Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần băng C tính năng cao sử dụng công nghệ SIW ứng dụng cho đài ra đa thụ động SDD

Các bộ lọc đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống thu phát của các đài ra đa. Chính vì vậy, bài viết này đề xuất một giải pháp để thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải siêu cao tần băng C chất lượng cao sử dụng công nghệ SIWCPW. Bộ lọc này được thực hiện bằng cách khoan 2 hàng lỗ dọc trên 2 cạnh của bề mặt chất nền kết hợp với việc lựa chọn cấu trúc thích hợp.

Kỹ thuật Điện tử – Thông tin THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN BĂNG C TÍNH NĂNG CAO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIW ỨNG DỤNG CHO ĐÀI RA ĐA THỤ ĐỘNG SDD Trần Thị Trâm*, Lê Vĩnh Hà, Dương Tuấn Việt, Trần Minh Nghĩa, Võ Văn Phúc Tóm tắt: Các lọc đóng vai trò quan trọng hệ thống thu phát đài đa Chính vậy, báo đề xuất giải pháp để thiết kế, chế tạo lọc thông dải siêu cao tần băng C chất lượng cao sử dụng công nghệ SIWCPW Bộ lọc thực cách khoan hàng lỗ dọc cạnh bề mặt chất kết hợp với việc lựa chọn cấu trúc thích hợp Bộ lọc siêu cao tần SIW-CPW có tính kỹ thuật vượt trội như: dải thông rộng, suy hao dải thấp đặc tính chặn dải tốt Bộ lọc dùng máy thu đài đa thụ động SDD Từ khóa: Bộ lọc; Siêu cao tần; Ống dẫn sóng; SIW; Băng C ĐẶT VẤN ĐỀ Các lọc thơng dải đóng vai trò quan trọng hệ thống thu phát thiết bị vô tuyến điện tử nói chung hệ thống đa nói Thực tế cho thấy với việc phải phân chia dải tần số cho mục đích dân qn việc cải thiện lọc để tăng độ chọn lọc thiết bị viễn thơng hệ thống khí tài quân điều cần thiết Bên cạnh đó, hệ thống đa hệ hệ thống truyền thơng số dải sóng cm, mm hệ thống siêu cao tần đại phát triển cách nhanh chóng Sự phát triển nhanh chóng đơi với việc phát triển công nghệ mà đem lại hiệu cao chi phí thấp, khả tích hợp cao cải thiện hiệu suất làm việc Các lọc truyền thống khó tích hợp với mạch phẳng có cấu trúc phức tạp nhập ngoại dạng mơ đun tích hợp vào hệ thống thu phát Trong năm qua, lọc sử dụng cơng nghệ ống sóng tích hợp vật liệu SIW (Subtrate Intergrated Waveguide-SIW) thu hút nhiều ý đặc tính ưu việt chi phí thấp, tổn hao thấp, dải thơng rộng tính tương thích với quy trình mạch in phẳng [1] Trong báo này, đề xuất lọc thơng dải siêu cao tần (SCT) tính cao bao phủ dải tần số băng C sử dụng công nghệ SIW-CPW (Subtrate Intergrated Waveguide-Coplanar Waveguide) Bộ lọc ứng dụng vào hệ thống siêu cao tần đài đa băng C hệ thống thu đài đa thụ động SDD THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN TÍNH NĂNG CAO BĂNG C SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIW 2.1 Lựa chọn cấu trúc SIW phù hợp cho lọc tính cao băng C Ống dẫn sóng đồng phẳng loại đường truyền điện phẳng chế tạo cách sử dụng công nghệ bảng mạch in, sử dụng để truyền tín hiệu tần số cao Trên quy mơ nhỏ hơn, đường dây truyền dẫn sóng đồng phẳng tích hợp vào mạch tích hợp vi sóng ngun khối Ống dẫn sóng đồng phẳng thơng thường (CPW) bao gồm đường truyền dẫn phẳng in đế điện môi kết hợp với cặp dây dẫn Tất ba dây dẫn nằm mặt đế, đó, gọi đồng phẳng Cặp dây dẫn tách khỏi đường truyền dẫn trung tâm khoảng trống nhỏ, có chiều rộng khơng thay đổi dọc theo chiều dài đường truyền 172 T T Trâm, …, V V Phúc, “Thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần … đa thụ động SDD.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Còn cấu trúc SIW tạo cách khoan hàng lỗ dọc cạnh bề mặt chất thường gọi ODS tích hợp vật liệu SIW Các cấu trúc CPW SIW minh họa hình (a) CPW (b) SIW Hình Minh họa cấu trúc CPW SIW Do cấu trúc SIW có tính chất cắt tần số cấu trúc chu kỳ thường có tính chất dải chặn, nên lọc băng rộng nhỏ gọn có cách tích hợp SIW với cấu trúc chu kỳ đó, chẳng hạn cấu trúc đồng phẳng nhỏ gọn-cấu trúc dải chắn điện từ (UC-EBG: Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap Structures), đồng phẳng nhỏ gọn- cấu trúc mặt đế khơng hồn hảo (UC-DGS: Uniplanar Compact defect ground structures), cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW: coplanar waveguide) Những lọc kết hợp kiểu cho băng thông rộng so với lọc SIW thông thường Mặt khác, SIW cấu trúc chu kỳ UC-EBG, DGS CPW kết hợp chặt chẽ với nhau, kết tạo lọc có kích thước nhỏ nhiều so với lọc SIW thơng thường, kích thước tổng thể so sánh với bước sóng hoạt động [2], [3] Hơn nữa, lọc có tổn hao chèn thấp độ chọn lọc tốt hệ số phẩm chất SIW cao đặc tính tổn hao thấp cấu trúc chu kỳ (UC-EBG CPW) [4] Tuy nhiên, thiết kế hệ thống tần số cao, thường yêu cầu mặt phẳng đất lớn để giảm tạp tạo thành phần sóng cm mm khuếch đại tạp thấp (LNA) dao động Trong trường hợp này, sử dụng lọc SIW-UC-EBG SIW-DGS khơng phải thích hợp cấu trúc EBG DGS gây tổn hao xạ lớn Để phóng to mặt phẳng đất giảm tổn hao xạ, đặt UC-EBG lên lớp phủ SIW Vì UC-EBG xem cấu trúc CPW cấu trúc xem SIW tích hợp với CPW có chu kỳ nên gọi lọc SIWCPW [1], [5] (a) (b) Hình Sơ đồ cấu trúc lọc SIW-CPW đề xuất (a) Mặt trước, (b) Mặt sau, (c) Kích thước Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 173 Kỹ thuật Điện tử – Thơng tin Hình 2a biểu thị cấu trúc SIW ô UC-EBG, khoảng cách UC-EBG Dcell, khoảng cách sử dụng để điều khiển đỉnh cộng hưởng theo cách giống lọc SIW-DGS Tham số Sw sử dụng để kiểm soát độ ghép SIW với cổng đầu vào cổng đầu Vì UC-EBG, DGS CPW tích hợp hoàn toàn với SIW nên cấu trúc ứng viên lý tưởng cho việc thiết kế lọc băng rộng nhỏ gọn Bộ lọc kiểu cấu trúc CPW-SIW chủ yếu dựa cấu trúc có chu kỳ nên việc tổng hợp lọc đơn giản hóa nhiều, hiệu suất độ chọn lọc tốt thực đơn giản cách tăng thêm [6] Do tính chất cấu trúc SIW có hệ số Q cao cấu trúc CPW tuần hồn có đặc điểm tổn hao chèn thấp nên thiết kế mô lọc thông dải băng C lựa chọn cấu trúc SIW-CPW minh họa hình 2.2 Thiết kế lọc thơng dải SCT băng C SIW-CPW tính cao Việc xây dựng tham số lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW tính cao dựa việc tham chiếu tham số lọc thông dải nằm máy thu đài đa thụ động SDD Trong máy thu đài đa thụ động SDD có nhiều lọc thơng dải SCT khác nhau, lọc đảm bảo chức tách loại bỏ tần số dải tần mong muốn dải, chúng có vai trò quan trọng việc đảm bảo chất lượng thu tín hiệu nhằm đáp ứng chức chiến - kỹ thuật tồn hệ thống Bộ lọc thơng dải băng C nằm khối DPX, KKX2, …[7] Hình trình bày vị trí cụ thể lọc thông dải băng C khối KKX2 máy thu đài đa thụ động SDD Hình Sơ đồ khối KKX2 (Phần in đậm lọc thơng dải băng C) Bài tốn thiết kế lọc thông dải SCT băng C dựa cấu trúc CPW-SIW thực với tham số kỹ thuật theo bảng Bảng Yêu cầu kỹ thuật lọc SCT băng C SIW-CPW TT Tham số kỹ thuật Dải tần làm việc Suy hao dải Độ chắn dải (@f0 ± 1,5f) Độ nhấp nhô dải Dải thông (mức -3 dB) Tổn hao phản hồi Đơn vị đo MHz dB dB dB MHz Cần đạt 4000  8000 3 ≥ 30 1 4000 ± 100 ≥ 10 Các bước tính tốn, thiết kế lọc thơng dải SCT băng C tính cao sử dụng cấu trúc SIW-CPW [1], [8], [9]: Bước 1: Chọn tần số trung tâm f0: f0 = GHz; Bước 2: Chọn kích thước ống sóng: (34,85 x 15,8) mm; Bước 3: Tính bước sóng không gian tự 0: 0 = c/f0  50 mm; 174 T T Trâm, …, V V Phúc, “Thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần … đa thụ động SDD.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bước 4: Chọn loại chất sử dụng để thiết kế: Rogger 5880 có số điện mơi εr = 2.2, độ dày chất h = 0.762 mm, độ dày lớp đồng t = 0.017 mm; Bước 5: Tính chiều rộng Weff ống dẫn sóng kim loại lấp đầy điện môi εr theo công thức với Wcon = 35 mm (Wcon kích thước ODS kim loại thông thường): Weff = Wcon/√εr = 35/√2.2  23.6 mm; Bước 6: Chọn đường kính khoảng cách lỗ: Trong thiết kế ta chọn d = 0.4 mm s = 0.8 mm để đảm bảo yêu cầu chống rò rỉ xạ; d2 Bước 7: Tính kích thước SIW theo cơng thức: W SIW  Weff  = 23.8 mm; 0.95s Bước 8: Chọn khoảng cách ô theo công thức: D cell  0.2W SIW nên ta chọn Dcell = 4.5 mm; Bộ lọc SIW-CPW thiết kế gồm 11 ô hình Bảng liệt kê tham số hình học cho lọc SIW-CPW 11 sở lý thuyết Hình Sơ đồ cấu trúc thiết kế lọc SIW-CPW băng C Bảng Giá trị tham số tính tốn cho lọc SIW-CPW TT Tham số WSIW (mm) d (mm) s (mm) ECW (mm) Estl (mm) Giá trị 23.8 0.4 0.8 12 1.25 TT 10 Tham số Ecl (mm) Egap (mm) Esl (mm) Dcell (mm) W50 (mm) Giá trị 1.5 0.25 0.65 4.5 1.8 TT 11 12 13 14 15 Tham số H (mm) Eltl (mm) Esw (mm) Eltw (mm) Estw (mm) Giá trị 0.762 0.8 0.8 0.6 0.25 Dựa bảng tham số tính tốn theo lý thuyết, tiến hành mô lọc SIW-CPW phần mềm CST [10] Trong q trình mơ điều chỉnh tham số để kết mô tối ưu Bảng liệt kê tham số sau tiến hành mô điều chỉnh kết tối ưu Bảng Giá trị tham số tối ưu phần mềm CST TT Tham số WSIW (mm) d (mm) s (mm) ECW (mm) Estl (mm) Giá trị 25 0.4 0.8 14 1.25 TT 10 Tham số Ecl (mm) Egap (mm) Esl (mm) Dcell (mm) W50 (mm) Giá trị 0.25 0.65 4.5 1.8 TT 11 12 13 14 15 Tham số H (mm) Eltl (mm) Esw (mm) Eltw (mm) Estw (mm) Giá trị 0.762 0.9 0.85 0.5 0.25 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Các kết mô lọc SIW-CPW băng C phần mềm CST Các kết mô tổn hao dải, độ chắn dải tổn hao phản hồi lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW thể hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 175 Kỹ thuật Điện tử – Thơng tin (a) (b) Hình (a) Tổn hao dải độ chắn dải, (b) Tổn hao phản hồi 3.2 Các kết thực nghiệm với lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW Hình trình bày ảnh chụp lọc thơng dải băng C SIW-CPW thiết kế chế tạo Hình Ảnh chụp lọc thiết kế chế tạo kết nối vào khối KKX2 máy thu đài đa thụ động SDD Các kết đo thực tế tổn hao dải độ chắn dải lọc thông sải SCT băng C SIW-CPW thể hình So sánh kết mơ kết đo thực tế đặc tuyến lọc hình (a) (b) Hình (a) Suy hao dải độ chắn dải, (b) Tổn hao phản hồi 176 T T Trâm, …, V V Phúc, “Thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần … đa thụ động SDD.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình So sánh kết mô kết đo thực tế đặc tuyến lọc: - Kết mô phỏng, 2- Kết đo thực tế Bảng Bảng so sánh kết mô kết đo thực tế lọc Đơn vị Yêu cầu Kết KQ đo TT Tham số kỹ thuật đo mô thực tế 4000  3900  4000  Dải tần làm việc MHz 8000 8500 8000 Tổn hao dải dB 3  2,6  2,6 Độ chắn dải dải dB ≥ 30 ≥ 35 ≥ 40 (@f0 ± 1,5f) Độ nhấp nhô dải dB 1 1 1 Dải thông mức -3 dB MHz 4000 ± 100 4600 4000 Tổn hao phản hồi dB ≥ 10 ≥ 10 ≥ 10 Các tham số đo đáp ứng yêu cầu đặt thiết kế Từ kết mô đo thực tế thấy rằng: Giữa kết mơ thực tế có sai khác dải thơng Do đó, thiết kế thực tế phải điều chỉnh có tính tốn đến sai số dải thơng mơ thực tế để tạo lọc có kết mong muốn KẾT LUẬN Bộ lọc thông dải ứng dụng công nghệ CPW-SIW dải tần băng C thiết kế, chế tạo đưa vào sử dụng thực tế Bộ lọc đạt tham số vượt trội suy hao dải độ chắn dải so với lọc siêu cao tần băng C thông thường So sánh kết mô kết đo kiểm thực tế cho thấy tương đồng tham số Các tham số đo kiểm lọc đáp ứng yêu cầu đặt lọc băng C máy thu đài đa thụ động SDD Sản phẩm nghiên cứu có ứng dụng máy thu đài đa thụ động SDD TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Deslandes and K Wu, “Accurate Modeling, Wave Mechanisms, and Design Considerations of a Substrate Integrated Waveguide”, IEEE Trans Microwave Theory & Tech , VOL 54, NO 6, pp 2516-2526, JUN 2006; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 177 Kỹ thuật Điện tử – Thông tin [2] F R Yang, K P Ma, Y X Qian, and T Itoh, “A uniplanar compact photonic-bandgap (UC-PBG) structure and its applications for microwave circuits,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 47, no 8,pp.1509–1514, Aug 1999; [3] Y Rong, A Zaki, J Gipprich, M Hageman, and D Stevens, “LTCC wide-band ridge-waveguide bandpass filters,” IEEE rans icrow Theory Tech., vol 47, no 9, pp 1836–1840, Sep 1999; [4] J Sor, Y Qian, and T Itoh, “Miniature low-loss CPW periodic structures for filter applications,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 49, no 12, pp 2336–2341, Dec 2001; [5] J Gipprich, D Stevens, M Hageman, A Piloto, K A Zaki, and Y Rong, “Embedded waveguide filters for microwave and wireless applications using cofired ceramic technologies,” in Proc Int Microelectron Symp., San Diego, CA, Nov 1998, pp 23–26; [6] F R Yang, K P Ma, Y X Qian, and T Itoh, “A novel TEM waveguide using uniplanar compact photonic-bandgap (UC-PBG) structure,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 47, no 11, pp 2092–2098, Nov 1999; [7] Tài liệu thuyết minh kỹ thuật hướng dẫn sử dụng đa SDD; [8] T V Duong, W Hong, Z C Hao, W C Huang, J X Zhuang, and M H Nguyen, “A new class of selectivity-improved mm-waves dual-mode substrate integrated waveguide filters,” in Proc Asia–Pacific Microw Conf., vol Dec 2015, pp 398–40; [9] “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu thiết kế hệ thống siêu cao tần”/ Hội thảo quốc gia 2017 Điện tử, truyền thông công nghệ thông tin (REV-ECIT 2017); [10] Hướng dẫn sử dụng phần mềm CST Microwave Studio Suite 2015 ABSTRACT DESIGN AND FABRICATION HIGH-PERFORMANCE C BAND FILTER USING SUBSTRATED INTERGRATED WAVEGUI TECHNICAL APPLY IN MODULES OF RADAR PASIVE SDD’RECEIVER The filter closing role of the important in the radar systems So this paper propose a solution to design and fabrication of high-performance C-band microwave filters using SIW technology By drilling two rows of vertical holes on the two sides of the flat wave conductor surface in conjunction with selecting the appropriate structure to create a good selection of SIW-CPW filters In this study, we implemented the high-performance C-band SIW-CPW filter with wide bandwidths, low insertion loss and superior features beyond out of bandwidth This filter will apply in modules of radar passive SDD’s receiver Keywords: Bộ lọc; Siêu cao tần; Ống dẫn sóng; SIW; băng C Nhận ngày 01 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2018 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KHCNQS * Email: tramhtvrd@gmail.com 178 T T Trâm, …, V V Phúc, “Thiết kế, chế tạo lọc siêu cao tần … đa thụ động SDD.” ... tr c CPW SIW Do c u tr c SIW c tính chất c t tần số c u tr c chu kỳ thường c tính chất dải chặn, nên l c băng rộng nhỏ gọn c c ch tích hợp SIW với c u tr c chu kỳ đó, chẳng hạn c u tr c đồng... số Q cao c u tr c CPW tuần hồn c đ c điểm tổn hao chèn thấp nên thiết kế mô l c thông dải băng C lựa chọn c u tr c SIW- CPW minh họa hình 2.2 Thiết kế l c thơng dải SCT băng C SIW- CPW tính cao. .. cao Vi c xây dựng tham số l c thông dải SCT băng C SIW- CPW tính cao dựa vi c tham chiếu tham số l c thông dải nằm máy thu đài đa thụ động SDD Trong máy thu đài đa thụ động SDD c nhiều l c thơng