cao tần
Như đã trình bày trong Mục 1.1, một bộ lọc thông dải siêu cao tần có rất nhiều chỉ tiêu, tham số liên quan đến nhau. Việc hoàn thành thiết kế, chế tạo một bộ lọc công nghệ
20
hốc cộng hưởng trong thực tế đòi hỏi nhiều vận dụng nhiều kiến thức, nhiều bước thực hiện nối tiếp nhau. Do đó, việc xây dựng lên một quy trình chi tiết là thực sự cần thiết.
(a) S 1 2 … k … N-1 N L S Ms1 Ms2 Msk Ms,N- 1 Ms,N Ms,L 1 M1S M11 M12 2 M2S M22 … i MiS Mi2 Mii … N- 1 MN- 1,S MN- 1,N-1 N MN,S MN2 MN,N L ML,S ML,L (b)
Hình 1-6: a) Sơ đồ mạch ghép giữa các hốc cộng hưởng; b) Dạng ma trận ghép [M]
Quy trình có lưu đồ như Hình 1-7 gồm các bước lớn như sau: Bước 1 gồm phân tích, tổng hợp bộ lọc nhằm tìm ra topo của bộ lọc sao cho đáp ứng được chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra; Bước 2 thực hiện tính toán kích thước của các phần tử cấu thành lên bộ lọc gồm hốc đơn, đường ghép chính, đường ghép chéo, tiếp điện hay ghép vào/ra; Bước 3 xây dựng, tối ưu bộ lọc hoàn chỉnh bằng phần mềm mô phỏng EM. Bước 4 bóc tách các
21
phần tử, dựng các bản vẽ bằng phần mềm cơ khí phục vụ sản xuất, lắp ráp. Bước 5 kết nối bộ lọc với máy đo VNA, tinh chỉnh bộ lọc bằng cách điều chỉnh các ốc vít và đầu dò để đạt chỉ tiêu kỹ thuật đề ra.
Bắt đầu
Phân tích yêu cầu kỹ thuật, tổng hợp bộ lọc Tính toán kích thước các phần tử bộ lọc Dựng bộ lọc đầy đủ Tối ưu bộ lọc bằng phần mềm mô phỏng EM Tinh chỉnh bộ lọc sau lắp ráp Kết thúc
Hình 1-7: Quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo tổng quát
Cụ thể như sau:
Bước 1: Tổng hợp bộ lọc
Việc phân tích các yêu cầu của bộ lọc bao gồm: Các giới hạn về đặc tuyến như tần số trung tâm, độ rộng băng tần, độ suy hao trong băng thông, suy hao do phản xạ, độ gợn dải thông, độ cách ly; Yêu cầu về kích thước gồm biên dạng chiều dài x rộng x cao, trọng lượng, các giao diện kết nối vào/ra, các khoảng dự phòng cho ốc tinh chỉnh, vị trí và kích thước của các lỗ khoét trên trụ cộng hưởng (blind holes); Yêu cầu về điều kiện môi trường như nhiệt độ hoạt động, độ ẩm; Yêu cầu khác như vật liệu phải không có từ tính.
Thứ hai là phác thảo dạng bộ lọc chính là xác định hình dạng của hốc cộng hưởng và trụ cộng hưởng. Hốc dạng tròn hoặc đa giác, đường kính D và chiều cao H của hốc cộng hưởng, chiều cao h và đường kính của trụ cộng hưởng d, chiều rộng x chiều cao x chiều dày của thành ghép giữa các hốc.
Thứ ba là tính bậc của bộ lọc (hay số hốc cộng hưởng cấu thành lên bộ lọc) căn cứ vào yêu cầu về độ rộng băng tần, suy hao trong dải thông, độ gợn của đặc tuyến truyền đạt trong dải thông, tần số cắt. Công thức tính toán đã trình bày trong Mục 1.2.
Thứ tư là xác định cách sắp xếp các hốc cộng hưởng theo sơ đồ hình tam giác, tứ giác và mối ghép mang tính điện dung hoặc điện cảm, ghép chính hoặc chéo nhau. Có
22
rất nhiều công cụ để thực hiện việc này như CST 3D Designer, CMS,… Cuối cùng thu được ma trận ghép các hốc, topo của bộ lọc. Trong đó, hệ số phẩm chất ghép vào/ra Qext
của hốc cộng hưởng, tần số cộng hưởng riêng của từng hốc, hệ số ghép năng lượng giữa các hốc, độ trễ nhóm của hệ số phản xạ được tính toán.
Kết quả đầu ra của bước này là đầu vào để dựng bộ lọc vật lý 3D cho bước tiếp theo.
Bắt đầu
Phân tích các yêu cầu của bộ lọc
Phác thảo hình dạng bộ lọc
Tính bậc của bộ lọc
Xác định topo của bộ lọc
Hình 1-8: Quy trình tổng hợp bộ lọc Bước 2: Tính toán kích thước các phần tử bộ lọc
Thứ nhất là xây dựng hốc cộng hưởng đơn, xác định kích thước sao cho hốc cộng hưởng tại tần số trung tâm của dải thông và có hệ số phẩm chất tốt. Bộ tham số kích thước gồm kích thước hốc (chiều dài x chiều rộng x chiều cao), kích thước trụ cộng hưởng resonator (bán kính trong x bán kính ngoài x chiều cao), kích thước ốc tinh chỉnh (chiều dài) có tính đến khoảng dự phòng cho việc tinh chỉnh và chế tạo.
Ví dụ: Với hốc dạng đồng trục, xác định đường kính trong D của khoang cộng hưởng và đường kính ngoài của trụ lõi đồng trục dựa vào công thức tính trở kháng đặc tính tại
0
Z 76 để đạt hệ số phẩm chất không tải Qu tối đa:
0 r 60 D Z ln d (1.33)
23
Thiết kế hốc và trụ cộng hưởng đơn
Xác định chiều rộng, cao, dày của Irises
Tính toán các giá trị g
Tính toán điện kháng ghép Xj,j+1
Tính toán hệ số phân cực từ trường khởi tạo Mj,j+1
Tính chiều rộng và dài từ đồ thị của Mathei Tính hệ số phân cực từ trường bù (Mj,j+1)comp Tính chiều rộng và dài từ đồ thị
Hình 1-9: Sơ đồ các bước tính toán, thiết kế các phần tử bộ lọc
Đối với chiều dài của trụ cộng hưởng, chọn L xấp xỉ bằng / 4 , với λ là bước sóng trung tâm.
Thứ hai là thiết kế các đường ghép khe điện từ (Iris) giữa các hốc cộng hưởng liền kề bao gồm nhiều bước nhỏ. Căn cứ vào yêu cầu về độ suy hao trong băng, độ gợn trong dải thông, bậc của bộ lọc, tính các giá trị gij của bộ lọc thông thấp mẫu. Từ đó tính giá trị điện kháng chuyển đổi X , hệ số chuyển đổi J và K, hệ số ghép M và độ rộng băng ij tần ghép
Bước 3: Dựng bộ lọc đầy đủ
Thiết kế đường tiếp điện
Dựng bộ lọc hốc cộng hưởng đầy đủ Thiết kế liên kết chính, liên kết chéo
Hình 1-10: Các bước dựng bộ lọc đầy đủ
Thứ nhất là thiết kế đường ghép kiểu từ cảm tương tự như bước xác định chiều dài của khe. Thiết kế cấu trúc ghép kiểu C (ví dụ cấu trúc như Hình 1-11 dưới đây). Thực hiện thay đổi chiều dày của quả chuông để đảm bảo điểm TZ0 hay đỉnh thấp nhất của
21
S về đúng tần số trung tâm như bước tổng hợp bộ lọc. Độ rộng băng tần ghép đạt khoảng 20MHz.
24
a) b)
Hình 1-11: a) Ví dụ về cấu trúc ghép chéo kiểu L; b) Ví dụ về cấu trúc ghép chéo kiểu C
Thứ hai là thiết kế cấu trúc ghép vào/ra của bộ lọc: Ghép bộ lọc với bên ngoài qua hốc đầu tiên và cuối cùng, được gọi là các hệ số ghép vào/ra (external couplings), và thường được đánh giá qua các giá trị Q Q ext
Hốc cộng hưởng được ghép tới port I/O bởi 1 đường tiếp điện. Đường tiếp điện này có thể là 1 cái đĩa tụ điện, điện cảm, tiếp điện trực tiếp. Q tìm được bằng cách đo độ ext rộng 3dB của đường cong f3dB (Qext f / f0 3dB).
Từ ma trận ghép có Qext f / (BW M0 012). Q càng thấp thì BW càng cao. Khi ext mô phỏng, thay đổi chiều cao của điểm tiếp điện để quét xác định Q . ext
Thứ ba là ghép nối các bộ giá trị kích thước trên để được bộ lọc hốc cộng hưởng hoàn chỉnh.
Bước 4: Tối ưu bộ lọc bằng phần mềm
Thứ nhất là tối ưu đặc tuyến truyền đạt của bộ lọc về đúng dải tần hoạt động bằng cách mô phỏng độ trễ nhóm của bộ lọc. Đỉnh của độ trễ nhóm phải trùng với tần số trung tâm, độ lớn phải bằng với giá trị đã tính toán bằng tổng hợp bộ lọc.
Thứ hai là tối ưu thủ công, thay đổi từng ốc của mỗi hốc cộng hưởng sao cho đủ số đỉnh min của S . Tìm các đỉnh của điểm trũng 11 S , thay đổi độ sâu của ốc để kéo đỉnh 21 về gần mục tiêu của S . 21
Thứ ba là tối ưu thủ công điểm 0 của hàm truyền bằng cách thay đổi độ dày của quả chuông trong phần tử C phân bố, sao cho có điểm TZ0. Độ rộng băng tần điểm 0 khoảng 20MHz, đỉnh 2 bên bờ của điểm TZ0 nhỏ hơn -100dB. Và tâm của băng tần này nằm trùng với điểm tần số dự kiến là trung tâm của điểm TZ0.
25 Kéo đặc tuyến về đúng dải tần
Tối ưu thủ công đặc tuyến
Tối ưu thủ công điểm TZ0
Tối ưu bằng phần mềm
Đánh giá chỉ tiêu
Không đạt
Đạt
Bộ lọc 3D mô phỏng hoàn chỉnh
Hình 1-12: Quy trình tối ưu bộ lọc bằng phần mềm
Thứ tư là tối ưu tự động bằng phần mềm. Thuật toán tối ưu thường dùng CMA Evolution Strategy. Giá trị cho phép các tham số thay đổi trong khoảng 8-15% để đảm bảo hội tụ. Mục tiêu chú trọng S21 1dB trong dải thông với trọng số 300. S11 15dB với trọng số 1. S trong dải chắn < -100dB với trọng số 1. Nếu tối ưu không hội tụ thì 21 thực hiện thay đổi giá trị của đường ghép, thường làm cách cho băng tần ghép rộng hơn. Các bước thay đổi chiều sâu của ốc thường nhỏ, khoảng 0,5mm. Nếu không đạt về độ dốc, cần điều chỉnh lại đường ghép chéo, giống bước trên.
Bước 5: Tinh chỉnh bộ lọc trong sản xuất
Trước hết nối bộ lọc với máy phân tích mạng VNA 2 cổng. Theo dõi, hiển thị S11 và S đồng thời. Thứ tự tinh chỉnh hốc 1 và hốc n trước nhất. Các hốc ở giữa tinh chỉnh 12 sau. Trong khi tinh chỉnh hốc kế tiếp thì cần phải quay lại điều chỉnh hốc đã điều chỉnh do có sự ghép nối, ảnh hưởng qua lại giữa 2 hốc cạnh nhau. Tiến trình tinh chỉnh được thực hiện tuần tự từ hốc bên ngoài đến các hốc ở giữa. Trong quá trình tuning, quá trình được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được IL và RL trong dải thông được tối ưu nhất. BW càng rộng thì càng giảm được IL trong dải thông nhưng lại khó đạt chỉ tiêu về độ dốc.
26
Do đó BW phải hiệu chỉnh để cần bằng giữa IL và độ dốc. Trong quá trình tinh chỉnh ốc đường ghép thì cần phải điều chỉnh bước nhỏ ốc của hốc cộng hưởng. Nếu RL và IL không thể đạt được như mong đợi thì cần gảy đầu dò lên xuống.
Bộ lọc đã lắp ráp
Tinh chỉnh ốc của mỗi Resonator để đạt được tần số trung tâm của bộ lọc Tinh chỉnh ốc Coupling để đạt được độ
ghép giữa resonator để hiệu chỉnh BW của bộ lọc
Gảy đầu probe để hiệu chỉnh hệ số phản xạ: Điều chỉnh khoảng cách giữa probe
cavity. Kết thúc
Hình 1-13: Quy trình tinh chỉnh bộ lọc sau lắp ráp