Phương pháp tăng độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng

Bài báo này mở rộng các nghiên cứu trước đó về việc cải thiện các đặc tính của bộ lọc hốc cộng hưởng ứng dụng trong các trạm thu phát sóng của hệ thống LTE-A. Chúng tôi đề xuất phương pháp cải thiện độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng siêu cao tần độc lập. Việc cải thiện đạt được bằng cách sử dụng một dải kim loại hình chữ nhật đặt tại trung tâm của cửa sổ nối giữa hai hốc. Mời các bạn cùng tham khảo!

Phương pháp tăng độ rộng băng tần ghép hai hốc cộng hưởng Trần Thị Thu Hường1,2, Tô Thị Thảo3 Nguyễn Trọng Đức4 Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện tử, Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp Khoa Cơ bản, Học viện Bưu Viễn thơng Khoa Cơng nghệ Thông tin, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Email: huongtranthu85@gmail.com, tththao@gmail.com, trong-duc.nguyen@vimaru.edu.vn kết hợp với điểm đường truyền để đạt độ dốc mong muốn Một lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần có cấu trúc gồm số hốc (chính bậc lọc) ghép điện trường từ trường với vách kim loại Kỹ thuật ghép trường điện từ hốc cộng hưởng tìm ứng dụng từ năm 1970s nhóm tác giả Atia Williams giới thiệu [2] Sơ đồ ghép hốc theo hình tam giác tứ giác, thay đổi thứ tự hốc cộng hưởng, đường ghép nối nối chéo tạo nên nhiều tơpơ khác Để tiết kiệm kích thước khối lượng lọc hốc cộng hưởng cần tối thiểu hóa số bậc lọc đảm bảo yêu cầu tiêu kỹ thuật Vậy hệ số ghép điện trường từ trường hai hốc cộng hưởng cạnh cần tăng lên Các cấu trúc ghép điện trường lọc hốc đồng trục đưa báo từ [3-6] tạo thành cửa sổ hai hốc cạnh có ốc điều chỉnh, tùy theo độ dài ốc để điều chỉnh độ ghép trường điện từ cho thỏa mãn giá trị hệ số ghép mong muốn Và đó, hệ số ghép điện từ trường lọc Chebyshev không lớn Trong báo [7], tác giả đề xuất cấu trúc vật lý ghép hai hốc cộng hưởng cửa sổ khơng phải hình chữ nhật mà kht đáy thành đa giác, độ rộng băng tần ghép hai hốc đạt 30% Trong báo này, đề xuất giải pháp ghép điện từ trường mới, đó, hai hốc cộng hưởng nối trực tiếp với đường nối kim loại trực tiếp phía đáy ống cộng hưởng Nhờ mà tăng tính chất ghép điện trường hai hốc cộng hưởng Chúng sử dụng cấu trúc việc mô phỏng, thiết kế song công hốc cộng hưởng băng 7, ứng dụng khối RRU trạm thu phát gốc mạng LTE – A với độ rộng băng tần thu phát 70 MHz Abstract— Bài báo mở rộng nghiên cứu trước nhóm tác giả việc cải thiện đặc tính lọc hốc cộng hưởng ứng dụng trạm thu phát sóng hệ thống LTE-A Chúng tơi đề xuất phương pháp cải thiện độ rộng băng tần ghép hai hốc cộng hưởng siêu cao tần độc lập Việc cải thiện đạt cách sử dụng dải kim loại hình chữ nhật đặt trung tâm cửa sổ nối hai hốc Nhờ đường kết nối mà trường điện trường từ hai hốc cộng hưởng ghép với tốt Nó tác động đến mốt tần số dao động cấu trúc hốc, đồng thời làm tăng thành phần dẫn nạp điểm ghép nối chung Từ độ rộng băng tần lọc tùy chỉnh phụ thuộc vào kích thước chiều dài chiều cao dải kim loại Kết mô độ rộng băng tần ghép tăng lên xấp xỉ lần chiều cao dải kim loại tăng lên 10mm giữ nguyên chiều dài 15mm, tăng lên lần chiều dài đạt giá trị lớn (khi hai ống cộng hưởng nối liền) giữ nguyên độ cao 4mm Ứng dụng phương pháp ví dụ thiết kế song cơng hốc cộng hưởng Mơ hình ứng dụng điều kiện cửa sổ vách ngăn hai hốc cộng hưởng có hình chữ nhật Keywords- Độ rộng băng tần ghép, ghép điện trường từ trường, hốc cộng hưởng siêu cao tần, dải kim loại hình chữ nhật I GIỚI THIỆU Trong khối thu phát vô tuyến (RRU – Radio Remote Unit) trạm thu phát gốc mạng di động, song cơng đóng vai trị vơ quan trọng, cho thành phần tín hiệu có tần số mong muốn qua chặn thành phần tín hiệu có tần số khơng mong muốn hướng thu phát Vị trí song công tuyến phát đứng trước ăng ten đứng sau khuếch đại công suất PA, tuyến thu chúng đứng sau ăng ten trước khuếch đại tạp âm thấp LNA Mỗi song công gồm hai lọc cho tuyến thu tuyến phát nối với chuyển tiếp hình chữ T Các lọc lại bao gồm nhiều hốc cộng hưởng ghép với Mặc dù công nghệ hốc cộng hưởng phát triển từ sớm (từ năm 1970s) ngày loại lọc ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin đại ngày nay, đặc biệt trạm thu phát sóng di động 2G/3G/4G sử dụng Do có nhiều ưu điểm hệ số phẩm chất cao (3500), kích thước nhỏ, độ rộng băng tần rộng từ 1% đến 66%, tần số hoạt động từ 30MHz đến 18GHz, công suất chịu đựng cao [1] Hơn nữa, hệ thống thông tin băng hẹp, độ dốc lọc đòi hỏi phải cao, người ta thường dùng loại lọc Chebyshev Đầu tiên, hốc cộng hưởng đường ghép hai hốc mơ hình hóa, đánh giá ảnh hưởng kích thước vật lý đến đặc tính lọc hốc cộng hưởng Sau đó, phân tích cấu trúc ghép trường điện trường từ hai hốc Từ đó, đề xuất phương pháp cải tiến điều khiển độ rộng băng tần (CBW) ghép hai hốc cộng hưởng Cuối áp dụng phương pháp vào việc thiết kế song công hốc cộng hưởng siêu cao tần 178 II MƠ HÌNH BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG L2 Trong thực tế, lọc hốc cộng hưởng cần thiết kế cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho trước đặc tuyến kích thước tối đa Một số đặc điểm kỹ thuật quan trọng gồm dải tần hoạt động, độ dốc dải chắn, độ suy hao xen dải thông, độ phẳng hàm truyền đạt dải thơng Quy trình thiết kế lọc hốc bao gồm bốn bước [8] Bước thực tính tốn bậc lọc hàm số xấp xỉ lọc theo yêu cầu kỹ thuật Bước hai tổng hợp ma trận ghép lọc (ma trận [M], [K] mơ hình J chuyển đổi để thực hàm xấp xỉ lọc Bước ba tìm hiểu lựa chọn kiểu vật lý lọc (kiểu ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng điện mơi, kiểu vi dải,…) Bước bốn tính tốn, thiết kế kích thước vật lý lọc hốc cộng hưởng Cấu trúc hốc cộng hưởng đơn giống đường cáp đồng trục, bao gồm hốc hình trịn đa giác, ống cộng hưởng kim loại dẫn điện lý tưởng hình trịn đồng trục với hốc (như hình 1) Mơ hình hóa hốc cộng hưởng mạch LC (như hình 2) Trong đó, ống cộng hưởng ốc điều chỉnh đóng vai trị hai tụ điện có lớp điện mơi khơng khí giữa, gọi tụ Cs Giá trị Cs phụ thuộc vào vị trí ốc điều chỉnh Ống cộng hưởng đóng vai trị thành phần L, đầu nối đất, đầu nối Cs, giá trị phụ thuộc vào chiều dài ống cộng hưởng Như hốc cộng hưởng giống mạch LC mắc song song Chiều dài ống cộng hưởng, độ sâu ốc điều chỉnh định đến tần số cộng hưởng ωr chưa có ghép đường truyền mode sóng L1 Cs Mij Cs Hình 2: Mơ hình hóa cấu trúc ghép điện từ trường hốc Trong lọc hốc cộng hưởng gồm hốc ghép điện từ trường với Điện từ trường truyền hốc dọc theo đường đồng trục, lưu trữ lượng điện trường từ trường bên hốc Hai hốc cộng hưởng cạnh có mơ cặp đường truyền ghép với phần cửa sổ nối chung (𝐿1 +𝐿2 )𝜔𝑟 𝜔𝑟 𝐶𝑠 = 𝑍0 𝑡𝑔 ( 2𝜋𝑣𝑝 ) = 𝑍0 𝑡𝑔(𝜃1 + 𝜃2 ) Trong đó, vp vận tốc pha khơng khí Z0 trở kháng đặc trưng đường truyền θ1, θ2 chiều dài điện tương ứng tần số góc cộng hưởng ωr H chiều cao hốc cộng hưởng, h chiều cao ống cộng hưởng bên trong, d chiều sâu ốc đường truyền L2 = h + d – H (2) L1 = h – L2 (3) 𝐿 𝜔 𝐿 𝜔 𝜃1 = 𝑟 ; 𝜃2 = 𝑟 (4) Ốc điều chỉnh 2𝜋𝑣𝑝 Vách hốc cộng hưởng Hình 1: Cấu trúc hốc cộng hưởng Ốc điều chỉnh Vì hai hốc cộng hưởng ghép với nên có ảnh hưởng qua lại với nhau, dẫn đến cấu trúc có hai tần số góc cộng hưởng xê dịch khoảng xung quanh ωr Gọi tần số góc tương wlẻ, wchẵn (rad/s) L2 h PHÂN TÍCH CẤU TRÚC GHÉP ĐIỆN TRƯỜNG VÀ TỪ TRƯỜNG III d L1 2𝜋𝑣𝑝 Các hốc cộng hưởng ghép lại theo kiểu hình học tam giác, tứ giác kết hợp với việc đảo vị trí thứ tự hốc đường ghép nối chéo Do có nhiều kiểu tơpơ khác Việc xếp phụ thuộc vào yêu cầu vật lý lọc số đường ghép nối chéo mà lựa chọn tôpô phù hợp Bộ công cụ mô “CST Filter Designer 3D” hỗ trợ đầy đủ thư viện tôpô, tổng hợp lọc tự động Ống cộng hưởng Ốc đường truyền (1) H 𝑍𝑙ẻ 𝜔 𝜔 𝑗𝑍0 𝑡𝑔(𝜃1 𝑙ẻ)+𝑗𝑍𝑙ẻ 𝑡𝑔(𝜃2 𝑙ẻ) 𝜔𝑟 𝜔𝑟 𝜔 𝜔 𝑍𝑙ẻ −𝑍0 𝑡𝑔(𝜃1 𝑙ẻ)𝑡𝑔(𝜃2 𝑙ẻ) 𝜔𝑟 𝜔 𝜔 𝑗𝑍0 𝑡𝑔(𝜃1 𝑐ℎẵ𝑛)+𝑗𝑍𝑐ℎẵ𝑛 𝑡𝑔(𝜃2 𝑐ℎẵ𝑛) 𝜔𝑟 𝜔𝑟 𝜔 𝜔 𝑐ℎẵ𝑛 𝑍𝑐ℎẵ𝑛 −𝑍0 𝑡𝑔(𝜃1 𝑐ℎẵ𝑛)𝑡𝑔(𝜃2 𝑐ℎẵ𝑛) 𝜔𝑟 𝜔𝑟 + 𝜔𝑟 𝑍 + 𝑗𝜔𝑙ẻ 𝐶𝑠 =0 𝑗𝜔𝑐ℎẵ𝑛 𝐶𝑠 =0 (5) (6) Zchẵn, Zlẻ trở kháng đặc trưng mốt chẵn lẻ tương ứng Từ giá trị ωchẵn, ωlẻ suy hệ số ghép M: 𝑀= 179 2 𝜔𝑙ẻ −𝜔𝑐ℎẵ𝑛 +𝜔2 𝜔𝑙ẻ 𝑐ℎẵ𝑛 (7) Các hệ số ghép M tìm bước tổng hợp lọc Ma trận ghép lọc bậc n kiểu chebyshev có dạng hình [9]: S L S Mss Ms1 Ms2 Ms3 Ms4 MsL Ms1 M11 M12 M13 M14 M1L Ms2 M12 M22 M23 M24 M2L Ms3 M13 M23 M33 M34 M3L Ms4 M14 M24 M34 M44 M4L L MsL M1L M2L M3L M4L MLL (a) S L (b) Hình 3: (a) Ma trận hốc cộng hưởng lọc bậc (b) Mơ hình cấu trúc liên kết hốc cộng hưởng Hai hốc cộng hưởng ghép lượng điện từ trường, đặc trưng hai hệ số ghép điện MC ghép trường Mm M = M m – M c (8) Hai giá trị phụ thuộc vào độ dài điện L1 L2 Nhận xét thấy M > Mm > Mc, ta có ghép điện kiểu từ cảm M -1 dB dải 2.62 GHz – 2.69 GHz, S31 > -1dB dải 2.50 GHz– 2.57 GHz b (a) (b) Hình 6: Mơ hình đề xuất tăng hệ số ghép hai hốc cộng hưởng (a) hình chiếu 2D mơ hình (b) mơ hình 3D 181 xen lớn độ cách ly hai kênh TX RX đạt tốt ( > 120 dB) Chi tiết bảng (a) Hình 9: Duplexer hồn chỉnh Kết mô đặc tuyến song công sau tối ưu hình 10 Đặc điểm song công đạt yêu cầu, phối hợp trở kháng với độ rộng băng tần đạt 70 MHz, độ tổn hao dải thông 0.5 dB, độ cách ly TX-RX 97 dB, độ phẳng dải thông dB Kết hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ban đầu, có khả ứng dụng trạm thu phát sóng LTE-A (b) Hình 11: Kết mơ song cơng bậc 10 (a) Đặc tuyến truyền đạt (b) Đặc tuyến cách ly TX-RX BẢNG KẾT QUẢ SO SÁNH MƠ HÌNH CĨ VÀ KHƠNG SỬ DỤNG ĐƯỜNG KIM LOẠI Chỉ tiêu Bộ song công Bộ song công không sử có sử dụng dụng đường nối kim đường kim loại loại Độ rộng băng tần 70 MHz 70 MHz Bậc lọc 10 Độ suy hao xen 0.5 dB 0.73 dB Độ phẳng 0.42 dB ~2 dB Độ cách ly TX-RX > 97 dB > 120 dB (a) So với đề xuất có giới, độ rộng băng tần ghép cấu trúc lọc đề xuất đạt đến 120 MHz (~170% BW) Do phù hợp với thiết kế có Mij lớn Hơn mơ hình cho phép thay đổi độ rộng băng tần ghép mềm dẻo cách thay đổi độ dài mm đến khoảng cách hai ống cộng hưởng (b) VI KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất phương pháp cải thiện độ rộng băng tần nối hai hốc cộng hưởng cạnh cách dùng đường nối hai ống cộng hưởng Việc sử dụng đường nối làm tăng độ ghép từ trường Bậc lọc từ giảm xuống đảm bảo tiêu kỹ thuật yêu cầu đặt Vì giảm bậc lọc, hệ số ghép Mij tăng lên, làm CBWij tăng Tuy CBWij tăng cách tăng chiều dài ốc điều chỉnh đường nối chính, việc kết hợp với phương pháp nối hai ống cộng hưởng với mở rộng dải biến đổi CBW, từ điều hưởng độ rộng băng tần tồn lọc Hình dạng hốc cộng hưởng cịn thay đổi thành dạng hình lăng trụ trịn, vng, ngũ giác, lục giác tùy thuộc vào giới hạn vật lý ứng dụng tích hợp (c) Hình 10: Kết mơ (a) Đồ thị phối hợp trở kháng (b) Đặc tuyến truyền đạt (c) Đặc tuyến cách ly TX-RX So sánh với kết mô với song công hốc cộng hưởng thiết kế với yêu cầu băng tần (hình 11) Bộ lọc thiết kế với bậc cao (bậc 10), suy hao 182 trạm thu phát sóng phần tử độc lập Đường nối hai hốc nối trực tiếp không tiếp xúc, thay đổi độ cao tùy thuộc vào độ lớn hệ số M yêu cầu Tuy nhiên, lọc kiểu Chebyshev này, nhược điểm giảm bậc lọc độ dốc đặc tuyến truyền đạt đầu cuối băng tần giảm Bằng việc thiết kế thêm đường nối chéo hốc cộng hưởng để tạo điểm đường truyền khắc phục nhược điểm Điều làm việc tối ưu lọc gặp nhiều khó khăn hơn, tăng thời gian tối ưu Trong thiết kế này, kết đặt tuyến tần số cắt 2620-2690 MHz lọc TX -120 dB, 2500 - 2570 MHz lọc RX -111 dB, độ cách ly đạt 97 dB Kết hoàn toàn đáp ứng so với yêu cầu theo chuẩn LTE-A [4] [5] [6] [7] [8] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] https://www.teledynemicrowave.com, Filter Facts and Types Atia, A.E and Williams, A.E (1972) Narrow-bandpass waveguide filters IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-20, 258– 265 Muhammad Sufian Anwar and Hamid Râz Dhanyal, “Design of S-Band Combline Coaxial Cavity Bandpass Filter”, IBCAST, Islamabad, Pakistan, 9th – 13th, Jan.2018 [9] 183 Andrei Muller, Pablo Soto, Vicente E.Boria, “Design Procedure for Coaxial Combline Filters based on Segmentation and Space Mapping Stragies”, 2017 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization for RF, Microwave, and Terahertz Applications (NEMO), 17-19, May 2017 Hao-Hui Chen, Rong-Chan Hsieh, Yu-Ting Shih, Young-Huang Chou & Ming-Huei Chen, “Coaxial Combline Filters Using the SteppedImpedance Resonators”, 2010 Asia-Pacific Microwave Conference, 7-10 Dec 2010 Mahmoud El Sabbagh, Kawthar A Zaki, Hui-Wen Yao and Ming Yu, “Full-Wave Analysis of Coupling Between Combline Resonators and Its Application to Combline Filters With Canonical Configurations”, IEEE trans Vol 49, no 12, pp 2383 – 2393, Dec 2001 Frank T Duong, Bill Engst, Gregory J Lamont, Chi Wang, “Coupling Structure for Coupling Cavity Resonators”, Wsou Investments LLC Lockheed Martin Corp Radio Frequency Systems Inc, sep.1998 Richard J Cameron, “Advanced Filter Synthesis”, IEEE microwave magazine, pp 41 – 62, Oct 2011 Richard J Cameron, Chandra M Kudsia, Raafat R Mansour, “Microwave Filters for Communication Systems, Fundamentals, Design, and Applications”, second edition, © 2018 John Wiley & Sons, Inc  ... đổi độ rộng băng tần ghép mềm dẻo cách thay đổi độ dài mm đến khoảng cách hai ống cộng hưởng (b) VI KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất phương pháp cải thiện độ rộng băng tần nối hai hốc cộng hưởng. .. giá trị Mij phải tăng, nghĩa băng tần ghép hai hốc cộng hưởng tăng Sử dụng phần mềm CST, dựng mô hình hai hốc cộng hưởng (như hình 4) CBW hai hốc khoảng cách hai đỉnh S21 miền tần số Khoảng cách... nối hai hốc, D1 đường kính ống cộng hưởng, D2 đường kính hốc cộng hưởng bên ngồi Khi đó, tạo thành đường dẫn từ trường hai ống cộng hưởng Tăng a b làm tăng hệ số ghép Như vậy, làm tăng CBW hai hốc