đề tài nghiên cứu cấu trúc dải chân điện tử trong thiết kế anten bow-tie

Hình 1.4 Dạng hình học của cấu trúc EBG hình nấm Hình 1.5 Mô hình LC cho cấu trúc EBG hình nấm Hình 1.6 Mô hình đường truyền dẫn cho sóng bề mặt Hình 1.7 Mô hình đường truyền dẫn cho són

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC DẢI CHẮN ĐIỆN TỪ

TRONG THIẾT KẾ ANTEN BOW - TIE

Giảng viên hướng dẫn: Dương Thị Thanh Tú

Sinh viên : Kiều Công Quảng

Lê Thị Thủy

Nguyễn Thị Ngọc

Hà Nội, 12/2012

2

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC HÌNH VẼ 4

MỤC LỤC BẢNG 6

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẤU TRÚC DẢI CHẮN ĐIỆN TỪ EBG 1.1 CẤU TRÚC EBG 8

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CẤU TRÚC EBG 12

1.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC EBG 26

1.4 ỨNG DỤNG CẤU TRÚC EBG TRONG KĨ THUẬT ANTEN 29

CHƯƠNG 2: ANTEN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ BĂNG SIÊU RỘNG UWB… 32

2.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN UWB……… 35

2.3 CÁC KIỂU ANTEN BOW-TIE TRONG UWB……… 37

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN BOW-TIE TRÊN CẤU TRÚC EBG 3.1 GIỚI THIỆU……… 44

3.2 CẤU TRÚC ANTEN……… 45

3.3 KẾT QUẢ ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ……… 47

TỔNG KẾT VÀ XU HƯỚNG……… 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 52

3

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo giám đốc Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cũng như các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông đã tạo điều kiện cho chúng em nghiên cứu khoa học nâng cao kiến thức chuyên

ngành cũng như rèn luyện thêm các kĩ năng cho sinh viên

Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn tới giảng viên

hướng dẫn Dương Thị Thanh Tú đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm nghiên cứu Chúng

em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc hiệu quả, đây là điều rất cần thiết cho chúng em trong quá trình học tập và công tác sau này

Cuối cùng, trong quá trình thực hiện nghiên cứu, xử lý số liệu và viết luận với vốn kiến thức còn hạn chế bài báo cáo của chúng em không tránh khỏi thiếu xót, hạn chế Chúng em xin tiếp nhận mọi sự chỉ bảo của hội đồng và thầy cô giáo trong Khoa Viễn thông 1, sự góp ý của các bạn để bài báo cáo hoàn thiện hơn

Mọi sự ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ email :

kieucongquang@gmail.com

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hình 1.4 Dạng hình học của cấu trúc EBG hình nấm

Hình 1.5 Mô hình LC cho cấu trúc EBG hình nấm

Hình 1.6 Mô hình đường truyền dẫn cho sóng bề mặt

Hình 1.7 Mô hình đường truyền dẫn cho sóng tới là sóng phẳng Hình 1.8 Mô hình cấu trúc EBG cho tính chất pha phản xạ Hình 1.9 Mô phỏng pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm với sóng tới thông thường Pha 0o

đạt được ở tần số 5,74GHz Hình 1.10 Mô tả pha phản xạ của cấu trúc EBG mushroom-like cho sóng tới TE với các góc tới khác nhau

Hình 1.11 FDTD mô tả pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm cho sóng tới TM với các góc tới khác nhau

Hình 1.13 FDTD mô tả pha phản xạ TM của EBG trên mặt

phẳng tần số kx

Hình 1.14: Mô hình mạch LC cho phân tích cấu trúc EBG

Hình 1.15: Phương pháp đường truyền dẫn tuần hoàn

Hình 1.16: Phương pháp FDTD cho phân tích cấu trúc EBG Hình 1.17: Thiết kế anten có độ tăng ích cao sử dụng cấu trúc EBG ba chiều dạng gỗ xếp (IEEE, 2005)

Hình 2.1 Đáp ứng của một anten bởi xung thời gian cực ngắn theo hiệu ứng chuông

Hình 2.2 : Anten sừng gấp

Hình 2.3: Một vài kiểu anten bowtie băng rộng

Hình 3.1: Cấu trúc anten

Hình 3.2: Cấu trúc hình học của mặt phản xạ EBG

Hình 3.3: Pha phản xạ trên mặt phản xạ EBG

5

Hình 3.4: Hệ số phản xạ S11 theo tần số

Hình 3.5: Mẫu bức xạ trên mặt phẳng xz (đồng phân cực)

Hình 3.6: Mẫu bức xạ trên mặt phẳng yz (co-polarization)

Hình 3.7: Sự phân phối dòng trên mặt phản xạ EBG

Hình 3.8: Độ lợi thực tế thu được trên hướng z theo đáp ứng tần

số

7

LỜI MỞ ĐẦU

Những thiết kế anten đã đạt được nhiều thành tựu trong vài thập niên qua Rất nhiều công nghệ mới được triển khai trong những anten hiện đại và một khám phá quan trọng là tìm ra cấu trúc dải chắn điện từ (EBG) Ứng dụng của nó là đề tài quan trọng mà các

kỹ sư, các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam quan tâm Ngày nay, với máy tính cá nhân và công nghệ số hay các phần mềm thương mại phát triển,những nghiên cứu về anten có thể khai thác hỗn hợp vật liệu điện từ vào những thiết kế anten, kết quả cho ra rất nhiều cấu trúc anten mới, có hiệu năng

Cấu trúc EBG có những đặc tính mà vật liệu tự nhiên không

có sẵn, do vậy cấu trúc EBG được xem như là một tập siêu vật liệu (metamaterials) Những hoạt động nghiên cứu khác nhau về cấu trúc này cũng tăng lên trong lĩnh vực điện từ và anten Nó có thể giải quyết một số thách thức quan trọng của anten trong truyền thông vô tuyến như: Chặn sóng bề mặt trong anten mặt đất, thiết kế được anten hiệu suất và nhỏ gọn, tăng hệ số khuếch đại G của anten

Đề tài này trình bày rõ về cấu trúc EBG, các đặc tính cũng như các ứng dụng của nó

Bằng việc kết hợp cấu trúc dải chắn điện từ EBG trên anten bow-tie,ta thu lại được một thiết kế anten nhiều ưu điểm như chặn được sóng bề mặt, hệ số tăng ích cao, hiệu suất…

1.1 Cấu trúc EBG

Vật liệu cấu trúc dải chắn điện từ hay “Cấu trúc vật liệu vi dải

điện từ” hay “cấu trú khe hở băng tần điện từ” đƣợc định nghĩa là:

“những cấu trúc tuần hoàn nhân tạo mà có đặc tính ngăn cản hoặc cho phép sự lan truyền của sóng điện từ trong một dải băng tần xác định ứng với mọi góc tới và mọi trạng thái phân cực của sóng”

Có thể nhận ra cấu trúc EBG qua sự sắp xếp một cách tuần hoàn những vật liệu điện môi và kim loại Dựa vào cấu trúc hình học ta có thể chia EBG ra làm 3 loại:

9

Hình 1.1 Cấu trúc EBG (a) cấu trúc điện môi dạng gỗ xếp và (b) mảng kim loại 3 chân đa

tầng

 Cấu trúc hình khối 3 chiều (hình 1.1): Tập trung vào sự

ngăn cản của quá trình truyền lan sóng điện từ Sóng điện

từ có thể là sóng phẳng với góc tới và phân cực đặc biệt hay cũng có thể là sóng bề mặt bao phủ mặt đất Phần lớn cấu trúc ba chiều giống nhƣ mảng tuần hoàn của những thanh điện môi

 Cấu trúc phẳng 2 chiều (Hình 1.2)

10

Hình 1.2 Bề mặt EBG 2 chiều:

(a) bề mặt dạng nấm và (b) bề mặt phẳng đơn

 Cấu trúc đường truyền 1 chiều (hình 1.3)

Cấu trúc EBG phẳng hai chiều thể hiện một vài đặc tính điện

từ thú vị khi tương tác với sóng tới:

 Nếu sóng tới là sóng mặt (kx2

+ ky2 <= k02, kz thuần ảo), cấu trúc EBG sẽ cho một dải tần số mà trong đó sóng bề mặt không thể lan truyền với mọi góc tới và trạng thái phân cực (hình 1.4a)

là đặc tính của chất dẫn từ lý tưởng mà không tồn tại trong

tự nhiên (hình 1.4 b)

11

Trong đó: kx, ky là hệ số sóng theo hai trục trên mặt phẳng nằm ngang, kz là hệ số sóng theo phương thẳng đứng và k0 là hệ số sóng không gian tự do

Hình 1.3 Đường phát EBG 1 chiều:

(a) một đường dây băng nhỏ với những ống tuần hoàn trên mặt đất

và (b) đường phát tay trái tay phải kết hợp

12

1.2 Các đặc tính cơ bản của cấu trúc EBG

Cấu trúc EBG mới và đa dạng ngày càng thể hiện những đặc tính của nó mà vật liệu tự nhiên không sẵn có Phần này tập trung vào làm sáng tỏ những đặc tính thú vị của cấu trúc EBG

1.2.1.Mô hình mạch cộng hưởng cho cấu trúc EBG

Cấu trúc EBG gồm 4 phần (hình 1.4): Một mặt phẳng tiếp đất kim loại, một đế cách điện, các miếng kim loại tuần hoàn đặt trên đỉnh đế và tấm nối thẳng đứng nối đất các miếng kim loại Dạng hình học của EBG tương tự như hình dáng một cây nấm

Hình 1.4: Dạng hình học của cấu trúc EBG hình nấm

Hình 1.5: Mô hình LC cho cấu trúc EBG hình nấm:

(a) Các tham số EBG và (b) mô hình LC Khi (W + g) nhỏ, có thể so sánh được với bước sóng hoạt động thì cơ chế hoạt động của cấu trúc EBG được giải thích bằng việc sử dụng mô hình phần tử LC tập trung (hình 1.5b)

1

j L Z

Tại tần số thấp, trở kháng tương đương với sóng bề mặt TM

Nó có thể trở thành tụ ở tần số cao và tương đương với sóng TE Gần tần số cộng hưởng, trở kháng sẽ cao và cấu trúc EBG không chấp nhận bất kỳ sóng bề mặt nào, dẫn đến khe hở băng tần Trở kháng bề mặt cao thì sóng phẳng sẽ bị phản xạ với pha đảo lại, điều này xảy ra như ở chất dẫn điện lý tưởng perfect electric conductor (PEC)

1.2.2 Mô hình đường truyền dẫn cho sóng bề mặt

Một phương pháp khác được sử dụng để phân tích cấu trúc EBG là sử dụng phương pháp đường truyền dẫn theo chu kỳ (hình 1.6) Trở kháng được tính dựa trên lý thuyết đường truyền dẫn Giữa 2 nút của cấu trúc tuần hoàn có 2 phân bố Zp và X.c

Hình 1.6 Mô hình đường truyền dẫn cho sóng bề mặt

u p

số khác nhau, hệ số lan truyền tương ứng được tính toán theo công thức 1.7 và vẽ được đồ hình phân tán

Công thức này dùng để phân tích cấu trúc EBG hình nấm và cấu trúc EBG phẳng đơn cực Tuy nhiên vấn đề của phương pháp này là xác định giá trị Zp và Xc tương ứng với những cấu trúc EBG thông thường với cấu trúc hình học bất kỳ Hơn nữa, phương pháp này chỉ dùng dể phân tích sóng bề mặt lan truyền theo phương ngang, chứ không ứng dụng được cho sóng tới là sóng phẳng

1.2.3 Mô hình đường truyền dẫn cho sóng phẳng

16

Hình 1.7: Mô hình đường truyền dẫn cho sóng tới là sóng phẳng

Để tính pha phản xạ của sóng tới là sóng phẳng với góc tới

và hướng phân cực bất kỳ, ta khai triển cấu trúc EBG ra thành bề mặt chọn lọc tần số hay các tấm được sử dụng như phương tiện ngăn cách giữa bề mặt chọn lọc tần số và mặt phẳng đất

Trở kháng bề mặt cấu trúc EBG Zs được chia thành 2 phần:

Zd (trở kháng lưới bề mặt chọn lọc tần số) và Zg (trở kháng tấm) Khi đó:

.

g d s

Z Z Z

,

0

TE TM d

Z  j hc  (1.12)

17

Trở kháng lưới Zg của FSS phụ thuộc vào mỗi cấu trúc hình học riêng được sử dụng trong thiết kế Với một mảng của miếng kim loại, nó được tính toán như sau:

trong trường hợp PMC Tuy nhiên bề mặt PMC không tồn

tại trong tự nhiên

Với PEC, trường E tiếp tuyến tổng phải bằng 0 mới thỏa mãn điều kiện biên Do đó trường E phản xạ và trường E tới cần phải ngược nhau Hệ số pha = 1800 trong trường hợp PEC Với PMC (perfect magnetic conductor), trường H tiếp tuyến tổng phải bằng 0, do đó, trường H phản xạ và trường H tới cũng phải ngược dấu nhau trong khi trường E phản xạ và trường E tới cùng dấu Hệ

số phản xạ tương đương bằng 1 và pha phản xạ tương ứng bằng 0

profile trên bề mặt EBG

Pha phản xạ EBG: sóng tới thông thường

19

Hình 1.8 Mô hình cấu trúc EBG cho tính chất pha phản xạ

Hình 1.8 biểu diễn mô hình một đơn vị ô cho tính toán pha phản xạ với sóng tới thông thường Một đơn vị đơn của cấu trúc EBG với điều kiện biên tuần hoàn (PBC) trên 4 mặt là mô phỏng

mô hình cấu trúc tuần hoàn hữu hạn Lớp hợp lý tưởng (perfectly matched layers PLM) được đặt vào 0.55λ trên EBG để hấp thụ năng lượng phản xạ Công thức trường tổng/trường phân tán được

sử dụng để hợp sóng phẳng thành miền tính toán Sóng phẳng tới thông thường bắt đầu trên bề mặt kết nối ảo được đặt 0.4lamđa trên EBG giữa bề mặt Mặt phẳng quan sát được đặt trên vùng trường phân tán để ghi trường phản xạ từ bề mặt EBG, và chiều cao của

mặt phẳng quan sát là 0.5 λ

Mặt phẳng quan sát thường được thiết lập từ bề mặt EBG Nguyên nhân là sự tồn tại của các hài bậc cao gần bề mặt EBG Khi mặt phẳng quan sát được đặt gần bề mặt EBG thì kết quả luôn bị ảnh hưởng của các mode bậc cao Những hài bậc cao này có một số sóng lớn theo phương tuần hoàn và số sóng tương ứng trên phương ngang luôn là ảo Kết quả là độ mạnh trường của các mode sóng bậc cao suy giảm theo phương ngang Khi mặt phẳng quan sát

được thiết lập từ bề mặt EBG thì ảnh hưởng đó sẽ là nhỏ nhất

Với những vị trí khác nhau của mặt phẳng quan sát và bề mặt EBG phản xạ thì câu hỏi được đặt ra là làm thế nào để khôi phục pha phản xạ chính xác trên bề mặt EBG Để giải quyết vấn đề này,

ta sử dụng bề mặt PEC Trường phân tán từ một bề mặt PEC được tính toán dựa trên phương pháp FDTD Cần chú ý rằng, bề mặt PEC được đặt ở độ cao giống như bề mặt đỉnh EBG trong khi mặt

20

phẳng quan sát vẫn vậy.Pha phản xạ từ cấu trúc EBG được chuẩn

hóa từ pha phản xạ từ bề mặt PEC:

phép phương pháp tương tự được áp dụng trong đo đạc

Cấu trúc EBG cũng phân tích sự phản xạ sóng phẳng Hình 1.9 biểu diễn FDTD tính đường cong pha phản xạ Quan sát thấy pha phản xạ của bề mặt EBG giảm liên tục từ 180o

đến -180o khi tần số tăng Tại vùng tần số thấp và tần số cao, bề mặt EBG cho pha giống như PEC Tại tần số 5.74GHz, bề mặt EBG biểu diễn pha phản xạ tiến gần đến 0o, tương tự bề mặt PMC Thêm và đó những pha phản xạ khác cũng có thể được thực hiện bởi bề mặt EBG Ví dụ 90o

pha phản xạ đạt được quanh tần số 4,82 GHz

21

Hình 1.9 Mô phỏng pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm với sóng tới thông thường Pha 0o

đạt được ở tần số 5,74GHz

Pha phản xạ EBG: sóng tới xiên góc

Pha phản xạ của cấu trúc EBG biến đổi theo góc tới và trạng thái phân cực Ta xét cả 2 trạng thái phân cực TE và TM, với cả 2 phương pháp FDTD split-field và phương pháp FDTD hằng số kx

Sóng tới TE, điện trường được đặt theo phương y và sóng phẳng tới theo phương xz Góc tới là góc giữ vecto truyền sóng và trục z, thay đổi trong phạm vi từ 0 đến 90o Miền EBG tương tự như trước và hình 1.10 so sánh kết quả với các góc tới 00

, 300, 600 Khi góc tới tăng, tần số cộng hưởng tăng từ 5,74GHz đến 5,89GHz với góc tới 300

và 6,23GHz với góc tới 60o Cũng phải chú ý rằng sườn gần cộng hưởng cũng dốc hơn khi góc tới tăng

22

Hình 1.10 Mô tả pha phản xạ của cấu trúc EBG mushroom-like cho

sóng tới TE với các góc tới khác nhau

Với sóng tới TM, từ trường được đặt theo phương y và sóng phẳng tới theo mặt phẳng xz Hình 1.11 biểu diễn FDTD mô tả kết quả với góc tới 00

, 300, 600 Ta thu được đường cong pha phản xạ Tần số cộng hưởng thấp hơn tần số ban đầu và những tần số khác thì cao hơn Khi góc tới tăng, tần số cộng hưởng thấp hơn giảm từ 4,8GHZ (30o) đến 4,56GHz(60o) trong khi tần số cộng hưởng cao tăng từ 6,34GHz( 30o) đến 7,28GHz(60o) Phân cách tần số giữa 2

tần số cộng hưởng tăng khi góc tới tăng

23

TM và TE cho kết quả khác nhau khi tồn tại thanh nối dọc đặt tại trung tâm miếng kim loại của EBG Với sóng tới TE, điện trường vuông góc với thanh nối Do vậy, điều kiện biên không đổi

và thanh nối trung tâm không ảnh hưởng dến sóng TE Pha phản xạ

chỉ được xác định bởi dòng cảm trên miếng kim loại

Với sóng tới TM, trường E có một thành phần dọc song song với thanh nối Cường độ dòng thay đổi với góc tới Pha phản xạ được xác định bởi dòng trên miếng kim loại lẫn dòng trên thanh

nối

Hình 1.11 FDTD mô tả pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm

cho sóng tới TM với các góc tới khác nhau

24

Pha phản xạ của sóng tới xiên cũng đƣợc chỉ ra trên mặt phẳng tần số kx

Sử dung hằng số kx cho điều kiện biên tuần hoàn,

mô phỏng FDTD cho 101 giá trị kx khác nhau từ 0 đến 251,3 radian/m Pha phản xạ cũng đƣợc tính tại mỗi tần số và kx Kết quả với sóng TE đƣợc vẽ trên hình 1.12 và của TM trên hình 1.13

Hình 1.12 FDTD mô tả pha phản xạ TE của EBG trên mặt phẳng tần số kx

25

Hình 1.13 FDTD mô tả pha phản xạ TM của EBG trên mặt phẳng

tần số kx Cần chú ý là chúng ta chỉ quan tâm đến vùng sóng phẳng,

26

1.3 Phương pháp phân tích cấu trúc EBG

Có 3 phương pháp chính để phân tích cấu trúc EBG Đó là :

 Mô hình phần tử tập trung

 Phương pháp đường truyền dẫn tuần hoàn

 Phương pháp số hóa sóng đầy đủ

Phương pháp mô hình phần tử tập trung: là phương pháp đơn giản

nhất, miêu tả cấu trúc EBG như một mạch cổng hưởng LC Giá trị L

và C được xác định bởi cấu trúc hình học của EBG và động thái cộng hưởng của nó được sử dụng để giải thích những đặc thù của cấu trúc EBG Mô hình này dễ hiểu nhưng kết quả chính xác không cao bởi sự xấp xỉ đơn giản của L và C

Hình 1.14: Mô hình mạch LC cho phân tích cấu trúc EBG

Phương pháp đường truyền dẫn tuần hoàn: là một phương pháp

phổ biến được dùng để phân tích cấu trúc EBG