MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Bộ lọc thông dải siêu cao tần là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống thu, phát vô tuyến. Vai trò của bộ lọc là loại bỏ các tín hiệu có tần số không mong muốn, chỉ cho phép tín hiệu có tần số mong muốn truyền qua. Ngoài ra, các bộ lọc hốc cộng hưởng còn là các khối chủ yếu tạo thành các bộ Duplexer, Coupler và các bộ chọn kênh, chúng thường đứng giữa ăng ten và các bộ khuếch đại siêu cao tần trong hệ thống vô tuyến.
Không chỉ vậy, các hốc cộng hưởng nối tầng và độc lập có thể sử dụng cho việc chống nhiễu, là thiết bị lý tưởng cho việc chống nhiễu xuyên điều chế máy phát. Tính chất chọn lọc của máy thu có thể tăng cao bằng cách ứng dụng việc lọc tín hiệu của các hốc cộng hưởng, bởi vậy có thể khử hài và giải quyết các vấn đề về quá tải. Các đặc tính chủ yếu của bộ lọc theo [1] như: dải thông, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao trong dải thông, độ gợn dải thông, độ dốc của bộ lọc. Tùy theo yêu cầu về kỹ thuật, mô hình thiết kế, hình dạng bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần là khác nhau.
Theo nhóm tác giả Ralph Levy [2], bộ lọc có thể có dạng cài răng lược, bộ lọc kẽ, đường truyền ghép song song, dạng chữ nhật và tròn, trở kháng nhảy bước. Các kiểu cấu hình đường truyền gồm kiểu ống dẫn sóng, trụ cộng hưởng điện môi, dạng đường đồng trục, sóng phát1 (evanescent-mode), các dạng mạch in như vi dải, mạch dải, đế treo. So sánh về đặc điểm hệ số phẩm chất, dải tần làm việc, kích thước bộ lọc của các loại cấu trúc trên đã được nêu trong [3], công nghệ hốc cộng hưởng dạng đồng trục phù hợp với ứng dụng trong các trạm thu phát của mạng di động. Các dạng mô hình chủ yếu gồm ba khối nối tiếp (Cascaded Triplet) hoặc bốn khối nối tiếp (Cascaded Quadruplet) được sử dụng để tổng hợp bộ lọc [4].
Hình dạng của hốc cộng hưởng thường có hai dạng cơ bản: Dạng hình chữ nhật, trong đó, tất cả các mode TE hoặc TM đều có thể tìm được bằng cách áp dụng các điều kiện đường biên của trường điện từ; dạng hình trụ, trong đó, trường điện và từ phụ thuộc vào chiều dài và bán kính của ống dẫn sóng hình trụ kết hợp với các điều kiện biên tại các vách, tần số cộng hưởng của các mode TE và TM là khác nhau. Có một vài nhóm phương trình tính toán đáp ứng và tổng hợp của bộ lọc gồm: Nhóm phương trình áp dụng cho các bộ lọc hướng biên độ (Butterworth, Chebyshev, Elliptic, Chebyshev tổng quát 1 Evanescent-mode: Trong điện từ học, trường phát hay sóng phát, là một điện trường hoặc từ trường dao động mà không lan truyền như một sóng điện từ nhưng có năng lượng tập trung trong không gian ở vùng lân cận của nguồn (điện tích và dòng điện dao động) 1 luan an (Chebyshev loại II)), nhóm các phương trình pha tuyến tính áp dụng cho các bộ lọc hướng pha (Bessel và Rhodes) [5]. Cấu tạo của bộ lọc hốc cộng hưởng bao gồm các hốc cộng hưởng được ghép lại với nhau qua vách ngăn. Các cấu trúc vách ghép giữa hai hốc cộng hưởng cạnh nhau đã được đánh giá, đo đạc hệ số ghép tương hỗ.
Trong đó, giá trị ghép tương hỗ phụ thuộc vào tỉ số giữa chiều rộng và chiều dài của vách [6], tạo thành các đường ghép kiểu mang tính điện cảm. Sự hình thành lên các điểm không của hàm truyền (TZ0) được giải thích trong [7], trong đó, hai hốc cộng hưởng không liền kề có thể ghép với nhau tạo nên các điểm TZ0 ở bên dưới hoặc bên trên của dải thông. Việc thiết kế các TZ0 giúp tăng độ dốc của đặc tuyến truyền đạt của bộ lọc trong dải chắn. Liên kết chéo có thể mang tính điện dung hoặc điện cảm, các cấu trúc vật lý của chúng cũng được khảo sát trong [7, 8].
Lý thuyết và phương pháp tổng hợp bộ lọc biểu diễn dưới dạng ma trận liên kết được tác giả Richard J. Cameron trình bày một cách chi tiết trong [9]. Trong đó, bộ lọc bao gồm nhiều hốc cộng hưởng được ghép lại với nhau theo đường liên kết chính hoặc liên kết chéo, năng lượng liên kết giữa các hốc được biểu diễn bằng các hệ số liên kết tương hỗ giữa các hốc. Các phương pháp tinh chỉnh bộ lọc bao gồm: Tối ưu độ trễ nhóm của hệ số phản xạ bằng cách tối ưu độ trễ nhóm của tất cả các liên kết và tần số cộng hưởng [10]; Tinh chỉnh port là phương pháp phân tích trường điện từ khởi tạo của bộ lọc bằng cách chèn các port vào tất cả các trụ cộng hưởng [11]; Phương pháp dựa vào phép biến đổi Z chirp nghịch đảo (CZT ngược), đây là một dạng của hàm biến đổi Fourie rời rạc DFT, các mẫu biến đổi Z chirp phân bố theo cung xoắn ốc trong mặt phẳng Z tương ứng với dạng đường thẳng trong mặt phẳng S.
Giải pháp này được Dean Fickey đưa ra trong [12]. Năm 2011, các kỹ thuật tinh chỉnh này đã được CST viết thành các tài liệu bài giảng một cách có hệ thống và đầy đủ, chúng không ngừng được cập nhật kèm các dẫn dắt ví dụ đi kèm [13] giúp cho các nhà thiết kế áp dụng một cách dễ dàng. Do tính ứng dụng cao của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần trong các hệ thống thu phát vô tuyến mà các nhà nghiên cứu trên thế giới vẫn luôn chú trọng việc cải tiến chúng cho phù hợp với sự phát triển của công nghệ mới. Các hướng nghiên bộ lọc thông dải siêu cao tần gồm: Thứ nhất là các nghiên cứu cải tiến cấu trúc ống trụ cộng hưởng và khoang cộng hưởng nhằm thu nhỏ kích thước [14–20], cải tiến đặc tính về độ dốc, suy hao trong băng [16, 18, 21–26], cải tiến cấu trúc giúp bộ lọc thực hiện đồng thời nhiều chức năng khác nhau [16].
Thứ hai là cải tiến mô hình ghép giữa hai hốc cộng hưởng nhằm đạt được bộ lọc băng rộng [27], tối ưu độ dốc đặc tuyến truyền 2 luan an đạt trong dải chắn [28–30] hoặc thực hiện bằng cấu trúc lạ sử dụng vật liệu mới để tăng hệ số phẩm chất [18]. Thứ ba là bộ lọc hốc điều hưởng với hệ số phẩm chất cao. Đây cũng là xu hướng phổ biến trong thời gian gần đây, nhất là trong các ứng dụng hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh. Các thiết bị lọc điều hưởng trong hệ thống vệ tinh được nhóm các nhà nghiên cứu trình bày trong [31].
Trong đó, bộ lọc có khả năng thay đổi tần số cộng hưởng bằng cách điều khiển điện, từ hoặc cơ khí. Các hệ thống cơ điện tử (MEMS) có khả năng dịch chuyển vách của khoang cộng hưởng bằng một lệnh điều khiển bằng điện [32–35], cho kết quả hệ số phẩm chất Q không tải đạt lớn nhất. Bộ lọc điều hưởng cơ khí chia thành hai loại gồm: Dịch chuyển tịnh tiến để tái cấu hình kích cỡ hình dạng của chính hốc cộng hưởng mà không làm thay đổi dạng trường điện từ [36–39]; quay hoặc tịnh tiến các bộ nhiễu loạn điện môi hoặc kim loại để phá vỡ dạng trường điện từ trong hốc khi giữ nguyên kích thước khoang cộng hưởng [40, 41]. Thứ tư là về công nghệ chế tạo, bộ lọc hốc cộng hưởng thường được chế tạo bằng sự kết hợp của nhiều công đoạn gia công cơ khí khác nhau như đúc, phay, mạ.
Ngoài ra, gần đây công nghệ in 3D cũng đã được phát triển [42]. a) Tình hình nghiên cứu thế giới Hiện nay, việc mô hình hóa chi tiết bộ lọc hốc cộng hưởng để triển khai vẫn chưa được các nhà nghiên cứu nêu rõ, bộ quy trình hoàn chỉnh chưa được tổng hợp đầy đủ để dễ dàng áp dụng. Cụ thể, một quy trình tổng hợp bộ lọc thông dải, áp dụng cho bộ lọc công nghệ vi dải được nêu trong [43] một cách chi tiết. Ngoài ra, nhóm tác giả Richard J.Cameron đã nêu tóm tắt bốn bước cơ bản của thủ tục thiết kế một bộ lọc hốc cộng hưởng [3].
Tuy nhiên, lý thuyết cần áp dụng cho các bước thực hiện này được trình bày trong nhiều chương trước đó. Công thức tổng hợp bộ lọc, phân tích cấu trúc ghép tương hỗ năng lượng trường điện từ giữa hai hốc cộng hưởng liền kề trong bộ lọc hốc với các dạng vách khác nhau đã được mô tả trong cuốn sách của Geogre L. Hãng sản xuất phần mềm CST cũng tổ chức buổi đào tạo trực tuyến qua web để hướng dẫn sử dụng phần mềm CST Studio Suite trong việc thiết kế, tinh chỉnh; các phương pháp tinh chỉnh, tối ưu bộ lọc cũng đã được trình bày. Tuy nhiên công việc tinh chỉnh bộ lọc phức tạp, trải qua nhiều bước thực hiện nên việc phối hợp các phương pháp tinh chỉnh trong cùng một dự án để đạt được kết quả tối ưu nhất, nhanh và hiệu quả là cần thiết.
Việc này chưa được trình bày trong nội dung của hội thảo trực tuyến trên Web. Các loại cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng đã được mô tả trong [6] bao gồm khe hình chữ nhật, hình chữ nhật bo góc tròn, hình chữ thập, hình quả chuông. Trong đó, hệ số phân cực điện, phân cực từ được đo đạc và tính toán, các hệ số này phụ 3 luan an thuộc vào chiều dài và rộng của khe mở. Trong bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục, cấu trúc ghép năng lượng điện từ bao gồm một vách chữ nhật được cắt tại vách chung giữa hai khoang cộng hưởng hay còn gọi là khe cắt và một vít tinh chỉnh [44–48].
Như vậy, độ rộng của băng tần ghép giữa các hốc bị giới hạn bởi độ rộng khe cắt và chiều sâu của vít. Nếu giá trị Mij yêu cầu quá lớn, khiến cho độ rộng vách quá lớn, mất tác dụng của việc hạn chế các mode sóng không cần thiết, hoặc chiều dài của ốc tinh chỉnh quá lớn, không đủ đảm bảo dự phòng cho sản xuất, tốn thời gian cho công đoạn lắp ráp và tinh chỉnh sau lắp ráp. Mô hình ghép chéo giữa hai hốc cộng hưởng không liền kề đã được phân tích trong [7], trong đó tác giả đã làm rõ nguyên nhân hình thành các vị trí điểm không của hàm truyền (TZ0) bằng cách phân tích pha của tín hiệu truyền giữa các hốc. Gần đây đã có một số giải pháp thiết kế đường ghép chéo.
Cấu trúc vòng kim loại được đặt bên trong hốc và nối giữa hai trụ cộng hưởng [49] nhằm tạo ra điểm TZ0 ở trên hoặc dưới dải thông bằng cách thay đổi chiều dài của dây kim loại.