Nghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệu

Nghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệuNghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐẶNG NHƯ ĐỊNH

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ LỌC THÔNG DẢI, BỘ CHIA CÔNG SUẤT, ANTEN SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP, VÒNG CỘNG HƯỞNG VÀ HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐẶNG NHƯ ĐỊNH

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ LỌC THÔNG DẢI, BỘ CHIA CÔNG SUẤT, ANTEN SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP, VÒNG CỘNG HƯỞNG VÀ HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành 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 đạt được đảm bảo tính chính xác và trung thực

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đào Ngọc Chiến và TS Hoàng Phương Chi, người đã trực tiếp hướng dẫn và định hướng khoa học cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu Thầy Cô đã dành nhiều thời gian, công sức và tâm huyết hỗ trợ mọi mặt để tôi hoàn thành luận án theo đúng kế hoạch đã đặt ra

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu Cảm ơn tập thể anh chị em NCS của Viện và LAB 608 đã tận tình động viên, hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, đồng chí, đồng đội và cơ quan công tác đã luôn động viên, khích lệ tôi trong thời gian vừa qua để tôi có thêm nghị lực vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii

MỞ ĐẦU xiv

1 Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô-đun siêu cao tần xiv

2 Những vấn đề còn tồn tại xvi

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu xvii

3.1 Mục tiêu nghiên cứu xvii

3.2 Đối tượng nghiên cứu xviii

3.3 Phạm vi nghiên cứu xviii

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án xviii

5 Cấu trúc nội dung của luận án xix

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Siêu vật liệu điện từ 1

1.2.1 Định nghĩa 1

1.2.2 Đặc điểm 1

1.3 Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL 6

1.3.1 Những đặc tính cơ bản của đường truyền siêu vật liệu 6

1.3.2 Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng 11

1.3.3 Mạng LC bậc thang 12

1.3.4 Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL 14

1.3.5 Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ 15

1.4 Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ 17

1.4.1 Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR) 18

1.4.2 Bộ cộng hưởng vòng hở mở (OSRR) 20

1.5 Hiệu ứng viền của siêu vật liệu 20

1.5.1 Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền 20

1.5.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện

tích bất kỳ 21

1.6 Ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong thiết kế mô-đun siêu cao tần 22

1.6.1 Bộ lọc thông dải 22

1.6.2 Anten vi dải 25

1.6.3 Bộ chia công suất 28

1.7 Tổng kết chương 30

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI, ANTEN, BỘ CHIA CÔNG SUẤT PHẲNG SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP VÀ VÒNG CỘNG HƯỞNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU 31

2.1 Giới thiệu chương 31

2.2 Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở 31

2.2.1 Phần tử siêu vật liệu CRLH dựa trên vòng cộng hưởng hở 33

2.2.2 Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR 34

2.2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 36

2.2.4 Kết luận 42

2.3 Anten siêu vật liệu tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng ứng dụng cho hệ thống WLAN 42

2.3.1 Thiết kế anten siêu vật liệu dựa trên cấu trúc CRLH phẳng 43

2.3.2 Kết quả và thảo luận 45

2.3.3 Kết luận 51

2.4 Bộ chia công suất Bagley Polygon phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL 51 2.4.1 Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 thông thường 52

2.4.2 Thiết kế bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL 53

2.4.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 55

2.4.4 Kết luận 58

2.5 Tổng kết chương 58

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ ANTEN ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU 60

3.1 Giới thiệu chương 60

3.2 Bộ lọc thông dải đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu 61

3.2.1 Mô hình bộ lọc ba băng tần 62

3.2.2 Tính toán lý thuyết 65

3.2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 69

3.2.4 So sánh với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố 72

3.2.5 Kết luận 72

3.3 Anten đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu 73

3.3.1 Phân tích và tính toán hiệu ứng viền trong anten đa băng tần 73

3.3.2 Kết quả và thảo luận 81

3.3.3 Kết luận 85

3.4 Anten hai băng tần dải rộng có kích thước nhỏ gọn sử dụng hiệu ứng viền kết hợp với cấu trúc CRLH TL 86

3.4.1 Mô hình anten đề xuất 86

3.4.2 Tính toán lý thuyết 88

3.4.3 Kết quả và thảo luận 91

3.4.4 Kết luận 96

3.5 Tổng kết chương 97

KẾT LUẬN 99

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ATL Artificial Transmission Line Đường truyền dẫn nhân tạo

BC-SRR Broadside Coupled Split Ring

BPD Bagley Polygon Divider Bộ chia công suất Bagley polygon

CRLH Composite Right-Left Handed Cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp

CRLH TL Composite Right-Left Handed

Transmission line

Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ phức hợp

CSRR Complementary Split Ring

DS-SRR Double Slit Split Ring

D-CRLH TL Dual - Composite Right-Left

Handed Transmission line

Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu

GSM Global System for Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HFSS High Frequency Structral

Simulator

Phần mềm mô phỏng cấu trúc tần số cao

LH Left-handed material Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái

(Siêu vật liệu)

NRI Negative Refractive Index Chỉ số khúc xạ âm

OSRR Open Split Ring Resonator Bộ cộng hưởng vòng hở mở

PLH Purely Left Handed Vật liệu thuần LH

PRH Purely Right Handed Vật liệu thuần RH (Vật liệu thông

thường)

RH Right-handed material Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải

(Vật liệu thông thường)

SRR Split Ring Resonator Vòng khuyết cộng hưởng

TEM Transverse Electromagnetic Điện từ ngang

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Sự tương tác mạng diện rộng bằng sóng vô tuyến

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 (a) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của vật liệu thông thường, (b) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của loại vật liệu mới 3

Hình 1.2 Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách 3

Hình 1.3 Hệ tọa độ ( , ) 4

Hình 1.4 Mô hình vật liệu plasma điện [84] 4

Hình 1.5 Các cấu trúc LH thực nghiệm đầu tiên [14] 5

Hình 1.6 Mô hình vật liệu plasma từ [85] 5

Hình 1.7 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục 6

Hình 1.8 Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH TL thông thường không tổn hao [14] 7 Hình 1.9 Đồ thị tán sắc của cấu trúc CRLH (a) năng lượng truyền theo hai hướng của trục dương và âm, (b) So sánh năng lượng truyền của CRLH, PRH và PLH theo hướng

dương [14] 9

Hình 1.10 Trở kháng đặc tính của CRLH trong trường hợp > [14] 10

Hình 1.11 Cấu trúc CRLH TL cộng hưởng cân bằng (a) Sơ đồ mạch tương đương, (b) Đường cong tán sắc [14] 12

Hình 1.12 Một phần tử đơn vị của đường truyền CRLH ở dạng mạch LC (a) Dạng tổng quát (Không cân bằng), (b) Cân bằng ( ) [14] 12

Hình 1.13 Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ [14] 13

Hình 1.14 Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng [14] 14

Hình 1.15 Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL [11] 14

Hình 1.16 Sơ đồ tương đương của một phần tử đơn vị đường truyền CRLH TL thông thường 16

Hình 1.17 (a) Mô hình đường truyền CRLH dạng cấu trúc hình nấm, (b) Sơ đồ tương đương 17

Hình 1.18 SRR và các thông số kích thước cơ bản: (a) Dạng hình tròn, (b) Dạng hình vuông, và (c) Sơ đồ mạch tương đương [109] 18

Hình 1.19 Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng của SRR vào độ rộng của SRR [109] 19

Hình 1.20 Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR và sơ đồ mạch tương đương [76] 20

Hình 1.21 Hiệu ứng viền của siêu vật liệu 21

Hình 1.22 (a) Miền diện tích chưa được cộng hưởng, (b) Miền diện tích đã được cộng hưởng 22

Hình 1.23 (a) Mô hình đường truyền siêu vật liệu CPW dựa trên cấu trúc SRR, (b) Kết quả đo đáp ứng tần số của mô hình [77] 23

Hình 1.24 Mô hình của một phần tử đơn vị cộng hưởng dựa trên cấu trúc CSRR [77] 23

Hình 1.25 (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu với cấu trúc SRR không cân bằng dạng biến đổi ở mặt trên và mặt đế không hoàn hảo, (b) Kết quả mô phỏng và đo tham số tán xạ và trễ nhóm [5] 24Hình 1.26 (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu dạng đường truyền cộng hưởng bậc không (ZOR) với cấu trúc răng lược, (b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc [52] 24Hình 1.27 (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu dạng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc vòng cộng hưởng hở, (b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc [38] 25Hình 1.28 (a) Mô hình anten hai băng tần với tải MTM, (b) Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số phản xạ của anten siêu vật liệu đề xuất và anten không có tải MTM [124] 25Hình 1.29 Mô hình anten lưỡng cực với tải MTM dạng vòng cộng hưởng hở bổ sung mở (OCSRR) [44] 26Hình 1.30 (a) Mô hình anten hai băng tần với tải MTM (b) Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số phản xạ của anten siêu vật liệu đề xuất và anten không có tải MTM [40] 27Hình 1.31 Anten siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH: (a) Mô hình anten đề xuất, (b)

Sơ đồ mạch LC tương đương [82] 27Hình 1.32 Bộ chia công suất khớp nối chữ T: (a) Cấu trúc thông thường, (b) Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất [95] 28Hình 1.33 (a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Mẫu chế tạo bộ chia công suất cân bằng ba băng tần [32] 29Hình 1.34 Bộ chia công suất 1:4 sử dụng bộ ghép giữa đường truyền vi dải và đường truyền dẫn có hệ số khúc xạ âm NRI-TL: (a) Sơ đồ nguyên lý bộ chia, (b) Mẫu chế tạo thực nghiệm [49] 29Hình 1.35 Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử dụng CRLH TL (a) Sơ đồ layout đoạn biến đối ¼ bước sóng sử dụng cấu trúc CRLH, (b) Mẫu chế tạo thực nghiệm bộ chia công suất [27] 30Hình 2.1 Mô hình các cấu trúc siêu vật liệu điện từ: (a) Cộng hưởng vòng hở, (b) Cộng hưởng vòng hở mở 33Hình 2.2 Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ tương đương của nó 33Hình 2.3 Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp dựa trên sự kết hợp một chuỗi các OSRR 34Hình 2.4 Thiết kế ban đầu của bộ lọc được đề xuất dựa trên việc kết hợp một chuỗi các OSRR thể hiện trong hình 2.3 35Hình 2.5 Thiết kế hoàn thiện bộ lọc thông dải băng rộng dựa trên OSRR với các nhánh dây chêm 36Hình 2.6 Các bước thực hiện để thiết kế bộ lọc đề xuất 36Hình 2.7 Đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM ở hình 2.3 37Hình 2.8 Hệ số từ thẩm và điện môi của cấu trúc ở hình 2.3: (a) Độ từ thẩm hiệu dụng μeff, (b) Hằng số điện môi hiệu dụng εeff 37Hình 2.9 Mẫu chế tạo bộ lọc thông dải đề xuất ban đầu không có dây chêm 38Hình 2.10 Mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S của bộ lọc đề xuất khi không có dây chêm 38

Hình 2.11 Mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của bộ lọc ở các bước thiết kế tương ứng 38

Hình 2.12 (a) Phân bố d ng bề mặt của bộ lọc OSRR không có đường dẫn mở tại dải chắn, (b) Phân bố d ng bề mặt của bộ lọc OSRR với các đường dẫn mở tại dải chắn 39

Hình 2.13 Phân bố d ng điện trong dải thông của bộ lọc khi có dây chêm 39

Hình 2.14 Mẫu chế tạo bộ lọc thông dải đề xuất với dây chêm 40

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S của bộ lọc đề xuất khi có dây chêm 40

Hình 2.16 Mô phỏng tham số tán xạ S của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm 40

Hình 2.17 Đo thực nghiệm tham số tán xạ S của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm 40

Hình 2.18 Mô phỏng trễ nhóm của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm 41

Hình 2.19 Mô hình anten đề xuất: (a) Anten_1, (b) Anten_2 44

Hình 2.20 Sơ đồ mạch LC tương đương của anten đề xuất 45

Hình 2.21 Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten khi có và không có tải: (a) Anten_1,(b) Anten_2 46

Hình 2.22 Mật độ phân bố d ng trên anten đề xuất tại tần số 2,45 GHz: (a) Anten_1, (b) Anten_2 46

Hình 2.23 Kết quả mô phỏng hệ số S11 của Anten_1 với các giá trị kích thước khác nhau: (a) Chiều dài của đường gấp khúc L_step, (b) Độ rộng của đường gấp khúc W2 47

Hình 2.24 Kết quả mô phỏng hệ số S11 của Anten_2 với các giá trị kích thước khác nhau: (a) Chiều dài của đường gấp khúc L_step, (b) Độ rộng của đường gấp khúc W2 47

Hình 2.25 Trở kháng vào của anten đề xuất: a) Anten_1, and b) Anten_2 48

Hình 2.26 Đồ thị bức xạ của anten đề xuất: a) Anten_1, và b) Anten_2 49

Hình 2.27 Mẫu chế tạo của hai anten đề xuất và anten vi dải tham khảo 50

Hình 2.28 Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của các mẫu anten chế tạo 50

Hình 2.29 Bộ chia Bagley Polygon 1:3 thông thường: a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Sơ đồ mạch tương đương [27] 52

Hình 2.30 Mô hình bộ chia BPD được đề xuất 53

Hình 2.31 Mô hình mạch tương đương của phần tử trong đường truyền CRLH ZOR không sử dụng cột nối kim loại [97] 53

Hình 2.32 Tham số tán xạ của bộ chia BPD được đề xuất 55

Hình 2.33 Kết quả mô phỏng S11 của mô hình đề xuất với các kích thước khác nhau: (a) độ rộng răng lược cw, (b) độ dài răng lược cl, (c) số lượng răng lược n, (d) chiều dài đường gấp khúc ll 56

Hình 2.34 Phân bố d ng điện của bộ chia đề xuất ở 2,275 GHz 57

Hình 3.1 Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất ở không gian ba chiều (a) và hai chiều (b) 63 Hình 3.2 Mô hình ống dẫn sóng phẳng hữu hạn [14] 64

Hình 3.3 Cấu trúc bộ lọc với thành phần cộng hưởng ST1: (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới 69

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của cấu trúc hai băng tần tương ứng với

sự thay đổi của tham số: (a) ws1, (b) ls3 69

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của bộ lọc với ST1 khi ws1 = 5 mm, và ls3 = 3 mm 70

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường E (bên trái) và mật độ phân bố dòng (bên phải) tại bề mặt của bộ lọc tại tần số: (a) 2,45 GHz, (b) 3,5 GHz và (c) 5,2GHz 71

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc thông dải ba băng tần đề xuất với đế điện môi 20 mm  20 mm 72

Hình 3.8 Mẫu chế tạo với kích thước đế điện môi 22 mm  22 mm và kết quả đo thực nghiệm tham số tán xạ 72

Hình 3.9 Mô hình anten có sử dụng hiệu ứng viền 74

Hình 3.10 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền gây ra bởi mode lên mode và 74

Hình 3.11 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền của mode và lên mode 76 Hình 3.12 Mô hình cấu trúc anten đa băng tần đề xuất 78

Hình 3.13 Mô hình mạch tương đương của anten đề xuất tương ứng với mode cộng hưởng thứ i 78

Hình 3.14 Mô hình tự tương hỗ giữa hai thành phần vi dải 79

Hình 3.15 Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đa băng tần đề xuất 82

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường (bên trái) và mật độ phân bố dòng (bên phải) của anten đề xuất tại các tần số trung tâm (a) 1,78 GHz, (b) 2,52 GHz, (c) 3,58 GHz 82

Hình 3.17 Mô phỏng hệ số S11 của anten với các giá trị khác nhau của (a) g1, (b) g2, (c) g3 83

Hình 3.18 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại các tần số: (a) 1,78 GHz, (b) 2,45 GHz, (c) 3,58 GHz 84

Hình 3.19 Mẫu chế tạo anten đề xuất 85

Hình 3.20 Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của mẫu anten đề xuất 85

Hình 3.21 Mô hình anten siêu vật liệu đề xuất 87

Hình 3.22 Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc anten đề xuất 87

Hình 3.23 Mô hình tính toán giá trị cuộn cảm: (a) Cuộn cảm , (b) Cuộn cảm 89

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng hệ số S11 của anten với các giá trị khác nhau của (a) độ rộng wk đường gấp khúc, và (b) khoảng ghép wc giữa đường gấp khúc và tấm bức xạ 92

Hình 3.25 Phân bố dòng của anten tại tần số: a) 2,45 GHz, và b) 5,5 GHz 92

Hình 3.26 Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đề xuất với đế điện môi dày 0,8 mm 93

Hình 3.27 Phân bố dòng của anten với đế điện môi dày 1,6 mm tại: a) 2,45 GHz, và b) 5,5 GHz 94

Hình 3.28 Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đề xuất với đế điện môi dày 1,6 mm 94

Hình 3.29 Đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại tần số: (a) 2,45 GHz, và (b) 5,5 GHz 95Hình 3.30 Mẫu anten chế tạo thực nghiệm: Mặt trước và mặt sau 96Hình 3.31 Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của mẫu anten 96

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh với một số cấu trúc bộ lọc thông dải đã đề xuất 41

Bảng 2.2 Tham số kích thước tối ưu của các anten đề xuất (Đơn vị: mm) 49

Bảng 2.3 So sánh với một số anten siêu vật liệu đã công bố 51

Bảng 2.4 Các thông số tối ưu của bộ chia được đề xuất 58

Bảng 3.1 Kích thước thiết kế tối ưu của bộ lọc ba băng tần 68

Bảng 3.2 So sánh bộ lọc đề xuất với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố 72

Bảng 3.3 Các tham số thiết kế tối ưu của anten ba băng tần đề xuất (Đơn vị: mm) 83

Bảng 3.4 Tham số kích thước tối ưu của cấu trúc anten đề xuất (Đơn vị: mm) 94

Bảng 3.5 So sánh với một số cấu trúc anten siêu vật liệu đã công bố 96

kế các mô-đun siêu cao tần khác như bộ lọc cao tần thụ động, bộ chia công suất, bộ ghép định hướng, v.v nhằm nâng cao khả năng tích hợp mô-đun siêu cao tần vào các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến

Nhiều mô hình mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất in trên đế điện môi đã được thiết kế và chế tạo thành công Tuy nhiên, trong thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch dải, chẳng hạn anten vi dải thì thông thường

là kích thước của anten phải lớn hơn hoặc xấp xỉ một phần tư bước sóng (λ/4) ở dải tần hoạt động Điều này có vẻ như không phù hợp khi kích thước λ/4 vẫn còn khá lớn so với kích thước ngày càng nhỏ gọn của thiết bị

Năm 2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và các đồng nghiệp đã chứng minh được rằng có thể tạo ra loại vật liệu mới có chiết suất âm (n<0) – gọi là siêu vật liệu điện từ (MTM) [107] Sự phát hiện này không chỉ mở ra nhiều cơ hội chế tạo các thiết bị mới với những đặc tính khác biệt mà c n đưa ra một hướng thiết kế mới trong việc thu nhỏ kích thước mô-đun siêu cao tần nhờ vào đặc tính ưu việt của cấu trúc MTM Cấu trúc siêu vật liệu điện từ, mà đặc trưng là cấu trúc đường truyền dẫn nhân tạo kết hợp giữa đường truyền vật liệu thông thường (RH TL) và đường truyền siêu vật liệu (LH TL) để hình thành đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL) Đặc tính của cấu trúc CRLH TL dạng thông thường là có thể tạo ra mode cộng hưởng có dải tần hoạt động thấp hơn mode cộng hưởng cơ bản của mô-đun siêu cao tần [14], do vậy, phần tử có thể hoạt động ở một dải tần số thấp hơn mà vẫn giữ nguyên kích thước Điều này giúp mô-đun siêu cao tần có kích thước rất nhỏ gọn, bên cạnh đó là khả năng hoạt động ở đa băng tần tùy theo việc sử dụng CRLH TL vào thiết kế

Với những ưu điểm trên, cấu trúc CRLH TL đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất

Vì vậy, cấu trúc đường truyền CRLH TL và các ứng dụng của nó trong kỹ thuật thiết kế mô-đun siêu cao tần đã trở thành một hướng nghiên cứu mới thu hút được sự quan tâm của

rất nhiều các nhà khoa học cũng như các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới Gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu, phát triển các mô hình mô-đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất, v.v dựa trên nguyên lý của siêu vật liệu điện từ:

 Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH TL) thông thường [3, 9, 72, 89, 91, 121, 123, 124] Cấu trúc CRLH TL là một đường truyền dẫn nhân tạo có thể tạo ra quá trình truyền sóng ngược

ở dải tần số thấp (LH TL) và sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL) Vì vậy, các mô-đun siêu cao tần được thiết kế với tải là các phần tử đơn vị CRLH TL hoặc toàn bộ mô hình thiết kế có thể biểu diễn bằng một sơ đồ mạch tương đương của một phần tử CRLH TL Khi đó, mô hình đề xuất sẽ cộng hưởng theo tính chất của cấu trúc CRLH TL thông thường, nghĩa là, mode cộng hưởng mới sẽ được tạo ra ở dải tần số thấp bên cạnh mode cộng hưởng cơ bản ở dải tần số cao tạo bởi phần tử anten thông thường Đây chính là cơ sở

để thu nhỏ kích thước linh kiện, đồng thời tạo ra cộng hưởng đa băng tần cho thiết bị Trong các thiết kế mô-đun siêu cao tần, anten mạch dải đa băng tần thường được thiết kế với tải siêu vật liệu điện từ (MTM) Khi đó, các cấu trúc răng lược [124] hoặc cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu [43-45, 79] được khoét trên bề mặt tấm bức xạ của anten để tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần thấp Một số nghiên cứu khác biến đổi anten vi dải truyền thống thành anten siêu vật liệu bằng cách tạo ra các thành phần điện dung và điện cảm LH trên mô hình anten vi dải để hình thành cấu trúc phức hợp CRLH [82] Khi đó, mô hình anten được biểu diễn tương đương như một phần tử đơn vị của cấu trúc CRLH TL thông thường Trong các thiết kế này, điện dung LH thường được tạo ra bằng khe hở ghép giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ c n điện cảm LH được tạo bởi các cột nối từ tấm bức xạ xuống mặt đế [59, 82] Ở một số nghiên cứu khác [66, 70, 97], cấu trúc CRLH TL đồng phẳng được thay thế cho cấu trúc CRLH thông thường, khi đó cột nối kim loại được thay thế bằng các đường vi dải đặt đồng phẳng với tấm bức xạ ở mặt trên ở anten

 Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu Ở xu hướng thiết kế này các vòng cộng hưởng kim loại được sử dụng bao gồm vòng cộng hưởng hở (SRR), vòng cộng hưởng hở mở (OSRR), vòng cộng hưởng

hở bổ sung (CSRR) và một biến thể của các cấu trúc SRR Trong các nghiên cứu này, cấu trúc của mô-đun siêu cao tần được thiết kế có dạng vòng cộng hưởng siêu vật liệu [5, 38] hoặc khoét các mô hình vòng cộng hưởng này lên bề mặt bức xạ [44, 45] hoặc mặt phẳng

đế của cấu trúc đề xuất [40, 41]

 Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu (D-CRLH TL) để phát triển các mô-đun siêu cao tần Đây là loại đường truyền có tính chất đối ngược với cấu trúc CRLH TL thông thường khi thể hiện đặc tính đường truyền LH ở dải tần số cao và đường truyền RH ở dải tần số thấp [11] Dạng đường truyền siêu vật liệu này thường được sử dụng để thiết kế các anten vi dải đa băng tần có kích thước thu gọn [1,

2, 64, 89, 94], anten sóng rò (LWA) [12, 33, 68] hoặc bộ lọc chắn dải [68]

 Nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng bậc không (ZOR) dạng CRLH để thiết kế các mô-đun siêu cao tần có kích thước nhỏ gọn [51, 52, 69, 97] và ứng dụng đường truyền dẫn siêu vật liệu vào một số thiết kế anten sóng rò LWA [18, 42, 71, 119]

Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ vào thiết kế đun siêu cao tần đều hướng tới khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng, và đặc biệt, với kích thước rất nhỏ gọn, cấu hình đơn giản và dễ chế tạo

mô-2 Những vấn đề còn tồn tại

Vai trò của siêu vật liệu điện từ là rất quan trọng trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun siêu cao tần Việc nghiên cứu và ứng dụng siêu vật liệu luôn là đề tài mang tính thời sự cao với mục tiêu tăng khả năng tích hợp các mô-đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải

và các thiết bị có kích thước ngày càng thu gọn Do đó, việc thiết kế các mô-đun siêu cao tần bên cạnh yêu cầu hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng, cần phải hướng tới hai tiêu chí đó là kích thước nhỏ gọn và cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo

Một số nghiên cứu đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần dạng siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH phẳng thay cho đường truyền CRLH thông thường Cụ thể, các cột nối kim loại ở phần tử đơn vị đường truyền thông thường được thay thế bằng các đường mạch dải đồng phẳng [66, 70, 72, 124] Bên cạnh đó, các nghiên cứu sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng và không sử dụng cột nối kim loại để xây dựng mô hình anten siêu vật liệu phẳng [40, 41, 70] Các mô hình này cấu trúc đơn giản dễ chế tạo tuy nhiên lại có kích thước khá lớn [40, 70, 72, 124]

Một số nghiên cứu khác đề xuất mô hình anten siêu vật liệu với kích thước rất nhỏ gọn Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, mô hình siêu vật liệu (điển hình là CRLH TL) được tạo ra bằng cách sử dụng các cột nối [38, 52, 82, 91, 95] hoặc cầu nối kim loại [123] Điều này dẫn đến sự phức tạp của mô hình thiết kế, khó khăn trong chế tạo thực nghiệm và ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả đo do các mối hàn tạo nên Ngoài ra, một số nghiên cứu khác sử dụng phần tử tập trung để tạo ra cấu trúc CRLH TL thay vì sử dụng mạch dải [27, 32] Các giá trị của phần tử tập trung thường được chọn với giá trị gần đúng,

tùy theo các giá trị thực tế của cuộn cảm hoặc tụ điện, sẽ dẫn đến sự sai lệch so với kết quả thiết kế tối ưu Đây cũng là một hạn chế của các nghiên cứu sử dụng phần tử tập trung trong thiết kế mô-đun siêu cao tần siêu vật liệu Vì vậy, việc áp dụng cấu trúc siêu vật liệu

để thiết kế các mô-đun siêu cao tần vừa có kích thước nhỏ vừa có cấu trúc phẳng chính là động lực cho các nghiên cứu đề xuất trình bày trong luận án

Ở một khía cạnh khác, các nghiên cứu cấu trúc đa băng tần được phát triển trên cơ sở

sử dụng các phương pháp điển hình đã được đề xuất, chẳng hạn các thiết kế anten đa băng tần thường sử dụng phương pháp khoét khe trên bề mặt bức xạ hoặc mặt đế của cấu trúc để tạo các mode cộng hưởng mới [21, 25, 35, 48, 78, 80] Một số nghiên cứu khác sử dụng nhiều phần tử ký sinh để cộng hưởng ở các tần số khác nhau [7, 54], hoặc sử dụng kỹ thuật loại bỏ băng tần từ cấu trúc băng thông rộng để tạo cộng hưởng đa băng tần, trong trường hợp này các cấu trúc khe khoét thường được sử dụng để loại bỏ các băng tần không mong muốn [55, 56] Trong khi đó, các thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần thường sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) [16, 17, 118] hoặc kết hợp giữa SIR và cấu trúc mặt đế không hoàn hảo [60] Ngoài ra, sử dụng phân tích mode chẵn-lẻ [108, 113], bộ cộng hưởng nửa bước sóng [65], bộ cộng hưởng đa mode [117], bộ cộng hưởng tải dây chêm ngắn hoặc

hở mạch [15, 22, 118] là những phương pháp hữu ích khác để thiết kế bộ lọc đa băng tần

Có thể nhận thấy rằng, phương pháp thiết kế anten và bộ lọc thông dải đa băng tần là khá khác biệt nhau, điều này xuất phát từ bản chất khác nhau của hai mô-đun siêu cao tần này Vai trò của bộ lọc thông dải là cho một dải tần số nào đó đi qua với tần số cắt ở dải thấp và cao xác định Trong các thiết kế bộ lọc sử dụng công nghệ mạch dải, chỉ tiêu thiết

kế về độ tổn hao chèn là rất quan trọng, tổn hao chèn càng thấp thì năng lượng suy hao càng bé Vì vậy, cấu trúc bộ lọc cần hạn chế sự bức xạ của các phần tử hay tổn hao năng lượng đường truyền ra bên ngoài Trong khi yêu cầu về bức xạ là bắt buộc đối với thiết bị anten của các hệ thống thông tin vô tuyến Do đó, cần có những giải pháp thiết kế mới có thể áp dụng chung cho thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đơn hoặc đa băng tần

mà vẫn đảm bảo đặc tính vốn có của linh kiện, góp phần phát triển các phương pháp thiết

kế mô-đun siêu cao tần

3 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế

hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc v ng cộng hưởng dạng siêu vật liệu

 Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế

hệ mới cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng

 Đề xuất giải pháp thiết kế mới sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đa băng tần

3.2 Đối tƣợng nghiên cứu

 Tập trung vào cấu trúc mạch dải vì những ưu điểm như dễ chế tạo, và có khả năng ứng dụng cao trong hệ thống anten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn

 Tập trung vào các thiết kế mô-đun siêu cao tần dạng đồng phẳng kích thước nhỏ gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng

 Tập trung thiết kế các mô-đun siêu cao tần bao gồm anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất sử dụng công nghệ mạch in

3.3 Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu, thiết kế các mô-đun siêu cao tần bao gồm bộ lọc thông dải, anten và

bộ chia công suất sử dụng công nghệ mạch dải

 Nghiên cứu, sử dụng các đường truyền dẫn siêu vật liệu và hiệu ứng viền của siêu vật liệu để phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần

 Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ở dải tần số siêu cao

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án

Việc nghiên cứu các giải pháp thiết kế các mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu trong luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học: Các kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần phát triển các giải pháp thiết kế bộ lọc thông dải, anten vi dải và bộ chia công suất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc phẳng hoạt động ở băng rộng hoặc đa băng tần

sử dụng đường truyền siêu vật liệu CRLH TL; v ng cộng hưởng hở OSRR và hiệu ứng viền của siêu vật liệu Đồng thời làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phân tích, thiết kế và phát triển các mô-đun siêu cao tần

 Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp thiết kế giảm nhỏ kích thước, thiết kế cấu trúc băng rộng, thiết kế cấu trúc đa băng tần và các mô hình mô-đun siêu cao

tần được thiết kế trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

Những đóng góp khoa học của luận án gồm:

(1) Phát triển và thực hiện giải pháp thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn sử dụng bộ cộng hưởng OSRR và kết hợp với dây chêm hở mạch để tăng đặc tính chọn lọc cho bộ lọc đề xuất

(2) Phát triển và thực hiện giải pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn sử dụng đường truyền CRLH TL thông thường cho anten

vi dải của hệ thống WLAN và bộ chia công suất trong hệ thống thông tin 3G/2,1 GHz và 4G/2,6 GHz

(3) Đề xuất và thực hiện giải pháp sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết

kế bộ lọc thông dải và anten vi dải đa băng tần cho các hệ thống thông tin WLAN 2,45/5,2 GHz; WiMAX/3,5 GHz và 4G/1,8 GHz

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung của luận án bao gồm ba chương Phần giới thiệu tổng quan và cơ sở phân tích lý thuyết về cấu trúc siêu vật liệu được trình bày ở chương 1 Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án được thể hiện trong các nội dung đề xuất ở chương 2 và chương 3

Đầu tiên, chương 1 tập trung giới thiệu các đặc tính cơ bản của siêu vật liệu điện từ Chương này cũng đề cập đến đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL thông thường Cụ thể, các phân tích được thực hiện từ đặc tính tán sắc/suy hao của một phần tử đơn vị đường truyền CRLH đến việc tạo ra một mạng LC ghép bởi các phần tử đơn vị để ứng dụng trong các thiết kế mô-đun siêu cao tần trong thực tế Các điều kiện về trở kháng vào, cộng hưởng cân bằng hay không cân bằng và điều kiện biên để đảm bảo cho một mạng LC hoạt động cũng được trình bày chi tiết Trong phần tiếp theo, chương này giới thiệu về các phần tử cộng hưởng dạng siêu vật liệu, trong đó có cấu trúc vòng cộng hưởng

hở mở OSRR được lựa chọn để thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng đề xuất ở chương 2 Ngoài ra, lý thuyết thiết kế anten siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH TL cũng được trình bày trong chương 1 Cuối chương là phần giới thiệu các mô hình mô-đun siêu cao tần

đã được thiết kế sử dụng cấu trúc CRLH TL và một số cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu điện từ

Chương 2 đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần có kích thước nhỏ gọn sử dụng đường truyền CRLH TL và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu Cụ thể, ba mô

hình được đề xuất bao gồm (1) bộ lọc thông dải băng tần rộng được thiết kế từ các vòng cộng hưởng hở mở kết hợp với cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) Cấu trúc dây chêm hở mạch được sử dụng để cải thiện đặc tính chọn lọc tần số ở dải tần số cao của bộ lọc, (2) mô hình anten CPW kích thước nhỏ gọn dạng đồng phẳng sử dụng đường truyền CRLH TL dạng biến đổi, trong đó cột nối kim loại trong cấu trúc thông thường được thay thế bằng các đường vi dải gấp khúc đặt đồng phẳng với mặt bức xạ và mặt phẳng đế, và (3)

mô hình bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử dụng CRLH TL dạng răng lược với mặt phẳng đế ảo đặt đồng phẳng với bộ chia nhằm giảm kích thước cấu trúc Các kết quả phân tích, mô phỏng và đo đạc mô hình thực nghiệm của các mô-đun siêu cao tần đề xuất cũng được thực hiện

Cuối cùng, chương 3 đề xuất giải pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu Dựa trên sự gia tăng chiều dài điện ở miền diện tích được kích thích, các phần diện tích đặt lân cận với miền này có thể được kích thích và tạo ra cộng hưởng nếu nằm trong vùng diện tích gia tăng của miền kích thích Trên cơ sở đó, chương này tập trung vào thiết kế bộ lọc thông dải và anten hoạt động ở ba băng tần Mỗi tần số cộng hưởng với một giá trị gia tăng chiều dài và diện tích miền kích thích khác nhau Các nghiên cứu đã thực hiện phân tích, tính toán lý thuyết, mô phỏng tối ưu kết hợp với chế tạo

và đo thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp thiết kế đề xuất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày lý thuyết tổng quan về siêu vật liệu điện từ, trong đó tập trung giới thiệu cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL) dạng thông thường Đây là đường truyền kết hợp của đường truyền vật liệu thông thường RH TL và đường truyền siêu vật liệu LH TL Sơ đồ mạch tương đương của một phần tử đơn vị của đường truyền, các tham số trở kháng vào, tần số cộng hưởng của vùng tần số RH và

LH, các điều kiện cộng hưởng cân bằng và không cân bằng sẽ được trình bày chi tiết trên

cơ sở phân tích đặc tính tán sắc/suy hao và hệ số truyền sóng của đường truyền Phần tiếp theo, chương này trình bày về các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu và hiệu ứng viền của siêu vật liệu Đây là cơ sở của thiết kế đề xuất các mô-đun siêu cao tần như bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten vi dải ở chương 2 và chương 3 Cuối cùng, một số ứng dụng

cơ bản của đường truyền CRLH TL trong thiết kế các mô-đun siêu cao tần sẽ được mô tả trong chương này

1.2 Siêu vật liệu điện từ

1.2.1 Định nghĩa

Siêu vật liệu điện từ (Metamaterial-MTM) là những loại vật liệu nhân tạo có những đặc tính khác biệt so với vật liệu thông thường có trong tự nhiên [14]

1.2.2 Đặc điểm

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

số điện môi, độ từ thẩm là dương ( > 0 và > 0) và chiết suất dương ( > 0) Tuy nhiên vào năm 2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và các đồng nghiệp đã chứng minh là có thể chế tạo được vật liệu mới có chiết suất < 0 [107] 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 Mối quan hệ giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm là [14]:

trong đó < 0 và < 0

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 < 0 và < 0 có khác với nguyên lý động lực học của vật liệu thông thường ( > 0 và > 0) Có thể có 3 câu trả lời:

 Không có sự khác biệt bởi vì nguyên lý động lực học không thay đổi nếu và 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 > 0 và > 0

Có thể thấy câu trả lời thứ ba là đúng Áp dụng phương trình Maxwell [14]:

mới này là “left-handed materials” Ngoài ra cũng có tên gọi khác cho loại vật liệu này là

“backward wave” để diễn tả rằng sóng sẽ truyền ngược với hướng của năng lượng điện từ trường Còn vật liệu thông thường là “right-handed materials” Để ngắn gọn, metamaterials được kí hiệu là MTM, left-handed là LH và vật liệu thông thường là RH

Vectơ Poynting luôn được xác định theo quy tắc bàn tay phải với , [14]:

Và hướng của vectơ vận tốc pha trùng với hướng vectơ sóng Nhưng trong khi

đó hướng của vectơ vận tốc nhóm cùng hướng với vectơ Poynting Vì vậy mà vectơ vận tốc pha và vectơ vận tốc nhóm là ngược hướng nhau khi hằng số điện môi và độ từ

thẩm là cùng âm ( < 0 và < 0) Ngược lại khi mà vật liệu nào đó có vận tốc pha và vận tốc nhóm là ngược pha nhau thì vật liệu đó có đặc tính là có < 0 và < 0

E H

k

S

Vật liệu RH

E H

k

S

Vật liệu LH

Hình 1.1 (a) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của vật liệu thông thường,

(b) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của loại vật liệu mới

Sự không cùng hướng của vectơ vận tốc pha và vectơ vận tốc nhóm có một số ảnh hưởng đến hiện tượng vật lý vẫn thường gặp Vấn đề này sẽ được chi tiết ở phần sau Dưới 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 1.2 bên dưới:

f f

Hình 1.2 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 hiện tượng bất thường 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),

Thì < 0 vì < 0 Mà theo công thức (1.1) ta có √ , do đó cần phải điều chỉnh lại cách viết như sau √

Dấu “ ” khi vật liệu là thông thường có > 0 và > 0 và dấu “ ” khi vật liệu có <

0 và < 0 Hay có thể viết lại cho gọn là [14]

với là hàm dấu, 1 khi là vật liệu RH và = -1 khi là vật liệu LH

Các cặp dấu của ( , ) sẽ tạo thành bốn miền trong hệ toạ độ của , [14]

Hình 1.3 Hệ tọa độ ( , )

Hình 1.4 Mô hình vật liệu plasma điện [84]

 Trong miền I ( > 0 và > 0) đây chính là vật liệu thông thường

 Trong miền thứ II ( < 0 và > 0) được biết đến như là vật liệu plasma (hình 1.4) Vật liệu này có thể làm từ một hệ dây kim loại được sắp xếp tuần hoàn khi tần số hoạt động nhỏ hơn tần số plasma và được kích thích bởi sóng có vectơ điện trường dọc theo trục

 Trong miền thứ III ( < 0 và < 0) đây chính là MTM hay left-handed media

Có thể tạo được vật liệu này khi kết hợp 2 tính chất của vật liệu plasma điện và plasma từ với mô hình cấu trúc như mô tả ở hình 1.5

Hình 1.5 Các cấu trúc LH thực nghiệm đầu tiên [14]

Có thể thấy vật liệu này là loại không đồng nhất có vectơ dọc theo trục và vectơ vuông góc với trục

 Trong miền thứ IV ( > 0 và < 0) đây là loại vật liệu mà từ trước đó rất khó làm ra từ những chất đồng nhất Đến nay đã có một số cấu trúc được đề xuất như: v ng từ cộng hưởng có khe hẹp, cấu trúc hình chữ S, , cấu trúc 2 thanh ngắn đặt song song và ngăn cách bởi lớp điện môi Xét cấu trúc vòng từ cộng hưởng có khe hẹp được kích thích bởi sóng có vectơ từ trường vuông góc với trục :

Hình 1.6 Mô hình vật liệu plasma từ [85]

1.3 Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH

TL

Siêu vật liệu điện từ là những cấu trúc đồng nhất hiệu dụng, chúng có thể dưới dạng đường truyền dẫn một chiều (1D) hoặc có cấu trúc hai chiều (2D) Dạng đường truyền lý tưởng là đường truyền không thay đổi dọc theo hướng truyền Nếu nó có thể truyền các tín hiệu ở mọi tần số từ 0 đến vô cùng thì gọi là dạng đồng nhất lý tưởng Hình 1.7 biểu diễn một mô hình đường truyền đồng nhất lý tưởng [14]

Hình 1.7 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục

Như đã biết, cấu trúc đường truyền của vật liệu RH là đồng nhất như dạng đường truyền mạch dải nhưng cấu trúc đường truyền của LH hay CRLH thì không thể xem là đồng nhất Tuy nhiên có thể coi chúng có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng vì nó giống với đường truyền lý tưởng trong dải tần giới hạn Cho dù không tồn tại cấu trúc đồng nhất lý tưởng của LH hay CRLH nhưng phân tích cấu trúc đường truyền sẽ cho thấy được diện mạo cơ bản và những điều liên quan của CRLH bởi nó mô tả thực sự những đặc tính cơ bản của MTM Sự khác biệt giữa TL đồng nhất lý tưởng với TL đồng nhất lý tưởng hiệu dụng là khi cho , do đó về sau có thể coi rằng , với là kích thước trung bình của phần tử đơn vị và là bước sóng trong đường truyền

1.3.1 Những đặc tính cơ bản của đường truyền siêu vật liệu

Cấu trúc CRLH TL không tổn hao được thể hiện trong hình 1.8 Cấu trúc này bao gồm trở kháng trên một đơn vị dài (Ω/m) được tạo nên bởi thành phần RH đó là điện cảm trên một đơn vị dài (H/m) và thành phần LH đó là điện dung với một đơn vị dài (F.m) Ngoài ra còn gồm dẫn nạp (S/m) được tạo nên bởi thành phần RH là điện dung trên một đơn vị dài (F/m) và thành phần LH là điện cảm với đơn vị độ dài (H.m) Nếu như thành phần LH bằng không, ⁄ hay và ⁄ hay thì chỉ còn có thành phần và là khác không và mô hình ở

hình 1.8 sẽ rút gọn thành mô hình đường truyền RH thông thường Ngược lại nếu các thành phần RH bằng không ( và ) thì ta thu được cấu trúc của đường truyền

LH Để thuận tiện, ta gọi cấu trúc chỉ có thành phần và là đường truyền toàn LH (PLH) và cấu trúc chỉ có thành phần và là đường truyền toàn RH (PRH) Nếu các giá trị , , , là khác không, ta có cấu trúc kết hợp RH và LH gọi là cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH) [14]

Hình 1.8 Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH TL thông thường không tổn hao [14]

Để phân tích cấu trúc CRLH ta bắt đầu từ phương trình vi phân sau:

Với và là điện thế và d ng điện thay đổi theo vị trí , ,

Giải hệ phương trình (1.8a) và (1.8b), ta thu được phương trình sóng cho và

ở đây là hàm dấu với giá trị được xác định theo điều kiện sau,

= -1 nếu < min( , ) miền LH (1.15)

= 1 nếu > max( , ) miền RH

Chú ý: không nhất thiết là thuần ảo (dải thông) mà cũng có thể là thuần thực (dải chắn) trong một số dải tần số mặc dù đường dây là không tổn hao

Mối quan hệ giữa đường cong tán sắc/suy giảm của CRLH được thể hiện trong hình 1.9 Trong hình 1.9(a) biểu diễn đường cong phân tán và suy giảm của cấu trúc CRLH theo hướng năng lượng truyền dọc theo 2 chiều dương và âm, trong khi hình 1.9(b) biểu diễn

sự so sánh của đường cong tán sắc tương ứng với đường truyền PRH và PLH

Ở trong hình 1.9(b) biểu diễn sự biến đổi của đường cong tán sắc của CRLH thành đường cong tán sắc của đường truyền PRH và PLH tương ứng ở dải tần số thấp và dải tần

số cao Quan sát ở hình 1.9 thấy rằng có xuất hiện khe hở trong đồ thị cấu trúc CRLH Khe

hở này được tạo ra do sự khác nhau của tần số cộng hưởng song song và nối tiếp, khi nó xuất hiện thì gọi đó là CRLH TL chưa cân bằng, còn khi những tần số này là bằng nhau thì gọi là CRLH TL cân bằng và khe hở đóng lại Điều kiện để đường truyền CRLH cộng hưởng cân bằng và không cân bằng sẽ được trình bày ở phần tiếp theo của chương này Dấu của ở (1.15) có thể hiểu được qua hình 1.9(a) Nếu tần số < min( ,

) thì vận tốc pha (hệ số góc của phần đường thẳng từ gốc tới đường cong) và vận tốc nhóm (góc nghiêng của đường cong) là ngược dấu nhau (vì vậy mà chúng ngược pha nhau)

do đó đường truyền là LH và là âm Ngược lại, trong dải RH khi mà > min( , ) thì vận tốc pha và vận tốc nhóm là cùng pha, khi đó đường truyền là RH và là dương Tần số của suy giảm cực đại có thể rút ra từ biểu thức [14]:

Hình 1.10 Trở kháng đặc tính của CRLH trong trường hợp > [14]

1.3.2 Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng

CRLH thể hiện những đặc tính thú vị tuỳ theo từng trường hợp là cân bằng hay không cân bằng Khi hay , ta gọi trường hợp này là cân bằng còn khi , ta gọi trường hợp này là không cân bằng

Xét trường hợp không cân bằng và trở kháng đặc tính tương ứng đã được biểu diễn

ở trong hình 1.10 Khi đường truyền được tiếp điện bởi tín hiệu có tần số hoặc ,

tả ở hình 1.11(b) và trở kháng đặc tính không phụ thuộc vào tần số

Điều này có nghĩa là điều kiện cân bằng cho phép phối hợp trở kháng ở mọi dải tần Hằng số truyền sóng trong trường hợp cộng hưởng cân bằng được xác định như sau:

Hình 1.11 Cấu trúc CRLH TL cộng hưởng cân bằng (a) Sơ đồ mạch tương đương, (b) Đường cong

Hình 1.12 Một phần tử đơn vị của đường truyền CRLH ở dạng mạch LC (a) Dạng tổng quát

Hình 1.13 Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ [14]

Cấu trúc mạng bậc thang được tạo ra bằng cách nối tầng các phần tử đơn vị ở hình 1.12, từ đó hình thành mạng bậc thang như mô tả ở hình 1.13 Mỗi phần tử đơn vị bao gồm có trở kháng được tạo nên bởi điện cảm nối tiếp với điện dung và dẫn nạp được tạo bởi điện cảm song song với điện dung

Chú ý rằng sự dịch pha là do các phần tử đơn vị gây nên ( ) Điều này nên hiểu là

mô hình vi phân ở hình 1.8 và 1.11(a) có quan hệ với chiều dài vật lý (m), các mô hình mạch ở hình 1.12 và 1.13 là không có thứ nguyên và kích thước của chúng có thể được mô

tả chỉ dưới dạng chiều dài điện của chúng (rad) Nếu chiều dài của phần tử đơn vị

là , các thông số của đầu vào cùng với có thể viết lại như sau:

tương đương với mô hình ở hình 1.8 Mô hình này chỉ tương đương một phần chiều dài của đường truyền và chiều dài thực tế sẽ là tổng các chiều dài mỗi phần lặp lại lần, do

đó Vì vậy mà dãy tầng phần tử đơn vị (hình 1.13) sẽ tương đương với CRLH TL lý tưởng có chiều dài với điều kiện như mô tả ở hình 1.14 Tuy nhiên trên thực tế, nếu ⁄ thì mạng có thể coi là TL lý tưởng trong dải tần giới hạn

Hình 1.14 Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng [14]

1.3.4 Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu CRLH TL

D-Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL là cấu trúc đối xứng của đường truyền CRLH TL thông thường Nếu như cấu trúc thông thường ở hình 1.8, nhánh nối tiếp là bộ cộng hưởng LC mắc nối tiếp, còn nhánh song song là bộ cộng hưởng LC mắc song song thì cấu trúc đối ngẫu ở hình 1.15 ngược lại hoàn toàn Khi đó, nhánh nối tiếp là bộ cộng hưởng LC mắc song song, trong khi nhánh song song là bộ cộng hưởng LC mắc nối tiếp

Hình 1.15 Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối

ngẫu D-CRLH TL [11]

Đặc tính cơ bản của đường truyền D-CRLH TL là ở dải tần số thấp và , đường truyền là RH với các thành phần chính là và , ở dải tần số cao

và , đường truyền hoạt động như LH TL [11] với các thành phần chính là

và Chính vì sự đối ngược này nên đường truyền D-CRLH TL thể hiện đặc tính RH

ở dải tần số thấp và đặc tính LH ở dải tần số cao Rõ ràng các tính chất này trái ngược hoàn toàn với đường truyền CRLH TL thông thường

Theo lý thuyết đường truyền, trở kháng đặc tính của đường truyền D-CRLH TL được xác định là

Tần số cắt thông cao LH và tần số cắt thông thấp RH của D-CRLH TL xác định như sau:

√

Dấu và trong biểu thức trên sẽ tương ứng với trường hợp tính và Khi sẽ hình thành một khoảng chắn giữa vùng tần số RH và LH

1.3.5 Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ

Như đã biết cấu trúc CRLH TL có đặc tính truyền sóng ngược (sự ngược pha của vận tốc nhóm và vận tốc pha) và hằng số truyền sóng bằng không tại tần số riêng biệt khác không Ngoài ra c n có bước sóng vô hạn với đặc tính của nó dùng để thiết kế các kích thước khác nhau của anten mà không làm thay đổi tần số cộng hưởng hay nói cách khác là

nó không phụ thuộc vào cấu trúc cộng hưởng

Để thiết kế loại anten phẳng cộng hưởng mà không phụ thuộc kích thước vật lý của

nó thì cấu trúc TL đó phải hỗ trợ bước sóng vô hạn Cấu trúc CRLH TL có khả năng đáp ứng được điều này ( ) nên được sử dụng để thiết kế Sơ đồ tương đương của một phần tử đơn vị cấu trúc CRLH TL được mô tả ở hình 1.16

p Hình 1.16 Sơ đồ tương đương của một phần tử đơn vị đường truyền CRLH TL thông thường

Áp dụng điều kiện bờ chu kỳ và định lý Block-Floquet [14]:

( (

Thông thường thì tần số cộng hưởng nối tiếp và song song là không bằng nhau và do

đó có hai tần số mà ở đó có và tại hai điểm này hỗ trợ bước sóng vô hạn Bằng cách xếp tầng các phần tử đơn vị của CRLH TL lần, ta được CRLH TL dạng cầu thang có chiều dài như mô tả ở hình 1.14, với điều kiện cộng hưởng:

(1.34)

Với là số mode cộng hưởng có thể là nguyên dương, nguyên âm và thậm chí là bằng không Trong trường hợp = 0 thì bước sóng vô hạn được hỗ trợ và điều kiện cộng hưởng không phụ thuộc vào chiều dài của CRLH TL Với trường hợp điều kiện bờ hở mạch thì tần số bước sóng vô hạn được tính bởi tần số cộng hưởng song song khi đó các thành phần nối tiếp là không có ảnh hưởng gì

Mặc dù số lượng các phần tử đơn vị dùng để thiết kế không ảnh hưởng đến tần số hoạt động nhưng nó ảnh hưởng đến trở kháng vào qua công thức sau:

(

*

Với là dẫn nạp của phần tử đơn vị

Như vậy bằng cách sử dụng bộ cộng hưởng hở mạch đầu cuối hỗ trợ bước sóng vô hạn, ta có thể thiết kế được anten CRLH có tần số hoạt động không phụ thuộc vào kích thước vật lý

Cấu trúc thông thường để thiết kế CRLH TL là cấu trúc hình nấm được xây dựng dựa trên cấu trúc mạch dải Cấu trúc phần tử đơn vị của loại này bao gồm các tấm kim loại được nối với mặt phẳng đế qua cột nối kim loại

Hình 1.17 (a) Mô hình đường truyền CRLH dạng cấu trúc hình nấm, (b) Sơ đồ tương đương

Hình 1.17 mô tả cấu trúc CRLH thông thường dạng hình nấm và sơ đồ mạch tương đương Trong mô hình này, thành phần điện cảm LH là được xác định bởi khoảng hở giữa hai tấm kim loại đặt cạnh nhau ở lớp trên của cấu trúc, trong khi đó, điện cảm LH là được tạo bởi cột nối kim loại nối giữa tấm kim loại ở lớp trên và mặt phẳng

đế ở lớp dưới Việc sử dụng cột nối kim loại trong cấu trúc CRLH thông thường là bắt buộc để tạo ra thành phần điện cảm LH, tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến một nhược điểm cố hữu của cấu trúc này là khó chế tạo và gây ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả đo thực nghiệm Do vậy, ý tưởng thiết kế mô hình anten siêu vật liệu đề xuất trong luận án này là chuyển đổi cấu trúc CRLH TL thông thường thành cấu trúc dạng phẳng không sử dụng cột nối kim loại mà vẫn giữ được đặc tính của cấu trúc CRLH thông thường

1.4 Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ

Ngoài các cấu trúc siêu vật liệu sử dụng phương pháp đường truyền, còn có một loại cấu trúc siêu vật liệu dựa trên bộ cộng hưởng bước sóng thành phần, chủ yếu sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở (SRR) Mô hình gốc lần đầu tiên được đề xuất bởi Pendry [85] Một

số phương pháp thiết kế phần tử cộng hưởng khác nhau dựa trên SRR đã được phát triển

và áp dụng cho một số ứng dụng siêu cao tần Những phần tử cộng hưởng này có ưu điểm

là cấu trúc rất nhỏ gọn với tính linh hoạt cao trong quá trình thiết kế làm cho chúng phù hợp cho mục đích thu nhỏ kích thước Chúng có thể được ghép nối theo nhiều cách khác

Tấm kim

L L C R

L R

nhau bằng cách kết hợp chúng với các thiết kế phẳng sử dụng cấu trúc đồng phẳng (Coplanar), dải dẫn (Stripline) và vi dải (Microstrip) Tùy thuộc vào loại cộng hưởng và ghép nối được sử dụng, các đặc tính truyền sóng khác nhau có thể được thay đổi để đạt được các yêu cầu mong muốn Cần nhấn mạnh rằng phương pháp này được đặt tên là phương pháp cộng hưởng vì các phần tử cộng hưởng được sử dụng như các thành phần tải Các đặc tính truyền dẫn của phương pháp cộng hưởng SRR là tương tự với phương pháp đường truyền phức hợp CRLH TL trình bày ở chương 1, có nghĩa là, phương pháp cộng hưởng này cũng thể hiện tính chất của cấu trúc CRLH và có thể được thiết kế dạng cộng hưởng cân bằng và không có dải chắn tần số

1.4.1 Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR)

1.4.1.1 Mô hình phần tử

Một cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở SRR ghép cạnh đơn giản được hình thành bởi hai vòng kim loại hở đồng tâm như mô tả trong hình 1.18 Các vòng hở này có thể là hình tròn hoặc hình vuông Các SRR có thể được kích thích bởi từ trường bên ngoài biến thiên theo thời gian, trong đó gây ra cảm ứng điện giữa các vòng kim loại hở của chúng Chẳng hạn, bằng cách đặt chúng ở gần một đường vi dải, từ trường do d ng điện sinh ra trong đường vi dải sẽ ghép tương hỗ sang SRR Mạch điện được khép kín bởi các điện dung phân phối xuất hiện giữa vòng ngoài và bên trong và những khoảng trống của cả hai Chúng có thể được mô hình hóa như một mạch tương đương như thể hiện trong hình 1.18(c) [73]

c d

Hình 1.18 SRR và các thông số kích thước cơ bản: (a) Dạng hình tròn, (b) Dạng hình vuông, và (c)

Sơ đồ mạch tương đương [109]

1.4.1.2 Sơ đồ mạch LC tương đương

Mạch tương đương có độ tự cảm và điện dung kết hợp với mỗi nửa của SRR được mô tả như sau [109]: