Đặc điểm về độ chịu đựng công suất của bộ lọc là một trong những đặc tính quan trọng của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin công suất lớn. Vì vậy, trong chương này, nghiên cứu sinh trình bày đề xuất phương pháp cải tiến độ chịu đựng công suất của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần. Trước hết là trình bày các kết quả phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính chịu đựng công suất. Từ đó, đề xuất một giải pháp cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng, xây dựng quy trình thiết kế bộ lọc sao cho đạt được mức công suất chịu đựng theo yêu cầu, áp dụng cấu trúc đề xuất này vào thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng tuyến phát (TX) cho hệ thống trạm thu phát 4G và 5G nhằm kiểm nghiệm hiệu quả của đề xuất.
4.1. Phân tích về đặc tính chịu đựng công suất của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần siêu cao tần
Khả năng chịu đựng công suất là mức công suất có thể cung cấp cho thiết bị mà không gây ra hiện tượng đánh hỏng. Công suất chịu đựng gồm công suất tối đa là công suất có thể cung cấp cho sản phẩm trong thời gian ngắn, công suất danh định mô tả công suất tối đa cho phép, ngay cả khi hoạt động vĩnh viễn. Xét bộ lọc hốc cộng hưởng có cấu trúc hốc tựa đường truyền đồng trục. Trước hết là xem xét đặc điểm về khả năng chịu đựng công suất của đường truyền đồng trục nói chung và bộ lọc hốc sử dụng cấu trúc này nói riêng.
Đặc điểm về khả năng chịu đựng công suất của đường truyền đồng trục
Khi thiết kế bộ lọc hoạt động ở công suất cao, người thiết kế thường phải tính đến các tác động như hiện tượng đánh thủng đa tác nhân (là đánh thủng cộng hưởng điện tử), đánh thủng do ion hóa, nhiễu xuyên điều chế thụ động (PIM), đánh thủng công suất cao liên quan đến nhiệt và sự lệch hưởng.
Hiện tượng đánh thủng đa tác nhân là cơ chế đánh thủng trong môi trường chân không RF mà ở đó sự cộng hưởng làm tăng trao đổi điện tử tự do giữa hai bề mặt. Cường độ trường sinh ra khi các điện tử bắn phá các vách hốc cộng hưởng sinh ra các điện tử thứ cấp.
Hiện tượng đánh thủng ion hóa là hiện tượng đánh thủng khí RF (như không khí), ở đó mật độ điện tử ban đầu thấp tăng lên giống hiện tượng tuyết lở, biến khí cô lập thành plasma dẫn. Đánh thủng ion hóa xảy ra do áp suất cao.
93
Điện trường của một đường dây đồng trục biến thiên theo một hàm của vị trí dọc theo đường hướng tâm từ dây dẫn bên ngoài đến dây dẫn bên trong (ký hiệu là "ρ" trong hệ tọa độ xuyên tâm).
V0
E
ln D d
(4.1)
Trong đó, D đường kính ngoài của cáp đồng trục, d là đường kính của lõi, V0 là biên độ điện áp. Cường độ điện trường lớn nhất xuất hiện ngay trên bề mặt của lõi.
peak.max d V E d 2 ln D / d (4.2)
Công suất đỉnh có thể đặt vào cáp với điều kiện phối hợp trở kháng tốt, có thể suy ra từ điện áp đỉnh: 2 peak.max peak.max 0 V P 2 Z (4.3)
Với Z0 là trở kháng đặc trưng của cáp đồng trục.
0 r 60 ln D d Z (4.4) Từ đó: 2 2 d r peak.max E d 2 ln D d P 120 (4.5)
Phương trình trên chính là biểu thức tính khả năng chịu đựng công suất đỉnh lớn nhất của cáp đồng trục. Công suất này tỉ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường lớn nhất trên bề mặt của lõi cáp, bình phương đường kính lõi và tỉ lệ thuận với logarit tỉ số đường kính vỏ ngoài của cáp trên đường kính của lõi cáp. Trong trường hợp không phối hợp trở kháng phía nguồn và tải, tỉ số sóng đứng điện áp VSWR cao, điện áp đỉnh có thậm chí có thể tăng gấp đôi, công suất vượt quá mức điện áp chịu đựng được.
Đánh giá yêu cầu về độ chịu đựng công suất trong máy thu phát sóng vô tuyến
Trong thiết phân tích thiết kế bộ lọc chịu đựng công suất cao, cần tính toán độ dự phòng cho thiết bị, các khía cạnh quyết định đến mức công suất yêu cầu gồm
94
Gọi Po là công suất làm việc trung bình, Pe là công suất đỉnh của bộ lọc. Công suất đỉnh thường phải được xét đến khả năng kiểu điều chế, tính phối hợp trở kháng, số lượng sóng mang.
Nếu mất phối hợp trở kháng, công suất đỉnh
2
e 0
P (1 ) P (4.4) Khi Г= -1 (ngắn mạch), Pe = 4P0
Khi mất phối hợp trở kháng, trên đường truyền sẽ xuất hiện công suất phản xạ đáng kể. Bộ lọc phải chịu đựng cả công suất sóng tới và công suất sóng phản xạ. Do đó, độ chịu đựng công suất của bộ lọc sẽ giảm đi đáng kể. Khi phối hợp trở kháng càng tốt thì PH đạt được càng tăng.
Xét độ chọn lọc của bộ lọc càng tăng, nghĩa là khả năng loại bỏ các tín hiệu ngoài băng thông càng tốt, ngăn các thành phần tín hiệu không mong muốn truyền qua, bộ lọc sẽ không phải chịu đựng thêm các công suất của tín hiệu ngoài băng. Do đó, khi độ dốc của bộ lọc càng tốt thì PH càng tăng.
Với các kiểu điều chế khác nhau (hay giao diện vô tuyến khác nhau) sẽ làm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) khác nhau. Ví dụ như với công nghệ OFDM trong hệ thống 4G thì PAPR trong khoảng 8,15dB đến 11.43dB và F-OFDM (Filtered-OFDM) trong triển khai mạng 5G trong khoảng 9,83dB đến 13,1 dB [72]. Hệ thống 4G có công suất đầu ra PA lớn nhất có thể lên đến 60Wx4 sóng mang, thì phải phân tích công suất đỉnh Pe khoảng 834W. Hệ thống 5G với dòng thiết bị AAU của nhà cung cấp Huawei, công suất lớn nhất của đầu ra RRU băng C là 53dBm [73], công suất đỉnh lớn nhất tương ứng Pe khoảng 1600W.
Với các hệ thống đa sóng mang, công suất đỉnh Pe cho N sóng mang:
2
e 0
P N P (4.5) Ngoài ra, mức dự phòng cho thiết kế là cần thiết do tính chất thay đổi của điều kiện môi trường, dung sai sản xuất, hoặc thậm chí là kinh nghiệm của nhà sản xuất. Trong công nghiệp, dải dự phòng thường từ 0 – 6dB, dự phòng càng cao giá thành càng đắt. Chỉ số này được các kỹ sư và các nhà nghiên cứu khuyến nghị trong tiêu chuẩn ESA
95
[74] những lý do này mà mặc dù công suất đầu ra của mỗi sóng mang chỉ vài chục W nhưng yêu cầu về công suất chịu đựng của bộ lọc thông dải trong các hệ thống thu phát vô tuyến từ vài trăm W đến hàng nghìn W.
Phân tích, tính toán thông số về khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc (PH)
Giả sử đầu vào của bộ lọc được nối với trở kháng nguồn Rs, đầu ra bộ lọc nối với trở kháng tải RL. Công suất đầu ra của bộ lọc được xác định bởi RL và cường độ dòng điện ra in của hốc cộng hưởng thứ n [51]: 2 L n 1 P R i FBW 2 (4.6) Trong đó: 2 1 0 FBW (4.7)
Với ω2, ω1 và ω0 là tần số góc biên trên và biên dưới của dải thông, ω0 là tần số góc trung tâm.
Hơn nữa, năng lượng điện trường Wres được lưu trữ trong hốc cộng hưởng thứ i tỉ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường của hốc cộng hưởng [51]:
𝑊𝑟𝑒𝑠 ∝ 𝐸02 (4.8) Cho công suất đầu vào là 1W, điện áp nút phức của mạng lọc thông dải không tổn hao tìm được từ phương trình:
1
.
V Y I (4.9)
Trong đó, [Y] là ma trận dẫn nạp dải thông, là tổng của ma trận dẫn nạp điện dung và điện cảm tương ứng.
Y j Mc ML / (j) (4.10)
Năng lượng lưu trữ trong mỗi trụ cộng hưởng tại một tần số bất kỳ tại hốc thứ i được tính bởi công thức [75]. 2 2 res res i i f 1 W C V 1 4 f (4.11)
Trong đó, fres là tần số cộng hưởng của hốc, Ci và Vi tương ứng là tụ điện và điện áp nút i. Dựa vào bậc và cấu hình của bộ lọc, năng lượng lưu trữ lớn nhất của hốc có thể xảy ra tại bất kỳ hốc nào trong bộ lọc. Công suất chịu đựng được của bộ lọc có thể được tìm thấy bằng cách so sánh ngưỡng điện trường đánh thủng của không khí và điện trường
96
lớn nhất trong hốc có năng lượng lớn nhất. Công suất đánh thủng phụ thuộc vào cường độ điện trường lớn nhất được tính theo công thức sau [55]:
2 br EM br res EM E W P W E (4.12)
Trong đó, Ebr[V/m] là cường độ điện trường đánh thủng vật liệu, ví dụ với vật liệu không khí Ebr = 3106V/m; WEM[W] là năng lượng điện từ trường chứa trong 1 hốc cộng hưởng. Wres[nJ/W] là năng lượng điện trường lớn nhất trong hốc cộng hưởng. EEM [V/m] là cường độ điện trường chứa trong hốc cộng hưởng. Pbr là công suất đỉnh của bộ lọc. Từ công thức (4.8) trên, nếu biết cường độ điện trường đỉnh thì sẽ tìm được năng lượng lưu trữ trong hốc cộng hưởng. Cuối cùng là có thể tìm được công suất đỉnh của bộ lọc. Phân tích cường độ điện trường lớn nhất trong hốc cộng hưởng đơn tại tần số trung tâm của bộ lọc trong Hình 4-1. Cường độ điện trường lớn nhấy hay năng lượng điện trường tập trung ở biên của trụ cộng hưởng và ốc tinh chỉnh. Từ phương trình trên, Pbr
tỉ lệ nghịch với EEM. Nên, nếu EEM giảm, Pbr tăng. Trong phần sau, tác giả trình bày phương pháp giảm cường độ điện trường EEM l lớn nhất nhằm tăng khả năng chịu đựng công suất Pbr.
(a) (b)
Hình 4-1: a). Mô hình hốc cộng hưởng đơn. b). Mô phỏng cường độ điện trường trong hốc cộng hưởng đơn
Tổng quan về các phương pháp thiết kế tăng độ chịu đựng công suất của bộ lọc
Trong thiết kế bộ lọc thông thấp mẫu có thể: Sử dụng độ rộng băng tần lớn nhất có thể để giảm năng lượng lưu trữ trong các hộp cộng hưởng. Tránh hoạt động gần biên của dải thông. Ngoài ra, di chuyển các đường ghép chéo xa khỏi cổng vào, tránh thiết kế các điểm không của hàm truyền bất đối xứng (ma trận ghép bất đối xứng) [76].
97
Trong thiết kế vật lý cần: Sử dụng kích thước các khe lớn hoặc tăng diện tích khe, giảm các góc cạnh để giảm cường độ trường lớn nhất chứa trong khe đó. Làm đầy các khe bằng các vật liệu điện môi, tránh thiết kế các góc cạnh, cần bo tròn các góc, giảm bớt ốc tinh chỉnh.
Phương pháp điều khiển ngoài: Thực hiện điều áp tại khí quyển hoặc tạo suất cao hơn; Chèn hoặc trộn loại khí khác vào như SF6; Sử dụng phân cực dc hoặc phân cực từ để làm nhiễu quỹ đạo điện tử và phá hủy điều kiện cộng hưởng. Phủ lớp rất mỏng vật liệu có mức phát xạ điện tử thứ cấp thấp. Ngoài ra, sự nhiễm bẩn vật liệu có thể làm giảm đáng kể hiệu suất.