Bài viết trình bày phương án thiết kế bộ chuyển đổi từ ống sóng hình chữ nhật RWG sang ống sóng SIW hoạt động ở băng tần X nhằm khắc phục hạn chế về kích thước của ống sóng hình chữ nhật truyền thống.
TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 DESIGN X-BAND TRANSITION FROM RECTANGULAR WAVEGUIDE TO SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE Nguyen Van Bac*, Tran Viet Hung, Pham Viet Anh, Nguyen Van Duy Military Technical Academy ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 07/01/2022 This paper presents the design of a right-angle transition from rectangular waveguide (RWG) to substrate integrated waveguide (SIW) operating in the X band frequency in order to overcome the limitation of the size of traditional rectangular waveguides The transition is designed with a metal coupling aperture with a two-step ridge and a PCB converter, including three coupling slots, etched on the top of the PCB board The transition is designed to be easily mounted directly onto the systems using traditional rectangular waveguides The transition is aimed to use microstrip circuit technology to directly integrate the receiver's low noise amplifier on the same PCB board so that the system size can be reduced significantly The design is simulated on 3D High-Frequency Simulation Software (HFSS) The simulation results show that the reflection coefficient S11 is less than -15 dB, the insertion loss S21 is less than 1dB in the frequency range from 8.3 GHz to 9.85 GHz Revised: 16/02/2022 Published: 23/02/2022 KEYWORDS SIW Substrate Integrated Waveguide Substrate Integrated Waveguide Transition Right-angle transition RWG Rectangular Waveguide THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SĨNG HÌNH CHỮ NHẬT SANG ỐNG SĨNG SIW BĂNG TẦN X Nguyễn Văn Bắc*, Trần Việt Hùng, Phạm Việt Anh, Nguyễn Văn Duy Học viện Kỹ thuật quân THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 07/01/2022 Ngày hoàn thiện: 16/02/2022 Ngày đăng: 23/02/2022 TỪ KHĨA Tích hợp chất SIW Ơng sóng tích hợp chất Chuyển đổi ống dẫn sóng Chuyển đổi ống sóng vng góc Ống dẫn sóng hình chữ nhật RWG TĨM TẮT Bài báo trình bày phương án thiết kế chuyển đổi từ ống sóng hình chữ nhật RWG sang ống sóng SIW hoạt động băng tần X nhằm khắc phục hạn chế kích thước ống sóng hình chữ nhật truyền thống Bộ chuyển đổi thiết kế gồm phần mặt mở ghép nối kim loại với gờ phối hợp hai bậc phần chuyển đổi mạch in PCB Bộ chuyển đổi thiết kế dễ dàng gắn trực tiếp lên ống dẫn sóng hình chữ nhật truyền thống, hướng tới kết hợp với công nghệ mạch dải tích hợp trực tiếp khối khuếch đại tạp âm thấp tuyến thu bo mạch in nhằm giảm kích thước hệ thống thu Thiết kế mơ phần mềm HFSS Kết mô cho thấy hệ số phản xạ S11 nhỏ -15dB, hệ số suy giảm S21 nhỏ 1dB dải tần từ 8,3 GHz đến 9,85 GHz DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5436 * Corresponding author Email: nguyenback42@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn 120 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 Mở đầu Cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất (SIW) quan tâm nghiên cứu nhiều năm gần [1]-[10] Nó ống dẫn sóng phẳng tích hợp chất điện môi với hai lớp kim loại hai hàng lỗ via Các hàng lỗ via tạo thành thành hẹp ống dẫn sóng SIW có số ưu điểm bật tổn hao nhỏ, dễ chế tạo cơng nghệ PCB xác, giá thành rẻ, kích thước khối lượng nhỏ gọn, dễ tích hợp với thành phần khác bo mạch in Ngày nay, SIW sử dụng rộng rãi hệ thống siêu cao tần Tuy nhiên, ống dẫn sóng hình chữ nhật truyền thống (RWG) đóng vai trị quan trọng hệ thống thực tế tổn hao thấp, chịu công suất lớn Có nhiều thành phần thiết bị thiết kế để hoạt động với RWG, chẳng hạn khuếch đại công suất hay khuếch đại tạp âm thấp LNA Ngoài ra, RWG cứng hơn, chắn hơn, phù hợp để xây dựng cấu trúc 3D phức tạp Tuy nhiên, để kết nối, truyền/nhận tín hiệu từ bo mạch PCB, cần phải có chuyển đổi từ RWG sang giắc nối đồng trục SMA BNC, làm tăng kích thước giá thành hệ thống Để khắc phục nhược điểm tận dụng ưu điểm hai loại ống dẫn sóng SIW RWG, cấu trúc chuyển đổi SIW RWG cần phải nghiên cứu, thiết kế để kết nối thiết bị dựa cấu trúc SIW với hệ thống sử dụng cổng giao tiếp kiểu RWG Có hai loại chuyển đổi RWG sang SIW, loại thứ dạng thẳng, trục SIW RWG thẳng hàng với [1] Loại thứ hai dạng vng góc, đó, hai trục SIW RWG vng góc với Dạng thẳng có kích thước lớn hơn, u cầu khơng gian kết nối phức tạp hơn, thích hợp cho ứng dụng hạn chế cụ thể [1] Trong đó, dạng vng góc thường nhỏ gọn, thuận tiện cho lắp đặt băng thông hẹp [1] Trong nhiều tài liệu, thiết kế chuyển đổi RWG sang SIW giới thiệu băng tần cao băng V, băng Ku, Ka, Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế chuyển đổi RWG sang SIW dạng vng góc hoạt động băng tần X, băng tần sử dụng phổ biến thiết bị quân đa, tên lửa thiết bị dân dụng khác Thiết kế chuyển đổi RWG sang SIW Bộ chuyển đổi trình bày gồm mặt mở ghép nối kim loại với gờ phối hợp hai bậc, phần chuyển đổi SIW (hình 1) Một đầu mặt mở ghép nối kết nối trực tiếp với ống dẫn sóng tiêu chuẩn WR90 Phần mặt mở ghép nối kim loại chế tạo nhơm có kích thước với kích thước mặt bích ống dẫn sóng WR90 Mục đích phần để phối hợp trở kháng ống sóng RWG với SIW, nhằm mở rộng băng thơng chuyển đổi Việc sử dụng mặt mở ghép nối kim loại trình bày cơng bố [2]-[6] Băng thông chuyển đổi RWG sang SIW sử dụng mặt mở ghép nối kim loại mở rộng lên 25,7% [2]-[5], có thiết kế đạt 40% [6] Mặc dù sử dụng mặt mở ghép nối kim loại có làm phức tạp hóa việc lắp ghép chuyển đổi RWG sang SIW, nhiên lợi độ rộng băng thông giúp cho khả ứng dụng tốt Hình Cấu trúc chuyển đổi RWG sang SIW đề xuất http://jst.tnu.edu.vn 121 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 Để phối hợp trở kháng ống sóng RWG với SIW, gờ phối hợp thường sử dụng Kích thước gờ phối hợp tính tốn theo phương pháp biến đổi chebyshev [7], [8] Với giá trị trở kháng phần tử phối hợp, kích thước bậc tính cơng thức : 𝑍𝑤𝑔𝑛 √𝜀𝑟 𝑎 (1) 𝑏𝑛 = 2𝜂 Trong đó, 𝑍𝑤𝑔𝑛 trở kháng ống sóng phần tử phối hợp thứ n; a, 𝑏𝑛 kích thước dài rộng bậc thứ n; 𝜀𝑟 số điện môi môi trường; 𝜂 trở kháng sóng khơng gian tự có giá trị 377 Ω Phần tử phép biến đổi chebyshev phần ống dẫn sóng RWG phần tử cuối ống sóng SIW Giá trị kích thước bậc phối hợp sau tính tốn tối ưu q trình mơ phỏng, trở kháng phần tử ghép nối SIW tích hợp mạch tương đối phức tạp Phần phối hợp trở kháng ống sóng SIW thường thiết kế với mặt mở ghép nối khe hở khoét mặt kim loại SIW Trong thiết kế này, khe hở sử dụng làm đầu dị để trích dẫn lượng cao tần Việc sử dụng khe hở làm đầu dị trích dẫn lượng trình bày nhiều báo [1], [9], [10] Nguyên lý truyền dẫn tín hiệu cao tần khe hở giống ăng ten khe mạch dải Vị trí kích thước khe hở tích tốn dựa tần số trung tâm dải tần làm việc Để tăng băng thông làm việc chuyển đổi, nhiều báo trình bày việc sử dụng nhiều khe hở với kích thước khác [1], [9], [10] Mô HFSS cho thấy băng thông mở rộng kết hợp khe hở có độ rộng khác (hình 3) Trong thiết kế đề xuất, chuyển đổi sử dụng khe hở, độ dài ban đầu khe hở tính tốn theo tần số tần số cắt 8,2 GHz, tần số trung tâm 10,3 GHz tần số cắt 12,4GHz Độ dài L khe hở chọn theo bội số giá trị λch/4 [9] (λch – bước sóng tần số cộng hưởng) λch tính theo cơng thức: 𝐶 λ𝑐ℎ = (2) 𝑓𝑐ℎ √𝜀𝑟 Trong đó: C vận tốc ánh sáng; 𝜀𝑟 số điện môi môi trường truyền, tín hiệu truyền từ WR90 sang SIW nên 𝜀𝑟 Độ rộng vị trí khe hở lựa chọn qua q trình mơ phải đảm bảo tiêu chuẩn quy trình sản xuất mạch in Phần ống sóng SIW ống dẫn sóng điện từ tổng hợp hình chữ nhật tạo thành chất điện môi cách đặt hai dãy trụ kim loại (hoặc lỗ VIA) lớp kim loại Cấu trúc vật lý ống sóng SIW coi ống dẫn sóng hình chữ nhật chứa đầy điện môi [7],[8] Đối với chế độ TE10, chiều cao h ống sóng khơng quan trọng khơng ảnh hưởng đến tần số cắt ống dẫn sóng [7], [8] Tần số cắt 𝑓𝑐 ống sóng SIW phụ thuộc vào chiều rộng 𝑎𝑒 , theo công thức [7]: 𝐶 𝑓𝑐 = (3) 2𝑎𝑒 √𝜀𝑟 Việc lựa chọn thích hợp đường kính d khoảng cách tuần hồn p lỗ VIA giảm thiểu tổn thất lượng cao tần rò rỉ SIW Để đảm bảo cấu trúc SIW thực mặt vật lý, đường kính d khoảng cách p phải tuân thủ điều kiện sau [7]: 𝑎𝑒 𝑑≤ (4) (5) 𝑝 ≤ 2𝑑 Sau xác định d p ta xác định khoảng cách từ tâm đến tâm hai hàng VIA w [7]: 𝑑2 (6) 𝑤 = 𝑎𝑒 + 0.95𝑝 Mô thiết kế chuyển đổi ống sóng RWG sang SIW http://jst.tnu.edu.vn 122 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 Cấu trúc chuyển đổi thiết kế mô phần mềm mô trường điện từ Hight Frequency Structure Simulator HFSS Phần ống sóng RWG sử dụng ống sóng tiêu chuẩn WR90 Hình bảng thể hình dạng, kích thước chi tiết chuyển đổi Hình 2.a Hình 2.b thể kích thước phần mặt mở ghép nối kim loại với gờ phối hợp hai bậc Mặt mở ghép nối với gờ phối hợp hai bậc thiết kế vật liệu nhơm Phần ống sóng tích hợp chất điện mơi SIW (hình 2.c) thiết kế sử dụng chất điện mơi ROGER4350B (TM), có số điện mơi 𝜀𝑟 = 3,66 hệ số tan 𝛿 = 0,0037 Lớp điện môi thiết kế dày ℎ = 0,508 mm, độ dày lớp đồng 𝑡 = 35 µm Phần ống sóng tích hợp chất điện mơi SIW sử dụng khe hở để phối hợp trở kháng trích dẫn lượng RF Bộ chuyển đổi thiết kế để sử dụng thiết bị thu phát băng tần X Hình Cấu trúc chi tiết chuyển đổi RWG sang SIW đề xuất a), b) Kích thước phần ghép nối với gờ phối hợp hai bậc; c) kích thước phần chuyển đổi SIW Bảng Tham số kích thước chi tiết chuyển đổi (đơn vị: millimeter) 𝐿𝑡𝑎𝑝1 3,39 p 0,75 𝐿𝑡𝑎𝑝2 7,62 𝐿𝑠1 3,39 𝐻𝑡𝑎𝑝1 𝐿𝑠2 3,39 𝐻𝑡𝑎𝑝2 𝐿𝑠 2,03 𝑅𝑡𝑎𝑝1 𝑊𝑟1 9,52 𝑅𝑡𝑎𝑝2 𝑊𝑟2 7,62 𝑊1 24,26 𝑊𝑠1 8,33 𝐿1 11,56 𝑊𝑠2 10,83 W 12,25 𝑊𝑠3 8,23 d 0,5 R Cấu trúc chuyển đổi xây dựng ban đầu dựa mô đánh giá độ rộng băng thông sử dụng số lượng khe hở khác (hình 3) Kích thước ban đầu khe hở tính tốn theo cơng thức (2) Tương ứng với tần số cộng hưởng chọn, độ dài ban đầu khe hở 9,14 mm, 7,28 mm, 6,04 mm Từ đánh giá sơ mô phỏng, ta thấy sử dụng khe hở cho độ rộng băng thông hệ số suy hao tốt Vị trí khe http://jst.tnu.edu.vn 123 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 bố trí 1/3 kích thước cạnh ngắn WR90 Băng thông chuyển đổi sử dụng khe khe đạt tương đối rộng Tuy nhiên, việc phối hợp trở kháng sử dụng khe thay đổi vị trí khe hở khó, nên suy hao đường truyền lớn nhiều so với sử dụng khe hở Đó lợi sử dụng chuyển đổi sử dụng khe hở Hình Khảo sát tham số S thay đổi số lượng khe hở Vị trí kích thước khe hở tham số ảnh hưởng lớn tới phẩm chất chuyển đổi Thông qua kết mô HFSS thực tối ưu hóa tham số vị trí kích thước khe hở Hình Khảo sát phụ thuộc tham số S vào khoảng cách khe hở http://jst.tnu.edu.vn 124 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 Hình thể phụ thuộc tham số S vào khoảng cách khe Khi khoảng cách khe lớn, tần số thấp cộng hưởng tốt chuyển đổi có hệ số suy giảm, hệ số phản xạ tốt Ngược lại, khoảng cách khe nhỏ, chuyển đổi có hệ số suy giảm phản xạ tốt tần số cao Hình Khảo sát phụ thuộc tham số S vào kích thước độ dài khe số Kích thước khe xác định ban đầu dựa tần số cộng hưởng mong muốn theo công thức (2) Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều khe hở, khe tác động vào tần số cộng hưởng lẫn nhau, nên kích thước khe lựa chọn sau tối ưu hóa phần mềm mơ Hình thể q trình lựa chọn kích thước khe hở số Khi độ dài khe hở số 𝑊𝑠3 nhỏ, xu hướng dải tần làm việc chuyển đổi dịch chuyển lên tần số thấp Ngược lại, độ dài khe hở số 𝑊𝑠3 tăng lên, tần số thấp chuyển đổi rõ rệt Việc lựa chọn kích thước khe đặt để lựa chọn tham số tối ưu cho toàn dải Sau q trình mơ tối ưu tham số chuyển đổi, cấu trúc tham số kích thước chi tiết phần tử chuyển đổi thể bảng hình Hình Tham số S chuyển đổi RWG sang SIW đề xuất http://jst.tnu.edu.vn 125 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 120 - 126 Kết mơ chuyển đổi cuối (hình 2) phần mềm HFSS thể hình Kết cho thấy hệ số suy hao chuyển đổi xấp xỉ -0,5 dB có hệ số phản xạ -15dB dải tần từ 8,3 GHz đến 9,85 GHz Kết luận Trong báo này, chuyển đổi từ ống dẫn sóng RWG sang SIW đề xuất thiết kế mô phần mềm HFSS Quá trình chuyển đổi thực thông qua mặt mở ghép nối kim loại với gờ phối hợp hai bậc phần chuyển đổi SIW (hình 1) Kết mơ phù hợp với mục tiêu ứng dụng hệ thống thu phát băng tần X Ưu điểm khối lượng, kích thước nhỏ, dễ dàng bố trí hệ thống chi phí chế tạo rẻ Mục tiêu nhóm tác giả tích hợp mơ đun khuếch đại tạp âm thấp LNA trực tiếp lên chuyển đổi nhằm đưa LNA đến gần ăng ten nhất, giảm suy hao cao tần tăng hệ số tín/tạp tuyến thu TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] T Li and W Dou, “Simple, compact and broadband right-angle transition between substrate integrated waveguide and rectangular waveguide at Ka-band,” International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, vol 27, p e2108, 2016 [2] T Li and W Dou, “Broadband right-angle transition from substrate-integrated waveguide to rectangular waveguide,” Electronics Letters, vol 50, no 19, pp 1355-1356, 2014 [3] T Li and W B.Dou “A wideband right-angle transition between thin substrate integrated waveguide and rectangular waveguide based on multi-section structure,” International Journal of Microwave and Wireless Technologies, vol 8, pp 185-191, 2015 [4] R V Gatti, R Rossi, and M Dionigi, “Broadband Right-Angle Rectangular Waveguide to Substrate Integrated Waveguide Transition with Distributed Impedance Matching Network,” Applied Sciences, vol 9, p 389, 2019 [5] I Mohamed and A Sebak, “Broadband Transition of Substrate-Integrated Waveguide-to-Air-Filled Rectangular Waveguide,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 10, pp 1531-1309, 2018 [6] J Dong, Z Yang, H Peng, and T Yang “Full Ka-band right-angle transition from substrate integrated waveguide to air-filled rectangular waveguide,” Electronics Letters, vol 51, pp 1796-1798, 2015 [7] J M Pérez-Escudero, A E Torres-García, R Gonzalo, and I Ederra, “A implified Design Inline Microstrip-to-Waveguide Transition,” Electronics, vol 7, pp 215-226, 2018 [8] J Dong, Y Liu, H Lin, and T Yang, “Low Loss and Broadband Transition between Substrate Integrated Waveguide and Rectangular Waveguide,” International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, vol 26, no 1, pp 54-61, 2016 [8] D Dousset, K Wu, and S Claude, “Millimetre-wave broadband transition of substrate-integrated waveguide to rectangular waveguide,” Electron Letters, vol 46, pp 1610-1611, 2010 [9] L Li, X Chen, R Khazaka, and K Wu, “A transition from substrate integrated waveguide (SIW) to rectangular waveguide,” IEEE Asia Pacific Microwave Conference, vol 9, pp 2605-2608, 2009 [10] R Glogowski, J F Zurcher, C Peixeiro, and J R Mosig “Broadband Ka-band rectangular waveguide to substrate integrated waveguide transition,” Electron Lettes, vol 49, no 9, pp 602-604, 2013 http://jst.tnu.edu.vn 126 Email: jst@tnu.edu.vn ... thể hình Kết cho thấy hệ số suy hao chuyển đổi x? ??p x? ?? -0,5 dB có hệ số phản x? ?? -15dB dải tần từ 8,3 GHz đến 9,85 GHz Kết luận Trong báo này, chuyển đổi từ ống dẫn sóng RWG sang SIW đề xuất thiết. .. đặt băng thông hẹp [1] Trong nhiều tài liệu, thiết kế chuyển đổi RWG sang SIW giới thiệu băng tần cao băng V, băng Ku, Ka, Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế chuyển đổi RWG sang SIW. .. sang SIW dạng vuông góc hoạt động băng tần X, băng tần sử dụng phổ biến thiết bị quân đa, tên lửa thiết bị dân dụng khác Thiết kế chuyển đổi RWG sang SIW Bộ chuyển đổi trình bày gồm mặt mở ghép nối