Thiết kế bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng dùng cho thông tin vệ tinh băng Ku

Nội dung text: Thiết kế bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng dùng cho thông tin vệ tinh băng Ku

1. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Thiết kế bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng dùng cho thông tin vệ tinh băng Ku Đinh Xuân Đông, Nguyễn Huy Hoàng, Lương Duy Mạnh Khoa Vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Email: dinhxuandong1010@gmail.com, Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi trình bày thiết cho phép bộ lọc có thể được sử dụng trong đường lên kế một bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng sử dụng cấu của hệ thống thông tin vệ tinh. trúc mống mắt dựa trên mô hình nghịch đảo trở kháng K. Cấu trúc bộ lọc được thực hiện bằng cách chèn thêm Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: các mống mắt với kích thước độ rộng khác nhau để thay trong phần II, trình bày cơ sở quy trình thiết kế bộ lọc. đổi chiều dài các hốc cộng hưởng. Bộ lọc thông dải được Trong phần III, nhóm nghiên cứu trình bày một thiết kế thực hiện trên cấu trúc ống dẫn sóng WR75 sử dụng bộ lọc thông dải băng Ku. Phần IV trình bày kết quả mống mắt có tổn hao ngược tốt hơn 20 dB và băng thông mô phỏng. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong 5.3% trong dải 14,75-14,5 GHz. Bộ lọc sử dụng vật liệu phần V. nhôm gồm 8 hốc cộng hưởng hoạt động ở băng tần Ku và có thể sử dụng cho thông tin vệ tinh. Kết quả mô phỏng II. CƠ SỞ QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC bộ lọc được thực hiện trên 2 phần mềm CST và HFSS với mô hình ghép mống mắt và sử dụng phương pháp Chúng tôi sử dụng bộ lọc Chebyshev để làm cơ sở Chebyshev cho thấy độ dốc vùng chuyển tiếp cao và cho độ gợn nhỏ hơn 0.044 dB. thiết kế mạch lọc và mô phỏng trường điện từ (EM) để tổng hợp các kích thước vật lý của bộ lọc. Hình 1 minh Keywords- Thông tin vệ tinh, Bộ lọc trên ống dẫn sóng, họa mô hình một bộ lọc Chebyshev sử dụng mô hình Mống mắt, Nghịch đảo trở kháng K. nghịch đảo trở kháng K. Theo [6] Các bộ nghịch đảo trở kháng Kn, n + 1 có liên quan đến các phần tử nguyên I. GIỚI THIỆU mẫu bộ lọc thông thấp chuẩn hóa trên phần tử tập trung g , g , g , ,g Ngày nay, thông tin vệ tinh băng Ku đang ngày 0 1 2 N + 1. càng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng ở cả Mô hình nghịch đảo trở kháng K: dân sự và quân sự. Bộ lọc siêu cao tần trong hệ thống thông tin vệ tinh băng Ku được sử dụng ở cả máy phát (2.1) và máy thu. Khi sử dụng ở máy phát, các bộ lọc này yêu cầu phải chịu được mức công suất lớn và có chất lượng cao để loại bỏ các thành phần tần số không mong (2.2) muốn ở ngoài dải. Mặc dù các bộ lọc hướng tới việc thu nhỏ và tích hợp bằng cách sử dụng công nghệ mạch dải và vi dải nhưng các công nghệ này không chịu được mức công suất lớn ở máy phát. Bộ lọc ống dẫn sóng có thể xử lý tín hiệu ở mức công suất cao, thích hợp sử dụng cho bộ lọc siêu cao tần yêu cầu công suất Hình 1. Mô hình nghịch đảo trở kháng K cho bộ lọc lớn bởi vì nó có kích thước phù hợp và tổn hao thấp, do đó hiệu suất của bộ lọc trên ống dẫn sóng hình chữ nhật Chebyshev. có thể đem đến khả năng xử lý tốt hơn cho đường lên Tham số Δ trong công thức (2.1) - (2.2) là dải thông. của hệ thống thông tin vệ tinh. Thành phần cơ bản của Đối với một môi trường phân tán, Δ được cho bởi Δ = bộ lọc ống dẫn sóng là hốc cộng hưởng khoang. Hình (λg1 - λg2)∕λg0, trong đó λg0 là bước sóng lan truyền dạng của khoang sẽ quyết định đến tần số cộng hưởng. tại tần số trung tâm và λg và λg là bước sóng lan Bài báo này trình bày về quy trình thiết kế một bộ lọc 1 2 truyền tại các tần số biên. Các giá trị g thông thường thông dải cho tần số băng tần Ku, hoạt động ở dải k 13,75 GHz – 14,5 GHz sử dụng công nghệ ống dẫn cho đáp ứng Chebyshev được xác định theo công thức: sóng và cấu trúc thiết kế ghép mống mắt. Bộ lọc sử dụng ống dẫn sóng nhôm bao gồm 8 hốc cộng hưởng cho dải thông hoạt động là 5.3% và độ gợn là 0,044, ISBN: 978-604-80-5076-4 302
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) (b) (2.3) n lẻ n chẵn (c) Hình 2. Bộ lọc mống mắt ống dẫn sóng 8 cực: (a) bộ trong đó n là thứ tự khâu lọc và LAR là độ gợn trong băng thông có thể được tính toán từ lọc nhìn từ trên xuống, (b) mạch tương đương và (c) tổn hao ngược của bộ lọc. Bộ nghịch đảo trở kháng và mạch tương đương đã điều chỉnh. dẫn nạp về cơ bản chính là biến áp trở kháng và biến Nó bao gồm một mạng cảm ứng hình T và hai phần áp dẫn nạp, tương ứng. Các bộ nghịch đảo φ/2 mỗi bên. Bộ nghịch đảo K được tạo ra bằng cách này có thể được thực hiện trên bất kỳ phần tử tập trung thêm chiều dài φ/2 và chiều dài -φ/2 ở mỗi bên của nào sử dụng biến đổi tương đương. điểm giám đoạn như Hình 2.c. Mạch của Hình 2.c Từ công thức (2.3) ta tính được bộ tham số cho phần hoàn toàn có dạng giống như mạch nghịch đảo trở tử tập trung như sau: kháng K trong Hình 1. Các hốc cộng hưởng trong g0 = 1, g1 = 1.01872, g2 = 1.45177, g3 = 1.96809, g4 = trường hợp này là các đường truyền có chiều dài L 1.65701, g = 2.02504, g = 1.61042, g = 1.77421, g = n 5 6 7 8 nối với hai đường truyền có độ dài -φ /2 và -φ /2. Sử 0.33529, g = 1.22210. Với bộ tham số này ta sẽ thay n n+1 9 dụng phần mềm mô phỏng EM, các tham số tán xạ của vào (2.1) và (2.2) để tìm ra các giá trị K và chuyển mống mắt có thể được dẫn ra. Các phần tử của ma trận sang phần tiếp theo để tìm ra kích thước vật lý của truyền T thể hiện trong Hình 2.c, X và X có liên quan phần tử phân bố. s p đến các tham số tán xạ như sau: III. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG KU Trong phần này, chúng tôi xem xét thiết kế bộ lọc kết hợp cấu trúc mống mắt Chebyshev tám cực như được thể hiện trong Hình 2. Chúng tôi kết hợp mô hình mạch nghịch đảo trở kháng K được thể hiện trong Hình 1 với mô phỏng EM để tính toán kích thước vật Trong đó S11 và S21 là các tham số ma trận tán xạ của lý bộ lọc. Bộ lọc bao gồm các hốc cộng hưởng nửa trường TE10. Đối với bộ nghịch đảo trở kháng K, Xs và bước sóng hình chữ nhật hoạt động với trường cơ bản Xp liên hệ với K và φ như sau: TE101 được phân tách bằng mống mắt. Với việc sử dụng mô phỏng EM, ma trận tán xạ của mống mắt và từ đó ma trận T tương đương của nó có thể được dẫn ra. Mỗi mống mắt được biểu thị bằng hai điện cảm nối tiếp ký hiệu là Xs và điện cảm song song ký hiệu là Xp. Sau đó có thể suy ra mống mắt của ống dẫn sóng thành mạch tương đương như Hình 2.b. Để bố trí mạch theo Cả Xs và Xp và do đó K và φ là các hàm của chiều rộng dạng mô hình biến đổi trở kháng K như trong Hình 1, mống mắt W. Vì các hàm này không rõ ràng, chúng ta chúng ta sử dụng mạch nghịch đảo trở kháng K. cần chạy mô phỏng EM cho một loạt các chiều rộng mống mắt để tính toán các tham số S và Xs, Xp, φ và K. Điều này sẽ cho phép xây dựng một bảng tra cứu hoặc một đường cong cho K so với W. Với giá trị K đã tính được ở phần II, chúng tôi có thể xác định chiều rộng mống mắt W và sau đó sử dụng giá trị φi để tính toán độ dài của hốc cộng hưởng. (a) ISBN: 978-604-80-5076-4 303
3. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Tiếp theo là bước chuyển sang kích thước vật lý của bộ lọc bằng kỹ thuật EM (còn gọi là mô hình EM). Hình 3. Mô hình nghịch đảo trở kháng (giữa) cho một (b) cửa sổ cảm ứng trong ống dẫn sóng. Hình 4. a) Khâu lọc đầu tiên của bộ lọc. b) Hai khâu Mô hình của một mống mắt được mô tả trong Hình 3. lọc đầu tiên của bộ lọc. Trong trường hợp này, độ dày t của tất cả các cửa sổ là Tiếp tục thêm khâu lọc và lặp đi lặp lại các bước thiết cố định t = 2 mm. Pha φ của mô hình là âm, trong khi kế như đã nêu ở trên chúng ta thu được kết quả tham Xs và Xp (chuẩn hóa đối với Z0, trở kháng đặc trưng số tán xạ của từng bước tương ứng với số khâu lọc của chế độ cơ bản ống dẫn sóng) là dương. như Hình 5. Thuật toán thiết kế mống mắt đối xứng gồm các bước: 1) Lấy ước lượng ban đầu cho chiều rộng mống mắt, ví dụ, sử dụng các mô hình từ [9] hoặc một số dữ liệu EM của các thiết kế trước đó. 2) Thực hiện mô phỏng EM bằng HFSS hoặc CST ở tần số trung tâm của mống mắt để thu được S11 và S12. 3) Nhận các giá trị của mô hình bằng các công thức: 4) Nhận giá trị cho biến đổi thực của lần lặp đầu tiên K(1) được cho bởi (a) Tham số S11 5) So sánh K(1) với K mong muốn nếu K(1) thấp hơn K, thì tăng khớp nối (mở nhẹ cửa sổ cảm ứng); nếu không thì giảm khớp nối (đóng nhẹ cửa sổ). 6) Lặp lại các bước 2–5 n lần cho đến khi khoảng cách K - K (n) trở nên không đáng kể. 7) Với giá trị cuối cùng của φ đối với tất cả các Bộ nghịch đảo, lấy độ dài tùy chỉnh của các bộ cộng hưởng liền kề. Hốc cộng hưởng r sẽ được điều chỉnh bởi bộ nghịch đảo r - 1 và r (bộ nghịch đảo ở mỗi đầu của hốc cộng hưởng r): (b) Tham số S21 Ở bước đầu tiên chúng ta thu được một hốc cộng Hình 5. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc hưởng cùng hai mống mắt ở hai đầu trong Hình 4.a. qua các bước. Cứ như vậy chúng ta thực hiện các bước thiết kế cho đến khi bộ lọc đủ 8 hốc cộng hưởng như trong Hình 6.a. và kết quả bộ lọc cuối cùng chúng ta nhận được như trong hình 6.b. (a) ISBN: 978-604-80-5076-4 304
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) (a) (b) (c) Hình 7. a) Kết quả mô phỏng lý thuyết của bộ lọc; b) (b) Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ lọc sau thiết kế sử dụng Hình 6. a) Các kích thước đầy đủ của bộ lọc. b) Hình phần mềm CST; c) Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ lọc ảnh 3D của bộ lọc hoàn chỉnh. sau thiết kế sử dụng phần mềm HFSS. Kích thước (đơn vị mm) thu được sau quy trình này và Bảng 1 phía dưới so sánh chỉ tiêu thiết kế của bộ lọc đã được tối ưu hóa là: với một số công trình đã công bố trước đó. Có thể nhận thấy ưu điểm của bộ lọc được thiết kế có độ gơn a = 19.05, b = 5.525 w1 = w9 = 10.345, w2 = w8 = 7.222, w3 = w7 = 6.217, w4 = w6 = 5.859, w5 = 5.728. nhỏ và dải thông tương đối rộng ở băng Ku so với các l1 = l8 = 9.044, l2 = l7 = 10.869, l3 = l6 = 11.349, l4 = l5 = công trình khác. 11.449, t = 2, cho tất cả Mống mắt. Bảng 1. So sánh các tham số kỹ thuật của bộ lọc: Bài báo IV. KẾT QUẢ [1] [2] [3] này Kết quả mô phỏng bộ lọc trên ống dẫn sóng chữ Loại Chebysev Chebysev Chebysev Chebysev nhật ghép mống mắt và bộ lọc ống dẫn sóng bao gồm 8 Bậc (n) 8 6 3 4 Tần số hốc cộng hưởng bằng phần mềm HFSS và CST được 14.12 GHz 14.2 GHz 15 GHz 13.87 GHz biểu diễn dưới dạng tham số S. Tham số S lần lượt là trung tâm Dải thông 750 MHz 900 MHz 40 MHz 340 MHz S21, S11 và S12, S22 được thể hiện trên Hình 7. Từ hình Độ gợn ảnh cho thấy tần số trung tâm và băng thông thu được trong dải 0.044 dB 0.1 dB 0.19 dB 0.18dB là đạt chỉ tiêu yêu cầu. thông Từ kết quả trong Hình 7.b và Hình 7.c, Chúng ta thấy rằng bộ lọc đạt được rất gần khớp các tham số tán KẾT LUẬN xạ của bộ lọc được mô phỏng lý thuyết Hình 7.a và có tổn hao ngược trong dải thông lớn hơn 20 dB và có dải Bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng hình chữ nhật thông 13,75-14,5 GHz. bằng nhôm băng tần Ku được thiết kế và mô phỏng dựa trên ống dẫn sóng WR75 cho các ứng dụng thông tin vệ tinh băng tần Ku. Bộ lọc ống dẫn sóng hình chữ nhật được hình thành bằng phương pháp ghép mống mắt. Kết quả mô phỏng này cho thấy sự tồn tại của sóng điện từ lan truyền qua các lỗ hình thành trên một tấm chắn kim loại được đưa nó vào trong ống dẫn sóng hình chữ nhật và tạo thành 8 hốc cộng hưởng. Đáp ứng bộ lọc đã được thực hiện thành công trong mô phỏng để thu được một kết quả tốt. Kết quả thu được có độ gợn trong dải thông thấp 0.044 dB và băng thông 750 MHz và do sử dụng đến 8 khâu lọc nên bộ lọc có độ (a) dốc tương đối cao trong vùng chuyển tiếp. ISBN: 978-604-80-5076-4 305
5. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) TÀI LIỆU THAM KHẢO Edge-coupled Bandpass Filter at Ku Band,” 2015 IEEE International Conference on Signal [1] Lahcen Yechou, A. Tribak, M. Kacim, “Ku-band Processing, Communications and Computing Waveguide band-pass filter with iris radius,” 2014 (ICSPCC), Sept. 2015. International Conference on Multimedia [6] R. J. Cameron, C. M. Kudsia, R. R. Mansour, Computing and Systems (ICMCS), Apr. 2014. “Design and Physical Realization of Coupled [2] S. Upadhyay and C. Panchal, “Development of Resonator Filters,” Microwave Filters for Narrowband Microwave Bandpass Filter for Ku Communication Systems: Fundamentals, Design, Band,” 2016 International Conference on and Applications, Wiley Telecom, 2018. Wireless Communications, Signal Processing and [7] T.S. Saad, et al. (eds) Microwave Engineer’s Networking (WiSPNET), Mar. 2016. Handbook, 1971, Artech House, Norwood, MA. [3] M. Latif, F. Shafq, M. Q. Shafque, “Design & Realization of Direct Coupled Ku-band [8] Collin, R.E., Foundation for Microwave waveguide Iris Filter using Coupling Matrix Engineering, McGraw-Hill, 1966, New York. Model,” Proceedings of 2012 9th International [9] Hong, J. and Lancaster, M.J. (2001) Microstrip Bhurban Conference on Applied Sciences & filters for RF/Microwave Applications, Wiley, Technology (IBCAST), Apr. 2012. New York. [4] G. Zhao, Z. Zhang, X. Lv, H. Sun, “A Ku Band [10] CST, Microwave Studio, www.cst.com. Waveguide Bandpass Filter with E-Plane Metallic [11] ANSYS HFSS, Diaphragm,” 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, May 2010. [5] Z. B. Khan, Z. Huiling, “Design and Measurement of Cavity Enclosed Microstrip ISBN: 978-604-80-5076-4 306