Ứng dụng công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền siw để thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải cho đài ra đa băng S

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 113 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ỐNG SÓNG TÍCH HỢP VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO ĐÀI RA ĐA BĂNG S Võ Văn Phúc1*, Dương Tuấn Việt1, Nguyễn Văn Hạnh1 Trần Thị Trâm1, Đinh Văn Trường1, Lê Thị Trang2, Cao Văn Vũ1 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) ứng dụng trong đài ra đa băng S. Bộ lọc thông dải được mô phỏng bằng phần mềm HFSS và được gia công chế tạo với dạng mạch in tiêu chuẩn 1 lớp. Các kết quả đo được thực tế phù hợp với kết quả mô phỏng. Bộ lọc có các tham số thỏa mãn các tham số đặt ra ban đầu. Từ khóa: Bộ lọc thông dải (BPF); Ống sóng tích hợp vật liệu nền (SIW); Ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW); Mạch in (PCB). 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong hệ thống thu phát của các thiết bị vô tuyến điện tử nói chung và ra đa nói riêng các bộ lọc đóng vai trò hết sức quan trọng trong đường truyền tín hiệu từ anten cho tới hệ thống xử lý tín hiệu. Hiện nay, các hệ thống ra đa thế hệ mới, hệ thống truyền thông số dải sóng cm, mm và các hệ thống siêu cao tần hiện đại đã được phát triển một cách nhanh chóng, chúng đòi hỏi các công nghệ mới có hiệu quả về chi phí, có khả năng tích hợp cao và cải thiện hiệu suất. Một trong những thành phần chính của các hệ thống đó là bộ lọc, tuy nhiên hầu như chúng đều khó tích hợp với các mạch phẳng khác hoặc chúng có cấu trúc phức tạp và được nhập ngoại dưới dạng mô đun hoặc tích hợp vào các hệ thống thu phát. Vì vậy, để tiếp cận được với công nghệ mới mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính năng của nó thì cần phải đầu tư nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần hiệu suất cao ứng dụng trong thực tế hiện nay. Trong thời gian qua, bộ lọc ứng dụng công nghệ tích hợp chất nền (SIW) trong đó có dạng bộ lọc kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) đã thu hút rất nhiều sự chú ý nghiên cứu của các nhà khoa học do kế thừa lợi thế của ống dẫn hình chữ nhật như hệ số Q cao, tổn hao thấp, và khả năng chịu đựng công suất cao trong khi lại có những ưu điểm riêng như: độ rộng dải thông rộng, kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp, chi phí hợp lý, sử dụng công nghệ mạch in PCB thông thường để chế tạo [1..5]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) ứng dụng trong đài ra đa băng S. Bộ lọc có khả năng điều chỉnh linh hoạt về dải tần hoạt động. Bộ lọc được mô phỏng bằng phần mềm HFSS và được gia công chế tạo với dạng mạch in tiêu chuẩn 1 lớp. 2. TỔNG QUAN VỀ SIW VÀ HMSIW Công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền (SIW) đã và đang phát triển mạnh vì những ứng dụng của nó trong thực tế. Các ứng dụng của nó có thể kể đến đó là các ứng dụng trong các lĩnh vực như truyền thông, ra đa, cảm biến hình ảnh và các thiết bị y sinh [6], [7]. SIW có nhiều dạng hình học khác nhau, có thể là dạng chữ nhật hoặc hình tròn. SIW dạng chữ nhật là cấu trúc phẳng được tạo ra bằng cách sử dụng hai hàng lỗ mã kim loại có chu kỳ để nối mặt phẳng kim loại ở trên và dưới của lớp điện môi như biểu thị trong Hình 1 dưới đây. Các tham số được hiển thị ở trên đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế SIW: s là khoảng cách giữa các lỗ, d là đường kính của lỗ, h là chiều dày của chất nền, εr là hằng số Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. V. Phúc, , C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng cho đài ra đa băng S.” 114 điện môi của chất nền, W là khoảng cách từ tâm đến tâm giữa hai hàng lỗ và Weff , Leff là chiều rộng và chiều dài của ống dẫn sóng kim loại lấp đầy điện môi [12]. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc SIW chữ nhật Nếu gọi Wcon là chiều rộng của ống dẫn sóng (ODS) kim loại thông thường và εcon = 1 thì công thức tính chiều rộng của ODS lấp đầy điện môi tương đương là [13]: Weff = Wcon r (1) Đối với chế độ TE101, kích thước của SIW chữ nhật có thể xác định được bằng tần số cộng hưởng tương ứng [14]: 101 2 2 ( ) 1 1 ( ) ( ) 2 TE eff effr c f W L    (2) Đường kính d và khoảng cách s của lỗ phải được chọn sao cho không có sự rò rỉ bức xạ [15]. Do đó, khoảng cách giữa các lỗ phải lớn hơn đường kính của lỗ, vì vậy, cấu trúc có thể thực hiện được khi: s > d (3) và s ≤ 2d (4) Do SIW là cấu trúc dẫn sóng định kỳ, nên hiện tượng dải chắn điện từ có thể xuất hiện vì vậy cần tránh điều này trong dải thông ống dẫn sóng cần quan tâm. Vì vậy cần sử dụng điều kiện sau đây để tránh các hiệu ứng dải chắn trong băng thông hoạt động: s < 1 4 λc (5) Một điều kiện không cần thiết nhưng cũng là mong muốn đối với quá trình gia công là giảm thiểu số lượng lỗ vì thời gian sản xuất tỉ lệ với số lượng của chúng: s > 1 20 λc (6) Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các lỗ của cả hai hàng W có thể được tính bằng cách sử dụng một trong những quan hệ phổ biến nhất và được biểu thị trong biểu thức sau [11]: 2 0.95 eff d W W s   (7) Quan hệ này được chuẩn hóa lại như sau: 2 2 1.08 0.1eff d d W W s W    (8) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 115 Các công thức từ (1) đến (8) sẽ là cơ sở cho các thiết kế các phần tử siêu cao tần sử dụng cấu trúc SIW chữ nhật. Ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ HMSIW là một cấu trúc mới mà cấu trúc sóng được lan truyền theo dạng mặt phẳng, nó vẫn giữ được các ưu điểm của SIW nhưng kích thước giảm đi bằng một nửa, như được biểu diễn trên hình 2. Hình 2. Mô tả hình dạng và chế độ sóng của SIW và HMSIW. Ta thấy trên hình 2, HMSIW được thực hiện bằng cách tạo một hàng lỗ mạ kim loại trên bề mặt chất nền tổn hao thấp với lớp phủ kim loại trên toàn bộ kích thước bằng một nửa của cấu trúc SIW và chế độ hoạt động chỉ là một nửa chế độ TE10 [8], [9]. Đặc tính truyền sóng tương tự như SIW nhưng có kích thước đóng gói nhỏ gọn hơn. 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG S DẠNG ỐNG SÓNG TÍCH HỢP VẬT LIỆU NỀN NỬA CHẾ ĐỘ - HMSIW Cấu trúc bộ lọc thông dải HMSIW ở băng S được thiết kế dựa trên mô hình thể hiện trên hình 3. Bộ lọc HMSIW bao gồm 4 mắt lọc. Việc ghép giữa các phần cộng hưởng HMSIW bên trong và ghép ngoài giữa phần cộng hưởng HMSIW với đầu vào và đầu ra được kiểm soát bởi các khe ngang, bộ lọc thông dải (BPF) được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm HFSS và được chế tạo bằng công nghệ mạch PCB. Đường mạch dải kết nối trực tiếp với bộ lọc HMSIW ở các vị trí khác nhau thể hiện rõ ưu điểm của việc thiết kế nhỏ gọn. Cuối cùng, kết quả mô phỏng và kết quả đo kiểm sẽ cho thấy những đặc tính của bộ lọc thiết kế. Hình 3. Cấu trúc của bộ lọc thông dải HMSIW. a. Các bộ cộng hưởng HMSIW và ghép ngoài Hình 4 đưa ra mô hình 1 bộ cộng hưởng, mỗi bộ cộng hưởng được tạo thành bởi một phần của HMSIW, và có thể xem như là một bộ cộng hưởng chế độ truyền dẫn nửa TE10. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. V. Phúc, , C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng cho đài ra đa băng S.” 116 Tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng thu được chính xác bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS. Hình 4. Bộ cộng hưởng HMSIW. Các mối ghép bên ngoài sẽ tác động đến tổn hao và độ nhấp nhô của bộ lọc thông dải nhiều cực. Các mối ghép bên ngoài này có thể xem xét bằng cách mô phỏng một bộ cộng hưởng đơn HMSIW với một đường mạch dải. Sơ đồ ghép nối sẽ đưa ra các mong muốn cho đầu vào và đầu ra có thể đạt được bằng cách thực hiện các phân tích trên một bộ cộng hưởng đơn [10]. b. Ghép nối tiếp cộng hưởng Độ ghép giữa các bộ cộng hưởng được điều khiển chủ yếu dựa trên chiều dài và chiều rộng của các bộ cộng hưởng thành phần. Khi các bộ cộng hưởng kết hợp với nhau, bằng việc thay đổi các tham số của các bộ cộng hưởng thành phần sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS chúng ta sẽ tìm được tần số trung tâm và tham số tán xạ của bộ lọc. c. Thiết kế bộ lọc Việc xây dựng các tham số bộ lọc thông dải băng S dựa vào tham chiếu các tham số của bộ lọc thông dải nằm ở modul thu – phát của đài ra đa LM2288. Trong hệ thống thu phát (TRG RF) của đài Ra đa ELM-2288ER có rất nhiều bộ lọc 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 - phát tín hiệu nhằm đáp ứng các chức năng chiến - kỹ thuật của toàn bộ hệ thống. Như trình bày trên hình 5, bộ lọc thông dải BPF cao tần nằm ở modul thu – phát cao tần TR CARD của đài Ra đa ELM-2288ER, nó đảm bảo chức năng lọc các tần số thu trong dải tần 2900MHz đến 3400MHz. Hình 5. Sơ đồ khối modul thu – phát cao tần của đài Ra đa ELM-2288ER. Bài toán thiết kế bộ lọc băng tần S dựa trên cấu trúc HMSIW được thực hiện với các tham số kỹ thuật theo bảng 1. Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc băng S dựa trên cấu trúc HMSIW. TT Tham số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Tham chiếu Yêu cầu 1 Tần số trung tâm f0 MHz 3150 3150 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 117 2 Dải thông (@ -3dB) ∆f MHz 500±25 500±25 3 Suy hao trong dải L dB  2  2 4 Độ chắn ngoài dải @ f0±1,5∆f Kca dB  30  30 5 Độ nhấp nhô bộ lọc R dB  0,5  0,5 6 Trở kháng vào - ra Z  50 50 7 Hệ số sóng đứng VSWR  1,5  1,5 Thiết kế bộ lọc ghép cộng hưởng có thể được chia ra làm 2 phần, thiết kế chức năng dải thông bằng việc thiết kế các bộ cộng hưởng, và thiết kế các chức năng chất lượng cao được đưa ra và hỗ trợ bởi HMSIW. Việc xác định tần số cắt, tần số cộng hưởng và tối ưu hóa các tham số của của bộ cộng hưởng được tính toán và hỗ trợ bằng phần mềm HFSS. Cuối cùng, kích thước của bộ lọc được xác định sau khi tối ưu thiết kế các tham số. Các tham số kích thước của bộ lọc cần thiết kế được thể hiện trong bảng 2. Trên hình 6 thể hiện kết quả mô phỏng tham số tổn hao đi qua (S21) và tổn hao phản hồi S11 của bộ lọc thiết kế. Các tham số bộ lọc mô phỏng được tổng hợp trong bảng 3. Bảng 2. Các tham số kích thước của bộ lọc HMSIW. Ký hiệu Giá trị kích thước (mm) Ký hiệu Giá trị kích thước (mm) w 1,5 W4 0,2 tw 4 d1 12 tl 3 d2 9,9 a 17,69 d3 12 d 0,5 l1 12,2 s 1,3 l2 13,63 W1 0,22 l3 12,9 W2 0,63 l4 10,8 W3 0,55 Hình 6. Kết quả mô phỏng các tham số bộ lọc. 4. CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ ĐO KIỂM THỰC TẾ Bộ lọc thông dải băng tần S được thiết kế, chế tạo với vật liệu nền Roger 5880 có độ dày h = 0,5 mm, hằng số điện môi 2,2, tổn hao 0,001 bằng công nghệ mạch in PCB một Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. V. Phúc, , C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng cho đài ra đa băng S.” 118 lớp. Các hình 7,8,9 thể hiện hình ảnh thực tế bộ lọc thiết kế chế tạo và kết quả đo tương ứng. Các tham số bộ lọc được đo bằng máy phân tích mạng N9918A. Bộ lọc 4 mắt lọc được thiết kế, chế tạo ở tần số trung tâm 3,15 GHz và dải thông 500 MHz, tổn hao truyền qua đo được nhỏ hơn 0,9dB và tổn hao phản hồi nhỏ hơn -15 dB. Trên hình 10 cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế. Hình 7. Hình ảnh thực tế của bộ lọc thiết kế, chế tạo. Hình 8. Kết quả đo tham số tổn hao đi qua (S21) của bộ lọc. Hình 9. Kết quả đo tham số tổn hao phản hồi ( S11) của bộ lọc. Hình 10. So sánh kết quả các tham số bộ lọc thiết kế mô phỏng và đo thực tế. Bảng 3 tổng hợp kết quả mô phỏng và kết quả đo các tham số của bộ lọc băng S thiết kế, chế tạo mới. Các tham số đo được đáp ứng yêu cầu đặt ra ban đầu khi thiết kế của đề tài nghiên cứu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 119 Bảng 3. Tổng hợp các tham số mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc băng S dựa trên cấu trúc HMSIW. TT Tham số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Yêu cầu Kết quả mô phỏng KQ đo thực tế 1 Tần số trung tâm f0 MHz 3150 3150 3150 2 Dải thông (@ -3dB) ∆f MHz 500±25 492 480 3 Suy hao trong dải L dB  2  0,5 0,9 4 Độ chắn ngoài dải @ f0±1,5∆f Kca dB  30  30,7 >33,4 5 Độ nhấp nhô bộ lọc R dB  0,5  0,5 <0,5 6 Phối hợp rở kháng vào - ra Z  50 50 50 7 Hệ số sóng đứng VSWR  1,5  1,5  1,5 6. KẾT LUẬN Bộ lọc áp dụng công nghệ HMSIW ở băng S đã được thiết kế, chế tạo và đo kiểm. 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 các yêu cầu đặt ra ban đầu khi thiết kế của đề tài nghiên cứu. So với bộ lọc thông thường SIW, bộ lọc HMSIW có kích thước nhỏ gọn bằng khoảng một nửa bộ lọc SIW. Sản phẩm nghiên cứu có khả năng ứng dụng trong các đài ra đa băng S và các hệ thống truyền thông hiện đại, chi phí hợp lý. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện KHCNQS. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. A. Atia and A. E. Williams, “Narrow-bandpass waveguide filters,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. MTT-20, no. 4, pp. 258–265, Apr. 1972. [2]. R. J. Cameron, “General coupling matrix synthesis methods for Cheby-shev filtering functions,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 4, pp. 433–442, Apr. 1999. [3]. S. Caspi and J. Adelman, “Design of combline and interdigital fil-ters with tapped- line input,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. MTT-36, no. 4, pp. 759–763, Apr. 1988. [4]. D. Deslandes and K. Wu, “Accurate modeling, wave mechanism, and design consideration of a substrate integrated waveguide,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 54, no. 6, pp. 2516–2526, Jun. 2006. [5]. Tuan – Viet Duong, W. Hong, Van – Hung Tran, Tuan – Anh Vu, Wei – Chen Huang , “An Alternative Technique to Minimize the Phase Noise of X – Band Oscillators Using Improved Group Delay SIW Filters,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 27, pp. 153–155, 2017. [6]. Z. Hao, W. Hong, H. Li, H. Zhang, and K. Wu, “A broadband substrate integrated waveguide (SIW) filter,” in IEEE AP-S Int. Dig., Jul. 2005, vol. 1B, pp. 598–601. [7]. H. J. Tang, W. Hong, Z. C. Hao, J. X. Chen, and K. Wu, “Optimal de-sign of compact millimeter wave SIW circular cavity filters,” Electron. Lett., vol. 41, no. 19, pp. 1068– 1069, 2005. [8]. W. Hong, Y. Wang, Q. H. Lai, and B. Liu, “Half mode substrate integrated waveguide: A new guided wave structure for microwave and millimeter wave application,” in Proc. Joint 31st Int. Conf. Infr. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. V. Phúc, , C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng cho đài ra đa băng S.” 120 [9]. Millim. Waves 14th Int. Conf. Terahertz Electron., Shanghai, China, Sep. 18–22, 2006. [10]. B. Liu, W. Hong, Y. Q. Wang, Q. H. Lai, and K. Wu, “Half mode substrate integrated waveguide (HMSIW) 3 dB coupler,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 17, no. 1, pp. 22–24, Jan. 2007. [11]. J. S. Hong and M. J. Lancaster, “Microstrip Filters for RF/Microwave Applications”. New York: Wiley, 2001, ch. 8, pp. 235–271 [12]. Cassivi, Y., Perregrini, L., Arcioni, P., Bressan, M., Wu, K., Conciauro, G.: “Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide”, IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2002, 12, (9), pp; 333–335; [13]. Farzaneh Taringou and Jens Bornemann, “Return-Loss Investigation of Equivalength width of Substrate Integrted Waveguide Circuits”, IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on millimeter Wave Integraton Technologies, 2011; [14]. E. Diaz, E. Miralles, H. Esteban, A. Belenguer, V.Boria, C. Bachiller, J.V. Morro nd A.L. Borja, “Efficient and Accurate Design of Passive Devices in Substrate Integrated Waveguide Technology and their Tapered Transitions from Microstrip Lines”, Waves, year 3, 2011; [15]. Chen X, Hong W, Cui T, Chen J, and Wu K. “Substrate integrated waveguide (SIW) linear phase filters [J]”. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2005, 15(11): 787-789; [16]. Chen, X.-P., Wu, K.: “Substrate integrated waveguide cross-coupled filter with negative coupling structure”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2008, 56, (1), pp. 142–149; ABSTRACT USING SUBSTRATE INTERGRATED WAVEGUIDE TECHNOLOGY IN DESIGNING AND FABRICATED OF BAND PASS FILTERS FOR S - BAND RADARS This article presents the design and fabrication method of the Half-Mode SIW (HMSIW) Band Pass Filter for the S-band radars. BPF using HMSIW are simulated by HFSS software and fabricated with standard 1-layer PCB. Measurement results are consistent with the simulation results. Filters have parameters that satisfy the initial parameters set. Keywords: Bandpass filter (BPF); Half mode substrate inte-grated waveguide (HMSIW); Printed circuit board (PCB). Nhận bài ngày 20 tháng 12 năm 2017 Hoàn thiện ngày 15 tháng 5 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018 Địa chỉ: 1Viện Ra đa, Viện KHCNQS; 2Khoa Điện tử - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. *Email: phuchvktqs@gmail.com.