Luận án : Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HUỲNH NGUYỄN BẢO PHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC EBG ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HUỲNH NGUYỄN BẢO PHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC EBG ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN 2. PGS. TS. TRẦN MINH TUẤN Hà Nội – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đào Ngọc Chiến và PGS.TS. Trần Minh Tuấn đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian và tâm huyết giúp đỡ tác giả về mọi mặt để hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Chân thành 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 nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông đã dành cho tôi. Qua đây, tôi cũng chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam (NAFOSTED) đã tài trợ kinh phí tham dự hội thảo khoa học quốc tế tại nước ngoài. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình đo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, vợ và con trai đã luôn động viên, giúp đỡ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tôi vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii MỞ ĐẦU xiv 1. Bề mặt trở kháng lớn và ứng dụng trong kỹ thuật anten xiv 2. Những vấn đề còn tồn tại xvi 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu xvii Mục tiêu nghiên cứu: xvii Đối tượng nghiên cứu: xviii Phạm vi nghiên cứu: xviii 4. Cấu trúc nội dung của luận án xviii CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CHẮN DẢI ĐIỆN TỪ (EBG) 1 1.1. Giới thiệu chƣơng 1 1.2. Bề mặt trở kháng lớn 1 1.2.1. Giới thiệu chung về bề mặt trở kháng lớn 1 1.2.1.1. Vật dẫn điện 2 1.2.1.2. Bề mặt trở kháng lớn 3 1.2.2. Cấu trúc chắn dải điện từ - Electromagnetic Band Gap (EBG) 5 1.2.2.1. Định nghĩa 5 1.2.2.2. Phân loại 6 1.2.2.3. EBG và Siêu vật liệu (MTM) 7 1.2.2.4. Các phương pháp phân tích cấu trúc EBG 8 1.2.3. Ứng dụng của cấu trúc EBG trong lĩnh vực anten 10 1.2.3.1. Loại bỏ sóng bề mặt 10 1.2.3.2. Anten cấu hình đơn giản 11 1.2.3.3. Anten hệ số khuếch đại cao. 12 iv 1.3. Lý thuyết sóng mặt 12 1.3.1. Tiếp giáp điện môi – điện môi 13 1.3.2. Bề mặt kim loại 15 1.3.3. Bề mặt trở kháng 17 1.3.4. Bề mặt trở kháng nhân tạo 20 1.3.4.1. Bề mặt trở kháng tương đương của cấu trúc hình nấm 22 1.3.4.2. Sóng bề mặt lan truyền dọc bề mặt trở kháng 24 1.4. Phƣơng pháp phân tích sai phân hữu hạn miền thời gian 26 1.4.1. Giới thiệu 26 1.4.2 Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian 26 1.4.2.1. Công thức cơ bản 26 1.4.2.2. Giới thiệu phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian 28 1.4.3. Điều kiện biên tuần hoàn 30 1.4.3.1. Các điều kiện biên tuần hoàn 30 1.4.3.2. Phương pháp hằng số sóng trong phân tích tán xạ 32 1.5. Tổng kết chƣơng 33 CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG PHẦN TỬ ĐIỆN DUNG KÝ SINH 35 2.1. Giới thiệu chƣơng 35 2.2. Cấu trúc EBG hai băng tần cho hệ thống WLAN 35 2.2.1 Thiết kế ban đầu 36 2.2.2 Kết quả mô phỏng 38 2.2.3. Khảo sát các đặc tính của dải chắn 39 2.3. Cấu trúc EBG ba băng tần có kích thƣớc nhỏ gọn 42 2.3.1. Thiết kế ban đầu 43 2.3.2. Xác định dải chắn về tần số 46 2.3.2.1. Đồ thị tán xạ 46 2.3.2.2. Dải chắn sóng bề mặt 47 2.3.3 Kết quả mô phỏng 48 2.3.4. Khảo sát đặc tính dải chắn 50 2.3.5. Khả năng điều chỉnh và ứng dụng. 54 2.3.6. Bộ lọc thông dải sử dụng cấu trúc EBG 56 v 2.3.6.1. Giới thiệu 56 2.3.6.2. Thiết kế bộ lọc thông dải có kích thước nhỏ gọn 57 2.3.6.3. Kết quả và thảo luận 59 2.4. Tổng kết chƣơng 62 CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG LINH HOẠT SỬ DỤNG CẤU TRÚC HÌNH HỌC FRACTAL 64 3.1 Giới thiệu chƣơng 64 3.2 Thiết kế cấu trúc EBG có băng thông linh hoạt 65 3.3 Khảo sát đặc tính dải chắn 66 3.3.1 Phương pháp mô phỏng “đường truyền vi dải tự do (SMM)” 66 3.3.2 Cấu trúc EBG ở các bước lặp khác nhau 67 3.3.3 Cấu trúc EBG băng rộng (BEBG) 69 3.3.4 Cấu trúc EBG hai băng tần (DEBG) 71 3.3.5 Cấu trúc EBG hình nấm thông thường 72 3.4 Kết quả thực nghiệm 72 3.5 Ứng dụng cải thiện đặc tính bức xạ của anten vi dải 74 3.6. Tổng kết chƣơng 76 CHƢƠNG 4. GIẢI PHÁP GIẢM NHỎ KÍCH THƢỚC CẤU TRÚC EBG 77 4.1 Giới thiệu chƣơng 77 4.2 Các nghiên cứu giảm nhỏ kích thƣớc cấu trúc EBG 77 4.2.1 Giảm nhỏ kích thước bằng cách tăng điện dung tổng cộng C 78 4.2.2 Giảm nhỏ kích thước bằng cách tăng điện cảm tổng cộng L 79 4.3 Giải pháp giảm nhỏ kích thƣớc cấu trúc EBG 81 4.3.1 Cấu trúc EBG-1 83 4.3.1.1 Đề xuất cấu trúc 83 4.3.1.2 Mô phỏng 84 4.3.2 Cấu trúc EBG-2 85 4.3.2.1 Đề xuất cấu trúc 85 4.3.2.2 Mô phỏng 86 4.3.3 Cấu trúc EBG-3 87 4.3.3.1 Đề xuất cấu trúc 87 4.3.3.2 Mô phỏng 88 vi 4.3.4 So sánh với các cấu trúc EBG khác 89 4.3.5 Ứng dụng giảm ảnh hưởng tương hỗ cho hệ thống anten mảng 91 4.4. Tổng kết chƣơng 95 KẾT LUẬN 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo BPF Bandpass Filter Bộ lọc thông dải BEBG Broadband EBG Cấu trúc EBG băng rộng CRLH Composite Right-Left Handed Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp CUE Conventional Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng thông thường DUC-EBG Distored Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng biến dạng DEBG Dual-band EBG Cấu trúc EBG hai băng tần EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng lớn LH Left-handed material Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái (Siêu vật liệu) MMR Microstrip Multimode Resonator Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dải MoM Method of Moment Phương pháp mô-men MTM Metamaterial Siêu vật liệu PBC Periodic Boundary Condition Điều kiện biên tuần hoàn PEC Perfect Electric Conductor Vật dẫn điện hoàn hảo PML Perfect Matched Layer Lớp hấp thụ hoàn hảo PSO Particle Swarm Optimization Thuật toán bầy đàn RH Right-handed material Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải (Vật liệu thông thường) SRR Split Ring Resonator Vòng khuyết cộng hưởng viii SMM Suspended Microstrip Method Phương pháp đường truyền vi dải tự do TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TUE Triple-band Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng ba băng tần UWB Ultra Wide Band Hệ thống băng thông siêu rộng WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Sự tương tác mạng diện rộng bằng sóng vô tuyến WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây [...]... vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Phân tích, thiết kế các cấu trúc EBG cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới Các cấu trúc EBG này có khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng Các dải chắn là hoàn chỉnh, có khả năng ngăn cản sự truyền lan của sóng điện từ theo mọi hướng xviii  Đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc EBG mới sử dụng các cấu trúc hình học Fractal Đây là các cấu trúc EBG. .. cảm của cấu trúc EBG Cấu trúc EBG sử dụng mặt phẳng đế dạng xoắn ốc đã được đề xuất [9], hoặc sử dụng sử dụng cột nối kim loại dạng xoắn ốc [10] Các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở đề xuất cấu trúc mà vẫn chưa được ứng dụng cho các thiết bị siêu cao tần hay anten trong trường hợp cụ thể nào  Nghiên cứu các cấu trúc EBG hoạt động ở đa băng tần Các nghiên cứu này tập trung phát triển các cấu trúc EBG hai... thường, (b) Cấu trúc EBG dạng xoắn ốc [4], (c) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, và d) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG dạng xoắn ốc 78 Hình 4.3 a) Cấu trúc EBG gồm bốn chữ L gấp khúc [5], b) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG hình nấm thông thường và c) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG gồm bốn chữ L gấp khúc 79 Hình 4.4 a) Cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, b) Cấu trúc EBG có... điểm băng thông rộng hơn so với cấu trúc EBG đồng phẳng [11] Tuy nhiên cấu trúc EBG hình nấm lại có nhược điểm khó chế tạo hơn so với cấu trúc EBG đồng phẳng Một số nghiên cứu tập trung mở rộng băng thông của cấu trúc EBG [35, 36] Tuy nhiên, các cấu trúc đề xuất có cấu tạo phức tạp, khó chế tạo Vì vậy hướng nghiên cứu thiết kế cấu trúc EBG phẳng có băng thông rộng cần được quan tâm và phát triển 3 Mục... cứu và phát triển các bề mặt có thuộc tính trở kháng lớn dựa trên các cấu trúc vật liệu đặc biệt:  Nghiên cứu cấu trúc EBG nhỏ gọn dễ chế tạo [4-11] Các nghiên cứu này tập trung vào phát triển các cấu trúc EBG phẳng có kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản Phương pháp giảm nhỏ kích thước được sử dụng là tăng giá trị điện cảm L, hoặc tăng giá trị điện dung C Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương... c) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, và d) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG có mặt đế xoắn ốc 80 Hình 4.5 a) Cấu trúc EBG hình nấm với cột nối kim loại dạng xoắn ốc [10] và b) Dải chắn của cấu trúc EBG đề xuất và cấu trúc EBG hình nấm thông thường 81 Hình 4.6 Cấu trúc các phần tử đơn vị EBG hình nấm 82 Hình 4.7 Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG hình... DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh giữa bề mặt PEC và EBG trong các thiết kế anten dây 11 Bảng 2.1 Các tham số ban đầu của cấu trúc (mm) 37 Bảng 2.2 So sánh giữa cấu trúc EBG đề xuất với các cấu trúc EBG đã công bố 41 Bảng 2.3 Các tham số tối ưu của cấu trúc (mm) 41 Bảng 2.4 Tham số kích thước của các cấu trúc EBG 50 Bảng 2.5 Tần số trung tâm thứ ba của cấu trúc EBG đề... trong hệ thống anten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn  Tập trung vào các thiết kế cấu trúc EBG dạng đồng phẳng kích thước nhỏ gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu các đặc tính đặc biệt của cấu trúc EBG bao gồm: tính chất ngăn cản (triệt tiêu) sóng bề mặt trong hệ thống anten phẳng và tính chất bề mặt phản xạ đồng pha cho các hệ thống anten cấu hình... a) Cấu trúc EBG hình nấm [2], b) và c) Cấu trúc EBG- 1, và d) Thành phần điện dung và điện cảm bổ sung tạo ra từ mặt phẳng đế 83 Hình 4.9 Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG- 1 84 Hình 4.11 Đồ thị tán xạ a) Cấu trúc EBG hình nấm, và b) Cấu trúc EBG- 1 85 Hình 4.12 Cấu trúc EBG- 2 86 Hình 4.13 Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG- 2 86 Hình 4.14 Đồ thị tán... này được thực hiện bằng cách tạo ra đồng thời các phần tử điện dung C và điện cảm tương đương L, từ đó tăng tổng giá trị điện dung và điện cảm của cấu trúc EBG Cấu trúc EBG đề xuất được so sánh với các cấu trúc EBG đã được thiết kế trước đây để kiểm chứng khả năng giảm kích thước so với cấu trúc EBG hình nấm ban đầu Cấu trúc EBG đề xuất đã được ứng dụng để giảm ảnh hưởng tương hỗ cho anten mảng vi dải . Mục tiêu nghiên cứu:  Phân tích, thiết kế các cấu trúc EBG cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới. Các cấu trúc EBG này có khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng. Các dải.  Nghiên cứu các cấu trúc EBG hoạt động ở đa băng tần. Các nghiên cứu này tập trung phát triển các cấu trúc EBG hai băng tần [12-14] hoặc cấu trúc EBG ba băng tần [15- 17]. Các cấu trúc EBG. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC EBG ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG