Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch cao tần điều khiển điện trên nền công nghệ SIW

Bài viết trình bày một nghiên cứu thực nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị chuyển mạch cao tần băng C có điều khiển điện trên công nghệ ống sóng tích hợp chất nền.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch cao tần điều khiển điện trên nền công nghệ SIWNghiên cứu khoa học công nghệ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN MẠCH CAO TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRÊN NỀN CÔNG NGHỆ SIW Nguyễn Văn Việt*, Dương Tuấn Việt, Trần Minh Nghĩa, Lê Trọng Hiếu Tóm tắt: Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị chuyển mạch cao tần băng C có điều khiển điện trên công nghệ ống sóng tích hợp chất nền. Thiết bị có nhiệm vụ chuyển mạch đơn cực hai vị trí bằng cách điều khiển điện cho các diode PIN với các tính năng hoạt động cao : có khả năng thay đổi độ rộng dải thông, tổn hao truyền thấp và giá thành rẻ. Mạch được thiết kế và chế tạo trên chất nền Rogers 5880 với hằng số điện môi 2.2 và độ dày chất nền 0.787 mm. Kết quả đo đạc là phù hợp với các tính toán trong thiết kế. Với lợi thế nhỏ gọn, dễ chế tạo mà hiệu suất tốt thì đây sẽ là một sản phẩm rất phù hợp cho các ứng dụng dải sóng siêu cao tần và sóng milimet.Từ khóa: Bộ chuyển mạch; SPST; SPDT; SIW; Diode PIN. 1. MỞ ĐẦU Ống sóng tích hợp chất nền (gọi tắt là SIW- Substrate Integrated Waveguide ) là mộtdạng đường truyền siêu cao tần mới bắt đầu phổ biến trong những năm gần đây [1], [2].Dựa trên lớp chất nền cách điện phẳng với các lớp kim loại ở mặt trên và dưới được đục lỗkim loại hai bên để tạo nên hai thành bên như ống dẫn sóng truyền thống. SIW kết hợpđược những ưu điểm của mạch in phẳng và ống sóng kim loại truyền thống. Các thànhphần SIW nhỏ, gọn, tổn hao và kí sinh thấp, dễ chế tạo, linh hoạt và đặc biệt là giá thànhthấp hơn nhiều so với ống sóng hình chữ nhật truyền thống. Ưu điểm lớn nhất của côngnghệ này là dễ chế tạo, sản xuất trên cùng một tấm mạch in phẳng trong cùng một hệthống (bao gồm cả chuyển đổi, ống sóng hình chữ nhật, chuyển mạch cao tần, các thànhphần thụ động, tích cực và cả ănten) [3], [4], [5]. Chuyển mạch ống sóng nằm trong thành phần của hệ thống thu phát siêu cao tần đãđược nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ra đa, tên lửa, hàng không vũtrụ. Bộ chuyển mạch ống sóng sử dụng diode PIN là một trong các kỹ thuật hiện đại chophép thiết lập và khống chế đường truyền năng lượng linh hoạt, đáp ứng nhanh nhằm nângcao chất lượng thu-phát tín hiệu, tăng hiệu quả và độ ổn định chế độ làm việc của hệthống. Với công nghệ truyền thống áp dụng để thiết kế các bộ chuyển mạch cao tần bằngchuyển mạch cơ khí thường cồng kềnh và hỏng hóc khó sửa chữa trong quá trình sử dụng,khai thác. Trong bài báo này, bộ chuyển mạch SPDT (Single Pole Double Throw- đơn cựchai vị trí) được đưa ra khảo sát và nghiên cứu, mạch dựa trên cấu trúc SIW/HMSIW (HalfMode SIW- SIW nửa chế độ) được mô phỏng và thiết kế có thể thực hiện chức năngchuyển mạch SPDT trên băng C. 2. THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN MẠCH CAO TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRÊN CÔNG NGHỆ SIW2.1. Chuyển mạch đơn cực một vị trí SPST (Single Pole Single Throw) Cấu trúc được đề xuất để mô phỏng được chỉ ra trên hình 1, dựa trên sự kết hợp giữacấu trúc SIW và HMSIW. Cấu trúc HMSIW vẫn giữ được sự ưu việt của cấu trúc SIWnhưng kích thước giảm đi gần một nửa[6], [7]. HMSIW với các chêm hở mạch đã đượcnghiên cứu chi tiết trong [8]. Cấu trúc đưa ra sử dụng các chêm hở mạch (stubs) được bốtrí hai bên thành của các cấu trúc HMSIW là mấu chốt quan trọng để cấu trúc có thể thựchiện khả năng chuyển mạch. Liên kết giữa các chêm hở mạch và HMSIW thông qua mộtdiode PIN có nhiệm vụ là chuyển mạch cao tần. Công cụ mô phỏng ở đây sử dụng phầnTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 45 Kỹ thuật điều khiển & Điện tửmềm Ansoft HFSS [9]. Đây là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng các cấu trúc siêu caotần trên giao diện 3D. HFSS có thể được dùng để tính toán, mô phỏng các tham số nhưtham số S, tần số cộng hưởng và các trường E, H. Hình 1. Mô hình cấu trúc chuyển mạch SPST với 1 chêm hở mạch (kích thước: cm). Chêm hở mạch với độ rộng w, độ dài l được mắc shunt với HMSIW thông qua diodePIN như hình 1. Tham số S giữa phần T và T’ trong hình được xác định: S11 = -Z0/(2Zs + Z0) (1) S21 = 2Zs/(2Zs + Z0) (2) Ở đây, Z0 và Zs là trở kháng đặc trưng của đường truyền HMSIW và trở kháng đầu vàocủa chêm hở mạch (stub), tương ứng. Khi Zs→ ∞, S21 xấp xỉ 1 cho tổn hao đường truyền,HMSIW lúc này ở trạng thái “ON”, và khi Zs tiến tới 0, S21 ≈ 0, HMSIW lúc này ở “trạngthái OFF”. Như vậy bằng việc điều khiển diode PIN ta có thể thay đổi chế độ chuyển mạchtrên đường truyền HMSIW, và đây chính là ý tưởng chính cho cấu trúc này. Mô phỏng mô hình SPST như hình 1 khi sử dụng 1 ...