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

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng trong hệ thống thu/phát của ra đa băng X. Bộ lọc thông dải sử dụng các thanh kim loại chữ nhật cộng hưởng trong ống sóng không khí. Do vậy, tổn hao và độ mấp mô trong dải thông của bộ lọc được cải thiện.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng thanh cộng hưởng chữ nhật cho hệ thống thu phát ra đa băng X Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG THANH CỘNG HƯỞNG CHỮ NHẬT CHO HỆ THỐNG THU/PHÁT RA ĐA BĂNG X Trịnh Xuân Thọ*, Vũ Tuấn Anh, Dương Tuấn Việt Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải ứng dụng trong hệ thống thu/phát của ra đa băng X. Bộ lọc thông dải sử dụng các thanh kim loại chữ nhật cộng hưởng trong ống sóng không khí. Do vậy, tổn hao và độ mấp 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. Máy thu ANTENNA Cao tần đầu cuối LNA Tổ hợp tần số LO1 LO2 CLK Số hóa đầu cuối PA Trộn tần lên Ghi chú: Bộ lọc thông dải Bộ lọc triết hài 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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 39 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 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 dà ...