Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch vi dải ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế và đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải đa băng sử dụng mạch cộng hưởng tải nhiều dây chêm đa mode, kết hợp với mạch cộng hưởng đơn mode được cấp nguồn trực tiếp kiểu dây rẽ đối xứng, tạo ra nhiều điểm 0 đường truyền trong đáp ứng tần số để cải thiện đặc tính chọn lọc tần số nâng cao chất lượng bộ lọc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch vi dải ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỖ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH VI DẢI ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỖ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH VI DẢI ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số : 9 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐOÀN MINH TÂN TS. TẠ CHÍ HIẾU HÀ NỘI - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, Luận án là công trình nghiên cứu của tôi, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trước đây. Các tài liệu tham khảo trong luận án được trình bày đầy đủ theo đúng qui định. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Đỗ Văn Phương
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn hai thầy giáo hướng dẫn khoa học là TS. Đoàn Minh Tân và TS. Tạ Chí Hiếu. Các thầy luôn tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy giáo Khoa Vô tuyến Điện tử, tập thể Bộ môn Kỹ thuật Xung số Vi xử lý đã quan tâm và tạo điều kiện giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt thời gian học tập tại Học viện. Tác giả gửi lời cảm ơn tới quí Công ty TNHH Ứng dụng & phát triển Điện tử tự động hóa và Phòng Lab Công nghệ điện tử - Viện tích hợp Hệ thống - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm các nội dung của luận án. Chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Sĩ quan Thông tin - Binh chủng Thông tin liên lạc là các đơn vị chủ quản đã thường xuyên hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ nghiên cứu sinh rất nhiều trong thời gian qua. Cuối cùng, tôi rất trân trọng cảm ơn vợ và các con yêu quí, cùng những người thân trong gia đình và các đồng nghiệp đã chia sẻ khó khăn, tiếp thêm động lực giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Trân trọng!
MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN CÔNG NGHỆ MẠCH VI DẢI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1. Động cơ và ý tưởng nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2. Bộ lọc thông dải siêu cao tần công nghệ mạch vi dải . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1. Bộ lọc cộng hưởng ghép đầu cuối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.2. Bộ lọc cộng hưởng ghép song song . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.3. Bộ lọc hairpin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.4. Bộ lọc xen kẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.5. Bộ lọc ghép dây chêm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.6. Bộ lọc trở kháng bậc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.7. Bộ lọc tải dây chêm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3. Các tham số của bộ lọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.1. Hàm truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 i
ii 1.3.2. Tổn hao chèn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.3. Tổn hao phản hồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.4. Hệ số phẩm chất không tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.5. Băng thông và hệ số chọn lọc tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4. Đường truyền vi dải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.1. Cấu trúc đường truyền vi dải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.2. Tham số của đường truyền vi dải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4.3. Cấu trúc không liên tục của đường truyền vi dải . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4.3.1. Đầu cuối hở mạch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4.3.2. Chỗ uốn gấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4.3.3. Khe hở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4.3.4. Bậc thang theo chiều rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4.4. Đường truyền vi dải ghép song song . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5. Cấu trúc cộng hưởng vi dải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.1. Cấu trúc cộng hưởng đơn mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.1.1. Cấu trúc cộng hưởng đơn mode nửa bước sóng . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.1.2. Cấu trúc cộng hưởng vòng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.5.2. Cấu trúc cộng hưởng hai mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.5.2.1. Cấu trúc cộng hưởng λ/2 tải dây chêm hở mạch trung tâm . . . 36 1.5.2.2. Cấu trúc cộng hưởng λ/2 tải dây chêm ngắn mạch trung tâm. 38 1.5.2.3. Cấu trúc cộng hưởng tải vòng vuông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.5.2.4. Cấu trúc cộng hưởng trở kháng bậc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5.3. Cấu trúc cộng hưởng ba mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.5.3.1. Cấu trúc cộng hưởng tải nhiều dây chêm ngắn và hở mạch . . . 41
iii 1.5.3.2. Cấu trúc cộng hưởng tải vòng vuông và dây chêm ngắn mạch 44 1.5.4. Tổng hợp các mạch cộng hưởng vi dải cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.6. Cấu trúc khuyết mặt phẳng đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 1.6.1. Mô hình cấu trúc và nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.6.2. Mô hình mạch tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.7. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Chương 2. BỘ LỌC VI DẢI ĐA BĂNG CÓ NHIỀU ĐIỂM TRUYỀN 0 SỬ DỤNG MẠCH CỘNG HƯỞNG TẢI DÂY CHÊM ĐA MODE KẾT HỢP VỚI MẠCH CỘNG HƯỞNG ĐƠN MODE . . . . . . . . . 50 2.1. Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải ba băng sử dụng mạch cộng hưởng tải dây chêm hở mạch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.1.1. Thiết kế cấu trúc bộ lọc đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.1.2. Phân tích cấu trúc thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.1.3. Kết quả mô phỏng và bình luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.1.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.2. Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng sử dụng mạch cộng hưởng tải dây chêm đa mode kết hợp với mạch cộng hưởng vòng đơn mode . . . . . . . 58 2.2.1. Thiết kế cấu trúc bộ lọc đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.2. Phân tích cấu trúc thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.2.1. Cấu trúc mạch cộng hưởng ngoài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.2.2. Cấu trúc mạch cộng hưởng trong. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2.3. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.2.4. Chế tạo bộ lọc, đo kiểm và bình luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.5. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
iv 2.3. Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng sử dụng cộng hưởng tải dây chêm đa mode nhúng trong mạch cộng hưởng vòng đơn mode . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.3.1. Thiết kế cấu trúc bộ lọc đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.3.2. Phân tích cấu trúc thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.3.3. Thiết kế và mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.3.4. Chế tạo, đo kiểm và bình luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3.5. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.4. Tổng hợp các bộ lọc vi dải đa băng mới được thiết kế thử nghiệm theo giải pháp đề xuất 1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Chương 3. BỘ LỌC VI DẢI CỘNG HƯỞNG ĐƯỜNG TRUYỀN GHÉP SONG SONG SỬ DỤNG CẤU TRÚC KHUYẾT ĐẤT . 85 3.1. Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải cộng hưởng ghép song song sử dụng DGS hình chữ H ứng dụng cho WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.1.1. Thiết kế cấu trúc bộ lọc đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.1.1.1. Thiết kế bộ lọc vi dải ghép song song . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.1.1.2. Thiết kế bộ lọc vi dải ghép song song sử dụng DGS hình chữ H 90 3.1.2. Chế tạo bộ lọc đề xuất, đo thử và bình luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.2. Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải băng rộng sử dụng DGS hình chữ H 96 3.2.1. Thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải băng rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2.2. Chế tạo bộ lọc vi dải băng rộng đề xuất và bình luận . . . . . . . . . 101 3.2.3. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
v 3.3. Đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS hình chữ nhật ứng dụng cho hệ thống WLAN và WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.3.1. Thiết kế cấu trúc bộ lọc đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.3.1.1. Thiết kế bộ lọc vi dải hai băng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.3.1.2. Thiết kế bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS hình chữ nhật . 108 3.3.2. Chế tạo bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS hình chữ nhật . . . 111 3.3.3. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.4. Tổng hợp các bộ lọc vi dải mới được thiết kế thử nghiệm theo giải pháp thiết kế 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . . . . 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt BPF Band pass filter Bộ lọc thông dải BSF Band stop filter Bộ lọc dải chặn BW Bandwidth Độ rộng băng CSRR Complementary split ring Mạch cộng hưởng vòng tách resonator bù DGS Defected ground structures Cấu trúc khuyết mặt đất EBG Electromagnetic band gap Khe dải điện từ EM Electromagnetic Điện từ FCC Federal communications Ủy ban liên minh viễn commission thông FBW Fractional bandwidth Băng thông phân đoạn GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Hệ thống thông tin Mobile Communications di động toàn cầu HPF High pass filter Bộ lọc thông cao IEEE Institute of electrical and Viện Kỹ thuật Điện và Điện electronics engineering tử IF Intermediate frequency Tần số trung tần IL Insertion loss Tổn hao chèn MMR Multiple-Mode resonators Mạch cộng hưởng đa mode LPF Low pass filter Bộ lọc thông thấp Q Quality factor Hệ số phẩm chất vi
vii OSLR Open Stub-Loaded res- Cộng hưởng tải dây chêm onator hở mạch OSRR Open split ring resonator Cộng hưởng vòng tách hở OSSRR Open slot split ring res- Cộng hưởng vòng tách rãnh onator hở PCB Printed circuit board Bảng mạch in RL Return loss Tổn hao phản hồi RF Radio frequency Tần số vô tuyến SAW Surface acoustic waves Sóng âm bề mặt SF Sharpness factor Hệ số dốc cạnh dải thông SIR Stepped impedance res- Cộng hưởng trở kháng bậc onator SIS Stepped impedance stub Dây chêm trở kháng bậc SRR Split ring resonator Mạch cộng hưởng vòng chia SSLR Short Stub-Loaded Cộng hưởng tải dây chêm resonator ngắn mạch SSS Spiral-shaped slot Rãnh hình xoắn ốc TE Transverse Electric Điện trường ngang TEM Transverse ElectroMagnetic Điện từ trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TZ Transmission zero Điểm 0 đường truyền UIR Uniform impedance res- Cộng hưởng trở kháng đồng onator dạng VSWR Voltage standing wave ratio Tỷ số sóng đứng điện áp WLAN Wireless local area network Mạng không dây cục bộ WiMAX Worldwide interoperability Hệ thống tương thích toàn for microwave access cầu truy cập siêu cao tần WB Wide band Băng rộng UWB Ultra wide band Băng siêu rộng
DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Bộ lọc siêu cao tần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2 Bộ lọc cộng hưởng ghép đầu cuối. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3 Bộ lọc cộng hưởng ghép song song. . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4 Bộ lọc Hairpin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5 Bộ lọc xen kẽ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6 Bộ lọc tải dây chêm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.7 Bộ lọc trở kháng bậc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.8 Bộ lọc tải dây chêm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.9 Cấu trúc đường truyền vi dải. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.10 Cấu trúc đầu cuối hở mạch và mạch tương đương . . . . . . . . 24 1.11 Cấu trúc uốn gấp và mạch tương đương . . . . . . . . . . . . . . 25 1.12 Cấu trúc khe hở và mạch tương đương . . . . . . . . . . . . . . 26 1.13 Cấu trúc bậc thang theo chiều rộng và mạch tương đương . . . . 27 1.14 Mặt cắt ngang đường truyền vi dải ghép. . . . . . . . . . . . . . 28 1.15 Các mode cận TEM của đường truyền vi dải ghép song song. (a) Mode chẵn. (b) Mode lẻ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.16 Mạch cộng hưởng đường truyền λ/2 hở mạch đầu cuối. (a) Mạch cộng hưởng (b) Phân bố điện áp. . . . . . . . . . . . . . . 30 1.17 Mạch cộng hưởng đường truyền ghép song song nửa bước sóng hở mạch đầu cuối. (a) Mạch cộng hưởng. (b) Phân bố điện áp. . 32 1.18 Cấu trúc mạch cộng hưởng vòng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.19 Sóng đứng trên hai đoạn của vòng cộng hưởng. . . . . . . . . . . 35 1.20 Cấu trúc mạch cộng hưởng hình vuông và hình tròn. . . . . . . . 35 1.21 Mạch cộng hưởng nửa bước sóng tải dây chêm hở mạch tại trung tâm. (a) Mode lẻ. (b) Mode chẵn. . . . . . . . . . . . . . 37 viii
ix 1.22 Mạch cộng hưởng nửa bước sóng tải dây chêm ngắn mạch tại trung tâm. (a) Mode lẻ. (b) Mode chẵn. . . . . . . . . . . . . . . 38 1.23 Mạch cộng hưởng vòng vuông. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.24 Mạch cộng hưởng SIR. (a) SIR λ/4. (b) SIR λ/2. . . . . . . . . 41 1.25 Cấu trúc mạch cộng hưởng ba mode cơ bản và các mạch tương đương mode lẻ và mode chẵn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.26 Mạch cộng hưởng vòng vuông. (a) Mạch tương đương biến đổi. (b) Mạch mode chẵn. (c) Mạch mode lẻ. . . . . . . . . . . . . . 44 1.27 Mô hình cấu trúc DGS hình quả tạ. . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.28 Mạch tương đương LC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.1 Bộ lọc vi dải ba băng. (a) Cấu trúc bộ lọc. (b) Cấu trúc cộng hưởng hai mode. (c) Cấu trúc cộng hưởng λ/4. . . . . . . . . . . 52 2.2 S21 khi thay đổi kích thước của bộ lọc. (a) S21 khi điều chỉnh L4 . (b) S21 khi điều chỉnh L7 . (c) S21 khi điều chỉnh L1 . . . . . . 54 2.3 S11 và S21 của bộ lọc ba băng đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4 Hình ảnh và đáp ứng tần số của bộ lọc ba băng đề xuất. (a) Hình ảnh bộ lọc. (b) S11 và S21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5 Cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất. . . . . . . . . . . . . . 59 2.6 Mạch cộng hưởng ngoài. (a) Cấu trúc mạch. (b) Đáp ứng tần số. 60 2.7 Cấu trúc cộng hưởng tải dây chêm ngắn/hở mạch ba mode. (a) Cấu trúc mode lẻ. (b) Cấu trúc mode chẵn. . . . . . . . . . . 61 2.8 Mạch tương đương mode lẻ của mạch cộng hưởng ba mode. (a) Cấu trúc mode lẻ. (b) Cấu trúc mode chẵn. . . . . . . . . . . 62 2.9 Mạch tương đương mode chẵn của mạch cộng hưởng ba mode. (a) Mạch mode lẻ. (b) Mạch mode chẵn . . . . . . . . . . . . . . 64 2.10 S21 khi thay đổi kích thước của bộ lọc. (a) S21 khi thay đổi L5 . (b) S21 khi thay đổi L6 . (c) S21 khi thay đổi L7 . . . . . . . . 68 2.11 S21 của bộ lọc đề xuất khi thay đổi độ rộng của L7 . . . . . . . . 69 2.12 Kết quả mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất. . . . . . . 70 2.13 Hình ảnh mẫu bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất. . . . . . . . . . . 70
x 2.14 Kết quả mô phỏng và đo kiểm bộ lọc đề xuất. . . . . . . . . . . 71 2.15 Cấu trúc bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất. . . . . . . . . . . . . . 73 2.16 Cấu trúc mạch cộng hưởng ngoài và đáp ứng S21 . (a) Cấu trúc mạch. (b) S21 khi điều chỉnh L1 và L4 . . . . . . . . . . . . . 74 2.17 Cấu trúc mạch cộng hưởng trong. (a) Cấu trúc cơ bản. (b) Cấu trúc biến đổi. (c) Cấu trúc thiết kế đề xuất. . . . . . . . . . 75 2.18 S21 khi thay đổi kích thước của bộ lọc. (a) S21 khi thay đổi L9 . (b) S21 khi thay đổi L5 . (c) S21 khi thay đổi L7 . . . . . . . . 79 2.19 Kết quả mô phỏng của bộ lọc bốn băng đề xuất. . . . . . . . . . 81 2.20 Hình ảnh và đáp ứng tần số của bộ lọc đề xuất. (a) Hình ảnh bộ lọc. (b) Đáp ứng tần số. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.1 Cấu trúc bộ lọc đề xuất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2 Cấu trúc và mô hình tương đương của bộ lọc vi dải đề xuất. (a) Cấu trúc. (b) Mô hình mạch tương đương. . . . . . . . . . . 88 3.3 S21 của bộ lọc khi thay đổi kích thước L và W1 . (a) S21 khi thay đổi L. (b) S21 khi thay đổi W1 . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.4 S11 và S21 của bộ lọc đề xuất khi thay đổi khoảng cách S . . . . . 90 3.5 Cấu trúc bộ lọc đề xuất với DGS hình chữ H. (a) Cấu trúc bộ lọc. (b) Cấu trúc DGS chữ H (tính theo mm). (c) Mạch tương đương DGS chữ H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.6 S11 và S21 của bộ lọc đề xuất khi thay đổi khích thước DGS chữ H.92 3.7 S11 và S21 của bộ lọc khi thay đổi vị trí đặt DGS chữ H. . . . . . 92 3.8 S11 và S21 của bộ lọc trong trường hợp không và có DGS chữ H. 93 3.9 Hình ảnh bộ lọc đề xuất. (a) Mặt trên. (b) Mặt dưới. . . . . . . 94 3.10 So sánh đáp ứng tần số mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc đề xuất. 94 3.11 Cấu trúc và đáp ứng tần số của bộ lọc băng rộng không sử dụng DGS hình chữ H. (a) Cấu trúc. (b) Đáp ứng tần số. . . . . 96 3.12 Cấu trúc và đáp ứng tần số của bộ lọc băng rộng sử dụng một DGS hình chữ H. (a) Cấu trúc. (b) Đáp ứng tần số. . . . . . . . 97 3.13 Cấu trúc bộ lọc vi dải băng rộng sử dụng ba DGS hình chữ H. . 98
xi 3.14 S11 và S21 của bộ lọc băng rộng khi thay đổi kích thước a và g . (a) Thay đổi kích thước a. (b) Thay đổi kích thước g . Kích thước của DGS hình chữ H trung tâm: a = 7mm, b = 0.6mm, d = 5mm và g = 0.4mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.15 S11 và S21 khi thay đổi kích thước p và m. (a) Thay đổi kích thước p. (b) Thay đổi kích thước m. Kích thước của hai DGS hình chữ H nằm ngang: m = 7,5mm, n = 0,5mm, o = 2,3mm và p = 0,5mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.16 Kết quả mô phỏng S11 và S21 của bộ lọc đề xuất. . . . . . . . . 101 3.17 Hình ảnh mẫu bộ lọc băng rộng đề xuất. (a) Mặt trên. (b) Mặt dưới.102 3.18 Đáp ứng tần số mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc đề xuất. . . . . 103 3.19 Cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng (không sử dụng DGS). (a) Cấu trúc mặt trên. (b) Cấu trúc lỗ thông (via). . . . . . . . . . . . . 105 3.20 S21 của bộ lọc vi dải hai băng khi thay đổi kích thước L và W1 . (a) S21 khi thay đổi W1 . (b) S21 khi thay đổi L. . . . . . . . 106 3.21 S11 và S21 của bộ lọc vi dải hai băng khi thay đổi khoảng ghép S . 107 3.22 S11 và S21 của bộ lọc vi dải hai băng không sử dụng DGS. . . . . 107 3.23 Cấu trúc bộ lọc vi dải hai băng sử dụng DGS hình chữ nhật. (a) Cấu trúc. (b) Vị trí và kích thước DGS hình chữ nhật. . . . . 108 3.24 S21 và S11 của bộ lọc vi dải hai băng đề xuất khi thay đổi kích thước a của DGS. (a) S21 khi thay đổi kích thước a. (b) S11 khi thay đổi kích thước a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.25 S11 và S21 của bộ lọc hai băng khi thay đổi vị trí đặt DGS. (a) S21 khi thay đổi khoảng Lgx. (b) S11 khi thay đổi khoảng Lgx. . 109 3.26 S11 và S21 của bộ lọc đề xuất sử dụng hai DGS hình chữ nhật. . 110 3.27 S11 và S21 của bộ lọc hai băng trong trường hợp không và có sử dụng DGS hình chữ nhật. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.28 Hình ảnh mẫu bộ lọc hai băng đề xuất sử dụng DGS hình chữ nhật. (a) Mặt trên. (b) Mặt dưới. . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.29 Đáp ứng tần số mô phỏng và đo kiểm của bộ lọc hai băng đề xuất. 112
DANH MỤC BẢNG 1.1 Bảng tổng hợp các mạch cộng hưởng vi dải cơ bản có thể ứng dụng cho thiết kế bộ lọc thông dải siêu cao tần. . . . . . . . . . 46 2.1 Tham số vật lý bộ lọc ba băng đề xuất (tính bằng mm) . . . . . 56 2.2 Các tham số chất lượng của bộ lọc ba băng đề xuất. . . . . . . . 57 2.3 Tham số vật lý của bộ lọc bốn băng đề xuất (tính bằng mm) . . 67 2.4 Các tham số chất lượng của bộ lọc bốn băng đề xuất. . . . . . . 71 2.5 So sánh Bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất với các bộ lọc đã công bố. 72 2.6 Kích thước của cấu trúc bộ lọc đề xuất (tính theo mm) . . . . . 80 2.7 Các tham số chất lượng của bộ lọc bốn băng đề xuất. . . . . . . 81 2.8 So sánh bộ lọc vi dải bốn băng đề xuất với các bộ lọc đã công bố. 82 2.9 Bảng tổng hợp 03 bộ lọc vi dải đa băng mới được thiết kế, thử nghiệm với giải pháp thiết kế đề xuất. . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.1 So sánh bộ lọc vi dải đề xuất với các bộ lọc đã công bố. . . . . . 95 3.2 Tham số vật lý của bộ lọc băng rộng (tính bằng mm). . . . . . . 101 3.3 So sánh bộ lọc đề xuất với các bộ lọc tương tự đã công bố. . . . 103 3.4 Kích thước của bộ lọc vi dải hai băng không sử dụng DGS (tính theo mm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.5 Kích thước của BPF hai băng không DGS (tính theo mm). . . . 110 3.6 Lượng cải thiện chất lượng và giảm nhỏ kích thước bộ lọc đề xuất 111 3.7 So sánh bộ lọc vi dải hai băng đề xuất với các bộ lọc đã công bố. 113 3.8 Bảng tổng hợp 03 bộ lọc vi dải mới được thiết kế thử nghiệm theo giải pháp thiết kế sử dụng kỹ thuật DGS. . . . . . . . . . . 114 xii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa c Vận tốc ánh sáng θ Độ dài điện π Số pi β Hệ số truyền sóng điện từ ε Hằng số điện môi εef f Hằng số điện môi hiệu dụng εr Hằng số điện môi tương đối Z0 Trở kháng đặc tính λ0 Bước sóng trong không gian tự do λg Bước sóng truyền f0 Tần số trung tâm fodd (fo ) Tần số cộng hưởng mode lẻ feven (fe ) Tần số cộng hưởng mode chẵn f−20dB Tần số điểm suy hao -20dB f−3dB (fc ) Tần số điểm suy hao -3dB (tần số cắt) SF Hệ số dốc cạnh băng thông µ Micrô (10−6 ) K Hệ số chọn lọc tần số cạnh băng thông xiii
MỞ ĐẦU Ngày nay, những phát minh đột phá về công nghệ và sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã góp phần phát triển rất nhanh các hệ thống thông tin vô tuyến đáp ứng yêu cầu của người sử dụng, như cung cấp đa dịch vụ, tăng tốc độ truyền dẫn, cải thiện phẩm chất tín hiệu, nâng cao độ tin cậy của hệ thống, sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần, nhỏ gọn thiết bị điện tử, giảm chi phí thiết kế, thi công và vận hành hệ thống [6]. Cùng với sự phát triển đó, bộ lọc siêu cao tần luôn đóng một vai trò quan trọng, là một thành phần không thể thiếu để thực hiện chia sẻ nguồn tài nguyên phổ tần số hữu hạn cho nhiều hệ thống vô tuyến khác nhau và loại bỏ nhiễu đường truyền. Do đó, yêu cầu về chất lượng của bộ lọc có tính quyết định và chi phối đáng kể đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến [7]–[9]. Mặt khác, lý thuyết bộ lọc hiện đại, kỹ thuật thiết kế bộ lọc siêu cao tần cũng phát triển và mở rộng: từ mạch cộng hưởng phần tử tập trung LC đến các mạch cộng hưởng cáp đồng trục, chất điện môi, ống dẫn sóng và mạch cộng hưởng phần tử phân tán (công nghệ mạch dải) [10]. Trong đó, mạch cộng hưởng công nghệ mạch dải có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, chất lượng cao, chi phí thấp, dễ dàng xử lý bằng quang khắc (photolithography) và có khả năng tích hợp tốt với các thiết bị, phần tử mạch siêu cao tần thụ động và tích cực khác. Tuy nhiên, mạch cộng hưởng công nghệ mạch dải cũng tồn tại những hạn chế như tổn hao chèn cao hơn và độ chọn lọc tần số kém 1
2 hơn so với các loại mạch cộng hưởng khác [11]. Những hạn chế này, có thể khắc phục bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, vì vậy hầu hết các bộ lọc tiên tiến đều sử dụng công nghệ mạch vi dải [12]. Với mục đích nâng cao chất lượng bộ lọc siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch vi dải đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các hệ thống vô tuyến, nhiều phương pháp khác nhau đã được thực hiện như: phương pháp sử dụng công nghệ và vật liệu tiên tiến, phương pháp thiết kế cấu trúc bộ lọc hoặc phương pháp kết hợp. Trong đó, phương pháp thiết kế cấu trúc bộ lọc được các nhà khoa học ứng dụng rộng rãi với nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau. Tiếp tục nghiên cứu các giải pháp thiết kế, nhằm nâng cao đặc tính chọn lọc tần số và cải thiện chất lượng bộ lọc siêu cao tần vi dải ứng dụng trong các hệ thống vô tuyến, trong Luận án này tác giả chỉ tập trung nghiên cứu và đề xuất hai giải pháp thiết kế có thể cải thiện đáng kể đặc tính chọn lọc tần số và nâng cao chất lượng của bộ lọc được thiết kế: 1) Thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải đa băng sử dụng mạch cộng hưởng tải dây chêm đa mode, cấp nguồn kiểu dây rẽ. 2) Thiết kế cấu trúc bộ lọc vi dải cộng hưởng đường truyền ghép song song sử dụng kỹ thuật DGS. Chính vì vậy, Nghiên cứu sinh lựa chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch vi dải ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến” là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Đề tài hoàn thành sẽ góp phần đóng góp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về phát triển cấu trúc bộ lọc vi dải ứng dụng trong các hệ thống vô tuyến siêu cao tần, đồng thời đề xuất các giải pháp thiết kế nâng cao chất lượng bộ lọc vi dải và đề xuất các cấu trúc bộ lọc vi dải chất lượng cao có khả năng ứng dụng trong thực tiễn hiện nay.
3 2. Mục tiêu, phạm vi và nội dung nghiên cứu 2.1. Mục tiêu Nghiên cứu giải pháp thiết kế nâng cao chất lượng bộ lọc và đề xuất các cấu trúc bộ lọc vi dải ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến siêu cao tần. Các mục tiêu cụ thể như sau: (1) Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế và đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải đa băng sử dụng mạch cộng hưởng tải nhiều dây chêm đa mode, kết hợp với mạch cộng hưởng đơn mode được cấp nguồn trực tiếp kiểu dây rẽ đối xứng, tạo ra nhiều điểm 0 đường truyền trong đáp ứng tần số để cải thiện đặc tính chọn lọc tần số nâng cao chất lượng bộ lọc. (2) Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế và đề xuất cấu trúc bộ lọc vi dải cộng hưởng đường truyền ghép song song sử dụng kỹ thuật DGS để cải thiện các tham số tổn hao và đặc tính dải chặn nâng cao chất lượng bộ lọc. 2.2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và cấu trúc bộ lọc thông dải siêu cao tần công nghệ vi dải gọi tắt là bộ lọc vi dải. - Nghiên cứu tham số đặc tính của bộ lọc siêu cao tần: Hệ số tổn hao chèn, hệ số tổn hao phản hồi, hệ số chọn lọc tần số cạnh băng thông, sự biến đổi trễ nhóm và hệ số gợn sóng trong dải thông hoặc mức suy giảm ở dải chặn... Nhưng giới hạn trong luận án chỉ tập trung nghiên cứu: các giải pháp thiết kế cải thiện hệ số dốc cạnh băng thông, hệ số chọn lọc tần số để nâng cao chất lượng bộ lọc; hệ số tổn hao chèn, tổn hao phản hồi và đặc tính dải chặn để nâng cao chất lượng của bộ lọc vi dải ứng dụng trong các hệ thống vô tuyến.