Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến

Ngoài ra, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong các trạm thu phát trong thông tin di động trạm gốc, radar, … việc sử dụng anten đơn đã không đảm bảo được yêu cầu về chất lượng hệ thốn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những kết quả trong luận án là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ, rõ ràng và trung thực

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Lan

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới TS Lâm Hồng Thạch và PGS.TS Bernard Journet

đã hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS

TS Vũ Văn Yêm, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi về mặt khoa học cũng như đóng góp các

ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành luận án này

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Cảm ơn các thành viên trong RF Lab

đã đồng hành và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thương nhất đến gia đình, những người đã động viên, giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện cho tôi Đây chính là động lực to lớn giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Lan

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT V DANH MỤC HÌNH VẼ VII DANH MỤC BẢNG BIỂU XI DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU XII

MỞ ĐẦU 1

1 Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin 1

2 Những vấn đề còn tồn tại 2

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án 5

5 Cấu trúc nội dung của luận án 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG 8

1.1 Giới thiệu chương 8

1.2 Giới thiệu về anten vi dải 8

1.3 Lý thuyết anten mảng 9

1.4 Một số giải pháp cải thiện tham số cho anten mảng 11

1.4.1 Một số giải pháp cải thiện băng thông cho anten mảng 11

1.4.2 Một số giải pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 23

1.5 Kết luận chương 1 30

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ANTEN MẢNG 32

2.1 Giới thiệu chương 32

2.2 Cải thiện băng thông cho anten mảng x sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 32

2.2.1 Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất 33

2.2.2 Phân tích và thiết kế anten mảng 36

2.2.3 Các kết quả mô phỏng và đo kiểm 41

2.3 Cải thiện băng thông cho anten mảng x sử dụng EBG và nhiều tầng điện môi 47 2.3.1 Cấu trúc EBG đề xuất 47

2.3.2 Phân tích thiết kế anten mảng 48

2.3.3 Các kết quả mô phỏng và đo kiểm 49

2.4 Kết luận chương 2 55

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN MẢNG 57

3.1 Giới thiệu chương 57

3.2 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng 57

3.2.1 Cấu trúc DSS đề xuất 58

3.2.2 Một số tính chất quan trọng của DSS 59

3.2.3 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 x 4 bằng Defected Substrate Structure 61

3.2.4 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 2 x 2 bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 75

3.3 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 x 4 sử dụng bề mặt phản xạ 82

3.3.1 Tính toán các tham số cho FSS 82

3.3.2 Áp dụng cho anten mảng 4 x 4 83

3.3.3 Các kết quả mô phỏng và đo kiểm 84

3.4 Kết luận chương 3 90

KẾT LUẬN 92

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF Array Factor Hệ số mảng

AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo

AR Axial Ratio Tỉ số trục

CCW CounterClockwise Ngược chiều kim đồng hồ

CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng

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

CW Clockwise Chiều kim đồng hồ

DGS Defected Ground Structure Mặt phẳng đế không hoàn hảo

DNG Double Negative Vật liệu có hằng số điện môi và độ từ

thẩm âm

DSS Defected Substrate Structure Cấu trúc tầng điện môi không hoàn hảo

EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ

ECC Envelope Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao

ENG Epsilon Negative Hằng số điện môi âm

FSS Frequency Selecting Surface Bề mặt chọn lọc tần số

HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện các kỹ sư điện và điện tử

LH Left Handed Quy tắc bàn tay trái

LHM Left Handed Material Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MNG Mu Negative Độ từ thẩm âm

MRS Metamaterial Reflective Surface Bề mặt phản xạ

MTM Metamaterial Siêu vật liệu

NRI Negative Reflective Index Chỉ số khúc xạ âm

PLH Purely Left Handed Vật liệu thuần LH

PRH Purely Right Handed Vật liệu thuần RH

RCS Radar Cross Section Diện tích phản xạ hiệu dụng

RH Right Handed Quy tắc bàn tay phải

RHM Right Handed Material Vật liệu theo quy tắc bàn tay phải

SLL Sidelobe Level Mức búp sóng phụ

SNG Single Negative Vật liệu một chỉ số âm

TE Transverse Electric Điện trường ngang

TEM Transverse Electromagnetic Điện từ trường ngang

TL Transmission Line Đường truyền

TM Transverse Magnetic Từ trường ngang

UP-EBG

Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình anten vi dải 8

Hình 1.2: Phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải 9

Hình 1.3: Mô hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z 10

Hình 1.4: Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái: vật liệu thông thường (RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) 12

Hình 1.5: Phân loại vật liệu theo ɛ và µ 13

Hình 1.6: Khúc xạ trong giữa hai môi trường: (a) RHM-RHM; (b) RHM-LHM 15

Hình 1.7: Cấu trúc EBG ba chiều: (a) cấu trúc điện môi đống gỗ; mảng tấm kim loại ba cạnh nhiều tầng 17

Hình 1.8: Cấu trúc EBG hai chiều: (a) cấu trúc hình nấm; (b) cấu trúc đồng phẳng (không sử dụng cột nối kim loại) 17

Hình 1.9: Mô hình sơ đồ tương đương của một tế bào đường truyền 18

Hình 1.10: Mô hình hộp cộng hưởng chữ nhật 19

Hình 1.11: Anten đa băng dựa trên cơ sở sử dụng nhiều mode 22

Hình 1.12: Mở rộng băng thông bằng cách tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp 22

Hình 1.13: Độ rộng chùm Gauss w(z) là một hàm của khoảng cách z 26

Hình 1.14: Phân loại FSS theo đáp ứng tần số: (a) thông thấp, (b) thông cao, (c) thông dải, (d) chắn dải 28

Hình 1.15: Mô hình anten vi dải với FSS dựa trên HIS (a); mô hình của Jerusalem cross FSS 29

Hình 1.16: Sơ đồ tương đương: anten vi dải (a); Jerusalem cross FSS (b) 29

Hình 2.1: Mô hình của những cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất và sơ đồ tương đương (mầu tối là lớp đồng, màu sáng là vật liệu điện môi) 33

Hình 2.2: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng (b) 34

Hình 2.3: Lưu đồ thiết kế anten mảng với cấu trúc đề xuất 36

Hình 2.4: Mô hình của một phần tử anten 37

Hình 2.5: Mô hình bộ chia công suất (a) và các tham số S của nó (b) 38

Hình 2.6: Mô hình anten mảng: mặt trên (a); mặt dưới (b) 40

Hình 2.7: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu 41 Hình 2.8: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có cấu trúc đề xuất, (b) có cấu trúc đề xuất tại tần số trung tâm 8.15 GHz 42

Hình 2.9: Hiệu suất và hệ số tăng ích của anten 43

Hình 2.10: Đồ thị 2D của anten đề xuất tại tần số trung tâm 8.15 GHz 43

Hình 2.11: Phân bố dòng của anten: (a) không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu; (b) có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu tại tần số 8.15 GHz 44

Hình 2.12: Hình ảnh anten được chế tạo với Roger4350B 44

Hình 2.13: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất 46

Hình 2.14: Mô hình cấu trúc EBG: (a) Mô hình đề xuất và sơ đồ tương đương; (b) Cấu trúc bù của EBG và sơ đồ tương đương 48

Hình 2.15: Mô hình của anten sử dụng nhiều tầng điện môi 49

Hình 2.16: Mô hình của anten mảng đề xuất: (a) mặt trên, (b) mặt dưới 49

Hình 2.17: Mô hình lớp đất của anten với cấu trúc UP-EBG 50

Hình 2.18: So sánh các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất và UP-EBG: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất 51

Hình 2.19: So sánh các tham số của anten: (a) S11, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất 52

Hình 2.20: Các tham số của anten đề xuất: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích và hiệu suất 53

Hình 2.21: Đồ thị bức xạ của anten: (a) 3D, (b) 2D tại tần số 11 GHz 53

Hình 2.22: Phân bố dòng của anten trong các trường hợp: (a) 1 tầng điện môi, (b) 2 tầng điện môi, (c) 2 tầng điện môi với EBG tại tần số 11 GHz 54

Hình 2.23: Mô hình của anten được chế tạo: (a) mặt trên, (b) mặt dưới 54

Hình 2.24: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten 55

Hình 3.1: Mô hình DSS đề xuất: (a) mô hình; (b) sơ đồ tương đương của một đơn vị cấu trúc 58

Hình 3.2: Mô hình đường truyền vi dải thông thường (a); mô hình đường truyền vi dải với DSS (b) 59

Hình 3.3: Mô hình của anten đề xuất với DSS 62

Hình 3.4: Mô hình của anten đề xuất: anten mảng và lớp điện môi thứ nhất (a); lớp điện môi thứ hai với DSS và lớp đất (b) 62

Hình 3.5: (a) Mô hình của một phần tử lưỡng cực; (b) Mô hình của bộ chia công suất 63

Hình 3.6: Hệ số phản xạ của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS 64

Hình 3.7: Hệ số tăng ích của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS 65

Hình 3.8: Phân bố dòng anten với vật liệu Roger4350B trong ba trường hợp: 2 tầng điện

môi (a); 2 tầng điện môi với DGS (b); 2 tầng điện môi với DSS (c) tại tần số 10 GHz 65

Hình 3.9: Sự khác biệt về đồ thị của anten trong ba trường hợp: (a) hai tầng điện môi, (b) không có DSS, (c) DSS tại tần số 10 GHz 66

Hình 3.10: Hiệu suất của anten trong các trường hợp mô phỏng 67

Hình 3.11: Mô hình của DSS với tấm điện môi FR4 68

Hình 3.12: Mô hình của anten với FR4: (a) anten mảng và lớp điện môi thứ nhất; (b) lớp điện môi thứ hai với DSS và lớp đất 69

Hình 3.13: Sự khác nhau về hệ số phản xạ của anten khi anten sử dụng FR4 và Roger4350B 69

Hình 3.14: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích khi anten sử dụng Roger4350 và FR4 70 Hình 3.15: Sự khác nhau về đồ thị bức xa khi anten sử dụng (a) FR4 và (b) Roger 4350B tại tần số 10 GHz 70

Hình 3.16: So sánh hiệu suất của anten khi sử dụng Roger4350B và FR4 71

Hình 3.17: Các mặt phẳng xz, yz của anten với: Roger4350B (a); FR4 (b) tại 10 GHz 71

Hình 3.18: Phân bố dòng của anten với vật liệu FR4 trong các trường hợp: (a) 2 tầng điện môi; (b) 2 tầng điện môi với DGS; (c) 2 tầng điện môi với DSS tại tần số 10 GHz 72

Hình 3.19: Mô hình anten được chế tạo với Roger4350B: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể 73

Hình 3.20: Mô hình anten được chế tạo với FR4: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể 73

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với Roger4350B 74 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với FR4 74

Hình 3.23: Mô hình cấu trúc có tính chất siêu vật liệu: cấu trúc đề xuất (a) và cấu trúc bù của nó (b) 76

Hình 3.24: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng của cấu trúc đề xuất (b) 77

Hình 3.25: Mô hình tổng thể của anten đề xuất 78

Hình 3.26: Mô hình chi tiết của anten đề xuất: (a) tầng bức xạ; (b) lớp đất 78

Hình 3.27: Hệ số phản xạ của anten mảng 79

Hình 3.28: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất 79

Hình 3.29: Phân bố dòng của anten mảng 2 x 2 với cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất tại tần số 5.8 GHz 79

Hình 3.30: Đồ thị bức xạ của anten mảng đề xuất: (a) 3D; (b) đồ thị 2D; (c) mặt phẳng

xz và yz tại tần số 5.8 GHz 80 Hình 3.31: Hình ảnh anten được chế tạo: (a) mặt trên; (b) mặt dưới 80 Hình 3.32: Kết quả mô phỏng và đo lường về hệ số phản xạ của anten mảng đề xuất 81 Hình 3.33: (a) Mô hình bề mặt phản xạ với FSS và (b) sơ đồ tương đương 82 Hình 3.34: Mô hình của một phần tử anten 83 Hình 3.35: Mô hình anten mảng: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c), mô hình tổng thể (d) 83 Hình 3.36: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu 84 Hình 3.37: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ 85 Hình 3.38: Mô hình một tế bào 86 Hình 3.39: Các tham số của anten với một tế bào: hệ số phản xạ (a), hiệu suất và hệ số tăng ích (b) 86 Hình 3.40: Hệ số phản xạ của anten (a), đồ thị bức xạ 3D (b) và đồ thị 2D (c) tại tần số 8.15 GHz 87 Hình 3.41: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất 88 Hình 3.42: Phân bố dòng của anten: (a) không có bề mặt phản xạ; (b) có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz 88Hình 3.43: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b)

có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz 89 Hình 3.44: Mô hình anten được chế tạo: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c),

mô hình tổng thể (d) 90 Hình 3.45: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các tham số của một phần tử anten 38

Bảng 2.2: Một số tham số của cấu trúc siêu vật liệu 40

Bảng 2.3: Các tham số của anten đề xuất 45

Bảng 2.4: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố 46

Bảng 2.5: Các tham số của cấu trúc EBG 48

Bảng 2.6: Các tham số của anten trong các trường hợp 52

Bảng 2.7: Một số tham số của anten đề xuất 55

Bảng 3.1: Các tham số của DSS 59

Bảng 3.2: Các tham số của bộ chia công suất 63

Bảng 3.3: Các tham số của một phần tử dipole 63

Bảng 3.4: Các tham số của DSS với FR4 68

Bảng 3.5: Các tham số của một phần tử trong mảng với FR4 68

Bảng 3.6: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố 75

Bảng 3.7: Các tham số của cấu trúc đề xuất 77

Bảng 3.8: Các tham số của anten đề xuất 78

Bảng 3.9: So sánh kết quả đạt được với một số công bố gần đầy 81

Bảng 3.10:Các tham số của FSS 82

Bảng 3.11: Các tham số của một phần tử anten 84

Bảng 3.12: Các tham số của mô hình một tế bào 86

8 k 1/m Hằng số truyền sóng trong không gian

9 L mm Chiều dài của đường truyền

10 LL H Độ tự cảm tương đương của đường truyền

11 R Ω Trở kháng tương đương của đường truyền

12 Rin Ω Trở kháng tại một điểm trên tấm patch

13 S W/m2 Vector Poynting

14 W mm Độ rộng của đường truyền

15 Y Siemen Dẫn nạp của đường truyền

16 y0 mm Khoảng cách từ biên của patch tới nơi có trở kháng là

50 Ohm

17 Z Ω Trở kháng của đường truyền

18 Z0 Ω Trở kháng đặc tính của đường truyền

19 Zin Ω Trở kháng vào

20 Zin Ω Trở kháng lối vào

21 Zout Ω Trở kháng lối ra

22 ZT Ω Trở kháng của bộ chuyển đổi

23 β 1/m Hằng số truyền sóng trong cấu trúc tuần hoàn

24 εeff Hằng số điện môi hiệu dụng

25 εr Hằng số điện môi

26 λ0 m Bước sóng trong không gian tự do

27 λg m Bước sóng trong môi trường

28 π 3.14159

29 φ (o) Pha ban đầu

30 ω rad/s Tần số góc

MỞ ĐẦU

1 Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin

Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau như thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, Trong những hệ thống này, anten

là một thành phần không thể thiếu và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ Bên cạnh đó, những hệ thống này cũng luôn yêu cầu anten phải có kích thước nhỏ

và trọng lượng nhẹ trong khi các tham số vẫn phải được cải thiện Vì vậy, công nghệ vi dải

là sự lựa chọn tốt nhất để đáp ứng cho các yêu cầu trên Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953 [24] Phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên mới được chế tạo Những chiếc anten vi dải đầu tiên được phát triển bởi Howell [23] và Munson [71] Với những ưu điểm như kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ dàng chế tạo và chi phí thấp, anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, anten vi dải cũng tồn tại một số nhược điểm như: băng thông hẹp, hiệu suất và hệ số tăng ích thấp, công suất nhỏ

Ngoài ra, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong các trạm thu phát trong thông tin di động (trạm gốc), radar, … việc sử dụng anten đơn đã không đảm bảo được yêu cầu về chất lượng hệ thống cũng như độ định hướng, hệ số tăng ích hay băng thông Hơn nữa, anten định hướng cao là cần thiết để bù lại sự suy giảm tín hiệu do việc truyền sóng ở tầng khí quyển gây ra Thêm vào đó, trong các hệ thống như thông tin vệ tinh, radar, … băng thông của anten luôn yêu cầu từ vài trăm MHz trở lên Vì vậy, anten mảng đã ra đời để đáp ứng các yêu cầu trên Anten mảng là một tập hợp gồm ít nhất từ hai phần tử trở lên Với những ưu điểm như băng thông rộng, hệ số tăng ích và độ định hướng cao, anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thông tin vệ tinh [12], [31], [106], thông tin di động [61], [103], [108], radar [37], [57], y tế [80], [97],

Một đặc tính quan trọng khác của anten mảng đó là việc có thể thay đổi và điều khiển đồ thị bức xạ [85], [38] Không giống như anten đơn với đồ thị bức xạ là cố định, việc có thể thay đổi và điều khiển đồ thị bức xạ đã mở ra những hướng nghiên cứu mới trong việc xử lý tín hiệu để điều khiển búp sóng cho anten Ngoài ra, thông qua việc sử dụng anten mảng và

kỹ thuật phân tập, có thể hạn chế việc ảnh hưởng thăng giáng của tín hiệu (fading) cũng như tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Điều này được thể hiện qua một số ứng dụng thông tin di động [96], đường sắt cao tốc [94],

…

Rõ ràng là anten mảng có một vị trí đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến Để nâng cao chất lượng của các hệ thống này, việc cải thiện các tham số cho anten mảng là rất cần thiết Hiện nay, có nhiều phương pháp đã được đề xuất để cải thiện các tham số cho anten như: sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu [45], [81], dải chắn điện từ (Electromagnetic Band Gap - EBG) [51], [107], nhiều tầng điện môi [5], [17], cấu trúc mặt

đế không hoàn hảo (Defected Ground Structure - DGS) [77], [102], bề mặt phản xạ [13], [68] Mỗi phương pháp đều có những đặc tính riêng Vì vậy, cần lựa chọn và áp dụng đúng đắn các phương pháp vào từng trường hợp cụ thể Nếu như việc cải thiện băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi dựa trên nguyên lý tăng chiều dày của tầng điện môi [35], thì việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng việc sử dụng bề mặt phản xạ dựa trên đặc tính phản xạ để giảm thiểu búp phụ và búp sau Trong khi đó, phương pháp như DGS cải thiện tăng ích cho anten bằng cách phân bố lại dòng cho anten Chúng ta biết rằng việc bức xạ của anten vi dải được xác định từ phân bố trường giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt phần tử bức xạ [33] Do đó, việc thay đổi hình dạng, kích thước và chiều dày của mặt phẳng đất hay phần tử bức xạ sẽ dẫn đến việc thay đổi phân bố dòng của anten Điều này đã mở ra một cơ hội cho việc cải thiện một số tham số của anten

2 Những vấn đề còn tồn tại

Công nghệ vi dải đang phát triển mạnh mẽ Trong thời gian gần đây, công nghệ vi dải đã

và đang được ứng dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, trong đó có anten và truyền sóng Tuy nhiên, để đáp ứng được sự đòi hỏi ngày càng khắt khe của khách hàng về chất lượng dịch

vụ, việc cải thiện các tham số cho anten là rất cần thiết Do đó, vấn đề này đã đặt ra rất nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Điều này được thể hiện qua một số công trình được công bố như sau:

Hiện nay, những dải tần cho thông tin vệ tinh, radar được trải rộng trong nhiều băng tần, trong đó có băng tần C và băng tần X Đã có nhiều đề xuất về anten mảng với các tham số được cải thiện trong các công trình [19], [31], [50], [59], [90] Tuy nhiên, còn nhiều hạn chế trong những công trình này Cụ thể như trong [31], mặc dù anten gồm 144 phần tử và được thiết kế tại băng X nhưng hiệu suất của anten chỉ là trên 50% Hiệu suất này là chưa cao, và

do đó nó không đáp ứng được cho ứng dụng vệ tinh ở băng X Hạn chế này cũng xảy ra ở

trong kết quả nghiên cứu [59] với hiệu suất của anten chỉ là dưới 50% khi anten được thiết

kế tại tần số trung tâm là 60 GHz Trong [50] mặc dù anten gồm 256 phần tử và được thiết

kế tại 60 GHz nhưng phần trăm băng thông của anten chỉ là 6.5% Trong trường hợp khác, một anten mảng được thiết kế tại tần số 24 GHz nhưng hệ số tăng ích của anten chỉ hơn 11 dBi Thêm vào đó, băng thông của anten cũng chỉ là 660 MHz [90] Ngoài ra, trong các kết quả nghiên cứu ở trên, độ phức tạp của anten là rất cao bởi việc sử dụng ống dẫn sóng cũng như các hốc cộng hưởng kim loại Điều này dẫn đến khó khăn cũng như tăng chi phí sản xuất

Trong một số nghiên cứu khác [18], [54], [73], [104], [109], cũng còn tồn tại nhiều tham

số của anten chưa được tối ưu Ví dụ như trong [18], một mảng anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại băng X Tuy nhiên, hiệu suất của anten chỉ là 65% Và điều này cũng xảy

ra tương tự với công trình [104] khi hiệu suất của anten là 41% Hơn nữa, tỉ lệ phần trăm băng thông của anten lần lượt chỉ là 4.37% và 4% trong các công bố [109] và [54] khi anten được thiết kế tại các tần số trung tâm là 24 GHz và 9 GHz Trong khi đó, một anten gồm 16 phần tử và được thiết kế ở tần số 12 GHz nhưng hệ số tăng ích chỉ là 11.1 dBi [73]

Trong một nhóm những công trình khác [58], [101], [32], [67], [76], [87], [60], hầu hết băng thông của anten còn rất hạn chế (tỉ lệ phần trăm băng thông dưới 10%) Ngoài ra, hiệu suất của các anten ở những công trình này là rất thấp, thường dưới 60% Cụ thể như, trong [58], anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại tần số 60 GHz, nhưng hiệu suất của anten chỉ là và 45.3% Bên cạnh đó, một số những nghiên cứu khác [67], [76] cũng tồn tại những hạn chế trên

Hơn nữa, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten cũng là một vấn đề tồn tại trong các công trình công bố [64], [100], [43] Chẳng hạn như, trong [64], mặc dù anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại tần số lớn hơn 11 GHz, nhưng hệ số tăng ích chỉ là 8.1 dBi Hay với [43],

hệ số tăng ích của anten là 10.3 dBi khi anten được thiết thế tại tần số 10.5 GHz

Rõ ràng là việc cải thiện tham số cho anten còn rất nhiều vấn đề và điều này có thể thấy qua một số những công trình công bố được chỉ ra ở trên hay trong một số các nghiên cứu [65], [98] bởi trong khi hiệu suất của anten chỉ là 47% trong [65], thì trong [98] tỉ lệ phần trăm băng thông của anten chỉ là 2% khi anten được thiết kế tại tần số trung tâm 10 GHz Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến, việc cải thiện các tham số cho anten là

rất cần thiết Tùy vào những ứng dụng cụ thể mà chúng ta sẽ tập trung để cải thiện một số tham số khác nhau

Nhìn chung, việc thiết kế tối ưu đồng thời nhiều tham số anten như băng thông, hiệu suất,

độ định hướng, hệ số tăng ích để đảm chất lượng dịch vụ với chi phí thấp, dễ dàng chế tạo vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay

Trong khi đó, điểm qua một số những luận án trong thời gian gần đây, nghiên cứu sinh thấy như sau:

Năm 2014, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã

bảo vệ luận án với đề tài “Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống

thông tin vô tuyến thế hệ mới” [2] Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ lọc đa băng, anten

đa băng và anten đơn MIMO

Năm 2016 đã có một số luận án nghiên cứu về anten MIMO cho thiết bị đầu cuối di động của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm (Đại học Bách khoa Hà Nội) [4] cũng như luận án nghiên cứu về anten UWB của tác giả Lệ Trọng Trung (Học viện Kỹ thuật Quân sự) [3] Đối tượng nghiên cứu những luận án này đều là anten đơn và mục tiêu nghiên cứu của luận án này là giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten

Năm 2017, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Đặng Như Định đã bảo vệ luận

án với đề tài “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” [1] Luận án

đã tập trung nghiên cứu một số cấu trúc như CRLH, SRR để thiết kế bộ lọc thông dải, bộ chia công suất và các anten đơn Do đó, chưa hề có bất kì việc nghiên cứu nào về việc sử dụng các phương pháp để cải thiện tham số cho anten mảng

Hiện nay, tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội có hai luận án tiến sĩ của các

tác giả Tống Văn Luyên và Tăng Thế Toan lần lượt nghiên cứu về đề tài “Nghiên cứu các

phương pháp định dạng và điều khiển búp sóng của mảng anten tích hợp trên mặt trụ” và

“Nghiên cứu phát triển anten mảng có độ lợi cao và mức búp sóng phụ thấp” Trong khi đề

tài đầu tiên tập trung nghiên cứu thuật toán cho việc định dạng và điều khiển búp sóng thì

đề tài thứ hai nghiên cứu giải pháp giảm thiểu mức búp sóng phụ (SLL) của anten bằng cách

áp dụng phân bố Chebyshev

Rõ ràng là vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại trong các công trình công bố trên Vì vậy, việc nghiên cứu những giải pháp cải thiện tham số cho anten vẫn là rất cần thiết Luận án này sẽ tổng hợp và phân tích cơ chế để cải thiện các tham số như băng thông, hệ số tăng ích, độ

định hướng cho anten mảng Từ đó, phát triển các giải pháp cụ thể dựa trên những cơ chế này

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp mới để cải thiện đồng thời một số tham số cho anten mảng như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng

- Nghiên cứu, đề xuất cấu có tính chất trúc siêu vật liệu mới để cải thiện tham số cho anten mảng

- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc EBG mới để cải thiện tham số cho anten mảng

 Đối tượng nghiên cứu trong luận án bao gồm:

- Anten mảng vi dải có giá thành rẻ, chi phí thấp và dễ dàng chế tạo dựa trên công nghệ anten phẳng (planar)

- Anten mảng lưỡng cực (dipole) sử dụng công nghệ vi dải

 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu cải thiện một số tham số cho anten mảng hoạt động ở băng C hoặc băng X (từ 11 GHz trở xuống) như băng thông, độ định hướng, hệ số tăng ích, hiệu suất Các công việc bao gồm: phân tích, tính toán, thiết kế và áp dụng vào anten

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

Việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện một số tham số cho anten 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 góp phần phát triển các giải pháp để cải thiện một

số tham số cho anten mảng với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo với chi phí thấp

- Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp vào hiểu biết chung cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc phân tích và thiết kế anten mảng sử dụng công nghệ vi dải

 Ý nghĩa thực tiễn:

- Các giải pháp cải thiện một số tham số cho anten nhằm nâng cao chất lượng của anten

và là cơ sở để các nhà sản xuất chế tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn trong tương lai

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết kế anten mảng Từ đó nhằm cải thiện các tham số của anten để có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ

Những đóng góp khoa học của luận án:

- Một giải pháp DSS (Defected Substrate Structure) được đề xuất để cải thiện đồng thời một số tham số cho anten dựa trên cơ sở phân bố lại dòng bề mặt và hốc cộng hưởng điện môi được đề xuất Đồng thời, phương pháp được mô hình hóa và tính toán theo

sơ đồ mạch tương đương LC Giải pháp DSS được áp dụng cải thiện tham số cho anten mảng 4 x 4 được thiết kế tại tần số trung tâm 10 GHz

- Đề xuất cấu trúc siêu vật liệu để cải thiện một số tham số cho anten mảng và phân tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC của cấu trúc Cấu trúc đề xuất lần lượt được

áp dụng để cải thiện băng thông và hệ số tăng ích cho anten mảng 4 x 4 và 2 x 2 tại dải tần 7.9 – 8.4 GHz và 5.8 GHz

- Đề xuất cấu trúc EBG để cải thiện băng thông cho anten mảng và phân tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC Cấu trúc EBG đề xuất được áp dụng cho anten mảng 4

x 4 được thiết kế tại tần số 11 GHz

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung của luận án bao gồm ba chương

Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về anten mảng, nguyên lý hoạt động của anten vi dải và các giải pháp để cải thiện tham số cho anten được trình bày trong chương này Cụ thể

là, những nguyên lý mở rộng băng thông và cải thiện hệ số tăng ích cho anten dựa trên một

số giải pháp như sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu, bề mặt phản xạ và phân bố lại dòng cũng được trình bày trong chương này Đây là những nguyên lý quan trọng và là cơ sở

để phát triển các phương pháp cũng như việc phân tích, thiết kế anten được trình bày trong các chương tiếp theo

Giải pháp cải thiện băng thông cho anten bằng cách áp dụng các nguyên lý ở chương 1 được đề xuất và thực hiện trong chương 2 Những cấu trúc có tính chất siêu vật liệu mới được đề xuất và áp dụng để cải thiện băng thông cho anten mảng 4 x 4 Cấu trúc đề xuất có

ưu điểm nhỏ gọn và đồng phẳng Vì vậy, nó dễ dàng cho việc chế tạo cũng như sản xuất với chi phí thấp Hơn nữa, để kiểm chứng sự ảnh hưởng của cấu trúc đề xuất tới các tham số của anten, luận án đã mô phỏng và so sánh anten trong các trường hợp khác nhau

Chương 3 đề xuất và thực hiện các giải pháp để cải thiện hệ số tăng ích cho anten Dựa trên nguyên lý phân bố lại dòng, luận án đã đề xuất một giải pháp mới là DSS để cải thiện

hệ số tăng ích cho anten Thêm vào đó, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten thông qua việc

sử dụng bề mặt phản xạ cũng được trình bày trong chương này Ngoài ra, luận án còn phát triển một cấu trúc có tính chất siêu vật liệu mới và nó được áp dụng để cải thiện tham số cho anten mảng 2 x 2 Các giải pháp đều được phân tích, tính toán lý thuyết, mô phỏng tối ưu kết hợp với chế tạo và đo kiểm thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp đề xuất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC GIẢI

PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG

1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày tổng quan về một số nội dung như: giới thiệu về anten vi dải và lý thuyết anten mảng Việc anten vi dải có một số hạn chế như băng thông hẹp, tăng ích và hiệu suất thấp đã ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng dịch vụ của các hệ thống vô tuyến Vì vậy, những giải pháp cải thiện các tham số cho anten mảng cũng được trình bày trong phần này

Ở đây, nghiên cứu sinh tập trung vào các giải pháp cải thiện băng thông và tăng ích cho anten Đây chính là cơ sở để đưa ra những đề xuất cải thiện các tham số cho anten ở trong các Chương 2 và 3

1.2 Giới thiệu về anten vi dải

Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953 [24] Tuy nhiên, phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên mới được chế tạo Cấu trúc của anten vi dải gồm ba lớp: bức xạ, điện môi và lớp đất như được hiển thị trong Hình 1.1

Hình 1.1: Mô hình anten vi dải [7]

Khi được cấp nguồn, việc phát xạ của một anten vi dải có thể được xác định bằng phân

bố trường giữa tấm phát xạ và mặt phẳng đất Khi đó, lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu trên tấm phát xạ làm chuyển dịch một số điện tích từ mặt dưới lên mặt trên của tấm bức xạ

Sự dịch chuyển này đã tạo ra vector mật độ dòng ở mặt dưới Jb

và vector mật độ dòng ở mặt trên Jt

(Hình 1.2) Lực hút giữa các điện tích là chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung

điện tích, dòng vẫn tồn tại bên dưới khi tỉ số giữa chiều dày h của lớp điện môi và chiều rộng

W của tấm phát xạ là rất nhỏ Như vậy, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ vùng biên

của tấm bức xạ lên mặt trên của tấm bức xạ làm hình thành một trường từ nhỏ có chiều tiếp tuyến với các vùng biên của tấm bức xạ

Hình 1.2: Phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải[7]

Kể từ khi ra đời, anten vi dải có nhiều ưu thế so với một số loại anten truyền thống khác bởi một số ưu điểm như:

 Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ

 Dễ dàng chế tạo với chi phí thấp

 Dễ dàng tích hợp với các mạch tích hợp khác

 Có thể phân cực tuyến tính và phân cực tròn bằng việc cấp nguồn đơn giản

 Dễ dàng chế tạo anten hoạt động với nhiều dải tần khác nhau

Tuy nhiên, anten vi dải cũng tồn tại một số nhược điểm như:

1.3 Lý thuyết anten mảng

Anten là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến Tuy nhiên, anten đơn thường có tính định hướng và hệ số tăng ích thấp Vì vậy, trong một số ứng dụng

đặc biệt cần tính định hướng và hệ số tăng ích cao như radar, trạm thu phát trong thông tin

di động, thì anten đơn không đáp ứng được Do đó, việc sử dụng anten mảng là sự lựa chọn tốt nhất để đáp ứng cho các ứng dụng trên Anten mảng là một tập hợp gồm ít nhất hai phần tử trở lên Các phần tử trong anten mảng có thể là bất cứ loại anten nào như anten dạng tấm (patch), lưỡng cực, vòng (loop), Trường tổng của một anten mảng được tính theo nguyên lý xếp chồng của các trường bức xạ từ các phần tử độc lập Hiện nay, có nhiều loại anten mảng khác nhau như mảng tròn, mảng tuyến tính, mảng đồng phẳng (planar), mảng thích nghi bề mặt (conformal array) Trong một mảng anten gồm các phần tử giống nhau, có

ít nhất năm yếu tố ảnh hưởng đến bức xạ của anten mảng [7]:

 Kiểu sắp xếp các phần tử

 Khoảng cách giữa các phần tử

 Biên độ dòng được kích thích trên mỗi phần tử

 Pha của dòng được kích thích trên mỗi phần tử

 Kiểu bức xạ của các phần tử

Hình 1.3: Mô hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z [29]

Bây giờ, để khảo sát hệ thống bức xạ, luận án sẽ bắt đầu khảo sát một mảng gồm phần

tử như được cho trong Hình 1.3 [29] Giả sử rằng tất cả các phần tử có cùng biên độ, trong khi đó là sự dịch pha giữa các phần tử lân cận

Khi đó, hệ số mảng của đồ thị được cho bởi [29]:

ở đây = + , và là số lượng phần tử trong mảng Khi đó, biểu thức (1.1) có thể được viết lại như sau:

Nếu điểm tham chiếu ở tâm của mảng, khi đó trong phương trình (1.2) được viết lại thành:

Từ biểu thức trên của luận án có thể thấy rằng ( ) có một số tính chất như sau:

- ( ) là một hàm tuần hoàn của với chu kỳ 2 bởi | ( + 2 )| = | ( )|

- Vì ( ) = (− ), nên | | là một hàm đối xứng Vì vậy, ta chỉ cần khảo sát một nửa mặt phẳng, nghĩa là trong khoảng từ 0 đến 180 Khi trong khoảng từ

0 đến 180 thì −1 ≤ ≤ 1 Do đó, sẽ nằm trong khoảng: - + ≤ ≤

+ Khi đó, đồ thị sẽ nhận được bằng cách lấy đối xứng qua trục

Từ biểu thức (1.2) có thể thấy rằng khi = 0, hướng bức xạ cực đại của mảng sẽ vuông góc với trục của mảng tại ( = ±90 ) Và mảng này được gọi là mảng “broadside” Trong khi đó, khi bức xạ cực đại theo hướng = 0 , khi đó:

= 0 + = 0 → = − (1.6)

Khi thỏa mãn phương trình (1.6), thì mảng này được gọi là mảng “end-fire”

Nếu bức xạ cực đại theo hướng = 180 , khi đó:

1.4 Một số giải pháp cải thiện tham số cho anten mảng

1.4.1 Một số giải pháp cải thiện băng thông cho anten mảng

Để đáp ứng cho nhu cầu truyền thông băng rộng, việc cải thiện băng thông cho anten là rất cần thiết Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để cải thiện băng thông cho anten bằng cách sử dụng một số giải pháp như DGS [22], [66]; cấu trúc có tính chất siêu vật liệu [45], [81]; nhiều tầng điện môi [5], Trong phần này, luận án này sẽ trình bày lý thuyết của việc cải thiện băng thông cho anten thông qua việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu và nhiều tầng điện môi

a) Mở rộng băng thông cho anten sử dụng cấu trúc siêu vật liệu

Cơ sở về cấu trúc có tính chất siêu vật liệu

Ngày nay, thuật ngữ “siêu vật liệu” (metamaterial) có thể được tìm thấy trong nhiều tài liệu của nhiều lĩnh vực khác nhau Từ “meta” trong tiếng Hy Lạp nghĩa là “beyond” Theo

định nghĩa tổng quát, siêu vật liệu là một loại vật liệu nhân tạo với các đặc tính không sẵn

có trong tự nhiên Siêu vật liệu có độ từ thẩm và hằng số điện môi đều âm [20] Vì vậy, nó

có những đặc tính rất khác biệt với vật liệu thông thường như khúc xạ âm, đảo ngược hiệu ứng Doppler, Và một trong những tính chất quan trọng của siêu vật liệu là nó tuân theo quy luật bàn tay trái, thay vì quy tắc bàn tay phải như vật liệu thông thường Vì vậy, siêu vật liệu còn được gọi là vật liệu bàn tay trái Hình 1.4 minh họa sơ đồ vector Poynting của vật liệu thông thường và vật liệu bàn tay trái

Loại vật liệu mà chỉ có một trong hai tham số là độ từ thẩm hoặc hằng số điện môi âm được gọi là vật liệu đơn chỉ số âm (SNG – single negative) Chẳng hạn như vật liệu có hằng

số điện môi – epsilon âm (Epsilon-negative – ENG) hoặc vật liệu có độ từ thẩm âm negative – MNG)

(Mu-Hình 1.4: Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái: vật liệu thông thường (RHM), bên

phải: siêu vật liệu (LHM))

Dựa vào hằng số điện môi và độ từ thẩm, vật liệu có thể được chia thành bốn loại như được minh họa trong Hình 1.5

Vùng I: > 0, µ > 0 Đây chính là những vật liệu thông thường

Vùng II: < 0, µ > 0 Vật liệu này được biết đến như là vật liệu plasma, các vật liệu tại tần số quang

Vùng III: < 0, µ < 0 Đây chính là siêu vật liệu mà luận án đang nhắc tới

Vùng IV: > 0, µ < 0 Vật liệu này được biết đến như là ferrites

Chúng ta biết rằng siêu vật liệu có thể được chia thành nhiều loại khác nhau, phụ thuộc vào thuộc tính trường điện từ [28]:

- Vật liệu có hai chỉ số âm (DNG): là những vật liệu với hằng số điện môi và độ từ thẩm

đều âm

- Vật liệu bàn tay trái: là những vật liệu mà trong đó chiều của điện trường, từ trường

và hướng truyền sóng tuân theo quy tắc bàn tay trái

- Vật liệu có chỉ số khúc xạ âm: là những vật liệu chỉ số khúc xạ âm

- Vật liệu ma-nhê-tô (magneto materials): là những vật liệu nhân tạo có khả năng điều

khiển hệ số từ thẩm

- Bề mặt cứng và mềm (soft and hard surfaces): là những bề mặt có khả năng cho phép

hay ngăn chặn sự lan truyền của sóng điện từ

- Bề mặt trở kháng cao (HIS): là những bề mặt trở kháng lớn với các sóng và

- Vật dẫn từ nhân tạo (AMC): là vật dẫn từ nhân tạo có tính chất giống như tính chất

của vật dẫn từ hoàn hảo

Hình 1.5: Phân loại vật liệu theo ɛ và µ [20]

Dải chắn điện từ (Electromagnetic Ban Gap – EBG) cũng là một loại nằm trong siêu vật liệu Vì vậy, ngoài việc kế thừa các tính chất của siêu vật liệu, EBG cũng có một số tính chất riêng Bây giờ, luận án sẽ lần lượt trình bày một số tính chất nổi bật của siêu vật liệu cũng như EBG

Một số tính chất nổi bật của siêu vật liệu

Trong phần này, luận án sẽ trình bày một số tính chất tiêu biểu của siêu vật liệu như truyền sóng ngược, khúc xạ âm và phân tán Một số tính chất khác của siêu vật liệu, người đọc có thể tham khảo trong [20], [82]

Truyền sóng ngược

Để khảo sát những tính chất của siêu vật liệu, luận án bắt đầu với một khái niệm truyền sóng đơn giản trong một môi trường vô tận nguồn tự do Do đó, luận án sẽ bắt đầu bằng những phương trình Maxwell trong môi trường đẳng hướng Trong một môi trường, giả sử rằng các sóng điện từ là hài biến thiên theo thời gian và do đó sự độc lập về thời gian có thể được loại bỏ Với sóng phẳng, phương trình Maxwell trở thành [53]:

Trong khi đó, vector Poyting ⃗ được định nghĩa:

Do đó, vector Poyting sẽ song song với vận tốc nhóm

Trong đó, vận tốc nhóm được định nghĩa là vận tốc đường bao của sóng được điều chế trong một môi trường không méo Ngược lại với vector sóng, các vector ,⃗ ,⃗ ⃗ luôn tuân theo quy tắc bàn tay phải mà không phụ thuộc vào hằng số điện môi và độ từ thẩm là âm hay dương

Khi tần số là luôn dương, vận tốc pha sẽ được cho bởi:

⃗ = = ⃗⃗ (1.14)

Từ phương trình trên, ta có thể thấy rằng, pha của sóng trong môi trường LH sẽ truyền ngược tới nguồn và nó liên quan đến vận tốc nhóm ⃗ Điều này cho thấy rằng LHM có khả năng truyền sóng ngược

Khúc xạ âm

a) b)

Hình 1.6: Khúc xạ trong giữa hai môi trường: (a) RHM-RHM; (b) RHM-LHM

Giả sử ta có môi trường đồng nhất và đẳng hướng như trong Hình 1.6 Theo định luật Snell ta có:

LHM phân tán

Chúng ta biết rằng, mật độ năng lượng của sóng điện từ trong môi trường không phân tán được cho bởi [20], [53]:

Rõ ràng là định nghĩa này không còn phù hợp cho LHM nếu không thì năng lượng điện

từ sẽ âm khi độ từ thẩm và hằng số điện môi là âm Vì vậy, trong tài liệu [25] và [44],đã đề xuất một sự thay đổi trong môi trường phân tán Khi đó, mật độ năng lượng trong môi trường phân tán không suy hao được cho bởi:

Các phương trình (1.19) và (1.20) là các điều kiện entropy tổng quát cho các tham số cấu

thành Những điều kiện entropy này cho thấy rằng hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng âm

là không thể tồn tại trong môi trường không phân tán nếu không thì sẽ vi phạm luật entropy

Một số tính chất của EBG

Theo tài liệu [28], dải chắn điện từ (Electromagnetic Band Gap - EBG) là những cấu trúc

nhân tạo tuần hoàn (hoặc đôi khi không tuần hoàn) cản trở hoặc hỗ trợ sự truyền lan của sóng điện từ trong một dải tần số xác định đối với mọi góc tới và mọi trạng thái phân cực

Dựa vào cấu trúc hình học, EBG có thể được phân chia thành ba loại: cấu trúc ba chiều, cấu trúc hai chiều và cấu trúc một chiều Trong đó cấu trúc EBG hai chiều nhận được nhiều

sự quan tâm của các nhà khoa học nhất bởi các ưu điểm như dễ dàng chế tạo và nhỏ gọn Hình 1.7 và Hình 1.8 lần lượt minh họa cấu trúc EBG hai chiều và ba chiều [28]

Như được nêu trong định nghĩa, EBG có những tính chất mềm dẻo như có thể hỗ trợ hoặc cản trở sự lan truyền của sóng điện từ trong một dải tần nhất định Cụ thể là:

(2) Khi sóng đến là sóng phẳng ( + ≤ , k z có giá trị thực), khi đó pha phản xạ của cấu trúc EBG sẽ thay đổi theo tần số Tại một tần số nào đó, pha phản xạ sẽ bằng không Điều này giống như một vật dẫn từ hoàn hảo mà nó không tồn tại trong tự nhiên

Ở đây, , là các hằng số sóng theo phương ngang, là hằng số sóng theo phương thẳng đứng trong khi là hằng số sóng trong không gian tự do

Hình 1.8: Cấu trúc EBG hai chiều: (a) cấu trúc hình nấm [62]; (b) cấu trúc đồng phẳng (không sử

dụng cột nối kim loại) [93]

Với những đặc tính mềm dẻo như trên, EBG được ứng dụng rộng rãi Đặc biệt, trong lĩnh vực anten, EBG có thể được ứng dụng để:

 Cải thiện tăng ích cho anten

 Cải thiện băng thông

 Cải thiện sự tương hỗ giữa các phần tử anten

 Triệt sóng bề mặt

Nguyên lý mở rộng băng thông cho anten mảng

Chúng ta biết rằng nếu chỉ sử dụng một mode cộng hưởng thì việc mở rộng băng thông cho anten là rất khó khăn Để minh chứng điều này, luận án xét mô hình tương đương của một tế bào (unit cell) đường truyền siêu vật liệu (ENG-TL) được cho như trong Hình 1.9 [74]

Nó bao gồm một cuộn cảm nối tiếp , một tụ điện mắc song song và một cuộn cảm song song ( ) Ở đây, trở kháng ′ và dẫn nạp ′ lần lượt được cho bởi:

Ở đây, điện dẫn nối tiếp biểu thị cho việc suy hao của vật dẫn, tầng điện môi và tầng bức xạ Bằng cách áp dụng lý thuyết Bloch và Floquet cho cấu trúc đơn vị trong cấu trúc tuần hoàn, luận án thu được quan hệ:

Hình 1.9: Mô hình sơ đồ tương đương của một tế bào đường truyền [74]

Trong đó, = 1⁄ , = 1⁄ Ở đây là hằng số truyền sóng trong khi

p là chiều dài của một cấu trúc đơn vị Việc cộng hưởng của đường truyền ENG-TL cho

mode cộng hưởng có thể thu được bằng điều kiện sau:

= = = 0,1,2, ⋯ ( − 1) (1.24)

Ở đây và lần lượt là số lượng tế bào và chiều dài vật lý của đường truyền Xét một điều kiện biên “open-ended”, khi đó tần số cộng hưởng được cho bởi:

= + 1 − = 0,1,2, ⋯ ( − 1) (1.25)

Khi bằng không, bước sóng trở nên vô hạn, và cộng hưởng bậc không sẽ xảy ra Khi

đó, tần số cộng hưởng bậc không được cho bởi:

Cộng hưởng bậc không có ưu điểm là giảm nhỏ kích thước do hằng số truyền sóng bằng

0 Tuy nhiên, nó lại có nhược điểm là băng thông hẹp Khi đó, băng thông sẽ được tính như sau:

Từ công thức (1.27) ở trên có thể thấy rằng băng thông của mode cộng hưởng bậc không chỉ phụ thuộc vào các phần tử song song trong sơ đồ tương đương của đường truyền Như vậy, để mở rộng băng thông cho anten, luận án có thể điều chỉnh các giá trị của các phần tử song song Tuy nhiên, việc điều chỉnh này bị giới hạn bởi tần số và tiêu chuẩn Chu [47] Hơn nữa, việc mở rộng băng thông trong trường hợp này sẽ làm giảm hiệu suất của anten Do đó,

để đạt được hiệu suất cao mà băng thông của anten vẫn đủ rộng, luận án có thể sử dụng nhiều mode cộng hưởng ghép lại với nhau [83] Và điều này hoàn toàn có thể thực hiện được bằng cách sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu

Hình 1.10: Mô hình hộp cộng hưởng chữ nhật

Việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu giúp tạo ra các hốc cộng hưởng liên tiếp Chính điều này đã giúp tạo ra các mode cộng hưởng liên tiếp để mở rộng băng thông cho

anten Và đây cũng là nguyên lý để thiết kế anten đa băng Ở đây, theo [79], hộp cộng hưởng

là một vùng không gian hữu hạn mà ở trong nó sau khoảng thời gian lớn hơn nhiều chu kỳ dao động siêu cao tần có sự tích lũy năng lượng điện từ Hộp cộng hưởng thường có dạng kín, tức là được bao bọc bởi thành kim loại Tuy nhiên, cũng có hộp cộng hưởng dạng không kín như hộp cộng hưởng điện môi, hộp cộng hưởng hở ở dải mm hay dải quang học bao gồm hai bản phản xạ đặt song song cách nhau một khoảng nhất định

Để chi tiết hơn, bây giờ chúng ta xét hộp cộng hưởng hình chữ nhật như Hình 1.10 Khi

đó, vector thế (vector potential) phải thỏa mãn phương trình:

Khi đó

Tuy nhiên, Nếu > /2 > > ℎ, mode bậc tiếp theo sẽ là thay vì , khi

đó, tần số cộng hưởng được cho bởi:

Việc tính toán và ghép nhiều mode cộng hưởng liên tiếp là một phương án khả thi để

mở rộng băng thông cho anten Điều này không chỉ giúp băng thông của anten được cải thiện, mà còn giúp hiệu suất của anten không bị giảm Thêm vào đó, điều này không bị giới hạn bởi bất kì yếu tố nào

Hình 1.11 và Hình 1.12 lần lượt minh họa anten đa băng và việc mở rộng băng thông cho anten dựa trên cơ sở sử dụng nhiều mode cộng hưởng Ở đây, cần phân biệt sự khác nhau trong việc sử dụng các mode cộng hưởng cho việc mở rộng băng thông cho anten và thiết kế anten đa băng Để mở rộng băng thông cho anten, luận án cần tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp trong khi với anten đa băng, các mode cộng hưởng là ngắt quãng Sự ngắt quãng

này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các tần số mà chúng ta cần thiết kế Nếu ta muốn thiết

kế băng rộng cho mỗi băng, thì có thể tạo ra một vài mode liên tiếp trước khi ngắt quãng tới băng tần khác

Hình 1.11: Anten đa băng dựa trên cơ sở sử dụng nhiều mode [74]

Đây cũng là nguyên lý mở rộng băng thông cho anten bằng EBG

Hình 1.12: Mở rộng băng thông bằng cách tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp [83]

b) Mở rộng băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi

Chúng ta biết rằng, tỉ lệ phần trăm băng thông của anten được cho bởi công thức [35]:

Ở đây: ℎ là chiều dày của tầng điện môi, là hằng số điện môi, là bước sóng, là chiều rộng của anten, và là chiều dài của anten Từ công thức (1.37), để mở rộng băng thông cho anten, luận án có thể:

 Tăng chiều dày ℎ của tầng điện môi

 Tăng chiều rộng của anten

 Giảm chiều dài của anten

 Sử dụng vật liệu điện môi có hằng số điện môi thấp

Tuy nhiên, chúng ta cũng cần biết rằng và là những tham số bị giới hạn bởi bước

sóng và tiêu chuẩn Chu Do đó, những tham số này không thể tăng giảm một cách tùy tiện

Trong khi đó, là một hằng số riêng của mỗi loại vật liệu Vì vậy, trong trường hợp này,

để mở rộng băng thông, luận án có thể tăng chiều dày của lớp điện môi bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi và việc này được minh họa trong [39]

Vì vậy, việc sử dụng nhiều tầng điện môi cũng là một cách để cải thiện băng thông cho anten

1.4.2 Một số giải pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng

a) Nguyên lý cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng

Chúng ta biết rằng, cấu trúc của anten vi dải gồm ba tầng: tầng bức xạ, tầng điện môi và lớp đất Việc bức xạ của anten vi dải được xác định từ việc phân bố trường giữa tầng bức xạ

và mặt phẳng đất Nói cách khác, việc bức xạ có thể được miêu tả thông qua phân bố dòng

bề mặt trên tầng bức xạ [33] Do đó, các tham số như độ dày, hằng số điện môi, độ từ thẩm, kích thước hay hình dạng của tầng điện môi ảnh hưởng đáng kể tới việc phân bố dòng của anten Vì vậy, khi thay đổi bất kể tham số nào (chiều dày, hình dạng, kích thước, ) trong

ba tầng của anten vi dải, thì đồng nghĩa với việc ta đã thay đổi đặc tính của đường truyền Chẳng hạn như, khi khoét mặt phẳng đất hay lớp điện môi theo một hình dạng nào đó, điều này đồng nghĩa với việc thay đổi các đặc tính của đường truyền/cấu trúc đường truyền bao gồm một số tham số như điện cảm, điện dung, hay chiều dài điện Đồng thời, điều này cũng dẫn đến việc phân bố lại dòng bề mặt của đường truyền vi dải Chính vì sự phân bố lại dòng này đã gây ra việc giao thoa giữa các sóng Để chi tiết, bây giờ luận án sẽ khảo sát chi tiết việc giao thoa giữa các sóng trong anten

Nguyên lý phân bố lại dòng bề mặt

- Giao thoa sóng phẳng

Rõ ràng là việc làm xáo trộn trong phân bố dòng đã gây ra sự giao thoa giữa các sóng

Vì vậy, để cải thiện tăng ích cho anten, luận án cần khảo sát hiện tượng giao thoa giữa các sóng Để đơn giản, luận án sẽ xét sự giao thoa của các sóng phẳng Ở đây, giao thoa là sự chồng lấn lên nhau giữa các sóng Các sóng ở anten là có cùng một nguồn và tần số Vì vậy, nguồn sóng ở đây là nguồn kết hợp Bây giờ, luận án giả thiết rằng có hai sóng kết hợp với cùng tần số, cường độ và phân cực nhưng khác pha Khi đó, hiện tượng giao thoa sẽ xảy ra,

và trường tổng của chúng có thể viết như sau [14]:

Ở đây là trở kháng của không gian tự do

Từ các phương trình (1.40) – (1.41) của luận án có thể thấy rằng luồng năng lượng trong hướng truyền sóng có liên quan đến sự khác pha giữa các sóng Luồng năng lượng sẽ đạt cực đại khi không có sự dịch pha Ngược lại, khi sự dịch pha là bội số lẻ của thì năng lượng không thể truyền theo hướng truyền sóng

Rõ ràng là việc phân bố lại dòng đã mở ra cơ hội để cải thiện hệ số tăng ích cho anten

Hệ số tăng ích sẽ được cải thiện khi dòng bề mặt sẽ được phân bố lại sao cho hạn chế dòng

bề mặt ở những điểm mà sự giao thoa có sự phá hủy (các sóng triệt tiêu lẫn nhau) trong khi

có càng nhiều những dòng bề mặt tại các điểm mà giao thoa có sự tăng cường thì càng tốt

Ở đây, giao thoa có sự tăng cường lẫn nhau khi không có sự dịch pha giữa các sóng, khi đó

= 1 Khi đó, tổng của hai sóng là một sóng có biên độ gấp đôi: + =

2 ( − ) Trong khi đó, giao thoa có sự phá hủy nếu sự khác pha là bội số lẻ của π:

= ⋯ , −3 , − , , 3 , ⋯, khi đó, = 0 Khi đó, tổng của hai sóng sẽ bằng 0: + = 0 Hay nói một cách khác, khi một đỉnh sóng gặp một đỉnh sóng của sóng khác

có cùng tần số thì biên độ của sóng tổng sẽ là tổng của hai biên độ thành phần Ngược lại, một đỉnh sóng gặp bụng sóng của một sóng khác thì biên độ của sóng tổng sẽ bằng hiệu của hai biên độ thành phần Trong khi đó, nếu sự dịch pha giữa các sóng không nằm trong các trường hợp trên, thì chúng sẽ sinh ra búp sóng mới Điều này dẫn đến việc giảm độ định hướng và tăng ích của anten

Bằng cách điều khiển pha giữa các sóng, luận án hoàn toàn có thể điều khiển phân bố dòng theo một hướng nhất định Do đó, việc thiết kế anten có độ định hướng và hệ số tăng ích cao là hoàn toàn có thể

- Giao thoa sóng Gauss

Để phong phú và đa dạng hơn, luận án khảo sát sự giao thoa của sóng Gauss Chúng ta biết rằng biểu thức của điện trường có dạng [95] [111]:

Ở đây: : là khoảng cách từ trục trung tâm đến vị trí sóng Gauss, : hằng số sóng, =