Nghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-Perot

Nghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-Perot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HỮU TRƯỞNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ ỨNG DỤNG TRONG CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH ĂNG-TEN FABRY-PEROT

Ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 9520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học BKHN

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu về siêu vật điện từ điều khiển tán xạ và ứng dụng

Siêu vật liệu điện từ là loại vật liệu có cấu trúc nhân tạo với các đặc tính điện từ ưu việt không có trong tự nhiên Đặc tính của siêu vật liệu điện từ không chỉ liên quan đến vật liệu cấu thành mà còn được quyết định bởi các cấu trúc của chúng

2 Những vấn đề còn tồn tại

Mặc dù tính ưu việt của các siêu vật liệu điện từ điều khiển tán

xạ đã được chứng minh trong nhiều công trình khoa học đã được công bố, nhưng lý thuyết về siêu vật liệu điện từ vẫn chưa hoàn thiện và thống nhất Trong khi tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong các thiết bị hoặc hệ thống cao tần là cực kỳ rộng mở, việc chưa hoàn thiện và thống nhất một hệ thống lý thuyết dẫn tới các nghiên cứu chủ yếu xoay quanh việc thiết kế các phần tử đơn và phương pháp sắp xếp, mô phỏng tính toán

để tìm ra các đặc tính mới thay vì có thể tiến hành một cách bài bản đi từ

lý thuyết, mô hình hóa bằng toán học, công thức, phương trình, rồi tới mô phỏng tính toán và chế tạo, đo đạc, kiểm nghiệm thực tiễn

Thứ hai, phần tử đơn là thành phần cốt lõi của tất cả các siêu bề mặt điện từ, đặc tính của các phần tử đơn cấu trúc lên siêu bề mặt điện từ quyết định trực tiếp đến hoạt động của toàn bộ siêu bề mặt điện từ về chức năng và hiệu suất Mặc dù nhiều thiết kế đã được đề xuất trong khoảng ba thập kỷ qua, nhưng có khá ít các nghiên cứu với các vật liệu cơ sở được phát triển mới hoàn toàn, với cấu trúc mềm dẻo, đặc tính trong suốt, biến nhiệt hoặc các đặc tính vật lý mới,…

Thứ ba, trong những thập kỷ vừa qua, rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến mới ra đời với đòi hỏi cao hơn về chất lượng dịch vụ, tốc độ đường truyền đi kèm là băng thông tức thời rộng, kích thước nhỏ, tích hợp nhiều chức năng – phần tử trên một thiết kế, và phải tối ưu chi phí triển khai Các hệ thống này đòi hỏi ngày càng cao các đặc tính riêng biệt đối với ăng-ten, như phải có băng thông tức thời rộng hàng trăm MHz, có hệ

số tăng ích cao, bổ sung đặc tính lọc để giảm tải, giảm yêu cầu cho các bộ lọc hốc cộng hưởng (cavity filter), có hệ số cách ly cao giữa các phân cực, giảm RCS cho các ứng dụng như ra-đa AESA… Những đòi hỏi này thúc đẩy việc thiết kế và giới thiệu các ăng-ten mới với các tính năng vượt trội,

mở ra cơ hội cho các nghiên cứu về siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong thiết kế ăng-ten, nhằm ứng dụng tốt trong thực tiễn và đạt được những tính chất không phải là vốn có trong các thiết kế ăng-ten thông

thường Trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu kéo dài 03 năm và nguồn kinh phí nghiên cứu tự chủ, lựa chọn và giải quyết tập trung vấn đề nêu trên trở thành một bài toán vừa sức, phù hợp hơn cho nghiên cứu sinh theo đuổi lĩnh vực về nghiên cứu phát triển các cấu trúc siêu vật liệu điện

từ điều khiển tán xạ

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

• Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ giúp cải thiện đặc tính bức xạ và đặc tính lọc của ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép;

- Nghiên cứu đề xuất cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot nhằm cải thiện đặc tính lọc và giảm thiểu hệ số diện tích phản xạ hiệu dụng RCS

• Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm:

- Các cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ dùng công nghệ mạch in;

- Các ăng-ten dựa trên công nghệ mạch in, dễ chế tạo, giá thành rẻ;

- Các ăng-ten hốc cộng hưởng Fabry-Perot, các ăng-ten lọc, và các ăng-ten có tính năng giảm thiểu diện tích phản xạ hiệu dụng RCS

• Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau:

- Nghiên cứu các siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ;

- Nghiên cứu ăng-ten sử dụng siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ;

- Nghiên cứu các ăng-ten cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới như: thông tin di động, thông tin vệ tinh, ra-đa khẩu độ tổng hợp, ra-đa mảng pha tích cực, các hệ thống thu/ phát vô tuyến tốc

độ cao

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

Việc nghiên cứu đề xuất các cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ cho ứng dụng trong thiết kế ăng-ten của luận án có ý nghĩa

về mặt khoa học và thực tiễn:

• Ý nghĩa khoa học:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết kế ăng-ten với hệ số tăng ích cao, đặc tính chọn lọc tần số tốt, giảm thiểu RCS với cấu hình đơn giản, chi phí thấp

3

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc phân tích và thiết kế ăng-ten

sử dụng siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ

• Ý nghĩa thực tiễn:

- Các giải pháp và kỹ thuật sử dụng trong luận án có thể làm cơ

sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong các ăng-ten đòi hỏi hệ số tăng ích cao, giảm thiểu RCS, và có đặc tính chọn lọc tần số tốt

• Những đóng góp khoa học của luận án:

- Giải pháp sử dụng cấu trúc siêu bề mặt điện từ cấu trúc mặt phản xạ một phần PRS băng rộng trong cải thiện đặc tính của ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép, cho hệ số tăng ích cao và đặc tính lọc

- Giải pháp sử dụng cấu trúc siêu bề mặt điện từ cấu trúc mặt phản xạ một phần PRS kết hợp với bề mặt điện từ sắp xếp hình bàn cờ trong giảm thiểu RCS và cải thiện đặc tính lọc của ăng-ten Fabry-Perot

5 Cấu trúc nội dụng của luận án

Chương 01 của luận án trình bày tổng quan về siêu vật liệu điện

từ điều khiển tán xạ, siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ Chương 2 trình

bày cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ là một mặt phản xạ một phần PRS, sử dụng kết hợp với một ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép cho băng thông rộng, với hệ số tăng ích cao, hệ số cách ly cao và có tính

lọc Chương 3 trình bày siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ có cấu

trúc là bề mặt phản xạ một phần PRS tích hợp siêu bề mặt điện từ sắp xếp hình bàn cờ (CAMS) trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot cho hệ số tăng ích cao, có tính lọc và giảm thiểu RCS trong dải tần rộng Cuối cùng là kết luận chung và hướng phát triển của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ VÀ ĂNG-TEN SỬ DỤNG SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ

1.1 SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ

1.1.1 Định nghĩa siêu vật liệu điện từ (Metamaterial)

Siêu vật liệu điện từ được định nghĩa rộng rãi là cấu trúc nhân tạo đồng nhất hiệu dụng với các đặc tính điện từ khác thường không sẵn có trong tự nhiên [15] Trong đó, cấu trúc đồng nhất hiệu dụng là

cấu trúc có kích thước trung bình của phần tử đơn (Unitcell) p nhỏ hơn

nhiều so với bước sóng công tác g

1.1.2 Suy đoán lý thuyết của Viktor Veselago

Lịch sử của siêu vật liệu điện từ bắt đầu vào năm 1967 với suy đoán có tầm nhìn về sự tồn tại của “các chất có giá trị âm đồng thời của ε và μ” của nhà vật lý người Nga Viktor Veselago[16] Trong bài

báo của mình, Veselago gọi những “chất” LH này để thể hiện thực tế

là chúng sẽ cho phép truyền sóng điện từ bằng điện trường, từ trường

và các vectơ hằng số pha tạo nên một bộ ba theo chiều thuận trái (quy tắc bàn tay trái), so với các vật liệu thông thường mà bộ ba này được biết đến là theo chiều thuận phải (quy tắc bàn tay phải)

1.1.3 Siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ

Trong những năm gần đây, các phương pháp mới dựa trên công nghệ siêu vật liệu điện từ đã được đề xuất để điều khiển các đặc tính của sóng tán xạ từ một vật thể [21] Cấu trúc siêu vật liệu điện từ đầu tiên đã được đề xuất cách đây hơn 50 năm [22], nhưng công nghệ siêu vật liệu điện

từ chỉ thực sự bùng nổ trong khoảng ba thập kỷ gần đây

1.1.4 Siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ

Siêu bề mặt điện từ là một loại vật liệu tấm được cấu thành bởi các cấu trúc nhân tạo để tạo ra những đặc tính điện từ khác thường hoặc khó đạt được trong tự nhiên Vật liệu này có phạm vi ứng dụng

to lớn trong trường điện từ (từ dải sóng điện từ tần số thấp đến tần số ánh sáng) [25], [26] Có nhiều loại cấu trúc siêu bề mặt điện từ khác nhau bao gồm: mảng các phần tử kim loại tán xạ và phần tử hình cầu [25], mảng các ăng-ten quang học [26], bề mặt trở kháng cao (HIS) hoặc bề mặt khoảng trống điện từ (EBG) [27], khoảng trống quang tử phẳng (UC-PBC) [28], bề mặt trở kháng phản ứng (RIS) [29] hay bề mặt dẫn từ nhân tạo (AMC) [30]

Hình 1.15 Minh họa cấu trúc truyền sóng trong mặt phẳng phản xạ một phần PRS [36]

1.2 NGUYÊN LÝ MẶT PHẲNG PHẢN XẠ MỘT PHẦN (PRS – PARTIAL REFLECTIVE SURFACE) [36]

1.2.1 Mô hình nguyên lý

Ăng-ten nguồn phát xạ gốc này sẽ phát xạ ra tia sơ cấp ban đầu

là tia O, tia này tạo với tia pháp tuyến của mặt phẳng PEC một góc

là α, và đi tới mặt phẳng số 2 là mặt phẳng phản xạ một phần với hệ

số phản xạ bề mặt 𝛤 = 𝜌𝑒𝑗𝜓 và cách mặt phẳng PEC một khoảng cách

là l Mặt phẳng phản xạ một phần như vậy về nguyên lý sẽ cho một

phần tia tới truyền qua với hệ số biên độ tỉ lệ với √1 − 𝜌2, và tạo ra

vô số các tia do phản xạ nhiều lần giữa hai bề mặt với biên độ giảm dần

Qua đó ta thấy, hệ số phản xạ của PRS có biên độ | 𝛤| càng lớn

sẽ tạo được hiệu ứng cộng hưởng và tăng cường tăng ích của ăng-ten càng lớn hơn; đồng thời cần có góc pha ψ0 ~ 1800 và khoảng cách cộng hưởng giữa mặt phẳng đất GND với mặt PRS ở /2

1.3 ĂNG-TEN SỬ DỤNG SIÊU BỀ MẶT ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ

Bên cạnh các ứng dụng để ngụy trang và tàng hình mục tiêu, siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ còn được sử dụng nhiều trong ứng dụng ăng-ten nhằm giảm nhỏ kích thước (ví dụ như ăng-ten mảng phản xạ, ăng-ten thấu kích phẳng), tăng cường đặc tính bức xạ (ăng-ten hốc cộng hưởng Fabry-Perot), cũng như giảm nhỏ diện tích phản

xạ hiệu dụng RCS

1.3.1 Ăng-ten mảng phản xạ

Như tên gọi của nó, ăng-ten mảng phản xạ kết hợp các đặc tính tốt nhất của ăng-ten phản xạ và ăng-ten mảng [35] – [37] - [38] Cấu trúc cơ bản của ăng-ten mảng phản xạ bao gồm một mảng phẳng các tấm bức xạ hoặc dipole được in lên mặt trên một đế điện môi, mặt sau của đế điện môi là được phủ kín bằng kim loại

1.3.2 Ăng-ten thấu kính phẳng

Các hệ thống vô tuyến thường hoạt động ở băng tần từ 300 MHz đến 300 GHz, có thể sử dụng một thấu kính điện môi đồng nhất tương tự trong quang học cho ăng-ten thấu kính thông thường, nhưng phức tạp trong chế tạo, chi phí vật liệu, khó lắp đặt, khối lượng cồng kềnh và trọng lượng nặng, và hạn chế bổ sung các chức năng Để giải quyết vấn đề này, ăng-ten thấu kính phẳng sử dụng siêu vật liệu điện

từ điều khiển tán xạ được phát triển [40]

1.3.3 Ăng-ten giảm nhỏ RCS

Miễn nhiễm sóng ra-đa là công nghệ cốt lõi cho các thiết bị và khí tài tàng hình hiện này Ăng-ten là bộ phận dùng để liên lạc trên các thiết bị này phải đảm bảo bức xạ sóng điện từ hiệu quả Tuy nhiên, ăng-ten đóng góp một phần quan trọng vào toàn bộ diện tích phản xạ hiệu dụng của thiết bị Do vậy, việc thiết kế và phát triển ăng-ten giảm nhỏ diện tích phản xạ hiệu dụng trở thành đề tài mang tính cấp thiết

trong những thập niên gần đây

1.4 GIỚI THIỆU ĂNG-TEN HỐC CỘNG HƯỞNG PEROT

FABRY-Siêu bề điện từ điều khiển tán xạ được sử dụng như các mặt phản xạ một phần (Partially Reflecting Surface – PRS) trong các ăng-ten hốc cộng hưởng Fabry-Perot hay ăng-ten Fabry-Perot (FPA) Thiết

kế cơ bản của FPA bao gồm một ăng-ten sơ cấp để tiếp năng lượng cho một cấu trúc hốc cổng hưởng được tạo thành bởi mặt phẳng đất ở phía dưới và PRS đặt ở phía trên Cấu trúc này tạo thành FPC và các tia phản lại cùng pha liên tiếp của các tia bức xạ bị giữ trong hốc cộng hưởng với một tổng nhất quán dọc theo các hướng ngang từ trung tâm của cấu trúc để tạo ra chùm tia có tính định hướng cao

1.5 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LỌC VÀ ĂNG-TEN KẾT HỢP BỘ LỌC THÔNG DẢI (ĂNG-TEN LỌC)

1.5.1 Ăng-ten kết hợp bộ lọc thông dải

Ăng-ten lọc (còn được gọi là Filtenna) là một cấu trúc kết hợp đồng thời chức năng lọc và bức xạ sóng điện từ [63] Một trong những đặc tính quan trọng nhất của ăng-ten lọc là các thành phần ăng-ten và

bộ lọc đóng vai trò như các bộ phận của nhau

1.6 TỔNG QUAN VỀ DIỆN TÍCH PHẢN XẠ RA-ĐA HIỆU DỤNG (RCS)

1.6.3 Phương pháp tối ưu RCS của vật thể

Có một số phương pháp nhằm giảm thiểu RCS phổ biến được

sử dụng ngày nay như sau [91]: (1) Kích thước vật thể; (2) Vật liệu sơn phủ; (3) Biên dạng và bề mặt thiết kế đặc biệt

và decoin,

Hình 1.30 Radar cảnh giới RV-02 của Viện Kỹ thuật Phòng Không – Không Quân có khả năng phát hiện các máy bay có diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) rất nhỏ (nguồn: Soha.vn)

Vấn đề này cho thấy sự cấp thiết cần

có những hướng nghiên cứu mới, tạo

ra những vật liệu, cấu trúc vật liệu, thiết kế sao cho có tính ứng dụng cao trong việc thiết kế ăng-ten, ăng-ten mảng pha cỡ lớn có hiệu suất cao hơn, hệ số tăng ích cao hơn, bao gồm đặc tính lọc, đồng thời giảm thiểu sự phản xạ tín hiệu thăm dò vô tuyến, giảm thiểu tín hiệu tán xạ có chủ đích tín hiệu thăm dò vô tuyến theo những hướng xác định trước, đạt được mục tiêu giảm RCS và tăng hiệu suất của ăng-ten

kỹ thuật trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng gần đây, nơi đã và đang đặt ra những nhu cầu cấp thiết về việc phát triển, thiết kế các loại ăng-ten hiệu năng cao và có những đặc tính bức xạ vượt qua khuôn khổ của các ăng-ten truyền thống như vừa có hệ số tăng ích cao, vừa

có đặc tính của bộ lọc, có khả năng suy giảm diện tích phản xạ hiệu dụng RCS nhằm ứng dụng trong các thiết kế ra-đa AESA thế hệ mới cho các vũ khí, trang bị cơ sở mặt đất, mặt biển và trên không

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN TRONG THIẾT KẾ ĂNG-TEN FABRY-PEROT PHÂN CỰC KÉP NHẰM CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH VÀ ĐẶC TÍNH LỌC

2.1 GIỚI THIỆU

Chương này giới thiệu thiết kế của ăng-ten lọc phân cực kép được cấp nguồn vi sai với sự cải thiện về các đặc tính bức xạ như băng thông, hệ số cách ly, hệ số tăng ích, và đặc tính chọn lọc tần số Hệ số tăng ích cao đạt được với cấu trúc ăng-ten Fabry-Perot đơn giản bao gồm một siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần (PRS) đặt cách mặt

phẳng đất (GND) một khoảng λ/2 (với λ là bước sóng trong không gian

tự do tại tần số hoạt động); cấu trúc này cũng được tối ưu để mở rộng băng thông và nâng cao đặc tính chọn lọc tần số

2.2 CẤU TRÚC ĂNG-TEN

Hình 2.1: Cấu trúc của FPA lọc được đề xuất: (a) mặt cắt dọc, (b) ăng-ten nguồn sơ cấp, và (c) phần

tử đơn vị của mặt phản xạ một phần PRS

Hình 2.1 cho thấy cấu trúc của ăng-ten được đề xuất, bao gồm một ăng-ten nguồn sơ cấp, một bề mặt phản xạ một phần PRS, và mặt phẳng đất Tấm bức xạ được tiếp điện tương hỗ điện dung với bộ cộng hưởng hình chữ T và via ngắn mạch Ăng-ten được

đề xuất sử dụng tiếp điện

vi sai kép đối xứng để đạt được bức xạ phân cực kép với hệ số cách ly cao Bộ cộng hưởng hình chữ T và tấm bức xạ được in ở mặt trên của

đế điện môi Sub 1 (Rogers RO4003, ε r = 3,38 và tanδ = 0,0027) có

kích thước 50 mm × 50 mm, được đặt trên GND qua một miếng bọt

biển (Rohacell, ε r = 1,07 và tanδ = 0,0006) PRS được đặt ở khoảng

cách Hc bên trên GND bao gồm hai lớp siêu bề mặt điện từ với cấu hình 10 × 10 phần tử được in trên cả hai mặt của đế điện môi Sub 2

9

(Roger Duroid RT5880, ε r = 2,2 và tanδ = 0,0009) Mặt trên và mặt

dưới của phần tử đơn vị PRS được đưa ra trong Hình 2.1(c)

CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ĂNG-TEN

Hình 2.3 Các bước thiết kế ăng-ten lọc Perot.

Fabry-Hình 2.3 mô tả 04 bước thiết kế của ăng-ten đề xuất Đầu tiên là một tấm bức

xạ đơn giản được cấp nguồn trực tiếp (Ant 1) Cấu trúc Ant 2 được ghép nối điện dung với bộ cộng hưởng hình chữ T Hai bộ cộng hưởng hình chữ T được sử dụng để kích thích cho tấm bức xạ sơ cấp trong cấu trúc Ant 3 và tạo ra phân cực kép Cấu trúc tiếp điện vi sai kép được áp dụng cho Ant 4 để cải thiện hệ số cách ly Cuối cùng, để tăng cường độ hệ số tăng ích và giữ độ cách ly cao, cấu trúc PRS được thêm vào Ant 4 để hoàn thiện thiết kế đề xuất

Hình 2.4 So sánh kết quả mô phỏng của các bước

thiết kế

Cấu trúc Ant 1 là một ăng-ten

mạch in truyền thống (microstrip patch)

với miếng bức xạ bằng kim loại hình

vuông (W p × W p) được in ở mặt trên của

đế điện môi (h bao gồm 0,508 mm

Rogers RO4003 và 2,0 mm xốp

Rohacell) và được đặt trên GND có kích

thước là 120 mm × 120 mm Để tối ưu

kích thước của ăng-ten, mode cơ bản

(𝑇𝑀10) với tần số cộng hưởng thấp nhất

(𝑓𝑟) sẽ được sử dụng Miếng bức xạ hình

chữ nhật (W p × L p), với tần số cộng hưởng

tại 5,95 GHz thì kích thước của tấm bức

xạ là 19 mm × 19 mm Thiết kế ban đầu

(Ant 1) mang lại băng thông hệ số phản

60 40 20 0

50-dB

Ăng ten 1

Đề xuất

Ăng ten 2 Ăng ten 4

Ăng ten 1

Đề xuất

Ăng ten 2 Ăng ten 4

Đề xuất Ăng ten 3

GHz, Hình 2.4(a), và hệ số tăng ích đạt được là 8,72 dBi, Hình 2.4(c)

Do sự kết hợp của bộ cộng hưởng hình chữ T, Ant 2 đạt được băng thông lớn hơn với hệ số tăng ích tương tự so với Ant 1; băng thông trở kháng của nó là 5,1 – 5,95 GHz (~15,4%) với hai cộng hưởng ở 5,1 GHz và 5,95 GHz Hơn nữa, Ant 2 đạt được khả năng triệt tiêu ngoài dải tốt với hai điểm không bức xạ ở các tần số 4,3 GHz và 7,3 GHz

Cấu trúc tiếp điện hình chữ T được áp dụng cho ăng-ten phân cực kép (Ant 3) với băng thông và độ tăng ích không thay đổi Tuy nhiên, do cấu trúc không đối xứng nên Ant 3 chỉ cho hệ số cách ly giữa các cổng ≤ 15 dB, Hình 3.4(b) Sự cách ly trong ăng-ten phân cực kép có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng tiếp điện vi sai kép (Ant 4) Đối với nguồn cấp vi sai, ăng-ten được kích thích bởi bốn cổng (P1 – P4) Do cấu trúc đối xứng, tức là S31 = S32 và S41 =

S42 , hệ số cách ly của Ant 4 (Sdd21 và Sdd12) về mặt lý thuyết là vô cùng Như được hiển thị trong Hình 2.4(b), Ant 4 có hệ số cách ly mô phỏng ≥ 55 dB Bằng cách thêm PRS, trong khi hệ số tăng ích của FPA đề xuất được cải thiện ~5 dB mà vẫn giữ được các đặc tính băng thông rộng và hệ số cách ly cao Theo đó, thiết kế cuối cùng cho băng thông tổn hao ngược -10 dB là 4,97 – 6,13 GHz (∼21%), hệ số cách ly

≥ 50 dB và hệ số tăng ích cực đại đạt được là 15 dBi Quan trọng hơn, nhờ tính chọn lọc tần số của PRS, FPA đạt được mức triệt tiêu ngoài dải tần trên 20 dB

2.3 THIẾT KẾ MẠCH TIẾP ĐIỆN VI SAI KÉP

2.3.1 Sơ đồ đường truyền cao tần

Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ chia công suất dịch pha 180° băng rộng [95]

Mạng tiếp điện vi sai kép cho ăng-ten đề xuất được thiết kế dựa trên bộ chia công suất lệch pha 180° [95] Mỗi bộ tiếp điện vi sai là một balun bao gồm bộ chia công suất Wilkinson và bộ dịch pha 180° băng thông rộng

2.3.2 Mô phỏng balun sử dụng phần mềm ADS

Thông qua tài liệu tham khảo [95] ta có thể dễ dàng tính toán các giá trị trở kháng của balun với Z1 = 70,7 Ω, Z2 = 63,5 Ω, Z3 = 80,5 Ω Phần mềm Keysight Advanced Design System (ADS) 2019

Dựa vào phân tích ở trên, mạng tiếp điện vi sai kép được thiết

kế cho Ăng-ten đề xuất gồm hai balun hoạt động ở tần số trung tâm là

5,5 GHz in trên đế điện môi Roger RO4003 (ε r = 3,38 và tanδ = 0,0027

02

Mô hình hai bộ chia công suất này được mô phỏng và tối ưu kích thước trên phần mềm ANSYS Electronics Desktop, như trong Hình 2.12(a) Từ Hình 2.12(b, c), kết quả mô phỏng tham số tán xạ và

độ lệch pha cho thấy mạng tiếp điện của ăng-ten hoạt động tốt trên một dải tần số rộng từ 4,3 – 6,8 GHz tương ứng với hệ số phản xạ tại các đầu vào (|S11| và

|S22|) < -15 dB Trong băng tần hoạt động, hai balun đạt được công suất chia bằng nhau ở các đầu ra với độ lệch pha là 180° ± 3° Các kết quả này chỉ ra rằng mạng tiếp điện chỉ cung cấp các tín hiệu vi sai và không đóng góp đặc tính lọc ở dải tần số mong muốn