Trong một số hệ thống thông tin hiện nay, các phần tử cơ khí thụ động (hốc cộng hưởng, ống dẫn sóng) đóng vai trò hết sức quan trọng và không thể thay thế, đặc biệt trong các hệ thống thông tin siêu cao tần (thông tin vệ tinh, thông tin Viba). Một trong các phần tử cơ khí tiêu biểu thường gặp nhất là ống dẫn sóng được sử dụng ở phần ghép nối thiết bị với ăng ten như trong các khối BUC (Block Up Converter), LNB (Low Noise Block) của hệ thống thông tin vệ tinh VSAT, từ đó đặt ra vấn đề cần phải nghiên cứu làm chủ thiết kế các phần tử cơ khí này. Bài báo giới thiệu tổng quan về kỹ thuật thiết kế và mô phỏng bộ chuyển đổi tín hiệu siêu cao tần 10 - 15GHz từ cáp đồng trục sang ống dẫn sóng và ngược lại, ứng dụng cho hệ thống thông tin vệ tinh băng Ku.

   1. Giới thiệu tổng quan về ống dẫn sóng

  Ống dẫn sóng là một trong các phần tử cơ khí dùng để truyền dẫn tín hiệu và rất phổ biến trong các hệ thống tần số siêu cao. Đặc điểm nổi bật của ống dẫn sóng là có tổn hao truyền dẫn rất nhỏ và có khả năng chịu đựng được công suất truyền qua rất lớn. Chính vì thế ta thường gặp ống dẫn sóng ở đầu vào ra của các bộ thu phát kết nối với ăng ten. Từ cuối thế kỷ 19 các nhà khoa học đã tìm ra đặc tính truyền sóng của các ống dẫn sóng thông qua giải các phương trình điều kiện bờ. Năm 1897, nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh đã chỉ ra rằng sóng có thể truyền qua các ống dẫn trong một chế độ xác định mà không bị tổn hao. Các chế độ đó có thể là điện trường (TE) hoặc từ trường (TM), hoặc cả hai. Ông cũng chứng minh rằng mỗi chế độ có một tần số cắt dưới xác định bởi kích thước vật lý của ống dẫn sóng. Do vậy khi tần số hoạt động càng lớn thì kích thước của ống dẫn sóng càng nhỏ. Cho nên mặc dù vẫn có thể hoạt động ở vùng tần số thấp, ống dẫn sóng ít được sử dụng do kích thước của nó quá lớn. Ống dẫn sóng thường gặp nhất là ống dẫn sóng dạng hình hộp chữ nhật như mô tả trên Hình 1 dưới đây.

Hình 1. Ống dẫn sóng chữ nhật

  Dải tần công tác của ống dẫn sóng được xác định bởi các kích thước a và b. Để thiết kế ống dẫn sóng, trước hết ta xác định tần số cắt dưới theo công thức:

   Trong đó c là tốc độ ánh sáng: c = 30cm/ns; a là chiều rộng của ống sóng (cm).

  Từ tần số cắt ta sẽ xác định được tần số hoạt động cho phép của ống dẫn sóng trong khoảng từ 125%  đến 189% của f_lowercut. Để ống dẫn sóng có dải tần trong khoảng 10 đến 15GHz thì tần số cắt dưới phải là 8 GHz. Từ công thức (1) ta tìm được chiều rộng a của ống dẫn sóng là 1,8cm. Chiều cao của ống dẫn sóng ảnh hưởng tới độ rộng dải thông theo mối quan hệ là b ≤ a/2. Cho nên để đạt được độ rộng dải thông lớn nhất ta chọn b=a/2. Như đã nói ở trên, tín hiệu truyền qua ống dẫn sóng trong một chế độ xác định nên đối với ống dẫn sóng chữ nhật tín hiệu truyền trong chế độ điện trường TE tức là không có véc tơ E trên phương truyền sóng như biểu diễn trên Hình 2. Có thể thấy rằng các véc tơ cường độ điện trường vuông góc với phương truyền sóng và tập trung chủ yếu ở vùng trung tâm của ống dẫn sóng.

Hình 2. Tín hiệu truyền qua ống dẫn sóng trong chế độ E

  Chú ý rằng khi truyền trong ống dẫn sóng, tín hiệu có bước sóng khác với khi truyền trong không gian tự do. Bước sóng trong ống sóng được gọi là bước sóng dẫn, ký hiệu là l_g và được tính theo công thức (2):

  Với l là bước sóng trong không gian tự do còn l_cut là bước sóng ở tần số cắt dưới tính được theo theo công thức (1). Từ công thức (2) có thể đi đến kết luận rằng bước sóng trong ống dẫn sóng lớn hơn bước sóng trong không gian tự do. Ví dụ với tần số trung tâm là 12,5GHz thì bước sóng dẫn l_g là 3,22cm.

   2.  Thiết kế bộ chuyển đổi tín hiệu từ cáp đồng trục sang ống dẫn sóng

  Cấu trúc của bộ chuyển đổi được biểu diễn trên Hình 3 gồm một ống dẫn sóng chữ nhật với một đầu hở làm cổng ra và mặt còn lại bịt kín; cáp đồng trục được kết nối với ống dẫn sóng thông qua đầu dò có chiều dài l.

  Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi như sau: Tín hiệu truyền từ đầu vào cáp đồng trục được bức xạ vào ống dẫn sóng và truyền đi về hai hướng của ống dẫn sóng. Lúc này mặt vách phía sau đóng vai trò phản xạ tín hiệu để các tín hiệu truyền theo hướng này quay trở về cổng ra của ống dẫn sóng. Chiều dài từ đầu dò đến mặt vách sau bs phải được tính toán sao cho tín hiệu phản xạ đồng pha với tín hiệu truyền ra cổng ra. Theo tác giả Paul Wade, kích thước này phải nhỏ hơn hoặc bằng ¼ của bước sóng dẫn của tần số trung tâm được tính ở trên. Ngoài ra độ dài l và đường kính R của đầu dò cũng ảnh hưởng đến chất lượng của bộ chuyển đổi. Theo đó, đường kính càng lớn thì dải thông càng rộng. Đường kính đầu dò cũng không cần phải đồng đều từ đầu đến cuối mà có thể mở rộng ra ở đầu cuối để đạt được kích thước theo tính toán. Tóm lại các tham số kể trên đều ảnh hưởng đến chất lượng của bộ chuyển đổi và cần được tinh chỉnh để đạt được yêu cầu đặt ra.

Hình 3. Cấu trúc của bộ chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng

  Trên cơ sở các phân tích trên, Nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế một bộ chuyển đổi trên phần mềm CST (Computer Simulation Technology) như trên Hình 4.

Hình 4. Bộ chuyển đổi thiết kế trên phần mềm CST

  Ống dẫn sóng sử dụng vật liệu nhôm, lõi cáp đồng trục và đầu dò dùng vật liệu đồng còn lớp cách điện sử dụng Teflon. Các tham số về vật liệu đều được lấy từ bộ thư viện của phần mềm CST. Để mô phỏng các tham số của bộ chuyển đổi, thực hiện khai báo các cổng vào ra tương ứng là cổng 1 và cổng 2. Kết quả mô phỏng tham số S của bộ chuyển đổi được thể hiện trên Hình 5.

Hình 5. Kết quả mô phỏng tham số S của bộ chuyển đổi

  Kết quả mô phỏng cho thấy, trong dải tần công tác, suy hao truyền qua (S_1,2 và S_2,1) rất nhỏ (» 0 dB) còn suy hao phản xạ (S_1,1 và S_2,2) khá lớn (trên 20 dB). Phần mềm CST cũng cho phép xem tín hiệu dưới dạng truyền sóng trong không gian 3 chiều như trên Hình 6. Như vậy, các véc tơ cường độ trường truyền từ cổng 1 sang cổng 2 tập trung ở vùng trung tâm của ống dẫn sóng.

Hình 6. Phân bố véc tơ cường độ điện trường từ cổng 1 đến cổng 2

  Để đạt được các tham số S như trên ta có thể sử dụng công cụ tối ưu của phần mềm CST với các biến cho thuật toán tối ưu là các kích thước a,b, bs, l và R. Thuật toán tối ưu tính toán trên phần mềm CST cho kết quả như sau: a = 19,5cm; b = 9cm; bs = 7,4cm; l = 4,7cm.

  Từ thiết kế tính toán trên phần mềm mô phỏng, chuyển thành các chi tiết cơ khí và thi công ta được sản phẩm như trên hình 7.

Hình 7. Hình ảnh thực tế bộ chuyển đổi cáp đồng trục/ống dẫn sóng

  Để kiểm tra, đánh giá chất lượng của bộ chuyển đổi, sử dụng máy phân tích mạng véc tơ và ghép hai bộ chuyển đổi với nhau để phù hợp với chuẩn vào ra dạng N của máy đo. Kết quả đo lường như trên Hình 8. Quan sát kết quả này ta thấy, thực tế đo đạc khá sát với kết quả mô phỏng với suy hao truyền qua trong dải thông của hai bộ chuyển đổi là 3,3dB. Suy hao này bao gồm cả các khớp nối để chuyển đổi từ đầu đo dạng SMA sang đầu N của bộ chuyển đổi và các cáp kết nối. Suy hao phản xạ trong dải thông trong khoảng 20dB là hoàn toàn chấp nhận được trong ứng dụng thực tế. Sai số giữa kết quả đo lường thực tế với kết quả mô phỏng có thể được lý giải bởi sản phẩm thực tế không thể đạt được độ chính xác như trên tính toán phần mềm do sai số cơ khí, độ bóng nhẵn bề mặt của vật liệu và sai số đo lường.

Hình 8. Kết quả đo đạc tham số S qua hai bộ chuyển đổi

  Một điểm đáng chú ý là dải thông của bộ chuyển đổi phù hợp với các tính toán ban đầu. Điều này là hết sức quan trọng vì nó cho phép tùy biến dải thông sao cho nó trở thành một bộ lọc góp phần triệt tiêu các thành phần tín hiệu không mong muốn. Ngoài ra cũng có thể tùy chỉnh dải thông cho phù hợp với dải tần công tác được cấp phép giúp nâng cao hiệu quả sử dụng dải tần.

   3.  Kết luận

  Bài báo trước hết trình bày lý thuyết cơ bản về truyền dẫn tín hiệu siêu cao tần qua ống dẫn sóng và nguyên lý hoạt động của một bộ chuyển đổi từ cáp đồng trục sang ống dẫn sóng. Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế thử một bộ chuyển đổi ở dải tần từ 10 đến 15GHz để sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh VSAT băng Ku. Kết quả đo lường cho thấy các tham số thiết kế đáp ứng được yêu cầu đặt ra đối với bộ chuyển đổi và có thể ứng dụng được trong các sản phẩm thực tế. Đây là cơ sở quan trọng để có thể áp dụng kỹ thuật thiết kế các phần tử cơ khí vào việc chế tạo các thiết bị siêu cao tần trong thời gian tới.

   Tài liệu tham khảo

[1]   W. Yi, E. Li, G. Guo, and R. Nie, “An X-band coaxial-to-rectangular waveguide transition,” in ICMTCE2011 - Proceedings 2011 IEEE International Conference on Microwave Technology and Computational Electromagnetics, 2011, pp. 129–131.

[2]   P. Wade, “Rectangular Waveguide to Coax Transition Design,” QEX, pp. 10–17, 2006.

[3]   D. K. Misra, Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits, vol. 8. 2001.

[4]   D. Pozar, Microwave Engineering Fourth Edition. 2005.

[5]   P. Gerrard, “Waveguide Handbook,” Electron. Power, vol. 33, no. 2, p. 142, 1987. 

TS. Nguyễn Liêm Hiếu
VIỆN IMC
Tòa nhà IMC Tower, Số 176 Trường Chinh, Phường Khương
Thượng, Quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tel/Fax : (+84) 24 3566 6232 / 24 3566 6234
Email: contact@imc.org.vn   Website: http://imc.org.vn