Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu. Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động 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.
Trang 1BỘ 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
Mã số: 62520208
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2017
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1 TS HOÀNG PHƯƠNG CHI
2 PGS TS ĐÀO NGỌC CHIẾN
Phản biện 1:………
Phản biện 2:………
Phản biện 3:………
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi … giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
Trang 31
MỞ ĐẦU
1 Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô-đun siêu cao tần
Kỹ thuật siêu cao tần đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và vẫn đang không ngừng được phát triển Công nghệ vi dải in trên đế điện môi ra đời đã giải quyết được vấn đề thu nhỏ kích thước của anten, đồng thời cũng mở ra một xu hướng thiết 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 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) 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, do vậy, linh kiện 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, 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 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
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
Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu 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
(D-Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ vào thiết kế mô-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
2 Những vấn đề còn tồn tại
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
Trang 4Ở 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; sử dụng nhiều phần tử ký sinh để cộng hưởng ở các tần số khác nhau, hoặc sử dụng kỹ thuật loại bỏ băng tần từ cấu trúc băng thông rộng để tạo cộng hưởng đa băng tần Trong khi đó, các thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần thường sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng bậc (SIR), phân tích mode chẵn-lẻ, bộ cộng hưởng nửa bước sóng, bộ cộng hưởng đa mode v.v 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 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 tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu
Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động 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 tượng 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 thụ động dạng đồng phẳng kích thước nhỏ gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng
Trang 53
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 thụ động 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 thụ động
Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ở dải tần số siêu cao
4 Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án bao gồm ba chương Phần giới thiệu tổng quan và cơ sơ 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 thể hiện ở các nội dung đề xuất và thực hiện trong chương 2, và chương 3
Đầu tiên, chương 1 tập trung giới thiệu các đặc tính cơ bản của siêu vật liệu điện từ và cơ sở
lý thuyết phân tích thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Cuối chương là phần giới thiệu các mô hình mô-đun siêu cao tần thụ động đã được thiết kế sử dụng cấu trúc CRLH
TL và một số cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu
Chương 2 đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn sử dụng đường truyền CRLH TL và cấu trúc cộng hưởng vòng dạng siêu vật liệu Cụ thể, ba mô hình được
đề xuất bao gồm 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); anten CPW kích thước nhỏ gọn dạng đồng phẳng sử dụng đường truyền CRLH TL dạng biến đổi và 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 và cơ sở lý thuyết phân tích thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu
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]
Trang 64
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) Ta có mối quan hệ giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm là [14]:
Từ các phương trình (1.2) và (1.3) có thể thấy , , được xác định theo quy tắc bàn tay
phải đối với vật liệu có > 0 và > 0 nhưng cũng có thể xác định được theo quy tắc bàn tay trái với vật liệu có < 0 và < 0 Với lý do này mà có thể gọi những vật liệu 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 ta kí hiệu metamaterials 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 , :
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 ta nói vật liệu đó có đặc tính là có < 0 và < 0
Từ đây ta sẽ có các cặp dấu của ( , ) tạo thành bốn miền trong hệ toạ độ của ,
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 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 materials Có thể tạo được vật liệu này khi kết hợp 2 tính chất của vật liệu plasma điện và plasma từ
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: vòng 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
Trang 75
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
Hình 1.7 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục
Hình 1.8 Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH
TL thông thường không tổn hao
Sự khác biệt giữa TL đồng nhất lý tưởng với TL đồng nhất lý tưởng hiệu dụng là khi cho , do đó về sau chúng ta 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 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
Và tần số cộng hưởng nối tiếp và song song được xác định
Ở trong hình 1.9 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 Trong hình 1.9
ta thấy 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 ta gọi đó là CRLH TL chưa cân
bằng, còn khi những tần số này là bằng nhau thì
ta gọi là CRLH TL cân bằng và khe hở đóng lại
Hình 1.9 So sánh năng lượng truyền của CRLH,
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
Trang 86
Xét trường hợp không cân bằng
min( ) (LH thông dải) (1.22a) min( ) max( ) (1.22b) max( ) (RH thông dải) (1.22c) Ngược lại, trong trường hợp cân bằng ( ), khe hở bị đóng lại như mô 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
1.3.3 Mạng LC bậc thang
Cấu trúc CRLH TL là không sẵn có
trong tự nhiên, nhưng một cấu trúc CRLH
TL đồng nhất hiệu dụng hoạt động ở dải tần
giới hạn thì có thể thiết kế dưới dạng một
mạng bậc thang Với tần số cộng hưởng
nối tiếp và song song được định nghĩa tương
tự như trường hợp đồng nhất lý tưởng ở
phương trình (1.13) Dãy tầng phần tử
đơn vị 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
1.3.4 Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ
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
Áp dụng điều kiện bờ chu kỳ và định lý Block-Floquet ta có:
( ) ( (
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:
(1.35) 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
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 Một số phương pháp thiết kế phần tử cộng hưởng dựa trên SRR đã được phát triển và áp dụng cho một số ứng dụng siêu cao tần
Trang 91.4.2 Bộ cộng hưởng vòng hở mở (OSRR)
Cấu trúc của OSRR được bắt nguồn từ
cấu trúc cộng hưởng vòng xoắn SR, và được
xây dựng như biểu diễn ở hình 1.20 Giá trị
điện dung của bộ cộng hưởng OSRR cũng
chính là giá trị điện dụng của bộ cộng hưởng
xoắn SR và gấp 2 lần giá trị điện dung của bộ
cộng hưởng SRR, trong khi giá trị điện cảm
của OSRR tương tự như của SRR
d c
và sơ đồ mạch tương đương
Vì vậy, tần số cộng hưởng của OSRR bằng một nửa so với tần số cộng hưởng của phần tử SRR hay phần tử này có chiều dài điện nhỏ hơn so với SRR hai lần Đặc tính này góp phần nâng cao khả năng ứng dụng của OSRR vào trong thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn Cụ thể, cấu trúc vòng cộng hưởng hở mở OSRR sẽ được lựa chọn để thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng có kích thước nhỏ gọn trong chương 2 của luận án này
1.5 Hiệu ứng viền của siêu vật liệu
1.5.1 Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền
Mô hình biểu diễn hiệu ứng viền của
siêu vật liệu được trình bày ở hình 1.21 Một
cách đơn giản hóa, hiệu ứng viền được tạo ra
do sự phân bố dòng điện tích tại các mép ngoài
của mặt dẫn trong điện môi, làm cho chiều dài
vật lý của vật dẫn tăng lên một khoảng
Trang 10Trong đó, là hằng số điện môi hiệu dụng, và là độ dày của đế điện môi Mỗi tần số và
độ rộng miền tích cực khác nhau cho ta độ gia tăng chiều dài khác nhau
1.5.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ
Hình 1.22 biểu diễn mô hình tượng trưng cho mối quan hệ của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ, trong đó là độ dài gia tăng ở công thức (1.41), còn là khoảng cách giữa miền kích thích và miền diện tích bất kỳ Quan sát ở hình 1.22(a), khi độ gia tăng chiều dài của miền kích thích nhỏ hơn khoảng cách giữa hai miền ( ) thì hiệu ứng viền chưa xảy ra, nghĩa là miền diện tích bất kỳ đặt gần miền kích thích chưa được cộng hưởng Ngược lại, khi thì hiệu ứng viền xảy ra, trong trường hợp này miền diện tích kéo dài của miền kích thích đã tiếp xúc hoặc kéo sang phủ miền diện tích bất kỳ và làm cho miền này cộng hưởng như mô
tả ở hình 1.22(b) Như vậy, tùy thuộc vào chiều dài của miền diện tích gia tăng có tiếp xúc hoặc bao phủ miền diện tích bất kỳ mà hiệu ứng viền sẽ xảy ra và miền diện tích sẽ được cộng hưởng
Vì vậy, điều kiện để hiệu ứng viền xảy ra là:
DL
Miền kích thích
Miền chưa cộng hưởng
Miền gia tăng chiều dài kích thích
d
DL=d
Miền kích thích
Miền được cộng hưởng
Miền gia tăng chiều dài kích thích
Hình 1.22 (a) Miền diện tích chưa được cộng hưởng, (b) Miền diện tích đã được cộng hưởng
Như vậy, bằng cách tạo ra các miền tích cực khác nhau, ta có thể tạo ra các cộng hưởng với các tần số khác nhau Đây là cơ sở lý thuyết chính của giải pháp đề xuất nhằm ứng dụng để phân tích, thiết kế các mô hình anten và bộ lọc thông dải ở chương 3
1.6 Ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong thiết kế mô-đun siêu cao tần thụ động
1.6.1 Bộ lọc thông dải
Trong thiết kế bộ lọc thông dải siêu vật liệu, các loại đường truyền siêu vật liệu CRLH dạng cộng hưởng được áp dụng khá rộng rãi dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng SRR, CSRR, v.v
Trang 119
1.6.2 Anten vi dải
Đối với các thiết kế anten siêu vật liệu, phương pháp điển hình thường được sử dụng là thiết
kế anten dưới dạng một đường truyền ATL, trong đó cấu trúc anten gồm một hoặc nhiều phần tử đơn vị CRLH mắc nối tầng với nhau hoặc sử dụng cấu trúc đường truyền như một tải MTM của anten Khi đó, bề mặt bức xạ của cấu trúc anten sẽ được khoét mô hình dạng như cấu trúc vòng cộng hưởng hở bổ sung CSRR, cấu trúc răng lược
1.6.3 Bộ chia công suất
Tương tự như trong các thiết kế bộ lọc thông dải và anten đa băng tần, cấu đường truyền siêu vật liệu phức hợp CRLH TL được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kế các bộ chia công suất có kích thước nhỏ gọn
1.7 Tổng kết chương
Chương này đã trình bày lý thuyết tổng quan về siêu vật liệu điện từ Đây là một loại vật liệu
có thể tạo ra hiện tượng truyền sóng ngược do có hệ số điện môi và từ thẩm đều âm (Vật liệu LH) Cấu trúc CRLH đặc trưng nhất là dạng đường truyền CRLH TL thông thường, có thể truyền sóng ngược ở dải tần số thấp (LH TL) và truyền sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL) Khi đó, các đường truyền CRLH sẽ giúp tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần số thấp hơn so với mode cộng hưởng cơ bản, vốn tạo bởi thành phần RH TL Vì vậy, các đường truyền CRLH TL được ứng dụng để thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần Đây cũng chính là cơ sở lý thuyết quan trọng cho các nghiên cứu được đề xuất trong chương tiếp theo của luận án
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 SIÊU VẬT LIỆU
2.1 Giới thiệu chương
Chương này đề xuất các thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng, anten và bộ chia công suất bagley Polygon 1:3 cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn sử dụng cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL) dạng thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng
2.2 Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở
Trong nghiên cứu này, luận án đề xuất việc kết hợp giữa vòng cộng hưởng hở mở (OSRR) và các nhánh dây chêm để thiết kế một bộ lọc thông dải băng rộng có kích thước nhỏ gọn
2.2.1 Phần tử siêu vật liệu CRLH dựa trên vòng cộng hưởng hở
Cấu trúc phần tử MTM, mô tả ở hình 2.2, được in lên một mặt của lớp điện môi RO3010 với hằng số điện môi 10,2 và bề dày 1,27 mm Về lý thuyết, việc thực hiện các phần tử siêu vật liệu (MTM) này sẽ gây cộng hưởng và kiến trúc của nó sẽ có độ tán sắc cao Kiến trúc này sẽ tránh được việc sử dụng các cột nối kim loại, qua đó đơn giản được quá trình chế tạo
Mô hình đề xuất của đường truyền siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp được hoàn thiện bằng cách đưa vào cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng một chuỗi OSRR được kết nối với nhau như trong hình 2.3 Kiến trúc này bao gồm hai phần tử MTM với một đường dẫn được đặt giữa hai vòng ngoài, hai đầu của đường dẫn nối trực tiếp với hai vòng trong còn đoạn giữa của nó được nối với đường tiếp điện của cấu trúc CPW
Trang 1210
d e c
r ext
r o
d c
e
w f
Hình 2.2 Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ
tương đương của nó
Hình 2.3 Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện
từ phức hợp dựa tr n sự k t hợp một chu i các SRR
2.2.2 Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR
2.2.2.1 Thi t k ban đầu
Với trở kháng đặc tính 50 , chúng ta thiết lập tần số chuyển tiếp 3 Hz 1,7 Hz và 3,4 Hz Tần số chuyển tiếp sẽ được tạo ra bởi các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song, các bộ cộng hưởng này buộc phải giống hệt nhau để cân bằng kết cấu, cụ thể,
Mô hình cấu trúc bộ lọc băng rộng đề xuất ở trong hình 2.4 bao gồm cấu trúc bốn phần tử OSRR ở hình 2.3 kết hợp với cấu trúc tiếp điện CPW Quá trình cộng hưởng giữa vòng trong và ngoài trong một phần tử OSRR tạo nên các đặc tính của đường truyền phức hợp CRLH, chứ không phải từ phần tử OSRR này lên phần tử OSRR khác ộ lọc đề xuất được in lên một lớp nền RO3010 với độ dày 1,27 mm và hằng số điện môi là 10,2 với hệ số tổn hao là 0,0023
r ext
r o
d
Hình 2.4 Thi t k ban đầu của bộ lọc được đề uất dựa
tr n việc k t hợp một chu i các SRR th hiện trong
hình 2.3
Hình Thi t k hoàn thiện bộ lọc thông dải băng rộng dựa tr n SRR với các nhánh d chêm
2.2.2.2 Thi t k tối ưu
Để đạt được dải thông băng rộng cho băng tần S, cấu trúc CRLH được thiết kế với đoạn dây chêm chữ T để cải thiện đặc tính lọc của cấu trúc lọc Mô hình của bộ lọc đề xuất và quá trình thực hiện dây chêm chữ T được biểu diễn tương ứng ở hình 2.5 và 2.6 Dây chêm hở mạch chữ T được xây dựng theo 3 bước Đầu tiên, một dây chêm thẳng đứng được thêm vào giữa đường nối các phần
W
g
wfL
Trang 1311
tử siêu vật liệu ước tiếp theo, một cặp dây chêm ngang được thêm vào theo hướng vuông góc với dây chêm ban đầu Cuối cùng, cặp dây chêm nằm ngang được thay bằng dây chêm hình tam giác
2.2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
2.2.3.1 Thi t k ban đầu
Hình 2.7 trình bày kết quả mô phỏng
đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM trong hình
2.3 Đồ thị tán sắc phản ánh sự chuyển tiếp
liên tục giữa băng tần LH và RH tại tần số
chuyển tiếp Từ hình 2.7 ta thấy rằng rằng
cấu trúc MTM hỗ trợ một sóng ngược ở dải
tần dưới 3 Hz và sóng thuận ở dải tần trên
50 100 150 200
2.2.3.2 Thi t k tối ưu
Kích thước tối ưu của bộ lọc thông dải hoàn thiện được quyết định thông qua quá trình tối ưu hóa theo từng bước thiết kế: ước 0 (không có dây chêm hở mạch), bước 1, bước 2 và bước 3 Hiệu suất tốt nhất tại băng tần trên đạt được với cấu trúc tại bước 3
Hình 2.14 Mẫu ch tạo bộ lọc thông dải đề xuất
với dây chêm
Hình 2.15 K t quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham
số S của bộ lọc đề xuất khi có dây chêm
Bộ lọc hoàn thiện được thiết kế tối ưu có kích thước rất gọn là 14 mm 12 mm Mẫu chế tạo thực nghiệm của bộ lọc hoàn thiện với nhánh dây chêm hở mạch ở bước 3 được trình bày ở hình 2.14 Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm các hệ số tán xạ của bộ lọc thông dải băng rộng hoàn thiện được thể hiện trong hình 2.15 Kết quả đo thực nghiệm cho thấy, bộ lọc được đề xuất có băng thông tại -3 dBlà 98 và suy hao ch n nhỏ hơn 0,78 d trên toàn bộ dải thông Suy hao ch n
giảm còn -20 d tại tần số 3,95 GHz
Có thể thấy rằng, bộ lọc hoàn thiện với sự hiện diện của các dây chêm hở mạch tạo một mode truyền dẫn 0 tại băng tần trên, điều này giúp nâng cao tính chọn lọc của bộ lọc Tuy nhiên, bộ lọc này lại thể hiện một nhược điểm băng thông nhỏ hơn bộ lọc ban đầu ên cạnh đó, suy hao ch n của
bộ lọc hoàn thiện hơi tăng so với bộ lọc ban đầu Với các ưu và nhược điểm như trên, cả hai bộ lọc ban đầu và bộ lọc hoàn thiện có thể áp dụng tùy theo đặc tính băng rộng hơn hoặc có tính chọn lọc tần số cao hơn
S11 S21
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0