Thiết kế bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục cho băng C Nguyễn Xuân Dũng1*, Nguyễn Ngọc Linh 1, Tạ Chí Hiếu2 1Trung tâm 80, Cục TCĐT, Bộ Tổng Tham Mưu 2Khoa Vô Tuyến Điện tử, Đại học kỹ thuật Lê[.]
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Thiết kế lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục cho băng C Nguyễn Xuân Dũng1*, Nguyễn Ngọc Linh 1, Tạ Chí Hiếu2 Trung tâm 80, Cục TCĐT, Bộ Tổng Tham Mưu Khoa Vô Tuyến Điện tử, Đại học kỹ thuật Lê Q Đơn *E-mail: dunghv35@gmail.com Tóm tắt – Bộ lọc thông dải sử dụng rộng rãi thiết bị Thông Tin liên lạc, Tác chiến điện tử, Ra đa, Tên lửa v.v Trong báo tác giả đề xuất giải pháp thiết kế lọc thơng dải khoang đồng trục có tổn hao thấp, hệ số phẩm chất (Q) cao, độ dốc lớn, sử dụng thiết bị gây nhiễu UAV Thiết bị gây nhiễu UAV có tần số trung tâm f0 = 5800MHz, độ rộng dải thông FBW = 150 MHz, sử dụng loại nhiễu tạp Thiết kế dựa giá trị phần tử nguyên mẫu đáp ứng Chebyshev cho lọc thông thấp, kết hợp lý thuyết mơ CST filter design 3D để tính tốn kích thước lọc, kích thước khung cộng hưởng, chiều dài đường kính hốc cộng hưởng Xác định vị trí giắc đầu vào, đầu ra, khe ghép cộng hưởng liền kề Để đảm bảo độ dốc của hàm lọc, cho phép đưa vào hàm lọc “điểm không truyền dẫn”, thực việc ghép chéo khung cộng hưởng liền kề Từ khóa – Bộ lọc thơng dải, Bộ cộng hưởng đồng trục, lọc băng C (a) d r ISBN 978-604-80-7468-5 L I GIỚI THIỆU Ngày việc sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin không dây hệ thống thông tin vệ tinh, hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống TCĐT, Ra đa, Tên lửa làm mật độ phổ tần ngày trở nên dầy đặc, băng thông lọc có xu hướng hẹp hơn, mật độ lượng có xu hướng tăng lên Việc giao thoa băng tần nhiễu vô tuyến ảnh hưởng đến q trình truyền nhận tin Hơn nữa, kích thước khối lượng lọc có xu hướng nhỏ Đồng thời, độ dốc lọc trở thành vấn đề quan trọng nghiên cứu nhiều năm Để loại bỏ nhiễu tạp không mong muốn cho máy gây nhiễu UAV Bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục thường sử dụng kiểu lọc phân bố, lọc kiểu có độ chọn lọc cao khả chịu cơng suất tốt hơn, sử dụng sau khuếch đại công suất máy gây nhiễu Trong năm gần đây, lọc thơng dải hốc cộng hưởng đồng trục có nhiều nghiên cứu, tập trung phát triển lọc có tổn hao thấp Bộ lọc thơng dải hốc cộng hưởng đồng trục sử dụng định hướng không gian khác để tạo khớp nối chéo thảo luận [1,2], kích thước lọc giảm bớt cách thêm tròn điện dung cộng hưởng [3] tạo thành cấu trúc trở kháng bậc (b) Hình Mơ hình lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục (a) Mô hình 3-D có khoang cộng hưởng, có khớp nối chéo hai giắc vào (b) Bộ cộng hưởng đồng trục Ngồi lọc dạng cịn điều chỉnh học vít điều chỉnh giới thiệu [4], đó, dẫn đến kích thước nhỏ, trọng lượng hơn, tích hợp bậc lọc cao giảm đáng kể độ phức tạp chế tạo Bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục có cấu hình khơng đối xứng khác [5] Nhờ trình thiết kế CST filter design 3D, Bộ lọc chế tạo kim loại nhơm sau mạ bạc cho kết Q (hệ số phẩm chất) cao mang lại lợi băng hẹp suy hao thấp, độ chọn lọc cao Ngoài cịn có vít điều chỉnh tần số cộng hưởng khớp nối cho phép điều chỉnh tần số băng thông sau sản xuất Trong phần II đưa công thức mô CST situdio, CST filter design 3D để lựa chọn cấu trúc lọc thông dải bậc Phần III thực chế tạo lọc đo đạc đánh giá 316 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) A Xác định kích thước tương ứng với tần số cộng hưởng hốc cộng hưởng Việc lựa chọn cấu hình hốc cộng hưởng lọc cho thiết kế cần cân yếu tố lựa chọn tiêu thiết kế lọc tần số làm việc, tổn hao chèn lọc, khả chọn lọc tần số lọc (Độ phẩm chất Q), độ đốc lọc, kích thước lọc, hay chi phí sản xuất Hình cho thấy lọc cộng hưởng đồng trục phổ biến [8] Theo [8] đường truyền đồng trục có suy hao nhỏ e r Z = 77Ω , với cấu trúc chọn, II THIẾT KẾ CÁC PHẦN TỬ BỘ LỌC Bộ lọc thông dải băng tần C đề xuất có tham số bảng 1: Trước tiên, tác giả tính tốn kích thước khoang kích thước cộng hưởng Trên hình cho thấy mơ hình mơ 3-D lọc cấu trúc cộng hưởng đồng trục Chiều dài cộng hưởng L lựa chọn nhỏ λ0/4, đường kính cộng hưởng tính tốn từ tụ điện chuẩn hóa đơn vị chiều dài cộng hưởng, việc lựa chọn xác hóa nhờ q trình mơ phần mềm máy tính, phần mềm HFSS, CST có tool hỗ trợ Eigenmode Bước ghép nối hốc cộng hưởng ghép nối vào Việc ghép nối hốc cộng hưởng dựa sở tỷ lệ lượng tích lũy [6] để xác định hệ số ghép hốc, cịn việc xác định vị trí giắc đầu đầu vào đầu dựa theo độ trễ nhóm hệ số phản xạ [7] Các giá trị chuẩn hóa phần tử lọc Chebychev với n=8 với độ gợn 0.01dB tra cứu thể thiện Bảng chất điện mơi khơng khí, trở kháng đặc tính tối ưu 77Ω Xác định kích thước điện mơi D (inch) đường kính vít điều chỉnh cộng hưởng có mối quan hệ mơ tả hình [9,10] Từ hình ta có giá trị K, Qu đạt cực đại tỉ số D/d = 3.6 Cơng thức tính trở kháng đặc tính cho hốc cộng hưởng đồng trục nhứ sau [8]: Dạng hình trịn đồng tâm: 60 D Z0 = ln( ) (1) d er Bảng 1: Tham số lọc đề xuất - Tần số trung tâm f0 5800 MHz Dạng Hình vng: D log10 ( ) p d (2) er Hình mơ tả mạch tương đương hốc cộng hưởng bao gồm đường truyền đồng trục với độ dài l ngắn mạch đầu cuối mắc với điện dung Ca Z0 = Băng thông BW=150 MHz 5725 ÷ 5875 MHz Độ gợn sóng lọc 0.01dB Bậc lọc Dạng đáp ứng lọc Chebychev tổng quát Tổn hao chèn (Insertion Loss) Tổn hao phản hồi (Return Loss) Suy hao dải (Rejection) 138 ≥ -2dB ≤ -20dB ≤ -30dB 5700 5900 MHz Hình Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục phổ biến Cấu trúc lọc Cavity Kết nối SMA Vật liệu Nhơm mạ bạc Kích thước (Dài x Rộng x Cao): Nhỏ 100 x 50 x40 (mm) Bảng Giá trị chuẩn hóa phần từ lọc Chebychev với n=8, độ gợn 0.01 dB g0 g1 g2 g3 g4 0.8072 1.4130 1.7824 1.6833 g5 g6 g7 g8 G9 1.8529 1.6193 1.5554 0.7333 1.1007 ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Mối quan hệ trở kháng đường kính hốc cộng hưởng 317 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình Ảnh hưởng thay đổi độ dài vít điểu chỉnh cộng hưởng đến số cộng hưởng Từ mối liên hệ kích thước chiều dài trục cộng hưởng tần số cộng hưởng hình 6, mối liên hệ vít điều chỉnh tần số cộng hưởng hình tác giả chọn kích thước sau: - Kích thước lõi hốc cộng hưởng: (điện mơi khơng khí) + Chiều dài: 16 mm + Chiều rộng: 16 mm + Chiều cao: 16 mm - Trục cộng hưởng trung tâm: + Chiều cao: mm + Đường kính bao ngồi: mm + Đường kính lỗ vít điều chỉnh: mm B Ghép nối hốc cộng hưởng *Ghép nối cộng hưởng vào/ra Việc ghép nối giắc SMA vào thành trục cộng hưởng trung tâm đầu vào đầu lọc tính tốn kỹ Q trình thay đổi vị trí giắc khiến đáp ứng lọc thay đổi, nhiên tối ưu hóa trở kháng hệ thống đến giá trị mà đáp ứng băng thơng xác, nghĩa hệ số phẩm chất Q ghép (Ký hiệu Qe) đạt giá trị tương ứng với giá trị tính tốn hệ số ghép ngồi chuẩn hóa ma trận Lập lại quy trình tối ưu hóa cho vị trí khác nhau, ta xác định chiều cao giắc so với mặt đáy hốc cộng hưởng Việc phân tích hệ số ghép (hệ số phẩm chất Qe) hốc cộng hưởng riêng lẻ dựa sở phân tích độ trễ nhóm hệ số phản xạ S11 [7] Hình thể mạch tương đương hốc cộng hưởng ghép với nguồn đầu vào Việc ghép nối đầu vào biểu diễn điện dẫn G Hình Mạch tương đương hốc cộng hưởng đồng trục Y0 + jw0 Ca = Þ Ca = j tan q0 Z0w0tanq0 (3) Việc lựa chọn kích thước khí sử dụng phần mềm CST có tool hỗ trợ Eigenmode để xác định chế độ cộng hưởng dải tần số toán đặt Với f0 = 5800 MHz tương ứng với bước sóng l = C / f » 5.16 (cm) (trong c vận tốc ánh sáng) λ/4 ≈ 1,29 (cm) ≈ 12,9 (mm) Từ phương trình (3) chiều dài trục cộng hưởng trung tâm xác định nằm khoảng < l < 12,9 (mm) Cấu trúc dạng 3-D hốc cộng hưởng đồng trục thể hình Mối liên hệ việc thay đổi kích thước hình học hốc cộng hưởng ảnh hưởng đến tham số cộng hưởng tiến hành mơ thể hình hình Hình Cấu trúc dạng 3-D hốc cộng hưởng đồng trục h Hình Ảnh hưởng chiều cao trục cộng hưởng đến tần số cộng hưởng ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Ghép nối SMA với hốc cộng hưởng đồng trục 318 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Độ trễ nhóm đạt giá trị lớn tần số cộng hưởng suy ra: t w = w0 , từ phương trình (11) ta = t max = t (w0 ) = (4Qe / w0 ) Thực mô CST ta thu S11 dạng biên độ pha thể Hình 10, sử dụng biểu thức ta tính Qe biểu diễn đồ thị tần số tương ứng: w0t (12) f0 BW ´ R1 (13) Qe = Thay đổi chiều cao ghép nối dây dẫn dọc theo trục cộng hưởng trung tâm (đơn vị mm), thu giá trị độ trễ nhóm Qe tần số cộng hưởng khác cần điều chỉnh cho đạt tương ứng giá trị Qe chuẩn hóa xác định cơng thức (13) Hình Mạch tương đương ghép nối đầu vào hốc cộng hưởng Hệ số phản xạ nhìn vào hốc cộng hưởng đầu tiên, liên quan tới việc cấp tín hiệu dẫn nạp đặc tính G tính bởi: S11 = G - Yin - Yin / G = G + Yin + Yin / G Qe = với f0 = 5800 MHz; BW = 150 MHz; R1 = M S = M L = 1,0781 giá trị ghép nối đầu vào/ đầu lọc với hốc cộng hưởng / cuối thu từ ma trận hệ số ghép, thay vào (13) ta có Qe đạt xấp xỉ giá trị 36 So sánh kết mơ tính tốn lý thuyết, nhận thấy độ cao giắc h = mm, hai giá trị có kết tương đồng Trên đồ thị biểu diễn kết cho thấy tần số cộng hưởng sai lệch đôi chút so với tần số trung tâm, nhiên điều chỉnh vít điều chỉnh tần số cộng hưởng (4) Trở kháng Yin nhìn vào hốc cộng hưởng xác định: Yin = jwC + ổw w = jw0C ỗ - ữ jw L è w0 w ø w0 = / cộng hưởng, (5) LC Tại tần số gần với tần số w = w0 + Dw , với Dw = w0 , Yin xác định xấp xỉ bằng: Yin » jwC 2Dw w0 (6) Thay phương trình (6) vào (4), lưu ý Qe = (w0 C / G) ta có: S11 = - jQe (2Dw / w0 ) + jQe (2Dw / w0 ) (7) Phương trình viết lại sau: S11 = - jQe ( 2Δw / w0 ) ∣Ðf + jQe ( 2Δw / w0 ) Hình 10 S11 dạng biên độ pha với chiều cao giắc khác (8) đó: ỉ ỉ (w - w0 ) ư f = -2arctan ỗ Qe ỗ ữữ w0 ứ ứ è è (9) độ trễ nhóm tính cơng thức: t =- df dw (10) viết dạng: t= 4Qe w0 + ( 2Qe (w - w0 ) / w0 ) ISBN 978-604-80-7468-5 Hình 11 Giá trị độ trễ nhóm với độ cao nối giắc khác (11) 319 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình 12 Hệ số Qe với độ cao giắc khác *Ghép nối hai khung cộng hưởng liền kề Về bản, hệ số ghép nối hốc cộng hưởng siêu cao tần ghép nối với xác định sở tỷ lệ kết hợp với lượng tích lũy: òòò e E E d v òòò m H H d v + k= (14) òòò e E d v x òòò e E d v òòò m H d v ´ òòò m H d v 2 2 2 Hình 15 S21 với giá trị chiều rộng vách ngăn khác Tổng ghép nối hai hốc cộng hưởng liền kề có thành phần từ trường điện trường Bởi vậy, vít điều chỉnh thêm vào khe hẹp vách ngăn từ phần nắp sâu xuống vùng có cường độ từ trường mạnh làm việc giống cuộn cảm mắc song song vào đường truyền, mục đích làm tăng ghép nối thành phần từ trường làm giảm thành phần điện trường để đạt tổng ghép nối tương ứng Thực mô với giá trị khác với độ rộng vách ngăn chiều dài vít (đơn vị:mm) ta thu giá trị S21 Hình 15 Ma trận hệ số ghép kij tính tốn theo cơng thức (15) 2 Trong E H vector điện trường từ trường; k hệ số ghép Lưu ý rằng, tất trường xác định cộng hưởng thể tích tính tồn vùng ảnh hưởng với số điện môi e độ từ thẩm m Có nhiều cách để ghép hai hốc cộng hưởng gần nhau, cách đơn giản tạo khe tường chắn kim loại chia cách hai hốc cộng hưởng, gọi vách ngăn (Iris) Vách ngăn gọi phần tử kích thích dạng nhiễu xạ Mơ hình thực mơ ghép hai hốc cộng hưởng liền kề thể hình 14 kij = BW M ij f0 (15) Áp dụng công thức (15) mô thể hình 15 đến hình 17 ta xác định hệ số ghép kij: k12 = k78 = 0.02 k23 = k67 = 0.022 k34 = k56 = 0.011 k45 = 0.014 Hình 13 Ghép nối tổng quát hai hốc cộng hưởng Hình 15 Ảnh hưởng độ rộng khe chắn tới hệ số ghép Hình 14 Mơ hình thực mô ghép nối hốc cộng hưởng liền kề ISBN 978-604-80-7468-5 Hình 16 Ảnh hưởng độ dày khe chắn tới hệ số ghép 320 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình 17 Ảnh hưởng độ dài vít tới hệ số ghép *Ghép nối chéo 1-4 5-8 Sơ đồ ghép nối chép thể hình 18 Chiều cao vách ngăn điện dung xác định nằm vùng có phân bố điện trường mạnh nhất, khoảng khơng bề mặt vít điều chỉnh cộng hưởng phần hở mạch trục cộng hưởng trung tâm Q trình mơ thực với chiều cao vách ngăn tương ứng khoảng Nhận thấy khi, tăng kích thước chiều rộng vách ngăn, độ rộng băng thông tăng lên tương ứng hệ số ghép tăng lên Khi tăng chiều rộng chiều dài vách ngăn tiến vào vùng có điện trường mạnh hệ số ghép tăng lên nhanh chóng Tính tốn ma trận hệ số ghép kết mơ từ hình 19 đến hình 20 xác định kích thước vách ngăn điện dung: + Ghép chéo 1-4: Chiều rộng: 12 mm Chiều cao: mm + Ghép chéo 5-8: Chiều rộng: 10 mm Chiều cao: mm Hình 20 Hệ số ghép chéo với chiều cao vách ngăn điện dung mm III MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC * Mô phần mềm CST studio Từ tham số lọc, việc tính tốn mơ để xác định kích thước hốc cộng hưởng, ghép nối liền kề, ghép nối chéo, ghép nối vào ra, xác định kích thước khí thể Bảng Việc mô thực nhiều lần với việc điều chỉnh tham số khác để đạt kết tối ưu Trên Hình 21 thể kết mô lọc Bảng 3: Tham số chế tạo lọc TT Tham số kỹ thuật Hốc cộng hưởng Hình 18: Mơ hình mơ thực ghép chéo Kích thước Chiều cao: 16 mm Chiều rộng: 16 mm Trục cộng hưởng trung tâm Đường kính trục ngồi: 7mm Đường kính lỗ vít: 4mm Chiều cao: mm Vít điều chỉnh cộng hưởng M3 Vách ngăn ghép nối thẳng khung Chiều cao: 16 mm Chiều rộng: 6mm Độ dày: mm Vít điều ghép nối chỉnh M3 Vách ngăn ghép nối chéo Ghép chéo 1-4 Chiều rộng: 12 mm Chiều cao: mm Ghép chéo 5-8 Chiều rộng: 10 mm Chiều cao: mm Giắc kết nối SMA Chiều cao: Hình 19 Mơ hình thực mơ ghép chéo ISBN 978-604-80-7468-5 321 mm Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Hình 21 Kết mơ lọc Hình 24 Bộ lọc hồn chỉnh sau hiệu chuẩn * Chế tạo đo đạc phịng thí nghiệm Sau tối ưu hóa, lọc dựng mơ hình 3D thực gia cơng máy phay CNC, vật liệu chọn nhôm nguyên khối, sau chế tạo xong mạ lớp bạc Kích thước lọc (DxRxC) = 82 x 46 x 24 (mm) Trên hình 22 vẽ 3D chế tạo lọc, từ vẽ ta dễ dàng gia công chế tạo lọc so sánh kết thực tê Trên hình 23 thể khoang thực tế bên lọc Trên hình 24 thể bên ngồi sau hiệu chuẩn Việc điều chỉnh cộng hưởng ghép nối thiết lập trước, vít điều chỉnh bắt phần nắp lọc vít có hai đai ốc để cố định vị trí đáp ứng q trình tinh chỉnh q trình đo đạc phịng thí nghiệm Quá trình hiểu chỉnh đo đạc tham số lọc thực máy phân tích mạng E5071C, hình 25 việc hiệu chỉnh đo đạc tham số lọc Một khía cạnh khác quan trọng xử lý bề mặt khoang Mạ bạc áp dụng cho mặt khoang, bề mặt nắp, vít điều chỉnh tồn bề mặt ngồi Do tính chất dẫn điện cao bạc nên hiệu suất suy hao chèn cải thiện đáng kể Trên hình 25 thể việc đo đạc hiệu chuẩn lọc Kết qua đo đạc sau hiệu chỉnh xong thể hình 26 Nhìn chung kết phù hợp mô lọc chế tạo Hình 25 Đo đạc, hiệu chỉnh tham số lọc PTN Hình 22 Bản vẽ 3D chế tạo lọc Hình 26 Kết đo lọc Hình 23 Khoang bên lọc ISBN 978-604-80-7468-5 322 ... thiết kế c? ??n c? ?n yếu tố lựa chọn tiêu thiết kế l? ?c tần số làm vi? ?c, tổn hao chèn l? ?c, khả chọn l? ?c tần số l? ?c (Độ phẩm chất Q), độ đ? ?c l? ?c, kích thư? ?c l? ?c, hay chi phí sản xuất Hình cho thấy l? ?c c? ??ng. .. thư? ?c hình h? ?c h? ?c c? ??ng hưởng ảnh hưởng đến tham số c? ??ng hưởng tiến hành mô thể hình hình Hình C? ??u tr? ?c dạng 3-D h? ?c c? ??ng hưởng đồng tr? ?c h Hình Ảnh hưởng chiều cao tr? ?c c? ??ng hưởng đến tần số c? ??ng. .. Qu? ?c gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông C? ?ng nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) A X? ?c định kích thư? ?c tương ứng với tần số c? ??ng hưởng h? ?c c? ??ng hưởng Vi? ?c lựa chọn c? ??u hình h? ?c c? ??ng hưởng l? ?c cho thiết