Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng trong hệ thống thu/phát của ra đa băng X. Bộ lọc thông dải sử dụng các thanh kim loại chữ nhật cộng hưởng trong ống sóng không khí. Do vậy, tổn hao và độ mấp mô trong dải thông của bộ lọc được cải thiện.
Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG THANH CỘNG HƯỞNG CHỮ NHẬT CHO HỆ THỐNG THU/PHÁT RA ĐA BĂNG X Trịnh Xuân Thọ*, Vũ Tuấn Anh, Dương Tuấn Việt Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo lọc thông dải ứng dụng hệ thống thu/phát đa băng X Bộ lọc thông dải sử dụng kim loại chữ nhật cộng hưởng ống sóng khơng khí Do vậy, tổn hao độ mấp mô dải thông lọc cải thiện Trên sở ứng dụng lý thuyết siêu cao tần cơng cụ phần mền tính tốn mơ phỏng, nhóm tác giả tính tốn thiết kế chế tạo lọc thông dải đạt tiêu kỹ thuật ứng dụng hệ thống đa băng X: Tổn hao < 0.3dB dải tần 8.9-9.6GHz; Hệ số phản xạ < -20dB dải tần 8.9-9.6GHz; Độ chọn lọc tần số < -50dB tần số 5.8GHz Từ khóa: Bộ lọc thơng dải; Bộ lọc hốc cộng hưởng; Ra đa băng X MỞ ĐẦU Sự phát triển kỹ thuật vô tuyến ngày yêu cầu cao kỹ thuật thiết kế công nghệ chế tạo phần tử siêu cao tần Một phần tử lọc siêu cao tần Bộ lọc thành phần quan trọng hệ thống này, có chức dùng để loại bỏ tín hiệu có tần số khơng mong muốn cho qua tín hiệu có tần số mong muốn Các lọc dải thông thành phần quan trọng hệ thống đa [6] Hình miêu tả sơ đồ khối hệ thống đa Từ sơ đồ hình thấy số lọc sử dụng để thực chức khác Ví dụ, phần máy thu, lọc thông dải sau khuếch đại tạp âm thấp dùng để triệt nhiễu ảnh; phần máy phát, lọc chèn trộn khuếch đại công suất để chọn lọc tần số yêu cầu loại bỏ thành phần không mong muốn tạo từ trộn lên Hai lọc đa băng X lọc thông dải sử dụng cộng hưởng chữ nhật Cả máy thu máy phát dùng chung chuyển mạch thu phát, lọc thông dải lọc triệt hài Máy thu ANTENNA Cao tần đầu cuối LNA Tổ hợp tần số LO1 LO2 CLK Số hóa đầu cuối PA Trộn tần lên Ghi chú: Bộ lọc thông dải Bộ lọc triết hài Hình Sơ đồ khối hệ thống đa Ngày nay, có nhiều loại lọc khác dùng cho ứng dụng đa, lọc vi dải, lọc hốc cộng hưởng đồng trục, lọc ống sóng Bộ lọc vi dải có ưu điểm kích thước nhỏ, giá thành thấp, dễ chế tạo Nhược điểm lọc tổn hao chèn cao, hệ số phẩm chất Q thấp đáng kể so với loại khác Bộ lọc ống sóng có ưu điểm tổn hao thấp, công suất chịu đựng cao, nhiên, kích thước Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 39 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử lọc ống sóng lớn nhiều so với loại lọc khác Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục có nhiều ưu điểm tổn hao thấp, kích thước nhỏ gọn, vậy, có nhược điểm khó chế tạo tần số cao [2] Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục bao gồm lọc lược, lọc cài lược lọc ghép [1] Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo lọc thông dải sử dụng kim loại chữ nhật cộng hưởng ống sóng khơng khí có kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp, độ chọn lọc tần số cao, có khả tối ưu lọc sau chế tạo sở sử dụng vít chỉnh tần số cộng hưởng Dựa lý thuyết siêu cao tần cơng cụ phần mềm, báo trình bày sở tính tốn, thiết kế lọc thơng dải 8.99.6GHz, băng tần số đài đa đại CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ tương đương, hệ số phẩm chất hệ số ghép lọc thông dải Sơ đồ cấu trúc dạng lọc thông dải n bậc thể hình Bộ lọc bao gồm phần tử cộng hưởng dải dẫn chế độ TEM đặt hai mặt phẳng đất song song Các dẫn dải từ đến n đóng vai trò phần tử cộng hưởng, phần tử cộng hưởng có chiều dài phần tư bước sóng tần số trung tâm, ngắn mạch đầu hở mạch đầu lại Các dẫn dải đầu vào đầu đóng vai trị phần tử phối hợp Hình Sơ đồ cấu trúc lọc thơng dải n bậc Hình 3a thể sơ đồ mạch tương đương lọc lọc thơng dải n bậc Trong RS, RL trở kháng nguồn, trở kháng tải; θ độ dài điện phần tử cộng hưởng Bộ lọc xây dựng sở sử dụng sơ đồ mạch tương đương hai dải dẫn song song không đối xứng [2] Để xác định hệ số phẩm chất đầu vào cần xem xét phần mạch tương đương từ nguồn đến nghịch đảo dẫn nạp mạch tương đương hình Từ mạch tương đương hình 4, dẫn nạp cộng hưởng Ych tính sau: (1) (2) đó: l chiều dài phần tử cộng hưởng; ν vận tốc ánh sáng; ω tần số góc Từ công thức (2) ta công thức hệ số phẩm chất ngồi nguồn là: (3) Với lọc thơng dải có θ0=900, cơng thức (3) rút gọn sau: (4) 40 T X Thọ, V T Anh, D T Việt, “Nghiên cứu thiết kế lọc … thu/phát đa băng X.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Vì [2], nên hệ số phẩm chất ngồi viết theo hàm điện dung sau [2]: (5) đó: Hình Sơ đồ mạch tương đương lọc hình Hình Mạch tương đương để xác định hệ số phẩm chất Tương tự, hệ số phẩm chất tải là: (6) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 41 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Từ định nghĩa tính tốn hệ số ghép đưa tài liệu [3], hệ số ghép phần tử cộng hưởng là: (7) (8) (9) 2.2 Cấu trúc vật lý lọc thông dải sử dụng cộng hưởng chữ nhật Cấu trúc vật lý điện dung thành phần ghép chữ nhật hai mặt phẳng song song thể hình Hai mặt phẳng song song đặt cách khoảng cách b, chữ nhật đặt song song với Cc điện dung ghép đơn vị chiều dài hay gọi điện dung ghép tương hỗ, C f điện dung viền bên ngoài, Cfe điện dung viền bên trong, Cp điện dung mặt phẳng song song Các điện dung thành phần hàm tham số khí xác định sau [2, 4, 5]: (10) , (11) (12) (13) đó, hệ số A, B tính tốn dựa vào liệu Willian J Getsinger [4] Ngoài ra, điện dung riêng ghép chữ nhật là: (14) (15) (16) Hình Cấu trúc vật lý điện dung thành phần 42 T X Thọ, V T Anh, D T Việt, “Nghiên cứu thiết kế lọc … thu/phát đa băng X.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3 Các bước tính tốn, thiết kế lọc thơng dải sử dụng cộng hưởng chữ nhật Tài liệu tham khảo [2] hệ số phẩm chất hệ số ghép tính tốn theo tham số yêu cầu lọc cần thiết kế Ngồi ra, hồn tồn tính tốn sở sử dụng tham số khí Việc tính tốn xác định sử dụng cơng thức tính tốn hệ số phẩm chất hệ số ghép theo thành phần điện dung (5)÷(9) thành phần điện dung ghép song song hàm tham số khí (10)÷(16) Từ đó, nhóm nghiên cứu tính tốn thiết kế lọc thông dải sử dụng ghép chữ nhật theo bước sau: - Trên sở tham số yêu cầu lọc cần thiết kế, tính tốn hệ số phẩm chất hệ số ghép [2]; - Lựa chọn kích thước khí cho ghép cộng hưởng sử dụng thiết kế lọc - Tính tốn tối ưu khoảng cách ghép cộng hưởng chữ nhật để thỏa mãn điều kiện kết tính tốn hệ số phẩm chất hệ số ghép theo kích thước khí với kết tính tốn theo tham số u cầu đầu vào Q trình tính tốn tối ưu khoảng cách ghép chữ nhật xây dựng phầm mềm Matlab THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG THANH CỘNG HƯỞNG CHỮ NHẬT CHO HỆ THỐNG THU/PHÁT RA ĐA BĂNG X 3.1 Các tham số yêu cầu lọc thông dải băng X Các tham số lọc thông dải sử dụng hệ thống thu/phát đa băng X sau: Tần số trung tâm : 9.25 GHz; Dải thông : 700 MHz; Tổn hao dải thông : ≤ 0.3 dB; Hệ số phản xạ dải thông : ≤ -20 dB; Độ chọn lọc : ≤ -50dB tần số 5.8 GHz 3.2 Tính tốn, mơ tối ưu Bộ lọc thông dải sử dụng cộng hưởng chữ nhật tính tốn thiết kế sở sử dụng phần mềm Matlab Các chương trình Matlab đưa để tính tốn điện dung thành phần ghép cộng hưởng chữ nhật Giá trị điện dung phụ thuộc vào kích thước thanh, khoảng cách chúng khoảng cách hai mặt phẳng đất song song trình bày mục 2.2 Hình Kết tính tốn lọc sử dụng phần mềm Matlab Để đảm bảo thực gia cơng chế tạo sản phẩm nhóm nghiên cứu lựa chọn kích thước chiều dài, chiều rộng chữ nhật 2.5mm khoảng cách hai mặt phẳng song song 6mm Với tham số điện đầu vào tham số khí sử Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 43 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử dụng phần mềm tính tốn để tính tốn khoảng cách Kết tính tốn cho lọc thể hình - Hệ số phẩm chất hệ số ghép Q1; K12; K23; Q3 là: 11.2777; 0.078; 0.078; 11.2777 - Khoảng cách khí cộng hưởng chữ nhật S1; S2; S3; S4 là: 1.4718; 4.0271; 4.0271; 1.4718 Các kết tính tốn đưa vào phần mềm CST [7] để mô tối ưu đặc tuyến lọc (S11≤-20dB dải tần 8.9-9.6GHz) Mơ hình 3D đặc tuyến lọc sau tối ưu thể hình 7: Hình Mơ hình 3D đặc tuyến lọc Từ kết mô ta thấy tất tham số đạt tiêu kỹ thuật yêu cầu lọc Cụ thể S21 ≥ 0.13dB dải tần 8.9-9.6GHz; S11 ≤ -20dB dải tần 8.99.6GHz; S21 = -52dB tần số 5.8GHz 3.3 Kết chế tạo, đo đạc Sau tham số mô phần mềm đánh giá đảm bảo yêu cầu, nhóm tác giả sử dụng công nghệ gia công CNC để chế tạo lọc vật liệu nhơm mạ bạc hình Hình Hình ảnh lọc chế tạo thực tế Hình Kết đo tham số lọc 44 T X Thọ, V T Anh, D T Việt, “Nghiên cứu thiết kế lọc … thu/phát đa băng X.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Từ kết đo đạc tham số lọc sau chế tạo thể hình cho thấy: - Tổn hao phạm vi dải tần 8.9-9.6GHz: < 0.26 dB; - Hệ số phản xạ phạm vi dải tần 8.9-9.6GHz: < -20 dB; - Độ chọn lọc tần số 5.8GHz: -53.08 dB Kết đo đạc cho thấy lọc thơng dải sau chế tạo có tham số đạt yêu cầu đề tương đồng với kết mô phần mềm CST KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết thiết kế lọc thông dải sử dụng ghép chữ nhật sở sơ đồ mạch điện tương đương kết hợp với tính tốn thành phần điện dung ghép Kết mô chế tạo cho thấy tham số lọc hoàn toàn đáp ứng tham số yêu cầu ứng dụng hệ thống thu/phát đài đa băng X Kết nghiên cứu thực nghiệm sở để mở rộng nghiên cứu thiết kế chế tạo lọc hốc cộng hưởng khơng khí TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robert E Collin, “Foundations for Microwave Engineering” 2nd Edition, 2001 [2] George L Matthael, “Microwave Filters, Impedance Matching network and Coupling Structure”, Artech House ,1985 [3] Jia S Hong, “Microstrip filter for RF/Microwave Application”, 2001 [4] Willian J Getsinger, “Coupled Rectangular Bars Between Parallel Plates”, 1962 [5] S.B Cohn, “Shielded coupled-strip transmission line” 1955 [6] Jijesh J.J, “Design and Development of Band Pass Filter for X-Band Radar Receiver System” 2017 [7] https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/ ABSTRACT A DESIGN OF BANDPASS FILTER USING RECTANGULAR BAR RESONATORS FOR X-BAND RADAR TRANSCEIVER In this paper, a design of bandpass filter for X-band radar tranceiver is presented The bandpass filter consists of metal rectangular bar resonaotrs in an air cavity slab waveguide So that, the insertion loss and ripple of the filter become improved Based on the theory of Radio frequency and microwave, using simulation software The bandpass filter that meets all the requested specifications of the bandpass filter for X-band radar: Insertion loss < 0.3dB within range frequency 8.9-9.6GHz; Return loss < -20dB within range frequency 8.9-9.6GHz; Attenuation ≤ -50dB at 5.8GHz were designed and implemented Keywords: Bandpass filter; Cavity filter; X-band radar Nhận ngày 26 tháng 12 năm 2019 Hoàn thiện ngày 14 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Ra đa / Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: xuantho6482@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 45 ... TẠO BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG THANH CỘNG HƯỞNG CHỮ NHẬT CHO HỆ THỐNG THU/ PHÁT RA ĐA BĂNG X 3.1 Các tham số yêu cầu lọc thông dải băng X Các tham số lọc thông dải sử dụng hệ thống thu/ phát đa băng. .. phần 42 T X Thọ, V T Anh, D T Việt, ? ?Nghiên cứu thiết kế lọc … thu/ phát đa băng X. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3 Các bước tính tốn, thiết kế lọc thông dải sử dụng cộng hưởng chữ nhật Tài... số cao [2] Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục bao gồm lọc lược, lọc cài lược lọc ghép [1] Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo lọc thông dải sử dụng kim loại chữ nhật cộng hưởng ống