1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐỨC UYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2019 Cơng trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Quốc Trinh PGS TS Lê Vĩnh Hà Phản biện 1: PGS TS Trần Xuân Tú PGS TS Bùi Ngọc Mỹ Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS TS Tạ Minh Đức Tổng cục 2, Bộ Q́c Phòng Phản biện 3: PGS TS Bùi Ngọc Mỹ Viện Khoa học và Công nghệ quân Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện, họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi……h……, ngày…….tháng……năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Bộ lọc đóng vai trò khơng thể thay các hệ thống vô tuyến điện tử Mặc dù các cơng trình nghiên cứu thiết kế trước ứng dụng có nhiều thành tựu song hạn chế cần khắc phục độ chọn lọc tần sớ chưa cao, chế tạo tương đới phức tạp, kích thước chưa tới ưu, chưa giảm đáng kể các tổn hao Việc nghiên cứu xây dựng, đề xuất số cấu trúc cộng hưởng để ứng dụng cho thiết kế các lọc siêu cao tần dựa cơng nghệ vi dải là nội dung đề tài luận án nghiên cứu mà nghiên cứu sinh thực Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất các cấu trúc cộng hưởng và ứng dụng thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa cơng nghệ vi dải có khả độc lập thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng các băng tần Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung nghiên cứu lý thuyết siêu cao tần, nghiên cứu cấu trúc cộng hưởng siêu cao tần, các cấu trúc cộng hưởng dùng thiết kế lọc dựa công nghệ vi dải Xây dựng số cấu trúc ứng dụng cho thiết kế các lọc siêu cao tần dựa công nghệ vi dải Thiết kế chế tạo các lọc nhiều băng tần, lọc dải rộng và siêu rộng tương đối gọn nhẹ kích thước trọng lượng, đơn giản cấu trúc, nâng cao tính chọn lọc Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết các mạch cộng hưởng siêu cao tần Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế để đề xuất các cấu trúc mới, so sánh kết với các kết nghiên cứu trước cấu trúc, tính năng, kích cỡ Thực phần mềm HFSS 15.0 để mơ sau chế tạo sản phẩm, thực đo kiểm, chứng minh lý thuyết So sánh kết đo lường và mô để đưa kết luận, đánh giá sản phẩm Nội dung nghiên cứu luận án Dựa vào cộng hưởng nửa bước sóng, phần tư bước sóng đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch để xây dựng các cấu trúc cộng hưởng có khả điều chỉnh và thiết lập độc lập các tần số cộng hưởng các băng tần Ứng dụng cấu trúc cộng hưởng đề xuất thiết kế xây dựng đưa cấu trúc lọc siêu cao tần dựa tảng cơng nghệ vi dải mới, có tính thực tiễn cao Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý Nghĩa khoa học: Đề xuất các cấu trúc cộng hưởng dựa sở các cấu trúc cộng hưởng tính toán và ứng dụng thiết kế, chế tạo mạch lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng và băng siêu rộng dựa cơng nghệ vi dải có khả độc lập thiết lập và điều chỉnh tần số cộng hưởng các băng Ýnghĩa thực tiễn: Các kết đạt luận án phù hợp với đáp ứng nhu cầu thực tiễn các hệ thống thông tin, viễn thơng và phù hợp với thực tiễn có kết cấu nhỏ gọn dễ ràng phối ghép với các thiết bị vô tuyến điện lĩnh vực lọc đa băng tần và băng rộng, siêu rộng Bố cục luận án Bố cục luận án bao gồm: Mở đầu, ba chương và kết luận Mở đầu đưa tính cấp thiết đề tài, mục tiêu, đối tượng phạm vi, nội dung phương pháp nghiên cứu, đóng góp luận án Chương giới thiệu tổng quan cộng hưởng vi dải, lọc siêu cao tần dùng các hệ thống thông tin vô tuyến Tại chương tổng hợp lý thuyết cộng hưởng bản, sở tính toán để xây dựng cấu trúc cộng hưởng Trong chương đề xuất phát triển các lọc siêu cao tần nhiều băng thông, băng rộng, siêu rộng dựa công nghệ vi dải và kết luận kết nghiên cứu, đóng góp luận án, hướng nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1 Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến Bộ lọc là loại thiết bị chọn lọc tần số đặc biệt, tùy theo cách thiết kế và lắp đặt có tác dụng cho phép dải tần số định qua và chặn lại các tần sớ nằm ngoài dải ngược lại chặn lại dải tần sớ nào và cho qua các tần sớ nằm ngoài dải tần sớ là phần tử thiếu các thiết bị vô tuyến điện tử Về kết cấu, lọc là mạng bớn cực có suy giảm đặc tính một, hay số khoảng định thang tần số, tần số này qua gọi là thông dải bị chặn lại gọi là dải chặn 1.2 Phân loại lọc siêu cao tần 1.2.1 Bộ lọc dạng sóng 1.2.2 Bộ lọc phân cực 1.2.3 Bộ lọc tần số Là lọc quan tâm, kết cấu sóng dải tần sớ định qua và đảm bảo suy hao mức nhỏ nhất, và chặn lại hoàn toàn sóng không thuộc dải này Phân chia theo dải tần số lọc có loại 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước đến thời điểm lọc lọc đa băng tần, băng rộng siêu rộng 1.3.1 Các nghiên cứu cấu trúc lọc thời điểm 1.3.1.1 Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải 1.3.1.2 Bộ cộng hưởng ghép nối 1.3.1.3 Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ 1.3.1.4 Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn Đối tượng lọc giả xen kẽ là phát triển các lọc thông dải vi băng nhỏ gọn và phối hợp với hiệu suất cao, là dễ dàng thiết kế điều chỉnh và thay đổi tần sớ cộng hưởng mong ḿn và chi phí thấp 1.3.2 Các nghiên cứu cấu trúc lọc đa băng tần, băng rộng siêu rộng, thời điểm Cùng với phát triển truyền thông không dây cấu trúc lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng phát triển mạnh mẽ, các cơng trình nghiên cứu liên tục công bố Trong phần này sâu phân tích so sánh các cơng trình liên quan tiêu biểu đối với các nghiên cứu thực tế luận văn, để từ đưa so sánh và phát triển theo hướng tích cực để luận án hoàn thiện tớt 1.3.2.1 Tình hình nghiên cứu lọc hai băng tần Mặc dù lọc sử dụng hai băng tần sử dụng số trang thiết bị vô tuyến điện tử dùng và luận án này khơng nghiên cứu nên không đề cập so sánh sâu 1.3.2.2 Tình hình nghiên cứu lọc ba băng tần bốn băng tần Trong tài liệu [90], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) đưa thiết kế lọc ba băng tần cách đưa hai điểm truyền không vào dải đáp ứng băng rộng Các điểm truyền không thu cách sử dụng các đoạn song song hở mạch có cộng hưởng tương ứng với vị trí các điểm truyền không, đáp ứng băng rộng dựa đoạn phần tư bước sóng Đáp ứng lọc này cho thấy, lọc có hiệu suất vùng chắn dải Hơn nữa, kích thước tổng thể lọc là lớn Trong tài liệu [114], tác giả VanPhuong DO (Đỗ Văn Phương) đưa thiết kế lọc bốn băng tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng nhiều chế độ, cách kết hợp hai cộng hưởng phần tư bước sóng ngắn mạch và hai cộng hưởng nửa bước sóng hở mạch Bộ lọc này có ưu điểm là điều chỉnh độc lập các tần số cộng hưởng trung tâm, nhiên sử dụng nhiều cấu trúc khác nên việc điều chỉnh độ rộng dải thông mỡi tần sớ cộng hưởng khó khăn, tín hiệu cao tần đồng thời truyền qua nhiều cấu trúc, mặt khác các cấu trúc khác phụ thuộc vào kích thước vật lý nên có ảnh hưởng đến việc điều chỉnh băng tần lọc Trong tài liệu [84], tác giả Nguyễn Trần Quang sử dụng cấu trúc cộng hưởng chữ thâp biến đổi kết hợp cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế lọc bớn băng tần Bộ lọc này có ưu điểm là điều chỉnh độc lập các tần số cộng hưởng, có nhược điểm hạn chế là độ dài cấu trúc nửa bước sóng phụ thuộc vào cấu trúc vật lý đoạn chêm hở mạch 1.3.2.3 Tình hình nghiên cứu lọc băng thơng rộng Trong tài liệu[10], cộng hưởng nửa bước sóng đoạn phân nhánh đơn sử dụng để thiết kế lọc băng thông hẹp với hai điểm truyền khơng, và sau đó, lọc này thay đổi để thiết kế lọc băng thông rộng [95] Trong tài liệu [115], tác giả Minh Tan Doan (Đoàn Minh Tân) sử dụng cấu trúc cộng hưởng vòng nhiều chế độ kết hợp với các đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch để thiết kế lọc băng thơng rộng Mặc dù lọc điều chỉnh độ rộng băng tần thông qua điều chỉnh chiều dài đoạn chêm hở mạch và ngắn mạch, phân đoạn băng thông 100.8% là tương đối rộng Tuy nhiên, độ xác chế tạo hạn chế, khó để thực các đường ghép có trở kháng cao và khoảng cách ghép chặt chẽ 1.3.2.4 Tình hình nghiên cứu lọc băng thơng siêu rộng Trong năm gần lọc thông dải băng thông siêu rộng UWB với hiệu suất cao là thành phần thiết yếu các hệ thống truyền thông không dây Các lọc thông dải băng thông siêu rộng vi dải nhận nhiều ý ưu điểm kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo, và phát triển các tài liệu tham khảo [100]-[102] Trong [100], lọc thông dải siêu rộng sử dụng cộng hưởng vòng đưa Bằng cách tạo cộng hưởng nhiều chế độ và ghép song song với các đường nửa bước sóng và phần tư bước sóng thu lọc thông dải siêu rộng với năm cực truyền [101] Để khắc phục số nhược điểm các lọc thông dải băng thông siêu rộng khác với dải băng chữ V sử dụng các cấu trúc khác đưa [103-108] Tuy nhiên, nghiên cứu mơ tả ứng dụng cộng hưởng vòng các lọc băng thông siêu rộng với nhiều dải chữ V dựa khái niệm nhiễu tín hiệu ngang Bộ lọc băng thơng siêu rộng trình bày luận văn phát huy ưu điểm, phần nào khắc phục hạn chế các lọc 1.4 Tiêu chí kỹ thuật chung mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng siêu rộng đề xuất Dải thông các băng tần mạch lọc thiết kế (Δ-3dB) có giá trị lớn 100MHz, các dải thông lọc, hệ sớ tổn hao chèn (IR) có giá trị tuyệt đối phải nhỏ 3dB, hệ số tổn hao phản hồi (RL) có giá trị tuyệt đới phải lớn 14dB (Theo tiêu chuẩn điện áp tỉ sớ sóng đứng VSWR đới với hệ thớng truyền dẫn vơ tuyến có chất lượng tớt có giá trị từ 1,1 đến 1,5) Ngoài Tiêu chuẩn 802.16-2004 [2] cho WiMAX dải tần số 2–11 GHz 3G tần số chọn 2.1 GHz, 4G ba tần số chọn 2.6 GHz; 1.8GHz; 800 MHz Cũng theo tiêu chuẩn FCC [31] quy định cho chuẩn băng siêu rộng có dải tần phân đoạn băng thơng(FBW) biên độ -10dB có giá trị lớn 20% gọi là băng siêu rộng UWB 1.5 Định hướng nghiên cứu Luận án Lựa chọn xác định băng tần mong muốn và độ rộng dải thông cần thiết kế, lựa chọn kiểu, cấu trúc cộng hưởng để đề xuất các cấu trúc lọc Thực ứng dụng phần mềm HFSS 15.0 để thiết kế mơ sau chế tạo sản phẩm, chạy thử nghiệm phần mềm và thực đo lường, chứng minh lý thuyết So sánh kết đo lường và mô để đưa kết luận, đánh giá các lọc nghiên cứu 1.6 Kết luận chương Đã giới thiệu, phân loại các lọc siêu cao tần, các nghiên cứu lọc đến thời điểm tại, đặc biệt giới thiệu và phân tích cấu trúc mạch cộng hưởng đường truyền vi dải là cấu trúc bản, tảng để xây dựng cấu trúc cộng hưởng Trên sở này, xây dựng tiêu chí kỹ thuật chung mạch lọc siêu cao tần nhiều băng, băng rộng và siêu rộng, thiết kế và đưa đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm luận án CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN Chương này nghiên cứu tính chất các cộng hưởng nửa bước sóng phới ghép sau đề xuất số cộng hưởng 2.1 Lý thuyết cộng hưởng khác 2.2 Đặc tính cộng hưởng nửa bước sóng Hình 2.1 (a) mơ tả cộng hưởng đường truyền mở với chiều dài 𝐿 = 𝜆𝑔 ⁄2 tương ứng Đường truyền Điện áp Hình 2.1 Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng (a) Bộ cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng; (b) Chuẩn hóa phân bố điện áp tần số cộng hưởng hài bậc hai Mạch cộng hưởng vi dải xảy cộng hưởng 𝑍𝑖𝑛 = ∞, điều có nghĩa là 𝑡𝑎𝑛𝛽𝐿0 = Khi 𝛽𝐿0 = 𝜋, ta có mới quan hệ hệ sớ truyền sóng điện từ và chiều dài 𝐿0 , với 𝛽 = 𝜋⁄𝐿0 , phần mạch cộng hưởng đường truyền có chiều dài 𝐿0 = 𝜆𝑔 ⁄2, tức là nửa bước sóng, lúc này hệ sớ truyền sóng là 𝛽 = 2𝜋⁄𝜆𝑔 Thay 𝛽 2𝜋⁄𝜆0 ta có bước sóng truyền dẫn có tần sớ cộng hưởng 𝜆𝑔 = 2𝐿0 Quan hệ bước sóng truyền dẫn và tần sớ cấu trúc là: 𝑓= 𝑓= 𝑐 𝜆𝑔 √𝜀𝑒𝑓𝑓 𝑐 2𝐿0 √𝜀𝑒𝑓𝑓 (2.10) (2.11) 2.3 Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm 2.3.1 Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) Hình 2.3 thể cấu trúc vật lý cộng hưởng đoạn chêm hở Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) đề xuất [28] bao gồm cộng hưởng nửa bước sóng microstrip thông thường và đoạn hở mạch thể hình 2.3 Chiều dài microstrip chêm hở gắn điểm tương ứng Hình 2.3 Cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) (a) Cấu trúc cộng hưởng chêm hở; (b) Chế độ lẻ; (c) Chế độ chẵn Kết đầu vào dẫn nạp cho chế độ lẻ biểu diễn (2.12-2.13) Yin, odd  Y1 j tan(1 / 2) (2.12) Trong  = L1 là chiều dài điện đường vi dải Khi Yin,odd = 0, tần số cộng hưởng chế độ lẻ suy là: (2n  1)c f odd  L1  e Các tần số cộng hưởng chế độ chẵn Z3 = 2Z2 = Z1: nc f even  ( L1  L2 )  e (2.13) (2.18) Từ công thức (2.18), có nghĩa là tần sớ cộng hưởng đầu tiên, cụ thể là f1_ fodd điều khiển tỷ số trở kháng đặc trưng và chiều dài điện đường nửa bước sóng Trong đó, từ cơng thức (2.18) tần số cộng hưởng thứ hai, cụ thể f2_ feven điều chỉnh cách điều chỉnh tỷ số trở kháng đặc trưng và chiều dài điện đường nửa bước sóng và đoạn hở mạch 11 𝑓𝜆 = 𝑐 (2.37) 𝐿0 √𝜀𝑒𝑓𝑓 f even  (2n  1)c 4( L1  L2 )  e (2.38) f odd  (2n  1)c L1  e (2.39) Cấu trúc cộng hưởng đa mốt với chế độ chẵn lẻ fodd; feven tạo tiếp các tần số fodd1; feven2 2.4.4 Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vng Hình 2.14 (a) thể bớ cục cộng hưởng vòng vng cấu trúc tương đương, bao gồm vòng vng đơn và hai đoạn đường gấp ghép xác định, hình 2.14 (b) (c) cấu trúc tương đương chế độ chẵn chế độ lẻ mạch cộng hưởng Hình 2.14 Cấu trúc mạch tương đương cộng hưởng vòng vng (a) Cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vng (b) Mạch tương đương chế độ chẵn (c) Mạch tương đương chế độ lẻ Các tần sớ chẵn lẻ tính tốn sau: f odd  f odd1  c 4( L1  L  Ls)  e c 2( L1  L )  e c  4( L1  L  Ls )  e f even  f even1 c 4( L1  L )  e (2.48) (2.49) (2.50) (2.51) 12 2.5 Kết luận chương Trong chương phân tích lý thuyết các cộng hưởng khác và đặc tính cộng hưởng vi dải, cộng hưởng 1/4 bước sóng cộng hưởng 1/2 bước sóng các cấu trúc cộng hưởng vòng vng và cộng hưởng chữ thập, đoạn chêm ngắn mạch, hở mạch từ đề xuất xây dựng các cấu trúc cộng hưởng dựa tảng các cấu trúc cộng hưởng bản, các cấu trúc này là tiền đề để thực thiết kế lọc thông dải đa băng tần và băng thơng rộng, siêu rộng có khả độc lập thiết lập và điều chỉnh các tần số cộng hưởng CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI 3.1 Giới thiệu phương pháp luận đề xuất thiết kế lọc 3.1.1 Giới thiệu chung Trong chương đưa các kết nghiên cứu đề xuất thiết kế xây dựng phải dựa sở tuân thủ theo các nguyên tắc tiêu kỹ thuật các lọc siêu cao tần sau: Tần số sử dụng theo quy định, công nghệ 4G(1.8Ghz); Wlan(2.4Ghz; 5Ghz –6 Ghz); WiMax(3.5Ghz; 5.2Ghz; 6Ghz) Băng thông -3dB phải  100Mhz Suy hao chèn (S21):  3d; Suy hao phản xạ (S11)  14dB 3.1.2 Phương pháp luận đề xuất thiết kế lọc siêu cao tần 3.1.2.1 Trình tự thiết kế lọc Việc đề xuất ý tưởng thực thiết kế lọc mới, sở việc nghiên cứu tham khảo tài liệu các lọc, tiến hành xây dựng lọc dựa cấu trúc cộng hưởng biến đổi, sau sử dụng phần mềm HFSS 15.0 chạy mơ phỏng, điều chỉnh kết tối ưu với các công trình trước khẳng định tính đắn lọc đề xuất và xuất liệu DATA, chế tạo lọc để thực đo kiểm thực tế 3.1.2.2 Mơ hình thực nghiệm mơ phòng thí nghiệm Sau chế tạo lọc, quá trình đo kiểm theo phương pháp truyền thống, dùng máy phát tần sớ siêu cao tần tương ứng sau 13 đưa tín hiệu vào lọc siêu cao tần, đầu lọc ta thu đưa lên máy sóng để phân tích, với phương pháp này có nhiều hạn chế và dùng Với phương pháp đo kiểm thực máy phân tích mạng vector, sau kết nối với lọc việc đặt tần sớ phát tương ứng, tín hiệu siêu cao tần trực tiếp phát từ máy phân tích mạng vector sau quá trình phân tích đo kiểm ta dễ ràng phân tích kết và đặc biệt thuận tiện cho việc xuất liệu Data cho máy tính 3.2 Kết thiết kế chế tạo, mô so sánh, đánh giá lọc ba băng bốn băng tần, băng rộng siêu rộng công nghệ vi dải 3.2.1 Bộ lọc bốn băng sử dụng cấu trúc chêm chữ thập vòng vng 3.2.1.1 Cấu trúc lọc Bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vng trình bày mục 2.4.3 bao gồm hai đoạn gấp hở mạch, vòng vng, đoạn ngắn mạch và hở mạch 3.2.1.2 Đặc tính cộng hưởng Vì cộng hưởng vòng vng đoạn chêm chữ thập là cấu trúc đối xứng, và phương pháp phân tích với cấu trúc đa mớt chế độ chẵn lẻ sử dụng cho đặc tính cộng hưởng vòng vng đoạn chêm chữ thập Bốn tần số cộng hưởng bốn dải thông xác định (3.1-3.4) 𝑓1 = 𝑓2 = 𝑓3 = 𝑓4 = 𝑐 4(𝐿1 +𝐿2 +𝐿𝑆 )√𝜀𝑒𝑓𝑓 𝑐 4(𝐿1 +𝐿2 )√𝜀𝑒𝑓𝑓 𝑐 2(𝐿1 +𝐿2 +𝐿0 )√𝜀𝑒𝑓𝑓 𝑐 2(𝐿1 +𝐿3 )√𝜀𝑒𝑓𝑓 (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) Để chứng minh ứng dụng này, bốn tần số cộng hưởng cụ thể là f1, f2, f3, và f4 SRCLR đề xuất cách điều chỉnh kích thước cộng hưởng (như phân tích mục 2.4.2) Bằng cách thay đổi chiều dài Ls, L0, và L3, số băng thông bị thay đổi, số giữ nguyên thay đổi không đáng kể 14 3.2.1.3 Thiết kế lọc kết Một nguyên mẫu lọc bốn băng thiết kế và chế tạo chất với r = 4.4 và h = 0.8 mm Hình 3.7 Cấu trúc lọc bốn băng Cấu trúc lọc bốn băng đề xuất thể hình 3.7, lọc bao gồm hai SRCLR với trở kháng đặc trưng Z = Z0 = Zs = Z3 Kích thước vật lý G1, Lc, và G2 điều chỉnh để đáp ứng các yếu tố chất lượng bên ngoài đầu vào/đầu mong muốn và hệ số ghép cho mỗi băng tần Sau tối ưu hóa cách sử dụng Ansoft HFSS 15, kích thước lọc bốn băng này xác định sau: W1 = 1.5, W2 = 1, Wc = 0.48, L1 = 14, L2 = 2.6, L3 = 7.8, L4 = 9.2, L5 = 5.8, L6 = 7, L7 = 3.3, L8 = 3.5, L9 = 6.7, Ls = 1.6, Lc = 10.1, G1 = 0.22, G2 = 1.2, và đường kính lỡ khun (via) là 0.6 (tính mm) Ảnh nguyên mẫu thể hình 3.8 Kết đo và mơ minh họa hình 3.9 Hình 3.8 Bộ lọc bốn băng thực tế chế tạo 15 Biên độ (dB) Trong kết mơ hình 3.9, băng thơng phân đoạn dB bốn dải thông (1.8/2.4/3.5 và 4.6 GHz) tìm thấy là 6.6/8.1/3.2, và 3%, tương ứng Tổn hao chèn nhỏ đo bao gồm tổn hao từ kết nối SMA là 1.4/1.5/1.8, và1.7 dB, tổn hao phản hồi lớn 24/14.5/13.5 và 16 dB, tương ứng Mức suy giảm tất các truyền không là 38 dB, điều này cho thấy cải thiện tính chọn lọc lọc tớt Kết đo ……… Kết mô Tần số, GHz Hình 3.9 Kết mơ đo lọc bốn băng đề xuất Bộ lọc bốn băng tần nhỏ gọn sử dụng cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng đề xuất Bằng phương pháp nhúng đoạn hở mạch, tần số trung tâm bớn băng thơng điều khiển độc lập tới giá trị mong muốn Hơn nữa, hiệu suất tốt, cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn và đơn giản khiến trở nên hấp dẫn cho truyền thơng khơng dây 3.2.1.4 So sánh đánh giá thiết kế lọc kết lọc bốn băng Bộ lọc bốn băng tần thiết kế với cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vng tạo bốn băng tần với các tần số cộng hưởng trung tâm là 1.8, 2.4, 3.5 và 4.6GHz Các tần số cộng hưởng trung tâm lọc hoàn toàn thiết lập và điều chỉnh độc lập So sánh với các cơng trình cơng bớ các tạp chí khoa học so với lọc bớn băng tần thiết kế các tiêu kỹ thuật cho thấy lọc đạt số tiêu tốt Kết So sánh lọc thiết kế với các cơng trình lọc bớn băng tần công bố [80 - 84] 16 3.2.2 Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm hình chữ thập cộng hưởng nửa bước sóng 3.2.2.1 Cấu trúc lọc Cấu trúc lọc đề xuất thể hình 3.10 Bộ lọc có sớ tính bật ba băng tần dải thông điều chỉnh độc lập, độ lựa chọn cao, nhỏ gọn, đơn giản, và chi phí thấp Bộ lọc vi dải thiết kế chất Rogers RT/duroid 5880 với số điện môi 2.2 chiều dày 0.508mm và tang tổn hao 0.0009 Hình 3.10 Cấu trúc hình học lọc ba băng đề xuất 3.2.2.2 Đặc tính cộng hưởng Đoạn chêm hình chữ thập đề xuất biến thể cộng hưởng đoạn chêm hở mạch thể mục 2.3.3 Theo cấu trúc phân tích dựa chế độ chẵn/lẻ tương ứng 3.2.2.3 Thiết kế lọc kết Bộ cộng hưởng cấu trúc chêm hình chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng và phân tích chế độ chẵn lẻ sử dụng cho đặc tính này [85], ba tần sớ cộng hưởng dải thông xác định (3.10-3.12) 𝑓01 = 𝑓02 = 𝑐 = (1.8~2.2𝐺𝐻𝑧) 2𝐿𝑎 √𝜀𝑒𝑓𝑓 𝑐 2(2𝐿4 +𝐿5 +2𝐿6 )√𝜀𝑒𝑓𝑓 𝑓03 = (𝐿 𝑐 𝑎 +2𝐿7 +𝐿8 )√𝜀𝑒𝑓𝑓 = (2.4~2.7𝐺𝐻𝑧) = (3.2~3.5𝐺𝐻𝑧) (3.10) (3.11) (3.12) 17 Các tần số f01, f02, f03 tương ứng với tần số cộng hưởng chế độ lẻ (6), tần số cộng hưởng nửa bước sóng (9) tần sớ cộng hưởng chế độ chẵn (8) Tần số, GHz Hình 3.13 So sánh đáp ứng lọc ba băng đề xuất Tần số trung tâm ba băng thông yêu cầu là f01 = GHz, f02 = 2.7 GHz, và f03 = 3.3 GHz Đáp ứng mô thể hình 3.13 Sau tới ưu hoá, lọc thiết kế nhỏ gọn chế tạo với quy trình mạch in hai lớp chi phí thấp chất lượng tốt, chất là Rogers RT/Duroid 5880 với số điện môi 𝜀𝑟 = 2.2 và độ dày 0.508 mm Hình 3.17 đưa ảnh lọc ba băng chế tạo đo phân tích mạng Vector Agilent N5245A Hình 3.17 Ảnh lọc ba băng tần chế tạo Các kết đo kiểm và kết mô phỏng, thực tế thu hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật lọc đề ra, điểm truyền không ba băng tần với vị trí các tần số 1.78, 2.25, 2.66, 2.93 và 3.58 GHz, tương ứng, giúp cải thiện hai sườn mỗi băng thơng, tăng tính chọn lọc lọc 18 3.2.2.4 So sánh thiết kế lọc kết lọc ba băng Cấu trúc lọc ba băng tần thiết kế là cấu trúc cộng hưởng kết hơp đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng có ưu điểm là các tần số dải thông điều chỉnh độc lập thuận tiện đến các giá trị mong muốn mà không phụ thuộc vào tổng chiều dài lọc sau xác định tần số trung tâm thứ và cố định tần sớ này, phân tích đưa minh chứng cấu trúc lọc thiết kế có giá trị ưu điểm vượt trội so với sớ cơng trình tiêu biểu 3.2.3 Bộ lọc thơng dải băng rộng sử dụng cộng hưởng đoạn ngắn mạch vòng vng 3.2.3.1 Cấu trúc lọc Cấu trúc cộng hưởng vòng vng đề cập 2.4.3 Bộ lọc xây dựng chất FR4 với số điện môi 4.4, chiều dày h=0.8mm và tan tổn hao là 0.0009 3.2.3.2 Đặc tính cộng hưởng c (3.15) f  4( L1  L2 )  eff odd f even  c 2( L1  L )  eff 3.2.3.3 Thiết kế lọc kết Độ rộng đường dẫn: 0.3 mm Độ rộng khe hở: 0.2 mm Hình 3.22 Cấu trúc hình học lọc băng rộng đề xuất (3.17) 19 Bố cục lọc cách sử dụng cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vng cách ghép chữ thập đường cấp nguồn I/O đề xuất (hình 3.22) Sau tới ưu hóa cách sử dụng Ansoft HFSS 15.0, thông số thiết kế thu sau: W1 = 1.5 mm, Ws = 1.4 mm, Wr = 2.5 mm, L1 = 12.2 mm, L2 = 1.25, Lr = mm, Ls = 1.8 mm, S = 0.5 mm, L3 = 2.95 mm, và đường kính lỡ khun 0.7 mm Hình 3.24 Bộ lọc băng rộng chế tạo Nguyên mẫu lọc băng rộng hình 3.24 với kích thước mm * 21 mm (0.14λg * 0.37λg, λg là bước sóng dẫn microstrip 50Ω 2.95 GHz) thiết kế và chế tạo chất với số điện môi 4.4 và chiều dày h = 0.8 mm S11 Biên độ (dB) S21 Trễ nhóm, ns Mơ - Đo kiểm Tần số, GHz Hình 3.25 So sánh kết mô đo lọc băng rộng Kết mô cho lọc băng rộng thể hình 3.25, phân đoạn băng thơng dB chiếm 73.9% (1.86 - 4.04 GHz), tổn hao chèn nhỏ 0.5 dB tổn hao phản hồi là 20.5 dB 20 3.2.3.4 So sánh đánh giá thiết kế kết lọc băng rộng Qua kết so sánh với các cơng trình công bố cho thấy lọc băng rộng thiết kế có tính ưu việt hơn, dải thông lọc tương đối rộng phân đoạn 3dB, tổn hao chèn thấp so với lọc thiết kế [24],[25] tổn hao phản xạ cao so với [24],[25],[114] Tuy nhiên, độ trễ nhóm so với [114] cao kích thước nhỏ các cơng trình bảng so sánh và mức chắn dải tốt Hiệu suất lọc cải thiện hơn, trễ nhóm thấp và kích thước lọc khá nhỏ gọn so với [24],[25],[114], lọc đề xuất có các điểm truyền khơng nằm gần cạnh dải thông chứng tỏ độ chọn lọc lọc tương đối tốt, điều này minh chứng cho tính đắn cấu trúc cộng hưởng xây dựng và ứng dụng để thiết kế lọc băng rộng với đơn giản thiết kế dễ dàng điều chỉnh tới các đáp ứng mong muốn 3.5 Bộ lọc Siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V sử dụng cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng 3.5.1 Cấu trúc lọc: Bố cục và mạch tương đương lọc thông dải băng rộng sử dụng cộng hưởng vòng vng trình bày mục 2.4.2 3.5.2 Thiết kế lọc băng thông siêu rộng (UWB) dựa cấu trúc Hình 3.26 Cấu trúc cộng hưởng vòng vng Hình 3.32 Bố cục lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V Để thực băng thông chữ V dựa tảng là Bộ lọc UWB sử dụng cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng xây dựng và 21 đề xuất hình 3.32 3.5.3 Thiết kế lọc băng thông siêu rộng (UWB) băng thông chữ V Hình 3.35 Mơ đáp ứng tần số lọc UWB với W3;L1 Hình 3.35 mơ đáp ứng tần số lọc đề xuất giá trị khác W3 và L1 Tần số trung tâm băng thông chữ V thay đổi từ 5Ghz tới 5.2Ghz, 5.5GHz W3 dao động từ 4mm xuống 3.6mm, 3.1mm Bộ lọc UWB đề xuất với băng thông chữ V chế tạo chất FR4 với r = 4.4 h = 0.8 mm hình 3.36 Hình 3.36 Bộ lọc UWB với băng thơng chữ V chế tạo Kích thước lọc mm * 6.5 mm (0.28λg * 0.37λg, λg là bước sóng dẫn microstrip 50Ω 6.85 GHz) cho thấy thiết kế tương đối nhỏ gọn Các thơng sớ S đo và trễ nhóm minh họa hình 3.37 Băng tần phân đoạn dB đo 119% (2.5 - 11GHz), tổn hao chèn đo với lọc nhỏ 0.8 dB, và tổn hao phản hồi 15 dB, trễ nhóm nhỏ 0.35 ns toàn băng thông Tổn hao chèn băng thông chữ V lớn 20 dB và băng thông phân đoạn dB 4.6% 5.2 GHz Trễ nhóm phẳng ngoại trừ dải chữ V Sự chênh lệch tần sớ nhỏ sai sớ chế tạo, đo kiểm không mong 22 muốn (trong khuôn khổ cho phép) hoạt động dải tần tương đới cao Hình 3.37 Mơ đo đáp ứng lọc Một lọc UWB nhỏ gọn với băng thông chữ V điều chỉnh thực hiện, sau tới ưu hóa Ansoft HFSS 15, các thơng sớ thiết kế chọn là W1 = 1.4mm, W2 = 0.8mm, W3 = 3.3mm, L1 = 1.7mm, L2 = 0.5mm, L3 = 3.4mm, L = 5.7mm và đường kính lỡ khuyên là 0.7mm 3.5.4 Đánh giá thiết kế lọc UWB với băng thông chữ V Bộ lọc UWB với băng thông chữ V thiết kế với kỹ thuật cách sử dụng trở kháng bậc đoạn hở mạch, tần số trung tâm băng thông chữ V điều chỉnh cách điều chỉnh đoạn hở mạch trở kháng bậc, điều chỉnh để thu số truyền không và dải chữ V đưa số truyền không lọc đề xuất Hơn nữa, tần số trung tâm và băng thơng chữ V lọc điều khiển cách điều chỉnh tỷ lệ trở kháng đoạn hở mạch trở kháng bậc và chiều dài đoạn ngắn mạch Bộ lọc UWB với băng thông chữ V thiết kế đạt sớ tiêu kỹ thuật đề có tổn hao băng thông chữ V gần tương đương với các lọc các tài liệu [109], [110],[111], [112] và kết đo mạch chế tạo gần sát với kết tính toán, thiết kế mơ Tuy nhiên, kích thước lọc khá nhỏ gọn so với thiết kế công bố, dễ dàng điều chỉnh dải thông và dải chắn chữ V là ưu điểm lọc UWB băng thông chữ V với cấu trúc cộng hưởng này 23 3.6 Tổng hợp cơng trình nghiên cứu: Tham sớ kỹ thuật TT Tên cấu trúc cộng hưởng Tần số cộng hưởng Thiết kế lọc ba băng tần điều khiển độc lập cho ứng dụng truyền thông không dây f1 = 2.08GHz Quad-Band bandpass Filter Using Square Ring Crossed Stub Loaded Resonators (Bộ lọc bốn băng cộng hưởng chêm chữ thập vòng vng) f1 = 1.8GHz; Anew Wideband Using SquareRing ShortStub Loaded Resonator (Băng rộng sử dụng cộng hưởng chêm ngắn mạch vòng vng) f2= 2.72GHz f3=3.31 GHz f2= 2.4GHz f3=3.5 GHz; f4 =4.6GHz Đặc điểm kỹ thuật Bộ lọc ba băng tần thiết kế với cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và nửa bước sóng Điều chỉnh độc lập Bộ lọc bốn băng tần thiết kế với cấu trúc chữ thập đoạn chêm ngắn mạch Có thể điều chỉnh độc lập các băng tần Bộ lọc băng rộng thiết kế, sử dụng cấu trúc cộng fodd = 1.9 GHz; hưởng vòng vng với đoạn feven = 4.1 GHz; chêm ngắn mạch FBW -3dB f0 = 2.95GHz; là 73% (1.9 – 4.1GHz) Thiết kế lọc UWB với băng thông chữ V sử dụng cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng Dải chắn chữ V Bộ lọc băng thông siêu rộng lọc tần thiết kế từ cấu trúc cộng số trung tâm hưởng vòng vng kết hợp với f0 = 5.0; - 5.2; - chêm ngắn mạch 5.5 GHz FBW -3dB là 119% (2.5 – 11GHz) 3.7 Kết luận chương Trong chương này, đề xuất đưa số cấu trúc cộng hưởng mới, phát triển thành công lọc thông dải nhiều băng băng rộng, băng siêu rộng UWB với băng thông chữ V Với lọc đa băng thông tần số trung tâm ba băng tần điều khiển thuận tiện cách điều chỉnh kích thước cộng hưởng Hơn nữa, các điểm truyền không tạo để cải thiện tính chọn lọc lọc 24 KẾT LUẬN A Kết đạt luận án Đã xây dựng các cấu trúc cộng hưởng từ các cấu trúc cộng hưởng có ưu điểm là khả điều chỉnh độc lập và để ứng dụng thiết kế, chế tạo các lọc nhiều băng thông, băng rộng và siêu rộng Dựa vào cấu trúc cộng hưởng xây dựng, tính toán xây dựng thiết kế chế tạo thành công lọc nhiều băng thông, băng rộng và siêu rộng có kết khả thi so với các kết cơng bớ trước phù hợp với u cầu luận án đặt và nội dung đề cương và tên luận án đăng ký B Những đóng góp luận án Phát triển cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng và cấu trúc đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng từ cấu trúc cộng hưởng cách thay đổi thành cấu cấu trúc vật lý mới, chế tạo thành công các lọc đa băng gồm ba băng tần và bốn băng tần dựa cơng nghệ vi dải có khả điều chỉnh độc lập và thiết lập các tần số cộng hưởng Phát triển cấu trúc đoạn chêm ngắn vòng vng và cấu trúc đoạn chêm chữ thập vòng vng thành cấu trúc vật lý mới, chế tạo lọc băng rộng và siêu rộng dựa công nghệ vi dải, đáp ứng đầy đủ các tham số kỹ thuật lọc UWB có khả điều chỉnh tần sớ cộng hưởng trung tâm và dải chắn hình chữ V C Hướng nghiên cứu Phát triển các lọc bậc bậc hai thực hiện, để xác định các thiết kế theo đề xuất sử dụng các lọc bậc cao để làm sở thiết kế lọc đạt tính chọn lọc cao Phới ghép thêm số cấu trúc cộng hưởng khác với cấu trúc đề xuất kết hợp thành cấu trúc để ứng dụng thiết kế, chế tạo lọc có nhiều băng thơng hơn, nâng chất lượng chọn lọc lọc, tăng tính tiện dụng cho việc tích hợp đa dụng các thiết bị Có thể nghiên cứu đề xuất các cấu trúc kết hợp để xây dựng các lọc có nhiều băng thơng kết hợp tính điều chỉnh độc lập và đa nhiệm 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [I] DucUyen Nguyen; MinhTan Doan; and VanPhuong Do; “A New Wideband Using Square Ring Short Stub Loaded Resonator” (Băng rộng sử dụng cộng hưởng chêm ngắn mạch vòng vng) Hội nghị Quốc tế Việt - Nhật Antenna Truyền sóng Trang 67-70, tháng 01/2015 [II] VanPhuong Do; DucUyen Nguyen; TranQuang Nguyen; MinhTan Doan “Quad-Band Bandpass Filter Using Square Ring Crossed Stub Loaded Resonators” (Bộ lọc bốn băng tần sử dụng cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng) Hội Nghị Cơng nghệ Viễn thông Quốc tế ATC 2016 Trang 468-471, tháng 10/2016 [III] Nguyễn Đức Uyên; Lê Vĩnh Hà; “Thiết kế lọc ba băng tần điều khiển độc lập cho ứng dụng truyền thơng khơng dây” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân Trang 86-94, tháng 8/2018 [IV] Nguyễn Đức Uyên; Lê Vĩnh Hà; “Thiết kế lọc UWB với băng thông chữ V sử dụng cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vng” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ quân Trang 55-60, tháng 8/2018 ... cấu trúc cộng hưởng dùng thiết kế lọc dựa công nghệ vi dải Xây dựng số cấu trúc ứng dụng cho thiết kế các lọc siêu cao tần dựa công nghệ vi dải Thiết kế chế tạo các lọc nhiều băng tần, lọc dải. .. thiết lập và điều chỉnh độc lập tần số cộng hưởng các băng tần Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung nghiên cứu lý thuyết siêu cao tần, nghiên cứu cấu trúc cộng hưởng siêu cao tần, các cấu. .. xuất thiết kế lọc siêu cao tần 3.1.2.1 Trình tự thiết kế lọc Vi c đề xuất ý tưởng thực thiết kế lọc mới, sở vi c nghiên cứu tham khảo tài liệu các lọc, tiến hành xây dựng lọc dựa cấu trúc cộng