Luận án Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu một số cấu trúc cộng hưởng mới để thiết kế các bộ lọc siêu cao tần dựa trên công nghệ vi dải

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN Đ ỨC UYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐỨC UYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI ĐỂ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI DẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Đỗ Quốc Trinh 2. PGS. TS Lê Vĩnh Hà HÀ NỘI – NĂM 2019
3. iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày tháng 01 năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Đức Uyên
4. iv LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Bộ quốc phòng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Đại tá PGS. TS Đỗ Quốc Trinh, Đại tá PGS. TS Lê Vĩnh Hà, các thầy giáo đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, trang bị định hướng phương pháp nghiên cứu, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học và kiểm tra đánh giá các kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu trong bốn năm qua và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, phòng Đào tạo, viện Điện tử vừa là cơ sở đào tạo, đơn vị quản lý. Trường cao đẳng Phát thanh Truyền hình I nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô, các nhà khoa học, đồng nghiệp và bạn bè thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, viện Điện tử, khoa Vô tuyến Điện tử học viện Kỹ thuật quân sự đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian qua. Tôi dành lời cảm ơn đặc biệt đến bố mẹ, gia đình vợ con, họ hàng bạn bè trong và ngoài cơ quan, những người luôn đồng hành, động viên và là chỗ dựa về mọi mặt, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để có được kết quả nghiên cứu ngày hôm nay. Tác giả Nguyễn Đức Uyên
5. v MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . .. .vi DANH MỤC CÁC BẢNG. ... ....ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........................................................ x MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU CÁC BỘ LỌC VÀ CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG VI DẢI CHO SIÊU CAO TẦN DÙNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .................................................................................................... 7 1.1. Bộ lọc tần số siêu cao tần dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến ................. 7 1.2. Phân loại các bộ lọc siêu cao tần ................................................................. 10 1.2.1. Bộ lọc dạng sóng ................................................................................. 10 1.2.2. Bộ lọc phân cực ................................................................................... 10 1.2.3. Bộ lọc tần số ........................................................................................ 11 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại đối với các bộ lọc cơ bản và bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng .............................. 14 1.3.1. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc cơ bản tại thời điểm hiện tại ......... 14 1.3.1.1. Bộ cộng hưởng đường truyền vi dải ................................................. 17 1.3.1.2. Bộ ghép cộng hưởng ghép nối .......................................................... 20 1.3.1.3. Bộ ghép cộng hưởng giả xen kẽ ...................................................... 25 1.3.1.4. Bộ lọc thông dải vi băng giả xen kẽ thiết kế nhỏ gọn ....................... 28 1.3.2. Các nghiên cứu về cấu trúc bộ lọc đa băng tần, băng rộng và siêu rộng, tại thời điểm hiện tại ............................................................................................. 32 1.3.2.1. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc hai băng tần .................................... 35 1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu về bộ lọc ba băng tần và bốn băng tần........... 36 1.3.2.3. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông rộng ....................... 38 1.3.2.4. Tình hình nghiên cứu về các bộ lọc băng thông siêu rộng ............... 39 1.4. Tiêu chí kỹ thuật chung của các bộ lọc siêu cao tần đa băng và băng rộng, siêu rộng được đề xuất ......................................................................................... 40
6. vi 1.5. Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 42 1.6. Kết luận chương 1 ......................................................................................... 43 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG MỚI DỰA TRÊN NỀN TẢNG LÝ THUYẾT MẠCH CỘNG HƯỞNG VÀ CÁC CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG CƠ BẢN .............................................................. 44 2.1. Lý thuyết về các bộ cộng hưởng khác nhau .................................................. 45 2.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng nửa bước sóng ................................................. 46 2.3. Mạch cộng hưởng nửa bước sóng đoạn chêm chính giữa ............................ 49 2.3.1. Mạch cộng hưởng đoạn chêm hở (OSLR) ........................................... 49 2.3.2. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch (SSLR) .............................. 51 2.3.3. Mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn và hở chữ thập (CSLR) ............... 53 2.4. Xây dựng các cấu trúc cộng hưởng mới ....................................................... 55 2.4.1. Cấu trúc kết hợp cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và cộng hưởng nửa bước sóng ............................................................................................................. 55 2.4.2. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông ............. 58 2.4.3. Cấu trúc mạch cộng hưởng đoạn chêm ngắn vòng vuông ................... 60 2.5. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 65 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN VỚI CÔNG NGHỆ VI DẢI .............................................................. 66 3.1. Giới thiệu và phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc ........................ 66 3.1.1. Giới thiệu chung .................................................................................. 66 3.1.2. Phương pháp luận đề xuất thiết kế một bộ lọc siêu cao tần ................ 67 3.1.2.1. Trình tự thiết kế một bộ lọc .............................................................. 67 3.1.2.2. Mô hình thực nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm ................ 69 3.2. Kết quả thiết kế chế tạo, mô phỏng đo kiểm so sánh, đánh giá bộ lọc ba băng và bốn băng tần, băng rộng và băng siêu rộng bằng công nghệ vi dải ................ 71 3.2.1. Bộ lọc bốn băng sử dụng bộ cộng hưởng chêm chữ thập vòng vuông 71 3.2.1.1. Cấu trúc của bộ lọc ............................................................................ 72
7. vii 3.2.1.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng ............................................................. 73 3.2.1.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả ................................................................. 75 3.2.1.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc bốn băng ................ 78 3.2.2. Bộ lọc ba băng sử dụng cấu trúc cộng hưởng đoạn chêm chữ thập và bộ cộng hưởng nửa bước sóng .................................................................................. 80 3.2.2.1. Cấu trúc của bộ lọc ............................................................................ 81 3.2.2.2. Đặc tính của các bộ cộng hưởng ....................................................... 82 3.2.2.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả ................................................................. 84 3.2.2.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc ba băng .................. 91 3.2.3. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng bộ cộng hưởng đoạn ngắn mạch vòng vuông .................................................................................................................... 92 3.2.3.1. Cấu trúc của bộ lọc ............................................................................ 92 3.2.3.2. Đặc tính của bộ cộng hưởng ............................................................. 93 3.2.3.3. Thiết kế bộ lọc và kết quả ................................................................. 95 3.2.3.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc băng rộng .............. 99 3.2.4. Bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V sử dụng bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông .......................................................................101 3.2.4.1. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc ..............................................................101 3.2.4.2. Thiết kế bộ lọc băng thông (UWB) dựa trên cấu trúc cơ bản .........104 3.2.4.3. Thiết kế bộ lọc băng thông (UWB) với băng thông chữ V. ............104 3.2.4.4. So sánh đánh giá thiết kế và kết quả của bộ lọc siêu rộng (UWB) với băng thông chữ V ...............................................................................................108 3.3. Tổng hợp các công trình nghiên cứu của luận án .......................................110 3.4. Kết luận chương 3 .......................................................................................111 KẾT LUẬN ........................................................................................................113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................117
8. viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Β Hệ số truyền sóng từ trường β1 Hằng số lan truyền tại tần số cộng hưởng cơ bản c Vận tốc ánh sáng c=3.108m/s Q Hệ số phẩm chất của bộ lọc Qu Hệ số nạp tải fo Tần số cộng hưởng cơ bản f Tần số cộng hưởng đường truyền nửa bước sóng fodd Tần số cộng hưởng chế độ lẻ feven Tần số cộng hưởng chế độ chẵn h Độ dày chất nền điện môi g Bước sóng dẫn tại tần số fo Zin Trở kháng lối vào Yin Dẫn nạp lối vào ZL Trở kháng tải Zo Trở kháng đặc tuyến truyền Z Trở kháng đoạn mạch Zin,odd Trở kháng vào chế độ lẻ Zin,even Trở kháng vào chế độ chẵn Yo Độ dẫn nạp 휃 Độ dài điện Sự suy giảm của đường microstirip o Tần số cộng hưởng cho mỗi cộng hưởng tương đương l Độ dài đường truyền không tổn hao. k Hệ số ghép nối
9. ix 휀 Hệ số điện môi 휇 Độ từ thẩm Véc tơ cường độ điện trường H Véc tơ cường độ từ trường Pi =3.14 S Khoảng cách giữa các đoạn Sf Chiều rộng khe S1,2 Chiều rộng khe 1, 2... S11 Hệ số tổn hao phản hồi S21 Hệ số tổn hao truyền T-T’ Trục đối xứng h Độ dày điện môi W Độ rộng của một đoạn Chữ viết tắt ABW Độ rộng băng tần tuyệt đối (Absolute band width) BPF Bộ lọc thông dải (Band Pass Filter) COS Đoạn hở mạch chữ thập (Cross Open Stub) CSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch và hở mạch chữ thập (Crossed Open and Short Stub Loaded Resonator) CDMA Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access) Combline C. Bandpass Filters là bộ lọc băng thông kết hợp có sẵn DGS Cấu trúc mặt đất dị tật (Defect Ground Structure) IF Tần số trung tần (Intermediate Frequency) RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency)
10. x GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications) NR-ITLM Triết xuất âm – Vật liệu siêu dẫn đường truyền (Negative Refractive – Index transmission line Metamaterials) MMRR Bộ cộng hưởng vòng đa chế độ nhánh chữ thập (Crossed Stub Multi – mode Ring Resonator). LTE Tiến hóa dài hạn (Long Term Evolution)(Công nghệ). OSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm hở mạch (Open Stub Loaded Resonator) PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) FWB Phân đoạn băng thông (Fractional band width) TD-SCDMA Đa truy cập phân mã đồng bộ phân theo thời gian (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access). SAW Bề mặt sóng âm (Surface Acoustic Wave) SIR Bộ cộng hưởng bậc trở kháng(Stepped Impedance Resonator) SRCLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm chữ thập vòng vuông (Square Ring Crossed Loaded Resonator) SRSLR Bộ cộng hưởng đoạn chêm ngắn mạch vòng vuông (Square ring Stub Loaded Resonator) SSLR Cộng hưởng chêm ngắn mạch (Short Stub Loaded Resonator) UWB Dải băng rộng, siêu rộng (Ultra Wideband Bandpass) WCDMA Đa truy cập phân mã băng rộng (Wideband Code Division Multiple Access) WLAN Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network) WiMax Hệ thống truy cập không dây băng rộng theo tiêu chuẩn IEEE 802 – 16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access).