Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần băng C tính năng cao sử dụng công nghệ SIW ứng dụng cho đài ra đa thụ động SDD

Kỹ thuật Điện tử – Thông tin

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN BĂNG C
TÍNH NĂNG CAO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIW
ỨNG DỤNG CHO ĐÀI RA ĐA THỤ ĐỘNG SDD
Trần Thị Trâm*, Lê Vĩnh Hà, Dương Tuấn Việt, Trần Minh Nghĩa, Võ Văn Phúc
Tóm tắt: Các bộ lọc đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống thu phát
của các đài ra đa. Chính vì vậy, bài báo này đề xuất một giải pháp để thiết kế, chế
tạo bộ lọc thông dải siêu cao tần băng C chất lượng cao sử dụng công nghệ SIWCPW. Bộ lọc này được thực hiện bằng cách khoan 2 hàng lỗ dọc trên 2 cạnh của
bề mặt chất nền kết hợp với việc lựa chọn cấu trúc thích hợp. Bộ lọc siêu cao tần
SIW-CPW có các tính năng kỹ thuật vượt trội như: dải thông rộng, suy hao trong
dải thấp và đặc tính chặn dải tốt. Bộ lọc này được dùng trong máy thu của đài ra
đa thụ động SDD.
Từ khóa: Bộ lọc; Siêu cao tần; Ống dẫn sóng; SIW; Băng C.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Các bộ lọc thông dải đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống thu phát của các
thiết bị vô tuyến điện tử nói chung và các hệ thống ra đa nói. Thực tế hiện nay cho thấy
rằng với việc phải phân chia các dải tần số cho các mục đích dân sự và quân sự thì việc cải
thiện các bộ lọc để tăng độ chọn lọc của các thiết bị viễn thông cũng như các hệ thống khí
tài quân sự là một điều rất cần thiết. Bên cạnh đó, các hệ thống ra đa thế hệ mới và hệ
thống truyền thông số dải sóng cm, mm và các hệ thống siêu cao tần hiện đại đã và đang
phát triển một cách nhanh chóng. Sự phát triển nhanh chóng đó đi đôi với việc phát triển
các công nghệ mà đem lại hiệu quả cao cũng như chi phí thấp, khả năng tích hợp cao và
cải thiện hiệu suất làm việc. Các bộ lọc truyền thống hầu như là khó tích hợp với các mạch
phẳng hoặc có cấu trúc phức tạp và được nhập ngoại dưới dạng mô đun hoặc tích hợp vào
các hệ thống thu phát.
Trong những năm qua, bộ lọc sử dụng công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền SIW
(Subtrate Intergrated Waveguide-SIW) đã thu hút rất nhiều sự chú ý do các đặc tính ưu
việt của nó như chi phí thấp, tổn hao thấp, dải thông rộng và tính tương thích với quy trình
mạch in phẳng [1].

Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một bộ lọc thông dải siêu cao tần (SCT) tính năng
cao bao phủ dải tần số băng C sử dụng công nghệ SIW-CPW (Subtrate Intergrated
Waveguide-Coplanar Waveguide). Bộ lọc này có thể ứng dụng vào các hệ thống siêu cao
tần trong các đài ra đa băng C như trong hệ thống thu của đài ra đa thụ động SDD.
2. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI SIÊU CAO TẦN TÍNH NĂNG CAO BĂNG C
SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIW
2.1. Lựa chọn cấu trúc SIW phù hợp cho bộ lọc tính năng cao băng C
Ống dẫn sóng đồng phẳng là một loại đường truyền điện phẳng có thể được chế tạo
bằng cách sử dụng công nghệ bảng mạch in, và được sử dụng để truyền các tín hiệu tần số
cao. Trên một quy mô nhỏ hơn, các đường dây truyền dẫn sóng đồng phẳng cũng được
tích hợp vào các mạch tích hợp vi sóng nguyên khối. Ống dẫn sóng đồng phẳng thông
thường (CPW) bao gồm một đường truyền dẫn phẳng in trên đế điện môi kết hợp với một
cặp dây dẫn. Tất cả ba dây dẫn đều nằm trên cùng một mặt của đế, và do đó, gọi là đồng
phẳng. Cặp dây dẫn được tách ra khỏi đường truyền dẫn trung tâm bởi một khoảng trống
nhỏ, có chiều rộng không thay đổi dọc theo chiều dài của đường truyền.

172

T. T. Trâm, …, V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần … ra đa thụ động SDD.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Còn cấu trúc SIW được tạo ra bằng cách khoan 2 hàng lỗ dọc trên 2 cạnh của bề mặt
chất nền vì vậy thường được gọi là ODS tích hợp vật liệu nền SIW.
Các cấu trúc CPW và SIW được minh họa trên hình 1.

(a) CPW
(b) SIW
Hình 1. Minh họa cấu trúc CPW và SIW.

Do các cấu trúc SIW có tính chất cắt tần số và các cấu trúc chu kỳ thường có tính chất
dải chặn, nên các bộ lọc băng rộng nhỏ gọn có thể có được bằng cách tích hợp SIW với
một cấu trúc chu kỳ nào đó, chẳng hạn như cấu trúc đồng phẳng nhỏ gọn-cấu trúc dải chắn
điện từ (UC-EBG: Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap Structures), đồng phẳng
nhỏ gọn- cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (UC-DGS: Uniplanar Compact defect ground
structures), và cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW: coplanar waveguide). Những bộ
lọc kết hợp kiểu này sẽ cho băng thông rộng hơn so với bộ lọc SIW thông thường. Mặt
khác, SIW và các cấu trúc chu kỳ như UC-EBG, DGS và CPW được kết hợp chặt chẽ với
nhau, và kết quả sẽ tạo ra các bộ lọc có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các bộ lọc SIW
thông thường, kích thước tổng thể có thể so sánh với bước sóng hoạt động của nó [2], [3].
Hơn nữa, các bộ lọc như vậy có tổn hao chèn thấp và độ chọn lọc tốt do hệ số phẩm chất
của SIW cao và đặc tính tổn hao thấp của các cấu trúc chu kỳ (UC-EBG và CPW) [4].
Tuy nhiên, trong thiết kế hệ thống tần số cao, thường yêu cầu một mặt phẳng đất lớn để
giảm tạp tạo ra bởi các thành phần sóng cm và mm như bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) và
bộ dao động. Trong trường hợp này, nếu sử dụng bộ lọc SIW-UC-EBG và SIW-DGS sẽ
không phải là thích hợp nhất vì các cấu trúc EBG và DGS sẽ gây ra tổn hao bức xạ lớn. Để
phóng to mặt phẳng đất và giảm tổn hao bức xạ, có thể đặt các ô UC-EBG lên trên lớp phủ
các SIW. Vì các ô UC-EBG cũng có thể được xem như cấu trúc CPW vì vậy cấu trúc này
có thể được xem như là một SIW tích hợp với một CPW có chu kỳ nên gọi là bộ lọc SIWCPW [1], [5].

(a)
(b)
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc SIW-CPW đề xuất
(a) Mặt trước, (b) Mặt sau, (c) Kích thước của một ô.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018

173

Kỹ thuật Điện tử – Thông tin

Hình 2a biểu thị cấu trúc SIW và các ô UC-EBG, khoảng cách giữa các ô UC-EBG là
Dcell, khoảng cách này có thể được sử dụng để điều khiển các đỉnh cộng hưởng theo cách
giống như của bộ lọc SIW-DGS. Tham số Sw được sử dụng để kiểm soát độ ghép giữa
SIW với các cổng đầu vào và cổng đầu ra. Vì UC-EBG, DGS và CPW có thể tích hợp
được hoàn toàn với SIW nên những cấu trúc này sẽ là ứng viên lý tưởng cho việc thiết kế
bộ lọc băng rộng rất nhỏ gọn. Bộ lọc kiểu cấu trúc CPW-SIW này chủ yếu dựa trên các
cấu trúc có chu kỳ nên việc tổng hợp bộ lọc được đơn giản hóa rất nhiều, hiệu suất và độ
chọn lọc tốt hơn và thực hiện đơn giản chỉ bằng cách tăng thêm ô [6]. Do tính chất của cấu
trúc SIW là có hệ số Q cao và cấu trúc CPW tuần hoàn có đặc điểm là tổn hao chèn thấp
nên trong các thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải băng C lựa chọn cấu trúc SIW-CPW
như minh họa trên hình 2.
2.2. Thiết kế bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW tính năng cao
Việc xây dựng các tham số bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW tính năng cao dựa
trên việc tham chiếu các tham số của bộ lọc thông dải nằm trong máy thu của đài ra đa thụ
động SDD.
Trong máy thu của đài ra đa thụ động SDD có rất nhiều bộ lọc thông dải SCT 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 tín
hiệu nhằm đáp ứng các chức năng chiến - kỹ thuật của toàn bộ hệ thống. Bộ lọc thông dải
băng C nằm trong các khối DPX, KKX2, …[7]
Hình 3 trình bày vị trí cụ thể của 1 bộ lọc thông dải băng C trong khối KKX2 của máy
thu đài ra đa thụ động SDD.

Hình 3. Sơ đồ khối KKX2 (Phần in đậm là bộ lọc thông dải băng C).
Bài toán thiết kế bộ lọc thông dải SCT băng C dựa trên cấu trúc CPW-SIW được thực
hiện với các tham số kỹ thuật theo bảng 1.
Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc SCT băng C SIW-CPW.
TT

1
2
3
4
5
6

Tham số kỹ thuật
Dải tần làm việc
Suy hao trong dải
Độ chắn ngoài dải (@f0 ± 1,5f)
Độ nhấp nhô trong dải
Dải thông (mức -3 dB)
Tổn hao phản hồi

Đơn vị đo
MHz
dB
dB
dB
MHz

Cần đạt
4000  8000
3
≥ 30
1
4000 ± 100
≥ 10

Các bước tính toán, thiết kế bộ lọc thông dải SCT băng C tính năng cao sử dụng cấu
trúc SIW-CPW [1], [8], [9]:
Bước 1: Chọn tần số trung tâm f0: f0 = 6 GHz;
Bước 2: Chọn kích thước ống sóng: (34,85 x 15,8) mm;
Bước 3: Tính bước sóng trong không gian tự do 0: 0 = c/f0  50 mm;

174

T. T. Trâm, …, V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần … ra đa thụ động SDD.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Bước 4: Chọn loại chất nền sẽ sử dụng để thiết kế: Rogger 5880 có hằng số điện môi εr =
2.2, độ dày chất nền h = 0.762 mm, độ dày lớp đồng t = 0.017 mm;
Bước 5: Tính chiều rộng Weff của ống dẫn sóng kim loại lấp đầy điện môi εr theo công thức
với Wcon = 35 mm (Wcon là kích thước của ODS kim loại thông thường):
Weff = Wcon/√εr = 35/√2.2  23.6 mm;
Bước 6: Chọn đường kính và khoảng cách giữa các lỗ: Trong thiết kế này ta chọn d = 0.4
mm và s = 0.8 mm để đảm bảo các yêu cầu về chống rò rỉ bức xạ;

d2
Bước 7: Tính kích thước SIW theo công thức: W SIW  Weff 
= 23.8 mm;
0.95s
Bước 8: Chọn khoảng cách giữa các ô theo công thức: D cell  0.2W SIW nên ta chọn
Dcell = 4.5 mm;
Bộ lọc SIW-CPW được thiết kế gồm 11 ô như trên hình 4. Bảng 2 liệt kê các tham số
hình học cho bộ lọc SIW-CPW 11 ô trên cơ sở lý thuyết.

Hình 4. Sơ đồ cấu trúc thiết kế bộ lọc SIW-CPW băng C.
Bảng 2. Giá trị của các tham số đã được tính toán cho bộ lọc SIW-CPW.
TT Tham số
1
WSIW (mm)
2
d (mm)
3
s (mm)
4
ECW (mm)
5
Estl (mm)

Giá trị
23.8
0.4
0.8
12
1.25

TT
6
7
8
9
10

Tham số
Ecl (mm)

Egap (mm)
Esl (mm)
Dcell (mm)
W50 (mm)

Giá trị
1.5
0.25
0.65
4.5
1.8

TT
11
12
13
14
15

Tham số
H (mm)
Eltl (mm)
Esw (mm)
Eltw (mm)
Estw (mm)

Giá trị
0.762
0.8
0.8

0.6
0.25

Dựa trên bảng tham số đã được tính toán theo lý thuyết, tiến hành mô phỏng bộ lọc
SIW-CPW trên phần mềm CST [10]. Trong quá trình mô phỏng đã điều chỉnh các tham số
để kết quả mô phỏng là tối ưu nhất. Bảng 3 liệt kê các tham số sau khi đã tiến hành mô
phỏng và điều chỉnh để cho kết quả tối ưu nhất.
Bảng 3. Giá trị của các tham số đã được tối ưu trên phần mềm CST.
TT Tham số
1
WSIW (mm)
2
d (mm)
3
s (mm)
4
ECW (mm)
5
Estl (mm)

Giá trị
25
0.4
0.8
14
1.25

TT
6
7

8
9
10

Tham số
Ecl (mm)
Egap (mm)
Esl (mm)
Dcell (mm)
W50 (mm)

Giá trị
2
0.25
0.65
4.5
1.8

TT
11
12
13
14
15

Tham số
H (mm)
Eltl (mm)
Esw (mm)
Eltw (mm)

Estw (mm)

Giá trị
0.762
0.9
0.85
0.5
0.25

3. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Các kết quả mô phỏng bộ lọc SIW-CPW băng C trên phần mềm CST
Các kết quả mô phỏng tổn hao trong dải, độ chắn ngoài dải và tổn hao phản hồi của bộ
lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW được thể hiện trên hình 5.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018

175


Kỹ thuật Điện tử – Thông tin

(a)

(b)
Hình 5. (a) Tổn hao trong dải và độ chắn ngoài dải, (b) Tổn hao phản hồi.
3.2. Các kết quả thực nghiệm với bộ lọc thông dải SCT băng C SIW-CPW
Hình 6 trình bày ảnh chụp bộ lọc thông dải băng C SIW-CPW đã thiết kế chế tạo.

Hình 6. Ảnh chụp bộ lọc đã thiết kế chế tạo và kết nối vào khối KKX2
của máy thu đài ra đa thụ động SDD.

Các kết quả đo thực tế tổn hao trong dải và độ chắn ngoài dải của bộ lọc thông sải SCT
băng C SIW-CPW được thể hiện trên hình 7. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực
tế đặc tuyến của bộ lọc như trên hình 8.

(a)
(b)
Hình 7. (a) Suy hao trong dải và độ chắn ngoài dải, (b) Tổn hao phản hồi.

176

T. T. Trâm, …, V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần … ra đa thụ động SDD.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 8. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế đặc tuyến của bộ lọc:
1 - Kết quả mô phỏng, 2- Kết quả đo thực tế.
Bảng 4. Bảng so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc.
Đơn vị
Yêu cầu
Kết quả
KQ đo
TT
Tham số kỹ thuật
đo
mô phỏng
thực tế
4000 
3900 
4000 

1
Dải tần làm việc
MHz
8000
8500
8000
2
Tổn hao trong dải
dB
3
 2,6
 2,6
Độ chắn ngoài dải dải
3
dB
≥ 30
≥ 35
≥ 40
(@f0 ± 1,5f)
4
Độ nhấp nhô trong dải
dB
1
1
1
5
Dải thông mức -3 dB
MHz
4000 ± 100
4600

4000
6
Tổn hao phản hồi
dB
≥ 10
≥ 10
≥ 10
Các tham số đo được đáp ứng yêu cầu đặt ra khi thiết kế. Từ kết quả mô phỏng và đo
thực tế thấy rằng: Giữa kết quả mô phỏng và thực tế có sự sai khác về dải thông. Do đó,
khi thiết kế thực tế chúng ta phải điều chỉnh và có tính toán đến sai số về dải thông giữa
mô phỏng và thực tế để tạo ra được bộ lọc có kết quả như mong muốn.
4. KẾT LUẬN
Bộ lọc thông dải ứng dụng công nghệ CPW-SIW ở dải tần băng C đã được thiết kế, chế
tạo và đưa vào sử dụng trong thực tế. Bộ lọc đạt được các tham số vượt trội về suy hao
trong dải và độ chắn ngoài dải so với các bộ lọc siêu cao tần băng C thông thường. 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 yêu cầu đặt ra của các bộ lọc băng C trong máy thu
đài ra đa thụ động SDD. Sản phẩm nghiên cứu có được ứng dụng trong máy thu của đài ra
đa thụ động SDD.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. D. Deslandes and K. Wu, “Accurate Modeling, Wave Mechanisms, and Design
Considerations of a Substrate Integrated Waveguide”, IEEE Trans. Microwave
Theory & Tech ., VOL. 54, NO 6, pp. 2516-2526, JUN. 2006;

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018

177


Kỹ thuật Điện tử – Thông tin

[2]. F. R. Yang, K. P. Ma, Y. X. Qian, and T. Itoh, “A uniplanar compact
photonic-bandgap (UC-PBG) structure and its applications for microwave circuits,”
IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 8,pp.1509–1514, Aug. 1999;
[3]. Y. Rong, A. Zaki, J. Gipprich, M. Hageman, and D. Stevens, “LTCC wide-band
ridge-waveguide bandpass filters,” IEEE rans. icrow. Theory Tech., vol. 47, no. 9,
pp. 1836–1840, Sep. 1999;
[4].
J. Sor, Y. Qian, and T. Itoh, “Miniature low-loss CPW periodic structures for filter
applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 12, pp. 2336–2341, Dec.
2001;
[5]. J. Gipprich, D. Stevens, M. Hageman, A. Piloto, K. A. Zaki, and Y. Rong,
“Embedded waveguide filters for microwave and wireless applications using cofired
ceramic technologies,” in Proc. Int. Microelectron. Symp., San Diego, CA, Nov.
1998, pp. 23–26;
[6]. F. R. Yang, K. P. Ma, Y. X. Qian, and T. Itoh, “A novel TEM waveguide
using uniplanar compact photonic-bandgap (UC-PBG) structure,” IEEE
Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 11, pp. 2092–2098, Nov. 1999;
[7]. Tài liệu thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng ra đa SDD;
[8]. T. V. Duong, W. Hong, Z. C. Hao, W. C. Huang, J. X. Zhuang, and M. H. Nguyen, “A
new class of selectivity-improved mm-waves dual-mode substrate integrated waveguide
filters,” in Proc. Asia–Pacific Microw. Conf., vol. 1. Dec. 2015, pp. 398–40;
[9]. “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền trong thiết kế
các hệ thống siêu cao tần”/ Hội thảo quốc gia 2017 về Điện tử, truyền thông và
công nghệ thông tin (REV-ECIT 2017);
[10]. Hướng dẫn sử dụng phần mềm CST Microwave Studio Suite 2015.
ABSTRACT
DESIGN AND FABRICATION HIGH-PERFORMANCE C BAND FILTER
USING SUBSTRATED INTERGRATED WAVEGUI TECHNICAL
APPLY IN MODULES OF RADAR PASIVE SDD’RECEIVER

The filter closing role of the important in the radar systems. So this paper
propose a solution to design and fabrication of high-performance C-band
microwave filters using SIW technology. By drilling two rows of vertical holes on
the two sides of the flat wave conductor surface in conjunction with selecting the
appropriate structure to create a good selection of SIW-CPW filters. In this study,
we implemented the high-performance C-band SIW-CPW filter with wide
bandwidths, low insertion loss and superior features beyond out of bandwidth. This
filter will apply in modules of radar passive SDD’s receiver.
Keywords: Bộ lọc; Siêu cao tần; Ống dẫn sóng; SIW; băng C.

Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018
Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018
Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KHCNQS.
*
Email:

178

T. T. Trâm, …, V. V. Phúc, “Thiết kế, chế tạo bộ lọc siêu cao tần … ra đa thụ động SDD.”