ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu, từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát triển, nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là nhanh, chính xác và xa. Trong khi đó, nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thì không thể đáp ứng được vì khả năng hạn chế và sự rủi ro. Chính từ nhu cầu đó đã thôi thúc con người phải tìm ra cách thức liên lạc mới và đến năm 1837, Samuel Morse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện gây nên tiếng (tich te). Với phát minh này, nó đã làm giảm đi nhiều độ rủi ro của thông tin. Tuy nhiên, nó vẫn bị hạn chế bởi khoảng cách xa và cho đến năm 1894, Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả trong chân không đó là sóng điện từ thì thông tin đã có thể khắc phục được hạn chế bởi khoảng cách địa lý. Điều này được thực tế hoá bởi Maconi, ông đã thành công trong việc truyền tín hiệu Morse bằng sóng vô tuyến qua Đại Tây Dương vào năm 1902. Sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng trong viễn thông sau này. Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của anten một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu. Anten cũng đã xuất hiện từ lâu có thể nói nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới. Anten dần trở nên phổ biến từ khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc tivi đèn hình, tất cả đều sử dụng đến nó. Lúc đó, anten có cấu tạo rất đơn giản chỉ là những chiếc anten đơn cực sau dần là hệ thống anten Yagi được ứng dụng rất nhiều và phổ biến. Để đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng phát triển thì công nghệ anten cũng phải phát triển theo, điển hình là những ứng dụng truyền đi xa như thông tin vệ tinh thì anten phải thiết kế sao cho truyền được tín hiệu đi xa mà không tốn nhiều công suất phát, có thể sử dụng anten parabol để thu phát vì với loại anten này nó có độ lợi cao và độ định hướng lớn. Ngoài ra, không thể không nói đến xu hướng của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng. Đây là những điều tất yếu và anten cũng vậy nó cũng phải nhỏ gọn để đáp ứng được yêu cầu trên, chính vì vậy mà từ những năm 70 công nghệ anten mạch dải đã được nghiên cứu và phát triển. Đặc điểm nổi bật của anten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, và đặc biệt là dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu. Những đặc tính trên đã giúp antnen mạch dải được quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện tại nó được

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Hoàng Thị Phương Thảo, người

đã giúp đỡ em rất nhiều về định hướng nghiên cứu, hướng dẫn cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Cuốn đồ án này được hoàn thành theo đúng thời gian quy định của nhà trường cũng như của khoa không chỉ là sự nỗ lực của em mà còn sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy hướng dẫn, của các thầy cô và các anh chị trong khoa Điện Tử Viễn Thông

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô đã tận tình giảng dạy chúng em, đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử - Viễn Thông

Xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa đã giúp đỡ tôi rất nhiều mặt: như phương tiện, tài liệu , ý kiến đóng góp …

Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành đồ án này song cung không tránh khỏi những sai sót, mong thầy cô và các bạn đóng góp những ý kiến quí báu để đồ án được thành công hơn

Sinh Viên Thực Hiện Trịnh Hồng Đức

(Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Của giảng viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giảng viên phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – LÝ THUYẾT ANTEN 3

1.1/ Khái niệm về anten 3

1.2/ Hệ phương trình Maxwell 3

1.3/ Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 4

1.4/ Các thông số cơ bản của anten 5

1.4.1/ Trở kháng vào của anten 5

1.4.2/ Hiệu suất của anten 5

1.4.3/ Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích 6

1.4.4/ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 6

1.4.5/ Tính phân cực của anten 7

1.4.6/ Dải tần của anten 7

1.5/ Các hệ thống anten 8

1.6/ Phân loại anten 9

1.6.1/ Anten parabol 9

1.6.2/ Anten dipole 10

Chương 2 – ANTEN MẠCH DẢI 11

2.1/ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải 11

2.1.1/ Cấu tạo 11

2.1.2/ Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải 16

2.2/ Tính phân cực của anten mạch dải 17

2.3/ Băng thông của anten mạch dải 18

2.4/ Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải 19

2.5/ Nhược điểm của anten mạch dải và xu hướng phát triển 20

Chương 3 - TỔNG QUAN METAMATERIAL 22

3.1/ Định nghĩa Metamaterials 22

3.2/ Giới thiệu Metamaterials 22

3.3/ Đặc điểm của Metamaterials 22

3.3.1/ Đảo ngược hiệu ứng Doppler 28

3.3.2/ Đảo ngược hiện tượng khúc xạ 29

3.3.3/ Ảnh hưởng đến các hệ số Fresnel 32

3.3.4/ Đảo ngược sự hội tụ và phân kỳ trong thấu kính lồi và lõm 33

3.4/ Các cấu trúc của metamaterials 34

3.4.1/ Cấu trúc CRLH TLs đồng nhất lý tưởng 34

3.4.2/ Những đặc tính cơ bản của TL 35

3.4.3/ Xây dựng mô hình CRLH 1D 41

3.5/ Hướng phát triển của Metamaterial 43

3.5.1/ Những vật liệu “nhân tạo thực sự” 43

3.5.2/ Thấu kính và các thiết bị quang có chiết suất âm 44

3.5.3/ Thiết bị bảo vệ anten và bề mặt chọn lựa tần số 46

3.5.4/ MTMs linh hoạt 46

CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL 48

4.1/ Thiết kế anten metamaterial 48

KẾT LUẬN CHUNG 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Quy ước về các giải tần số

Bảng 1.2 Dải tần của các dịch vụ phổ biến

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát

Hình 1.2 Anten parabol

Hình 1.3 Anten dipole

Hình 2.1 Cấu tạo anten mạch dải

Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm

Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải

Hình 2.4 Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải

Hình 2.5 Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy

Hình 2.6 Tiếp điện bằng cáp đồng trục

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục

Hình 2.8 Tiếp điện bằng đường mạch dải

Hình 2.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng đường mạch dải

Hình 2.10 Tiếp điện bằng ghép khe

Hình 2.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe

Hình 2.12 Trường bức xạ E và H của anten mạch dải

Hình 2.13 Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải

Hình 3.4a Mô hình vật liệu plasma điện

Hình 3.4b Mô hình vật liệu plasma từ

Hình 3.4c Mô hình tổ hợp của vật liệu plasma điện và từ

Hình 3.5a Hiệu ứng Doppler ( > 0)

Hình 3.5b Hiệu ứng Doppler ngược ( < 0)

Hình 3.6 Đường đi của các tia khi đi qua bờ phân cách 2 vật liệu

Hình 3.7a Cả 2 vật liệu là RH

Hình 3.8 Điều kiện bờ giữa vật liệu thường và LH media

Hình 3.9a Thấu kính LH lồi là phân kỳ thì thấu kính RH lồi là hội tụ

Hình 3.9b Thấu kính LH lõm là hội tụ thì thấu kính RH lõm là phân kỳ

Hình 3.10 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục z

Hình 3.11 Cấu trúc CRLH TL không tổn hao

Hình 3.12a Đường phân tán và suy giảm trong cấu trúc CRLH theo 2 hướng của trục z Hình 3.12b Đường phân tán của PRH và PLH TLs theo hướng z+

Hình 3.13 Trở kháng đặc tính của CRLH trong trường hợp >

Hình 3.14a vận tốc pha và vận tốc nhóm trong PLH TL

Hình 3.14b vận tốc pha và vận tốc nhóm trong CRLH TL chưa cân bằng

Hình 3.15 CRLH sử dụng điện dung đan xen và điện cảm nối tắt với đất

Hình 3.16 Mặt trên của mẫu với 24 cell đơn vị

Hình 3.17a kết quả của mẫu có 9 cell trường hợp cân bằng

Hình 3.17b kết quả của mẫu có 7 cell trường hợp không cân bằng

Hình 3.18a Thấu kính có bề mặt là cong

Hình 3.18b Mô phỏng với thấu kính mặt cầu, mặt elip và mặt hyperbol

Hình 3.19 Mô phỏng truyền sóng của vật liệu RH/LH có cùng độ lớn chiết suất

Hình 4.1 Cấu trúc các cell đơn vị hình nấm

Hình 4.2 Sơ đồ tương đương của cấu trúc đường truyền

Hình 4.3 Cấu trúc anten metamaterial có 2 cell đơn vị

Hình 4.4 Hệ số S11(dB) của anten metamaterial 2 cell

Hình 4.5 Vector điện trường trên cấu trúc anten metamaterial 2 cell tại

Hình 4.6 Gain(dB) của anten 2 cell trong mặt phẳng = 0

Hình 4.7 Hệ số S11(dB) của anten metamaterial 4 cell đơn vị

Hình 4.8 Vector điện trường trên anten metamaterial 4 cell tại

Hình 4.9 Gain của anten metamaterial 4 cell trong mặt phẳng = 0

Hình 4.10 Anten Inductor-Loader TL 4 cell

Hình 4.11 Hệ sô S11(dB) của anten Inductor-Loader TL 4 cell

Hình 4.12 Vector điện trường của anten Inductor-Loader TL 4 cell tại

Hình 4.13 Hệ sô S11(dB) của anten metamaterial 4 cell ( = 4.2)

Hình 4.14 Hệ số S11 của anten 4 cell với r = 0.5mm

PLH Pure Left Handed

PRH Pure Right Handed

WLAN Wireless Local Area Network

HFSS Hight Frequency Structure Simulator

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu, từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi Trải qua quá trình phát triển, nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là nhanh, chính xác

và xa Trong khi đó, nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thì không thể đáp ứng được

vì khả năng hạn chế và sự rủi ro Chính từ nhu cầu đó đã thôi thúc con người phải tìm ra cách thức liên lạc mới và đến năm 1837, Samuel Morse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện gây nên tiếng (tich te) Với phát minh này, nó

đã làm giảm đi nhiều độ rủi ro của thông tin Tuy nhiên, nó vẫn bị hạn chế bởi khoảng cách xa và cho đến năm 1894, Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả trong chân không đó là sóng điện từ thì thông tin đã

có thể khắc phục được hạn chế bởi khoảng cách địa lý Điều này được thực tế hoá bởi Maconi, ông đã thành công trong việc truyền tín hiệu Morse bằng sóng vô tuyến qua Đại Tây Dương vào năm 1902 Sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng trong viễn thông sau này

Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của anten một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu Anten cũng đã xuất hiện từ lâu có thể nói

nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới Anten dần trở nên phổ biến từ khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc tivi đèn hình, tất cả đều sử dụng đến nó Lúc đó, anten có cấu tạo rất đơn giản chỉ là những chiếc anten đơn cực sau dần là

hệ thống anten Yagi được ứng dụng rất nhiều và phổ biến Để đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng phát triển thì công nghệ anten cũng phải phát triển theo, điển hình là những ứng dụng truyền đi xa như thông tin vệ tinh thì anten phải thiết kế sao cho truyền được tín hiệu đi xa mà không tốn nhiều công suất phát, có thể sử dụng anten parabol để thu phát vì với loại anten này nó có độ lợi cao và độ định hướng lớn Ngoài ra, không thể không nói đến xu hướng của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng Đây là những điều tất yếu và anten cũng vậy nó cũng phải nhỏ gọn để đáp ứng được yêu cầu trên, chính vì vậy

mà từ những năm 70 công nghệ anten mạch dải đã được nghiên cứu và phát triển Đặc điểm nổi bật của anten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao,

và đặc biệt là dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Những đặc tính trên đã giúp antnen mạch dải được quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện tại nó được

sử dụng rất rộng rãi như trong công nghệ di động, mạng WLAN, anten thông minh và hệ thống tích hợp siêu cao tần Tuy nhiên, anten mạch dải cũng có những nhược điểm là :

 Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp

 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten

 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối

 Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp

Để cải thiện được những nhược điểm trên đã có rất nhiều cách thức như hệ thống anten mảng (Array antenna) để tăng độ lợi cho anten, ngoài ra có thể điều khiển được búp sóng Ngoài ra còn có những cải thiện về vật chất cho anten một trong những cải thiện đó

là metamaterial vì nó có những đặc tính khác biệt so với các vật liệu thông thường như có

,  < 0 và có mode cộng hưởng sóng ngược… Những đặc tính đó sẽ được lần lượt giới thiệu trong đồ án

Em xin chân thành cảm ơn ThS Hoàng Thị Phương Thảo đã định hướng cho em làm đồ án này Em cảm ơn Cô đã có những góp ý, đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Chương 1 – LÝ THUYẾT ANTEN

1.1/ Khái niệm về anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v… cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu

Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dung để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu)

E Re(E e it)Ecos(t) (1.1a) hoặc EIm(E e it) Esin(t) (1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

e

i H rot    (1.2a)

H i E rot   (1.2b)



e E div  (1.2c)

Hệ thống gia công tín hiệu

Máy phát Thiết bị điều

chế Thiết bị xử lý Máy thu



H div (1.2d)

Elà biên độ phức của vector cường độ điện trường (V/m)

H là biên độ phức của vector cường độ từ trường (A/m)

là hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)

là hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

là điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

e

J là biên độ phức của vector mật độ dòng điện ( )

e

 là mật độ khối của điện tích ( )

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một

số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn,

hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như sau:

(1.4a)

m

J H i E

div  (1.4d)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H Trong phương trình nghiệm nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền

1.3/ Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để ví dụ, ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ

so với bước sóng Nếu đặt vào một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh

từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không

e

i H

còn ràng buộc với điện tích của hai má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ Phần năng lượng điện từ thoát khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

1.4/ Các thông số cơ bản của anten

1.4.1/ Trở kháng vào của anten

Trở kháng vào của anten bao gồm cả phần thực và phần kháng, là tỷ số giữa điện áp đặt vào anten và dòng điện trong anten

A A A

Ae

A A

I

P

R  (1.6) Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân

bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng

Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định; vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten

1.4.2/ Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa công suất bức xạ và công suất máy phát đưa vào anten hay

A

bx A

P

P



 (1.7) Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten Đối với anten có tổn hao thì < do đó < 1 Gọi công suất tổn hao là

th bx

P   (1.8) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá tị điện trở bức xạ và Vậy ta có:

 bx th

Ae A Ae

th bx bx th

bx

bx A

R R

R P

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn

tử đối xứng nửa bước sóng Hệ số định hướng của anten D( ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ điện trường tại điểm thu ứng với hướng ( ) nào đó:

)0(

),()

0(

),(),

2 1 1 1

1

E

E P

P D

bx

bx    



   (1.11) Trong đó:

D( là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (

( và là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét

E( và E(0) là cường độ điện trường tương ứng của chúng

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( lần công suất bức xạ của anten vô hướng để có được điện trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(

Hệ số tăng ích của anten G( chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ điện trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (

),()

,(   D 

G  A (1.12)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten Từ (1.12) có thể thấy, hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được theo công thức sau:

A A

bx P G

P  (1.13)

1.4.4/ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyến ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP

T

T G P EIRP  (W) Trong đó: là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten

là hệ số tăng ích của hệ thống anten có hướng tính

Hệ số tăng ích của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten Công suất bức xạ đẳng hướng là công suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem = 1 Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn

1.4.5/ Tính phân cực của anten

Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector E H

, có biên độ và pha biến đổi Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ, để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện

ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường

bé hơn nhiều so với thành phần đứng

1.4.6/ Dải tần của anten

Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten nhân các giá trị trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn của anten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số công tác

Thường dải tần được chia thành 4 nhóm:

 Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

%10

 Anten dải tần tương đối rộng:

%50

%10

 Anten dải tần rộng:

45

.1

min



f f

Trong đó: = -

1.5/ Các hệ thống anten

 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh

 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa

 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)

 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học

Bảng 1.1 Quy ước về các dải tần số

Dải tần số Tên, ký hiệu 3–3KHz Very Low Freq (VLF) 30–300KHz Low Freq (LF) 300-3000KHz Medium Freq (MF) 3–30MHz High Freq (HF) 30–300MHz Very High Freq (VHF) 300–3000MHz Ultra High Freq (UHF) 3–30GHz Super High Freq (SHF) 30–300GHz Extremly High Freq

(EHF)

Bảng 1.2 Dải tần của các dịch vụ phổ biến

Các dịch vụ vô tuyến Dải tần

1.6/ Phân loại anten

1.6.1/ Anten parabol

Hình 1.2 Anten parabol

Anten gương là những anten mà đặc trưng được hình thành do sự phản xạ sóng điện từ trên mặt gương (mặt phản xạ) Người ta thường dùng các anten có tính định hướng yếu làm nguồn phát xạ sóng điện từ (bộ chiếu xạ) trong các anten này Gương và

bộ chiếu xạ là những yếu tố cơ bản của anten gương

Anten gương là một loại anten có những đặc trưng và tham số rất tốt trong dải sóng siêu cao tần Người ta dùng nó trong radar thu vệ tinh, vô tuyến điện…

Mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) với hướng tính kém thành sóng phẳng hoặc sóng gần phẳng, với năng lượng tập trung trong một góc hẹp không gian Khi đó sẽ tạo nên một trường đồng pha ở trên mặt mở có kích thước lớn Vì thế mà anten có tính định hướng cao

1.6.2/ Anten dipole

Hình 1.3 Anten dipole

Dipole chính là anten đẳng hướng bởi vì chúng phát ra năng lượng một cách đều nhau theo mọi hướng xung quanh trục của nó Dipole có thành phần phát sóng chỉ dài 1 inch thực hiện chức năng tương tự như tai thỏ ở TV Khi tần số cao hơn thì bước sóng và anten trở nên nhỏ hơn

Dipole bức xạ một cách đồng đều theo mọi hướng xung quanh trục của nó, nhưng lại không bức xạ dọc theo chiều dài của chính nó; vì thế đã tạo nên hình bánh rán Nếu anten dipole được đặt ở trung tâm của một tầng (trong nhà có nhiều tầng) thì năng lượng của chúng sẽ được phát ra dọc theo chiều dài của tầng đó và một phần đáng kể sẽ phát lên tầng ở trên và tầng bên dưới

Chương 2 – ANTEN MẠCH DẢI

2.1/ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải

Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc mạch dải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởi Deschamps, tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vào thực tế Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell và Munson Với những ưu điểm như nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, và đặc biệt là khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh…

2.1.1/ Cấu tạo

Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe Mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương

tự như một màng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là anten mạch in

Hình 2.1 Cấu tạo anten mạch dải

Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi Tùy thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau Có 4 dạng cơ bản đó là:

 Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna): gồm có tấm dẫn điện ở trên một phía của tấm điện môi Tấm dẫn điện có thể là hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình elip hay hình tam giác, hình vòng nhẫn

Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm

 Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna): gồm có các tấm dẫn diện giống như anten mạch dải dạng tấm; tuy nhiên, anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả hai phía của tấm điện môi

Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải

 Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna): gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất Khe hẹp này có thể là bất cứ hình dạng gì; tuy nhiên thông thường là dạng hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên

Hình 2.4 Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải

 Anten mạch dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna): gồm các đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của tấm điện môi

Hình 2.5 Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy

Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải: dùng cáp đồng trục, đường mạch dải và ghép khe

 Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm dẫn điện Nếu

tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng 0 Có thể tính tọa độ tiếp điểm theo công thức sau:

2

W

Y f  (2.1)

)(

2 l

L X

re f



 (2.2)

)121(2

12

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục

 Tiếp điện bằng đường mạch dải: phương pháp này dễ thực hiện hơn cách tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải có độ dài , với là bước sóng trong đường truyền được xác định với công thức:

2 2

2

')

/'()'/(

22

L L

Hình 2.8 Tiếp điện bằng đường mạch dải

Hình 2.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng đường mạch dải

 Tiếp điện bằng ghép khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng Ta ghép giữa

đường mạch dải 50Ω với trở kháng vào của anten bằng khoảng cách s, khoảng

cách này sẽ như là thành phần điện dung C

Hình 2.10 Tiếp điện bằng ghép khe

Hình 2.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe 2.1.2/ Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải

Sóng điện từ fring off từ tấm phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản xạ

trên mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên Trường bức xạ xảy ra chủ yếu do trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất

Hình 2.12 Trường bức xạ E và H của anten mạch dải

Phụ thuộc vào từng cấu trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng Nếu cấu trúc sử dụng như một anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng không gian Còn nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn sóng Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao không mong muốn nhưng đôi khi vẫn có những ứng dụng loại sóng này như leaky antenna

 Sóng không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại Những sóng này có thể bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng cách 1/r Trong cấu trúc mạch dải thì sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa trên vì màn chắn kim loại đã ngăn không cho bức xạ xuống không gian phía dưới

 Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn dẫn điện và phiến kim loại

 Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn kim loại theo góc nhỏ hơn góc tới hạn Sau khi phản xạ từ màn chắn, một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi – không khí, khiến cho một phần năng lượng rò

ra khỏi lớp điện môi

 Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt và bên trong lớp điện môi Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn điện môi – không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong sợi cáp quang

2.2/ Tính phân cực của anten mạch dải

Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, nó

thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện Tùy vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten mạch dải là trường phân cực thẳng Anten khe là một dạng đơn gian nhất của anten phân cực thẳng

2.3/ Băng thông của anten mạch dải

Độ rộng băng thông của anten mạch dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên

mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra

Độ rộng băng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp Ví dụ, độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thức kinh nghiệm sau:

4 2 t f

f (2.4)

Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi

Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.1 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten

2.4/ Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải

Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là phượng

pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản, còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp được áp dụng

cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp

Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi anten mạch dải hình chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm mạch dải) và đặt song song cách nhau một khoảng L Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ Khi chọn L = ⁄ do vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử mạch dải nửa sóng

Hiện nay ngoài các phương pháp trên còn có phương pháp FDTD, phương pháp này được công bố bởi Yee năm 1966 là phương pháp đơn giản nhưng hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell FDTD đặc biệt có thể mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các tham số tác động lên anten Trong phần thiết kế để đơn giản, ta xét mô hình tấm mạch dải hình chữ nhật được tiếp điện bằng cáp đồng trục Trước tiên, ta bắt đầu với 3 thông số bắt buộc cơ bản đó là: tần số hoạt động (tần số cộng hưởng này có thể chọn tuỳ vào từng ứng dụng), hằng số điện môi, độ dày điện môi Sau đây sẽ là các bước tính toán thiết kế

 Tính toán độ rộng W của tấm mạch dải theo công thức:

 (2.5)

 Tính toán hằng số điện môi hiệu dụng:

2 / 1

1212

12

258.0(

)264.0)(

3.0(

412.0

W h

L eff 2 (2.9)

 Tính toán chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng đất:

L h

L g 6  (2.10a)

W h

W g 6  (2.10b)

 Tính toán vị trí tiếp điện: Vị trí của tiếp điện được tính theo công thức (2.1) và (2.2)

2.5/ Nhược điểm của anten mạch dải và xu hướng phát triển

Ngoài những ưu điểm của mạch dải thì cần phải kể đến những nhược điểm của loại anten này như:

 Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp

 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten

 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối

 Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp

Trên đây là một số những nhược điểm của anten mạch dải vì vậy xu hướng là cải thiện được những nhược điểm này Anten vi dải có độ lợi thấp do đó cần phải sử dụng

đến nhiều anten mạch dải để tăng độ lợi và ngoài ra hệ thống này có thể điều khiển được búp sóng (anten thông minh) Để cải thiện băng thông hẹp ta có thể thiết kế anten mạch dải nhiều band (multi band) đây chính là hướng đi trong những năm tới đáp ứng được nhiều dịch vụ di động Vấn đề này được đề cập rõ hơn trong chương 4

Chương 3 - TỔNG QUAN METAMATERIAL

3.1/ Định nghĩa Metamaterials

Metamaterials (theo tiếng Hy Lạp là “ beyond ”) là những loại vật liệu nhân tạo có những đặc tính khác biệt so với vật liệu thông thường có trong tự nhiên

3.2/ Giới thiệu Metamaterials

Khác với vật liệu thiên nhiên như các chất vô cơ, hữu cơ, kim loại và oxit kim loại, siêu vật liệu là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí những đơn vị cấu trúc sao cho chiết suất quang học có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm

Vật liệu nhân tạo này được biểu hiện bằng tiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là "vượt" Siêu vật liệu "vượt" qua những vật liệu thiên nhiên nằm ở

ý nghĩa là khi đơn vị cơ bản của vật chất như chúng ta thường biết là phân tử, thì trong siêu vật liệu là những đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét đến nanomét Hình dáng, kích thước và cách sắp xếp của những đơn vị này được tính toán để thích ứng cho một ứng dụng do sự tương tác giữa siêu vật liệu và sóng điện từ (ánh sáng) Siêu vật liệu

có chiết suất âm có ngay một tiềm năng ứng dụng là chế tạo ra "siêu thấu kính" (superlens) Các thấu kính quang học bình thường không cho hình ảnh rõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng do sự nhoè nhiễu xạ Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) thì ảnh của vật nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè Tuy nhiên, siêu thấu kính có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhoè ảnh

3.3/ Đặc điểm của Metamaterials

Những vật liệu tự nhiên như gỗ, thuỷ tinh, kim cương… thông thường đều có hằng

số điện môi, độ từ thẩm là dương (ε > 0, µ > 0) và chiết suất n > 0 Tuy nhiên, vào năm

2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và Coworkers đã chứng minh là có thể chế tạo được vật liệu mới có chiết suất n < 0 Sự việc đó đã dần hiện thực hoá lý thuyết

về vật liệu mới của nhà khoa học người Nga Veselago Victor Georgevick, ông đã ra đưa

lý thuyết này vào năm 1968

Ta có mối quan hệ giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm là:

n = εµ trong đó ε < 0 và µ < 0 (3.1)

Điều này vẫn bảo đảm công thức trên là đúng nhưng câu hỏi đặt ra là nguyên lý động lực học của vật liệu có ε < 0 và µ < 0 có khác với nguyên lý động lực học của vật liệu thông thường (ε > 0 và µ > 0) Có thể có 3 câu trả lời:

 Không có sự khác biệt bởi vì nguyên lý động lực học không thay đổi nếu ε và µ cùng đổi dấu

 Hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng giá trị âm là không thể bởi vì nó đối nghịch với các nguyên tắc cơ bản

 Hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng giá trị âm là có thể nhưng nguyên lý động lực học của những vật liệu này sẽ khác với các vật liệu có (ε > 0 và µ > 0)

Có thể thấy câu trả lời thứ ba là đúng Áp dụng phương trình Maxwell:

t

D c H rot

t

B c E

k

H c E

Nhớ rằng vector Pointing luôn được xác định theo quy tắc bàn tay phải với E H

,

S E H



 (3.4)

Và hướng của vector vận tốc pha vp

trùng với hướng vector sóng k 

Nhưng trong khi đó, hướng của vector vận tốc nhóm vg

cùng hướng với vector Pointing s Vì vậy

mà vector vận tốc pha và vector vận tốc nhóm là ngược hướng nhau khi hằng số điện môi

và độ từ thẩm là cùng âm (ε < 0 và µ < 0) Ngược lại, khi mà vật liệu nào đó có vận tốc pha và vận tốc nhóm là ngược pha nhau thì ta nói vật liệu đó có đặc tính là có ε < 0 và µ

< 0

Hình 3.1 c) Mô tả hướng của vector Pointing S và vector sóng k trong cả 2 vật liệu

Sự không cùng hướng của vector vận tốc pha và vector vận tốc nhóm có một số ảnh hưởng đến hiện tượng vật lý vẫn thường gặp Vấn đề này sẽ được nói rõ ở phần sau, sau đây chỉ là một trong những ảnh hưởng cơ bản nhất của nó để chỉ ra rằng chiết suất cũng

có thể là một số âm

Như đã biết, thông thường một tia sáng đến gặp bờ phân cách giữa 2 môi trường khác nhau tia sáng sẽ bị khúc xạ theo đường 1-4 như trên hình vẽ:

Hình 3.2 Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách

Tuy nhiên, khi vận tốc pha và vận tốc nhóm không cùng hướng thì điều lạ lùng xảy

ra là tia sẽ bị lệch đi theo hướng 1-3 Vì vậy, nếu muốn giữ nguyên công thức về hiện tuợng khúc xạ (Định luật Snellius):

Dấu “+” khi vật liệu là thông thường có ε > 0 và µ >0 và dấu “-“ khi vật liệu có ε <

0 và µ < 0 Hay có thể viết lại cho gọn là: