Luận án tiến sĩ: Tính toán thiết kế bộ lọc thụ động tần số cao dạng SAW trong điện tử viễn thông

• Tác giả: Trần Mạnh Hà
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Truyện
• Trường học: Viện Nghiên Cứu Điện Tử, Tin Học, Tự Động Hóa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Phương Pháp Tính Toán Thiết Kế Bộ Lọc Thụ Động Tần Số Cao Dạng SAW Ứng Dụng Trong Điện Tử Viễn Thông
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Cơ sở lý thuyết chung
• 1.2. Khái niệm về sóng âm bề mặt
• 1.3. Vật liệu bất đẳng hướng
• 1.4. Vật liệu có tính áp điện
• 1.5. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW
• 1.5.1. Nguyên lý hoạt động
• 1.5.2. Cấu trúc cơ bản của bộ IDT
• 1.5.3. Các tham số đánh giá
• 1.6. Các phương pháp mô phỏng
• 1.6.1. Phương pháp mô phỏng COM
• 1.6.2. Mô hình mạch tương đương Mason
• 1.6.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.7. Các kỹ thuật chế tạo
• 1.7.1. Phương pháp LIGA
• 1.7.2. Kỹ thuật quang khắc, liff-off, etching
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW
• 2.1. Bài toán thiết kế
• 2.2. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế
• 2.3. Quy trình thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW
• 2.4. Thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW
• 2.5. Nội dung thiết kế
• 2.6. Chế tạo thử nghiệm
• 2.7. Đánh giá các thông số
• 2.8. Ứng dụng chế tạo bộ điều khiển từ xa
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC SAW
• 3.1. Cấu trúc bất đối xứng SPUDT
• 3.2. Đáp ứng của bộ lọc. Ảnh hưởng các tham số cấu trúc
• 3.3. Mô phỏng sử dụng FEM
• 3.4. Mô phỏng sử dụng Mason
• 3.5. Các giải pháp nâng cao chất lượng khác
• 3.5.1. Khoảng cách giữa hai bộ IDT
• 3.5.2. Số lượng cặp điện cực IDT
• 3.5.3. Vật liệu điện cực
• 3.5.4. Độ dày điện cực
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Giới thiệu về bộ lọc thụ động tần số cao dạng SAW

Bộ lọc thụ động tần số cao dạng SAW (Surface Acoustic Wave) đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực điện tử viễn thông. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc này dựa trên sự lan truyền của sóng âm bề mặt, cho phép lọc tín hiệu hiệu quả. Các bộ lọc SAW được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như truyền thông không dây, cảm biến và điều khiển từ xa. Đặc điểm nổi bật của bộ lọc SAW là kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Việc nghiên cứu và phát triển bộ lọc SAW là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng và hiệu suất trong các thiết bị điện tử hiện đại.

1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW

Bộ lọc SAW hoạt động dựa trên nguyên lý lan truyền sóng âm bề mặt, trong đó sóng âm được tạo ra và truyền qua bề mặt của vật liệu áp điện. Cấu trúc của bộ lọc SAW thường bao gồm các điện cực được bố trí theo hình dạng nhất định, cho phép tạo ra các sóng âm với tần số xác định. Khi tín hiệu điện được áp dụng lên các điện cực, sóng âm sẽ được phát sinh và lan truyền trên bề mặt vật liệu. Bộ lọc SAW có khả năng lọc các tần số không mong muốn, chỉ cho phép tần số mục tiêu đi qua, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu trong các ứng dụng viễn thông.

II. Phương pháp tính toán thiết kế bộ lọc SAW

Phương pháp tính toán thiết kế bộ lọc SAW bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc xác định các tham số thiết kế đến mô phỏng và chế tạo. Đầu tiên, việc lựa chọn vật liệu áp điện là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bộ lọc. Các vật liệu phổ biến như Thạch anh, Lithium Niobate và Lithium Tantalate thường được sử dụng. Sau đó, các tham số như kích thước điện cực, khoảng cách giữa các điện cực và cấu trúc tổng thể của bộ lọc cần được xác định. Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như FEM và Mason giúp đánh giá hiệu quả thiết kế trước khi tiến hành chế tạo thực tế.

2.1. Các tham số thiết kế bộ lọc SAW

Các tham số thiết kế bộ lọc SAW bao gồm kích thước điện cực, khoảng cách giữa các điện cực và cấu trúc tổng thể của bộ lọc. Kích thước điện cực ảnh hưởng đến tần số hoạt động và độ nhạy của bộ lọc. Khoảng cách giữa các điện cực cũng cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất tốt nhất. Việc lựa chọn cấu trúc bộ lọc, chẳng hạn như cấu trúc đối xứng hay bất đối xứng, cũng có tác động lớn đến hiệu suất và chất lượng tín hiệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay đổi các tham số này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ lọc SAW.

III. Ứng dụng và đánh giá hiệu quả của bộ lọc SAW

Bộ lọc SAW được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong điện tử viễn thông. Chúng được sử dụng trong các thiết bị như điện thoại di động, bộ điều khiển từ xa và các hệ thống truyền thông không dây. Đánh giá hiệu quả của bộ lọc SAW thường dựa trên các tiêu chí như độ suy hao, độ nhạy và khả năng lọc tần số. Các nghiên cứu cho thấy bộ lọc SAW có thể đạt được độ suy hao thấp và độ nhạy cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chất lượng tín hiệu cao.

3.1. Đánh giá hiệu suất bộ lọc SAW

Đánh giá hiệu suất của bộ lọc SAW thường được thực hiện thông qua các thử nghiệm thực tế và mô phỏng. Các thông số như độ suy hao, độ nhạy và đáp ứng tần số được đo lường và so sánh với các tiêu chuẩn đã được thiết lập. Kết quả cho thấy bộ lọc SAW có khả năng hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó khẳng định giá trị và tính ứng dụng của chúng trong các thiết bị điện tử hiện đại. Việc cải thiện các tham số thiết kế cũng góp phần nâng cao hiệu suất của bộ lọc SAW, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong tương lai.