Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông nghiên cứu phát triển bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS VŨ VĂN YÊM luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, các kết quả khoa học được trình bày trong quyển luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận án i luan an LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến thầy GS.TS Vũ Văn Yêm đã hướng dẫn và định hướng khoa học cho tôi trong suốt khóa học. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.

Nguyễn Xuân Quyền cùng các thành viên của RF Lab đã hỗ trợ và cùng tôi thực hiện một số công việc thiết kế trong luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo, quý thầy cô và cán bộ trong Bộ môn Hệ thống Viễn thông, Viện Điện tử - Viễn thông và Phòng Đào tạo đã tạo các điều kiện thuận lợi về nơi học tập, nghiên cứu, các thủ tục hành chính và góp ý chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học, Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp Khoa Điện tử - Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dành cho tôi.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình của tôi. Những người đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua. Đây cũng là động lực lớn nhất giúp tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành kết quả của luận án này. Tác giả luận án ii luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN.

Tổng quan về đặc tính của bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần. 10 Bộ tham số đặc tuyến của bộ lọc. 10 Khảo sát các tham số về cơ khí và điều kiện môi trường. Phương pháp xây dựng bộ lọc thông dải từ bộ lọc thông thấp mẫu.

13 Định nghĩa chung. 13 Xây dựng bộ lọc thông dải từ bộ lọc thông thấp mẫu. 14 Nguyên tắc tổng hợp bộ lọc. Quy trình thiết kế, mô phỏng bộ lọc hốc cộng hưởng đồng trục siêu cao tần.

Phương pháp tinh chỉnh, tối ưu bộ lọc hốc cộng hưởng. 26 Phương pháp tinh chỉnh bằng lý thuyết về độ trễ nhóm. 26 Phương pháp tinh chỉnh dựa vào tham số cực trị điện nạp. Kết luận chương 1.

MÔ HÌNH HÓA VÀ CẤU TRÚC BỘ LỌC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN. Mô hình hóa hốc cộng hưởng. 30 Hốc cộng hưởng đơn. 30 Ghép giữa hai hốc cộng hưởng.

32 Ghép chéo giữa hai hốc cộng hưởng không liền kề. 39 Tiếp điện cho bộ lọc hốc cộng hưởng (ghép vào/ra của bộ lọc). 41 Mô hình tương đương của bộ lọc hốc cộng hưởng. Mô hình hóa và thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng không khí ứng dụng trong máy thu phát LTE-A sử dụng hai đường ghép chéo kiểu C.

43 Tổng hợp bộ lọc hốc cộng hưởng LTE. 43 Thiết kế, mô phỏng và đánh giá. 45 iii luan an 2. Thiết kế bộ Duplexer có hốc cộng hưởng lục giác ứng dụng trong trạm thu phát gốc LTE-A.

50 Phân tích, lựa chọn topo của bộ lọc. 51 Phân tích thuộc tính và tính toán kích thước hốc cộng hưởng đơn. 53 Mô phỏng bộ lọc LTE-A và duplexer. 54 Thiết kế bộ lọc thông thấp đồng trục Band3.

Chế tạo thử nghiệm bộ Duplexer, đo đạc và đánh giá. 63 Chế tạo thử nghiệm, kết quả đo đạc. 63 Đánh giá kết quả và thảo luận. Kết luận chương 2.

MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI TIẾN CẤU TRÚC GHÉP GIỮA HAI HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN. Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc kề nhau. 70 Phân tích đánh giá ảnh hưởng của cấu trúc ghép điện từ. 70 Đề xuất cải tiến cấu trúc ghép giữa hai hốc cộng hưởng liền kề.

72 Áp dụng trong thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng. 74 Đánh giá đề xuất. Nghiên cứu đề xuất cải tiến cấu trúc đường ghép kiểu C. 79 Đề xuất cấu trúc ghép cải tiến.

80 Áp dụng trong thiết kế bộ lọc hốc cộng hưởng. 83 Nhận xét, đánh giá. Kết luận chương 3. CẢI TIẾN CẤU TRÚC HỐC CỘNG HƯỞNG ĐỒNG TRỤC SIÊU CAO TẦN CÔNG SUẤT LỚN.

Phân tích về đặc tính chịu đựng công suất của bộ lọc hốc cộng hưởng siêu cao tần. 92 Đặc điểm về khả năng chịu đựng công suất của đường truyền đồng trục. 92 Đánh giá yêu cầu về độ chịu đựng công suất trong máy thu phát sóng vô tuyến. 93 Phân tích, tính toán thông số về khả năng chịu đựng công suất của bộ lọc (PH).

95 Tổng quan về các phương pháp thiết kế tăng độ chịu đựng công suất của bộ lọc. Đề xuất cấu trúc cải tiến đặc tính PH của bộ lọc. 97 Cấu trúc đề xuất. 97 iv luan an Quy trình thiết kế bộ lọc đạt PH mong muốn.

99 Áp dụng cấu trúc đề xuất trong thiết kế bộ lọc hốc eNodeB. 100 Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế bộ lọc hốc gNodeB. Kết luận chương 4. 113 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.

116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 124 PHỤ LỤC CÁC PHẦN TỬ TRONG BỘ DUPLEXER CHẾ TẠO THỬ. 125 v luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BNC British Naval Connector Đầu nối BNC BW Bandwidth Băng thông CBW Coupling Bandwidth Băng thông ghép EM Electromagnetic Điện từ FBW Fractional Bandwidth Băng thông tương đối IL Insertion Loss Tổn hao do chèn LTE-A Long Term Evolution Advanced Mạng di động thế hệ 4.5 MEMS Microelectromechanical systems Hệ thống vi cơ điện tử MIMO Multi Input Multi Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra PH Power Handling Độ chịu đựng công suất RL Return Loss Suy hao phản xạ SMA SubMiniature version A Rắc nối loại nhỏ TNC Threaded Neill–Concelman Rắc nối có khía ren TZ Transimission Zero Điểm không của hàm truyền VNA Vector Network Analyzer Máy phân tích mạng vector vi luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a Chiều cao của đường kim loại nối giữa hai hốc cộng hưởng b Chiều dài của đường kim loại nối giữa hai hốc cộng hưởng d Đường kính của trụ cộng hưởng đồng trục ds Đường kính vít tinh chỉnh D Đường kính trong của hốc cộng hưởng (cavity) 𝐸⃗ Cường độ điện trường f0 Tần số trung tâm gi Điện kháng của phần tử cộng hưởng thứ i trong bộ lọc thông thấp mẫu ⃗ 𝐻 Cường độ từ trường h Chiều cao của trụ cộng hưởng đồng trục H Chiều cao của hốc cộng hưởng kE Hệ số ghép kiểu điện dung kM Hệ số ghép kiểu điện cảm  K  Ma trận biến đổi trở kháng  J  Ma trận biến đổi dẫn nạp LA Hệ số tổn hao do truyền sóng LAS Hệ số tổn hao trong dải chắn LAR Độ gợn trong dải thông  M  Ma trận hệ số ghép giữa các hốc n Bậc của bộ lọc N Số sóng mang vii luan an Pbr Công suất chịu đựng được của hốc cộng hưởng Qu Hệ số phẩm chất không tải Qe Hệ số phẩm chất ngoài RL Hệ số suy hao phản xạ Sij Các hệ số của ma trận tán xạ Td Độ trễ nhóm VSWR Tỷ số sóng đứng điện áp w Độ rộng cửa sổ ghép giữa hai hốc liền kề WEM Năng lượng điện trường Wr es Năng lượng điện trường chứa trong hốc cộng hưởng Zin Trở kháng vào của hốc cộng hưởng Z0 Trở kháng đặc trưng  Hằng số truyền sóng θ Góc nghiêng khối nón cụt Ф Góc pha r Hằng số điện môi tương đối λ Bước sóng 0 Tần số góc trung tâm viii luan an DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Độ trễ nhóm của S11 tại tần số trung tâm f 0. 27 Bảng 2-1: Độ rộng băng tần ghép giữa hai hốc cộng hưởng.

47 Bảng 2-2: Các kích thước thiết kế của bộ lọc TX. 48 Bảng 2-3: Yêu cầu kỹ thuật của bộ Duplexer trong hệ thống eNodeB Band 3. 51 Bảng 2-4: Bộ tham số kích thước chi tiết của bộ cộng hưởng đơn. 54 Bảng 2-5: Kích thước chi tiết ốc tinh chỉnh sau tối ưu.

55 Bảng 2-6: Giá trị L,C của bộ lọc thông thấp siêu cao tần. 60 Bảng 2-7: Kích thước của các phần tử đồng trục trong bộ lọc thông thấp. 61 Bảng 2-8: Tổng hợp kết quả đo đạc bộ Duplexer. 68 Bảng 3-1: So sánh đặc điểm của 2 loại topo.

75 Bảng 3-2: Hệ số ghép giữa các hốc cộng hưởng. 76 Bảng 3-3: So sánh chỉ tiêu kỹ thuật của các bộ lọc. 79 Bảng 3-4: Độ rộng băng tần ghép. 85 Bảng 3-5: Bộ tham số chính của bộ lọc.

85 Bảng 4-1: Các yêu cầu kỹ thuật bộ lọc. 100 Bảng 4-2: Kết quả tổng hợp ma trận ghép [M-] và tần số cộng hưởng. 101 Bảng 4-3: So sánh đặc điểm đặc tuyến sau mô phỏng. 105 Bảng 4-4: Các yêu cầu kỹ thuật bộ lọc.

105 Bảng 4-5: Kết quả tổng hợp ma trận ghép [M-] và tần số cộng hưởng (gNB). 106 Bảng 4-6: Bảng giá trị các phần tử LC của sơ đồ mạch nguyên lý. 106 Bảng 4-7: Kích thước cơ bản của bộ lọc hốc cộng hưởng gNodeB. 109 Bảng 4-8: So sánh đặc điểm đặc tuyến sau mô phỏng .