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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2014 Công trình này được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN 2. PGS. TS. TRẦN MINH TUẤN Phản biện 1: ……………………………………… Phản biện 2: ……………………………………… Phản biện 3: ……………………………………… Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Trường Họp tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi………giờ, ngày……tháng…….năm…… Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia 1 MỞ ĐẦU 1. Bề mặt trở kháng lớn và ứng dụng trong kỹ thuật anten Kỹ thuật anten đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và vẫn đang không ngừng được phát triển. Công nghệ anten vi dải in trên đế điện môi ra đời đã giải quyết được vấn đề thu nhỏ kích thước của anten nhằm tích hợp trên các thiết bị cầm tay cũng như các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến. Tuy nhiên, cũng có rất nhiều thử thách đặt ra đối với các anten vi dải, bao gồm:  Ảnh hưởng của sóng bề mặt lan truyền trên đế điện môi đến đặc tính bức xạ cũng như hiệu suất bức xạ của anten.  Cải thiện hệ số tăng ích của anten.  Ảnh hưởng của dòng ảnh trong mô hình anten đơn cực. Sự xuất hiện của cấu trúc bề mặt trở kháng lớn (HIS) đã giúp giải quyết được những vấn đề này. Cấu trúc bề mặt trở kháng lớn là một dạng của siêu vật liệu và được gọi chung là cấu trúc chắn dải điện từ (EBG). Cấu trúc EBG có đặc tính ưu việt là tạo ra dải chắn điện từ ở một dải tần số bất kỳ. Bên cạnh đặc tính dải chắn, cấu trúc EBG còn có những tính chất nổi trội khác như trở kháng bề mặt lớn và vật dẫn từ nhân tạo (AMC). Chẳng hạn như một cấu trúc EBG dạng hình nấm có trở kháng bề mặt lớn đối với mode TE và mode TM hoặc cấu trúc AMC sẽ tạo ra phản xạ đồng pha các sóng tới bề mặt cấu trúc. Việc kết hợp cấu trúc EBG vào các mô hình anten in trên đế điện môi đã loại bỏ được ảnh hưởng của sự truyền lan sóng mặt, nhờ đó cải thiện được khả năng bức xạ cũng như hiệu suất của anten, đặc biệt giảm đáng kể nhiễu tương hỗ giữa các phần tử trong anten mảng. Hơn nữa, nhờ đặc tính phản xạ đồng pha, bề mặt cấu trúc EBG đã được sử dụng trong mô hình anten dây cấu hình đơn giản nhằm cải thiện đặc tính bức xạ của anten. Một loạt các yêu cầu được đặt ra như cấu hình đơn giản, kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng, đa băng tần, v.v vẫn đang là thử thách đối với các nhà nghiên cứu trong việc tìm ra những mô hình anten mới. Chính vì vậy, cấu trúc EBG và các ứng dụng của chúng trong kỹ thuật anten đã trở thành một hướng nghiên cứu mới thu hút được sự quan tâm của rất nhiều các nhà nghiên cứu trên thế giới. Hiện nay đã có rất nhiều mô hình cấu trúc EBG được đề xuất với hình dạng từ đơn giản đến phức tạp, chẳng hạn như cấu trúc EBG hình nấm, hình xoắn, hình gấp khúc, v.v. Nằm trong xu hướng phát triển chung của thế giới, gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên 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. 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 bằng cách tạo ra nhiều điện dung ký sinh trên phạm vi bề mặt tấm kim loại phía trên của phần tử EBG, sử dụng mặt phẳng đế hoặc cột nối kim loại dạng xoắn ốc.  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 hoặc cấu trúc EBG ba băng tần. Các cấu trúc EBG đa băng tần ở trên hầu hết đều sử dụng cột nối kim loại trong thiết kế. Điều này dẫn đến sự phức tạp trong chế tạo, nâng cao giá thành sản xuất và ảnh hưởng đến độ chính xác trong kết quả đo thực nghiệm.  Nghiên cứu các bề mặt dẫn từ nhân tạo AMC. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về AMC với các đặc điểm thiết kế như cấu trúc nhỏ gọn, băng thông rộng, hoặc đa băng tần. Các cấu trúc AMC cũng được thiết kế dạng phẳng để dễ dàng tích hợp vào các cấu trúc anten có cấu hình nhỏ gọn. Với đặc tính phản xạ đồng pha sóng tới từ anten, cấu trúc AMC sẽ giúp giảm bức xạ ngược, cải thiện búp sóng chính và nâng cao hiệu suất bức xạ cho anten. 2. Những vấn đề còn tồn tại Vai trò của cấu trúc EBG là rất quan trọng trong lĩnh vực anten và siêu cao tần. Việc nghiên cứu và ứng dụng các cấu trúc EBG luôn là đề tài mang tính thời sự cao. Những cấu trúc EBG hai chiều đầu tiên được đưa ra bởi D. Sievenpiper và F. Yang năm 1999. Mô hình EBG dạng hình nấm do Sievenpiper đưa ra thường có kích thước lớn với chu kỳ phần tử EBG bằng một nửa lần bước sóng hoạt động ở tần số trung tâm của dải chắn điện từ. Ngoài ra việc sử dụng cột nối kim loại trong cấu trúc hình nấm đã gây nên sự phức tạp trong việc chế tạo, làm tăng chi phí sản xuất. 2 Trong phương pháp thiết kế tối ưu cấu trúc EBG, để giảm được tần số cộng hưởng mà không làm thay đổi kích thước của cấu trúc thì ta phải tìm cách tăng các giá trị L, C. Khi hệ số điện môi  r và độ dày của lớp điện môi đã được chọn thì không thể thay đổi giá trị điện cảm L mà chỉ có thể thay đổi giá trị điện dung C. Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào vấn đề này như tạo ra các đường vi dải gấp khúc để tạo ra các điện dung ký sinh từ đó làm tăng giá trị điện dung tổng cộng C. Tuy nhiên việc nghiên cứu các cấu trúc EBG chủ yếu là tạo ra một băng tần. Nếu muốn tạo ra các cấu trúc EBG hai băng tần thì thường phải sử dụng cột nối kim loại trong thiết kế, hoặc dùng hai phần tử đơn vị EBG hay một khối gồm nhiều phần tử đơn vị EBG. Do vậy sẽ làm tăng kích thước đơn vị EBG, độ phức tạp trong chế tạo và chi phí sản xuất cao. Một số cấu trúc EBG ba băng tần đã được nghiên cứu và đề xuất trước đây sử dụng tam giác Sierpinski Gasket, Fractal Mandelbrot ở bước lặp thứ 2. Tuy nhiên, hạn chế của các cấu trúc này cũng sử dụng các cột nối kim loại. Ngoài ra, một cấu trúc EBG nhỏ gọn sử dụng vòng cộng hưởng (SRR) được đề xuất. Tuy nhiên, chỉ dải chắn đầu tiên là chặn được sự lan truyền của sóng bề mặt từ tất cả các hướng. Hai dải chắn còn lại chỉ có thể ngăn cản sự lan truyền của sóng bề mặt theo một hướng nhất định. Việc mở rộng băng thông của cấu trúc EBG đang là xu hướng tất yếu khi yêu cầu tích hợp vào các hệ thống anten băng rộng ngày càng tăng. Cấu trúc EBG dạng hình nấm có ưu điểm băng thông rộng hơn so với cấu trúc EBG đồng phẳng nhưng lại khó chế tạo hơn. Đã có nhiều nghiên cứu tập trung mở rộng băng thông của cấu trúc EBG. Tuy nhiên, các cấu trúc đề xuất có cấu tạo phức tạp, khó chế tạo. Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế cấu trúc EBG phẳng có băng thông rộng là hướng nghiên cứu rất cấp thiết. 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm 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.  Đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc EBG mới sử dụng các cấu trúc hình học Fractal. Đây là các cấu trúc EBG phẳng được thiết kế linh hoạt để có thể tạo ra băng rộng hoặc đa băng tần.  Đề xuất giải pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG. Giải pháp đề xuất dựa trên việc tăng đồng thời các giá trị điện cảm và điện dung tổng cộng của sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc. Đối tƣợng nghiên cứu:  Tập trung vào cấu trúc EBG hai chiều vì những ưu điểm như dễ chế tạo, chi phí thấp và có khả năng ứng dụng cao 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 sóng bề mặt trong hệ thống anten phẳng và tính chất bề mặt phản xạ đồng pha cho các hệ thống anten cấu hình nhỏ gọn.  Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) để phân tích các đặc tính của cấu trúc EBG. Khảo sát đặc tính chắn dải điện từ của cấu trúc EBG thông qua việc xác định đồ thị tán xạ của các mode sóng TM, TE và xác định các tham số tán xạ (hệ số truyền đạt) của một mạng 2-cổng. 4. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án bao gồm bốn chương. Phần giới thiệu tổng quan và cơ sơ phân tích cấu trúc EBG được trình bày ở chương 1. Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án thể hiện ở các nội dung đề xuất và thực hiện trong chương 2, chương 3 và chương 4. Đầu tiên, chương 1 tập trung vào các đặc tính cấu trúc chắn dải điện từ EBG và các phương pháp phân tích cấu trúc EBG. Các ứng dụng của cấu trúc EBG cũng được tổng hợp và phân tích trong phần cuối của chương. Các cơ sở lý thuyết phân tích cấu trúc EBG được trình bày chi tiết bao gồm vấn đề về sóng mặt lan truyền trên bề mặt các cấu trúc và phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian với điều kiện biên tuần hoàn sử dụng trong việc phân tích các cấu trúc có chu kỳ. 3 Chương 2 đề xuất và thực hiện giải pháp thiết kế cấu trúc EBG đa băng tần sử dụng phần tử điện dung ký sinh. Hai cấu trúc EBG hai băng tần và ba băng tần được đề xuất, phân tích và mô hình hóa bằng các sơ đồ mạch điện LC tương đương. Các mô hình đề xuất cũng được kiểm nghiệm bằng các kết quả đo mô hình thực nghiệm. Bên cạnh đó, cấu trúc EBG ba băng tần được sử dụng để thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng nhỏ gọn. Tiếp theo, giải pháp thiết kế cấu trúc EBG linh hoạt sử dụng các tam giác Sierpinski Gasket được đề xuất và thực hiện trong chương 3. Đây là một thiết kế rất linh hoạt, với các trường hợp ghép khác nhau của các tam giác Sierpinski, các cấu trúc EBG sẽ có hoặc là băng thông rộng hoặc là băng tần kép. Cấu trúc EBG đề xuất cũng được so sánh với cấu trúc EBG hình nấm để kiểm chứng băng thông của dải chắn điện từ. Các cấu trúc EBG cũng được tích hợp vào anten vi dải để cải thiện đặc tính bức xạ của anten. Cuối cùng, chương 4 đề xuất và thực hiện giải pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG. Giải pháp 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 đã được ứng dụng để giảm ảnh hưởng tương hỗ cho hệ thống anten mảng vi dải. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CHẮN DẢI ĐIỆN TỪ (EBG) 1.1. Bề mặt trở kháng lớn 1.1.1. Giới thiệu chung về bề mặt trở kháng lớn Các bề mặt vật dẫn thường là các mặt phản xạ nhưng chúng làm đảo pha sóng phản xạ. Ngoài ra, các bề mặt trên còn hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt dẫn đến giảm hiệu suất bức xạ của anten. Điều này có thể khắc phục bằng cách đưa vào các ràng buộc về cấu trúc hình học trong thiết kế nhưng sẽ làm giảm hiệu suất tối ưu ban đầu. Bằng cách đưa vào bề mặt vật dẫn một kết cấu đặc biệt thì sẽ làm thay đổi các thuộc tính của bề mặt trên. Đặc điểm của bề mặt mới này là có trở kháng bề mặt lớn, không đảo pha sóng phản xạ và dòng ảnh sẽ phản xạ cùng pha so với trường hợp phản xạ ngược pha của các vật dẫn thông thường. Hơn nữa, bề mặt trở kháng lớn sẽ không hỗ trợ sóng lan truyền trên bề mặt, thay vào đó, các dòng điện trên bề mặt sẽ bức xạ một cách hiệu quả vào không gian tự do. 1.1.1.1. Vật dẫn điện Nếu một bề mặt vật dẫn là mặt phản xạ tốt thì lại có tính chất đảo pha sóng phản xạ. Một tấm kim loại phẳng thường dùng trong các anten như là mặt phản xạ hay mặt phẳng đế. Mặt phẳng này sẽ đổi hướng sóng phản xạ để tạo ra thành phần đồng pha với hướng bức xạ chính, từ đó cải thiện được tăng ích của anten. Nếu anten đặt quá gần bề mặt vật dẫn, sóng tới sẽ đảo pha khi phản xạ, tạo ra giao thoa tiêu cực với các sóng bức xạ theo hướng khác. Điều này tương đương với việc dòng ảnh trong vật dẫn đã triệt tiêu dòng điện trong anten, dẫn đến hiệu suất bức xạ rất kém. Hình 1.1a mô tả một anten đặt rất gần vật dẫn. Hiệu quả của anten gần như bị triệt tiêu bởi bề mặt kim loại. Vấn đề trên sẽ được giải quyết nếu khoảng cách giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đế là ¼ bước sóng như hình 1.1b. Sự dịch pha từ anten đến bề mặt và quay lại anten đúng bằng một chu kỳ. Vì thế anten sẽ bức xạ hiệu quả hơn nhưng yêu cầu độ dày tối thiểu của cấu trúc là /4. Dịch pha 180 0 Vật dẫn điện Anten Sóng 1 Sóng 2 Giao thoa ngược pha < /4 Dịch pha 180 0 Vật dẫn điện Anten Sóng 1 Sóng 2 Giao thoa đồng pha /4 90 0 90 0 Không dịch pha Bề mặt trở kháng lớn Anten Sóng 1 Sóng 2 Giao thoa đồng pha <<  (a) (b) (c) Hình 1.1. (a) Anten đặt đối diện với mặt phẳng đế với khoảng cách <  /4, (b) Anten với khoảng cách  /4 so với mặt phẳng đế, (c) Anten với mặt phẳng đế trở kháng lớn 4 1.1.1.2. Bề mặt trở kháng lớn Bằng việc tích hợp các cấu trúc đặc biệt trên một vật dẫn thì nó có thể thay đổi các thuộc tính của sóng lan truyền trên bề mặt. Khi cấu trúc có chu kỳ nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng thì cấu trúc này có thể mô tả bằng mô hình trung gian hiệu dụng, và phẩm chất của cấu trúc này được tổng quát hóa chỉ bằng một tham số, đó là trở kháng bề mặt. Điều kiện biên này xác định tỷ số giữa điện trường tiếp tuyến và từ trường tiếp tuyến tại bề mặt. Bề mặt trở kháng lớn có thể hoạt động như một kiểu mặt phẳng đế độc nhất dùng trong anten cấu hình thấp. Hình 1.1c mô tả ví dụ về anten lưỡng cực khi đặt đối diện với mặt phẳng đế trở kháng lớn sẽ không bị giảm hiệu suất bức xạ như trường hợp mặt phẳng đế kim loại thông thường. Hơn nữa, trong một dải tần cấm, mặt phẳng đế trở kháng lớn không cho phép sóng bề mặt lan truyền một cách tự do. Do vậy sẽ cải thiện được đồ thị bức xạ của anten. 1.1.2. Cấu trúc chắn dải điện từ - Electromagnetic Band Gap (EBG) 1.1.2.1. Định nghĩa Bề mặt trở kháng lớn hay được biết với khái niệm Electromagnetic Band Gap (EBG) là một trường hợp đặc biệt của siêu vật liệu (MTM). Cấu trúc EBG được định nghĩa như sau: “Electromagnetic Band Gap là những cấu trúc nhân tạo tuần hoàn (hoặc đôi khi không tuần hoàn) cản trở hoặc hỗ trợ sự lan truyền của sóng điện từ trong một dải tần số xác định đối với mọi góc tới và mọi trạng thái phân cực của sóng”. 1.1.2.2. Phân loại Cấu trúc EBG được tạo thành nhờ sự sắp xếp tuần hoàn của các vật liệu điện môi và các vật dẫn kim loại. Dựa vào cấu hình, chúng được chia thành ba loại: (1) Cấu trúc khối ba chiều, (2) Cấu trúc phẳng hai chiều và (3) Cấu trúc đường truyền một chiều. Trong đó cấu trúc EBG hai chiều thường được quan tâm nghiên cứu vì ưu điểm nhỏ gọn, chi phí sản xuất thấp và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật anten. Cấu trúc EBG phẳng có những tính chất riêng biệt tùy theo sóng điện từ đưa tới: (1) Khi sóng tới là sóng bề mặt (k x 2 + k y 2 > k 0 2 , k z là thuần ảo), cấu trúc EBG sẽ chỉ ra một dải tần cấm (dải chắn) mà ở đó sóng bề mặt sẽ không thể truyền lan với mọi góc tới và mọi trạng thái phân cực. (2) Khi sóng tới là sóng phẳng (k x 2 + k y 2 ≤ k 0 2 , k z có giá trị thực), pha phản xạ của cấu trúc EBG thay đổi theo tần số. Tại một tần số nào đó pha phản xạ sẽ có giá trị 0 giống như một vật dẫn từ hoàn hảo mà không tồn tại trong tự nhiên. Trong các công thức trên, k x và k y là các hằng số sóng theo phương ngang, k z là hằng số sóng theo phương thẳng đứng và k 0 là hằng số sóng trong không gian tự do. 1.1.2.3. EBG và Siêu vật liệu (MTM) Các vật liệu tự nhiên và nhân tạo ngày nay có thể được phân chia thành 4 nhóm chính với giá trị hằng số điện môi ε và hệ số từ thẩm µ được thể hiện trên hệ tọa độ (ε, µ) như hình 1.2.  Trong miền I (ε > 0 và µ >0) đây chính là vật liệu thông thường.  Trong miền thứ II (ε < 0 và µ >0) được biết đến như là vật liệu plasma.  Trong miền thứ IV (ε > 0 và µ < 0) đây là loại vật liệu mà từ trước đó rất khó làm ra từ những chất đồng nhất. Đến nay đã có một số cấu trúc được đề xuất như: vòng từ cộng hưởng có khe hẹp, cấu trúc hình chữ S, , cấu trúc 2 thanh ngắn đặt song song và ngăn cách bởi lớp điện môi.  Trong miền thứ III (ε < 0 và µ < 0) đây chính là siêu vật liệu hay vật liệu LH. Hình 1.2. Hệ toạ độ (ε, µ ) Tùy theo thuộc tính trường điện từ được bộc lộ, các tên gọi khác nhau của siêu vật liệu đã được giới thiệu như: Double negative (DNG) material, Left-handed (LH) material, Soft and hard surface, High impedance surfaces (HIS), Artificial magnetic conductor (AMC). Trong đó, HIS và AMC là hai vật liệu đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển cho các ứng dụng trong hệ thống anten cấu hình thấp hiện nay. 5 1.1.2.4. Các phương pháp phân tích cấu trúc EBG  Phương pháp phần tử tập trung Đây là phương pháp đơn giản nhất khi mô hình cấu trúc EBG bởi mạch cộng hưởng LC. Giá trị điện cảm L và điện dung C được xác định bởi kích thước hình học và thuộc tính cộng hưởng của nó được sử dụng để giải thích đặc tính dải chắn của cấu trúc EBG. Mô hình này tuy đơn giản, dễ hiểu nhưng kết quả lại có độ chính xác không cao do sự xấp xỉ các giá trị L và C.  Phương pháp đường truyền tuần hoàn Mô hình đường truyền tuần hoàn gồm các tầng. Mỗi tầng tương ứng với một chu kỳ tuần hoàn có trở kháng Z P và điện dung ghép tầng X C . Đường cong tán xạ thu được sẽ cung cấp nhiều thông tin hơn là phương phương pháp phần tử tập trung. Tuy nhiên, khó khăn trong phương pháp này là làm thế nào để thu được chính xác giá trị Z P và X C tương đương cho cấu trúc EBG.  Phương pháp số toàn sóng Ưu điểm của phương pháp số toàn sóng đó là sự linh hoạt và độ chính xác trong quá trình phân tích các cấu hình EBG khác nhau với điều kiện biên tuần hoàn. Khi đó chỉ cần xét một phần tử EBG đơn mà không cần khảo sát mảng nhiều phần tử EBG. 1.2. Ứng dụng của cấu trúc EBG trong lĩnh vực anten 1.2.1. Loại bỏ sóng bề mặt Sóng bề mặt là sóng điện từ lan truyền dọc theo mặt phẳng đế thay vì bức xạ vào không gian tự do, sóng bề mặt làm giảm hiệu suất bức xạ của anten. Sự nhiễu xạ của sóng bề mặt làm tăng bức xạ ngược mà có khả năng làm giảm tỷ số S/N trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Do vậy việc sử dụng các cấu trúc EBG sẽ triệt tiêu sóng bề mặt, tăng hiệu suất bức xạ cũng như giảm ảnh hưởng ghép nối giữa các phần tử bức xạ trong hệ thống anten mảng. 1.2.2. Anten cấu hình đơn giản Một ứng dụng khác của cấu trúc EBG là làm lớp đế cho các hệ thống anten cấu hình đơn giản với hiệu suất bức xạ được cải thiện hơn rất nhiều. Để thu nhỏ kích thước hệ thống, ta có thể đặt anten song song với mặt phẳng đế. Tuy nhiên, dòng ảnh sẽ được tạo ra ngược chiều với dòng thật, do đó làm giảm hiệu suất bức xạ của anten. Một giải pháp được đưa ra ở đây là sử dụng bề mặt EBG đóng vai trò như mặt phẳng tiếp đất. Khi đó ta có thể đặt anten song song với bề mặt EBG và dòng ảnh vẫn có chiều cùng chiều với dòng thực. Vì vậy, ta có thể vừa giảm được kích thước của anten mà vẫn duy trì được hiệu suất bức xạ cao của anten. 1.2.3. Anten hệ số khuếch đại cao Cấu trúc EBG còn được ứng dụng trong việc thiết kế anten với hệ số khuếch đại cao, khoảng 20 dBi. Thông thường, những anten có hệ số khuếch đại cao thực tế trong anten parabol hoặc anten mảng. Tuy nhiên, bề mặt uốn cong của mặt parabol chính là một trong những khó khăn lớn, trong khi đó với anten mảng lớn thì lại phải chấp nhận sự suy hao trên mạng tiếp điện. Vấn đề này được giải quyết bằng việc sử dụng bề mặt EBG phẳng. Ngoài ra, cấu trúc EBG còn được ứng dụng để loại bỏ các băng tần trong dải tần hoạt động của hệ thống UWB, hoặc ứng dụng trong thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng nhằm loại bỏ đi các hài bậc cao. 1.3 Lý thuyết sóng mặt Để nghiên cứu về thuộc tính của sóng mặt, ta cần giải phương trình sóng suy giảm theo hàm mũ trên biên điện môi. Ta có thể xem xét các sóng này trên quan điểm một vật liệu có một giá trị trở kháng bề mặt hiệu dụng. Với kim loại, giá trị này phụ thuộc vào độ dày của vật liệu và tương đương với độ sâu mà sóng có thể đi vào. 1.3.1. Tiếp giáp điện môi – điện môi Sóng mặt xuất hiện trên biên giữa hai vật liệu khác nhau. Hằng số điện môi của hai vật liệu này là ε 1, ε 2 . Trong mặt phẳng YZ, vật liệu thứ nhất ở phương +X, còn vật liệu thứ hai ở phương –X (hình 1.3). Giả sử sóng suy giảm theo phương +X với hằng số suy giảm α, theo phương -X với hằng số suy giảm γ. Với sóng TM, E y = 0. Điện trường trong vật liệu 1 có dạng        6     (1.1) Trong vật liệu thứ 2, điện trường có dạng tương tự            (1.2) Hình 1.3. Sóng mặt trên tiếp giáp điện môi – điện môi. Kết hợp với hệ phương trình Maxwell, ta có thể xác định phương trình vector sóng  và hằng số suy giảm                                       (1.3) Các phương trình này mô tả sóng mặt trên hai vật liệu điện môi bất kỳ. Từ các phương trình này, sóng TM không thể tồn tại trên vật liệu điện môi. Nếu  dương, thì và  là ảo, do đó sóng không suy giảm khi ra xa bề mặt, nó chính là mặt sóng truyền trên điện môi. Mặt khác, nếu  nhỏ hơn -1, hoặc là ảo, nghiệm của phương trình mô tả sóng gắn trên bề mặt. Do đó, sóng TM có thể tồn tại trên kim loại, hoặc các vật liệu không có hệ số điện môi dương. Với sóng TE, ta có thể suy ra từ nguyên lý đổi lẫn. 1.3.2. Bề mặt kim loại Hằng số điện môi hiệu dụng của kim loại được biểu diễn:      (1.4) Với  là độ dẫn điện. Giá trị độ sâu thâm nhập của dòng điện :       (1.5) Dòng bề mặt chỉ có thể xuyên qua một lớp mỏng trên bề mặt kim loại. Từ độ sâu thâm nhập, ta có thể tính được trở kháng bề mặt của một tấm kim loại. Dòng và điện trường suy giảm theo hàm mũ trên kim loại với hằng số . Trở kháng bề mặt của một bề mặt kim loại phẳng là:             (1.6) Trở kháng bề mặt có giá trị phần thực dương và ảo dương bằng nhau, vì vậy điện trở của một bề mặt kim loại luôn đi cùng với giá trị cảm kháng tương tự. 1.3.3. Bề mặt trở kháng nhân tạo Xét sự phản xạ của sóng phẳng từ một biên đặc trưng bởi trở kháng bề mặt vô hướng   . Đối với sóng tới vuông góc, hệ số phản xạ của điện trường là            (1.7) Với  là trở kháng sóng Bề mặt dẫn điện tương ứng với   , dẫn đến   . Khi đó, điện trường tiếp tuyến bằng 0 tại bờ. Trong trường hợp bề mặt dẫn từ, hệ số phản xạ    với từ trường tiếp tuyến bằng 0. Rõ ràng, điều này được thực hiện khi     . Đây là khái niệm của bề mặt trở kháng lớn nhân tạo. Xét một mô hình gồm lớp điện môi có độ dày  phủ lên một mặt đế kim loại ở hình 1.4(a). Trở kháng vào tại mặt trên bởi sóng tới phẳng thông thường là: 7                   (1.8) Tại    thì   , hình thành bề mặt dẫn từ. Tuy nhiên, đây là một thử thách khi áp dụng vào thực tế vì độ dày lớp phủ ¼ bước sóng là quá lớn. Mặt đế kim loại d , m Z S =jhtan(bd) (a) Mặt đế kim loại d , m Z S =jwmd (b) Hình 1.4. (a) Sự thực hiện một mặt dẫn từ khi phủ một lớp điện môi lên một mặt đế kim loại, (b) Độ dày của lớp điện môi giảm đáng kể nhưng băng thông sẽ bị giảm Ý tưởng để giảm độ dày lớp điện môi ở đây là bố trí một lưới điện dung (ví dụ một mảng các phiến kim loại nhỏ) trên bề mặt của lớp điện môi như hình 1.4(b). Trong trường hợp này trở kháng vào trên bề mặt lớp điện môi mang tính cảm kháng (và có độ lớn khá nhỏ):   . Lưới điện dung có thể được mô hình bởi trở kháng lưới dung kháng        . Trở kháng bề mặt tổng gồm hai thành phần mắc song song là trở kháng vào mang tính cảm kháng của lớp điện môi mỏng và trở kháng lưới dung kháng của mảng:            (1.9) Tại tần số cộng hưởng của hệ thống          , phần ảo của trở kháng bề mặt tiến tới vô cùng lớn và hệ thống trở thành một mặt dẫn từ. Đây chính là bề mặt trở kháng nhân tạo được đề xuất bởi D. Sivenpiper và được gọi là cấu trúc hình nấm. w D C L wD h D Mặt đế kim loại Lớp điện môi Phiến kim loại  r (a) (b) Hình 1.5. (a) Lưới dải dẫn với khối hình vuông, (b) Một mảng các phiến kim loại được đặt cách mặt đế một khoảng h, ở giữa là lớp điện môi có hệ số điện môi tương đối  r Trở kháng bề mặt lớn còn có thể được tạo ra bằng các lưới cộng hưởng phẳng như một mảng các dải dẫn hình chữ nhật ở hình 1.5(a). Ở đây trở kháng điện dung của dải dẫn được nối song song với điện dung hiệu dụng giữa các dải đặt vuông góc nhau. Tại tần số cộng hưởng, trở kháng tổng của lưới sẽ trở nên rất lớn. Giải pháp này được giới thiệu bởi F. Yang và lưới cộng hưởng trên được gọi là bề mặt trở kháng lớn phẳng. 1.3.3.1. Bề mặt trở kháng tương đương của cấu trúc hình nấm Xét một lưới đặt song song với một mặt đế với khoảng cách  từ lưới đến mặt đế không nhỏ hơn chu kỳ lưới  (Hình 1.5(b)). Giả sử chỉ có sóng phẳng mode cơ bản giữa mảng và mặt đế, trở kháng bề mặt tương đương có thể xác định dễ dàng như trở kháng song song của trở kháng lưới   và trở kháng vào của một phần đường dây TEM chiều dài , trong đó         , với       và       là các tham số của môi trường giữa mảng và mặt phẳng đế. Khi đó, trở kháng vào có dạng                        (1.10) 1.3.3.2. Sóng bề mặt lan truyền dọc bề mặt trở kháng Xét sóng bề mặt chạy dọc một mặt phân cách phẳng với một trở kháng bề mặt đẳng hướng   cho trước (Hình 1.6). Tại bề mặt , điều kiện biên như sau sẽ thỏa mãn       , với sóng TM 8       , với sóng TE (1.11) E y E x H z TE H y H x E z TM Z S b x zy Hình 1.6. Sóng TE và sóng TM truyền dọc theo bề mặt trở kháng phẳng Áp dụng (1.11), ta xác định được hệ số suy giảm  và hệ số truyền sóng  đối với sóng TE:                               (1.12) (1.13) Tương tự đối với sóng TM                  (1.14) (1.15) Sóng bề mặt lan truyền có hằng số truyền sóng  thuần thực. Tuy nhiên, điều này là không thể nếu trở kháng bề mặt là thuần ảo khi bề mặt là không tổn hao theo (1.13) và (1.15). Hơn nữa, chỉ bề mặt trở kháng có phần ảo dương (trở kháng mang tính dung kháng   ) có thể hỗ trợ sóng bề mặt TM và chỉ bề mặt có điện kháng âm có thể hỗ trợ sóng bề mặt TE. Điều này có thể giải thích từ (1.12) và (1.14), nếu   , hệ số suy giảm của sóng TE trở nên âm, có nghĩa là bị bức xạ (sóng rò). Rõ ràng, giá trị của trở kháng quyết định trường sẽ bị giữ lại bao nhiêu tại bề mặt. Cụ thể, muốn giam giữ sóng điện từ lan truyền bề mặt thì giá trị trở kháng của bề mặt phải rất lớn. Các cấu trúc bề mặt trở kháng dạng hình nấm và cấu trúc bề mặt trở kháng phẳng được phân tích ở trên là cơ sở cho các nghiên cứu và đề xuất sau này của luận án. 1.4. Phƣơng pháp phân tích sai phân hữu hạn miền thời gian Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) là một phương pháp phổ biến nhằm giải quyết phương trình Maxwell. Phương pháp này giải trực tiếp hệ phương trình Maxwell trong miền thời gian bằng cách chuyển về phương trình sai phân hữu hạn. Phương trình sai phân hữu hạn sau đó được giải quyết trong một dãy các bước thời gian bằng cách tính toán luân phiên các thành phần trường điện và trường từ đối với một lưới không gian được xoắn lại với nhau. 1.4.1. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn miền thời gian Trong phương pháp FDTD cả không gian và thời gian đều được chia thành các đoạn nhỏ riêng biệt. Không gian thì được chia thành các khối có hình hộp. Các khối này có các kích thước nhỏ hơn bước sóng. Trường điện đặt tại các mép viền của hình hộp còn trường từ đặt trên bề mặt. Theo đó mỗi thành phần  được bao quanh bởi bốn thành phần  và mỗi thành phần  lại được bao quanh bởi bốn thành phần. Thời gian được lượng tử hóa thành các bước nhỏ. Mỗi bước này đại diện cho thời gian để các trường tự do di chuyển sang các khối lân cận. Trước việc nhảy về không gian của trường từ từ trường điện, các giá trị của trường đó cũng nhảy về mặt thời gian. Trường từ và điện được cập nhật bằng việc sử dụng mô hình nhảy cóc. 1.4.2. Điều kiện biên tuần hoàn Tất cả các điều kiện biên tuần hoàn đều được phát triển từ lý thuyết Floquet. Với một cấu trúc tuần hoàn với chu kỳ  theo hướng , trường điện từ ở hai biên  và  thỏa mãn các phương trình trong miền tần số:                         (1.16) Các lũy thừa thể hiện độ trễ pha được quyết định bởi hằng số truyền sóng   và chu kỳ . Đối với các vấn đề của ống dẫn sóng, hằng số   có được từ mối quan hệ tán xạ. Tuy nhiên, đối với các cấu trúc phức tạp, mối quan hệ này không thể biết trước khi tính toán. Với vấn đề tán xạ, hằng số lan truyền   đã biết. Nó là một hàm của tần số và góc tới: [...]... chƣơng Cấu trúc EBG là một dạng siêu vật liệu, có hai đặc tính ưu việt: tạo ra các dải chắn tần số nhằm ngăn cản sự truyền lan của sóng bề mặt và phản xạ đồng pha với sóng tới bề mặt cấu trúc Việc ứng dụng của cấu trúc EBG vào các hệ thống anten đã cải thiện đáng kể các đặc tính bức xạ của anten Đây chính là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc EBG mới ứng dụng trong các hệ thống vơ tuyến thế hệ. .. rằng cấu trúc EBG có thể được dùng cho các hệ thống như Wi-MAX (3,4 – 3,7 GHz), hệ thống WLAN (5.15 GHz) Như vậy khi điều chỉnh kích thước phần tử và các tham số kích thước khác, khả năng ứng dụng cấu trúc EBG đề xuất cho các hệ thống thơng tin đa băng tần là hồn tồn khả thi 2.3.6 Bộ lọc thơng dải sử dụng cấu trúc EBG Một số nghiên cứu về giảm kích thước bộ lọc thơng dải đã được đề xuất như sử dụng. .. nối khi sử dụng cho mảng anten vi dải hoạt động tại 5,1 GHz Hƣớng phát triển của luận án Sử dụng các loại vật liệu như Roger, Duroid để chế tạo các cấu trúc EBG đề xuất nhằm tăng độ chính xác và khả năng tích hợp vào các hệ thống vơ tuyến hiện nay Nghiên cứu các thuật tốn mới để ứng dụng trong việc phân tích cấu trúc EBG nhằm tăng tốc độ và độ chính xác của việc phân tích cấu trúc Áp dụng các thuật... khơng sử dụng cột nối kim loại Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh được tính khả thi của cấu trúc đề xuất trong các ứng dụng cho hệ thống vơ tuyến như WLAN, WiMAX 2.2 Cấu trúc EBG hai băng tần cho hệ thống WLAN Một số cấu trúc EBG băng tần kép đã được đề xuất trước đây như sử dụng hai đơn vị EBG có hình dạng khác nhau, khắc một cặp khe hình chữ L và chữ U trên bề mặt kim loại của một cấu trúc EBG dạng... cấu trúc đường cong cực sẽ được khảo sát trong phần này Từ các kết quả mơ phỏng dải chắn các cấu trúc EBG, các cấu trúc EBG với cột nối đặt lệch, cấu trúc EBG đường cong cực và cấu trúc EBG- 3 đề xuất đều tạo ra dải chắn có độ rộng băng thơng tương đương nhau (khoảng 9 %) và nhỏ hơn băng thơng của cấu trúc EBG hình nấm (23%) Tuy nhiên, các cấu trúc này đã giảm nhỏ được kích thước so với cấu trúc EBG. .. của cấu trúc EBG- 3 được viết lại như sau: 22 (4.6) )( ) √( Cấu trúc EBG- 3 cũng được mơ phỏng tương tự như ở các bước trước đó Từ kết quả mơ phỏng đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG- 3, dải chắn điện từ bắt đầu tại tần số 2.18 GHz và kết thúc tại tần số 2.82 GHz 4.3.4 So sánh với các cấu trúc EBG khác Một số mơ hình cấu trúc EBG như cấu trúc hình nấm, cấu trúc Hilbert bậc 2, cấu trúc với cột nối đặt lệch, cấu. .. sử dụng cấu trúc EBG đã được cải thiện đáng kể 3.6 Tổng kết chƣơng Chương này đã đề xuất và thực hiện giải pháp thiết kế cấu trúc EBG mới dựa sử dụng các tam giác Sierpinski Gasket Đây là một thiết kế linh hoạt khi thay đổi khoảng hở ghép giữa các tam giác Sierpinski trong một đơn vị EBG, hai cấu trúc EBG khác nhau được tạo ra, tương ứng với cấu trúc EBG băng rộng và cấu trúc EBG hai băng tần Hai cấu. .. điểm của các cấu trúc trước đây Ngồi ra, các cấu trúc đề xuất còn được mơ hình bằng các sơ đồ mạch LC riêng biệt Các dải chắn có thể được điều chỉnh dễ dàng và độc lập Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi của cấu trúc Giải pháp thiết kế cấu trúc EBG linh hoạt sử dụng cấu trúc hình học Fractal đã được đề xuất ở chương 3 Ưu điểm của giải pháp thiết kế này có khả năng tạo ra cấu trúc EBG phẳng... chắn của hai cấu trúc EBG, tạo bởi tam giác Sierpinski ở trường hợp G2 = 0 và G2 = 0.5 mm, sẽ được khảo sát Cụ thể, các dải chắn của các cấu trúc EBG đề xuất sẽ được khảo sát ở các bước lặp khác nhau Bên cạnh đó, dải chắn của cấu trúc EBG hình nấm thơng thường cũng được xác định để so sánh với với cấu trúc EBG băng rộng đề xuất 3.3.1 Cấu trúc EBG ở các bƣớc lặp khác nhau Một mảng 3×4 phần tử EBG đã được... băng tần cho cấu trúc EBG, thì cấu trúc hình học Fractal cũng đã được nghiên cứu và đưa vào trong các thiết kế cấu trúc EBG Tuy nhiên trong các thiết kế trên có nhược điểm là sử dụng cột nối kim loại trong thiết kế Chương này đề xuất một giải pháp thiết kế cấu trúc EBG hai chiều phẳng sử dụng cấu trúc hình học Fractal Cụ thể, các tam giác Sierpinski Gasket ở bước 4 (mode-2) được sử dụng như bề mặt kim . 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. 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 . ứng dụng của cấu trúc EBG vào các hệ thống anten đã cải thiện đáng kể các đặc tính bức xạ của anten. Đây chính là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu các cấu trúc EBG mới ứng dụng trong các hệ