Chương 1 trình bày tổng quan về các công nghệ sử dụng vật liệu nền, ứng dụng của các công nghệ vật liệu nền trong thiết kế phần tử siêu cao tần và đưa ra tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền hiện nay, từ đó đưa ra hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SIW để nâng cao chất lượng các phần tử siêu cao tần Chương 2 đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần trong đài ra đa sử dụng công nghệ vật liệu nền SIW. Các đề xuất này đã giải quyết được thách thức về tính tích hợp, độ gọn nhẹ cũng như nâng cao một số tính năng cho các thiết bị siêu cao tần như bộ lọc, bộ di pha và bộ dao động VCO trong các hệ thống thu phát của ra đa quân sự. 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 đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng của các bộ lọc thông dải sử dụng công nghệ vật liệu nền SIW kết hợp với công nghệ EBG và DGS. Các đề xuất này đã giải quyết được thách thức về dải thông, độ chọn lọc cũng như tổn hao cho các bộ lọc dải rộng. luan an 7 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN Công nghệ vật liệu nền đã và đang được ứng dụng trong một số lĩnh vực điển hình như các tuyến thu-phát cao tần và ăng-ten trên các hệ thống thông tin vô tuyến 4G, 5G và các hệ thống ra đa. Cụ thể là các thành phần thụ động như ống dẫn sóng, các bộ lọc, các bộ ghép định hướng, các bộ cộng/chia, ăng-ten và tích hợp các phần tử tích cực như transistor, điốt với SIW để tạo thành tuyến thu/phát hoàn chỉnh trên cùng một vật liệu nền chứa các mạch tích cực như bộ dao động, bộ trộn, bộ khuếch đại tạp thấp LNA, chuyển mạch,.
Sơ đồ khối cơ bản của đài ra đa được biểu thị trên Hình 1. Khuếch đại PA Trung tần Trộn BPF BPF Chia Di pha Cộng công công Điều khiển ADC PA suất suất anten Di pha BPF PA DSP/ PLL FPGA VCO BPF BPF BPF ADC LNA LNA Trộn Khuếch đại Trung tần Hình 1.1 Sơ đồ khối cơ bản của một đài ra đa Từ sơ đồ khối cơ bản của đài ra đa, ta có thể đưa ra nhận xét sau: i) Với hệ thống thu-phát ra đa cơ bản thì các phần tử siêu cao tần thụ động và tích cực chiếm tỷ trọng lớn trong toàn bộ hệ thống. Bên cạnh các phần tử thụ động như các bộ lọc, ăng-ten thì các phần tử tích cực như các bộ dao động ngoại sai, bộ khuếch đại và bộ di pha cũng là các phần không thể thiếu của bất kỳ hệ thống ra đa cơ bản nào. ii) Chất lượng của toàn bộ hệ thống ra đa phụ thuộc vào từng hệ thống con vì vậy việc cải thiện chất lượng của các phần tử trong đài ra đa đặc biệt là tham số tổn hao sẽ cải thiện được chất lượng của cả hệ thống.
Tổng quan về công nghệ vật liệu nền 1. Giới thiệu chung về công nghệ vật liệu nền Công nghệ vật liệu nền có thể hiểu một cách đơn giản đó là: “C thu t t động lên v t liệu nền điện môi như hắ n m n th o một ng th n ođ để gây nhiễu điện từ trường lên v t liệu nền l m ho phân ng trên ề m t th y đ i n đ n th y đ i đ t nh truyền n đường truyền để t o r ph n t siêu o t n v i t n h o thấp, gọn nhẹ, dễ ch t o thi t linh ho t v gi th nh ti t iệm v đ c biệt l thể t h hợp m ht h ự th nh ph n thụ động v y u t b c x trên ùng một bề m t” [27], [33], [50], [51]. Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng của các phần tử siêu cao tần sử dụng công nghệ vật liệu nền hiện đang tập trung vào: - Công nghệ dải chắn điện từ (EBG); - Công nghệ cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS). Tuy nhiên, có một hướng nghiên cứu khá mới đang được các nhà khoa học trên thế giới phát triển đó là sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền (SIW).
Công nghệ SIW có thể kết hợp với các công nghệ EBG và DGS tạo ra các phần tử siêu cao tần có kích thước hợp lý, đa băng tần và đặc biệt là cải thiện được các tham số như tổn hao đi qua, tổn hao phản hồi, kích thước và băng thông hoạt động của các phần tử siêu cao tần [68], [86]. Công nghệ dải chắn điện từ EBG Công nghệ dải chắn điện từ EBG được định nghĩa như sau: “EBG l những cấu trú nhân t o tu n ho n (ho đôi hi hông tu n ho n) ản trở ho c hỗ trợ sự lan truyền s ng điện từ trường trong một dải t n x đ nh đ i v i mọi g t i v mọi tr ng th i phân cực c s ng” [97]. EBG thường được tạo thành bởi sự sắp xếp tuần hoàn các vật liệu điện môi và vật dẫn kim loại. EBG là một dạng siêu vật liệu, có hai đặc tính ưu việt tùy theo sóng tới bề mặt cấu trúc.
Khi sóng tới là sóng bề mặt, EBG có luan an 9 khả năng tạo ra các dải chắn tần số ngăn cản sự truyền lan. Mặt khác, khi sóng tới hướng vào bề mặt của EBG sẽ tạo ra sóng phản xạ đồng pha với sóng tới. Lúc này EBG có vai trò như một vật dẫn từ nhân tạo. Dựa vào cấu trúc hình học, có thể phân EBG ra làm ba loại: cấu trúc khối ba chiều, cấu trúc phẳng hai chiều và cấu trúc đường truyền một chiều như Hình 1.
Trong đó, cấu trúc hai chiều [80] được lựa chọn cho các nghiên cứu bởi vì cấu trúc đơn giản, dễ tích hợp vào các hệ thống ăng-ten cấu hình đơn giản.2 Các loại hình EBG [80]: (a) Cấu trúc đường truyền một chiều, (b) Cấu trúc phẳng hai chiều, (c) Cấu trúc hình khối ba chiều Đặc tính của một cấu trúc EBG có thể được xác định thông qua pha phản xạ, đồ thị tán sắc hay tham số tán xạ bởi phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian hay phân tích hệ số đường truyền trực tiếp như trên Hình 1. luan an 10 200 0 Dải thông Dải thông 150 -15 100 Pha phản xạ (độ) Tổn hao (dB) 50 Dải chắn Rìa băng tần 0 -50 -100 -150 -200 0 2 4 6 8 10 12 Tần số Tần số (GHz) (a) (b) 14 Tần số (GHz) 9 Mode1 4 Mode 2 -1 Mode3 0 180 360 540 Pha (c) Hình 1.3 Đặc tính dải chắn băng tần và pha phản xạ của công nghệ EBG [80]: (a) Dải chắn băng tần dựa trên đồ thị tham số tán xạ, (b) Đặc tính pha phản xạ, (c) Đồ thị tán sắc Tính chất điện từ của một bề mặt có thể dự đoán được từ đặc tính của pha phản xạ. Nếu pha phản xạ là 1800, đây được coi là vật dẫn điện hoàn hảo. Nếu một sóng phẳng tác động đến PEC, hệ số phản xạ là -1.
Tương tự như vậy đối với vật dẫn từ hoàn hảo, pha phản xạ là 00 và hệ số phản xạ là +1 [97]. Tuy nhiên, không tồn tại bề mặt vật dẫn từ hoàn hảo trong tự nhiên. Pha phản xạ của một bề mặt EBG sẽ thay đổi từ -1800 đến +1800 theo tần số và miền tần số trong khoảng từ - 900 đến + 900 thường trùng với dải chắn điện từ của EBG [15]. Dải chắn của một cấu trúc tuần hoàn có thể được xác định theo hai cách: dựa vào đồ thị tán sắc hay tham số tán xạ như trên Hình 1.
Một cách khác để phân tích và giải thích nguyên lý hoạt động cũng như luan an 11 các thuộc tính dải chắn của một cấu trúc EBG là mô hình hóa cấu trúc dưới dạng mạch cộng hưởng LC [97]. Từ các giá trị L và C được xác định bởi kích thước hình học của cấu trúc, tần số hoạt động của cấu trúc cũng như băng tần của dải chắn được xác định. Tuy nhiên kết quả thường có độ chính xác không cao do sự xấp xỉ các giá trị L và C và phương pháp này không dễ thực hiện đối với các cấu trúc EBG phức tạp. − Cấu trú EBG hình nấm: Nguyên lý hoạt động của cấu trúc EBG hình nấm có thể giải thích bằng mô hình mạch LC được biểu diễn như trong hình 1.
Mỗi một cell đơn vị bao gồm một mạch LC nối tiếp kết hợp với một mạch LC song song. Cấu trúc này cũng chính là cấu trúc siêu vật liệu với mô hình đường truyền tổng hợp thành phần LH kết hợp với RH (CRLH-TL). CL LR LR LR CL CL LR CL LR CL GND (a) Cell EBG hình nấm (b) Mô hình mạch tương đương Hình 1.4 Mô hình hóa cấu trúc EBG hình nấm [61] Dải chắn của cấu trúc EBG hình nấm được xác định trong khoảng từ f1 đến f2 với f1 và f2 lần lượt được xác định bởi công thức [77]: , (1.1) √ √ Trong đó, LR là điện cảm tương đương được tạo nên từ biến đổi dòng điện chạy từ phiến kim loại phía trên xuống mặt phẳng đế còn CL là điện dung tương đương được tạo nên bởi khoảng cách giữa các cell EBG. LR là điện cảm tương đương sinh ra từ dòng điện chạy trên cột nối hình trụ có bán kính r.
CR luan an 12 là điện dung tương đương được tạo nên từ điện thế giữa các phiến kim loại với mặt phẳng đế. Tần số hoạt động của cấu trúc EBG hình nấm được xác định bởi công thức [97]: (1.2) √ − Cấu trú EBG đồng phẳng: Nguyên lý hoạt động của cấu trúc EBG đồng phẳng được giải thích bằng mô hình tương đương được thể hiện trong hình 1. Đơn giản hơn trong chế tạo và phù hợp cho các vật liệu có bề dầy mỏng nhưng cấu trúc EBG đồng phẳng lại khá phức tạp trong việc phân tích và mô hình hóa. Dải chắn của cấu trúc EBG đồng phẳng được xác định trong khoảng từ f1-uni đến f2-uni với f1-uni và f2-uni lần lượt được xác định bởi công thức [55]: và (1.