Nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 9520208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Văn Yêm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày …… tháng …… năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong máy thu phát vô tuyến, lọc thơng dải siêu cao tần có vai trị quan trọng, loại bỏ thành phần tín hiệu khơng mong muốn Ưu điểm lọc hốc cộng hưởng có mức tổn hao dải thơng thấp, tích hợp dễ dàng, chịu đựng cơng suất cao, hệ số phẩm chất cao Do chúng ngày nghiên cứu, ứng dụng nhiều hệ thống thu phát vô tuyến Hiện nay, việc mô hình hóa chi tiết lọc hốc cộng hưởng để triển khai chưa nhà nghiên cứu nêu rõ, quy trình hồn chỉnh chưa tổng hợp đầy đủ để dễ dàng áp dụng Đã có số nhà nghiên cứu mơ tả quy trình thực thiết kế thuật tốn mơ Tuy nhiên cơng việc phân tích, thiết kế tinh chỉnh lọc phức tạp, trải qua nhiều bước thực nên việc phối hợp phương pháp tinh chỉnh dự án để đạt kết tối ưu nhất, nhanh hiệu cần thiết Việc chưa trình bày cách đầy đủ có hệ thống Các loại cấu trúc ghép hai hốc cộng hưởng bao gồm nhiều loại khác khe ghép hình chữ nhật, hình chữ nhật bo góc trịn, hình chữ thập, hình chng Trong đó, hệ số phân cực điện, phân cực từ đo đạc tính tốn, hệ số phụ thuộc vào chiều dài, rộng khe mở Trong lọc hốc cộng hưởng đồng trục, cấu trúc ghép lượng điện từ bao gồm vách chữ nhật cắt vách chung hai hốc cộng hưởng hay gọi khe điện từ đinh ốc tinh chỉnh Như vậy, độ rộng băng tần ghép hốc bị giới hạn độ rộng khe cắt chiều sâu đinh ốc Nếu giá trị Mij yêu cầu lớn, khiến cho độ rộng vách lớn, tác dụng việc hạn chế mode sóng không cần thiết, chiều dài ốc tinh chỉnh q lớn, khơng đủ đảm bảo dự phịng cho sản xuất, giảm hệ số phẩm chất lọc, tốn thời gian cho công đoạn lắp ráp tinh chỉnh sau lắp ráp Mơ hình ghép chéo hai hốc cộng hưởng khơng liền kề phân tích phương pháp pha tín hiệu Các mối ghép tạo thành điểm không hàm truyền nằm bên trái bên phải hai bên dải thơng Gần có số giải pháp thiết kế đường ghép chéo Cấu trúc vòng kim loại đặt bên hốc nối hai trụ cộng hưởng nhằm tạo điểm không hàm truyền (TZ0) dải thông cách thay đổi chiều dài dây kim loại Cấu trúc có ưu điểm tạo liên kết chéo cho hai hốc cộng hưởng mà không cần vách chung Hoặc mơ hình ghép chéo kiểu hỗn hợp đề xuất nhằm cho phép điều chỉnh số lượng điểm TZ0 Ngồi ra, mơ hình phổ biến cấu trúc hình chng để tạo thành thành phần tụ C phân bố Trong cấu trúc này, lượng ghép hai hốc bị giới hạn kích thước vật lý chuông chiều dài dây kim loại, từ CBW bị giới hạn Xét mặt công suất, hệ thống vô tuyến, lọc máy phát (TX) thường đứng khuếch đại công suất (PA) nên thường yêu cầu lọc phải chịu cơng suất cao Vì lý này, mà u cầu khả chịu đựng công suất lọc TX trở thành yếu tố quan trọng việc thiết kế lọc Khả chịu đựng cộng suất (PH) lọc thông dải chịu ảnh hưởng tượng đánh thủng điện mơi, phóng điện, nhiễu liên điều chế thụ động, méo đặc tuyến tuyến tính khí – điện liên quan đến nhiệt Thơng số thường xác định đánh giá lượng lữu trữ hốc cộng hưởng để tìm giá trị cường độ điện trường lớn hốc Đây phương pháp chung để phân tích, thiết kế Các kỹ thuật mơ hình hóa điện từ trường (EM) phân tích mạng mẫu kết hợp với để ước lượng PH mà có kết hợp đơn cực để phân tích lọc theo mơ hình hóa EM Gần đây, cơng suất cao tần RF chịu đựng lọc trọng xem xét, đặc biệt lọc đa mode lọc điều hưởng Tuy nhiên giới hạn chịu đựng công suất lọc bị giới hạn cấu trúc khí hốc cộng hưởng Ngồi ra, chưa có quy tắc tìm khả chịu đựng công suất lớn lọc, vị trí hốc cộng hưởng tích trữ lượng lớn nhất, quy trình thiết kế lọc cho đảm bảo PH theo yêu cầu Vì lý mà nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần” Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu    Mục tiêu nghiên cứu Cải tiến cấu trúc lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần để nâng cao chất lượng lọc, cải tiến đặc tuyến truyền đạt lọc Cải tiến cấu trúc cộng hưởng đồng trục để nâng cao khả chịu đựng cơng suất lọc Mơ hình hóa cấu trúc lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần, xây dựng quy trình thiết kế, mơ chế tạo, tinh chỉnh lọc cách chi tiết Đối tượng nghiên cứu Nhằm đạt mục tiêu luận án, thông số đặc trưng đặc tuyến lọc thơng dải phân tích, đánh giá để xem xét tác động kích thước hốc, cấu trúc xếp hốc cấu trúc ghép hốc Từ đó, giải pháp cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng, cấu trúc đường ghép ghép chéo hai hốc nhằm cải tiến topo lọc đưa Theo đó, đối tượng nghiên cứu luận án bao gồm mô hình hóa lọc hốc cộng hưởng, cấu tạo hốc cộng hưởng, cấu tạo đường ghép trường điện từ hai hốc cộng hưởng, cách xếp (topo) lọc hốc cộng hưởng Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu gồm lý thuyết, mô thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết: Quá trình nghiên cứu việc nắm bắt kiến thức lọc hốc cộng hưởng, phương pháp phân tích, mơ hình hóa, nghiên cứu cấu trúc vật liệu lọc hốc cộng hưởng cơng trình nghiên cứu cơng bố Từ đó, đề xuất cải tiến cấu trúc, mơ hình tương đương để đạt hệ số phẩm chất lọc tốt hơn, suy hao nhỏ băng thông rộng Mô phỏng: Các cấu trúc lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần nghiên cứu thiết kế mô phỏng, tối ưu dựa việc kết hợp phần mềm mô EM Thực nghiệm: Sau nghiên cứu, thiết kế, mô tối ưu phần mềm tiến hành chế tạo thử nghiệm đo đạc, đánh giá Các mẫu thiết kế chế tạo kết nối với máy phân tích mạng siêu cao tần để đo dải tần làm việc; hệ số sóng đứng đầu vào đầu lọc; độ tổn hao dải thông; độ dốc miền tần số cắt, độ cách ly hai lọc thu, phát Duplexer; độ gợn miền dải thông Dựa vào kết đo so sánh với kết mô theo lý thuyết rút nhận xét, đánh giá Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Với công nghệ này, lọc có khả ứng dụng dải tần 1GHz – 12GHz  Định hướng ứng dụng thiết bị thu phát vô tuyến, thông tin di động, phát truyền hình, thơng tin vệ tinh Radar  Về cơng nghệ, sử dụng hốc cộng hưởng có dạng đồng trục, khoang cộng hưởng làm vật liệu kim loại dẫn điện tốt, trụ cộng hưởng kim loại, điện môi, siêu vật liệu Các kết đạt luận án a) Cải tiến cấu trúc ghép hai hốc cộng hưởng, cụ thể: Đề xuất sử dụng đường kim loại nối hai hốc cộng hưởng liền kề nhằm làm tăng độ ghép nối, nhờ giảm chiều dài ốc điều chỉnh khí Do lượng từ trường liên kết tăng lên, lượng điện từ trường ghép tổng cộng tăng, hệ số ghép từ trường hay độ rộng băng tần ghép tăng Kết mô độ rộng băng tần ghép tăng lên ~ lần chiều cao kim loại 10mm chiều dài 15m, tăng ~2 lần chiều cao 4mm chiều dài kim loại lớn Áp dụng cấu trúc vào thiết kế Duplexer hoạt động Band bậc nhằm đánh giá hiệu Kết thu Duplexer có BW = 70MHz, RL < 10dB, độ gợn dải thông 0,42dB, độ cách ly TX – RX = 97dB Cấu trúc không ứng dụng cho RRU Band mà cịn có khả ứng dụng băng tần ứng dụng khác Đề xuất cải tiến đường ghép kiểu C hai hốc không liền kề lọc Cấu trúc đề xuất mặt vật lý bổ sung thêm ốc tinh chỉnh kim loại đặt miếng điện mơi PTFE so với cấu trúc truyền thống Từ đó, hình thành thành phần tụ điện biến dung phân bố mắc nối tiếp với tụ điện có Bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần dùng đường ghép kiểu C cải tiến thiết kế, mô Kết mô độ rộng băng tần ghép chéo thay đổi khoảng 4,6MHz độ dốc cải thiện 1dB chiều dài ốc đạt 7mm Độ dốc lọc cải thiện, việc tinh chỉnh độ dốc lọc dễ dàng Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế lọc hốc cộng hưởng dải tần 1805 – 1880MHz, kết S11 < -12,70dB, độ gợn dải thông 0,1dB, độ tổn hao băng đạt 0,21dB Các cấu trúc ứng dụng cho lọc băng tần khác lọc hốc cộng hưởng dạng đồng trục Kết trình bày [HC2], [TC3-TC4] b) Cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng nhằm tăng độ chịu đựng công suất (PH) lọc, cụ thể: Cấu trúc hốc cộng hưởng siêu cao tần gồm khối nón cụt kim loại đặt phía hộp cộng hưởng hình trụ trịn Bằng cách tối ưu góc nghiêng chiều cao khối nón hộp cộng hưởng, cường độ điện trường giảm, làm PH cải thiện Ngoài ra, quy trình thiết kế hốc cộng hưởng đơn để thỏa mãn yêu cầu khả chịu đựng công suất (PH) đề xuất Để đánh giá hiệu quả, lọc hốc Band thiết kế Kết quả, PH cải thiện từ 148,9W lên 449,4W Cấu trúc áp dụng [HC3] Tiếp tục cải tiến lọc cách bo tròn ốc tinh chỉnh (blend), áp dụng thiết kệ lọc hốc cộng hưởng trạm gNodeB (BW: 3600 – 3800MHz) Kết quả, PH cải thiện 336,7W, đảm bảo công suất chịu đựng đạt 1019W, đạt 1028W ốc tinh chỉnh bo trị với đường kính 1mm c) Hệ thống hóa xây dựng bước thực thiết kế, mô phỏng, chế tạo tinh chỉnh lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần hồn chỉnh Áp dụng mơ hình hóa thiết kế lọc hốc cộng hưởng 10 với điểm không hàm truyền thiết kế, ứng dụng hệ thống LTE-A tần số 1800MHz Band 3, độ gợn dải thông đạt 0.1dB, hệ số tổn hao ngược 15dB Đồng thời, áp dụng mơ hình hóa, mơ chế tạo song công (Duplexer) sử dụng khoang cộng hưởng dạng lục lăng Hốc có hình dạng lục giúp việc xếp xen kẽ dễ dàng, làm giảm kích thước khối lượng lọc mà đảm bảo tiêu kỹ thuật Kết mô cho thấy diện tích Duplexer giảm ~10% so với Duplexer hình chữ nhật với topo Sau thiết kế, mơ hình 3D dựng phần mềm AutoCad trước chế tạo Sau chế tạo, lắp ráp, Duplexer tinh chỉnh đo kiểm, so sánh với mơ cho thấy song hồn tồn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Kết trình bày [HC1], [TC1-TC2] Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương, kết luận, danh mục báo công bố liên quan đến luận án danh mục tài liệu tham khảo Chương – TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Nội dung trình bày chương bao gồm kết nghiên cứu tổng quan lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần Trong bao gồm tổng quan vai trò ứng dụng lọc hốc hệ thống thơng tin Sau lý thuyết lọc hốc cộng hưởng trình bày cách khái quát bao gồm đặc điểm tham số thiết kế lọc, ma trận liên kết, topo lọc, phương pháp tổng hợp lọc, đặc biệt lọc kiểu Chebyshev 1.1 Tổng quan đặc tính lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần 1.1.1 Bộ tham số đặc tuyến lọc Bộ tham số mơ tả đặc tính truyền đạt lọc bao gồm: Băng thông (MHz); tổn hao chèn IL (dB); suy hao dải thông (dB); hệ số phản xạ S11 (dB); trở kháng vào/ra 1.1.2 Các tham số khí điều kiện mơi trường Các tham số khí định đến đặc tính lọc bao gồm kích thước, khối lượng, kết nối vào/ra, vật liệu lớp Điều kiện môi trường nhiệt độ, độ ẩm, mưa, bụi… 1.2 Phương pháp xây dựng lọc thông dải từ lọc thông thấp mẫu 1.2.1 Định nghĩa chung Tổn hao chèn IL Tổn hao ngược Đáp ứng pha lọc Đáp ứng trễ nhóm (group delay) Biểu thức hàm truyền đạt lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần 1.2.2 Xây dựng lọc thông dải từ lọc thơng thấp mẫu Mơ hình lọc thông thấp mẫu gồm phần tử g ghép nối tiếp song song Tính bậc lọc 100,1LAS  a cosh  n a cosh  '  (1.10) Trong đó, L AS độ suy hao dải chắn nhỏ theo yêu cầu (dB) tần số cắt fc,  hàm ánh xạ tần số ' '   fc f0     FBW  f f c  (1.11) Hệ số phẩm chất không tải lọc: Qu  4, 343 L Ar  N   gi IL i1 (1.13) 1.2.3 Nguyên tắc tổng hợp lọc Mục đích tổng hợp lọc xây dựng topo lọc, ma trận ghép hốc hệ số ghép Mij K j,j1 J j,j1 (1.32) M j,j1   x j  x j1 b j  b j1 1.3 Quy trình thiết kế, mô lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Bắt đầu Phân tích yêu cầu kỹ thuật, tổng hợp lọc Tối ưu lọc phần mềm Tính tốn kích thước phần tử lọc Tinh chỉnh lọc sau lắp ráp Dựng lọc đầy đủ Kết thúc Hình 7: Quy trình tính tốn, thiết kế chế tạo tổng qt Quy trình bao gồm bước: Bước gồm phân tích, tổng hợp lọc nhằm tìm topo lọc cho đáp ứng tiêu kỹ thuật đề ra; Bước thực tính tốn kích thước phần tử cấu thành lên lọc gồm hốc đơn, đường liên kết chính, đường liên kết chéo, tiếp điện hay liên kết ngoài; Bước xây dựng, tối ưu lọc hoàn chỉnh phần mềm mơ Bước bóc tách phần tử, dựng vẽ phần mềm khí phục vụ sản xuất, lắp ráp Bước kết nối lọc với máy đo VNA, tinh chỉnh lọc cách điều chỉnh ốc prob để đạt tiêu kỹ thuật đề 1.4 Phương pháp tinh chỉnh, tối ưu lọc hốc cộng hưởng Các phương pháp thường sử dụng bao gồm 1.4.1 Phương pháp tinh chỉnh lý thuyết độ trễ nhóm 1.4.2 Phương pháp tinh chỉnh dựa vào tham số cực trị điện nạp 1.5 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan thông số yêu cầu để tạo nên lọc, phương pháp tính toán, thiết kế tối ưu lọc Từ ma trận ghép nối, lựa chọn công nghệ cấu trúc lọc, thực bước thiết kế: Thiết kế hốc đơn, đường tiếp điện cho lọc, xây dựng cấu trúc ghép hốc kề tính tốn để dựng điểm khơng hàm truyền cho lọc Sau thiết kế lọc hoàn thiện, cần thực tối ưu tinh chỉnh lọc cho sau mô lọc phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật dải tần hoạt động, độ suy hao dải thông, độ dốc đặc tuyến truyền đạt, độ gợn dải thông, độ tổn hao phản xạ dải thông Việc phân tích, thiết kế lọc hốc cộng hưởng có cấu trúc hốc dạng đồng trục phân tích, đánh giá Ví dụ thiết kế lọc Duplexer áp dụng quy trình mơ tả, trình bày cụ thể chương CHƯƠNG – MƠ HÌNH HĨA VÀ CẤU TRÚC BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Chương trình bày kết nghiên cứu cấu trúc mơ hình hóa lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Áp dụng kiến thức trình bày Chương để thực thiết kế lọc hốc cộng hưởng thực tế Trong chương trình bày thiết kế Duplexer, chế tạo thử nghiệm, đo đạc đánh giá nhằm kiểm nghiệm lại nghiên cứu lý thuyết Các thiết kế tập trung vào ứng dụng trạm thu phát sóng di động 4G 2.1 Mơ hình hóa hốc cộng hưởng 2.1.1 Hốc cộng hưởng đơn Hốc cộng hưởng đơn có cấu tạo gồm hốc cộng hưởng hộp cộng hưởng hình trụ Sơ đồ tương đương mạch GLC mắc song song Ốc tinh chỉnh Khoang hốc cộng hưởng Ống trụ cộng hưởng h d D (a) G L C (b) Hình 2-1: a) Hốc cộng hưởng siêu cao tần với cộng hưởng đồng trục; b) Mô hình tương đương RLC hốc Đường kính ngồi hộp cộng hưởng cộng hưởng:  24, 936 f 1, 6477    D  2  Qu l   1 (2.4) Đường kính hốc cộng hưởng: (2.5) D  3,  d 2.1.2 Ghép hai hốc cộng hưởng Ghép kiểu điện cảm L có mơ hình tương đương hình 2-3 Hệ số liên kết: k m  L m f e2  f m2  L f e  f m2 Ghép kiểu điện điện dung C có mơ hình tương đương hình 2-4 f  f e2 C Hệ số liên kết k e  m  m2 C f m  f e2 (2.13) (2.19) Ốc đường truyền Ốc điều chỉnh -jXb -jXb w ds jXa Hình 2-3: Mơ hình liên kết hai hốc cộng hưởng liền kề Quả chuông kim loại Điện môi PTFE Ốc điều chỉnh (a) Cm L I2 I1 V1 C C L L C V2 (b) 2Cm 2Cm ‐Cm ‐Cm L C (c) Hình 2-8: a)Cấu trúc ghép chéo kiểu C hai hốc cộng hưởng; b)Mạch hai cộng hưởng có ghép điện; c)Mạch tương đương có chuyển đổi dẫn nạp J = ωCm [43] 2.1.3 Ghép hai hốc cộng hưởng chéo Nếu hốc cộng hưởng có topo tam giác, có mối liên kết chéo kiểu L, tạo điểm TZ0 nằm bên phải dải thông Nếu mối liên kết chéo kiểu C, tạo điểm TZ0 nằm bên trái dải thông Trường hợp hốc xếp theo topo tứ giác, mối liên kết chéo kiểu L khơng tạo điểm tín hiệu qua đường đồng pha với Nếu mối liên kết chéo có kiểu C tạo hai điểm hàm truyền bên trái bên phải dải thông 2.1.4 Tiếp điện cho lọc hốc cộng hưởng (liên kết ngoài) Ba phương pháp tiếp điện phổ biến cho hốc cộng hưởng thường gặp Hình 2-12: D L T H W a (a) (b) (c) Hình 2-12: a) Tiếp điện kiểu vịng dây – khơng khí; (b) Tiếp điện đầu dây hàn nối trực tiếp [1]; (c) Tiếp điện vòng dây kiểu L gián tiếp 2.1.5 Mơ hình tương đương lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần Bộ lọc hốc cộng hưởng bao gồm hốc đơn ghép lại theo đường ghép chính, ghép chéo kiểu L kiểu C, với đường tiếp điện hốc đầu cuối Mơ hình tương đương lọc mạch LC song song ghép lại với thông qua phần tử kiểu L C 2.2 Mơ hình hóa thiết kế lọc hốc cộng hưởng khơng khí ứng dụng máy thu phát LTE-A sử dụng hai liên kết chéo Áp dụng quy trình mơ hình hóa thiết kế lọc thỏa mãn: Hệ số phản xạ < -10dB@1805-1880 MHz, độ gợn băng thông < 0.1dB, suy hao chèn < 2dB, độ dốc ≥ 40 dB@ 1795 Mhz 2.2.1 Tổng hợp lọc hốc cộng hưởng LTE Bộ lọc có topo Hình 2-15, có bậc 11, đường ghép chéo kiểu C theo topo hình tứ giác, tạo thành điểm TZ0 bên trái bên phải dải thông S S 10 11 L 1.1145 0 0 0 0 0 Ma trận ghép (CM) 10 11 L 1.115 0 0 0 0 0 0 0.9352 0 0 0 0 0 0.935 0.6268 0 0 0 0 0 0.6268 0.5603 -0.1 0 0 0 0 0.5603 0.6477 0 0 0 0 0 0.6477 0.5316 0 0 0 0 -0.1 0.5316 0.5423 0 0 0 0 0 0.5423 0.5406 -0.08 0 0 0 0 0.5406 0.6416 0 0 0 0 0 0.6416 0.6248 0 0 0 0 -0.08 0.6248 0.9352 1.1145 0 0 0 0 0.9352 0 0 0 0 0 0 1.1145 s 10 11 L Nguồn, tải Đường liên kết Đường liên chéo (a) (b) Hình 2-16: a) Ma trận ghép sau tối ưu b) Topo lọc 2.2.2 Thiết kế, mô đánh giá Bộ lọc hồn chỉnh 11 hốc Hình 2-20 Hình 2-20: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX hoàn chỉnh Thiết lập tối ưu lọc hốc gồm: Thuật toán tối ưu sử dụng CMA Evolution Strategy; mục tiêu (goals) cần đạt gồm S11 < -14dB khoảng 1803MHz – 1882MHz, S21 > - 1dB khoảng 1803MHz – 1882MHz, S21 < -90dB dải tần RX (từ 1710 – 1785MHz) Số vòng thực tối ưu khoảng 3000 Các kết mơ Hình 2-22 đáp ứng yêu cầu kỹ thuật lọc, sẵn sàng đưa vào ứng dụng thực tế hệ thống LTE sản phẩm thương mại khác -0,60dB@1,8425GHz -0,71dB@1,880GHz -0,64dB@1,805GHz Biên độ/dB -33,32dB@1,795GHz -44,46dB@1,890GHz -79,73dB@1,90GHz -80,04dB@1,785GHz Tần số /GHz Biên độ/dB (a) Tần số /GHz (b) Hình 2-22: a) Kết mô S21(dB) b) Kết mô S11(dB) sau tinh chỉnh, tối ưu 2.3 Thiết kế Duplexer có hốc cộng hưởng hình lục giác ứng dụng trạm thu phát gốc LTE-A Về cấu tạo, Duplexer bao gồm hai lọc thông dải kết nối với tiếp giác chạc chữ T (T – junctions) Yêu cầu kỹ thuật Duplexer phải đảm bảo độ rộng băng tần 75MHz, suy hao dải thông < 1.2dB, suy hao phản xạ < -10dB, độ gợn dải thông < 1dB cách ly hai kênh TX – RX > 90dB 2.3.1 Phân tích lựa chọn topo Duplexer Bộ lọc TX, RX gồm 11 bậc, TX bao gồm đường ghép chéo kiểu C (hốc 1-3, 3-5, 8-10) đường ghép chéo kiểu L (6-8), lọc RX bao gồm đường ghép chéo kiểu L (hốc 5-7, 9-11) đường ghép chéo kiểu C (hốc 3-5) Cả hai lọc sử dụng topo dạng tam giác 2.3.2 Phân tích thuộc tính tính tốn kích thước hốc cộng hưởng đơn Lựa chọn hốc dạng lục lăng, có đường kính hốc D = 34.7mm, đường kính ngồi hộp cơng hưởng d = 10mm để hệ số Q không tải yêu cầu Chiều cao ống trụ cộng hưởng xác định dải từ 50% phần tư bước sóng (λ/8) đến 80% phần tư bước sóng 2.3.3 Mơ lọc LTE-A duplexer Hình 2-29: Cấu trúc Duplexer hồn chỉnh Thiết kế, mô tối ưu lọc TX RX riêng lẻ Sau đạt tiêu so với yêu cầu, tiến hành ghép lọc mối nối dạng hình T để tạo thành Duplexer Hình 2-29 Kết mơ phỏng, đánh giá tiêu kỹ thuật Duplexer so với yêu cầu đạt (hình 2-40 đường nét khuất) 2.3.4 Thiết kế lọc thông thấp đồng trục Band3 Nhằm triệt tiêu hài bậc cao, cần kết nối Duplexer với lọc thông thấp Bộ lọc có kết cấu hình vẽ Hình 2-36: Mơ hình 3D mơ lọc thơng thấp 2.4 Chế tạo thử nghiệm Duplexer, đo đạc đánh giá 2.4.1 Chế tạo thử nghiệm, kết đo đạc Trong Hình 2-38 Duplexer chế tạo, kết mô đo đạc sau chế tạo, tinh chỉnh Hình 2-40 0 -10 -10 -20 S11(dB) S33(dB) Hình 2-38: Bộ Duplexer 2x2 sau chế tạo -30 -40 -20 -30 -40 -50 1.75 1.80 1.85 1.90 -50 1.60 1.95 Tần số (GHz) 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 Tần số (GHz) Mô Đo kiểm Mô Đo kiểm (a) (b) 0.0 -50 -100 S21(dB) S21(dB) -0.5 -150 -1.0 -1.5 -200 -250 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 -2.0 1.70 1.90 1.72 Tần số (GHz) 1.74 Tần số (GHz) Mô Đo kiểm Mô Đo kiểm (c) 1.76 1.78 0.0 -0.5 -50 S13(dB) S13(dB) -1.0 -100 -150 -1.5 -2.0 -200 -2.5 -250 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 -3.0 1.80 1.95 1.82 1.84 Tần số (GHz) 1.86 1.88 Tần số (GHz) Mô Đo kiểm Mô Đo kiểm (d) -50 S23(dB) -100 -150 -200 -250 -300 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 Tần số (GHz) Đo kiểm Mơ (e) Hình 2-41: Các tham số Duplexer a) Hệ số phản xạ lọc TX b) Hệ số phản xạ lọc RX c) Hệ số truyền đạt lọc RX d) Hệ số truyền đạt lọc TX e) Hệ số cách ly tuyến TX – RX Hệ số phản xạ đầu vào S11 ≤ -15dB, tổn hao dải thông ≤ 0,99dB (TX) ≤ 0,94dB (RX), độ gợn dải thông 0,8dB (TX), 0,7dB (RX) Độ rộng băng tần 3dB kênh đảm bảo đạt 75 MHz Độ cách ly TX – RX lớn 75dB (Hình ) Có thể thấy Duplexer đạt tồn tiêu yêu cầu ngoại trừ số độ cách ly TX – RX Tuy nhiên, kết mô so với kết đo đạc cho thấy tất số đo đạc tốt Nguyên nhân lọc hốc cộng hưởng bao gồm nhiều nhiều chi tiết, công cụ phần mềm khơng tính tốn cách tối ưu Sau sản xuất, lắp ráp thường cần tinh chỉnh ốc đường truyền đầu dị vào/ra để có lọc đáp ứng tốt tiêu kỹ thuật Do đó, Duplexer thu có số tốt nhiều so với mô 2.4.2 Đánh giá kết thảo luận Bảng 0-1: Tổng hợp kết đo đạc Duplexer Tham số Đối tượng đo Hệ số phản xạ đầu | Dải tần (Ghz) | ≤ -12,5 dB Tỷ số sóng đứng đầu ≤ 1,61 Hệ số phản xạ đầu vào | Bộ lọc RX | ≤ -12,8 dB 1,710-1,785 Tỷ số sóng đứng đầu vào ≤ 1,5 Độ suy hao xen ≤ 1,12 dB Pha hàm truyền đạt Tuyến tính Độ phẳng hàm truyền đạt Hệ số phản xạ đầu vào | Bộ lọc TX Kết đo 0,56 dB | ≤ -13 dB Tỷ số sóng đứng đầu vào Hệ số phản xạ đầu | 1,805-1,880 | ≤ 1,4 ≤ -13 dB 10 Đối tượng đo Tham số Dải tần (Ghz) Tỷ số sóng đứng đầu ≤ 1,6 Độ suy hao xen ≤ 1,6 dB Pha hàm truyền đạt Tuyến tính Độ phẳng hàm truyền đạt TX – RX Kết đo 0,5 dB Độ cách ly 1,710 – 1,880 74,6dB Mô hình Duplexer LTE-A bậc 11 sử dụng cơng nghệ hốc cộng hưởng đồng trục có hốc dạng lục giác thiết kế, mô chế tạo thành công Các lọc thông dải TX RX hoạt động dải tần Band Các kết mô đáp ứng tiêu kỹ thuật ban đầu gồm dải tần, hệ số phản xạ, độ gợn dải thông, độ suy hao Với phần thiết kế Duplexer, vấn đề khó kết nối hai lọc TX RX ảnh hưởng qua lại trường điện từ hốc đầu vào/ra làm biến dạng đặc tuyến hai lọc đơn lẻ Kết đo đạc Duplexer Bảng 2-7 đạt tiêu ngoại trừ tiêu độ cách ly Chỉ tiêu cải thiện cách tối ưu thiết kế T-Junction Ngoài ra, Duplexer hồn tồn sử dụng thành sản phẩm thương mại, ứng dụng thực tế trạm thu phát sóng 4G 2.5 Kết luận chương Như lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Duplexer hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần phân tích, thiết kế chế tạo thử nghiệm Việc thiết kế, chế tạo tuân thủ theo quy trình xây dựng chương Bộ lọc Duplexer đáp ứng tiêu kỹ thuật hệ thống ngày Đối với tiêu hệ số phản xạ, theo tiêu chuẩn chung S11 ≤ -10dB, thiết kế luận án đáp ứng Ở lọc thương mại hóa có giá thành đắt, S11 thường -18dB, Duplexer luận án đạt -12,5dB, giá trị tốt đạt -40dB CHƯƠNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI TIẾN CẤU TRÚC GHÉP GIỮA HAI HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Nội dung chương trình bày kết nghiên cứu cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng đường ghép trường điện từ hốc nhằm cải thiện đặc tính quan trọng lọc độ gợn dải thông, độ dốc dải chắn Sau đó, áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế lọc trạm thu phát gốc hệ thống LTE-A nhằm kiểm nghiệm lại hiệu đề xuất 3.1 Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc ghép hai hốc kề 3.1.1 Phân tích, đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến lượng trường điện từ 1.2 n=8 n=9 n = 10 n = 11 n = 12 Độ gợn dải thông (dB) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 36 38 40 42 44 46 48 50 Độ rộng băng tần ghép (MHz) Hình 0-1: Mối quan hệ độ rộng băng tần ghép độ gợn dải thông ứng với lọc có bậc khác Độ rộng băng tần ghép (CBW) hai hốc cộng hưởng i j CBWij  M ij  BW (3.9) 11 Từ (3.9) ta thấy, độ rộng băng tần lọc hốc thay đổi phụ thuộc vào CBW Nếu tăng khoảng điều chỉnh CBW tăng khoảng giá trị BW hay hoàn toàn làm chủ việc điều chỉnh BW Xét mối quan hệ độ gợn dải thông độ rộng băng tần ghép ứng với trường hợp bậc lọc khác Hình 0-1 ta có độ gợn dải thông giảm CBW tăng giữ bậc lọc không đổi bậc lọc giảm CBW tăng giữ nguyên độ lớn độ gợn dải thông 3.1.2 Đề xuất cấu trúc liên kết cải tiến Kết mô cho thấy lượng từ trường tập trung phần đáy hộp cộng hưởng Đề xuất việc sử dụng dải kim loại nối hai hốc cộng hưởng với nhằm tăng tính chất ghép từ trường Kích thước kim loại có chiều cao a (mm), chiều dài b(mm) Hình 3-5 D d H h a b (a) (b) Hình 3-5: Mơ hình đề xuất tăng hệ số ghép hai hốc cộng hưởng (a) hình chiếu 2D mơ hình (b) mơ hình 3D Hình 3-6: Đánh giá độ rộng băng tần CBW Thay đổi chiều dài chiều cao kim loại để đánh giá thay đổi CBW Kết quả: Khi độ cao a tăng từ 0mm lên 10mm giữ nguyên độ dài b, CBW tăng lên lần (từ 41,54MHz lên 127,49MHz), hệ số ghép M tăng lên đến 1,82 Khi độ dài tăng lên đến giá trị lớn – hai ống cộng hưởng nối liền với nhau, giữ nguyên a, CBW tăng lên xấp xỉ lần (từ 41,076MHz lên 79,306MHz) 3.1.3 Áp dụng thiết kế lọc hốc cộng hưởng Áp dụng phương pháp tăng CBW đề xuất mục vào việc thiết kế Duplexer, hoạt động Band (dải tần TX 2,62GHz – 2,69GHz, 2,50GHz– 2,57GHz), ứng dụng trạm thu phát sóng 4G Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu độ rộng băng tần 70 MHz, độ suy hao tín hiệu < 1.8dB, độ cách ly TX – RX 85dB, độ phẳng đặc tuyến dải thơng < 1dB Bộ Duplexer hồn chỉnh Hình 3-8 Hình 3-8: Duplexer hồn chỉnh 12 -0,37dB@2.655GHz -0,35dB@2.55GHz -23dB@2,49GHz -27,7dB@2,61GHz -23.5dB@2,58GHz -40 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 Biên độ /dB Biên độ / dB -20 -27dB@2,7GHz -45,7dB@2,59GHz -57dB@2,6GHz -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.4 2.8 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 Tần số / GHz Tần số / GHz (a) (b) -97,6dB@2.618GHz -80 -100 -120 -140 Biên độ / dB -160 -180 -200 -220 -240 -260 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 Tần số / GHz (c) Hình 3-2: Kết mô (a) Đồ thị hệ số phản xạ (b) Đồ thị hệ số truyền đạt (c) Đồ thị hệ số cách ly TX-RX Kết mô đặc tuyến Duplexer sau tối ưu đạt yêu cầu, phối hợp trở kháng với độ rộng băng tần đạt 70MHz, độ tổn hao dải thông 0.5dB, độ cách ly TX-RX 97 dB, độ phẳng dải thơng 1dB Kết hồn tồn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ban đầu, có khả ứng dụng trạm thu phát sóng LTE-A 3.1.4 Đánh giá đề xuất Trong Bảng 3-2 trình bày so sánh số tiêu kỹ thuật lọc đề xuất với sản phẩm nghiên cứu thương mại hóa cho thấy, hệ số CBWij lọc đề xuất lớn nhất, độ gợn dải thông đặc tuyến truyền đạt tốt so với sản phẩm thương mại Tuy nhiên, hệ số phản xạ S11 mô thấp thường điều chỉnh tốt sau chế tạo Bảng 3-2: So sánh tiêu kỹ thuật lọc Độ gợn dải thông Cấu trúc BW (MHz) Bậc Hệ số phản xạ S11 Mij(max) CBWij(max) [65] [66] Sản phẩm Pro Line Đề xuất 1990-2100 3000-3060 TX: 2620-2690, RX: 2500-2570 TX: 2620-2690, RX: 2500-2570 11 -20,8dB -20dB -18dB 0,843 0,865 -10dB 0,819 16,86MHz 52,9MHz 0,8dB 57,34MHz 0,3dB 3.2 Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc ghép kiểu C 3.2.1 Đề xuất cấu trúc cải tiến cấu trúc Cấu trúc ghép kiểu C truyền thống bao gồm hai chuông nối với kim loại, nâng đỡ miếng điện môi PTFE Cấu trúc đề xuất sử dụng đinh ốc đặt vào PTFE có taro ren sẵn giúp dễ dàng vặn đinh ốc (trong Hình 3-10) Từ làm xuất thêm thành phần tụ điện phân bố biến dung, làm thay đổi mơ hình tương đương đường ghép chéo Cm’ = Cm + Cs (3.11) 13 Hệ số ghép chéo kiểu điện dung: kE  C,m C  f m2  f e2 f m2  f e2 (3.12) Trong đó, Cm tụ điện ghép cũ, Cs tụ điện biến dung hình thành Đinh ốc Hình 3-10: Mơ hình 3D đường liên kết chéo kiểu C a) b) Hình 3-12: Sơ đồ tương đương cấu trúc liên kết chéo cũ Trong a) b) Hình, chiều sâu Tij(mm) ốc tinh chỉnh thay đổi, tính tốn độ rộng băng tần ghép hai hốc cộng hưởng Có thể thấy chiều dài thay đổi, CBW thay đổi không tuyến tính So sánh trước sau thêm screw, độ rộng băng tần tăng lên 2,3MHz Nếu d tăng từ 0mm đến 7mm, CBW tăng lên 4,6MHz (từ 35,4MHz đến 40MHz) Từ 3.13a, d tăng lên, độ dốc lọc đạt tốt Ngồi ra, có thay đổi vị trí điểm TZ0 thay đổi độ dài screw nên ứng dụng phép tinh chỉnh linh hoạt 41000 40000 CBWij (MHz) 39000 38000 37000 36000 35000 Chiều dài đinh ốc Lc (mm) a) b) Hình 3-13:a) Kết mô CBW chéo; b) Đồ thị CBW thay đổi theo độ dài đinh ốc 3.2.2 Áp dụng thiết kế lọc hốc cộng hưởng Một lọc hốc cộng hưởng làm việc dải tần 1805 – 1880MHz sử dụng cấu trúc Giả sử u cầu lọc có độ gợn dải thơng 1dB, độ tổn hao 1.2dB, hệ số tổn hao ngược dải thông -10dB, độ loại bỏ tín hiệu ngồi dải thơng 100dB@1785MHz Topo lọc lọc thông thấp mẫu thiết kế với bậc 10 đường ghép chéo 3-5, 5-7 Bộ lọc 3D hoàn chỉnh với đường ghép chéo sử dụng cấu trúc Hình 3-15 Kết mô với độ sâu screw khác so sánh Hình 3-16, có trường trường độ sâu ốc Tcij = 0mm Tcij = 6mm với điều kiện mô kích thước phần cịn lại lọc Có thể thấy trường hợp Tcij = 6mm, vị trí điểm TZ0 sâu 14dB gần dải thơng so với trường hợp Tcij = 0mm Tại tần số 1795MHz, S21 = -43.33dB với Tcij = 0mm, S21 = -43.51dB với Tcij = 6mm 14 S2,1 (Tcij = 0) Biên độ S21/dB Biên độ S21/dB Hình 3-15: Bộ lọc hoàn chỉnh S2,1 (Tcij = 3) S2,1 (Tcij = 6) Tcij = mm Tần số/MHz Tần số/MHz (a) Tcij = mm (b) Hình 3-16: a) Đặc điểm TZ0 Tcij thay đổi b) So sánh độ dốc đặc tuyến Tcij thay đổi 3.2.3 Nhận xét đánh giá Ở phần trên, cấu trúc ghép chéo kiểu C cải tiến cách bổ sung ốc tinh chỉnh nhằm cải thiện đặc tuyến độ dốc lọc hốc cộng hưởng Bộ lọc hốc cộng hưởng cấu trúc có đặc tuyến thu vị trí TZ0 gần dải thơng hơn, độ dốc tốt Hơn nữa, độ rộng băng tần ghép chéo mở rộng, bước tinh chỉnh trở nên linh hoạt Bộ lọc hốc cộng hưởng Band áp dụng cấu trúc mô phỏng, thiết kế Kết mô lọc thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật Vị trí TZ0 có ốc tinh chỉnh gần dải thông hơn, độ rộng băng tần CBW rộng Từ độ dốc lọc cải tiến ~0,2dB@BW-10dB, ~1dB@BW-20MHz Ngoài ra, cấu trúc giúp giảm bớt việc phải chế tạo nhiều phần tử C hình chng cho dự phịng Tuy nhiên, việc tinh chỉnh phức tạp bổ sung thêm phần tử ốc vít Cấu trúc ghép chéo thiết kế kết hợp với dạng chuông khác Bộ lọc thiết kế hồn tồn dùng để sản xuất làm sản phẩm thương mại có khả ứng dụng hệ thống có băng tần khác 3.3 Kết luận chương Trong chương trình bày giải pháp liên quan đến cải tiến đặc tuyến lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tầnTrước hết cải tiến cấu trúc để cải tiến độ rộng băng tần ghép hai hốc cộng hưởng liền kề Cấu trúc mang tính điện cảm, bổ sung đường kim loại nối hai trụ cộng hưởng (resonator) Độ rộng băng thông ghép tăng tăng chiều dài chiều cao đường kim loại Do CBW tăng, giúp giảm độ gợn đặc tuyến giảm bậc lọc giữ nguyên yêu cầu độ gợn Thứ hai đề xuất cải tiến độ dốc lọc Bổ sung thêm ốc tinh chỉnh có đầu gắn vào nắp hốc cộng hưởng, đầu đặt rãnh miếng PTFE, tạo thành phần C phân bố Từ tăng CBW hai hốc chéo Do cấu trúc mang tính điện dung C, áp dụng tạo thành điểm TZ0 đường truyền, giúp tăng độ dốc lọc Tuy nhiên, giải pháp có giới hạn cấu trúc khí Do đó, chúng áp dụng thiết kế lọc băng thông hẹp Việc so sánh tiêu kỹ thuật cấu trúc đề xuất với kết nghiên cứu tương tự khó khăn cơng trình liên quan đến cải tiến cấu trúc lọc hốc cộng hưởng dạng đồng trục, Duplexer,… với dải tần cơng bố Do việc so sánh, đánh giá lọc mang tính chất tương đối nhằm minh chứng cho tính đề xuất đáp ứng tiêu kỹ thuật hệ thống ngày Kết nghiên cứu đạt công bố [HC2], [TC3,TC4] 15 CHƯƠNG CẢI TIẾN CẤU TRÚC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN CƠNG SUẤT LỚN 4.1 Phân tích đặc tính chịu đựng cơng suất lọc 4.1.1 Đặc điểm khả chịu đựng công suất đường truyền đồng trục E d2   d   ln  D d    r (4.5) Ppeak max  120 Trong đó, D đường kính ngồi cáp đồng trục, d đường kính lõi, V0 biên độ điện áp, Ed cường độ điện trường lớn bề mặt lõi cáp, Ppeak.max công suất đỉnh đường truyền đồng trục 4.1.2 Đánh giá yêu cầu độ chịu đựng cơng suất máy thu phát sóng vơ tuyến 4.1.3 Phân tích, tính tốn thơng số khả chịu đựng công suất lọc (PH) Độ chịu đựng công suất lọc:  E  W Pbr  EM   br  Wres  E EM  (4.12) Trong đó, Ebr[V/m] cường độ điện trường đánh thủng vật liệu, ví dụ với vật liệu khơng khí Ebr = 3106V/m; WEM[W] lượng điện từ trường chứa hốc cộng hưởng Wres[nJ/W] lượng điện trường lớn hốc cộng hưởng EEM [V/m] cường độ điện trường chứa hốc cộng hưởng Pbr công suất đỉnh lọc Phân tích cường độ điện trường lớn hốc cộng hưởng đơn tần số trung tâm lọc ta thấy: Cường độ điện trường lớn nhấy hay lượng điện trường tập trung biên trụ cộng hưởng ốc tinh chỉnh Từ phương trình trên, Pbr tỉ lệ nghịch với EEM Nên, EEM giảm, Pbr tăng Trong phần sau, tác giả trình bày phương pháp giảm cường độ điện trường EEM l lớn nhằm tăng khả chịu đựng công suất Pbr 4.1.4 Tổng quan phương pháp thiết kế tăng độ chịu đựng công suất lọc Phương pháp sử dụng thiết kế lọc thông thấp mẫu Phương pháp thiết kế vật lý hốc cộng hưởng Phương pháp điều khiển 4.2 Đề xuất cấu trúc cải tiến đặc tính PH lọc 4.2.1 Cấu trúc đề xuất hc θ  θ  2b 2a θ  hc (a) (b) Hình 4-2:a) Hình chiếu cạnh hình chiếu khối nón; b) Mặt cắt hốc cộng hưởng Cường độ điện trường lớn E (V/m) 6e+8 6e+8 5e+8 5e+8 4e+8 4e+8 3e+8 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Theta[rad] Hình 4- 3: Cường độ điện trường lớn [V/m] hốc cộng hưởng đơn 16 Hốc cộng hưởng đơn bao gồm hộp cộng hưởng hình trụ ốc điều chỉnh, phía đỉnh hộp cộng hưởng có dạng hình nón cụt, chiều cao hc, góc nghiêng θ so với trục, đường kính đỉnh 2b ( Hình 4-2b) Từ đó, thiết diện ốc điều chỉnh hốc cộng hưởng trụ cộng hưởng giảm, dẫn đến cường độ điện trường giảm Các thành phần điện từ trường hốc cộng hưởng ước lượng phần mềm hc = 2mm Cường độ điện trường lớn hốc thay đổi θ biểu diễn Hình 4-3 Ta thấy, cường độ điện trường E thay đổi θ thay đổi, đạt giá trị nhỏ θ = 0,52rad (~ π/6) 4.2.2 Quy trình thiết kế lọc đạt PH mong muốn Bắt đầu Thiết kế hốc đơn Phân tích u cầu cơng suất Khơng đạt Tìm cường độ điện trường lớn Ước lượng cường độ điện trường đỉnh, so sánh với cường độ điện trường u cầu Tìm topo lọc, mơ thiết kế sơ đồ nguyên lý lọc Hồn thành thiết kế hốc đơn Tìm vị trí hốc cộng hưởng chịu công suất lớn Công suất/W 4.2.3 Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế lọc hốc eNodeB Tần số/GHz Tần số/GHz (a) (b) Hình 4-7: a) Kết mô tham số S sơ đồ nguyên lý; b)Năng lượng điện từ lưu trữ hốc cộng hưởng Mô sơ đồ nguyên lý theo topo lọc, mô lọc mẫu chế độ AC cho kết Hình 4-7, ta thấy hốc vị trí thứ chứa lượng cao nên đóng vai trị định đến độ chịu đựng công suất lọc Tìm hốc thứ lọc chứa lượng trường điện từ lớn Tại tần số f0 = 1,8425GHz, EEM1 = 1,51×109 V/m với hốc cộng hưởng với mơ hình cũ; EEM2 = 8,7×108V/m với hốc cộng hưởng Khả chịu đựng công suất lọc Pbr1 = 148,9W; Pbr2 = 449,4W Từ đó, khả chịu đựng cơng suất cải tiến tăng từ 148.9W lên 449.4W, sử dụng để thiết kế tối ưu lọc TX Band Mơ hình thiết kế lọc 3D Hình 4-8, kết mơ tham số tán xạ Hình 4-9 Đặc điểm kỹ thuật sau tối ưu lọc Bảng 4-3 Từ bảng so sánh kết ta thấy mặt tiêu đặc tính truyền đạt, băng thơng, hệ số phản xạ cấu trúc cấu trúc cũ tương đương Về mặt công suất, cấu trúc cải thiện ~300W 17 Hình 4-8: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX Band hoàn chỉnh -0,25dB@1,8425GHz -0,87dB@1,805GHz -0,48dB@1,880GHz -22,30dB@1,890GHz Biên độ S11/dB -43,56dB@1,9GHz Biên độ S21/dB -66,32dB@1,795GHz -93,58dB@1,785GHz Tần số/GHz Tần số/GHz Hình 4-1: Đồ thị tham số tán xạ sau tối ưu, tinh chỉnh Bảng 4-1: So sánh đặc điểm đặc tuyến sau mô Đặc điểm kỹ thuật STT Yêu cầu kỹ thuật (Bảng 4.1) Tên tiêu Dải tần Độ gợn dải thông Tổn hao dải thông Độ suy hao tín hiệu ngồi băng Hệ số phản xạ Pbr 1805-1880 MHz ± dB Cấu trúc cũ Cấu trúc đề xuất 1805-1880 MHz ± 0,65 dB 1805-1880 MHz ± 0,64 dB ≤ 1,2dB ≤ 0,857dB ≤ 0,868dB ≥ 90dB ≥ 90,225dB ≥ 93dB ≤ -15dB 100W ≤ -15dB 148,9W ≤ -15dB 449,36W 4.2.4 Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế lọc hốc gNodeB m2 f = 3,800GHz dB(S(1,2))=-0,290 Công suất/W dB(S(1,2)) dB(S(1,1)) m1 f = 3,600GHz dB(S(1,2))=-0,284 Tần số/GHz Tần số/GHz (a) (b) Hình 4-12: a) Kết mô hệ số tán xạ sơ đồ nguyên lý; b)Năng lượng điện từ lưu trữ hốc cộng hưởng Mở rộng áp dụng cấu trúc thiết kế lọc sử dụng máy phát gNodeB mạng 5G với dải tần 3600 – 3800MHz Trong thiết kế này, nghiên cứu sinh bổ sung giải pháp bo trịn ốc tinh chỉnh bán kính 1mm, nhằm giảm thêm việc bị tích điện tích giao diện ốc tinh chỉnh hộp cộng hưởng 18 Kết tổng hợp lọc có bậc 6, hốc thứ định công suất chịu đựng lọc, mơ hình 3D lọc dựng Hình 4-14 Tính tốn tần số trung tâm f0 = 3,7 GHz, EEM1 = 7,76×108 V/m với hốc cộng hưởng với mơ hình cũ; EEM2 = 6,35×108V/m với hốc cộng hưởng mới; EEM3 = 6,31.108V/m Tương ứng ta có Pbr1 = 682,45W; Pbr2 = 1019,18W; Pbr3 = 1028,85W Do đó, cải thiện ~346W Biên độ S11/dB Biên độ S21/dB Hình 4-14: Bộ lọc hốc cộng hưởng TX Band hoàn chỉnh Tần số/GHz Tần số/GHz (b) Pha S21/Độ (a) Tần số/GHz (c) Hình 4-15: a) Đồ thị hệ số phản xạ lọc TX trạm gNB b) Đồ thị đặc tuyến truyền đạt lọc TX trạm gNB c) Đồ thị pha đặc tuyến truyền đạt lọc TX trạm gNB Các đặc tính kỹ thuật hốc so sánh với số liệu tác giả khác công bố (Bảng 4-9) Kết so sánh cho thấy, lọc có cấu trúc có độ chịu đựng công suất tốt hẳn so với lọc tham khảo Đối với tiêu hệ số phản xạ, theo tiêu chuẩn chung giới S11 ≤ -10dB, thiết kế báo đáp ứng so với lọc lọc thương mại hóa Tuy nhiên, đặc điểm thường đạt tốt tinh chỉnh thực tế sau lắp ráp Việc so sánh tiêu kỹ thuật cấu trúc đề xuất với kết nghiên cứu tương tự khó khăn cơng trình liên quan đến cải tiến cấu trúc lọc hốc cộng hưởng dạng đồng trục, Duplexer, Diplexer… với dải tần khơng có cơng bố Bảng 0-2: So sánh đặc điểm đặc điểm kỹ thuật với số lọc hốc cộng hưởng Bậc Công suất lớn Tài liệu tham khảo Dải tần S11(dB) (MHz) [70] 1905 - 1925 -18 200W [71] 1710 - 1880 - 17,7 10 300W Đề xuất 1805 - 1880 -15 10 449,36W eNodeB Đề xuất gNB 3600 - 3800 -10,6 1028,85W 4.3 Kết luận chương Như phần trên, cấu trúc trụ cộng hưởng cải tiến đề xuất để tăng khả chịu đựng công suất lọc hốc cộng hưởng Cấu trúc gồm khối kim loại hình nón đề xuất đặt đỉnh trụ cộng hưởng để làm giảm diện tích tiếp xúc trụ cộng hưởng ốc tinh chỉnh Tiến trình thiết kế hốc cộng hưởng đơn để đảm bảo tiêu công suất chịu đựng xây dựng Cấu trúc đề xuất áp dụng 19 vào thiết kế lọc hốc ứng dụng hệ thống phát TX trạm thu phát gốc eNodeB Band 3, công suất chịu đựng cải thiện từ 148,9W lên 449,4W Kích thước trụ cộng hưởng bị giới hạn bán kính hốc Do đó, khả chịu đựng cơng suất lọc có giới hạn, việc chế tạo trụ cộng hưởng khó khăn Nhưng trụ cộng hưởng thường chế tạo cách đúc theo khn nên cấu trúc hồn tồn khả thi chế tạo Với lọc hệ thống 5G, dễ dàng nhận thấy kích thước hốc cộng hưởng nhỏ so với 4G, phù hợp với ứng dụng hệ thống MIMO KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nội dung kết đạt luận án Nội dung luận án trình bày nội dung sau: Thứ tổng quan lọc gồm đặc tính lọc, quy trình thiết kế, mơ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần Thứ hai mơ hình hóa đánh giá lượng trường điện từ hốc đơn, đường ghép ghép chéo Thứ ba đề xuất cấu trúc lọc hốc nhằm cải tiến đặc tính lọc Gồm ba đề xuất: Cải tiến cấu trúc liên kết điện từ hai hốc kề nhằm đạt hệ số liên kết lớn hơn; cải tiến cấu trúc liên kết chéo kiểu điện dung nhằm cải tiến độ dốc lọc cho phép tinh chỉnh tinh hơn; cải tiến độ chịu đựng công suất lọc nhờ giảm cường độ điện trường lớn Các cải tiến áp dụng vào mơ hình thiết kế lọc hốc cộng hưởng sử dụng trạm thu phát gốc 4G 5G để đánh giá hiệu đề xuất Đóng góp khoa học luận án Các đóng góp khoa học luận án thể thơng qua nội dung phân tích thiết kế với kết đạt chương Để tường minh hơn, đóng góp khoa học đưa sau: Cải tiến cấu trúc ghép hai hốc cộng hưởng - Thứ đường ghép hai hốc liền kề, nghiên cứu sinh đề xuất bổ sung đường kim loại nối hai trụ cộng hưởng Do lượng từ trường tập trung đáy hốc nên cấu trúc làm tăng hệ số ghép từ trường Độ rộng băng tần ghép CBW có phụ thuộc vào thay đổi chiều cao chiều dài đường kim loại Kết mô độ rộng băng tần ghép tăng lên ~ lần chiều cao kim loại = 10mm chiều dài 15m, tăng ~2 lần chiều dài đạt lớn chiều cao = 4mm - Thứ hai đề xuất cải tiến đường ghép kiểu C hai hốc không liền kề Cấu trúc đề xuất thêm ốc tinh chỉnh kim loại đặt miếng điện mơi PTFE Từ đó, thành phần tụ điện phân bố bổ sung, làm thay đổi sơ đồ tương đương mạng ghép Kết mô thu độ dốc lọc cải thiện, tinh chỉnh độ dốc lọc dễ dàng Các cấu trúc ứng dụng cho lọc băng tần khác lọc hốc cộng hưởng dạng đồng trục Kết trình bày [TC3-TC4], [HC2] Cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng nhằm tăng độ chịu đựng công suất lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Trong đó, khối nón cụt kim loại đặt phía miệng trụ cộng hưởng hình trụ trịn có Bằng cách tối ưu góc nghiêng khối nón trụ cộng hưởng, chiều cao nón, cường độ điện trường giảm đạt cực tiểu π/6 Cường độ điện trường lớn hốc cộng hưởng giảm làm PH cải thiện Ngồi ra, quy trình thiết kế hốc cộng hưởng đơn để thỏa mãn yêu cầu PH đề xuất Để đánh giá hiệu quả, lọc hốc TX mạng 4G băng tần 1805-1880 MHz 5G băng tần 3600-3800 MHz thiết kế Kết quả, PH trạm 4G cải thiện từ 148.9W lên 449.4W, mạng 5G cải thiện từ 682W lên 1028W Cấu trúc cịn áp dụng băng tần hệ thống khác phù hợp với ứng dụng lọc công nghệ hốc cộng hưởng Đề xuất trình bày [HC3] Đề xuất giải pháp tính tốn thiết kế, mơ phỏng, chế tạo, tinh chỉnh lọc song công (duplexer) đồng trục siêu cao tần hồn chỉnh Trong đó, nghiên cứu sinh tổng hợp, hệ thống hóa thành quy trình, giúp dễ dàng thực làm chủ cơng nghệ Bộ song công đồng trục siêu cao tần Band băng thông 75MHz thiết kế, chế tạo thử nghiệm Kết đánh giá cho thấy Duplexer hoàn toàn đáp ứng tiêu kỹ thuật đặt ra, hoàn toàn ứng dụng trạm thu phát gốc hệ thống di động 4G Kết trình bày [TC1-TC2], [HC1] Hướng phát triển luận án Để hoàn thiện cho kết nghiên cứu đạt được, thời gian tiếp theo, luận án thực chế tạo, đo kiểm với số cấu trúc đề xuất để đánh giá, so sánh với thiết kế mô Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông lọc đề xuất cho đáp ứng việc ứng dụng hệ thống thông tin băng rộng Nghiên cứu áp dụng cấu trúc đề xuất sang công nghệ khác công nghệ siêu vật liệu, planar 20 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Tran Thi Thu Huong, Nguyen Xuan Quyen, Duy Do Huy, Vu Van Yem and Do Trong Tan (2017), “10th Order Vacuum Resonator Filter Simulation with Two Transmission Zeros”, The 2017 Vietnam - Japan Microwave, Ha Noi, Viet Nam, pp.52-55 Tran Thi Thu Huong, Nguyen Xuan Quyen, Vu Van Yem (2017), “Modeling and design of a vacuum resonator filter for LTE-A transceiver with two cross couplings”, The University Of Danang, Journal Of Science And Technology, No 11(120).2017, Vol.4, pp.27.31 Tran Thi Thu Huong, Nguyen Xuan Quyen and Vu Van Yem (2018), “Model And Design Of A Duplexer For Lte-A Transceiver With Hexagon Cylinder Cavities”, JP Journal of Heat and Mass Transfer, Special Volume, Issue III, Advances in Mechanical System and ICTconvergence, pp.381 – 386 http://dx.doi.org/10.17654/HMSI318381 Trần Thị Thu Hường, Tô Thị Thảo Nguyễn Trọng Đức (2018), “Phương pháp tăng độ rộng băng tần ghép hai hốc cộng hưởng”, Kỷ yếu hội nghị quốc gia lần thứ XXI điện tử, truyền thông công nghệ thông tin (REV-ECIT 2018), trang 178-183 Tran Thi Thu Huong, Anh Do Tuan, To Thi Thao, Van Yem Vu (2019), “A Novel Resonator Structure to Improve Power Handling Capacity in Iris Coupled Cavity Filter”, 2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 98-102 Tran Thi Thu Huong and Vu Van Yem (2021), “A Novel Capacitive Cross - Coupling for enhancement of Microwave Cavity Filter”, gửi để đăng tạp chí JST: Smart Systems and Devices gửi tháng 4/2021, có kết phản biện lần tháng 10/2021 Tran Thi Thu Huong and Vu Van Yem (2021), “A New Method for Enhance the Pass Band Ripple in Coaxial Cavity Filter”, gửi đăng tạp chí Journal of Electrical and Electronics Engineering (JEEE), tháng 8/2021  ... ? ?Nghiên cứu phát triển lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần? ?? Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu    Mục tiêu nghiên cứu Cải tiến cấu trúc lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu. .. QUAN VỀ BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Nội dung trình bày chương bao gồm kết nghiên cứu tổng quan lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần Trong bao gồm tổng quan vai trị ứng dụng lọc hốc hệ... HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Chương trình bày kết nghiên cứu cấu trúc mô hình hóa lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần Áp dụng kiến thức trình bày Chương để thực thiết kế lọc hốc cộng