Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần băng C tính năng cao sử dụng công nghệ siw ứng dụng cho đài ra đa thụ động SDD

Kỹ thuật Điện tử – Thông tin T. T. Trâm, , V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần ra đa thụ động SDD.” 172 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN BĂNG C TÍNH NĂNG CAO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIW ỨNG DỤNG CHO ĐÀI RA ĐA THỤ ĐỘNG SDD Trần Thị Trâm*, Lê Vĩnh Hà, Dương Tuấn Việt, Trần Minh Nghĩa, Võ Văn Phúc Tóm tắt: Các bộ lọc đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống thu phát của các đài ra đa. Chính vì vậy, bài báo này đề xuất một giải pháp để thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải siêu cao tần băng C chất lượng cao sử dụng công nghệ SIW- CPW. Bộ lọc này được thực hiện bằng cách khoan 2 hàng lỗ dọc trên 2 cạnh của bề mặt chất nền kết hợp với việc lựa chọn cấu trúc thích hợp. Bộ lọc siêu cao tần SIW-CPW có các tính năng kỹ thuật vượt trội như: dải thông rộng, suy hao trong dải thấp và đặc tính chặn dải tốt. Bộ lọc này được dùng trong máy thu của đài ra đa thụ động SDD. Từ khóa: Bộ lọc; Siêu cao tần; Ống dẫn sóng; SIW; Băng C. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các bộ lọc thông dải đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống thu phát của các thiết bị vô tuyến điện tử nói chung và các hệ thống ra đa nói. Thực tế hiện nay cho thấy rằng với việc phải phân chia các dải tần số cho các mục đích dân sự và quân sự thì việc cải thiện các bộ lọc để tăng độ chọn lọc của các thiết bị viễn thông cũng như các hệ thống khí tài quân sự là một điều rất cần thiết. Bên cạnh đó, các hệ thống ra đa thế hệ mới và hệ thống truyền thông số dải sóng cm, mm và các hệ thống siêu cao tần hiện đại đã và đang phát triển một cách nhanh chóng. Sự phát triển nhanh chóng đó đi đôi với việc phát triển các công nghệ mà đem lại hiệu quả cao cũng như chi phí thấp, khả năng tích hợp cao và cải thiện hiệu suất làm việc. Các bộ lọc truyền thống hầu như là khó tích hợp với các mạch phẳng hoặc có cấu trúc phức tạp và được nhập ngoại dưới dạng mô đun hoặc tích hợp vào các hệ thống thu phát. Trong những năm qua, bộ lọc sử dụng công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền SIW (Subtrate Intergrated Waveguide-SIW) đã thu hút rất nhiều sự chú ý do các đặc tính ưu việt của nó như chi phí thấp, tổn hao thấp, dải thông rộng và tính tương thích với quy trình mạch in phẳng [1]. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một bộ lọc thông dải siêu cao tần (SCT) tính năng cao bao phủ dải tần số băng C sử dụng công nghệ SIW-CPW (Subtrate Intergrated Waveguide-Coplanar Waveguide). Bộ lọc này có thể ứng dụng vào các hệ thống siêu cao tần trong các đài ra đa băng C như trong hệ thống thu của đài ra đa thụ động SDD. 2. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN TÍNH NĂNG CAO BĂNG C SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIW 2.1. Lựa chọn cấu trúc SIW phù hợp cho bộ lọc tính năng cao băng C Ống dẫn sóng đồng phẳng là một loại đường truyền điện phẳng có thể được chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ bảng mạch in, và được sử dụng để truyền các tín hiệu tần số cao. Trên một quy mô nhỏ hơn, các đường dây truyền dẫn sóng đồng phẳng cũng được tích hợp vào các mạch tích hợp vi sóng nguyên khối. Ống dẫn sóng đồng phẳng thông thường (CPW) bao gồm một đường truyền dẫn phẳng in trên đế điện môi kết hợp với một cặp dây dẫn. Tất cả ba dây dẫn đều nằm trên cùng một mặt của đế, và do đó, gọi là đồng phẳng. Cặp dây dẫn được tách ra khỏi đường truyền dẫn trung tâm bởi một khoảng trống nhỏ, có chiều rộng không thay đổi dọc theo chiều dài của đường truyền. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 173 Còn cấu trúc SIW được tạo ra bằng cách khoan 2 hàng lỗ dọc trên 2 cạnh của bề mặt chất nền vì vậy thường được gọi là ODS tích hợp vật liệu nền SIW. Các cấu trúc CPW và SIW được minh họa trên hình 1. (a) CPW (b) SIW Hình 1. Minh họa cấu trúc CPW và SIW. Do các cấu trúc SIW có tính chất cắt tần số và các cấu trúc chu kỳ thường có tính chất dải chặn, nên các bộ lọc băng rộng nhỏ gọn có thể có được bằng cách tích hợp SIW với một cấu trúc chu kỳ nào đó, chẳng hạn như cấu trúc đồng phẳng nhỏ gọn-cấu trúc dải chắn điện từ (UC-EBG: Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap Structures), đồng phẳng nhỏ gọn- cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (UC-DGS: Uniplanar Compact defect ground structures), và cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW: coplanar waveguide). Những bộ lọc kết hợp kiểu này sẽ cho băng thông rộng hơn so với bộ lọc SIW thông thường. Mặt khác, SIW và các cấu trúc chu kỳ như UC-EBG, DGS và CPW được kết hợp chặt chẽ với nhau, và kết quả sẽ tạo ra các bộ lọc có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các bộ lọc SIW thông thường, kích thước tổng thể có thể so sánh với bước sóng hoạt động của nó [2], [3]. Hơn nữa, các bộ lọc như vậy có tổn hao chèn thấp và độ chọn lọc tốt do hệ số phẩm chất của SIW cao và đặc tính tổn hao thấp của các cấu trúc chu kỳ (UC-EBG và CPW) [4]. Tuy nhiên, trong thiết kế hệ thống tần số cao, thường yêu cầu một mặt phẳng đất lớn để giảm tạp tạo ra bởi các thành phần sóng cm và mm như bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) và bộ dao động. Trong trường hợp này, nếu sử dụng bộ lọc SIW-UC-EBG và SIW-DGS sẽ không phải là thích hợp nhất vì các cấu trúc EBG và DGS sẽ gây ra tổn hao bức xạ lớn. Để phóng to mặt phẳng đất và giảm tổn hao bức xạ, có thể đặt các ô UC-EBG lên trên lớp phủ các SIW. Vì các ô UC-EBG cũng có thể được xem như cấu trúc CPW vì vậy cấu trúc này có thể được xem như là một SIW tích hợp với một CPW có chu kỳ nên gọi là bộ lọc SIW- CPW [1], [5]. (a) (b) Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc SIW-CPW đề xuất (a) Mặt trước, (b) Mặt sau, (c) Kích thước của một ô. Kỹ thuật Điện tử – Thông tin T. T. Trâm, , V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần ra đa thụ động SDD.” 174 Hình 2a biểu thị cấu trúc SIW và các ô UC-EBG, khoảng cách giữa các ô UC-EBG là Dcell, khoảng cách này có thể được sử dụng để điều khiển các đỉnh cộng hưởng theo cách giống như của bộ lọc SIW-DGS. Tham số Sw được sử dụng để kiểm soát độ ghép giữa SIW với các cổng đầu vào và cổng đầu ra. Vì UC-EBG, DGS và CPW có thể tích hợp được hoàn toàn với SIW nên những cấu trúc này sẽ là ứng viên lý tưởng cho việc thiết kế bộ lọc băng rộng rất nhỏ gọn. Bộ lọc kiểu cấu trúc CPW-SIW này chủ yếu dựa trên các cấu trúc có chu kỳ nên việc tổng hợp bộ lọc được đơn giản hóa rất nhiều, hiệu suất và độ chọn lọc tốt hơn và thực hiện đơn giản chỉ bằng cách tăng thêm ô [6]. Do tính chất của cấu trúc SIW là có hệ số Q cao và cấu trúc CPW tuần hoàn có đặc điểm là tổn hao chèn thấp nên trong các thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng C lựa chọn cấu trúc SIW-CPW như minh họa trên hình 2. 2.2. Thiết kế bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW tính năng cao Việc xây dựng các tham số bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW tính năng cao dựa trên việc tham chiếu các tham số của bộ lọc thông dải nằm trong máy thu của đài ra đa thụ động SDD. Trong máy thu của đài ra đa thụ động SDD có rất nhiều bộ lọc thông dải SCT 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 tín hiệu nhằm đáp ứng các chức năng chiến - kỹ thuật của toàn bộ hệ thống. Bộ lọc thông dải băng C nằm trong các khối DPX, KKX2, [7] Hình 3 trình bày vị trí cụ thể của 1 bộ lọc thông dải băng C trong khối KKX2 của máy thu đài ra đa thụ động SDD. Hình 3. Sơ đồ khối KKX2 (Phần in đậm là bộ lọc thông dải băng C). Bài toán thiết kế bộ lọc thông dải SCT băng C dựa trên cấu trúc CPW-SIW được thực hiện với các tham số kỹ thuật theo bảng 1. Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc SCT băng C SIW-CPW. TT Tham số kỹ thuật Đơn vị đo Cần đạt 1 Dải tần làm việc MHz 4000  8000 2 Suy hao trong dải dB  3 3 Độ chắn ngoài dải (@f0 ± 1,5f) dB ≥ 30 4 Độ nhấp nhô trong dải dB  1 5 Dải thông (mức -3 dB) MHz 4000 ± 100 6 Tổn hao phản hồi ≥ 10 Các bước tính toán, thiết kế bộ lọc thông dải SCT băng C tính năng cao sử dụng cấu trúc SIW-CPW [1], [8], [9]: Bước 1: Chọn tần số trung tâm f0: f0 = 6 GHz; Bước 2: Chọn kích thước ống sóng: (34,85 x 15,8) mm; Bước 3: Tính bước sóng trong không gian tự do 0: 0 = c/f0  50 mm; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 175 Bước 4: Chọn loại chất nền sẽ sử dụng để thiết kế: Rogger 5880 có hằng số điện môi εr = 2.2, độ dày chất nền h = 0.762 mm, độ dày lớp đồng t = 0.017 mm; Bước 5: Tính chiều rộng Weff của ống dẫn sóng kim loại lấp đầy điện môi εr theo công thức với Wcon = 35 mm (Wcon là kích thước của ODS kim loại thông thường): Weff = Wcon/√εr = 35/√2.2  23.6 mm; Bước 6: Chọn đường kính và khoảng cách giữa các lỗ: Trong thiết kế này ta chọn d = 0.4 mm và s = 0.8 mm để đảm bảo các yêu cầu về chống rò rỉ bức xạ; Bước 7: Tính kích thước SIW theo công thức: 2 0.95 effSIW d W sW   = 23.8 mm; Bước 8: Chọn khoảng cách giữa các ô theo công thức: 0.2 cell SIWWD  nên ta chọn Dcell = 4.5 mm; Bộ lọc SIW-CPW được thiết kế gồm 11 ô như trên hình 4. Bảng 2 liệt kê các tham số hình học cho bộ lọc SIW-CPW 11 ô trên cơ sở lý thuyết. Hình 4. Sơ đồ cấu trúc thiết kế bộ lọc SIW-CPW băng C. Bảng 2. Giá trị của các tham số đã được tính toán cho bộ lọc SIW-CPW. TT Tham số Giá trị TT Tham số Giá trị TT Tham số Giá trị 1 WSIW (mm) 23.8 6 Ecl (mm) 1.5 11 H (mm) 0.762 2 d (mm) 0.4 7 Egap (mm) 0.25 12 Eltl (mm) 0.8 3 s (mm) 0.8 8 Esl (mm) 0.65 13 Esw (mm) 0.8 4 ECW (mm) 12 9 Dcell (mm) 4.5 14 Eltw (mm) 0.6 5 Estl (mm) 1.25 10 W50 (mm) 1.8 15 Estw (mm) 0.25 Dựa trên bảng tham số đã được tính toán theo lý thuyết, tiến hành mô phỏng bộ lọc SIW-CPW trên phần mềm CST [10]. Trong quá trình mô phỏng đã điều chỉnh các tham số để kết quả mô phỏng là tối ưu nhất. Bảng 3 liệt kê các tham số sau khi đã tiến hành mô phỏng và điều chỉnh để cho kết quả tối ưu nhất. Bảng 3. Giá trị của các tham số đã được tối ưu trên phần mềm CST. TT Tham số Giá trị TT Tham số Giá trị TT Tham số Giá trị 1 WSIW (mm) 25 6 Ecl (mm) 2 11 H (mm) 0.762 2 d (mm) 0.4 7 Egap (mm) 0.25 12 Eltl (mm) 0.9 3 s (mm) 0.8 8 Esl (mm) 0.65 13 Esw (mm) 0.85 4 ECW (mm) 14 9 Dcell (mm) 4.5 14 Eltw (mm) 0.5 5 Estl (mm) 1.25 10 W50 (mm) 1.8 15 Estw (mm) 0.25 3. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.1. Các kết quả mô phỏng bộ lọc SIW-CPW băng C trên phần mềm CST Các kết quả mô phỏng tổn hao trong dải, độ chắn ngoài dải và tổn hao phản hồi của bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW được thể hiện trên hình 5. Kỹ thuật Điện tử – Thông tin T. T. Trâm, , V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần ra đa thụ động SDD.” 176 (a) (b) Hình 5. (a) Tổn hao trong dải và độ chắn ngoài dải, (b) Tổn hao phản hồi. 3.2. Các kết quả thực nghiệm với bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW Hình 6 trình bày ảnh chụp bộ lọc thông dải băng C SIW-CPW đã thiết kế chế tạo. Hình 6. Ảnh chụp bộ lọc đã thiết kế chế tạo và kết nối vào khối KKX2 của máy thu đài ra đa thụ động SDD. Các kết quả đo thực tế tổn hao trong dải và độ chắn ngoài dải của bộ lọc thông sải SCT băng C SIW-CPW được thể hiện trên hình 7. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế đặc tuyến của bộ lọc như trên hình 8. (a) (b) Hình 7. (a) Suy hao trong dải và độ chắn ngoài dải, (b) Tổn hao phản hồi. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 177 Hình 8. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế đặc tuyến của bộ lọc: 1 - Kết quả mô phỏng, 2- Kết quả đo thực tế. Bảng 4. Bảng so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc. TT Tham số kỹ thuật Đơn vị đo Yêu cầu Kết quả mô phỏng KQ đo thực tế 1 Dải tần làm việc MHz 4000  8000 3900  8500 4000  8000 2 Tổn hao trong dải dB  3  2,6  2,6 3 Độ chắn ngoài dải dải (@f0 ± 1,5f) dB ≥ 30 ≥ 35 ≥ 40 4 Độ nhấp nhô trong dải dB  1  1  1 5 Dải thông mức -3 dB MHz 4000 ± 100 4600 4000 6 Tổn hao phản hồi dB ≥ 10 ≥ 10 ≥ 10 Các tham số đo được đáp ứng yêu cầu đặt ra khi thiết kế. Từ kết quả mô phỏng và đo thực tế thấy rằng: Giữa kết quả mô phỏng và thực tế có sự sai khác về dải thông. Do đó, khi thiết kế thực tế chúng ta phải điều chỉnh và có tính toán đến sai số về dải thông giữa mô phỏng và thực tế để tạo ra được bộ lọc có kết quả như mong muốn. 4. KẾT LUẬN Bộ lọc thông dải ứng dụng công nghệ CPW-SIW ở dải tần băng C đã được thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng trong thực tế. Bộ lọc đạt được các tham số vượt trội về suy hao trong dải và độ chắn ngoài dải so với các bộ lọc siêu cao tần băng C thông thường. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo kiểm thực tế cho thấy sự tương đồng của các tham số. Các tham số đo kiểm của bộ lọc đáp ứng yêu cầu đặt ra của các bộ lọc băng C trong máy thu đài ra đa thụ động SDD. Sản phẩm nghiên cứu có được ứng dụng trong máy thu của đài ra đa thụ động SDD. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. D. Deslandes and K. Wu, “Accurate Modeling, Wave Mechanisms, and Design Considerations of a Substrate Integrated Waveguide”, IEEE Trans. Microwave Theory & Tech ., VOL. 54, NO 6, pp. 2516-2526, JUN. 2006; Kỹ thuật Điện tử – Thông tin T. T. Trâm, , V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần ra đa thụ động SDD.” 178 [2]. F. R. Yang, K. P. Ma, Y. X. Qian, and T. Itoh, “A uniplanar compact photonic-bandgap (UC-PBG) structure and its applications for microwave circuits,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 8,pp.1509–1514, Aug. 1999; [3]. Y. Rong, A. Zaki, J. Gipprich, M. Hageman, and D. Stevens, “LTCC wide-band ridge-waveguide bandpass filters,” IEEE rans. icrow. Theory Tech., vol. 47, no. 9, pp. 1836–1840, Sep. 1999; [4]. J. Sor, Y. Qian, and T. Itoh, “Miniature low-loss CPW periodic structures for filter applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 12, pp. 2336–2341, Dec. 2001; [5]. J. Gipprich, D. Stevens, M. Hageman, A. Piloto, K. A. Zaki, and Y. Rong, “Embedded waveguide filters for microwave and wireless applications using cofired ceramic technologies,” in Proc. Int. Microelectron. Symp., San Diego, CA, Nov. 1998, pp. 23–26; [6]. F. R. Yang, K. P. Ma, Y. X. Qian, and T. Itoh, “A novel TEM waveguide using uniplanar compact photonic-bandgap (UC-PBG) structure,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 11, pp. 2092–2098, Nov. 1999; [7]. Tài liệu thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng ra đa SDD; [8]. T. V. Duong, W. Hong, Z. C. Hao, W. C. Huang, J. X. Zhuang, and M. H. Nguyen, “A new class of selectivity-improved mm-waves dual-mode substrate integrated waveguide filters,” in Proc. Asia–Pacific Microw. Conf., vol. 1. Dec. 2015, pp. 398–40; [9]. “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền trong thiết kế các hệ thống siêu cao tần”/ Hội thảo quốc gia 2017 về Điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin (REV-ECIT 2017); [10]. Hướng dẫn sử dụng phần mềm CST Microwave Studio Suite 2015. ABSTRACT DESIGN AND FABRICATION HIGH-PERFORMANCE C BAND FILTER USING SUBSTRATED INTERGRATED WAVEGUI TECHNICAL APPLY IN MODULES OF RADAR PASIVE SDD’RECEIVER The filter closing role of the important in the radar systems. So this paper propose a solution to design and fabrication of high-performance C-band microwave filters using SIW technology. By drilling two rows of vertical holes on the two sides of the flat wave conductor surface in conjunction with selecting the appropriate structure to create a good selection of SIW-CPW filters. In this study, we implemented the high-performance C-band SIW-CPW filter with wide bandwidths, low insertion loss and superior features beyond out of bandwidth. This filter will apply in modules of radar passive SDD’s receiver. Keywords: Bộ lọc; Siêu cao tần; Ống dẫn sóng; SIW; băng C. Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KHCNQS. * Email: tramhtvrd@gmail.com.