Nghiên cứu thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng thanh cộng hưởng chữ nhật cho hệ thống thu/phát ra đa băng X

mô trong dải thông của bộ lọc được cải thiện. Trên cơ sở ứng dụng lý thuyết siêu cao tần và các công cụ phần mền tính toán mô phỏng, nhóm tác giả đã tính toán thiết kế chế tạo bộ lọc thông dải đạt chỉ tiêu kỹ thuật ứng dụng trong hệ thống ra đa băng X: Tổn hao < 0.3dB trong dải tần 8.9-9.6GHz; Hệ số phản xạ < -20dB trong dải tần 8.9-9.6GHz; Độ chọn lọc tần số < -50dB ở tần số 5.8GHz. Từ khóa: Bộ lọc thông dải; Bộ lọc hốc cộng hưởng; Ra đa băng X. 1. MỞ ĐẦU Sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến ngày càng yêu cầu cao về kỹ thuật thiết kế và công nghệ chế tạo các phần tử siêu cao tần. Một trong những phần tử đó là bộ lọc siêu cao tần. Bộ lọc là một thành phần quan trọng trong hệ thống này, nó có chức năng dùng để loại bỏ tín hiệu có tần số không mong muốn và cho qua các tín hiệu có tần số mong muốn. Các bộ lọc dải thông là một trong những thành phần quan trọng của hệ thống ra đa [6]. Hình 1 miêu tả sơ đồ khối của một hệ thống ra đa. Từ sơ đồ hình 1 chúng ta có thể thấy rằng một số bộ lọc được sử dụng để thực hiện các chức năng khác nhau. Ví dụ, trong phần máy thu, bộ lọc thông dải sau khuếch đại tạp âm thấp dùng để triệt nhiễu ảnh; trong phần máy phát, một bộ lọc được chèn giữa bộ trộn và bộ khuếch đại công suất để chọn lọc tần số yêu cầu và loại bỏ các thành phần không mong muốn tạo ra từ bộ trộn lên. Hai bộ lọc này trong ra đa băng X là bộ lọc thông dải sử dụng thanh cộng hưởng chữ nhật. Cả máy thu và máy phát dùng chung bộ chuyển mạch thu phát, bộ lọc thông dải và bộ lọc triệt hài. ANTENNA Số hóa đầu cuối LO2 PA LNA LO1Tổ hợp tần số Trộn tần lên Máy thu Cao tần đầu cuối CLK Bộ lọc thông dải Bộ lọc triết hài Ghi chú: Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống ra đa. Ngày nay, có rất nhiều loại bộ lọc khác nhau được dùng cho các ứng dụng ra đa, như các bộ lọc vi dải, bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục, bộ lọc ống sóng. Bộ lọc vi dải có ưu điểm kích thước nhỏ, giá thành thấp, dễ chế tạo. Nhược điểm chính của bộ lọc này là tổn hao chèn cao, bởi vì hệ số phẩm chất Q của nó thấp hơn đáng kể so với các loại khác. Bộ lọc ống sóng có ưu điểm tổn hao thấp, công suất chịu đựng cao, tuy nhiên, kích thước của Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. X. Thọ, V. T. Anh, D. T. Việt, “Nghiên cứu thiết kế bộ lọc thu/phát ra đa băng X.” 40 bộ lọc ống sóng lớn hơn nhiều so với các loại bộ lọc khác. Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục có nhiều ưu điểm như tổn hao thấp, kích thước nhỏ gọn, mặc dù vậy, nó có nhược điểm là rất khó chế tạo ở tần số cao [2]. Bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục bao gồm bộ lọc răng lược, bộ lọc cài răng lược và bộ lọc ghép [1]. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải sử dụng các thanh kim loại chữ nhật cộng hưởng trong ống sóng không khí vì nó có kích thước khá nhỏ gọn, tổn hao thấp, độ chọn lọc tần số cao, có khả năng tối ưu bộ lọc sau khi chế tạo trên cơ sở sử dụng các vít chỉnh tần số cộng hưởng. Dựa trên các lý thuyết về siêu cao tần và các công cụ phần mềm, bài báo sẽ trình bày cơ sở tính toán, thiết kế bộ lọc thông dải 8.9- 9.6GHz, là băng tần của một số đài ra đa hiện đại hiện nay. 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 2.1. Sơ đồ tương đương, hệ số phẩm chất ngoài và hệ số ghép của bộ lọc thông dải Sơ đồ cấu trúc của một dạng bộ lọc thông dải n bậc được thể hiện như hình 2. Bộ lọc bao gồm các phần tử cộng hưởng dải dẫn chế độ TEM đặt ở giữa hai mặt phẳng đất song song. Các dẫn dải từ 1 đến n đều đóng vai trò như các phần tử cộng hưởng, mỗi phần tử cộng hưởng có chiều dài một phần tư bước sóng ở tần số trung tâm, ngắn mạch ở một đầu và hở mạch ở đầu còn lại. Các dẫn dải đầu vào và đầu ra đóng vai trò như các phần tử phối hợp. Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của một bộ lọc thông dải n bậc. Hình 3a thể hiện sơ đồ mạch tương đương của bộ lọc lọc thông dải n bậc. Trong đó RS, RL lần lượt là trở kháng nguồn, trở kháng tải; θ là độ dài điện của phần tử cộng hưởng. Bộ lọc này được xây dựng trên cơ sở sử dụng sơ đồ mạch tương đương của hai dải dẫn song song không đối xứng [2]. Để xác định hệ số phẩm chất ngoài ở đầu vào cần xem xét phần mạch tương đương từ nguồn đến bộ nghịch đảo dẫn nạp đầu tiên trong mạch tương đương như hình 4. Từ mạch tương đương như hình 4, dẫn nạp cộng hưởng Ych được tính như sau: (1) (2) trong đó: l là chiều dài phần tử cộng hưởng; ν là vận tốc ánh sáng; ω là tần số góc. Từ công thức (2) ta được công thức hệ số phẩm chất ngoài ở nguồn là: (3) Với bộ lọc thông dải có θ0=90 0, thì công thức (3) được rút gọn như sau: (4) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 41 Vì [2], nên hệ số phẩm chất ngoài cũng có thể viết theo hàm của điện dung như sau [2]: (5) trong đó: Hình 3. Sơ đồ mạch tương đương của bộ lọc trên hình 2. Hình 4. Mạch tương đương để xác định hệ số phẩm chất ngoài. Tương tự, hệ số phẩm chất ngoài ở tải là: (6) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. X. Thọ, V. T. Anh, D. T. Việt, “Nghiên cứu thiết kế bộ lọc thu/phát ra đa băng X.” 42 Từ định nghĩa tính toán hệ số ghép đưa ra như tài liệu [3], thì hệ số ghép giữa các phần tử cộng hưởng là: (7) (8) (9) 2.2. Cấu trúc vật lý của bộ lọc thông dải sử dụng thanh cộng hưởng chữ nhật Cấu trúc vật lý và điện dung thành phần của các thanh ghép chữ nhật giữa hai mặt phẳng song song thể hiện như hình 5. Hai mặt phẳng song song đặt cách nhau một khoảng cách b, các thanh chữ nhật đặt ở giữa và song song với nhau. Cc là điện dung ghép trên đơn vị chiều dài hay còn gọi là điện dung ghép tương hỗ, Cf là điện dung viền bên ngoài, Cfe là điện dung viền bên trong, Cp là điện dung mặt phẳng song song. Các điện dung thành phần là hàm của các tham số cơ khí và được xác định như sau [2, 4, 5]: (10) , (11) (12) (13) trong đó, hệ số A, B được tính toán dựa vào dữ liệu của Willian J. Getsinger [4]. Ngoài ra, điện dung riêng của các thanh ghép chữ nhật là: (14) (15) (16) Hình 5. Cấu trúc vật lý và các điện dung thành phần. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 43 2.3. Các bước tính toán, thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng thanh cộng hưởng chữ nhật Tài liệu tham khảo [2] đã chỉ ra rằng hệ số phẩm chất ngoài và các hệ số ghép được tính toán theo các tham số yêu cầu của bộ lọc cần thiết kế. Ngoài ra, nó hoàn toàn có thể được tính toán trên cơ sở sử dụng các tham số cơ khí. Việc tính toán này được xác định khi sử dụng các công thức tính toán hệ số phẩm chất và hệ số ghép theo các thành phần điện dung (5)÷(9) và các thành phần điện dung của thanh ghép song song là các hàm của các tham số cơ khí (10)÷(16). Từ đó, nhóm nghiên cứu đã tính toán thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng các thanh ghép chữ nhật theo các bước sau: - Trên cơ sở các tham số yêu cầu của bộ lọc cần thiết kế, tính toán hệ số phẩm chất và hệ số ghép [2]; - Lựa chọn các kích thước cơ khí cho các thanh ghép cộng hưởng sử dụng thiết kế bộ lọc. - Tính toán tối ưu khoảng cách giữa các thanh ghép cộng hưởng chữ nhật để thỏa mãn điều kiện kết quả tính toán hệ số phẩm chất và các hệ số ghép theo các kích thước cơ khí bằng với kết quả tính toán theo tham số yêu cầu đầu vào. Quá trình tính toán tối ưu khoảng cách giữa các thanh ghép chữ nhật được xây dựng trên phầm mềm Matlab. 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG THANH CỘNG HƯỞNG CHỮ NHẬT CHO HỆ THỐNG THU/PHÁT RA ĐA BĂNG X 3.1. Các tham số yêu cầu của bộ lọc thông dải băng X Các tham số của bộ lọc thông dải sử dụng trong hệ thống thu/phát ra đa băng X như sau: Tần số trung tâm : 9.25 GHz; Dải thông : 700 MHz; Tổn hao trong dải thông : ≤ 0.3 dB; Hệ số phản xạ trong dải thông : ≤ -20 dB; Độ chọn lọc : ≤ -50dB ở tần số 5.8 GHz. 3.2. Tính toán, mô phỏng tối ưu Bộ lọc thông dải sử dụng thanh cộng hưởng chữ nhật được tính toán thiết kế trên cơ sở sử dụng phần mềm Matlab. Các chương trình trong Matlab đưa ra để tính toán các điện dung thành phần của các thanh ghép cộng hưởng chữ nhật. Giá trị điện dung phụ thuộc vào kích thước của các thanh, khoảng cách giữa chúng và khoảng cách giữa hai mặt phẳng đất song song như trình bày ở mục 2.2. Hình 6. Kết quả tính toán bộ lọc sử dụng phần mềm Matlab. Để đảm bảo thực hiện gia công chế tạo sản phẩm nhóm nghiên cứu đã lựa chọn kích thước chiều dài, chiều rộng của thanh chữ nhật là 2.5mm và khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song là 6mm. Với các tham số điện đầu vào và các tham số cơ khí chúng ta sử Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. X. Thọ, V. T. Anh, D. T. Việt, “Nghiên cứu thiết kế bộ lọc thu/phát ra đa băng X.” 44 dụng phần mềm tính toán để tính toán khoảng cách giữa các thanh. Kết quả tính toán cho bộ lọc được thể hiện như hình 6. - Hệ số phẩm chất và hệ số ghép Q1; K12; K23; Q3 lần lượt là: 11.2777; 0.078; 0.078; 11.2777. - Khoảng cách cơ khí giữa các thanh cộng hưởng chữ nhật S1; S2; S3; S4 lần lượt là: 1.4718; 4.0271; 4.0271; 1.4718. Các kết quả tính toán được đưa vào phần mềm CST [7] để mô phỏng tối ưu đặc tuyến của bộ lọc (S11≤-20dB trong dải tần 8.9-9.6GHz). Mô hình 3D và đặc tuyến bộ lọc sau khi tối ưu thể hiện như hình 7: Hình 7. Mô hình 3D và đặc tuyến của bộ lọc. Từ kết quả mô phỏng ta thấy tất cả các tham số đều đạt chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của bộ lọc. Cụ thể S21 ≥ 0.13dB trong dải tần 8.9-9.6GHz; S11 ≤ -20dB trong dải tần 8.9- 9.6GHz; S21 = -52dB ở tần số 5.8GHz. 3.3. Kết quả chế tạo, đo đạc Sau khi các tham số mô phỏng trên phần mềm được đánh giá đảm bảo yêu cầu, nhóm tác giả đã sử dụng công nghệ gia công CNC để chế tạo bộ lọc trên vật liệu nhôm và mạ bạc như hình 8. Hình 8. Hình ảnh bộ lọc chế tạo thực tế. Hình 9. Kết quả đo tham số bộ lọc. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 45 Từ kết quả đo đạc tham số bộ lọc sau chế tạo thể hiện ở hình 9 cho thấy: - Tổn hao trong phạm vi dải tần 8.9-9.6GHz: < 0.26 dB; - Hệ số phản xạ trong phạm vi dải tần 8.9-9.6GHz: < -20 dB; - Độ chọn lọc tần số ở 5.8GHz: -53.08 dB. Kết quả đo đạc này cho thấy bộ lọc thông dải sau khi chế tạo có tham số đạt các yêu cầu đề ra và tương đồng với kết quả mô phỏng trên phần mềm CST. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày kết quả thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng các thanh ghép chữ nhật trên cơ sở sơ đồ mạch điện tương đương kết hợp với các tính toán thành phần điện dung giữa các thanh ghép. Kết quả mô phỏng và chế tạo cho thấy các tham số của bộ lọc hoàn toàn đáp ứng tham số yêu cầu và được ứng dụng trong hệ thống thu/phát đài ra đa băng X. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm này là cơ sở để mở rộng nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ lọc hốc cộng hưởng không khí. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Robert E. Collin, “Foundations for Microwave Engineering” 2nd Edition, 2001. [2]. George L. Matthael, “Microwave Filters, Impedance Matching network and Coupling Structure”, Artech House ,1985. [3]. Jia S. Hong, “Microstrip filter for RF/Microwave Application”, 2001. [4]. Willian J. Getsinger, “Coupled Rectangular Bars Between Parallel Plates”, 1962. [5]. S.B. Cohn, “Shielded coupled-strip transmission line” 1955. [6]. Jijesh J.J, “Design and Development of Band Pass Filter for X-Band Radar Receiver System” 2017. [7]. https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/. ABSTRACT A DESIGN OF BANDPASS FILTER USING RECTANGULAR BAR RESONATORS FOR X-BAND RADAR TRANSCEIVER In this paper, a design of bandpass filter for X-band radar tranceiver is presented. The bandpass filter consists of metal rectangular bar resonaotrs in an air cavity slab waveguide. So that, the insertion loss and ripple of the filter become improved. Based on the theory of Radio frequency and microwave, using simulation software. The bandpass filter that meets all the requested specifications of the bandpass filter for X-band radar: Insertion loss < 0.3dB within range frequency 8.9-9.6GHz; Return loss < -20dB within range frequency 8.9-9.6GHz; Attenuation ≤ -50dB at 5.8GHz were designed and implemented. Keywords: Bandpass filter; Cavity filter; X-band radar. Nhận bài ngày 26 tháng 12 năm 2019 Hoàn thiện ngày 14 tháng 4 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: Viện Ra đa / Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email: xuantho6482@gmail.com.