Phương pháp điều chỉnh phối hợp trong bộ cộng công suất băng tần X sử dụng cầu T kép

Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T. X. Thọ, P. H. Lập, Đ. T. Quang, “Phương pháp điều chỉnh cầu T kép.” 108 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH PHỐI HỢP TRONG BỘ CỘNG CÔNG SUẤT BĂNG TẦN X SỬ DỤNG CẦU T KÉP Trịnh Xuân Thọ*, Phạm Hữu Lập, Đinh Trọng Quang Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, đánh giá phương pháp điều chỉnh phối hợp cho bộ cộng công suất cao băng tần X sử dụng cầu T kép (Magic Tee). Trên cơ sở ứng dụng lý thuyết siêu cao tần, các kết quả mô phỏng trên phần mềm cùng sản phẩm chế tạo thực tế đã chứng minh phương pháp này hoàn toàn có thể áp dụng để chế tạo một bộ cộng công suất dải rộng với hiệu suất cộng cao. Từ khóa: Cộng công suất băng tần X, Cầu T kép, Phối hợp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống phát của đài ra đa luôn là một vấn đề quan trọng trong nhiệm vụ thiết kế, chế tạo ra đa. Bởi việc nâng cao công suất phát cao tần không phải là việc dễ dàng. Đặc biệt, đối với những đài ra đa hiện đại sử dụng hệ thống phát bán dẫn, khi tần số càng cao thì công suất giới hạn của các linh kiện bán dẫn đơn lẻ càng thấp. Ở băng tần X, khi giới hạn công suất thấp (vài chục watt) có thể sử dụng các phương pháp cộng công suất trên mạch in như: Wilkinson, hybrid, Tuy nhiên, khi yêu cầu công suất cao hàng trăm watt trở lên không thể thực hiện các phương pháp, do công nghệ bán dẫn và công nghệ mạch in chưa đạt đến công suất giới hạn cao như vậy [1]-[6]. Qua nghiên cứu, tìm hiểu các đài ra đa hiện đại băng tần X quân đội ta mới nhập về cho thấy: với công suất phát từ vài trăm watt đến hàng kW, trong hệ thống phát sẽ sử dụng các phần tử cơ khí siêu cao tần làm bộ cộng để cộng công suất từ các mô đun bán dẫn đơn lẻ để được công suất tổng theo yêu cầu. Chính vì vậy, để chủ động trong thiết kế, chế tạo hệ thống phát bán dẫn băng tần X công suất cao theo định hướng nghiên cứu, phát triển ra đa của quân đội ta việc nghiên cứu, thiết kế bộ cộng công suất, từ đó tìm giải pháp nâng cao hiệu suất cộng công suất trên các phần tử cơ khí siêu cao tần là hết sức cần thiết. Bài báo này nghiên cứu, ứng dụng một phương pháp phối hợp và điều chỉnh phối hợp trong bộ cộng công suất cao băng tần X sử dụng cầu T kép. Dựa trên các lý thuyết về siêu cao tần và các công cụ mô phỏng, bài báo sẽ trình bày sự ảnh hưởng của các phần tử phối hợp đối với hiệu suất cộng công suất. Quá trình mô phỏng, điều chỉnh và tối ưu tập trung vào tần số từ (8.9÷9.6) GHz, là băng tần của một số đài ra đa hiện đại hiện nay. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Lý thuyết tổng quan về cầu T kép Cầu T kép là một mạng 8 cực, được hình thành từ việc ghép 2 chạc ba vuông góc kiểu H (3-T-H) và kiểu E (3-T-E) có chung mặt phẳng đối xứng P. Chính vì Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 109 vậy, cầu T kép mang tính chất của cả 2 loại chạc ba này. Hình 1 thể hiện một cầu T kép với que dò và tấm chắn là các phần tử phối hợp. Nếu các mặt phẳng đầu cuối của các ống dẫn sóng đồng nhất (1) và (2) được chọn một cách đối xứng, ma trận trở kháng và mạch tương đương của cầu T kép được mô tả trong hình 2 [1]. Hình 1. Hình dạng cơ khí cầu T kép. Hình 2. Ma trận trở kháng và mạch tương đương của cầu T kép. Một số tính chất chính của cầu T kép lý tưởng: - Nếu truyền sóng H10 vào cổng E thì tại cổng (1) và (2) có 2 sóng đồng biên, ngược pha, còn trong cổng H không có sóng ra. - Nếu truyền sóng H10 vào cổng H thì tại cổng (1) và (2) có 2 sóng đồng biên, đồng pha, còn trong cổng E không có sóng ra. - Khi kích thích sóng H10 vào cổng 1 hoặc cổng 2 thì sẽ có 2 sóng ra đồng biên ở cổng E và H mà không ra cổng còn lại. - Khi kích thích đồng thời vào cổng 1 và 2 các sóng H10 đồng pha thì tại cổng H có sóng ra với biên độ là tổng biên độ tại cổng 1 và 2. Sóng tại cổng E có biên độ là hiệu biên độ của các sóng tại cổng 1 và 2. Nếu sóng tại cổng 1 và 2 ngược pha thì ở cổng H là cổng hiệu và cổng E là cổng tổng. Đây là tính chất quan trọng để áp dụng thiết kế bộ cộng công suất. Khi tại điểm rẽ nhánh của cầu T kép không được phối hợp hoàn toàn, tồn tại phần năng lượng phản xạ ở các cổng. Sự phản xạ này gây nên 2 điểm bất lợi cho phần tử T kép, đó là: Thứ nhất, chính là phần năng lượng tổn hao vô ích không truyền đến tải. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T. X. Thọ, P. H. Lập, Đ. T. Quang, “Phương pháp điều chỉnh cầu T kép.” 110 Thứ hai, phần năng lượng phản xạ sẽ ảnh hưởng đến các tầng đầu vào là các bộ khuếch đại công suất, nếu phản xạ quá lớn có thể làm giảm chất lượng hoặc hỏng các tầng này. Khi cầu T kép là một mạng 8 cực không tổn hao, thuận nghịch và được phối hợp ở tất cả các cổng thì ma trận tán xạ S của nó dạng gọn như sau [4]:   0 0 1 i 0 0 -1 i1 S = 1 -1 0 02 i i 0 0             Như vậy, cầu T kép được phối hợp hoàn toàn ở các nhánh, đồng thời giữa nhánh 1 và nhánh 2 cũng cách ly điện. Như vậy, trong trường hợp lý tưởng, cầu T kép được phối hợp hoàn toàn thì sẽ không có sự truyền sóng giữa cổng 1 và cổng 2, hay giữa cổng H và cổng E. 2.2. Phương pháp phối hợp trong cầu T kép Như đã trình bày ở trên, để nâng cao hiệu suất cộng công suất thì bộ cộng phải đảm bảo không tổn hao và phối hợp ở tất cả các cổng. Cầu T kép đơn thuần là một mạng 8 cực chưa được phối hợp. Chính vì vậy, cần nghiên cứu thực hiện các phương pháp phối hợp và điều chỉnh phối hợp cho cầu T kép. Các phương pháp phối hợp đề cập ở đây chính là cách sử dụng thêm một số phần tử đưa vào để phối hợp cho cầu T kép. Ở phạm vi bài báo sử dụng các phần tử phối hợp là que dò và tấm chắn (hình 1). Cơ chế phối hợp của 2 phần tử này: - Que dò đặt vuông góc với thành rộng của nhánh H tạo ra sự phối hợp hoàn toàn ở cổng H và phối hợp một phần cho cổng E. - Tấm chắn đặt ở thành hẹp của nhánh nhánh E, kết hợp với que dò tạo ra sự phối hợp hoàn toàn cho cổng E. Hình 3. Phối hợp bằng que dò trong T kép. Que dò thường là hình nón cụt (hình 3). Tuy nhiên, để đơn giản hóa trong cấu trúc, đơn giản cho gia công cơ khí, ta thực hiện rời rạc hóa hình nón thành kết cấu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 111 nhảy bậc, tức là que dò sẽ gồm nhiều hình trụ với đường kính khác nhau đặt nối tiếp, đồng trục theo chiều giảm dần của đường kính. Điều này sẽ cho ra kết quả khác đôi chút so với việc dùng hình nón, nhưng quá trình điều chỉnh đường kính, độ dài các que dò hình trụ ta sẽ thu được kết quả mong muốn. Trong thực tế, rất khó để xây dựng được một công thức tính toán cụ thể các tham số tán xạ S theo bộ tham số các phần tử phối hợp. Chính vì vậy, cần phải có quá trình điều chỉnh phối hợp để thu được kết quả đạt yêu cầu người thiết kế đặt ra trước đó. Quá trình điều chỉnh này được thực hiện trên phần mềm thiết kế siêu cao tần. Đối tượng điều chỉnh là bộ tham số của các phần tử phối hợp, bao gồm: kích thước 3 chiều và vị trí của chúng. 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1. Các tham số đầu vào Bộ cộng dùng cầu T kép với các tham số cụ thể: - Kích thước ống dẫn sóng: Chuẩn WR-90. - Vật liệu: Nhôm. 3.2. Phương pháp, công cụ mô phỏng Ví dụ dưới đây trình bày quá trình điều chỉnh phối hợp trên phần mềm mô phỏng cao tần CST (Computer Simulation Technology). Để có thể thấy rõ vai trò của các phần tử phối hợp, ta so sánh với cầu T kép khi chưa được phối hợp. Như đã trình bày ở mục 2.2, phần tử phối hợp là que dò và tấm chắn. Vì quá trình điều chỉnh các tham số của que dò (chiều cao, đường kính, vị trí) và các tấm chắn (vị trí, kích thước 3 chiều) có thể sẽ phải lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi bộ cộng thỏa mãn yêu cầu của người thiết kế. Vì vậy, bộ tham số ban đầu của các phần tử phối hợp có thể lựa chọn bất kỳ. Ở đây, tác giả chọn vị trí ban đầu của que dò là tâm của vùng chuyển tiếp, đặt sát ở thành rộng của nhánh 3-T-H. Còn các tấm chắn đặt ở một phía của thành hẹp trên nhánh E. 3.3. Kết quả mô phỏng a. Cầu T kép khi chưa phối hợp Cầu T kép khi chưa phối hợp được thiết kế trên phần mềm CST (hình 4): Hình 4. Cầu T kép khi chưa phối hợp. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T. X. Thọ, P. H. Lập, Đ. T. Quang, “Phương pháp điều chỉnh cầu T kép.” 112 Từ kết quả mô phỏng (hình 5, hình 6) ta thấy: Hệ số cách ly giữa 2 cổng đầu vào (S12) không đủ lớn. Hệ số phản xạ tại cổng H (S33) quá lớn. Với các tham số tán xạ như vậy thì hiệu suất của bộ cộng sẽ rất thấp. Do đó, cần phải phối hợp cho bộ cộng. Với mong muốn S31, S32 ≈ -3dB và các tham số tán xạ còn lại rất nhỏ. Hình 5. Hệ số cách ly giữa các cổng vào 1 và 2. Hình 6. Hệ số phản xạ tại đầu ra H. b. Cầu T kép khi phối hợp bằng que dò và tấm chắn Từ cấu trúc hình nón được mô tả trong hình 3, que dò được thiết kế rời rạc hóa theo 3 tầng hình trụ (hình 7). Ở đây, di và li (i=1,2,3) tương ứng là đường kính và chiều cao các hình trụ. Hình 7. Hình dạng que dò dùng trong thiết kế. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 113 Mẫu được thiết kế thêm các tấm phối hợp ở cổng ra E. Có nhiều cách đặt tấm phối hợp. Ở đây, ta lựa chọn 2 tấm phối hợp đặt sát thành hẹp của cổng E (hình 8). Cũng giống như việc điều chỉnh que dò, các tham số độ dài, độ dày của các tấm phối hợp được điều chỉnh để có thể đạt được kết quả tốt nhất. Hình 9÷12 là kết quả mô phỏng mẫu sau khi đã điều chỉnh phối hợp: - Độ cách ly giữa các cổng đầu vào (S21≈-28dB) lớn hơn, dải rộng hơn. - Hệ số truyền S31, S32≈-3dB với độ lệch nhỏ hơn 0.02dB. - Hệ số phản xạ đầu vào S11, S22< -21dB; và đầu ra S33<-25dB. Tất cả các tham số tán xạ của bộ cộng công suất sau khi được phối hợp tốt hơn nhiều lần so với bộ cộng khi chưa được phối hợp. Hình 8. Kết cấu cơ khí của bộ cộng khi có que dò và các tấm phối hợp trên cổng E. Hình 9. Hệ số cách ly giữa 2 cổng đầu vào. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T. X. Thọ, P. H. Lập, Đ. T. Quang, “Phương pháp điều chỉnh cầu T kép.” 114 Hình 10. Đặc tuyến truyền đạt biên độ giữa 2 đầu vào và đầu ra H. Hình 11. Hệ số phản xạ đầu vào S11 và S22. Hình 12. Hệ số phản xạ tại cổng H. c. Kết quả chế tạo và đo đạc trên thực tế Sau khi các tham số mô phỏng trên phần mềm được đánh giá đảm bảo yêu cầu, tác giả đã chế thử một bộ cộng công suất thực tế như sau (hình 13): Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 115 Hình 13. Bộ cộng thực tế sau khi được chế tạo.  Kết quả đo đạc các tham số: Hình 14. Độ cách ly giữa 2 cổng đầu vào (S12) và đầu ra E-H (S34). Hình 15. Hệ số sóng đứng tại 2 cổng H (3) và E (4). Từ kết quả đo đạc các tham số của bộ cộng thực tế cho thấy, trong dải 8.9÷9.6 GHz: - Hệ số cách ly giữa các cổng đầu vào và đầu ra lớn hơn rất nhiều so với khi chưa phối hợp (|S12|>20, |S34|>40). - Hệ số sóng đứng tại cổng H và E nhỏ (< 1.2). Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T. X. Thọ, P. H. Lập, Đ. T. Quang, “Phương pháp điều chỉnh cầu T kép.” 116 4. KẾT LUẬN Trong quá trình hiệu chỉnh, ta thấy dùng tấm phối hợp giúp mở rộng dải tần hoạt động của bộ cộng, tức là các tham số tán xạ có thể thỏa mãn yêu cầu trong một dải tần rộng hơn trước khi có tấm phối hợp ở cổng E. Với hiệu suất cộng lớn, bộ cộng công suất có thể sử dụng cho các hệ thống phát bán dẫn của các đài ra đa băng X hiện nay. Bộ cộng đã được thử nghiệm cộng 2 mô đun công suất băng X trên 100 W do Viện Ra đa đang chế tạo, thử nghiệm. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm này là cơ sở để mở rộng nghiên cứu các phương pháp phối hợp và điều chỉnh phối hợp đối với các phần tử cao tần khác, như: bộ cộng công suất dạng đĩa nhiều đầu vào... TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. N. Marcuvitz, “Waveguide Handbook”, New York Dover Publications Inc., 1951. [2]. Roberto Sorrentino, Giovanni Bianchi, “Microwave and RF Engineering”, 2010. [3]. David M. Pozar, “Microwave Engineering”, 4th edition, John Wiley & Sons Inc, 2012. [4]. Kiều Khắc Lâu, “Cơ sở kỹ thuật siêu cao cần”, Nhà xuất bản Giáo dục, 2006. [5]. P. Debnath, S. Roy, “An analysis of wave guide Magic Tee at X band using HFSS”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Vol. 2, May 2012, pp 267 – 270. [6]. Z. X. Wang, W. B. Dou, Z. L. Mei, “A compact H-plane Magic Tee designed at W band”, Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 5, pp 35–48, 2008. ABSTRACT THE METHOD OF MATCHING FOR X BAND POWER COMBINER USING MAGIC TEE In this paper, a method of tuning and matching for X band high power combiner using Magic Tee is presented. Based on the theory of Radio frequency and microwave, using the electromagnetic simulation software to design a matched Magic Tee. The research results showed that: Wideband, high efficiency power combiner is completely designed by matching method using metal steps and metal plates. Keywords: X band power combiner, Magic Tee, Matching. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: Viện Ra đa / Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự - Bộ Quốc phòng. Email: xuantho6482@gmail.com