- Trang Chủ
- Kĩ thuật Viễn thông
- Ứng dụng công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền SIW để thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải cho đài ra đa băng S
Xem mẫu
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ỐNG SÓNG TÍCH HỢP
VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO ĐÀI RA ĐA BĂNG S
Võ Văn Phúc1*, Dương Tuấn Việt1, Nguyễn Văn Hạnh1
Trần Thị Trâm1, Đinh Văn Trường1, Lê Thị Trang2, Cao Văn Vũ1
Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải
kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) ứng dụng trong đài ra đa
băng S. Bộ lọc thông dải được mô phỏng bằng phần mềm HFSS và được gia công
chế tạo với dạng mạch in tiêu chuẩn 1 lớp. Các kết quả đo được thực tế phù hợp với
kết quả mô phỏng. Bộ lọc có các tham số thỏa mãn các tham số đặt ra ban đầu.
Từ khóa: Bộ lọc thông dải (BPF); Ống sóng tích hợp vật liệu nền (SIW); Ống sóng tích hợp chất nền nửa chế
độ (HMSIW); Mạch in (PCB).
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong hệ thống thu phát của các thiết bị vô tuyến điện tử nói chung và ra đa nói riêng
các bộ lọc đóng vai trò hết sức quan trọng trong đường truyền tín hiệu từ anten cho tới hệ
thống xử lý tín hiệu. Hiện nay, các hệ thống ra đa thế hệ mới, hệ thống truyền thông số dải
sóng cm, mm và các hệ thống siêu cao tần hiện đại đã được phát triển một cách nhanh
chóng, chúng đòi hỏi các công nghệ mới có hiệu quả về chi phí, có khả năng tích hợp cao
và cải thiện hiệu suất. Một trong những thành phần chính của các hệ thống đó là bộ lọc,
tuy nhiên hầu như chúng đều khó tích hợp với các mạch phẳng khác hoặc chúng có cấu
trúc phức tạp và được nhập ngoại dưới dạng mô đun hoặc tích hợp vào các hệ thống thu
phát. Vì vậy, để tiếp cận được với công nghệ mới mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính
năng của nó thì cần phải đầu tư nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần hiệu
suất cao ứng dụng trong thực tế hiện nay.
Trong thời gian qua, bộ lọc ứng dụng công nghệ tích hợp chất nền (SIW) trong đó có
dạng bộ lọc kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) đã thu hút rất nhiều sự
chú ý nghiên cứu của các nhà khoa học do kế thừa lợi thế của ống dẫn hình chữ nhật như
hệ số Q cao, tổn hao thấp, và khả năng chịu đựng công suất cao trong khi lại có những ưu
điểm riêng như: độ rộng dải thông rộng, kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp, chi phí hợp lý,
sử dụng công nghệ mạch in PCB thông thường để chế tạo [1..5].
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải
kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) ứng dụng trong đài ra đa băng S.
Bộ lọc có khả năng điều chỉnh linh hoạt về dải tần hoạt động. Bộ lọc được mô phỏng bằng
phần mềm HFSS và được gia công chế tạo với dạng mạch in tiêu chuẩn 1 lớp.
2. TỔNG QUAN VỀ SIW VÀ HMSIW
Công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền (SIW) đã và đang phát triển mạnh vì những
ứng dụng của nó trong thực tế. Các ứng dụng của nó có thể kể đến đó là các ứng dụng trong
các lĩnh vực như truyền thông, ra đa, cảm biến hình ảnh và các thiết bị y sinh [6], [7].
SIW có nhiều dạng hình học khác nhau, có thể là dạng chữ nhật hoặc hình tròn. SIW
dạng chữ nhật là cấu trúc phẳng được tạo ra bằng cách sử dụng hai hàng lỗ mã kim loại có
chu kỳ để nối mặt phẳng kim loại ở trên và dưới của lớp điện môi như biểu thị trong Hình 1
dưới đây.
Các tham số được hiển thị ở trên đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế SIW: s là
khoảng cách giữa các lỗ, d là đường kính của lỗ, h là chiều dày của chất nền, εr là hằng số
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 113
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
điện môi của chất nền, W là khoảng cách từ tâm đến tâm giữa hai hàng lỗ và Weff , Leff là
chiều rộng và chiều dài của ống dẫn sóng kim loại lấp đầy điện môi [12].
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc SIW chữ nhật
Nếu gọi Wcon là chiều rộng của ống dẫn sóng (ODS) kim loại thông thường và εcon = 1
thì công thức tính chiều rộng của ODS lấp đầy điện môi tương đương là [13]:
Wcon
Weff = (1)
r
Đối với chế độ TE101, kích thước của SIW chữ nhật có thể xác định được bằng tần số
cộng hưởng tương ứng [14]:
c 1 2 1 2
f (TE101 ) ( ) ( ) (2)
2 r Weff Leff
Đường kính d và khoảng cách s của lỗ phải được chọn sao cho không có sự rò rỉ bức xạ
[15]. Do đó, khoảng cách giữa các lỗ phải lớn hơn đường kính của lỗ, vì vậy, cấu trúc có
thể thực hiện được khi:
s>d (3)
và s ≤ 2d (4)
Do SIW là cấu trúc dẫn sóng định kỳ, nên hiện tượng dải chắn điện từ có thể xuất hiện
vì vậy cần tránh điều này trong dải thông ống dẫn sóng cần quan tâm. Vì vậy cần sử dụng
điều kiện sau đây để tránh các hiệu ứng dải chắn trong băng thông hoạt động:
1
s< λc (5)
4
Một điều kiện không cần thiết nhưng cũng là mong muốn đối với quá trình gia công là
giảm thiểu số lượng lỗ vì thời gian sản xuất tỉ lệ với số lượng của chúng:
1
s> λc (6)
20
Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các lỗ của cả hai hàng W có thể được tính bằng cách
sử dụng một trong những quan hệ phổ biến nhất và được biểu thị trong biểu thức sau [11]:
d2
Weff W (7)
0.95s
Quan hệ này được chuẩn hóa lại như sau:
d2 d2
Weff W 1.08 0.1 (8)
s W
114 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
Các công thức từ (1) đến (8) sẽ là cơ sở cho các thiết kế các phần tử siêu cao tần sử
dụng cấu trúc SIW chữ nhật.
Ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ HMSIW là một cấu trúc mới mà cấu trúc sóng
được lan truyền theo dạng mặt phẳng, nó vẫn giữ được các ưu điểm của SIW nhưng kích
thước giảm đi bằng một nửa, như được biểu diễn trên hình 2.
Hình 2. Mô tả hình dạng và chế độ sóng của SIW và HMSIW.
Ta thấy trên hình 2, HMSIW được thực hiện bằng cách tạo một hàng lỗ mạ kim loại
trên bề mặt chất nền tổn hao thấp với lớp phủ kim loại trên toàn bộ kích thước bằng một
nửa của cấu trúc SIW và chế độ hoạt động chỉ là một nửa chế độ TE10 [8], [9]. Đặc tính
truyền sóng tương tự như SIW nhưng có kích thước đóng gói nhỏ gọn hơn.
3. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG S DẠNG ỐNG SÓNG TÍCH HỢP
VẬT LIỆU NỀN NỬA CHẾ ĐỘ - HMSIW
Cấu trúc bộ lọc thông dải HMSIW ở băng S được thiết kế dựa trên mô hình thể hiện
trên hình 3. Bộ lọc HMSIW bao gồm 4 mắt lọc. Việc ghép giữa các phần cộng hưởng
HMSIW bên trong và ghép ngoài giữa phần cộng hưởng HMSIW với đầu vào và đầu ra
được kiểm soát bởi các khe ngang, bộ lọc thông dải (BPF) được thiết kế và mô phỏng trên
phần mềm HFSS và được chế tạo bằng công nghệ mạch PCB. Đường mạch dải kết nối
trực tiếp với bộ lọc HMSIW ở các vị trí khác nhau thể hiện rõ ưu điểm của việc thiết kế
nhỏ gọn. Cuối cùng, kết quả mô phỏng và kết quả đo kiểm sẽ cho thấy những đặc tính của
bộ lọc thiết kế.
Hình 3. Cấu trúc của bộ lọc thông dải HMSIW.
a. Các bộ cộng hưởng HMSIW và ghép ngoài
Hình 4 đưa ra mô hình 1 bộ cộng hưởng, mỗi bộ cộng hưởng được tạo thành bởi một
phần của HMSIW, và có thể xem như là một bộ cộng hưởng chế độ truyền dẫn nửa TE10.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 115
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
Tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng thu được chính xác bằng cách sử dụng phần mềm
mô phỏng HFSS.
Hình 4. Bộ cộng hưởng HMSIW.
Các mối ghép bên ngoài sẽ tác động đến tổn hao và độ nhấp nhô của bộ lọc thông dải
nhiều cực. Các mối ghép bên ngoài này có thể xem xét bằng cách mô phỏng một bộ cộng
hưởng đơn HMSIW với một đường mạch dải. Sơ đồ ghép nối sẽ đưa ra các mong muốn
cho đầu vào và đầu ra có thể đạt được bằng cách thực hiện các phân tích trên một bộ cộng
hưởng đơn [10].
b. Ghép nối tiếp cộng hưởng
Độ ghép giữa các bộ cộng hưởng được điều khiển chủ yếu dựa trên chiều dài và chiều
rộng của các bộ cộng hưởng thành phần. Khi các bộ cộng hưởng kết hợp với nhau, bằng
việc thay đổi các tham số của các bộ cộng hưởng thành phần sử dụng phần mềm mô phỏng
HFSS chúng ta sẽ tìm được tần số trung tâm và tham số tán xạ của bộ lọc.
c. Thiết kế bộ lọc
Việc xây dựng các tham số bộ lọc thông dải băng S dựa vào tham chiếu các tham số
của bộ lọc thông dải nằm ở modul thu – phát của đài ra đa LM2288.
Trong hệ thống thu phát (TRG RF) của đài Ra đa ELM-2288ER có rất nhiều bộ lọc
khác nhau, các bộ lọc này đảm bảo chức năng tách hoặc loại bỏ các tần số ở dải tần mong
muốn trên một dải, chúng có vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng thu
- phát tín hiệu nhằm đáp ứng các chức năng chiến - kỹ thuật của toàn bộ hệ thống.
Như trình bày trên hình 5, bộ lọc thông dải BPF cao tần nằm ở modul thu – phát cao
tần TR CARD của đài Ra đa ELM-2288ER, nó đảm bảo chức năng lọc các tần số thu
trong dải tần 2900MHz đến 3400MHz.
Hình 5. Sơ đồ khối modul thu – phát cao tần của đài Ra đa ELM-2288ER.
Bài toán thiết kế bộ lọc băng tần S dựa trên cấu trúc HMSIW được thực hiện với các
tham số kỹ thuật theo bảng 1.
Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc băng S dựa trên cấu trúc HMSIW.
TT Tham số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Tham chiếu Yêu cầu
1 Tần số trung tâm f0 MHz 3150 3150
116 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
2 Dải thông (@ -3dB) ∆f MHz 500±25 500±25
3 Suy hao trong dải L dB 2 2
4 Độ chắn ngoài dải Kca dB 30 30
@ f0±1,5∆f
5 Độ nhấp nhô bộ lọc R dB 0,5 0,5
6 Trở kháng vào - ra Z 50 50
7 Hệ số sóng đứng VSWR 1,5 1,5
Thiết kế bộ lọc ghép cộng hưởng có thể được chia ra làm 2 phần, thiết kế chức năng dải
thông bằng việc thiết kế các bộ cộng hưởng, và thiết kế các chức năng chất lượng cao
được đưa ra và hỗ trợ bởi HMSIW. Việc xác định tần số cắt, tần số cộng hưởng và tối ưu
hóa các tham số của của bộ cộng hưởng được tính toán và hỗ trợ bằng phần mềm HFSS.
Cuối cùng, kích thước của bộ lọc được xác định sau khi tối ưu thiết kế các tham số. Các
tham số kích thước của bộ lọc cần thiết kế được thể hiện trong bảng 2.
Trên hình 6 thể hiện kết quả mô phỏng tham số tổn hao đi qua (S21) và tổn hao phản
hồi S11 của bộ lọc thiết kế. Các tham số bộ lọc mô phỏng được tổng hợp trong bảng 3.
Bảng 2. Các tham số kích thước của bộ lọc HMSIW.
Ký hiệu Giá trị kích thước (mm) Ký hiệu Giá trị kích thước (mm)
w 1,5 W4 0,2
tw 4 d1 12
tl 3 d2 9,9
a 17,69 d3 12
d 0,5 l1 12,2
s 1,3 l2 13,63
W1 0,22 l3 12,9
W2 0,63 l4 10,8
W3 0,55
Hình 6. Kết quả mô phỏng các tham số bộ lọc.
4. CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ ĐO KIỂM THỰC TẾ
Bộ lọc thông dải băng tần S được thiết kế, chế tạo với vật liệu nền Roger 5880 có độ
dày h = 0,5 mm, hằng số điện môi 2,2, tổn hao 0,001 bằng công nghệ mạch in PCB một
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 117
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
lớp. Các hình 7,8,9 thể hiện hình ảnh thực tế bộ lọc thiết kế chế tạo và kết quả đo tương
ứng. Các tham số bộ lọc được đo bằng máy phân tích mạng N9918A. Bộ lọc 4 mắt lọc
được thiết kế, chế tạo ở tần số trung tâm 3,15 GHz và dải thông 500 MHz, tổn hao truyền
qua đo được nhỏ hơn 0,9dB và tổn hao phản hồi nhỏ hơn -15 dB. Trên hình 10 cho thấy sự
tương đồng giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế.
Hình 7. Hình ảnh thực tế của bộ lọc thiết kế, chế tạo.
Hình 8. Kết quả đo tham số tổn hao đi qua Hình 9. Kết quả đo tham số tổn hao phản
(S21) của bộ lọc. hồi ( S11) của bộ lọc.
Hình 10. So sánh kết quả các tham số bộ lọc thiết kế mô phỏng và đo thực tế.
Bảng 3 tổng hợp kết quả mô phỏng và kết quả đo các tham số của bộ lọc băng S thiết
kế, chế tạo mới. Các tham số đo được đáp ứng yêu cầu đặt ra ban đầu khi thiết kế của đề
tài nghiên cứu.
118 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
Bảng 3. Tổng hợp các tham số mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc băng S
dựa trên cấu trúc HMSIW.
Ký Yêu Kết quả KQ đo
TT Tham số kỹ thuật Đơn vị
hiệu cầu mô phỏng thực tế
1 Tần số trung tâm f0 MHz 3150 3150 3150
2 Dải thông (@ -3dB) ∆f MHz 500±25 492 480
3 Suy hao trong dải L dB 2 0,5 0,9
4 Độ chắn ngoài dải Kca dB 30 30,7 >33,4
@ f0±1,5∆f
5 Độ nhấp nhô bộ lọc R dB 0,5 0,5
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
[9]. Millim. Waves 14th Int. Conf. Terahertz Electron., Shanghai, China, Sep. 18–22,
2006.
[10]. B. Liu, W. Hong, Y. Q. Wang, Q. H. Lai, and K. Wu, “Half mode substrate
integrated waveguide (HMSIW) 3 dB coupler,” IEEE Microw. Wireless Compon.
Lett., vol. 17, no. 1, pp. 22–24, Jan. 2007.
[11]. J. S. Hong and M. J. Lancaster, “Microstrip Filters for RF/Microwave
Applications”. New York: Wiley, 2001, ch. 8, pp. 235–271
[12]. Cassivi, Y., Perregrini, L., Arcioni, P., Bressan, M., Wu, K., Conciauro, G.:
“Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide”, IEEE
Microw. Wirel. Compon. Lett., 2002, 12, (9), pp; 333–335;
[13]. Farzaneh Taringou and Jens Bornemann, “Return-Loss Investigation of Equivalength
width of Substrate Integrted Waveguide Circuits”, IEEE MTT-S International
Microwave Workshop Series on millimeter Wave Integraton Technologies, 2011;
[14]. E. Diaz, E. Miralles, H. Esteban, A. Belenguer, V.Boria, C. Bachiller, J.V. Morro nd
A.L. Borja, “Efficient and Accurate Design of Passive Devices in Substrate
Integrated Waveguide Technology and their Tapered Transitions from Microstrip
Lines”, Waves, year 3, 2011;
[15]. Chen X, Hong W, Cui T, Chen J, and Wu K. “Substrate integrated waveguide (SIW)
linear phase filters [J]”. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2005, 15(11): 787-789;
[16]. Chen, X.-P., Wu, K.: “Substrate integrated waveguide cross-coupled filter with
negative coupling structure”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2008, 56, (1), pp.
142–149;
ABSTRACT
USING SUBSTRATE INTERGRATED WAVEGUIDE TECHNOLOGY IN
DESIGNING AND FABRICATED OF BAND PASS FILTERS FOR
S - BAND RADARS
This article presents the design and fabrication method of the Half-Mode SIW
(HMSIW) Band Pass Filter for the S-band radars. BPF using HMSIW are
simulated by HFSS software and fabricated with standard 1-layer PCB.
Measurement results are consistent with the simulation results. Filters have
parameters that satisfy the initial parameters set.
Keywords: Bandpass filter (BPF); Half mode substrate inte-grated waveguide (HMSIW); Printed circuit board
(PCB).
Nhận bài ngày 20 tháng 12 năm 2017
Hoàn thiện ngày 15 tháng 5 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018
Địa chỉ: 1Viện Ra đa, Viện KHCNQS;
2
Khoa Điện tử - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
*
Email: phuchvktqs@gmail.com.
120 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”
nguon tai.lieu . vn
