Tổng quan luận án

Trong các hệ thống vô tuyến, bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần là khối chức năng thực hiện việc chọn lọc tín hiệu trong dải tần mong muốn và loại bỏ tín hiệu ngoài dải, đồng thời cấu thành nên các bộ song công (Duplexer), bộ ghép (Coupler) và bộ chọn kênh. Bộ lọc này thường được bố trí giữa ăng ten và các bộ khuếch đại công suất hoặc máy thu, hỗ trợ chống nhiễu xuyên điều chế, khử hài và giảm thiểu hiện tượng quá tải cho máy thu.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ các vấn đề kỹ thuật sau:

  1. Thiếu một quy trình tổng thể, hoàn chỉnh và có hệ thống từ khâu tổng hợp lý thuyết, mô hình hóa trường điện từ (EM), thiết kế 3D, mô phỏng, tối ưu hóa đa tham số đến chế tạo cơ khí và tinh chỉnh thực nghiệm cho bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần.
  2. Cấu trúc ghép giữa hai hốc liền kề truyền thống dựa trên khe cắt vách chung bị giới hạn băng thông ghép (Coupling Bandwidth - CBW) bởi kích thước khe và chiều dài ốc tinh chỉnh; khi yêu cầu hệ số ghép lớn, việc mở rộng vách ngăn làm mất tác dụng triệt tiêu các mode sóng không mong muốn, trong khi ốc điều chỉnh quá dài gây khó khăn cho việc gia công và lắp ráp.
  3. Cấu trúc đường ghép chéo kiểu C giữa các hốc không liền kề truyền thống bị giới hạn băng thông bởi kích thước hình học của quả chuông hoặc chiều dài dây dẫn, gây khó khăn cho việc dịch chuyển linh hoạt vị trí điểm không truyền dẫn (Transmission Zero - $TZ_0$) và tối ưu độ dốc dải chắn.
  4. Chưa có phương pháp xác định định lượng khả năng chịu đựng công suất (Power Handling - PH) lớn nhất, chưa định vị được vị trí hốc tích trữ năng lượng đỉnh và thiếu quy trình thiết kế cấu trúc hốc nhằm cải thiện đặc tính PH cho các trạm thu phát công suất lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

  1. Cải tiến cấu trúc của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần để nâng cao chất lượng bộ lọc và cải tiến đặc tuyến truyền đạt.
  2. Cải tiến cấu trúc bộ cộng hưởng đồng trục để nâng cao khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc.
  3. Mô hình hóa cấu trúc bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần, xây dựng quy trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo và tinh chỉnh bộ lọc một cách chi tiết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hóa bộ lọc hốc cộng hưởng, cấu tạo hốc cộng hưởng đồng trục, cấu tạo đường ghép trường điện từ giữa các hốc (ghép chính và ghép chéo), cách sắp xếp hình học (topo) của bộ lọc.
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Bộ lọc thông dải hốc cộng hưởng đồng trục truyền sóng mode TEM ứng dụng trong dải tần $1\text{ GHz} - 12\text{ GHz}$. Vật liệu khoang cộng hưởng bằng kim loại dẫn điện tốt, trụ cộng hưởng bằng kim loại, điện môi hoặc siêu vật liệu. Ứng dụng cụ thể hướng đến trạm thu phát gốc mạng di động thế hệ 4.5 (LTE-A Band 3: $1805 - 1880\text{ MHz}$, Band 7) và mạng 5G (trạm gNodeB dải tần $3600 - 3800\text{ MHz}$).
  • Phạm vi thời gian và đề tài liên quan: Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn làm nghiên cứu sinh (hoàn thành năm 2021) tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, gắn liền với đề tài độc lập cấp nhà nước mã số ĐTĐL.CN-43/16 (giai đoạn 2016 – 2018).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các khía cạnh lý thuyết và công nghệ của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình tiêu biểu Nội dung và kết quả chính được điểm lại
Dạng hình học và cấu hình đường truyền Ralph Levy (2002) [2], Cameron et al. (2007) [3] Phân loại các dạng bộ lọc (cài răng lược, bộ lọc kẽ, đường truyền ghép song song, trở kháng nhảy bước); cấu hình ống dẫn sóng, trụ điện môi, đường đồng trục, sóng phát (evanescent-mode).
Hàm truyền và xấp xỉ bộ lọc Matthaei, Young, Jones (1964) [6], Rhodes (1976) [5] Phương trình hướng biên độ (Butterworth, Chebyshev, Elliptic, Chebyshev loại II) và hướng pha tuyến tính (Bessel, Rhodes); tỷ lệ tối ưu $Z_0 = 76,\Omega$ và đường kính $D = 3{,}6d$ để đạt hệ số phẩm chất $Q_u$ cực đại.
Ma trận ghép và cấu trúc topo Richard J. Cameron (1999, 2007) [3, 9] Lý thuyết tổng hợp ma trận ghép $[M]$ bậc $N+2$, mô hình ba khối nối tiếp (Cascaded Triplet - CT) và bốn khối nối tiếp (Cascaded Quadruplet - CQ).
Điểm không truyền dẫn và ghép chéo Amari (2000, 2002) [7, 8], Montejo-Garai (2000) [49], Sai Li et al. (2017) [23] Nguyên lý hình thành $TZ_0$ qua ghép chéo mang tính điện dung hoặc điện cảm; cấu trúc vòng kim loại nối giữa hai trụ cộng hưởng; cấu trúc ghép hình quả chuông.
Kỹ thuật tinh chỉnh và tối ưu hóa Fu Chang Chen, Qing Xin Chu, Ji Song Yang (2009) [1, 10], Dean Fickey (2002) [12], CST Studio Suite (2011) [13] Tinh chỉnh độ trễ nhóm ($T_d$) của $S_{11}$; tinh chỉnh cổng (port tuning); phương pháp biến đổi Z chirp nghịch đảo (CZT ngược / DFT); bài giảng hệ thống hóa của CST.
Đặc tính chịu đựng công suất (PH) Vicente et al. (2011) [51], Morini et al. (2014) [52], Teberio et al. (2016, 2018) [53, 54] Đánh giá năng lượng tích trữ trong hốc để tìm cường độ điện trường cực đại ($E_{max}$); kết hợp mô hình hóa EM và phân tích mạng mẫu; phân tích PH trong bộ lọc đa mode và bộ lọc điều hưởng.
Nghiên cứu tại Việt Nam Viện KH&CN Quân sự [56, 59], Phan Thanh Giang [57], Đỗ Quốc Trinh (2016), Đỗ Văn Phương (2018) [60], Nguyễn Xuân Quyền (2018) Bộ lọc thanh cộng hưởng chữ nhật cho radar băng X (độ dốc 53 dB); bộ lọc tích hợp SIW cho radar băng S; thiết kế tự động cho dải 4–20 GHz; bộ lọc vi dải và bộ lọc điều hưởng dùng hiệu ứng viền siêu vật liệu.

Vị trí của luận án: Luận án chọn giải quyết khoảng trống về việc thiết lập quy trình tích hợp đầy đủ từ khâu thiết kế ma trận toán học đến chế tạo thực nghiệm; đề xuất các giải pháp phần cứng mới cho đường ghép chính (dùng thanh kim loại nối) và đường ghép chéo kiểu C (bổ sung ốc tinh chỉnh xuyên qua chất điện môi PTFE); đồng thời phát triển cấu trúc trụ cộng hưởng nón cụt kết hợp bo viền ốc tinh chỉnh để nâng cao độ chịu đựng công suất PH cho các trạm gốc di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  • Lý thuyết tổng hợp bộ lọc Chebyshev: Sử dụng hàm truyền đạt $S_{21}(j\omega)$ với đa thức Chebyshev $T_n(\omega)$, tính toán bậc bộ lọc $n$ dựa trên độ suy hao dải chắn nhỏ nhất $L_{AS}$, độ gợn dải thông $L_{AR}$ và tần số cắt chuẩn hóa qua phép ánh xạ tần số $\omega'$.
  • Chuyển đổi từ bộ lọc thông thấp mẫu sang thông dải: Sử dụng các phần tử điện kháng và điện nạp chuẩn hóa $g_i$, kết hợp tỷ lệ xích trở kháng $\gamma_0$, băng thông tương đối (FBW) và các bộ biến đổi trở kháng $K$, bộ biến đổi dẫn nạp $J$.
  • Ma trận ghép $[M]$ bậc $N+2$: Đường chéo chính biểu diễn tần số cộng hưởng riêng của từng hốc $f_{0i}$, các phần tử ngoài đường chéo $M_{ij}$ biểu diễn hệ số ghép tương hỗ giữa hốc thứ $i$ và hốc thứ $j$.
  • Mô hình tương đương hốc cộng hưởng đồng trục: Trụ cộng hưởng đồng trục có chiều dài điện $h \approx \lambda/8$ mang đặc tính điện cảm $L$, khe hở giữa đỉnh trụ và ốc tinh chỉnh tạo thành điện dung biến đổi $C$, tổn hao vách kim loại tạo thành điện trở $R$, hình thành mạch tương đương $RLC$ mắc song song.
  • Lý thuyết độ trễ nhóm ($T_d$): Tính toán tốc độ thay đổi pha của hệ số phản xạ $S_{11}$ theo tần số góc $\omega$: $$T_d = -\frac{d\phi}{d\omega}$$ Tại tần số trung tâm $f_0$, độ trễ nhóm được liên hệ với hệ số phẩm chất ngoài $Q_E$ và các giá trị $g_i$ (theo Bảng 1-1 cho các bậc $n=1, 2, 3$).
  • Tham số cực trị điện nạp: Tính toán hệ số ghép $k_{ij}$ và hệ số phẩm chất ngoài $Q_e$ thông qua các giá trị cực trị điện nạp $b_i$ và các phần tử của ma trận $Y$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời ba phương pháp:

  1. Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích điện từ học, giải tích mạch vi ba, tính toán ma trận tán xạ $[S]$, ma trận trở kháng $[Z]$, ma trận dẫn nạp $[Y]$ và ma trận ghép $[M]$.
  2. Phương pháp mô phỏng số:
    • Sử dụng phần mềm mô phỏng trường điện từ 3D (CST Studio Suite / CST 3D Designer, CMS).
    • Áp dụng thuật toán tối ưu hóa chiến lược tiến hóa CMA (CMA Evolution Strategy) với các ràng buộc tham số biến thiên $8% - 15%$, đặt trọng số 300 cho mục tiêu $S_{21} \le 1\text{ dB}$ trong dải thông, trọng số 1 cho $S_{11} \le -15\text{ dB}$ và $S_{21} < -100\text{ dB}$ trong dải chắn.
  3. Phương pháp thực nghiệm:
    • Gia công cơ khí chính xác các khối khoang hốc, trụ cộng hưởng, nắp đậy, thanh ghép và ốc tinh chỉnh; xử lý bề mặt bằng công nghệ mạ bạc hoặc mạ crom.
    • Đo kiểm và tinh chỉnh thực nghiệm bằng máy phân tích mạng vector (VNA) 2 cổng, đo các tham số $S_{11}, S_{21}, S_{22}, S_{12}$, độ cách ly TX–RX, độ gợn dải thông và độ trễ nhóm.

Nguồn tư liệu và công cụ

  • Dữ liệu chuẩn hóa: Các chỉ tiêu kỹ thuật của trạm gốc 4G LTE-A (eNodeB Band 3, Band 7) và 5G (gNodeB).
  • Công cụ phần mềm: CST Studio Suite, CMS, các công cụ vẽ và thiết kế cơ khí 3D.
  • Thiết bị đo lường: Máy phân tích mạng vector VNA, cáp đo siêu cao tần và các bộ tải chuẩn $50,\Omega$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần

Chương 1 thiết lập khung lý thuyết và quy trình công nghệ 5 bước hoàn chỉnh cho việc thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục:

  1. Phân tích tham số đặc tuyến: Xác định mối quan hệ giữa dải thông (BW), hệ số suy hao do chèn (IL), độ gợn dải thông ($L_{AR}$), suy hao phản xạ ($RL \approx 20\text{ dB}$, $\text{VSWR} \le 1{,}2$), tần số cắt 3 dB, độ suy hao dải chắn ($L_{AS}$) và công suất chịu đựng (PH).
  2. Yêu cầu cơ khí và môi trường: Phân tích kích thước, trọng lượng, đầu nối RF chuẩn SMA, BNC, TNC hoặc tab trụ hàn; xử lý vỏ mạ cromat/mạ bạc, sơn tĩnh điện; điều kiện nhiệt độ $0 - 50^\circ\text{C}$, độ ẩm $95%\text{ RH}$, vật liệu phi từ tính (đồng thau, đồng phốt pho).
  3. Phương pháp tổng hợp bộ lọc: Trình bày quy tắc chuyển đổi từ thông thấp Chebyshev sang thông dải; xác định bậc bộ lọc $n$; xác định ma trận ghép $[M]$ bậc $N+2$.
  4. Lý thuyết tinh chỉnh: Trình bày chi tiết công thức độ trễ nhóm $T_d$ của $S_{11}$ theo Bảng 1-1 và phương pháp gán cổng $50,\Omega$ rời rạc để xác định hệ số ghép $k_{ij}$ qua phần ảo của ma trận $Y$.
Bậc $n$ Biểu thức $T_d$ tại $f_0$ cho bộ lọc thông thấp mẫu Biểu thức $T_d$ tại $f_0$ cho bộ lọc thông dải
$n=1$ $4g_0 g_1$ $\frac{4Q_E}{\omega_0}$
$n=2$ $\frac{4g_2}{g_0(\omega_2 - \omega_1)}$ $\frac{4}{\omega_0 Q_E K_{12}^2}$, với $K_{12} = \frac{\omega_2 - \omega_1}{\omega_0 \sqrt{g_1 g_2}}$
$n=3$ $\frac{4g_0(g_1 + g_3)}{(\omega_2 - \omega_1)}$ $T_{d1} + \frac{4Q_E K_{12}^2}{\omega_0 K_{23}^2}$, với $K_{23} = \frac{\omega_2 - \omega_1}{\omega_0 \sqrt{g_2 g_3}}$

Chương 2: Mô hình hóa và cấu trúc bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần

Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa điện từ học và kiểm chứng thực nghiệm quy trình thiết kế trên bộ song công (Duplexer) cho trạm gốc LTE-A:

  1. Mô hình hóa hốc đơn và phân bố trường: Mô hình hóa cấu trúc đồng trục có chiều dài trụ $h \approx \lambda/8$. Kết quả mô phỏng EM cho thấy:
    • Cường độ điện trường $\vec{E}$ tập trung tại vùng đỉnh trụ cộng hưởng, hướng từ trụ vào thành trong hốc.
    • Cường độ từ trường $\vec{H}$ tập trung ở phần đáy trụ cộng hưởng, tạo thành các đường khép kín bao quanh trụ.
    • Kích thước tối ưu đạt được khi trở kháng đặc tính $Z_0 = 76,\Omega$, tương ứng tỷ số đường kính trong khoang và đường kính ngoài trụ $D = 3{,}6d$.
  2. Phân tích cấu trúc ghép: Mô hình hóa mạch tương đương cho ghép qua vách cắt mang tính điện cảm ($L_m$), ghép chéo kiểu C mang tính điện dung qua bộ biến đổi $J = \omega C_m$, và các kiểu cấu trúc tiếp điện (vòng dây không khí, hàn trực tiếp, vòng dây kiểu L gián tiếp).
  3. Thiết kế bộ lọc phát (TX) LTE-A bậc 10: Tích hợp 2 đường ghép chéo kiểu C nhằm tạo các điểm không truyền dẫn $TZ_0$, tối ưu hóa đáp ứng tham số tán xạ bằng CST Studio Suite.
  4. Thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ Duplexer Band 3 hốc lục giác:
    • Cấu hình topo gồm bộ lọc phát TX và bộ lọc thu RX kết nối qua tiếp giáp hình T, tích hợp thêm bộ lọc thông thấp đồng trục để triệt tiêu hài bậc cao.
    • Chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý (cấu hình $2 \times 2$), tiến hành quy trình tinh chỉnh thủ công từng hốc và đo đạc trên máy phân tích mạng VNA.
    • Kết quả đo đạc thực nghiệm trên mẫu chế tạo (Bảng 2-8) đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống eNodeB Band 3.
Tham số kỹ thuật bộ Duplexer Band 3 Giá trị thiết kế mô phỏng Kết quả đo đạc thực nghiệm (Mẫu thử)
Dải tần công tác tuyến TX $1805 - 1880\text{ MHz}$ $1805 - 1880\text{ MHz}$
Băng thông (BW) $75\text{ MHz}$ $75\text{ MHz}$
Hệ số suy hao phản xạ ($RL$) $< -15\text{ dB}$ Đạt tiêu chuẩn dải thông
Suy hao do chèn ($IL$) tuyến TX/RX Nhỏ, đáp ứng yêu cầu Thỏa mãn chỉ tiêu kỹ thuật
Độ cách ly giữa hai tuyến TX – RX Cao Đạt yêu cầu cách ly trạm gốc

Chương 3: Một số giải pháp cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần

Chương 3 trình bày hai đề xuất cải tiến cấu trúc ghép điện từ nhằm khắc phục các giới hạn về băng thông và độ dốc:

  1. Cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc liền kề:

    • Cấu trúc đề xuất: Sử dụng một thanh kim loại nối giữa hai trụ cộng hưởng qua cửa sổ ghép vách ngăn (kích thước chiều cao $a$, chiều dài $b$).
    • Cơ chế vật lý: Thanh kim loại làm tăng mật độ năng lượng từ trường liên kết giữa hai hốc, nâng cao năng lượng điện từ trường ghép tổng cộng.
    • Kết quả mô phỏng: Độ rộng băng tần ghép (CBW) tăng xấp xỉ 3 lần khi chiều cao thanh kim loại $a = 10\text{ mm}$ và chiều dài $b = 15\text{ mm}$; tăng xấp xỉ 2 lần khi $a = 4\text{ mm}$ ở chiều dài tối đa. Nhờ đó, giảm đáng kể chiều dài ốc tinh chỉnh cơ khí.
    • Ứng dụng thực tế: Áp dụng thiết kế bộ Duplexer bậc 8 dải tần Band 7 với các thông số đạt được: $\text{BW} = 70\text{ MHz}$, $RL < -10\text{ dB}$, độ gợn dải thông $< 0{,}42\text{ dB}$, độ cách ly TX–RX đạt $97\text{ dB}$.

  2. Cải tiến cấu trúc đường ghép chéo kiểu C giữa hai hốc không liền kề:

    • Cấu trúc đề xuất: Bổ sung một ốc tinh chỉnh bằng kim loại đặt xuyên qua tâm miếng đệm điện môi PTFE của đường ghép kiểu C truyền thống.
    • Cơ chế vật lý: Hình thành một thành phần tụ điện biến dung phân bố mới mắc nối tiếp với cấu trúc điện dung sẵn có, cho phép điều chỉnh giá trị điện dung tương đương bằng cách thay đổi chiều sâu ốc.
    • Kết quả mô phỏng: Độ rộng băng tần ghép chéo có thể biến thiên một khoảng $4{,}6\text{ MHz}$ khi chiều dài ốc đạt $7\text{ mm}$. Điểm không truyền dẫn $TZ_0$ dịch chuyển linh hoạt theo độ sâu của ốc, cải thiện độ dốc của bộ lọc thêm $1\text{ dB}$.
    • Ứng dụng thực tế: Thiết kế bộ lọc hốc phát TX dải tần $1805 - 1880\text{ MHz}$ cho kết quả $S_{11} < -12{,}70\text{ dB}$, độ gợn dải thông $0{,}1\text{ dB}$, tổn hao trong băng $< 0{,}21\text{ dB}$.

Chương 4: Cải tiến cấu trúc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần công suất lớn

Chương 4 nghiên cứu cơ chế giới hạn công suất và đề xuất các giải pháp nâng cao khả năng chịu đựng công suất (Power Handling - PH) của bộ lọc:

  1. Phân tích cơ chế giới hạn công suất: Khả năng chịu đựng công suất RF bị giới hạn bởi hiện tượng đánh thủng điện môi, phóng điện vi ba, méo phi tuyến do nhiệt và phát sinh nhiễu liên điều chế thụ động (PIM). Giá trị PH tỷ lệ nghịch với cường độ điện trường cực đại ($E_{max}$) xuất hiện tại hốc có mức tích trữ năng lượng lớn nhất trong bộ lọc.
  2. Đề xuất cấu trúc trụ cộng hưởng nón cụt:
    • Cấu trúc đề xuất: Bổ sung một khối nón cụt kim loại đặt phía trên ống trụ cộng hưởng hình trụ tròn truyền thống.
    • Cơ chế vật lý: Bằng cách tối ưu hóa góc nghiêng khối nón ($\theta$) và chiều cao nón, vùng tập trung điện trường tại mép đỉnh trụ được phân tán đều hơn, làm giảm giá trị đỉnh của cường độ điện trường $E_{max}$.
    • Quy trình thiết kế: Xây dựng quy trình tối ưu kích thước hốc đơn nhằm đạt chỉ tiêu PH định trước.
    • Kết quả áp dụng cho trạm eNodeB Band 3: Khả năng chịu đựng công suất PH của bộ lọc tăng từ $148{,}9\text{ W}$ lên $449{,}4\text{ W}$ (tăng gấp hơn 3 lần).
  3. Cải tiến kết hợp bo viền ốc tinh chỉnh cho trạm 5G gNodeB:
    • Cấu trúc đề xuất: Kết hợp trụ cộng hưởng nón cụt với việc bo tròn các cạnh mép của ốc tinh chỉnh kim loại (blend).
    • Kết quả áp dụng cho bộ lọc trạm phát gNodeB (dải tần $3600 - 3800\text{ MHz}$): Khả năng chịu đựng công suất được cải thiện thêm $336{,}7\text{ W}$, đảm bảo bộ lọc chịu được mức công suất hoạt động đạt $1019\text{ W}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

Đóng góp về mặt lý thuyết và phương pháp luận

  1. Hệ thống hóa và hoàn thiện quy trình 5 bước trong thiết kế, mô phỏng EM, tối ưu hóa đa tham số và tinh chỉnh thực nghiệm cho bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần, tích hợp phương pháp tinh chỉnh độ trễ nhóm $T_d$ và tham số điện nạp cực trị.
  2. Xây dựng quy trình thiết kế và thuật toán xác định khả năng chịu đựng công suất (PH) dựa trên đánh giá phân bố năng lượng điện từ trường và cực tiểu hóa cường độ điện trường đỉnh trong hốc cộng hưởng.

Đóng góp về mặt kỹ thuật và giải pháp cấu trúc

  1. Đề xuất cấu trúc ghép nối tiếp bằng thanh kim loại giữa hai hốc liền kề, làm tăng băng thông ghép CBW lên từ 2 đến 3 lần, giảm độ sâu ốc tinh chỉnh, giải quyết bài toán chế tạo cơ khí cho các bộ lọc băng rộng.
  2. Đề xuất cấu trúc ghép chéo kiểu C cải tiến có tích hợp ốc tinh chỉnh kim loại xuyên qua lớp điện môi PTFE, tạo tụ biến dung phân bố nối tiếp, cho phép điều khiển linh hoạt vị trí điểm không truyền dẫn $TZ_0$ và tăng độ dốc thêm $1\text{ dB}$.
  3. Đề xuất cấu trúc trụ cộng hưởng nón cụt kim loại kết hợp kỹ thuật bo viền ốc tinh chỉnh, giảm thiểu mật độ điện trường đỉnh, nâng cao công suất chịu đựng của bộ lọc eNodeB Band 3 từ $148{,}9\text{ W}$ lên $449{,}4\text{ W}$ và đạt $1019\text{ W}$ cho bộ lọc gNodeB dải $3{,}6 - 3{,}8\text{ GHz}$.
  4. Chế tạo thử nghiệm thành công bộ Duplexer Band 3 hốc lục giác, đo kiểm thực tế trên máy VNA xác nhận sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của trạm thu phát sóng di động LTE-A.

Kiến nghị và giải pháp ứng dụng

  • Ứng dụng quy trình thiết kế và các cấu trúc ghép, cấu trúc hốc cải tiến vào dây chuyền sản xuất thiết bị vô tuyến công nghiệp cho các khối RRU/BBU trong mạng di động 4G và 5G.
  • Sử dụng mô hình hốc nón cụt và phương pháp bo tròn ốc tinh chỉnh cho các thiết bị lọc vi ba công suất lớn trong trạm gốc, đài phát thanh truyền hình, trạm vệ tinh mặt đất và hệ thống radar.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản:

  • Hạn chế: Luận án tập trung nghiên cứu trên công nghệ hốc cộng hưởng dạng đồng trục đơn mode hoạt động trong dải tần $1\text{ GHz} - 12\text{ GHz}$ (thử nghiệm chính tại Band 3, Band 7 và dải $3{,}6 - 3{,}8\text{ GHz}$); các kết quả thực nghiệm chế tạo mới dừng lại ở bộ Duplexer Band 3; chưa triển khai thực nghiệm chế tạo cho cấu trúc điều hưởng tự động bằng cơ điện tử (MEMS) hoặc các bộ lọc đa mode.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng ứng dụng các cấu trúc cải tiến cho các dải tần số cao hơn của mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo.
    2. Nghiên cứu tích hợp các cơ cấu điều hưởng tự động sử dụng vi cơ điện tử (MEMS) hoặc điều khiển điện từ để tái cấu hình dải tần hoạt động mà không cần tinh chỉnh thủ công.
    3. Nghiên cứu áp dụng các vật liệu siêu dẫn, siêu vật liệu (metamaterials) hoặc công nghệ in 3D kim loại để tối ưu hóa khối lượng và nâng cao hệ số phẩm chất $Q_u$.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến và Vi ba: Tham khảo cơ sở toán học về ma trận ghép $[M]$, phương pháp chuyển đổi hàm truyền Chebyshev và lý thuyết tinh chỉnh độ trễ nhóm (Chương 1, Chương 2).
  • Kỹ sư R&D và chuyên gia thiết kế phần cứng cao tần (RF) tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp viễn thông và sản xuất thiết bị vi ba: Tham khảo quy trình thiết kế 5 bước, kỹ thuật mô phỏng CST Studio Suite, thuật toán tối ưu CMA-ES, cấu trúc ghép mở rộng băng thông (Chương 3) và các giải pháp thiết kế bộ lọc công suất cao (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trở kháng đặc trưng $Z_0 = 76,\Omega$ và tỷ lệ $D = 3{,}6d$ được lựa chọn trong thiết kế hốc cộng hưởng đồng trục?

Theo lý thuyết điện từ học và giải tích đường truyền đồng trục [6], khi sóng truyền ở mode TEM trong hốc cộng hưởng đồng trục, giá trị trở kháng đặc tính $Z_0 = 76,\Omega$ (tương ứng với tỷ lệ giữa đường kính trong của khoang $D$ và đường kính ngoài của trụ $d$ là $D/d \approx 3{,}6$) là điều kiện tối ưu để cực đại hóa hệ số phẩm chất không tải $Q_u$ của bộ lọc, giúp giảm thiểu tổn hao do chèn trong dải thông.

2. Cấu trúc thanh kim loại nối giữa hai hốc liền kề mang lại hiệu quả gì cho bộ lọc?

Việc đặt thanh kim loại nối giữa hai trụ cộng hưởng qua cửa sổ ghép vách ngăn làm gia tăng năng lượng từ trường liên kết và nâng cao năng lượng điện từ trường ghép tổng cộng. Kết quả mô phỏng cho thấy độ rộng băng tần ghép (CBW) tăng lên xấp xỉ 3 lần (với $a=10\text{ mm}, b=15\text{ mm}$) hoặc xấp xỉ 2 lần (với $a=4\text{ mm}$), giúp đạt được băng thông rộng mà không cần mở rộng quá mức cửa sổ vách ngăn hoặc tăng chiều dài ốc tinh chỉnh.

3. Cải tiến đường ghép chéo kiểu C bằng cách bổ sung ốc tinh chỉnh xuyên qua PTFE hoạt động theo nguyên lý nào?

Việc đưa thêm một ốc tinh chỉnh kim loại vào giữa lớp điện môi PTFE tạo ra một thành phần tụ điện biến dung phân bố mắc nối tiếp với tụ điện của cấu trúc ghép chéo cũ. Thay đổi độ sâu của ốc cho phép điều chỉnh giá trị điện dung tương đương, làm biến thiên băng thông ghép chéo khoảng $4{,}6\text{ MHz}$ (khi ốc sâu $7\text{ mm}$), giúp dễ dàng dịch chuyển vị trí điểm không truyền dẫn $TZ_0$ và cải thiện độ dốc đặc tuyến thêm $1\text{ dB}$.

4. Giải pháp nào được luận án đề xuất để tăng khả năng chịu đựng công suất (PH) của bộ lọc hốc?

Luận án đề xuất gắn thêm một khối nón cụt kim loại lên đỉnh trụ cộng hưởng hình trụ tròn và bo tròn các cạnh mép của ốc tinh chỉnh. Cấu trúc này giúp phân tán đều mật độ năng lượng điện trường, làm giảm cường độ điện trường cực đại $E_{max}$ tại đỉnh trụ, qua đó nâng cao công suất chịu đựng từ $148{,}9\text{ W}$ lên $449{,}4\text{ W}$ đối với bộ lọc trạm eNodeB Band 3 và đạt $1019\text{ W}$ đối với bộ lọc trạm gNodeB dải $3{,}6 - 3{,}8\text{ GHz}$.

5. Phương pháp tinh chỉnh bộ lọc bằng lý thuyết độ trễ nhóm được thực hiện theo trình tự nào?

Phương pháp dựa trên việc đo độ trễ nhóm $T_d$ của hệ số phản xạ $S_{11}$ tại tần số trung tâm $f_0$. Tiến trình thực hiện tuần tự: đầu tiên hiệu chỉnh cổng tiếp điện vào/ra và hốc 1 khi ngắn mạch các hốc còn lại để đạt giá trị $T_{d1}$; sau đó mở ngắn mạch và tinh chỉnh hốc 2 cùng đường ghép 1–2 để đạt đồ thị đối xứng và giá trị $T_{d2}$; quá trình được lặp lại tuần tự từng bước đến hốc trung tâm $n/2$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết có hệ thống bài toán mô hình hóa, thiết kế, tối ưu hóa và chế tạo bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần phục vụ trạm thu phát vô tuyến LTE-A và 5G. Các giải pháp đề xuất bao gồm cấu trúc ghép từ bằng thanh kim loại, đường ghép chéo kiểu C cải tiến có ốc tinh chỉnh biến dung, và cấu trúc trụ cộng hưởng nón cụt bo viền ốc giúp mở rộng băng thông ghép, tăng độ dốc chọn lọc và nâng cao công suất chịu đựng của bộ lọc. Mẫu thử nghiệm bộ song công Duplexer Band 3 chế tạo thực tế đã được đo kiểm bằng máy phân tích mạng VNA, chứng minh sự chính xác của mô hình lý thuyết và khả năng ứng dụng thực tiễn trong công nghệ viễn thông.