Đề tài Thiết kế anten metamaterial.DOC

Mục lục Trang LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………………………. 3 TÓM TẮT NỘI DUNG …………………………………………………………… 5 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN …………………………. 6 CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN…………………………………………… 7 1.1 Khái niệm về anten ………………………………………………………… 7 1.2 Hệ phương trình Maxwell ……………………………………………………. 7 1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ………………………………… 7 1.4 Các thông số cơ bản của anten ……………………………………………… 8 1.4.1 Trở kháng vào của anten ………………………………………………. 10 1.4.2 Hiệu suất của anten ……………………………………………………. 10 1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích …………………………………… 11 1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten …………………………11 1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương …………………………… 12 1.4.6 Tính phân cực của anten ……………………………………………… 13 1.4.7 Dải tần của anten ………………………………………………………. 13 1.5 Các hệ thống anten …………………………………………………………. 14 CHƯƠNG 2 ANTEN MẠCH DẢI 16 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải ………………………. 16 2.1.1 Cấu tạo …………………………………………………………………. 16 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải ……………………………… 21 2.2 Tính phân cực của anten mạch dải …………………………………………. 22 2.3 Băng thông của anten mạch dải ……………………………………………. 24 2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải ……………………… 24 2.5 Nhược điểm của anten mạch dải và xu hướng phát triển ………………… 26 CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN METAMATERIAL ……………………………. 27 3.1 Định nghĩa metamaterial ………………………………………………… 27 3.2 Đặc điểm của metamaterial ……………………………………………… 27 3.2.1 Điều kiện entropy ……………………………………………………… 33 3.2.2 Đảo ngược hiệu ứng Doppler ………………………………………… 33 3.2.3 Đảo ngược hiện tượng khúc xạ ……………………………………… 34 1 3.2.4 Ảnh hưởng đến các hệ số Fresnel …………………………………… 37 3.2.5 Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen ………………………………… 38 3.2.6 Đảo ngược sự hội tụ và phân kỳ trong thấu kính lồi và lõm ………… 40 3.3 Hướng phát triển của Metamaterial ………………………………………. 41 3.3.1 Những vật liệu nhân tạo “thực sự” …………………………………… 41 3.3.2 Thấu kính và các thiết bị quang có chiết suất âm 42 3.3.3 Thiết bị bảo vệ anten và bề mặt chọn lựa tần số 44 3.3.4 MTMs linh hoạt ……………………………………………………… .44 3.4 Lý thuyết anten metamaterial …………………………………………… 44 3.4.1 Cấu trúc CRLH TLs lý tưởng ……………………………………… 45 3.4.1.1 Những đặc tính cơ bản của TL ………………………………… 45 3.4.1.2 Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng ……………………… 51 3.4.1.3 Thiết kế mạng LC ………………………………………………. 53 3.4.1.4 Xây dựng mô hình CRLH 1D ………………………………… 56 3.4.2 Lý thuyết anten bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ ………………. 57 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL …………………… 61 4.1 Thiết kế anten metamaterial ………………………………………………… 61 4.2 Thực nghiệm và đo đạc …………………………………………………… 70 KẾT LUẬN CHUNG ……………………………………………………………. 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………… 75 2 LỜI NÓI ĐẦU Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát triển, nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là nhanh, chính xác và xa trong khi đó nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thì không thể đáp ứng được vì khả năng hạn chế và sự rủi ro. Chính từ nhu cầu đó đã thôi thúc con người phải tìm ra cách thức liên lạc mới và đến năm 1837 Samuel Morse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện gây nên tiếng (tich te). Với phát minh này nó đã làm giảm đi nhiều độ rủi ro của thông tin tuy nhiên nó vẫn bị hạn chế bởi khoảng cách xa và cho đến năm 1894 Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả trong chân không đó là sóng điện từ thì thông tin đã có thể khắc phục được hạn chế bởi khoảng cách địa lý. Điều này được thực tế hoá bởi Maconi, ông đã thành công trong việc truyền tín hiệu Morse bằng sóng vô tuyến qua Đại Tây Dương vào năm 1902. Sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng trong viễn thông sau này. Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của anten một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu. Anten cũng đã xuất hiện từ lâu có thể nói nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới. Anten dần trở nên phổ biến từ khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc ti vi đèn hình tất cả đều sử dụng đến nó. Lúc đó anten có cấu tạo rất đơn giản chỉ là những chiếc anten đơn cực sau dần là hệ thống anten Yagi được ứng dụng rất nhiều và phổ biến. Để đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng phát triển thì công nghệ anten cũng phải phát triển theo điển hình là những ứng dụng truyền đi xa như thông tin vệ tinh thì anten phải thiết kế sao cho truyền được tín hiệu đi xa mà không tốn nhiều công suất phát, có thể sử dụng anten parabol để thu phát vì với loại anten này nó có độ lợi cao và độ định hướng lớn. Ngoài ra không thể không nói đến xu hướng của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng. Đây là những điều tất yếu và anten cũng vậy nó cũng phải nhỏ gọn để đáp ứng được yêu cầu trên, chính vì vậy mà từ những 3 năm 70 mà công nghệ anten mạch dải đã được nghiên cứu và phát triển. Đặc điểm nổi bật của anten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, và đặc biệt là dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu. Những đặc tính trên đã giúp antnen mạch dải được quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện tại nó được sử dụng rất rộng rãi như trong công nghệ di động, mạng WLAN, anten thông minh và hệ thống tích hợp siêu cao tần. Tuy nhiên anten mạch dải cũng có những nhược điểm là :  Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp  Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten  Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối  Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp Để cải thiện được những nhược điểm trên đã có rất nhiều cách thức như hệ thống anten mảng (Array antenna) để tăng độ lợi cho anten, ngoài ra có thể điều khiển được búp sóng. Ngoài ra còn có những cải thiện về vật chất cho anten một trong những cải thiện đó là metamaterial vì nó có những đặc tính khác biệt so với các vật liệu thông thường như có ε,µ < 0 và có mode cộng hưởng sóng ngược … Những đặc tính đó sẽ được lần lượt giới thiệu trong luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Anh đã đinh hướng cho em làm luận văn này, em cảm ơn thầy Thẩm Đức Phương và bạn bè đã có những góp ý và động viên em sâu sắc. Và đặc biệt em rất chân thành cảm ơn Thạc sĩ Trần Thị Thuý Quỳnh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp . 4 TÓM TẮT NỘI DUNG Nội dung của khoá luận chia làm 4 chương: Chương 1: Lý thuyết anten. Trong chương này giới thiệu một nét rất khái quát thế nào là hệ thống anten. Tiếp đến là giới thiệu các thông số cơ bản của anten trong lý thuyết cũng như trong thực tế. Và cuối cùng là một cái nhìn chung về hệ thống anten hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Chương 2: Anten mạch dải. Trong chương này giới thiệu những điều cơ bản về anten mạch dải như lịch sử ra đời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Tiếp đến là các phương pháp phân tích và công thức tính toán cho anten mạch dải. Cuối cùng là hướng đi mới trong tương lai cho loại anten này. Chương 3: Tổng quan Metamaterial. Đây chính là phần trọng tâm của luận văn đề cập đến vấn đề rất mới trên thế giới là công nghệ vật liệu nhân tạo có ε, µ < 0. Tiếp đến luận văn tập trung vào các hiện tượng xảy ra đối với loại vật liệu này có khác gì so với các vật liệu thông thường. Sau cùng là những ứng dụng của metamaterial trong đó có anten metamaterial. Chương 4: Thiết kế anten metamaterial. Trong chương này phân tích khá rõ những thông số khi thiết kế và chỉ ra những lợi điểm của anten metamaterial. Cuối cùng là kết quả thực nghiệm và những lời kết luận khái quát. 5 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN CRLH Composite Right Left Handed FDTD Finite Difference Time Domain LH Left-Handed MTMs MeTaMaterials PLH Pure Left Handed PRH Pure Right Handed RH Right-Handed TLs Transmission Lines WLAN Wireless Local Area Network 6 Thiết bị điều chế Máy phát Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống bức xạ Anten phát Thiết bị xử lý Máy thu Hệ thống cảm thụ bức xạ Hệ thống gia công tín hiệu Anten thu Chương 1 LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Khái niệm về anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). [1] Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát [1] 1.2 Hệ phương trình Maxwell Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học: các phương trình Maxwell. Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức ti e ω 7 )cos()Re( tEeEE ti ω ω ==  (1.1b) hoặc )sin()Im( tEeEE ti ω ω ==  (1.1b) Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng: e p JEiHrot += ωε  (1.2a) HiErot ωµ −= (1.2b) ε ρ e Ediv = (1.2c) 0 = Hdiv (1.2d) E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m) H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)       −= ωε σ εε i p 1 (1.3) (hệ số điện thẩm phức của môi trường) ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m) μ hệ số từ thẩm của môi trường (H/m) σ điện dẫn xuất của môi trường (Si/m) e J là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( 2 m A ) e ρ là mật độ khối của điện tích. ( 3 m C ) Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên. Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như sau: e p JEiHrot += ωε (1.4a) m JHiErot −= ωµ (1.4b) ε ρ m Ediv = (1.4c) 8 µ ρ e Hdiv −= (1.4d) Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E,H. Trong phương trình nghiệm nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền. 1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ. Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1] 1.4 Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]: - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hướng và độ tăng ích. - Đồ thị phương hướng. - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. - Tính phân cực - Dải tần của anten. 9 1.4.1 Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten. AA A A A jXR I U Z +== (1.5) Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe Ae A A I P R = (1.6) Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng. Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten. 1.4.2 Hiệu suất của anten Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten A η chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA A bx A P P = η (1.7) Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó A η < 1. Gọi công suất tổn hao là Pth thbxA PPP += (1.8) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có: ( ) thbxAeAAeA RRIRIP +== 22 . (1.9) Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành: 10 [...]... min - Anten dải tần rộng 1.5 < f max 4 f min Trong đó: Δf = fmax – fmin 1.5 Các hệ thống anten  Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh  Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa  Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten. .. của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được P bx theo công thức sau: Pbx = PA G A (1.13) 11 1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của anten. .. nên anten mạch dải cho đến nay ngày càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN, hệ thống anten thông minh… 2.1.1 Cấu tạo Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe.Mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết... mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là là anten mạch in [1] Hình 2.1 Cấu trúc anten mạch dải [3] Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi ε Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau Có 4 dạng cơ bản anten mạch dải [7] :  Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn... tam giác, hình vòng nhẫn 16 Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm  Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điện giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải  Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở trên mặt phẳng đất Khe hẹp này... thiện được những nhược điểm này Anten vi dải có độ lợi thấp do đó cần phải sử dụng đến nhiều anten mạch dải để tăng độ lợi và ngoài ra hệ thống này có thể điều khiển được búp sóng (anten thông minh) Để cải thiện băng thông hẹp ta có thể thiết kế anten mạch dải nhiều band (multi band) đây chính là hướng đi trong những năm tới đáp ứng được nhiều dịch vụ di động Vấn đề này được đề cập rõ hơn trong chương IV... hệ số tăng ích Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi) Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất η A = 1,... ) Hệ số tăng ích của anten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,ϕ) G (θ , ϕ ) = η A D(θ , ϕ ) (1.12) Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten Từ (1.12) có thể... của anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn f o của anten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50% Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số công tác Thường dải tần được phân làm 4 nhóm - Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): ∆f < 10% f0 tức là f max < 1.1 f min - Anten. .. chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất η A = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng Hệ số định hướng của anten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng . của metamaterial trong đó có anten metamaterial. Chương 4: Thiết kế anten metamaterial. Trong chương này phân tích khá rõ những thông số khi thiết kế và chỉ ra những lợi điểm của anten metamaterial. . 3.4.1.3 Thiết kế mạng LC ………………………………………………. 53 3.4.1.4 Xây dựng mô hình CRLH 1D ………………………………… 56 3.4.2 Lý thuyết anten bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ ………………. 57 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL. của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất A η = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng. Anten