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

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Thiết kế bộ lọc thơng dải trên ống dẫn sóng
dùng cho thơng tin vệ tinh băng Ku
Đinh Xn Đơng, Nguyễn Huy Hồng, Lương Duy Mạnh
Khoa Vô tuyến điện tử,
Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn
Email: ,
cho phép bộ lọc có thể được sử dụng trong đường lên
của hệ thống thông tin vệ tinh.

Abstract— Trong bài báo này, chúng tơi trình bày thiết
kế một bộ lọc thơng dải trên ống dẫn sóng sử dụng cấu
trúc mống mắt dựa trên mơ hình nghịch đảo trở kháng
K. Cấu trúc bộ lọc được thực hiện bằng cách chèn thêm
các mống mắt với kích thước độ rộng khác nhau để thay
đổi chiều dài các hốc cộng hưởng. Bộ lọc thông dải được
thực hiện trên cấu trúc ống dẫn sóng WR75 sử dụng
mống mắt có tổn hao ngược tốt hơn 20 dB và băng thông
5.3% trong dải 14,75-14,5 GHz. Bộ lọc sử dụng vật liệu
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
bộ lọc được thực hiện trên 2 phần mềm CST và HFSS
với mơ hình ghép mống mắt và sử dụng phương pháp
Chebyshev cho thấy độ dốc vùng chuyển tiếp cao và cho
độ gợn nhỏ hơn 0.044 dB.

Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau:
trong phần II, trình bày cơ sở quy trình thiết kế bộ lọc.
Trong phần III, nhóm nghiên cứu trình bày một thiết kế
bộ lọc thơng dải băng Ku. Phần IV trình bày kết quả

mơ phỏng. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong
phần V.
II.

Chúng tôi sử dụng bộ lọc Chebyshev để làm cơ sở
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
họa mơ hình một bộ lọc Chebyshev sử dụng mơ hình
nghịch đảo trở kháng K. Theo [6] Các bộ nghịch đảo
trở kháng Kn, n + 1 có liên quan đến các phần tử nguyên
mẫu bộ lọc thông thấp chuẩn hóa trên phần tử tập trung
g0, g1, g2,…,gN + 1.

Keywords- Thông tin vệ tinh, Bộ lọc trên ống dẫn sóng,
Mống mắt, Nghịch đảo trở kháng K.

I. GIỚI THIỆU
Ngày nay, thơng tin vệ tinh băng Ku đang ngày
càng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng ở cả
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
và máy thu. Khi sử dụng ở máy phát, các bộ lọc này
yêu cầu phải chịu được mức cơng suất lớn và có chất
lượng cao để loại bỏ các thành phần tần số khơng mong
muốn ở ngồi dải. Mặc dù các bộ lọc hướng tới việc
thu nhỏ và tích hợp bằng cách sử dụng cơng nghệ mạch
dải và vi dải nhưng các công nghệ này không chịu
được mức cơng suất lớn ở máy phát. Bộ lọc ống dẫn
sóng có thể xử lý tín hiệu ở mức cơng suất cao, thích
hợp sử dụng cho bộ lọc siêu cao tần u cầu cơng suất

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
có thể đem đến khả năng xử lý tốt hơn cho đường lên
của hệ thống thông tin vệ tinh. Thành phần cơ bản của
bộ lọc ống dẫn sóng là hốc cộng hưởng khoang. Hình
dạng của khoang sẽ quyết định đến tần số cộng hưởng.
Bài báo này trình bày về quy trình thiết kế một bộ lọc
thông dải cho tần số băng tần Ku, hoạt động ở dải
13,75 GHz – 14,5 GHz sử dụng cơng nghệ ống dẫn
sóng và cấu trúc thiết kế ghép mống mắt. Bộ lọc sử
dụng ống dẫn sóng nhơm 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

CƠ SỞ QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC

Mơ hình nghịch đảo trở kháng K:
(2.1)
(2.2)

Hình 1. Mơ hình nghịch đảo trở kháng K cho bộ lọc
Chebyshev.
Tham số Δ trong công thức (2.1) - (2.2) là dải thông.
Đối với một môi trường phân tán, Δ được cho bởi Δ =
(λg1 - λg2)∕λg0, trong đó λg0 là bước sóng lan truyền
tại tần số trung tâm và λg1 và λg2 là bước sóng lan
truyền tại các tần số biên. Các giá trị gk thông thường
cho đáp ứng Chebyshev được xác định theo công thức:

302


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

(b)
(2.3)

n lẻ

(c)
Hình 2. Bộ lọc mống mắt ống dẫn sóng 8 cực: (a) bộ
lọc nhìn từ trên xuống, (b) mạch tương đương và (c)
mạch tương đương đã điều chỉnh.

n chẵn

trong đó n là thứ tự khâu lọc và LAR là độ gợn trong
băng thơng có thể được tính tốn từ
tổn hao ngược của bộ lọc. Bộ nghịch đảo trở kháng và
dẫn nạp về cơ bản chính là biến áp trở kháng và biến
áp dẫn nạp, tương ứng. Các bộ nghịch đảo
này có thể được thực hiện trên bất kỳ phần tử tập trung
nào sử dụng biến đổi tương đương.
Từ công thức (2.3) ta tính được bộ tham số cho phần
tử tập trung như sau:
g0 = 1, g1 = 1.01872, g2 = 1.45177, g3 = 1.96809, g4 =
1.65701, g5 = 2.02504, g6 = 1.61042, g7 = 1.77421, g8 =
0.33529, g9 = 1.22210. Với bộ tham số này ta sẽ thay
vào (2.1) và (2.2) để tìm ra các giá trị K và chuyển

sang phần tiếp theo để tìm ra kích thước vật lý của
phần tử phân bố.
III.

Nó bao gồm một mạng cảm ứng hình T và hai phần
φ/2 mỗi bên. Bộ nghịch đảo K được tạo ra bằng cách
thêm chiều dài φ/2 và chiều dài -φ/2 ở mỗi bên của
điểm giám đoạn như Hình 2.c. Mạch của Hình 2.c
hồn tồn có dạng giống như mạch nghịch đảo trở
kháng K trong Hình 1. Các hốc cộng hưởng trong
trường hợp này là các đường truyền có chiều dài Ln
nối với hai đường truyền có độ dài -φn/2 và -φn+1/2. Sử
dụng phần mềm mô phỏng EM, các tham số tán xạ của
mống mắt có thể được dẫn ra. Các phần tử của ma trận
truyền T thể hiện trong Hình 2.c, Xs và Xp có liên quan
đến các tham số tán xạ như sau:

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 tơi kết hợp mơ
hình mạch nghịch đảo trở kháng K được thể hiện trong
Hình 1 với mơ phỏng EM để tính tốn kích thước vật
lý bộ lọc. Bộ lọc bao gồm các hốc cộng hưởng nửa
bước sóng hình chữ nhật hoạt động với trường cơ bản
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
dạng mơ hình biến đổi trở kháng K như trong Hình 1,
chúng ta sử dụng mạch nghịch đảo trở kháng K.

Trong đó S11 và S21 là các tham số ma trận tán xạ của
trường TE10. Đối với bộ nghịch đảo trở kháng K, Xs và
Xp liên hệ với K và φ như sau:

Cả Xs và Xp và do đó K và φ là các hàm của chiều rộng
mống mắt W. Vì các hàm này khơng rõ ràng, chúng ta
cần chạy mô phỏng EM cho một loạt các chiều rộng
mống mắt để tính tốn 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 tơi có thể xác định chiều
rộng mống mắt W và sau đó sử dụng giá trị φi để tính
tốn độ dài của hốc cộng hưởng.

(a)

ISBN: 978-604-80-5076-4

303


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 (cịn gọi là mơ hình EM).

Hình 3. Mơ hình nghịch đảo trở kháng (giữa) cho một
cửa sổ cảm ứng trong ống dẫn sóng.

(b)
Hình 4. a) Khâu lọc đầu tiên của bộ lọc. b) Hai khâu
lọc đầu tiên của bộ lọc.

Mơ hình của một mống mắt được mơ tả trong Hình 3.
Trong trường hợp này, độ dày t của tất cả các cửa sổ là
cố định t = 2 mm. Pha φ của mơ hình là âm, trong khi
Xs và Xp (chuẩn hóa đối với Z0, trở kháng đặc trưng
của chế độ cơ bản ống dẫn sóng) là dương.
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 mơ 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 mơ hình bằng các công thức:

Tiếp tục thêm khâu lọc và lặp đi lặp lại các bước thiết
kế như đã nêu ở trên chúng ta thu được kết quả tham
số tán xạ của từng bước tương ứng với số khâu lọc
như Hình 5.

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 khơng
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
Hình 5. Kết quả mơ phỏng tham số tán xạ của bộ lọc
qua các bước.

Ở bước đầu tiên chúng ta thu được một hốc cộng
hưởng cùng hai mống mắt ở hai đầu trong Hình 4.a.

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


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

(a)
(b)

(c)
Hình 7. a) Kết quả mô phỏng lý thuyết của bộ lọc; b)
Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ lọc sau thiết kế sử dụng
phần mềm CST; c) Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ lọc
sau thiết kế sử dụng phần mềm HFSS.

(b)
Hình 6. a) Các kích thước đầy đủ của bộ lọc. b) Hình
ảnh 3D của bộ lọc hồn chỉnh.

Bảng 1 phía dưới so sánh chỉ tiêu thiết kế của bộ lọc
với một số cơng trình đã cơng bố trước đó. Có thể
nhận thấy ưu điểm của bộ lọc được thiết kế có độ gơn
nhỏ và dải thơng tương đối rộng ở băng Ku so với các
cơng trình khác.

Kích thước (đơn vị mm) thu được sau quy trình này và
đã được tối ưu hóa là:
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.
l1 = l8 = 9.044, l2 = l7 = 10.869, l3 = l6 = 11.349, l4 = l5 =
11.449, t = 2, cho tất cả Mống mắt.
IV.

Bảng 1. So sánh các tham số kỹ thuật của bộ lọc:

KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng bộ lọc trên ống dẫn sóng chữ
nhật ghép mống mắt và bộ lọc ống dẫn sóng bao gồm 8
hốc cộng hưởng bằng phần mềm HFSS và CST được
biểu diễn dưới dạng tham số S. Tham số S lần lượt là
S21, S11 và S12, S22 được thể hiện trên Hình 7. Từ hình
ảnh cho thấy tần số trung tâm và băng thông thu được
là đạt chỉ tiêu yêu cầu.
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
xạ của bộ lọc được mơ phỏng lý thuyết Hình 7.a và có
tổn hao ngược trong dải thơng lớn hơn 20 dB và có dải
thơng 13,75-14,5 GHz.

Loại
Bậc (n)
Tần số
trung tâm
Dải thông
Độ gợn
trong dải
thông

[1]

[2]

[3]

Chebysev

6

Chebysev
3

Chebysev
4

14.12 GHz

14.2 GHz

15 GHz

13.87 GHz

750 MHz

900 MHz

40 MHz

340 MHz

0.044 dB

0.1 dB

0.19 dB

0.18dB

KẾT LUẬN
Bộ lọc thông dải trên ống dẫn sóng hình chữ nhật
bằng nhơm băng tần Ku được thiết kế và mơ 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
dốc tương đối cao trong vùng chuyển tiếp.

(a)

ISBN: 978-604-80-5076-4

Bài báo
này
Chebysev
8

305

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Edge-coupled Bandpass Filter at Ku Band,” 2015
IEEE International Conference on Signal
Processing, Communications and Computing
(ICSPCC), Sept. 2015.
[6] R. J. Cameron, C. M. Kudsia, R. R. Mansour,
“Design and Physical Realization of Coupled
Resonator Filters,” Microwave Filters for
Communication Systems: Fundamentals, Design,
and Applications, Wiley Telecom, 2018.
[7] T.S. Saad, et al. (eds) Microwave Engineer’s
Handbook, 1971, Artech House, Norwood, MA.
[8] Collin, R.E., Foundation for Microwave
Engineering, McGraw-Hill, 1966, New York.
[9] Hong, J. and Lancaster, M.J. (2001) Microstrip
filters for RF/Microwave Applications, Wiley,
New York.
[10] CST, Microwave Studio, www.cst.com.
[11] ANSYS HFSS,.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Lahcen Yechou, A. Tribak, M. Kacim, “Ku-band
Waveguide band-pass filter with iris radius,” 2014
International
Conference
on
Multimedia
Computing and Systems (ICMCS), Apr. 2014.
S. Upadhyay and C. Panchal, “Development of
Narrowband Microwave Bandpass Filter for Ku
Band,” 2016 International Conference on
Wireless Communications, Signal Processing and
Networking (WiSPNET), Mar. 2016.
M. Latif, F. Shafq, M. Q. Shafque, “Design &
Realization of Direct Coupled Ku-band
waveguide Iris Filter using Coupling Matrix
Model,” Proceedings of 2012 9th International
Bhurban Conference on Applied Sciences &
Technology (IBCAST), Apr. 2012.
G. Zhao, Z. Zhang, X. Lv, H. Sun, “A Ku Band
Waveguide Bandpass Filter with E-Plane Metallic
Diaphragm,” 2010 International Conference on
Microwave and Millimeter Wave Technology,
May 2010.
Z. B. Khan, Z. Huiling, “Design and
Measurement of Cavity Enclosed Microstrip

ISBN: 978-604-80-5076-4

306