Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten – metamaterial

u nh hng ca tham s c n t ca anten  metamaterial Nguyn Th  i hc Khoa hc T  Lu ThS.  Vn t; : 60 44 03 ng dn: TS. Trn Mng o v: 2012 Abstract. Tng quan v m anten; t bc x n t  n c    ch d  u v     Metamaterials dng b mt tr -  ng dng trong thit k c nghim. Kt qu o lun: Thit k ng anten mch di; thit k ng b mt tr  ng anten metamaterial; khng c c n t ca anten - metamaterial. Keywords. n t; ; K thut truy; Vn Content MỞ ĐẦU            , theo        gn .          nten                  .    ,     nten vi m  (microstrip antenna),                   .;                 .  ,  , hiu sut cao                anten.            u sut th     u sut anten     cn thit              .  m ru sut ca Anten mch di ni vt lic s dng mt loi vt liu m ci thin t ci rt hiu qu c nhi gim g t ling nht hiu dng vt vt lic hit lit sut t vt so vi vt liu kin  c hiu nh lut Snell [4], c hiu ng Goos-Hanchen c bit quan tr  n s lan truy  n t [36, 37], li d         n s lan truy mt ci thin mt s  cht ca anten. Vt k   chn t ci Anten.Vi nh  Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterialu  Metamaterials t ci thin t ca anten. Mu ca lu   m c    n   th       Metamaterial dng b mt tr   HIS - High Impedance Surface)  ng dng trong thit k anten u ng c  c n t ca anten metamaterial. u ca lu kt hp gi t c nghim. B cc ca lum 03 phn: Phn 1: M U Phn 2: NI DUNG Tng quan v anten : Anten metamaterial : Phc nghim t qu o lun Phn 3: KT LUN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 1.1.1.Khái niệm anten t b  bc x n t hoc thu nh   1.1.2.Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ. V   t k h th n t        ng hoc t ng bic x n tc t s bc x ch xy ra trong nhu kin nhnh. 1.1.3.Hệ phƣơng trình Maxwell.   nhn cn ng lc h Trong ph coi n t u i dng phc ti e  )cos()Re( tEeEE ti     (1.1a) (1.1b) )sin()Im( tEeEE ti      dc vii dng: e p JEiHrot    (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) HiErot     e Ediv  0Hdiv           i p 1 (1.6) Kt hp vi ln, h c vit  e p JEiHrot   m JHiErot     m Ediv    e Hdiv  (1.7) (1.8) (1.9) (1.10) Gii h c nghim t ngun gc lan truyn. 1.1.4.Các thông số cơ bản của anten a. Trở kháng vào của anten AA A A A jXR I U Z  (1.11) a. Hiệu suất của anten A bx A P P   (1.13) a. Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích )0( ),( )0( ),( ),( 2 11 2 11 11 E E P P D bx bx     (1.17) ),(),(  DG A  (1.18) b. Dải tần của anten Di tn cng tn s  a anten nh tr trong gii hi hc n tn s lch vi tn s chun fo cc lch chut bc x  c. Các hệ thống anten    chu k  tinh, anten mch dt b di ng.  Trm tit, anten parabol bc nha.  H thng  tinh: h  tinh, anten ch tinh, mu x (20-30GHz).  Anten phc v u khoa hc. 1.2. ANTEN MẠCH DẢI 1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải a. Cấu tạo Anten mch di thc cht kt cu bc x kiu khe. Mi phn t anten g phn kim loi m  Hình 1.1: Cấu trúc anten mạch dải[2] a. Nguyên lí hoạt động n t     t tn x t phc x ng bc x xy ra ch yng gia tm pht pht. Hình 1.2: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải[2] ch di ph thung dng ca cn lo cch di ph ng du cc s du hng s c bi  i vi cn lc gi trong ng d  n. Hình 1.3: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng[2] ng d, n ti trong l n a  chn dtm kim loi. c   mt phin kim loi, nh bc x   ng gim nhanh theo kho vi t l 1/r. a mi c da   i vng truyn mch di,  tn ti  nn kim lon vic bc x xung n i.  n trong ln theo i nh i hn  th = arcsin(1/ ). Sau khi phn x t n, mt b phn ca   qua mt gii h - n cho mt ph khi l ng tp trung ch y m c phn x n ti mt gii h-  ging d 1.2.2.Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải  ch dc s d ch dng truyn dc c ng m r   ng truyn d c s d   ng hp phin kim loic cng m r dng hng hp phin kim long phc tp. ng truyn dn, mi anten mch d nh   c x chiu rng truyn chi i khe bc x ng cc t. Hình 1.4: Mô hình bức xạ của anten mạch dải[2] Khi chn L =  d /2 t bc x ca 2 khe lng t qu  ng sng trong 2 khe li tr n t bc x c gn t mch di n Hic ng b bu hi ri r a h  c bi ng nhng hing n t ng ng  Trong phn thit k  m mch d nhc tin bng tru v bt bun s hot ng (tn s c chn tu ng ng dng), hng s   i.  t k: Chiu rng ca tm kim loi: W = 00 2 1  r f 1 2  r  = 1 2 2 0  rr f v  (1.20) Hng s u dng:  reff = 2 1 r  + 2 1 r  [1+12 W h ] -1/2 (1.21)  m rng chia tm mch d eff : )8.0)(258.0( 264.0)(3.0( 412.0     h W h W h L reff reff eff   (1.22) Chia tm mch di: L = L f reffr  2 2 1 00  (1.23) Chia mt phng t th: L g L eff  2) 4 (  (1.24) (1.24) Chiu rng ct th: W g W eff  2) 4 (  (1.25) 1.2.3.Các tính chất của anten mạch dải a. Trở kháng vào của anten mạch dải  Anten nửa bước sóng W R v 0 60   (1.28)  Anten phần tư bước sóng Z v = W 0 120  (1.29) a. Băng thông của anten mạch dải        32/1 4 2 t ff (1.30) a. Tính phân cực của anten mạch dải 1.2.4.Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải a. Ưu điểm  Trng ng nhc nh  tn xut thp cho nhiu ng dng.  D c g   t n b n.  D  t hong vi nhiu di tn.  Mng phi hp tr ng ti i c b. Nhược điểm  p, gain bc x thp  n tr lp ca mng anten.  c x tha t ng truyi ni CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL 2.1. LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS 2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials Metamateriat ling nht hiu dt c t so vt ling. 2.1.2.Các loại vật liệu metamaterials Hình 2. 1: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3 2.1.3.Ứng dụng của metamaterials Mt trong nhng ng dng ni bt nht ca vt li xut bi c cng s ch t 3. 4. 5. Hình 2. 2: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials [23].            6. 7. Hình 2. 3: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình [25]. 7.1. ANTEN METAMATERIAL ng dng ca metamaterials v  th hin s lan truyn s lan truyn t i metamateri c n t (EBG: Electronicmagnetic band gap)[33] hay c mt tr  High Impedance Surface)[8].  anten metamaterial s m b mt tr ng dng c thit k anten. 7.1.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) a. Khái niệm về bề mặt trở kháng cao. B mt tr : High Impedance Surface)t loi ca metamaterials gm nhng c      (mass).                      ,            ,         ().  (     2.6). Hình 2. 4: Mô hình một bề mặt trở kháng cao[28]           ,                    .       t m    ,  ng n  ln ch   t phc x). Mch n  c th hi. Hình 2. 5: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao[28] b. Các đặc tính vật lý của bề mặt trở kháng cao  Các tham số mạch (Circuit Parameters) C sheet = (2.16) Lsheet = t (2.21) Z= (2.22)  Sư ̣ pha ̉ n xa ̣ pha (Reflection Phase)  = Im {ln ( )} (2.29) 2.2.2. Anten metamaterial t anten ming (patch atnenna)  n bi m mt, mt khe cm trong mt phng, hoc bi mng trc bao quanh bi mt b mt tr g cao. Thit k anten v  hng s   2 , b  lc s dng vi m Hình 2. 6: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao[28 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM  c s dng trong lu kt hp gia  phc nghim. 3.1. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG S dng phn m t ca anten. Lua ra mt s kt qu  quan trng c h s phn x th bc x  th bc x  3.2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.2.1. Qui trình chế tạo anten Trong lu ch to anten d to mch in bng rc. 3.2.2. Phƣơng pháp đo  c ph phn x c dng h thit b Vector Network Analyzer. H thit b c trang b ti Vin t Rada, Vin Khoa h thu CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI 4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thƣờng 4.1.2.Kết quả mô phỏng anten mạch dải c) Hình 4. 1: Kết quả mô phỏng anten mạch dải [...]... thường và dải tần hoạt động tăng lên 0.4 GHz - Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc: Khoảng cách từ HIS đến tấm kim loại, bề rộng của cấu trúc HIS, kích thước các ô cơ sở của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial Kết quả cho thấy, các tham số cấu trúc ảnh hưởng mạnh đến tính chất điện từ của anten đặc biệt là hiệu suất gain bức xạ của anten theo các chiều hướng khác nhau... bức xạ của anten metamaterials đã tăng lên 2dB và độ rộng dải tần là việc của anten tăng từ 0.5 GHz đến 0.9 GHz (vùng dưới -10 dB) Như vậy anten metamaterials đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra là tăng hiệu suất (gain) bức xạ và mở rộng dải tần làm việc của anten 4.4 KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL 4.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS... khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại là 14.1 mm xấp xỉ mức λ/2 Như vậy khoảng cách tối ưu từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại là khoảng λ/2 4.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial Hình 4 5: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của anten metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS Thảo... và hằng số điện môi của anten thực sai khác so với anten chế tạo Để giảm sai số ta có thể dùng công nghệ chế tạo với độ chính xác cao hơn như chế tạo bằng phương pháp quang khắc hay dùng hệ chế tạo mạch in tự động KẾT LUẬN Luận văn Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial đã thu được một số kết quả như sau: - Đã thiết kế được anten làm việc ở khoảng tần số 10.5... thước của ô cơ sở được điều chỉnh rất nhiều đến khi thu được dải cấm có chứa khoảng tần số 10 GHz, là tần số cộng hưởng của anten Trong quá trình mô phỏng đã chọn cố định hằng số điện môi của đế và chiều cao đế là vật liệu để chế tạo anten (FR4) Hình 4 2: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS 4.2.3.Thảo luận Từ kết quả mô phỏng thu được ta thấy dải cấm điện từ của cấu trúc HIS là khoảng tần số từ 9.5... việc của anten metamaterial Hình 4 4: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ của anten metamaterial khi thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại Thảo luận: Hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamaterial lớn nhất khi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại là 14.1 mm xấp xỉ mức λ/2 (Bước sóng tại tần số cộng hưởng λ=28.57mm) Dải tần làm việc của anten metamaterial. .. cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau Hình 4.6: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau a) Mô phỏng phổ phản xạ; b)Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực Thảo luận: Kết quả mô phỏng hai anten cho thấy dải tần làm việc của anten không thay đổi và hiệu suất (gain) bức xạ của anten tăng lên khi thay đổi kích thước các hàng của cấu trúc HIS Như vậy việc thiết kế cấu trúc HIS... đó hiệu năng anten được cải thiện bằng cách thay đổi hợp lí một số thông số Các phân tích sâu hơn về mặt vật lý và cơ chế điện từ của cấu trúc anten kết hợp metamaterial cần có thêm thời gian khảo sát đối với từng trường hợp cụ thể - Đã chế tạo thành công hai anten (anten thường và anten metamaterial) và đo phổ phản xạ của chúng để kiểm nghiệm kết quả mô phỏng - Từ những kết quả thu được của luận văn... 13.1GHz, chứa khoảng tần số cộng hưởng của anten là 10GHz Với kết quả này ta có thể dùng cấu trúc trên để kết hợp với anten làm việc trong khoảng tần số từ 9.5 đến 13.1 GHz để thiết kế anten metamaterial 4.3 THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial Sử dụng mô hình anten như đã thiết kế mục 3.1 và mô hình HIS đã thiết kế ở mục 3.2 tích hợp trên cùng một đế điện môi có bề dày... phổ phản xạ của anten thường Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial 4.5.2 Thảo luận Kết quả đo phổ phản xạ của hai anten cho thấy anten đỉnh cộng hưởng của hai anten đều ở tần số 11GHz lệch so với kết quả mô phỏng là 0.5 GHz, dải tần làm việc của anten thường là 0.6GHz và anten metammaterial là 0.9GHz Sự sai khác giữa thực nghiệm và mô phỏng là do trong quá trình chế tạo anten không . ca anten. 4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL 4.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc.   Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial u  Metamaterials t