Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu nền SIW nâng cao chất lượng phần tử siêu cao tần trong đài ra đa - Luận án tiến sĩ kỹ thuật Trần Thị Trâm

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN THỊ TRÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MỘT SỐ PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN TRONG ĐÀI RA ĐA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2023 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN THỊ TRÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MỘT SỐ PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN TRONG ĐÀI RA ĐA Ngành: Kỹ thuật Ra đa dẫn đường Mã số: 9 52 02 04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Lê Vĩnh Hà 2. TS Dƣơng Tuấn Việt HÀ NỘI- 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

Tác giả luận án Trần Thị Trâm ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/Bộ Quốc phòng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Lê Vĩnh Hà, TS Dương Tuấn Việt, các thầy đã có định hướng, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học, giúp đỡ kiểm tra và đánh giá kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo, Viện Ra đa đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật quân sự, Đại học Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội và các nhà khoa học, chuyên gia đã cho tôi những lời khuyên, những ý kiến đóng góp quý báu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cho tôi điểm tựa vững chắc, sự động viên lớn lao giúp tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Trần Thị Trâm iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.vi DANH MỤC CÁC BẢNG.ix MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NỀN.

Tổng quan về công nghệ vật liệu nền. Giới thiệu chung về công nghệ vật liệu nền. Công nghệ dải chắn điện từ EBG. Công nghệ cấu trúc mặt đế khuyết DGS.

Công nghệ ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền SIW. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của các phần tử siêu cao tần khi ứng dụng công nghệ SIW. Tổn hao trong SIW. Công nghệ chế tạo cho các phần tử SIW.

Kích thước và băng thông của cấu trúc SIW. Một số kỹ thuật sử dụng trong luận án. Nguyên lý gây nhiễu trong các hốc cộng hưởng [32]. Nguyên lý di pha thực hiện trên SIW.

Nguyên lý về bộ dao động VCO. Tổng hợp, đánh giá khái quát các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ vật liệu nền. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước.

Định hướng nghiên cứu. Kết luận Chương 1. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIW ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CÁC PHẦN TỬ SIÊU CAO TẦN. Đề xuất bộ lọc HMSIW có suy hao và kích thước nhỏ, độ chọn lọc cao.

Cơ sở lý thuyết đề xuất bộ lọc thông dải HMSIW. Bộ lọc thông dải HMSIW có suy hao và kích thước nhỏ, độ chọn lọc cao. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc HMSIW băng S. Đánh giá chất lượng của bộ lọc thông dải HMSIW băng tần S.

Giải pháp nâng cao chất lượng của bộ di pha sử dụng cấu trúc SIW chữ nhật 2 lớp có tổn hao nhỏ, băng thông rộng và mức di pha có thể điều chỉnh bằng điện tử. Cơ sở lý thuyết đề xuất bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp. Bộ di pha sử dụng cấu trúc SIW chữ nhật 2 lớp. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ di pha SIW 2 lớp.

Đánh giá chất lượng của bộ di pha SIW chữ nhật 2 lớp. Giải pháp thiết kế bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép. Cơ sở lý thuyết giải pháp bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép. Bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X sử dụng bộ cộng hưởng SIW gây nhiễu chế độ kép.

Thực hiện bộ VCO tạp pha nhỏ băng tần X mới sử dụng bộ cộng hưởng chế độ gây nhiễu kép. Đánh giá chất lượng của bộ VCO. Kết luận chương 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC.88 THÔNG DẢI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIW KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ EBG VÀ DGS.

Cơ sở lý thuyết của giải pháp kết hợp công nghệ SIW với công nghệ EBG và DGS cho các bộ lọc thông dải. Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc SIW-CPW băng tần C. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc SIW-CPW băng tần C. Thực hiện và đánh giá chất lượng bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần C.

Thiết kế, mô phỏng và thực hiện bộ lọc SIW-CPW băng tần X. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc SIW-CPW băng tần X. Thực hiện và đánh giá chất lượng bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần X. Kết luận chương 3.112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.115 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT d Đường kính lỗ khoan [mm] f Tần số cộng hưởng [GHz] fc Tần số cắt [GHz] h Chiều dày vật liệu nền [mm] r Bán kính của SIW hình tròn [mm] s Khoảng cách giữa các lỗ kim khoan liền kề [mm] W Chiều rộng của SIW [mm] Weff Chiều rộng của DFW [mm] Z Trở kháng []  Hệ số suy giảm Hằng số lan truyền  Hằng số lan truyền phức Hằng số điện môi εr Hằng số điện môi tương đối Tần số góc [GHz] Bước sóng dẫn trong vật liệu điện môi [mm]  Độ từ thấm r Độ từ thấm tương đối  Tần số góc [GHz] 𝜏𝑑 Độ trễ nhóm [ns] ADC Mạch chuyển đổi tương tự - số (Analog-to-Digital Converter) ADS Hệ thống thiết kế tiên tiến (Advanced Design System) ATT Suy giảm (Attenuation) BPF Bộ lọc thông dải (Band Pass Filter) CIL Bộ mạch vòng (Circulator) vi CSRR Bộ cộng hưởng vòng khe hở bổ sung (Complementary Split Ring Resonator) CPW Ống dẫn sóng đồng phẳng (Coplanar Waveguide) CST Công nghệ mô phỏng trên máy tính (Computer Simulation Technology) DCA Mạch chuyển đổi số-tương tự (Analog-to-Digital Converter) DFW Ống dẫn sóng lấp đầy điện môi (Dielectric Fill Wave Guide) DGS Cấu trúc mặt đế khuyết (Defected Ground Structure) DMCC Hốc cộng hưởng tròn chế độ kép (Dual-Mode Circular Cavity) DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor ) FPGA Mạch tích hợp có thể lập trình cỡ lớn (Field Programmable Gate Array) EBG Dải chắn điện từ trường (Electromagnetic Band Gap) FOM Hệ số tạp (Figure of Merit) HFSS Mô phỏng cấu trúc tần số cao (High Frequency Structure Simulator) HMSIW Ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền nửa chế độ (Haft Mode Substrated Integrated Waveguide) LNA Bộ khuếch đại tạp thấp (Low Noise Amplifier) LTCC Gốm nhiệt độ nóng chảy thấp (Low Temperature Co-fired Ceramic) MIMO Nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple Input Multiple Output) PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) PCB Bảng mạch in (Printed Circuit Board) SIFW Ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền dạng gấp (Substrate Integrated Folded Waveguide) SIW Ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền (Substrate Integrated Waveguide) vi SRR Bộ cộng hưởng vòng khe hở (Split Ring Resonator) TE Điện trường ngang (Transverse Electric) TM Từ trường ngang (Transverse Magnetic) TZ Điểm không đường truyền (Transmission Zero) UC Đồng phẳng nhỏ gọn (Uniplanar Compact) VCO Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Votlage Control Osilator) WG Ống dẫn sóng (Wave Guide) ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tổng hợp so sánh công nghệ SIW với công nghệ mạch phẳng và công nghệ WG cổ điển.2 Tổng hợp những ưu, nhược điểm và ứng dụng của công nghệ SIW, công nghệ EBG và DGS.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc băng S dựa trên cấu trúc HMSIW.2 Các kích thước bộ lọc HMSIW băng S.3 Tổng hợp các tham số mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc băng tần S dựa trên cấu trúc HMSIW.4 So sánh chất lượng bộ lọc HMSIW đã đề xuất với các bộ lọc băng tần S đã công bố.5 Các tham số kỹ thuật của bộ di pha băng X.6 Các tham số thiết kế của bộ di pha SIW băng tần X.7 Các kết quả đo đồ thị bức xạ của ăng-ten trong mặt phẳng góc tà khi ghép với hệ thống mạng pha điều khiển số băng tần X.8 So sánh chất lượng bộ VCO đã đề xuất với một số bộ VCO đã công bố 86 Bảng 3.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc SIW-CPW băng tần C.2 Giá trị của các tham số đã được tính toán và sau khi tối ưu cho bộ lọc SIW-CPW băng tần C với 11 mắt lọc.3 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc thông dải băng tần C.4 So sánh chất lượng của bộ lọc SIW-CPW so với các bộ lọc băng C đã công bố.5 Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc SIW-CPW băng tần X.6 Giá trị của các tham số đã được tính toán và sau khi tối ưu cho bộ lọc SIW-CPW băng tần X.7 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế bộ lọc thông dải SIW-CPW băng tần X.8 Bảng so sánh bộ lọc SIW-CPW với các bộ lọc băng X đã công bố.111 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối cơ bản của một đài ra đa.2 Các loại hình EBG [80].3 Đặc tính dải chắn băng tần và pha phản xạ của công nghệ EBG [80] 10 Hình 1.4 Mô hình hóa cấu trúc EBG hình nấm [61].5 Mô hình hóa cấu trúc EBG đồng phẳng [55].6 Phân loại DGS [49].7 DGS hình quả tạ [14].8 Đặc tính đường truyền DGS [14].9 Sơ đồ cấu trúc của SIW chữ nhật.10 Cường độ điện trường của chế độ cơ bản trong SIW.11 (a) Ống dẫn sóng lấp đầy không khí, (b) ống dẫn sóng lấp đầy chất điện môi, (c) ống dẫn sóng tích hợp vật liệu nền.12 Cấu hình SIW hình tròn.13 Các cấu trúc khác nhau của SIW.14 Một hốc cộng hưởng bị gây nhiễu bởi sự thay đổi hằng số điện môi hoặc độ từ thẩm của vật liệu trong hốc.15 Một hốc cộng hưởng bị gây nhiễu bởi sự thay đổi hình dạng.16 Mảng trụ kim loại được chèn vào trong một WG và mạch tương đương của nó.17 Cấu trúc của bộ di pha SIW 2 trụ cơ bản.