trúc truyền thống. Từ đó, hình thành một thành phần tụ điện biến dung phân bố mới mắc nối tiếp với tụ điện hiện có. Bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần dùng đường ghép kiểu C này đã cải tiến được thiết kế, mô phỏng. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng độ rộng băng tần ghép chéo thay đổi khoảng 4,6MHz và độ dốc cải thiện 1dB khi chiều dài ốc đạt 7mm. Độ dốc của bộ lọc được cải thiện, việc tinh chỉnh độ dốc bộ lọc cũng dễ dàng hơn. Áp dụng cấu trúc đã đề xuất vào thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng trong dải tần 1805 – 1880MHz, kết quả S11 < -12,70dB, độ gợn trong dải thông là 0,1dB, độ tổn hao trong băng đạt dưới 0,21dB. Các cấu trúc này có thể ứng dụng cho các bộ lọc ở băng tần khác nhau trong bộ lọc hốc cộng hưởng dạng đồng trục. Kết quả này được trình bày trong [HC2], [TC3-TC4]. b) Cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng nhằm tăng độ chịu đựng công suất (PH) của bộ lọc, cụ thể: Cấu trúc hốc cộng hưởng siêu cao tần mới gồm một khối nón cụt bằng kim loại đặt phía trên hộp cộng hưởng hình trụ tròn. Bằng cách tối ưu góc nghiêng và chiều cao của khối nón hộp cộng hưởng, cường độ điện trường giảm, làm PH được cải thiện. Ngoài ra, một quy trình thiết kế hốc cộng hưởng đơn để thỏa mãn yêu cầu về khả năng chịu đựng công suất (PH) cũng được đề xuất. Để đánh giá hiệu quả, bộ lọc hốc Band 3 được thiết kế. Kết quả, PH cải thiện từ 148,9W lên 449,4W. Cấu trúc này đều cũng được áp dụng [HC3]. Tiếp tục cải tiến bộ lọc bằng cách bo tròn ốc tinh chỉnh (blend), áp dụng thiết kệ bộ lọc hốc cộng hưởng trong trạm gNodeB 2
(BW: 3600 – 3800MHz). Kết quả, PH cải thiện 336,7W, đảm bảo công suất chịu đựng đạt 1019W, và đạt 1028W khi ốc tinh chỉnh được bo trò với đường kính 1mm. c) Hệ thống hóa và xây dựng các bước thực hiện thiết kế, mô phỏng, chế tạo và tinh chỉnh một bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần hoàn chỉnh. Áp dụng mô hình hóa và thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng 10 cùng với 2 điểm không của hàm truyền được thiết kế, ứng dụng trong hệ thống LTE-A tại tần số 1800MHz Band 3, độ gợn dải thông đạt được dưới 0.1dB, hệ số tổn hao ngược dưới 15dB. Đồng thời, áp dụng mô hình hóa, mô phỏng và chế tạo bộ song công (Duplexer) sử dụng khoang cộng hưởng dạng lục lăng. Hốc có hình dạng lục năng giúp việc sắp xếp xen kẽ được dễ dàng, làm giảm kích thước và khối lượng bộ lọc mà vẫn đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật. Kết quả mô phỏng cho thấy diện tích bộ Duplexer giảm ~10% so với bộ Duplexer hình chữ nhật với cùng một topo. Sau khi thiết kế, mô hình 3D được dựng trong phần mềm AutoCad trước khi chế tạo. Sau chế tạo, lắp ráp, bộ Duplexer được tinh chỉnh và đo kiểm, so sánh với mô phỏng cho thấy bộ song hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Kết quả này được trình bày trong bài [HC1], [TC1-TC2]. 4. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, danh mục các bài báo đã công bố liên quan đến luận án và danh mục tài liệu tham khảo. Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Nội dung trình bày trong chương này bao gồm các kết quả nghiên cứu tổng quan về bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần. Trong đó bao gồm tổng quan về vai trò và ứng dụng của bộ lọc hốc trong hệ thống thông tin. Sau đó là lý thuyết trong bộ lọc hốc cộng hưởng được trình bày một cách khái quát bao gồm đặc điểm và các tham số chính trong thiết kế bộ lọc, ma trận liên kết, topo của bộ lọc, các phương pháp tổng hợp bộ lọc, đặc biệt là bộ lọc kiểu Chebyshev. 1.1 Tổng quan về đặc tính của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần 1.1.1 Bộ tham số đặc tuyến của bộ lọc Bộ tham số mô tả đặc tính truyền đạt của bộ lọc trong bao gồm: Băng thông (MHz); tổn hao chèn IL (dB); suy hao ngoài dải thông (dB); hệ số phản xạ S11 (dB); trở kháng vào/ra. 1.1.2 Các tham số về cơ khí và điều kiện môi trường Các tham số về cơ khí quyết định đến đặc tính của bộ lọc bao gồm kích thước, khối lượng, kết nối vào/ra, vật liệu lớp ngoài cùng. Điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, mưa, bụi… 1.2 Phương pháp xây dựng bộ lọc thông dải từ bộ lọc thông thấp mẫu 1.2.1 Định nghĩa chung Tổn hao chèn IL Tổn hao ngược Đáp ứng pha của bộ lọc Đáp ứng trễ nhóm (group delay) Biểu thức hàm truyền đạt của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần 1.2.2 Xây dựng bộ lọc thông dải từ bộ lọc thông thấp mẫu Mô hình bộ lọc thông thấp mẫu gồm các phần tử g ghép nối tiếp và song song Tính bậc của bộ lọc 100,1LAS  1 a cosh n  (1.10) a cosh  '  Trong đó, L AS là độ suy hao trong dải chắn nhỏ nhất theo yêu cầu (dB) tại tần số cắt fc,  là hàm ánh xạ ' tần số 3
1  fc f0  '     (1.11) FBW  f 0 f c  Hệ số phẩm chất không tải của bộ lọc: 4, 343 1 N Qu     gi (1.13) L Ar IL i1 1.2.3 Nguyên tắc tổng hợp bộ lọc Mục đích của tổng hợp bộ lọc là xây dựng topo của bộ lọc, ma trận ghép giữa các hốc bởi hệ số ghép Mij K j,j1 J j,j1 M j,j1   (1.32) x j  x j1 b j  b j1 1.3 Quy trình thiết kế, mô phỏng bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Bắt đầu Phân tích yêu cầu kỹ thuật, tổng Tối ưu bộ lọc bằng phần mềm hợp bộ lọc Tính toán kích thước các phần tử Tinh chỉnh bộ lọc sau lắp ráp bộ lọc Dựng bộ lọc đầy đủ Kết thúc Hình 1 7: Quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo tổng quát Quy trình bao gồm các bước: Bước 1 gồm phân tích, tổng hợp bộ lọc nhằm tìm ra topo của bộ lọc sao cho đáp ứng được chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra; Bước 2 thực hiện tính toán kích thước của các phần tử cấu thành lên bộ lọc gồm hốc đơn, đường liên kết chính, đường liên kết chéo, tiếp điện hay liên kết ngoài; Bước 3 xây dựng, tối ưu bộ lọc hoàn chỉnh bằng phần mềm mô phỏng. Bước 4 bóc tách các phần tử, dựng các bản vẽ bằng phần mềm cơ khí phục vụ sản xuất, lắp ráp. Bước 5 kết nối bộ lọc với máy đo VNA, tinh chỉnh bộ lọc bằng cách điều chỉnh các ốc và prob để đạt chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. 1.4 Phương pháp tinh chỉnh, tối ưu bộ lọc hốc cộng hưởng Các phương pháp thường sử dụng bao gồm 1.4.1 Phương pháp tinh chỉnh bằng lý thuyết về độ trễ nhóm 1.4.2 Phương pháp tinh chỉnh dựa vào tham số cực trị điện nạp 1.5 Kết luận chương Chương 1 đã trình bày tổng quan về các thông số và các yêu cầu cơ bản để tạo nên một bộ lọc, phương pháp tính toán, thiết kế và tối ưu bộ lọc. Từ ma trận ghép nối, lựa chọn công nghệ cấu trúc bộ lọc, thực hiện từng bước thiết kế: Thiết kế một hốc đơn, các đường tiếp điện cho bộ lọc, xây dựng cấu trúc ghép giữa 2 hốc kề nhau hoặc tính toán để dựng các điểm không của hàm truyền cho bộ lọc. Sau khi thiết kế được từng bộ lọc hoàn thiện, cần thực hiện tối ưu tinh chỉnh bộ lọc sao cho sau mô phỏng bộ lọc phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật chính như dải tần hoạt động, độ suy hao trong dải thông, độ dốc của đặc tuyến truyền đạt, độ gợn trong dải thông, độ tổn hao do phản xạ trong dải thông. Việc phân tích, thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng có cấu trúc hốc dạng đồng trục sẽ được phân tích, đánh giá. Ví dụ về thiết kế bộ lọc và bộ Duplexer áp dụng quy trình ở trên cũng được mô tả, trình bày cụ thể trong chương 2. 4
CHƯƠNG 2 – MÔ HÌNH HÓA VÀ CẤU TRÚC BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Chương 2 trình bày kết quả nghiên cứu về cấu trúc và mô hình hóa bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần. Áp dụng các kiến thức đã trình bày trong Chương 1 để thực hiện thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng thực tế. Trong chương này cũng trình bày về thiết kế về bộ Duplexer, chế tạo thử nghiệm, đo đạc và đánh giá nhằm kiểm nghiệm lại các nghiên cứu lý thuyết. Các thiết kế này tập trung vào ứng dụng trong trạm thu phát sóng di động 4G. 2.1 Mô hình hóa hốc cộng hưởng 2.1.1 Hốc cộng hưởng đơn Hốc cộng hưởng đơn có cấu tạo gồm hốc cộng hưởng và hộp cộng hưởng hình trụ. Sơ đồ tương đương là mạch GLC mắc song song. Ốc tinh chỉnh Khoang hốc Ống trụ cộng h cộng hưởng hưởng d D (a) G L C (b) Hình 2-1: a) Hốc cộng hưởng siêu cao tần với bộ cộng hưởng đồng trục; b) Mô hình tương đương RLC của hốc Đường kính ngoài của hộp cộng hưởng cộng hưởng: 1  24, 936 f 0 1, 6477  D  2   (2.4)  Qu l    Đường kính trong của hốc cộng hưởng: D  3, 6  d (2.5) 2.1.2 Ghép giữa hai hốc cộng hưởng Ghép kiểu điện cảm L có mô hình tương đương như hình 2-3. L m f e2  f m 2 Hệ số liên kết: k m   2 (2.13) L fe  f m 2 Ghép kiểu điện điện dung C có mô hình tương đương như hình 2-4. C f 2  f e2 Hệ số liên kết ke  m  m (2.19) C f m  f e2 2 5
Ốc đường truyền Ốc điều chỉnh -jXb -jXb ds w jXa Hình 2-3: Mô hình liên kết hai hốc cộng hưởng liền kề Quả chuông kim loại Điện môi PTFE Ốc điều chỉnh (a) Cm L L L L 2Cm 2Cm I1 I2 C C C C V1 V2 ‐Cm ‐Cm (b) (c) 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] 2.1.3 Ghép giữa hai hốc cộng hưởng chéo Nếu các hốc cộng hưởng có topo tam giác, có một mối liên kết chéo kiểu L, tạo được 1 điểm TZ0 nằm bên phải của dải thông. Nếu mối liên kết chéo này kiểu C, tạo được điểm TZ0 nằm bên trái của dải thông. Trường hợp các hốc xếp theo topo tứ giác, mối liên kết chéo kiểu L thì không tạo ra điểm 0 do tín hiệu đi qua các đường thì đồng pha với nhau. Nếu mối liên kết chéo này có kiểu C thì có thể tạo được hai điểm 0 của hàm truyền ở bên trái và bên phải của dải thông. 2.1.4 Tiếp điện cho bộ lọc hốc cộng hưởng (liên kết ngoài) Ba phương pháp tiếp điện phổ biến cho hốc cộng hưởng thường gặp trong Hình 2-12: 6
D L T W H a (a) (b) (c) 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 2.1.5 Mô hình tương đương của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần Bộ lọc hốc cộng hưởng bao gồm các hốc đơn ghép lại theo đường ghép chính, ghép chéo kiểu L hoặc kiểu C, với đường tiếp điện ở hốc đầu hoặc cuối. Mô hình tương đương của cả bộ lọc là các mạch LC song song ghép lại với nhau thông qua phần tử kiểu L hoặc C. 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 liên kết chéo. Áp dụng quy trình và mô hình hóa trên trong thiết kế bộ lọc thỏa mãn: Hệ số phản xạ < -10dB@1805-1880 MHz, độ gợn trong băng thông < 0.1dB, suy hao chèn < 2dB, độ dốc ≥ 40 dB@ 1795 Mhz. 2.2.1 Tổng hợp bộ lọc hốc cộng hưởng LTE Bộ lọc có topo như Hình 2-15, có bậc 11, 2 đường ghép chéo kiểu C theo topo hình tứ giác, tạo thành 2 điểm TZ0 bên trái và bên phải dải thông. Ma trận ghép (CM) S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 L S 0 1.115 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1.1145 0 0.9352 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6 7 10 11 2 0 0.935 0 0.6268 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 0 0 0.6268 0 0.5603 0 -0.1 0 0 0 0 0 0 L 4 0 0 0 0.5603 0 0.6477 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0.6477 0 0.5316 0 0 0 0 0 0 4 5 8 9 6 0 0 0 -0.1 0 0.5316 0 0.5423 0 0 0 0 0 s 1 7 0 0 0 0 0 0 0.5423 0 0.5406 0 -0.08 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0.5406 0 0.6416 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0.6416 0 0.6248 0 0 Nguồn, tải 10 0 0 0 0 0 0 0 -0.08 0 0.6248 0 0.9352 1.1145 Đường liên kết chính 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.9352 0 0 L 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.1145 0 Đường liên chéo (a) (b) Hình 2-16: a) Ma trận ghép sau tối ưu. b) Topo của bộ lọc 2.2.2. Thiết kế, mô phỏng và đánh giá Bộ lọc hoàn chỉnh 11 hốc trong Hình 2-20. Hình 2-20: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX hoàn chỉnh Thiết lập tối ưu bộ lọc hốc gồm: Thuật toán tối ưu sử dụng là CMA Evolution Strategy; mục tiêu (goals) cần đạt được gồm S11 < -14dB trong khoảng 1803MHz – 1882MHz, S21 > - 1dB trong khoảng 1803MHz – 1882MHz, S21 < -90dB trong dải tần RX (từ 1710 – 1785MHz). Số vòng thực hiện tối ưu khoảng 3000. Các kết quả mô phỏng trong Hình 2-22 đã đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của bộ lọc, sẵn sàng đưa vào ứng dụng thực tế trong hệ thống LTE và các sản phẩm thương mại khác. 7
-0,60dB@1,8425GHz -0,64dB@1,805GHz -0,71dB@1,880GHz -33,32dB@1,795GHz -44,46dB@1,890GHz Biên độ/dB -79,73dB@1,90GHz -80,04dB@1,785GHz Tần số /GHz (a) Biên độ/dB Tần số /GHz (b) Hình 2-22: a) Kết quả mô phỏng S21(dB). b) Kết quả mô phỏng S11(dB) sau khi tinh chỉnh, tối ưu 2.3 Thiết kế bộ Duplexer có hốc cộng hưởng hình lục giác ứng dụng trong trạm thu phát gốc LTE-A Về cấu tạo, bộ Duplexer bao gồm hai bộ lọc thông dải được kết nối với nhau bằng tiếp giác chạc chữ T (T – junctions). Yêu cầu kỹ thuật đối với Duplexer phải đảm bảo độ rộng băng tần 75MHz, suy hao trong dải thông < 1.2dB, suy hao do phản xạ < -10dB, độ gợn trong dải thông < 1dB và cách ly giữa hai kênh TX – RX > 90dB 2.3.1 Phân tích lựa chọn topo của Duplexer Bộ lọc TX, RX gồm 11 bậc, TX bao gồm 3 đường ghép chéo kiểu C (hốc 1-3, 3-5, 8-10) và 1 đường ghép chéo kiểu L (6-8), bộ lọc RX bao gồm 2 đường ghép chéo kiểu L (hốc 5-7, 9-11) và 1 đường ghép chéo kiểu C (hốc 3-5). Cả hai bộ lọc đều chỉ sử dụng topo dạng tam giác. 2.3.2 Phân tích thuộc tính và tính toán kích thước hốc cộng hưởng đơn Lựa chọn hốc dạng lục lăng, có đường kính trong hốc D = 34.7mm, đường kính ngoài của hộp công hưởng d = 10mm để hệ số Q không tải yêu cầu. Chiều cao của ống trụ cộng hưởng được xác định trong dải từ 50% của một phần tư bước sóng (λ/8) đến 80% của một phần tư bước sóng. 2.3.3. Mô phỏng bộ lọc LTE-A và duplexer Hình 2-29: Cấu trúc bộ Duplexer hoàn chỉnh Thiết kế, mô phỏng và tối ưu từng bộ lọc TX và RX riêng lẻ. Sau khi đã đạt được chỉ tiêu so với yêu cầu, tiến hành ghép 2 bộ lọc bằng mối nối dạng hình T để tạo thành bộ Duplexer như Hình 2-29. Kết quả mô phỏng, đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật bộ Duplexer so với yêu cầu đều đã đạt (hình 2-40 đường nét khuất). 8
2.3.4. Thiết kế bộ lọc thông thấp đồng trục Band3 Nhằm triệt tiêu hài bậc cao, cần kết nối bộ Duplexer với một bộ lọc thông thấp. Bộ lọc này có kết cấu như hình vẽ Hình 2-36: Mô hình 3D mô phỏng bộ lọc thông thấp 2.4 Chế tạo thử nghiệm bộ Duplexer, đo đạc và đánh giá 2.4.1 Chế tạo thử nghiệm, kết quả đo đạc Trong Hình 2-38 là bộ Duplexer đã chế tạo, kết quả mô phỏng và đo đạc sau chế tạo, tinh chỉnh trong Hình 2-40. Hình 2-38: Bộ Duplexer 2x2 sau chế tạo 0 0 -10 -10 -20 -20 S33(dB) S11(dB) -30 -30 -40 -40 -50 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 -50 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 Tần số (GHz) Tần số (GHz) Mô phỏng Đo kiểm Mô phỏng Đo kiểm (a) (b) 0 0.0 -50 -0.5 -100 S21(dB) S21(dB) -1.0 -150 -1.5 -200 -250 -2.0 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.70 1.72 1.74 1.76 1.78 Tần số (GHz) Tần số (GHz) Mô phỏng Mô phỏng Đo kiểm Đo kiểm (c) 9
0 0.0 -0.5 -50 -1.0 -100 S13(dB) S13(dB) -1.5 -150 -2.0 -200 -2.5 -250 -3.0 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 1.80 1.82 1.84 1.86 1.88 Tần số (GHz) Tần số (GHz) Mô phỏng Mô phỏng Đo kiểm Đo kiểm (d) -50 -100 -150 S23(dB) -200 -250 -300 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 Tần số (GHz) Đo kiểm Mô phỏng (e) 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 Hệ số phản xạ tại đầu vào S11 ≤ -15dB, tổn hao trong dải thông ≤ 0,99dB (TX) và ≤ 0,94dB (RX), độ gợn trong dải thông lần lượt là 0,8dB (TX), 0,7dB (RX). Độ rộng băng tần 3dB của mỗi kênh đều đảm bảo đạt 75 MHz. Độ cách ly TX – RX lớn hơn 75dB (Hình ). Có thể thấy bộ Duplexer đã đạt được toàn bộ chỉ tiêu yêu cầu ngoại trừ chỉ số về độ cách ly TX – RX. Tuy nhiên, kết quả mô phỏng so với kết quả đo đạc cho thấy ở tất cả các chỉ số thì đo đạc tốt hơn. Nguyên nhân là bộ lọc hốc cộng hưởng bao gồm nhiều rất nhiều chi tiết, công cụ phần mềm có thể không tính toán một cách tối ưu nhất. Sau khi sản xuất, lắp ráp thường cần tinh chỉnh các ốc đường truyền và đầu dò vào/ra để có bộ lọc đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật. Do đó, bộ Duplexer sau cuối cùng thu được có các chỉ số tốt hơn nhiều so với mô phỏng. 2.4.2. Đánh giá kết quả và thảo luận Bảng 0-1: Tổng hợp kết quả đo đạc bộ Duplexer Đối tượng đo Tham số Dải tần (Ghz) Kết quả đo Hệ số phản xạ tại đầu ra | | ≤ -12,5 dB Tỷ số sóng đứng tại đầu ra ≤ 1,61 Hệ số phản xạ tại đầu vào | | ≤ -12,8 dB Bộ lọc RX Tỷ số sóng đứng tại đầu vào 1,710-1,785 ≤ 1,5 Độ suy hao do xen ≤ 1,12 dB Pha của hàm truyền đạt Tuyến tính Độ phẳng của hàm truyền đạt 0,56 dB Hệ số phản xạ tại đầu vào | | ≤ -13 dB Bộ lọc TX Tỷ số sóng đứng tại đầu vào 1,805-1,880 ≤ 1,4 Hệ số phản xạ tại đầu ra | | ≤ -13 dB 10
Đối tượng đo Tham số Dải tần (Ghz) Kết quả đo Tỷ số sóng đứng tại đầu ra ≤ 1,6 Độ suy hao do xen ≤ 1,6 dB Pha của hàm truyền đạt Tuyến tính Độ phẳng của hàm truyền đạt 0,5 dB TX – RX Độ cách ly 1,710 – 1,880 74,6dB Mô hình bộ Duplexer LTE-A bậc 11 sử dụng công nghệ hốc cộng hưởng đồng trục có hốc dạng lục giác đã được thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công. Các bộ lọc thông dải TX và RX hoạt động tại dải tần Band 3. Các kết quả mô phỏng đã đáp ứng được chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu gồm dải tần, hệ số phản xạ, độ gợn dải thông, độ suy hao. Với phần thiết kế bộ Duplexer, vấn đề khó nhất là kết nối giữa hai bộ lọc TX và RX do sự ảnh hưởng qua lại của trường điện từ giữa các hốc đầu vào/ra sẽ làm biến dạng đặc tuyến của hai bộ lọc đơn lẻ. Kết quả đo đạc của bộ Duplexer trong Bảng 2-7 đã đạt được chỉ tiêu ngoại trừ chỉ tiêu về độ cách ly. Chỉ tiêu này có thể cải thiện bằng cách tối ưu thiết kế T-Junction. Ngoài ra, bộ Duplexer này hoàn toàn có thể được sử dụng thành các sản phẩm thương mại, ứng dụng trong thực tế tại trạm thu phát sóng 4G. 2.5 Kết luận chương Như vậy bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần và bộ Duplexer hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần đã được phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm. Việc thiết kế, chế tạo tuân thủ theo quy trình đã được xây dựng trong chương 1. Bộ lọc và bộ Duplexer ở trên đã đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật của các hệ thống ngày nay. Đối với chỉ tiêu hệ số phản xạ, theo tiêu chuẩn chung S11 ≤ -10dB, các thiết kế trong luận án đều đáp ứng được. Ở những bộ lọc thương mại hóa có giá thành đắt, S11 thường dưới -18dB, bộ Duplexer của luận án đạt dưới -12,5dB, giá trị tốt nhất có thể đạt dưới -40dB. CHƯƠNG 3. MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI TIẾN CẤU TRÚC GHÉP GIỮA HAI HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Nội dung chương này trình bày các kết quả nghiên cứu về cải tiến cấu trúc của hốc cộng hưởng và đường ghép trường điện từ giữa các hốc nhằm cải thiện các đặc tính quan trọng của bộ lọc như độ gợn trong dải thông, độ dốc trong dải chắn. Sau đó, áp dụng các cấu trúc đề xuất vào trong thiết kế bộ lọc trạm thu phát gốc của hệ thống LTE-A nhằm kiểm nghiệm lại hiệu quả của đề xuất. 3.1. Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc kề nhau 3.1.1. Phân tích, đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng trường điện từ 1.2 n=8 n=9 1.0 n = 10 n = 11 n = 12 Độ gợn dải thông (dB) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 36 38 40 42 44 46 48 50 Độ rộng băng tần ghép (MHz) Hình 0-1: Mối quan hệ giữa độ rộng băng tần ghép và độ gợn dải thông ứng với các bộ lọc có bậc khác nhau Độ rộng băng tần ghép (CBW) giữa hai hốc cộng hưởng i và j bất kỳ CBWij  M ij  BW (3.9) 11
Từ (3.9) ta thấy, độ rộng băng tần của bộ lọc hốc có thể thay đổi phụ thuộc vào CBW. Nếu tăng được khoảng điều chỉnh CBW thì cũng tăng được khoảng giá trị của BW hay hoàn toàn làm chủ được việc điều chỉnh BW. Xét mối quan hệ độ gợn dải thông và độ rộng băng tần ghép ứng với các trường hợp bậc bộ lọc khác nhau như Hình 0-1 ta có độ gợn trong dải thông giảm khi CBW tăng khi giữ bậc bộ lọc không đổi hoặc khi bậc của bộ lọc giảm nếu CBW tăng khi giữ nguyên độ lớn về độ gợn dải thông. 3.1.2. Đề xuất cấu trúc liên kết cải tiến Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng từ trường tập trung phần dưới đáy của hộp cộng hưởng. Đề xuất việc sử dụng một dải kim loại nối giữa hai hốc cộng hưởng với nhau nhằm tăng tính chất ghép từ trường. Kích thước thanh kim loại này có chiều cao là a (mm), chiều dài là b(mm) như trong Hình 3-5. D d H a h b (a) (b) Hình 3-5: Mô hình đề xuất tăng hệ số ghép giữa hai hốc cộng hưởng. (a) là hình chiếu 2D của mô hình. (b) là mô hình 3D Hình 3-6: Đánh giá độ rộng băng tần CBW Thay đổi lần lượt chiều dài và chiều cao của thanh kim loại để đánh giá sự thay đổi của CBW. Kết quả: Khi độ cao a tăng từ 0mm lên 10mm và giữ nguyên độ dài b, CBW tăng lên 3 lần (từ 41,54MHz lên 127,49MHz), hệ số ghép M tăng lên đến 1,82. Khi độ dài tăng lên đến giá trị lớn nhất – hai ống cộng hưởng nối liền với nhau, giữ nguyên a, CBW tăng lên xấp xỉ 2 lần (từ 41,076MHz lên 79,306MHz). 3.1.3 Áp dụng trong thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng Áp dụng phương pháp tăng CBW đề xuất trong mục trên vào việc thiết kế bộ Duplexer, hoạt động trong Band 7 (dải tần TX 2,62GHz – 2,69GHz, 2,50GHz– 2,57GHz), ứng dụng trong trạm thu phát sóng 4G. Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu độ rộng băng tần 70 MHz, độ suy hao tín hiệu < 1.8dB, độ cách ly TX – RX 85dB, độ phẳng của đặc tuyến trong dải thông < 1dB. Bộ Duplexer hoàn chỉnh trong Hình 3-8. Hình 3-8: Duplexer hoàn chỉnh 12
-0,35dB@2.55GHz -0,37dB@2.655GHz 0 -20 -23dB@2,49GHz -23.5dB@2,58GHz -27,7dB@2,61GHz -27dB@2,7GHz 0 -40 -45,7dB@2,59GHz -57dB@2,6GHz -5 -60 Biên độ /dB -10 -80 Biên độ / dB -15 -100 -20 -25 -120 -30 -140 -35 -160 -40 -180 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 Tần số / GHz Tần số / GHz (a) (b) -97,6dB@2.618GHz -80 -100 -120 -140 -160 Biên độ / dB -180 -200 -220 -240 -260 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 Tần số / GHz (c) Hình 3-2: 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 Kết quả mô phỏng đặc tuyến của bộ Duplexer sau tối ưu đã đạt được yêu cầu, phối hợp trở kháng với độ rộng băng tần đạt 70MHz, độ tổn hao trong dải thông dưới 0.5dB, độ cách ly TX-RX 97 dB, độ phẳng trong dải thông dưới 1dB. Kết quả này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật ban đầu, có khả năng ứng dụng được trong các trạm thu phát sóng LTE-A hiện nay. 3.1.4 Đánh giá đề xuất Trong Bảng 3-2 trình bày so sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lọc đã đề xuất ở trên với một sản phẩm đã nghiên cứu cũng như đang được thương mại hóa cho thấy, hệ số CBWij của bộ lọc đề xuất là lớn nhất, độ gợn trong dải thông của đặc tuyến truyền đạt tốt hơn so với sản phẩm thương mại. Tuy nhiên, hệ số phản xạ S11 mô phỏng được thấp nhưng thường điều chỉnh tốt hơn sau chế tạo. Bảng 3-2: So sánh chỉ tiêu kỹ thuật của các bộ lọc Cấu trúc BW (MHz) Bậc Hệ số phản xạ S11 Mij(max) CBWij(max) Độ gợn trong dải thông [65] 1990-2100 6 -20,8dB 0,843 16,86MHz [66] 3000-3060 5 -20dB 0,865 52,9MHz Sản phẩm TX: 2620-2690, 11 -18dB 0,8dB của Pro Line RX: 2500-2570 Đề xuất TX: 2620-2690, 8 -10dB 0,819 57,34MHz 0,3dB RX: 2500-2570 3.2 Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc ghép kiểu C 3.2.1. Đề xuất cấu trúc cải tiến cấu trúc Cấu trúc ghép kiểu C truyền thống bao gồm hai quả chuông nối với nhau bằng 1 thanh kim loại, được nâng đỡ bởi miếng điện môi PTFE. Cấu trúc mới đề xuất sử dụng một đinh ốc đặt vào giữa PTFE có taro ren sẵn giúp dễ dàng vặn đinh ốc (trong Hình 3-10). Từ đó làm xuất thêm 1 thành phần tụ điện phân bố biến dung, làm thay đổi mô hình tương đương của đường ghép chéo này Cm’ = Cm + Cs (3.11) 13
Hệ số ghép chéo kiểu điện dung: C,m f m  f e2 2 kE   (3.12) C f m  f e2 2 Trong đó, Cm là tụ điện ghép cũ, Cs là tụ điện biến dung mới hình thành. Đinh ốc mới Hình 3-10: Mô hình 3D của đường liên kết chéo kiểu C a) b) Hình 3-12: Sơ đồ tương đương của cấu trúc liên kết chéo cũ và mới Trong a) b) Hình, chiều sâu Tij(mm) của ốc tinh chỉnh thay đổi, tính toán độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng. Có thể thấy khi chiều dài thay đổi, CBW cũng thay đổi nhưng không tuyến tính. So sánh trước và sau khi thêm screw, độ rộng băng tần tăng lên 2,3MHz. Nếu d tăng từ 0mm đến 7mm, CBW tăng lên 4,6MHz (từ 35,4MHz đến 40MHz). Từ 3.13a, khi d tăng lên, độ dốc của bộ lọc đạt được tốt hơn. Ngoài ra, có sự thay đổi của vị trí điểm TZ0 khi thay đổi độ dài của screw nên có thể ứng dụng để cho phép tinh chỉnh linh hoạt hơn. 41000 40000 39000 CBWij (MHz) 38000 37000 36000 35000 0 2 4 6 8 Chiều dài đinh ốc Lc (mm) a) b) Hình 3-13:a) Kết quả mô phỏng CBW chéo; b) Đồ thị CBW thay đổi theo độ dài đinh ốc 3.2.2 Áp dụng trong thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng Một bộ lọc hốc cộng hưởng làm việc ở dải tần 1805 – 1880MHz sử dụng cấu trúc trên. Giả sử yêu cầu bộ lọc có độ gợn trong dải thông là 1dB, độ tổn hao dưới 1.2dB, hệ số tổn hao ngược trong dải thông dưới -10dB, độ loại bỏ tín hiệu ngoài dải thông là 100dB@1785MHz. Topo của bộ lọc và bộ lọc thông thấp mẫu được thiết kế với bậc là 10 và 2 đường ghép chéo 3-5, 5-7. Bộ lọc 3D hoàn chỉnh cùng với 2 đường ghép chéo sử dụng cấu trúc mới trong Hình 3-15. Kết quả mô phỏng với độ sâu của screw khác nhau được so sánh trong Hình 3-16, trong đó có 2 trường trường độ sâu của ốc Tcij = 0mm và Tcij = 6mm với cùng điều kiện mô phỏng và kích thước các phần còn lại của bộ lọc. Có thể thấy trong trường hợp Tcij = 6mm, vị trí điểm TZ0 sâu hơn 14dB và gần dải thông hơn so với trường hợp Tcij = 0mm. Tại tần số 1795MHz, S21 = -43.33dB với Tcij = 0mm, S21 = -43.51dB với Tcij = 6mm. 14
Hình 3-15: Bộ lọc hoàn chỉnh Biên độ S21/dB Biên độ S21/dB S2,1 (Tcij = 0) S2,1 (Tcij = 3) S2,1 (Tcij = 6) Tcij = 0 mm Tần số/MHz Tần số/MHz Tcij = 6 mm (a) (b) Hình 3-16: a). Đặc điểm của TZ0 khi Tcij thay đổi. b) So sánh độ dốc của đặc tuyến khi Tcij thay đổi 3.2.3 Nhận xét đánh giá Ở phần trên, cấu trúc ghép chéo kiểu C được cải tiến bằng cách bổ sung ốc tinh chỉnh mới nhằm cải thiện đặc tuyến độ dốc của bộ lọc hốc cộng hưởng. Bộ lọc hốc cộng hưởng cùng cấu trúc mới có đặc tuyến thu được vị trí TZ0 gần dải thông hơn, độ dốc tốt hơn. Hơn nữa, độ rộng băng tần ghép chéo mở rộng, bước tinh chỉnh cũng trở nên linh hoạt hơn. Bộ lọc hốc cộng hưởng Band 3 áp dụng cấu trúc được mô phỏng, thiết kế. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng bộ lọc thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật. Vị trí TZ0 khi có ốc tinh chỉnh gần dải thông hơn, độ rộng băng tần CBW rộng hơn. Từ đó độ dốc của bộ lọc được cải tiến ~0,2dB@BW-10dB, ~1dB@BW-20MHz. Ngoài ra, cấu trúc mới giúp giảm bớt việc phải chế tạo nhiều phần tử C hình quả chuông cho dự phòng. Tuy nhiên, việc tinh chỉnh sẽ phức tạp hơn do bổ sung thêm phần tử ốc vít. Cấu trúc ghép chéo này có thể được thiết kế kết hợp với các dạng quả chuông khác nhau. Bộ lọc thiết kế được hoàn toàn có thể dùng để sản xuất làm sản phẩm thương mại và có khả năng ứng dụng ở hệ thống có băng tần khác. 3.3 Kết luận chương 3 Trong chương này đã trình bày các giải pháp liên quan đến cải tiến đặc tuyến bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tầnTrước hết là cải tiến cấu trúc để cải tiến độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng liền kề. Cấu trúc này mang tính điện cảm, được bổ sung đường kim loại nối giữa hai trụ cộng hưởng (resonator). Độ rộng băng thông ghép tăng khi tăng chiều dài hoặc chiều cao của đường kim loại này. Do CBW tăng, sẽ giúp giảm độ gợn của đặc tuyến hoặc giảm bậc bộ lọc khi giữ nguyên yêu cầu về độ gợn. Thứ hai là đề xuất cải tiến độ dốc của bộ lọc. Bổ sung thêm ốc tinh chỉnh có 1 đầu gắn vào nắp hốc cộng hưởng, 1 đầu đặt trong rãnh của miếng PTFE, tạo thành một phần C phân bố mới. Từ đó tăng CBW giữa hai hốc chéo nhau. Do cấu trúc này mang tính điện dung C, do đó áp dụng tạo thành các điểm TZ0 của đường truyền, giúp tăng độ dốc của bộ lọc. Tuy nhiên, các giải pháp này vẫn có các giới hạn về cấu trúc cơ khí. Do đó, chúng được áp dụng trong các thiết kế bộ lọc băng thông hẹp. Việc so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của cấu trúc đề xuất mới với những kết quả nghiên cứu tương tự là khó khăn vì các công trình liên quan đến cải tiến cấu trúc của bộ lọc hốc cộng hưởng dạng đồng trục, của Duplexer,… với cùng dải tần là không có hoặc rất ít được công bố. Do đó việc so sánh, đánh giá giữa các bộ lọc chỉ mang tính chất tương đối nhằm minh chứng cho tính đúng của đề xuất đã đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật của các hệ thống ngày nay. Kết quả nghiên cứu đạt được công bố trong [HC2], [TC3,TC4]. 15
CHƯƠNG 4. CẢI TIẾN CẤU TRÚC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN CÔNG SUẤT LỚN 4.1 Phân tích về đặc tính chịu đựng công suất của bộ lọc 4.1.1. Đặc điểm về khả năng chịu đựng công suất của đường truyền đồng trục E d   d 2   ln  D d    r 2 2 (4.5) Ppeak. max  120 Trong đó, D đường kính ngoài của cáp đồng trục, d là đường kính của lõi, V0 là biên độ điện áp, Ed là cường độ điện trường lớn nhất trên bề mặt lõi cáp, Ppeak.max là công suất đỉnh của đường truyền đồng trục. 4.1.2 Đánh giá yêu cầu về độ chịu đựng công suất trong máy thu phát sóng vô tuyến 4.1.3. Phân tích, tính toán thông số về khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc (PH) Độ chịu đựng công suất của bộ lọc: 2 W  E  Pbr  EM   br  (4.12) Wres  E EM  Trong đó, Ebr[V/m] là cường độ điện trường đánh thủng vật liệu, ví dụ với vật liệu không khí Ebr = 3106V/m; WEM[W] là năng lượng điện từ trường chứa trong 1 hốc cộng hưởng. Wres[nJ/W] là năng lượng điện trường lớn nhất trong hốc cộng hưởng. EEM [V/m] là cường độ điện trường chứa trong hốc cộng hưởng. Pbr là công suất đỉnh của bộ lọc. Phân tích cường độ điện trường lớn nhất trong hốc cộng hưởng đơn tại tần số trung tâm của bộ lọc ta thấy: Cường độ điện trường lớn nhấy hay năng lượng điện trường tập trung ở biên của trụ cộng hưởng và ốc tinh chỉnh. Từ phương trình trên, Pbr tỉ lệ nghịch với EEM. Nên, nếu EEM giảm, Pbr tăng. Trong phần sau, tác giả trình bày phương pháp giảm cường độ điện trường EEM l lớn nhất nhằm tăng khả năng chịu đựng công suất Pbr. 4.1.4 Tổng quan về các phương pháp thiết kế tăng độ chịu đựng công suất của bộ lọc Phương pháp sử dụng trong thiết kế bộ lọc thông thấp mẫu Phương pháp trong thiết kế vật lý của hốc cộng hưởng Phương pháp điều khiển ngoài 4.2 Đề xuất cấu trúc cải tiến đặc tính PH của bộ lọc 4.2.1 Cấu trúc đề xuất hc θ θ θ 2a 2b hc (a) (b) Hình 4-2:a) Hình chiếu cạnh và hình chiếu bằng của khối nón; b) Mặt cắt của hốc cộng hưởng 6e+8 Cường độ điện trường lớn nhất E (V/m) 6e+8 5e+8 5e+8 4e+8 4e+8 3e+8 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Theta[rad] Hình 4- 3: Cường độ điện trường lớn nhất [V/m] trong hốc cộng hưởng đơn 16
Hốc cộng hưởng đơn bao gồm hộp cộng hưởng hình trụ và ốc điều chỉnh, phía trên đỉnh của hộp cộng hưởng có dạng hình nón cụt, chiều cao là hc, góc nghiêng θ so với trục, đường kính trong của đỉnh là 2b ( Hình 4-2b). Từ đó, thiết diện giữa ốc điều chỉnh của hốc cộng hưởng và trụ cộng hưởng giảm, dẫn đến cường độ điện trường giảm. Các thành phần điện từ trường trong hốc cộng hưởng được ước lượng bằng phần mềm tại hc = 2mm. Cường độ điện trường lớn nhất trong hốc khi thay đổi θ được biểu diễn trong Hình 4-3. Ta thấy, cường độ điện trường E thay đổi khi θ thay đổi, đạt giá trị nhỏ nhất tại θ = 0,52rad (~ π/6). 4.2.2 Quy trình thiết kế bộ lọc đạt PH mong muốn Bắt đầu Thiết kế hốc đơn Phân tích yêu cầu về công suất Không đạt Tìm cường độ điện trường lớn nhất Ước lượng cường độ điện trường đỉnh, so sánh với cường độ điện trường yêu cầu Tìm topo của bộ lọc, mô phỏng thiết kế sơ đồ nguyên lý của bộ lọc Hoàn thành thiết kế hốc đơn Tìm vị trí hốc cộng hưởng chịu công suất lớn nhất 4.2.3 Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế bộ lọc hốc eNodeB Công suất/W Tần số/GHz Tần số/GHz (a) (b) Hình 4-7: a) Kết quả mô phỏng các tham số S của sơ đồ nguyên lý; b)Năng lượng điện từ lưu trữ trong hốc cộng hưởng. Mô phỏng sơ đồ nguyên lý theo topo của bộ lọc, mô phỏng bộ lọc mẫu ở chế độ AC cho kết quả như Hình 4-7, ta thấy hốc ở vị trí thứ 3 chứa năng lượng cao nhất nên đóng vai trò quyết định đến độ chịu đựng công suất của bộ lọc này. Tìm được hốc thứ 3 của bộ lọc chứa năng lượng trường điện từ lớn nhất. Tại tần số f0 = 1,8425GHz, EEM1 = 1,51×109 V/m với hốc cộng hưởng với mô hình cũ; EEM2 = 8,7×108V/m với hốc cộng hưởng mới. Khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc lần lượt là Pbr1 = 148,9W; Pbr2 = 449,4W. Từ đó, khả năng chịu đựng công suất được cải tiến tăng từ 148.9W lên 449.4W, có thể được sử dụng để thiết kế và tối ưu bộ lọc TX Band 3. Mô hình thiết kế của bộ lọc 3D trong Hình 4-8, kết quả mô phỏng các tham số tán xạ trong Hình 4-9. Đặc điểm kỹ thuật sau tối ưu của bộ lọc trong Bảng 4-3. Từ bảng so sánh kết quả ta thấy về mặt chỉ tiêu về đặc tính truyền đạt, băng thông, hệ số phản xạ thì cấu trúc mới và cấu trúc cũ là tương đương nhau. Về mặt công suất, cấu trúc mới đã cải thiện ~300W. 17
Hình 4-8: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX Band 3 hoàn chỉnh -0,25dB@1,8425GHz -0,87dB@1,805GHz -0,48dB@1,880GHz -22,30dB@1,890GHz -43,56dB@1,9GHz Biên độ S11/dB -66,32dB@1,795GHz Biên độ S21/dB -93,58dB@1,785GHz Tần số/GHz Tần số/GHz Hình 4-1: Đồ thị tham số tán xạ sau tối ưu, tinh chỉnh Bảng 4-1: So sánh đặc điểm đặc tuyến sau mô phỏng Đặc điểm kỹ thuật STT. Tên chỉ tiêu Yêu cầu kỹ thuật Cấu trúc cũ Cấu trúc đề xuất (Bảng 4.1) 1 Dải tần 1805-1880 MHz 1805-1880 MHz 1805-1880 MHz 2 Độ gợn dải thông ± 1 dB ± 0,65 dB ± 0,64 dB Tổn hao trong dải 3 ≤ 1,2dB ≤ 0,857dB ≤ 0,868dB thông Độ suy hao tín 4 ≥ 90dB ≥ 90,225dB ≥ 93dB hiệu ngoài băng 5 Hệ số phản xạ ≤ -15dB ≤ -15dB ≤ -15dB 6 Pbr 100W 148,9W 449,36W 4.2.4 Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế bộ lọc hốc gNodeB m1 m2 f = 3,600GHz f = 3,800GHz dB(S(1,2))=-0,284 dB(S(1,2))=-0,290 dB(S(1,2)) dB(S(1,1)) Công suất/W Tần số/GHz Tần số/GHz (a) (b) Hình 4-12: a) Kết quả mô phỏng các hệ số tán xạ của sơ đồ nguyên lý; b)Năng lượng điện từ lưu trữ trong hốc cộng hưởng. Mở rộng áp dụng cấu trúc trên trong thiết kế bộ lọc sử dụng trong máy phát gNodeB trong mạng 5G với dải tần 3600 – 3800MHz. Trong thiết kế này, nghiên cứu sinh bổ sung giải pháp bo tròn ốc tinh chỉnh bán kính 1mm, nhằm giảm thêm việc bị tích điện tích tại giao diện giữa ốc tinh chỉnh và hộp cộng hưởng. 18