Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch cao tần điều khiển điện trên nền công nghệ SIW

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 45 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN MẠCH CAO TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRÊN NỀN CÔNG NGHỆ SIW Nguyễn Văn Việt*, Dương Tuấn Việt, Trần Minh Nghĩa, Lê Trọng Hiếu Tóm tắt: Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị chuyển mạch cao tần băng C có điều khiển điện trên công nghệ ống sóng tích hợp chất nền. Thiết bị có nhiệm vụ chuyển mạch đơn cực hai vị trí bằng cách điều khiển điện cho các diode PIN với các tính năng hoạt động cao : có khả năng thay đổi độ rộng dải thông, tổn hao truyền thấp và giá thành rẻ. Mạch được thiết kế và chế tạo trên chất nền Rogers 5880 với hằng số điện môi 2.2 và độ dày chất nền 0.787 mm. Kết quả đo đạc là phù hợp với các tính toán trong thiết kế. Với lợi thế nhỏ gọn, dễ chế tạo mà hiệu suất tốt thì đây sẽ là một sản phẩm rất phù hợp cho các ứng dụng dải sóng siêu cao tần và sóng milimet. Từ khóa: Bộ chuyển mạch; SPST; SPDT; SIW; Diode PIN. 1. MỞ ĐẦU Ống sóng tích hợp chất nền (gọi tắt là SIW- Substrate Integrated Waveguide ) là một dạng đường truyền siêu cao tần mới bắt đầu phổ biến trong những năm gần đây [1], [2]. Dựa trên lớp chất nền cách điện phẳng với các lớp kim loại ở mặt trên và dưới được đục lỗ kim loại hai bên để tạo nên hai thành bên như ống dẫn sóng truyền thống. SIW kết hợp được những ưu điểm của mạch in phẳng và ống sóng kim loại truyền thống. Các thành phần SIW nhỏ, gọn, tổn hao và kí sinh thấp, dễ chế tạo, linh hoạt và đặc biệt là giá thành thấp hơn nhiều so với ống sóng hình chữ nhật truyền thống. Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là dễ chế tạo, sản xuất trên cùng một tấm mạch in phẳng trong cùng một hệ thống (bao gồm cả chuyển đổi, ống sóng hình chữ nhật, chuyển mạch cao tần, các thành phần thụ động, tích cực và cả ănten) [3], [4], [5]. Chuyển mạch ống sóng nằm trong thành phần của hệ thống thu phát siêu cao tần đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ra đa, tên lửa, hàng không vũ trụ. Bộ chuyển mạch ống sóng sử dụng diode PIN là một trong các kỹ thuật hiện đại cho phép thiết lập và khống chế đường truyền năng lượng linh hoạt, đáp ứng nhanh nhằm nâng cao chất lượng thu-phát tín hiệu, tăng hiệu quả và độ ổn định chế độ làm việc của hệ thống. Với công nghệ truyền thống áp dụng để thiết kế các bộ chuyển mạch cao tần bằng chuyển mạch cơ khí thường cồng kềnh và hỏng hóc khó sửa chữa trong quá trình sử dụng, khai thác. Trong bài báo này, bộ chuyển mạch SPDT (Single Pole Double Throw- đơn cực hai vị trí) được đưa ra khảo sát và nghiên cứu, mạch dựa trên cấu trúc SIW/HMSIW (Half Mode SIW- SIW nửa chế độ) được mô phỏng và thiết kế có thể thực hiện chức năng chuyển mạch SPDT trên băng C. 2. THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN MẠCH CAO TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRÊN CÔNG NGHỆ SIW 2.1. Chuyển mạch đơn cực một vị trí SPST (Single Pole Single Throw) Cấu trúc được đề xuất để mô phỏng được chỉ ra trên hình 1, dựa trên sự kết hợp giữa cấu trúc SIW và HMSIW. Cấu trúc HMSIW vẫn giữ được sự ưu việt của cấu trúc SIW nhưng kích thước giảm đi gần một nửa[6], [7]. HMSIW với các chêm hở mạch đã được nghiên cứu chi tiết trong [8]. Cấu trúc đưa ra sử dụng các chêm hở mạch (stubs) được bố trí hai bên thành của các cấu trúc HMSIW là mấu chốt quan trọng để cấu trúc có thể thực hiện khả năng chuyển mạch. Liên kết giữa các chêm hở mạch và HMSIW thông qua một diode PIN có nhiệm vụ là chuyển mạch cao tần. Công cụ mô phỏng ở đây sử dụng phần Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. V. Việt, , L. T. Hiếu, “Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch công nghệ SIW.” 46 mềm Ansoft HFSS [9]. Đây là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng các cấu trúc siêu cao tần trên giao diện 3D. HFSS có thể được dùng để tính toán, mô phỏng các tham số như tham số S, tần số cộng hưởng và các trường E, H. Hình 1. Mô hình cấu trúc chuyển mạch SPST với 1 chêm hở mạch (kích thước: cm). Chêm hở mạch với độ rộng w, độ dài l được mắc shunt với HMSIW thông qua diode PIN như hình 1. Tham số S giữa phần T và T’ trong hình được xác định: S11 = -Z0/(2Zs + Z0) (1) S21 = 2Zs/(2Zs + Z0) (2) Ở đây, Z0 và Zs là trở kháng đặc trưng của đường truyền HMSIW và trở kháng đầu vào của chêm hở mạch (stub), tương ứng. Khi Zs→ ∞, S21 xấp xỉ 1 cho tổn hao đường truyền, HMSIW lúc này ở trạng thái “ON”, và khi Zs tiến tới 0, S21 ≈ 0, HMSIW lúc này ở “trạng thái OFF”. Như vậy bằng việc điều khiển diode PIN ta có thể thay đổi chế độ chuyển mạch trên đường truyền HMSIW, và đây chính là ý tưởng chính cho cấu trúc này. Mô phỏng mô hình SPST như hình 1 khi sử dụng 1 chêm hở mạch và khi không sử dụng chêm hở mạch ta được kết quả như hình 2. Độ dài của chêm hở mạch bằng ¼ bước sóng tại tần số 7.25 GHz. Chất nền sử dụng ở đây là Rogers 5880 với hằng số điện môi ɛr = 2.2, tang tổn hao = 0.0009 và độ dày chất nền = 0.787 mm. Từ kết quả mô phỏng trên hình 2 ta thấy, khi sử dụng chêm hở mạch, tín hiệu truyền từ cổng 1 gần như bị phản xạ trở lại mà không truyền được sang cổng 2 trong dải tần từ 7 GHz đến 7.5 GHz (S11 25 dB). Còn khi chúng ta không sử dụng chêm hở mạch thì gần như toàn bộ tín hiệu được truyền qua với tổn hao phản xạ thấp (S11 > 20dB; S21 < 0.15 dB). 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 Freq [GHz] -45.00 -40.00 -35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 Th am s o S (d B ) HFSSDesign8XY Plot 1 ANSOFT m2 m3 m1 Khong co stub Khong co stub Co stub Co stub Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(2,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(1,1))_1 Imported dB(S(2,1))_1 Imported Name X Y m1 7.3000 -0.1154 m2 7.3000 -36.7784 m3 7.3000 -42.2925 Hình 2. Kết quả mô phỏng SPST khi sử dụng và không sử dụng chêm hở mạch (stub). Mô phỏng cũng chỉ ra rằng, muốn mở rộng dải thông làm việc của chuyển mạch thì ta có thể tăng số lượng chêm hở mạch lên. Tương tự như vậy, số lượng chêm ít đi thì dải thông sẽ giảm xuống. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 47 Hình 3. Mô phỏng cấu trúc SPST với 1 và 2 chêm hở mạch trên HFSS. 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 Freq [GHz] -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 Th am s o S (d B ) HFSSDesign3XY Plot 1 ANSOFTm1 m2 m3 dung 1 stub dung 2 stub Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(2,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(1,1))_1 Imported dB(S(2,1))_1 Imported Name X Y m1 7.3000 -0.0901 m2 7.2000 -48.2023 m3 7.3000 -42.2925 Hình 4. Kết quả mô phỏng khi dùng 1 và 2 chêm hở mạch. 2.2. Mô phỏng chuyển mạch SPDT Bài toán đặt ra yêu cầu chiến kỹ thuật của bộ chuyển mạch SPDT thiết kế bao gồm: Bảng 1. Tham số kỹ thuật của bộ chuyển mạch thiết kế. Tham số kỹ thuật Đơn vị Mẫu bộ chuyển mạch cao tần thiết kế chế tạo - Dải tần làm việc - Hệ số cách ly - Hệ số tổn hao truyền - Thời gian chuyển mạch - Điện áp điều khiển - Trở kháng vào ra GHz dB dB Giây (s) V Ω 7÷7.5 35÷40 ≤ 2 < 0.5 5V 50 Trên cơ sở nghiên cứu, mô phỏng cấu trúc chuyển mạch SPST như trên đã chỉ ra, chúng tôi đưa ra mô hình cấu trúc cho bộ chuyển mạch SPDT như hình 5. Hình 5. Mô hình SIW/HMSIW SPDT với 4 chêm hở mạch trên mỗi nhánh. Wmicro = 3.16; Lmicro = 7.5;Wadap = 11; Ladap = 14; Wsiw = 24; Lsiw = 7.3; Whmsiw = 12; Lhmsiw = 43.5; Wstub = 3; Lstub = 5; D stub = 10; L=10 (Đơn vị : mm). Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. V. Việt, , L. T. Hiếu, “Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch công nghệ SIW.” 48 Hình 6. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tương đương của bộ chuyển mạch. Hình 7. Mô phỏng phân bố trường E trong HFSS, chuyển mạch cổng 3 “trạng thái OFF” và cổng 2 “trạng thái ON”. Hình 8. Kết quả mô phỏng SIW/HMSIW SPDT trong HFSS, chuyển mạch cổng 3 “trạng thái OFF” và cổng 2 “trạng thái ON”. Trên mô phỏng ta nhận thấy, muốn mở rộng dải tần số làm việc từ 7 GHz đến 7.5 GHz, mỗi nhánh của chuyển mạch phải dùng đến 4 chêm hở mạch được bố trí trên đường truyền HMSIW như hình 5. Với việc tăng số chêm hở mạch, dải thông được mở rộng nhưng phải trả giá là tổn hao truyền tăng lên. Kết quả mô phỏng với cổng 2 mở và cổng 3 đóng của chuyển mạch được kết quả như hình 8 với các tham số S như bảng 2. Như kết quả mô phỏng thì chuyển mạch hoàn toàn có thể làm việc đúng chức năng của bộ chuyển mạch cao tần. Bảng 2. Tham số mô phỏng đạt được. Tham số S (dB) S21 S31 S11 S32 S22 Tần số (GHz) 7 ÷ 7.5 38 > 15 > 42 > 17 7.2 1.39 42 25 48 36 Tổn hao truyền và hệ số cách ly cũng ảnh hưởng bởi độ dày của chất nền. Nếu dùng tấm chất nền càng dày thì tổn hao truyền càng giảm nhưng hệ số cách ly giữa 2 cổng cũng giảm theo và ngược lại. Ở đây, chúng tôi chọn độ dày chất nền 0.787 mm là căn cứ trên tổn hao truyền và hệ số cách ly theo yêu cầu của bài toán đưa ra. 3. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Để làm rõ hơn kết quả mô phỏng đạt được của cấu trúc chuyển mạch này, chúng tôi đã tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế. Để có thể thực hiện chức năng điều khiển chuyển Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 49 mạch, chúng tôi sử dụng Diode PIN để điều khiển đóng hoặc mở đường truyền cao tần giữa đường truyền HMSIW và các chêm hở mạch. Diode PIN sử dụng ở đây là diode PIN SMP1340 có giá trị điện trở khi thiên áp thuận là 0.85Ω và giá trị tụ khi thiên áp ngược là 0.21 pF. Kích thước dài x rộng x cao = (1x0.8x0.6) mm. Diode có khả năng chuyển mạch nhanh trong dải tần từ 10 MHz đến 10 GHz với thời gian chuyển mạch trung bình là 100 ns. Diode được cấp thiên áp nguồn 5V nhờ một mạch thiên áp để cấp dòng cho diode khoảng 10mA thông qua một điện trở nối tiếp 100 Ω và chặn cao tần bằng các tụ cao tần. Các tham số S được đo trên máy phân tích mạng Keysight N9918A, kết nối được thực hiện như hình 9a và 9b. (a) (b) Hình 9. (a) Bộ chuyển mạch cao tần đã chế tạo; (b) Đo kết quả trên máy phân tích mạng Keysight N9918A. Hình 10. Kết quả đo thực tế khi cổng 2 “trạng thái ON”, cổng 3 “trạng thái OFF”. Thứ tự S31 và S21. Hình 11. Kết quả đo (đường nét đứt) so với kết quả mô phỏng (đường nét liền) khi cổng 2 “trạng thái ON”, cổng 3 “trạng thái OFF”. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. V. Việt, , L. T. Hiếu, “Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch công nghệ SIW.” 50 Hình 12. Kết quả đo (đường nét đứt) so với kết quả mô phỏng (đường nét liền) độ cách ly giữa cổng 2 và cổng 3. Điện áp +5V dùng để cấp nguồn thiên áp cho mạch qua điện trở hạn dòng 100Ω, mỗi đi ốt Pin được thiên áp với dòng 10mA. Cổng ON sẽ được điều khiển bằng cách cấp thiên áp thuận, còn cổng OFF sẽ được cấp thiên áp ngược. Hình 11, 12 và bảng 3 chỉ ra kết quả mô phỏng và kết quả thực tế đo được khi chuyển mạch làm việc ở trạng thái ON và OFF. Bảng 3. Tham số S mô phỏng và thực nghiệm. Tham số S (dB) S21 S31 S11 S32 S22 ở dải tần 7÷7.5 GHz Mô phỏng 38 > 15 > 42 > 17 Thực nghiệm 35 > 13 > 37 > 16 Hệ số cách ly đo được khi chuyển mạch làm việc ở trạng thái OFF là lớn hơn 35 dB trong dải tần từ 7 GHz đến 7.5 GHz. Và tổn hao truyền khi chuyển mạch ở trạng thái OFF là nhỏ hơn 1.8 dB trong dải sau khi trừ đi 1 dB (do đầu kết nối và cáp đo). Hệ số tổn hao phản hồi ở cổng 1 là 25 dB tại tần số 7.1 GHz. Cách ly giữa cổng 2 và 3 là lớn hơn 37 dB. Như vậy, kết quả thực tế chưa được tốt như mô phỏng nhưng vẫn tiệm cận với kết quả mô phỏng và cấu trúc này đã thực hiện được chức năng chuyển mạch theo yêu cầu. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày cách thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch cao tần điều khiển điện dựa trên cấu trúc SIW/HMSIW. Cơ chế chuyển mạch dựa trên các chêm hở mạch được kết nối với đường truyền HMSIW nhờ sự chuyển mạch của các đi ốt PIN. Dựa trên cấu trúc đưa ra và mô phỏng, bộ chuyển mạch mới dựa trên HMSIW/SIW được thiết kế chế tạo và đo đạc thực tế. Kết quả đo đạc đã minh chứng chức năng chuyển mạch của cấu trúc mới này. Với khả năng chuyển mạch cực nhanh nhờ sử dụng điều khiển điện thay vì cơ cấu cơ khí, cấu trúc này là một sản phẩm phù hợp cho ứng dụng các mạch và hệ thống cao tần có thể cấu hình được với hiệu suất cao, giá thành thấp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Maurizio BOZZI, Luca PERREGRINI, Ke WU, Paolo ARCIONI, “Current and Future Research Trends in Substrate Integrated Waveguide Technology”, Radioengineering, vol. 18, no. 2, June 2009; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 51 [2]. K.Wu, D.Deslandes, and Y.Cassivi, “The substrate integrated circuits – a new concept for high-frequency electronics and optoelectronics” in Telecommunications in Modern Satelite, Cable and Broadcasting Service, 2003. TELSIKS 2003.6th Internationl Conference on, 2003, pp.P-III-P-X vol.1; [3]. T. V. Duong, W. Hong, Z. C. Hao, J. X. Zhuang, T. H. Le, and M. Jiang, “A high selectivity millymeter-wave bandpass filters using novel dual-modecircular cavity,” in Proc. Asia-Pacific Microw. Conf., vol. 1. Dec.2015, pp. 398-40; [4]. Trần Thị Trâm, Lê Vĩnh Hà, Dương Tuấn Việt, “Nghiên cứu công nghệ ống sóng tích hợp vật lyệu nền trong thiết kế các hệ thống siêu cao tần”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia 2017 về điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin (REV-ECIT 2017); [5]. T.Yang, M.Ettorre, and R.Sauleau, “Novel phase shifter design based on substrate- integrated-waveguide technology,” IEEE Microw. Compon. Lett., vol.22, no. 10, pp.518-520, Oct. 2012; [6]. H. Wei et al., “Half mode substrate integrated waveguide: A new guided wave structere for microwave and millimeter wave application,” in Proc. 31st Int. Conf. Infr. Millim. Waves, 14th Int. Conf. Teraherz Electron. (IRMMW-THz), Sep. 2006, p. 219; [7]. R.F.Xu, B.S. Izquierdo, and P.R.Young, “Switchable substrate integated waveguide,” IEEE Microw. Compon. Lett., vol.21, no.4, pp.194-196, Apr.2011; [8]. L-S.Wu et al, “A new type of periodically load half-mode substrate integrated waveguide and its applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 58, no. 4, pp. 882-893, Apr.2010; [9]. Ansoft Corporation, “HFSSv10UserGuide”, Edition: REV1.0, Software Version 10.0, 2005; ABSTRACT DESIGNING AND FABRICATING A MICROWAVE SWITCH MODULE BY ELECTRICAL CONTROL, BASED ON SIW TECHNOLOGY In this article, an experimental study and implementation of a SPDT switch module for C band applications, based on SIW technology is presented. The circuit serves as a SPDT switch by controlling the PIN diode with highlight functions: it can adjustment bandwidth, low insertion loss and low cost. For demonstration, the proposed circuit is designed and fabricated on the substrate of Rogers 5880 with thickness 0.787 mm. The good performances show the advantages of proposed circuit topology, which can be an excellent candidate for multifunctional microwave or millimeter-wave circuits. Keywords: SPDT; SPST; Diode PIN; SIW; HMSIW. Nhận bài ngày 28 tháng 02 năm 2018 Hoàn thiện ngày 21 tháng 3 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 10 năm 2018 Địa chỉ: Viện Rađa/Viện KH-CNQS. * Email: vietnguyenmta@gmail.com.