Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW để nâng cao chất lượng một số phần tử siêu cao tần trong đài ra đa" do nghiên cứu sinh Trần Thị Trâm thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự (Bộ Quốc phòng), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Lê Vĩnh Hà và TS Dương Tuấn Việt, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Ra đa dẫn đường (mã số: 9 52 02 04), bảo vệ năm 2023.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự phát triển của kỹ thuật quân sự hiện đại đòi hỏi các hệ thống ra đa số thế hệ mới phải tích hợp ăng-ten mạng pha tích cực (AESA) và thực hiện đa chức năng trên cùng một đài như: cảnh giới - dẫn đường, chỉ thị mục tiêu và điều khiển hỏa lực. Do đó, việc nâng cao chất lượng các phần tử trong tuyến thu - phát siêu cao tần và hệ thống ăng-ten đường truyền là yêu cầu kỹ thuật mang tính then chốt.

Trong kỹ thuật siêu cao tần truyền thống, mạch vi dải (microstrip) có ưu điểm gọn nhẹ, dễ chế tạo phẳng nhưng lại chịu tổn hao dẫn và tổn hao bức xạ lớn khi tần số tăng cao; ngược lại, ống dẫn sóng kim loại cổ điển (WG) có hệ số phẩm chất $Q$ cao và khả năng chịu công suất tốt nhưng kích thước cồng kềnh, chi phí chế tạo đắt và khó tích hợp với các vi mạch bán dẫn phẳng. Công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền (Substrate Integrated Waveguide - SIW) ra đời như một giải pháp dung hòa, cho phép tổng hợp ống dẫn sóng bên trong chất điện môi phẳng thông qua các hàng lỗ kim loại mạ xuyên lớp.

Tuy nhiên, tác giả chỉ ra ba khoảng trống nghiên cứu chính:

  1. Phần lớn các công bố quốc tế về SIW thời điểm đó tập trung vào dải tần số rất cao trong viễn thông dân dụng (băng Ka, Q, V) mà chưa đi sâu vào các dải tần hoạt động tiêu chuẩn của đài ra đa quân sự như băng S, băng C và băng X.
  2. Các nghiên cứu hiện hữu chưa khai thác sâu việc kết hợp công nghệ SIW với các kỹ thuật vật liệu nền khác như dải chắn điện từ (Electromagnetic Band Gap - EBG) và cấu trúc mặt đế khuyết (Defected Ground Structure - DGS).
  3. Các phần tử SIW ở dải tần số cm và mm đòi hỏi cấu trúc hình học mới (cấu hình nhiều lớp, nửa chế độ) để thu nhỏ diện tích, mở rộng băng thông và triệt giảm suy hao truyền dẫn.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công nghệ thực hiện các phần tử siêu cao tần trên vật liệu nền (EBG, DGS, SIW) nhằm đề xuất các giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng phần tử siêu cao tần trong đài ra đa quân sự.
  2. Đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ SIW để chế tạo:
    • Bộ lọc thông dải nửa chế độ (HMSIW) băng tần S có kích thước và suy hao nhỏ, độ chọn lọc cao;
    • Bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp băng tần X có băng thông rộng, tổn hao nhỏ và điều chỉnh pha bằng điện tử;
    • Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) băng tần X có tạp pha thấp sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép (DMCC-SIW).
  3. Đề xuất giải pháp kết hợp công nghệ SIW với EBG và DGS để nâng cao chất lượng cho các bộ lọc thông dải SIW-CPW dải rộng, độ chọn lọc cao và kích thước nhỏ ở băng tần C và băng tần X.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các giải pháp nâng cao chất lượng của phần tử siêu cao tần thụ động và tích cực trong đài ra đa, bao gồm: bộ lọc thông dải băng S, C, X; bộ di pha băng X; bộ dao động VCO băng X.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các giải pháp thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm chế tạo trên công nghệ mạch in vật liệu nền (SIW, HMSIW, SIW 2 lớp, SIW kết hợp CPW, EBG và DGS) phục vụ tuyến cao tần của đài ra đa quân sự ở các dải tần S, C và X.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ba nhóm công nghệ vật liệu nền chủ đạo:

  1. Công nghệ dải chắn điện từ (EBG): Điểm lại các công trình của Sievenpiper (1999), Yang và Rahmat-Samii (2001) về cấu trúc EBG hình nấm (mushroom-like) và EBG đồng phẳng (UC-EBG). Các nghiên cứu này chỉ rõ đặc tính tạo dải chắn ngăn cản sóng bề mặt và đặc tính phản xạ đồng pha (đóng vai trò như mặt dẫn từ nhân tạo PMC), giúp giảm bức xạ ngược và nâng cao hiệu suất bức xạ ăng-ten.
  2. Công nghệ cấu trúc mặt đế khuyết (DGS): Điểm lại các nghiên cứu của Kim, Park, Ahn (2001), Breed (2008), Guha (2006) về việc khắc các khe hình học (hình quả tạ, vòng chữ U, H, CSRR, đường uốn khúc) trên mặt đế kim loại. DGS tạo ra hiệu ứng sóng chậm (slow-wave) làm tăng điện cảm/điện dung tương đương, cho phép thu nhỏ kích thước mạch và tạo dải chắn lọc sóng hài.
  3. Công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền (SIW): Tổng kết các công trình nền tảng của Wu, Deslandes, Cassivi, Bozzi, Perregrini, Xu, Hong. Các nghiên cứu đã xây dựng mô hình ống dẫn sóng lấp đầy điện môi (DFW), công thức xác định chiều rộng tương đương $W_{eff}$, phương pháp mô hình hóa rò rỉ bức xạ qua tỷ số giữa đường kính lỗ kim loại $d$ và khoảng cách giữa hai tâm lỗ $s$. Đặc biệt, luận án tham chiếu công thức thực nghiệm của tác giả Salehi M. (2021) về quan hệ giữa $W$, $W_{eff}$, $d$ và $s$ để tăng độ chính xác trong thiết kế hốc cộng hưởng.
  4. Các nghiên cứu về phần tử chức năng: Luận án điểm lại nguyên lý gây nhiễu hốc cộng hưởng (Pozar, Harrington), nguyên lý di pha bằng mạng trụ kim loại tương đương mạch lọc thông cao chữ T (Soric, 2011), và mô hình tạp pha máy dao động của Leeson (1966).

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Khác với các nghiên cứu đơn lẻ trước đây vốn chỉ áp dụng SIW cho các tần số viễn thông cao hoặc chỉ sử dụng từng cấu trúc riêng biệt, luận án định vị hướng đi: giải quyết đồng thời bài toán giảm kích thước, giảm suy hao truyền qua, tăng độ chọn lọc và mở rộng dải thông cho các linh kiện siêu cao tần của đài ra đa quân sự tại dải tần S, C, X thông qua việc cải biến hình học SIW và tích hợp liên công nghệ SIW - EBG - DGS.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  • Lý thuyết trường điện từ trong SIW chữ nhật: SIW cấu tạo từ hai mặt kim loại trên/dưới và hai hàng lỗ mạ kim loại dọc hai bên chất nền điện môi ($h, \varepsilon_r, \mu_r$). Chế độ truyền dẫn chi phối là $TE_{10}$, các chế độ từ ngang ($TM$) không tồn tại do các thành bên không kín. Tần số cắt $f_c$ và chiều rộng tương đương $W_{eff}$ được mô tả qua các biểu thức: $$f_c = \frac{c}{2 W_{eff} \sqrt{\varepsilon_r}}$$ $$W_{eff} = W - \frac{d^2}{0{,}95 \cdot s}$$ Điều kiện giới hạn bức xạ: $d \le 0{,}1 \lambda_g$ và $s \le 2d$ (hoặc $s/d < 3, W/d > 5$ theo Salehi M.).
  • Lý thuyết hốc cộng hưởng SIW tròn: Kích thích bằng đường mạch dải hoặc đầu dò đồng trục để tạo các chế độ $TM_{01}$ và $TM_{11}$. Bán kính hiệu dụng $R$ phụ thuộc nghiệm hàm Bessel bậc nhất loại 1 ($p_{11} = 3{,}832$ đối với $TM_{11}$): $$f_{110} = \frac{p_{11} c}{2 \pi R \sqrt{\varepsilon_r}}$$
  • Phân tích cơ chế tổn hao trong SIW: Tổng suy hao $\alpha = \alpha_c + \alpha_d + \alpha_r$ (trong đó $\alpha_c$ là tổn hao dẫn kim loại, $\alpha_d$ là tổn hao tiếp tuyến điện môi tỷ lệ thuận với $\tan\delta$, $\alpha_r$ là tổn hao rò bức xạ qua khe hở giữa các lỗ kim loại).
  • Lý thuyết gây nhiễu hốc cộng hưởng: Sử dụng phương pháp biến phân và gần đúng nhiễu loạn của Pozar để khảo sát độ dịch tần số cộng hưởng khi thay đổi điện môi/từ thẩm ($\Delta\varepsilon, \Delta\mu$) hoặc thay đổi hình học hốc ($\Delta V$).
  • Lý thuyết mô hình mạch tương đương: Mô hình LC cho ô EBG nấm, ô EBG đồng phẳng và khe DGS hình quả tạ; mô hình mạng chữ T cho trụ kim loại điều khiển pha; mô hình Leeson xác định tạp pha $\mathcal{L}(\Delta f)$ của bộ dao động phụ thuộc vào hệ số phẩm chất tải $Q_L$ và độ trễ nhóm $\tau_d$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô phỏng số toàn sóng 3D: Sử dụng các phần mềm mô phỏng trường điện từ CST Microwave Studio (phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian - FDTD) và Ansoft HFSS (phương pháp phần tử hữu hạn - FEM) để phân tích phân bố điện trường, đặc tính tán sắc và tham số tán xạ $S$. Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design System) để mô phỏng tích hợp mạch phi tuyến và vòng dao động.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu mạch in vi dải (PCB) chuẩn công nghiệp trên các tấm vật liệu nền điện môi chuyên dụng (Rogers RT/duroid 5880 và Rogers 6035HTC). Đo kiểm tham số tán xạ ($S_{11}, S_{21}$), độ trễ nhóm và tạp pha bằng máy phân tích mạng véc-tơ (VNA), máy phân tích phổ, và đo đồ thị bức xạ mạng pha trong buồng đo hấp thụ sóng vô tuyến (anechoic chamber).
Nhóm công nghệ Ưu điểm chính Nhược điểm chính Ứng dụng trong luận án
Mạch vi dải (Microstrip) Nhỏ gọn, tích hợp mạch phẳng dễ dàng, giá thành thấp Tổn hao dẫn và tổn hao bức xạ cao ở tần số siêu cao, hệ số $Q$ thấp Làm tuyến cấp nguồn và phối hợp trở kháng
Ống dẫn sóng kim loại (WG) Hệ số $Q$ rất cao, suy hao thấp, chịu công suất lớn Cồng kềnh, nặng, chi phí gia công cao, không tích hợp phẳng Đối chứng lý thuyết và đường truyền chuẩn
Công nghệ SIW tiêu chuẩn Giữ đặc tính $TE_{10}$ của WG, hệ số $Q$ cao, dễ tích hợp phẳng bằng PCB Kích thước lớn ở tần số thấp (dưới băng S), xuất hiện rò bức xạ nếu $s/d$ lớn Cấu trúc nền cho bộ di pha và bộ dao động
Công nghệ EBG & DGS Tạo dải chắn sâu, hiệu ứng sóng chậm giúp thu nhỏ mạch Phân tích giải tích phức tạp, khó chế tạo nếu cấu trúc phi phẳng Mở rộng dải chắn và thu nhỏ bộ lọc SIW-CPW

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ vật liệu nền

Chương 1 thiết lập bức tranh toàn cảnh về các công nghệ vật liệu nền hiện đại và vai trò của chúng trong sơ đồ khối đài ra đa. Tác giả phân tích cấu trúc tuyến thu - phát cao tần gồm các khối: khuếch đại công suất (PA), khuếch đại tạp thấp (LNA), bộ lọc (BPF), bộ trộn, bộ dịch pha, bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) và mạng phân phối công suất ăng-ten.

Nội dung chương tập trung làm rõ:

  • Cơ chế hình thành dải chắn và phản xạ pha của cấu trúc EBG nấm và EBG đồng phẳng dựa trên mạch tương đương $L_R, C_L, C_R, L_L$.
  • Đặc tính sóng chậm và dải chắn của cấu trúc DGS quả tạ; sự biến đổi pha nhanh tại vùng tần số $f < f_0$.
  • Phân tích toán học cho SIW chữ nhật và SIW tròn; công thức tính tần số cắt, bán kính tương đương theo nghiệm hàm Bessel.
  • Cơ chế của ba thành phần tổn hao ($\alpha_c, \alpha_d, \alpha_r$); khẳng định việc tăng chiều dày nền $h$ giúp giảm tổn hao dẫn $\alpha_c$, chọn vật liệu $\tan\delta$ nhỏ giúp giảm tổn hao điện môi $\alpha_d$, và khống chế $s, d$ giúp triệt tiêu tổn hao bức xạ $\alpha_r$.
  • Các biến thể hình học của SIW nhằm khắc phục hạn chế về kích thước và băng thông: SIW gấp (Folded SIW), SIW nửa chế độ (HMSIW), SIW có gờ (Ridged SIW).
  • Các nguyên lý ứng dụng: phương pháp gây nhiễu hốc cộng hưởng của Pozar, nguyên lý di pha bằng mạng trụ kim loại tương đương lọc thông cao chữ T, và mô hình Leeson về tạp pha trong bộ dao động phản hồi.

Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW để nâng cao chất lượng các phần tử siêu cao tần

Chương 2 giải quyết ba bài toán thiết kế cụ thể bằng công nghệ SIW:

  1. Bộ lọc thông dải HMSIW băng tần S:
    • Sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền nửa chế độ (HMSIW) bằng cách cắt dọc cấu trúc SIW chữ nhật tiêu chuẩn tại mặt phẳng đối xứng điện trường của chế độ $TE_{10}$. Giải pháp này duy trì đặc tính lan truyền nhưng giảm gần 50% diện tích mạch so với SIW thông thường.
    • Thiết kế trên đế điện môi Rogers RT/duroid 5880 ($\varepsilon_r = 2{,}2$, $h = 0{,}787\text{ mm}$).
    • Tác giả khảo sát đáp ứng tần số theo các thông số hình học ($d, s$), tối ưu hóa phối hợp trở kháng ngõ vào/ngõ ra. Kết quả đo thực tế ăn khớp chặt chẽ với mô phỏng, chứng minh bộ lọc đạt độ chọn lọc cao, suy hao chèn thấp và dải chắn ngoài băng rộng.
  2. Bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp băng tần X:
    • Đề xuất cấu trúc di pha 2 lớp ghép qua khe nằm ngang (slot-coupled), tích hợp điốt điều khiển biến thiên điện tử.
    • Sử dụng vật liệu nền Rogers 6035HTC có độ dẫn nhiệt cao, chiều dày tối ưu để đảm bảo khả năng chịu đựng công suất lớn trong tuyến phát ra đa.
    • Mô phỏng và đo đạc trong dải tần $7{,}5 \div 9{,}5\text{ GHz}$ cho thấy sai số lệch pha thấp, suy hao xen nhỏ. Bộ di pha sau đó được ghép thử nghiệm thành công vào hệ thống ăng-ten mảng pha điều khiển số băng X; kết quả đo búp sóng bức xạ trong buồng hấp thụ khẳng định khả năng quét góc tà chính xác.
  3. Bộ dao động VCO tạp pha nhỏ băng tần X:
    • Thiết kế mạch dao động điều khiển bằng điện áp sử dụng hốc cộng hưởng tròn SIW chế độ kép (Dual-Mode Circular Cavity - DMCC SIW).
    • Tác giả đưa lỗ khoan gây nhiễu vào vị trí góc tối ưu $\beta = 42^\circ$ nhằm phân tách hai chế độ suy biến, tạo ra đỉnh trễ nhóm cực đại ($\tau_d$), từ đó nâng cao hệ số phẩm chất $Q$ vòng lặp theo mô hình Leeson.
    • Thực nghiệm tại các mức điện áp điều hưởng $V_{tune}$ (khảo sát đặc trưng tại $V_{tune} = 6\text{ V}$) cho thấy bộ VCO có phổ tín hiệu sắc nét, tạp pha thấp hơn rõ rệt so với các bộ dao động vi dải truyền thống và hệ số phẩm chất (FOM) vượt trội.

Chương 3: Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng bộ lọc thông dải sử dụng công nghệ SIW kết hợp với công nghệ EBG và DGS

Chương 3 tập trung nghiên cứu giải pháp lai ghép đa công nghệ nền nhằm khắc phục nhược điểm băng thông hẹp của SIW truyền thống và nâng cao độ dốc sườn chọn lọc:

  1. Cơ sở lý thuyết cấu trúc SIW-CPW kết hợp EBG và DGS: Tích hợp đường dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide - CPW), các ô dải chắn điện từ đồng phẳng nhỏ gọn (UC-EBG) và cấu trúc mặt đế khuyết DGS vào lòng cấu trúc SIW. Sự kết hợp này tạo ra các điểm không truyền dẫn (Transmission Zeros - TZ) ở cả hai biên của dải thông, làm tăng độ dốc sườn lọc và triệt tiêu sóng hài bậc cao.
  2. Thiết kế và thực nghiệm bộ lọc SIW-CPW băng tần C:
    • Bộ lọc được thiết kế với cấu trúc 11 mắt lọc.
    • Luận án khảo sát định lượng ảnh hưởng của chiều dày đế $h$, chiều dày lá đồng $t$, đường kính lỗ $d$, khoảng cách $s$ và chiều rộng $W_{SIW}$.
    • Chế tạo mẫu thử nghiệm và đo kiểm bằng VNA; kết quả đo đạc thực tế khẳng định dải thông rộng, suy hao phản hồi sâu ($S_{11} < -15\text{ dB}$ trong dải thông) và suy hao chèn $S_{21}$ nhỏ.
  3. Thiết kế và thực nghiệm bộ lọc SIW-CPW băng tần X:
    • Tối ưu hóa các tham số hình học cho dải tần băng X; khảo sát sự thay đổi đặc tuyến khi thay đổi số lượng mắt lọc và kích thước hốc SIW.
    • Kết quả thực nghiệm mẫu chế tạo cho thấy bộ lọc đạt độ chọn lọc biên rất cao nhờ các điểm không truyền dẫn TZ, kích thước mặt bằng thu gọn đáng kể so với bộ lọc SIW đơn thuần.
Tên linh kiện chế tạo Công nghệ áp dụng Băng tần Vật liệu nền Kết quả thực nghiệm chính
Bộ lọc thông dải HMSIW Nửa chế độ (HMSIW) Băng S Rogers RT/duroid 5880 Giảm ~50% kích thước, suy hao chèn nhỏ, sườn lọc dốc
Bộ di pha 2 lớp điều khiển số SIW 2 tầng ghép khe + PIN diode Băng X ($7{,}5 \div 9{,}5\text{ GHz}$) Rogers 6035HTC Điều khiển pha điện tử chính xác, ghép thử nghiệm quét búp sóng ăng-ten thành công
Bộ dao động VCO tạp pha thấp Hốc tròn DMCC-SIW chế độ kép Băng X Rogers RT/duroid 5880 Tối ưu góc gây nhiễu $\beta = 42^\circ$, cực đại hóa trễ nhóm $\tau_d$, giảm mạnh tạp pha
Bộ lọc SIW-CPW 11 mắt lọc SIW kết hợp CPW, EBG và DGS Băng C Mạch in PCB chuẩn Dải thông rộng, tạo nhiều điểm không truyền dẫn (TZ), dải chắn sâu
Bộ lọc SIW-CPW dải rộng SIW kết hợp CPW, EBG và DGS Băng X Mạch in PCB chuẩn Độ chọn lọc cao, kích thước nhỏ gọn, dải chắn triệt tạp tốt

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng và hoàn thiện phương pháp luận thiết kế, tính toán các phần tử siêu cao tần dựa trên công nghệ vật liệu nền cải tiến (HMSIW, SIW 2 lớp, DMCC-SIW) hoạt động tại các dải tần số ứng dụng trong đài ra đa quân sự (băng S, C, X).
  2. Thiết lập cơ sở khoa học cho giải pháp tích hợp liên công nghệ giữa SIW với CPW, EBG và DGS, chứng minh bằng mô hình toán và mô phỏng về khả năng tạo điểm không truyền dẫn TZ để nâng cao độ chọn lọc và mở rộng băng thông cho bộ lọc dải rộng.
  3. Xác định quy luật tương quan giữa vị trí góc gây nhiễu ($\beta = 42^\circ$) trong hốc cộng hưởng tròn DMCC-SIW với độ trễ nhóm cực đại ($\tau_d$), cung cấp phương pháp luận giảm tạp pha cho bộ dao động VCO siêu cao tần.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Chế tạo thành công các mẫu linh kiện vật lý thực tế: bộ lọc HMSIW băng S, bộ di pha SIW 2 lớp băng X, bộ dao động VCO hốc DMCC-SIW băng X, và các bộ lọc SIW-CPW băng C, X.
  2. Kiểm chứng thực tế các linh kiện chế tạo thông qua đo đạc tham số tán xạ, phổ công suất và tích hợp bộ di pha vào hệ thống ăng-ten mảng pha quét điện tử trong buồng đo hấp thụ sóng.
  3. Các kết quả nghiên cứu có khả năng ứng dụng trực tiếp vào việc nâng cấp, cải tiến và tự chủ chế tạo các mô-đun thu - phát cao tần của các hệ thống khí tài ra đa quân sự tại Việt Nam với chi phí sản xuất thấp trên công nghệ mạch in PCB tiêu chuẩn.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng các mẫu thiết kế bộ lọc, bộ di pha và VCO của luận án vào việc sản xuất loạt thử nghiệm các khối thu - phát cao tần cho đài ra đa băng S, C và X.
  • Kiến nghị các cơ sở nghiên cứu và nhà máy công nghiệp quốc phòng đầu tư dây chuyền gia công mạch in nhiều lớp và công nghệ mạ lỗ vi cơ chính xác để đáp ứng dung sai chế tạo khi mở rộng lên các dải tần số cao hơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Khi thiết kế ở các dải tần số tương đối thấp (dưới băng S hoặc băng L), kích thước hình học của phần tử SIW vẫn còn lớn, đòi hỏi phải sử dụng các cấu trúc gập phức tạp.
  • Ở tần số rất cao (sóng milimet trên 30 GHz), công nghệ chế tạo mạch in PCB thông thường gặp khó khăn về dung sai gia công khoảng cách giữa các lỗ kim loại ($s$), dễ dẫn đến hiện tượng rò rỉ bức xạ qua khe.
  • Khả năng chịu đựng công suất phát lớn trong khối PA của tuyến phát vẫn bị giới hạn bởi độ bền nhiệt và tính chất điện môi của vật liệu nền hữu cơ so với ống dẫn sóng kim loại rỗng truyền thống.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu áp dụng công nghệ gốm đồng nung nhiệt độ thấp (LTCC) để xếp chồng nhiều lớp 3D, tiếp tục thu nhỏ kích thước mạch ở dải tần số thấp.
  • Khảo sát các cấu trúc SIW có khe kim loại liền hoặc SIW gờ nén (Ridged SIW) để mở rộng dải tần làm việc lên dải sóng milimet (băng Ka, V, W).
  • Nghiên cứu các giải pháp tản nhiệt và vật liệu nền composite mới nhằm nâng cao giới hạn công suất chịu đựng cho các phần tử tích cực công suất lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Ra đa - Dẫn đường, Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Kỹ thuật Vô tuyến siêu cao tần. Các nội dung về mô hình toán học hốc SIW, cơ chế suy hao, phân tích mạch tương đương EBG/DGS và mô hình tạp pha Leeson là tài liệu giảng dạy và học tập hữu ích.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và chuyên gia công nghiệp quốc phòng: Cung cấp quy trình thiết kế, tham số tối ưu hóa trên phần mềm CST/HFSS/ADS và quy trình chế tạo PCB thực tế cho các khối lọc thông dải, khối dịch pha điều khiển điện tử và bộ dao động nội (local oscillator) trong đài ra đa.
  • Các phần đáng tham khảo nhất: Quy trình thiết kế hốc DMCC-SIW tối ưu góc gây nhiễu để nén tạp pha VCO (Chương 2); giải pháp tích hợp đa công nghệ SIW-CPW-EBG-DGS cho bộ lọc 11 mắt lọc (Chương 3); và hệ thống công thức thực nghiệm xác định kích thước tương đương SIW của Salehi M. (Chương 1).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc chuyển đổi từ SIW sang HMSIW lại giúp thu nhỏ 50% kích thước mạch nhưng vẫn giữ nguyên tần số cắt?

Trong chế độ sóng cơ bản $TE_{10}$ của SIW chữ nhật, mặt phẳng cắt dọc chính giữa theo chiều truyền sóng là mặt phẳng hở mạch từ tương đương (nơi tiếp tuyến từ trường bằng không và điện trường đạt cực đại). Khi cắt bỏ một nửa cấu trúc dọc theo mặt phẳng này để tạo thành HMSIW (Half-Mode SIW), nửa cấu trúc còn lại vẫn duy trì điều kiện biên và phân bố trường tương đương một nửa ống dẫn sóng ban đầu, do đó tần số cắt $f_c$ hầu như không đổi trong khi diện tích bề mặt giảm đi xấp xỉ 50%.

2. Góc gây nhiễu $\beta = 42^\circ$ trong hốc cộng hưởng DMCC-SIW đóng vai trò gì đối với bộ dao động VCO băng X?

Trong hốc cộng hưởng tròn chế độ kép (DMCC-SIW), việc đưa lỗ khoan gây nhiễu tại góc tối ưu $\beta = 42^\circ$ làm tách hai chế độ suy biến trực giao, tạo ra đặc tính cộng hưởng kép với độ trễ nhóm cực đại ($\tau_d$). Độ trễ nhóm lớn làm tăng hệ số phẩm chất hiệu dụng $Q_L$ của mạng phản hồi trong bộ dao động, giúp ổn định tần số ngắn hạn và triệt giảm mạnh tạp pha $\mathcal{L}(\Delta f)$ theo mô hình lý thuyết Leeson.

3. Bộ di pha SIW 2 lớp băng X điều khiển mức dịch pha bằng phương pháp nào?

Bộ di pha sử dụng cấu trúc hai tầng ống dẫn sóng SIW ghép với nhau qua các khe ngang song song (slot-coupled), kết hợp các trụ kim loại đóng vai trò như bộ lọc thông cao mạng T. Việc tích hợp các điốt bán dẫn điều khiển biến thiên điện tử cho phép thay đổi trạng thái đóng/ngắt hoặc điện dung tương đương trên đường truyền, làm biến đổi hằng số pha và độ lệch pha của tín hiệu ngõ ra mà không cần cơ cấu cơ học.

4. Việc kết hợp SIW với CPW, EBG và DGS giải quyết được nhược điểm gì của bộ lọc thông dải truyền thống?

Bộ lọc SIW truyền thống thường có băng thông hẹp và sườn chọn lọc ngoài băng suy giảm chậm. Cấu trúc lai SIW-CPW kết hợp ô UC-EBG và khe DGS tạo ra các điểm không truyền dẫn (Transmission Zeros - TZ) tại hai biên tần số, làm sườn lọc dốc đứng, nén kích thước tổng thể nhờ hiệu ứng sóng chậm của DGS, đồng thời mở rộng dải chắn ngoài băng nhờ khả năng chặn sóng bậc cao của EBG.

5. Ba thành phần tổn hao chính trong cấu trúc SIW được kiểm soát như thế nào trong thiết kế?

Ba thành phần tổn hao gồm: tổn hao dẫn kim loại $\alpha_c$ (giảm thiểu bằng cách tăng chiều dày chất nền $h$), tổn hao điện môi $\alpha_d$ (giảm thiểu bằng cách chọn vật liệu có $\tan\delta$ thấp như Rogers 5880), và tổn hao bức xạ $\alpha_r$ qua các khe rò (triệt tiêu bằng cách khống chế tỷ lệ hình học giữa đường kính lỗ $d$ và khoảng cách tâm lỗ $s$ thỏa mãn $d/\lambda_g \le 0{,}1$ và $s/d \le 2$).

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Thị Trâm là công trình nghiên cứu toàn diện về mặt lý thuyết và thực nghiệm đối với việc ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW và các biến thể trong thiết kế phần tử siêu cao tần đài ra đa. Tác giả đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu giữa tính nhỏ gọn, suy hao thấp, độ chọn lọc cao và khả năng tích hợp mạch phẳng cho các bộ lọc thông dải băng S, C, X, bộ di pha 2 lớp băng X và bộ dao động VCO tạp pha thấp băng X. Các kết quả thực nghiệm chế tạo trên vật liệu nền Rogers bằng công nghệ mạch in chuẩn khẳng định tính đúng đắn của mô hình lý thuyết, đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực cho việc chế tạo và nâng cấp các khối thu - phát cao tần trong khí tài ra đa quân sự hiện đại.