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 tivi 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 năm 70 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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL Giảng viên hướng dẫn : ThS HOÀNG THỊ PHƯƠNG THẢO Sinh viên thực : TRỊNH HỒNG ĐỨC Lớp : Đ6-ĐTVT2 Khóa : 2011-2016 HÀ NỘI – THÁNG NĂM 2016 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Hoàng Thị Phương Thảo, người giúp đỡ em nhiều định hướng nghiên cứu, hướng dẫn cho em suốt thời gian thực đề tài Cuốn đồ án hoàn thành theo thời gian quy định nhà trường khoa không nỗ lực em mà giúp đỡ, bảo thầy hướng dẫn, thầy cô anh chị khoa Điện Tử Viễn Thông Em xin chân thành cảm ơn thầy cô tận tình giảng dạy chúng em, đặc biệt thầy cô giáo khoa Điện Tử - Viễn Thông Xin cảm ơn bạn sinh viên khoa giúp đỡ nhiều mặt: phương tiện, tài liệu , ý kiến đóng góp … Mặc dù cố gắng hoàn thành đồ án song cung không tránh khỏi sai sót, mong thầy cô bạn đóng góp ý kiến quí báu để đồ án thành công Sinh Viên Thực Hiện Trịnh Hồng Đức NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………… Giảng viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………… Giảng viên phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng – LÝ THUYẾT ANTEN 1.1/ Khái niệm anten 1.2/ Hệ phƣơng trình Maxwell 1.3/ Quá trình vật lý xạ sóng điện từ 1.4/ Các thông số anten 1.4.1/ Trở kháng vào anten 1.4.2/ Hiệu suất anten 1.4.3/ Hệ số hướng tính hệ số tăng ích 1.4.4/ Công suất xạ đẳng hướng tương đương 1.4.5/ Tính phân cực anten 1.4.6/ Dải tần anten 1.5/ Các hệ thống anten 1.6/ Phân loại anten 1.6.1/ Anten parabol 1.6.2/ Anten dipole 10 Chƣơng – ANTEN MẠCH DẢI 11 2.1/ Cấu tạo nguyên lý hoạt động anten mạch dải 11 2.1.1/ Cấu tạo 11 2.1.2/ Nguyên lý hoạt động anten mạch dải 16 2.2/ Tính phân cực anten mạch dải 17 2.3/ Băng thông anten mạch dải 18 2.4/ Phƣơng pháp phân tích thiết kế anten mạch dải 19 2.5/ Nhƣợc điểm anten mạch dải xu hƣớng phát triển 20 GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức ii Chƣơng - TỔNG QUAN METAMATERIAL 22 3.1/ Định nghĩa Metamaterials 22 3.2/ Giới thiệu Metamaterials 22 3.3/ Đặc điểm Metamaterials 22 3.3.1/ Đảo ngược hiệu ứng Doppler 28 3.3.2/ Đảo ngược tượng khúc xạ 29 3.3.3/ Ảnh hưởng đến hệ số Fresnel 32 3.3.4/ Đảo ngược hội tụ phân kỳ thấu kính lồi lõm 33 3.4/ Các cấu trúc metamaterials 34 3.4.1/ Cấu trúc CRLH TLs đồng lý tưởng 34 3.4.2/ Những đặc tính TL 35 3.4.3/ Xây dựng mô hình CRLH 1D 41 3.5/ Hƣớng phát triển Metamaterial 43 3.5.1/ Những vật liệu “nhân tạo thực sự” 43 3.5.2/ Thấu kính thiết bị quang có chiết suất âm 44 3.5.3/ Thiết bị bảo vệ anten bề mặt chọn lựa tần số 46 3.5.4/ MTMs linh hoạt 46 CHƢƠNG - THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL 48 4.1/ Thiết kế anten metamaterial 48 KẾT LUẬN CHUNG 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức iii DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Bảng 1.1 Quy ước giải tần số Bảng 1.2 Dải tần dịch vụ phổ biến Hình 1.1 Hệ thống anten thu phát Hình 1.2 Anten parabol Hình 1.3 Anten dipole Hình 2.1 Cấu tạo anten mạch dải Hình 2.2 Các hình dạng anten mạch dải dạng Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải Hình 2.4 Các dạng anten khe mạch dải Hình 2.5 Các hình dạng anten mạch dải sóng chạy Hình 2.6 Tiếp điện cáp đồng trục Hình 2.7 Sơ đồ tương đương tiếp điện cáp đồng trục Hình 2.8 Tiếp điện đường mạch dải Hình 2.9 Sơ đồ tương đương tiếp điện đường mạch dải Hình 2.10 Tiếp điện ghép khe Hình 2.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện ghép khe Hình 2.12 Trường xạ E H anten mạch dải Hình 2.13 Tiếp điện đường mạch dải Hình 2.14 Đồ thị xạ chiều Hình 2.15 Tiếp điện đường mạch dải vào cạnh anten Hình 2.16 Đồ thị xạ chiều Hình 3.1a biểu diễn chiều vector Pointing S vector sóng k vật liệu thông thường Hình 3.1b biểu diễn chiều vector Pointing S vector sóng k loại vật liệu Hình 3.1c mô tả hướng vector Pointing S vector sóng k vật liệu Hình 3.2 Các tia sáng qua bờ phân cách Hình 3.3 Hệ tọa độ ( ) Hình 3.4a Mô hình vật liệu plasma điện Hình 3.4b Mô hình vật liệu plasma từ Hình 3.4c Mô hình tổ hợp vật liệu plasma điện từ Hình 3.5a Hiệu ứng Doppler ( > 0) Hình 3.5b Hiệu ứng Doppler ngược ( < 0) Hình 3.6 Đường tia qua bờ phân cách vật liệu Hình 3.7a Cả vật liệu RH Hình 3.8 Điều kiện bờ vật liệu thường LH media Hình 3.9a Thấu kính LH lồi phân kỳ thấu kính RH lồi hội tụ Hình 3.9b Thấu kính LH lõm hội tụ thấu kính RH lõm phân kỳ Hình 3.10 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục z Hình 3.11 Cấu trúc CRLH TL không tổn hao Hình 3.12a Đường phân tán suy giảm cấu trúc CRLH theo hướng trục z Hình 3.12b Đường phân tán PRH PLH TLs theo hướng z+ GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức iv Hình 3.13 Trở kháng đặc tính CRLH trường hợp > Hình 3.14a vận tốc pha vận tốc nhóm PLH TL Hình 3.14b vận tốc pha vận tốc nhóm CRLH TL chưa cân Hình 3.15 CRLH sử dụng điện dung đan xen điện cảm nối tắt với đất Hình 3.16 Mặt mẫu với 24 cell đơn vị Hình 3.17a kết mẫu có cell trường hợp cân Hình 3.17b kết mẫu có cell trường hợp không cân Hình 3.18a Thấu kính có bề mặt cong Hình 3.18b Mô với thấu kính mặt cầu, mặt elip mặt hyperbol Hình 3.19 Mô truyền sóng vật liệu RH/LH có độ lớn chiết suất Hình 4.1 Cấu trúc cell đơn vị hình nấm Hình 4.2 Sơ đồ tương đương cấu trúc đường truyền Hình 4.3 Cấu trúc anten metamaterial có cell đơn vị Hình 4.4 Hệ số S11(dB) anten metamaterial cell Hình 4.5 Vector điện trường cấu trúc anten metamaterial cell Hình 4.6 Gain(dB) anten cell mặt phẳng = Hình 4.7 Hệ số S11(dB) anten metamaterial cell đơn vị Hình 4.8 Vector điện trường anten metamaterial cell Hình 4.9 Gain anten metamaterial cell mặt phẳng = Hình 4.10 Anten Inductor-Loader TL cell Hình 4.11 Hệ sô S11(dB) anten Inductor-Loader TL cell Hình 4.12 Vector điện trường anten Inductor-Loader TL cell Hình 4.13 Hệ sô S11(dB) anten metamaterial cell ( = 4.2) Hình 4.14 Hệ số S11 anten cell với r = 0.5mm GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CRLH RH LH FDTD MTMs PLH PRH WLAN HFSS GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo Composite Right Left Handed Right-Handed Left-Handed Finite Difference Time Domain Metamaterials Pure Left Handed Pure Right Handed Wireless Local Area Network Hight Frequency Structure Simulator SVTH: Trịnh Hồng Đức LỜI MỞ ĐẦU Thông tin xuất từ lâu, từ người biết dùng lửa, tiếng động âm thanh, kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi Trải qua trình phát triển, nhu cầu thông tin liên lạc người đòi hỏi phù hợp với thực tế nhanh, xác xa Trong đó, giữ cách thức liên lạc từ xa xưa đáp ứng khả hạn chế rủi ro Chính từ nhu cầu thúc người phải tìm cách thức liên lạc đến năm 1837, Samuel Morse phát minh ám hiệu truyền tin dựa cách thức đóng mở dòng điện gây nên tiếng (tich te) Với phát minh này, làm giảm nhiều độ rủi ro thông tin Tuy nhiên, bị hạn chế khoảng cách xa năm 1894, Maxwell đưa lý thuyết dạng vật chất lan truyền xa chân không sóng điện từ thông tin khắc phục hạn chế khoảng cách địa lý Điều thực tế hoá Maconi, ông thành công việc truyền tín hiệu Morse sóng vô tuyến qua Đại Tây Dương vào năm 1902 Sự kiện mở kỷ nguyên vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng viễn thông sau Đóng góp vào thông tin liên lạc không kể tới vai trò anten thiết bị dùng để truyền đạt thu nhận tín hiệu Anten xuất từ lâu nói có niên đại với thông tin liên lạc Anten dần trở nên phổ biến từ xuất radio hay tivi đèn hình, tất sử dụng đến Lúc đó, anten có cấu tạo đơn giản anten đơn cực sau dần hệ thống anten Yagi ứng dụng nhiều phổ biến Để đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày phát triển công nghệ anten phải phát triển theo, điển hình ứng dụng truyền xa thông tin vệ tinh anten phải thiết kế cho truyền tín hiệu xa mà không tốn nhiều công suất phát, sử dụng anten parabol để thu phát với loại anten có độ lợi cao độ định hướng lớn Ngoài ra, không nói đến xu hướng thời đại nhỏ gọn, đa ứng dụng Đây điều tất yếu anten phải nhỏ gọn để đáp ứng yêu cầu trên, mà từ năm 70 công nghệ anten mạch dải nghiên cứu phát triển Đặc điểm bật anten loại nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, đặc biệt dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu Những đặc tính giúp antnen mạch dải quan tâm nhiều công nghệ tương lai GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 46 hoàn hảo hay toàn ánh sáng khúc xạ phản xạ Có thể thấy điều qua hình mô phỏng: Hình 3.19 Mô truyền sóng vật liệu RH/LH có độ lớn chiết suất 3.5.3/ Thiết bị bảo vệ anten bề mặt chọn lựa tần số MTMs làm thiết bị bảo vệ anten làm bề mặt chọn lựa tần số để điều khiển hướng phát xạ nguồn Một thách thức phải phát triển cấu trúc MTMs đẳng hướng xạ thành phần nguồn nhỏ xạ vô hướng Ví dụ như, thấu kính có khúc xạ parabol phần 3.5.2 sử dụng bề mặt anten định hướng cao Ngoài ra, thấu kính có khối lượng nhẹ, giảm quang sai, tập trung ánh sáng tốt so với thấu kính thường Ziolkowski chứng minh tăng gain anten cách bao quanh vỏ hình cầu LH media Vỏ LH đóng vai trò thành phần matching phần xạ anten với không gian tự Ý tưởng kiểm nghiệm theo anten dipole nhỏ bên vật liệu RH thể tính dung kháng (nghĩa không matching với không gian tự do) anten dipole nhỏ bên vật liệu LH thể tính cảm kháng Tác giả kiểm tra phân tích thực nghiệm hoán chuyển để thu matching hoàn hảo dipole nhỏ với vỏ xạ bao quanh Mặc dù vỏ LH chưa thực sẵn sàng thực tế cấu trúc 3D MTMs hướng cho nhà khoa học tương lai 3.5.4/ MTMs linh hoạt Trong tương lai MTMs bộc lộ khả linh hoạt nhiều ứng dụng ví dụ như: vật liệu MTMs hoạt động dải tần vi sóng rộng ứng dụng thiết bị quang Ngoài ra, với khả điều GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 47 khiển đặc tính xạ, cải thiện độ tăng ích, băng thông làm khuếch đại công suất MTMs trở thành phần tích hợp mạch siêu cao tần Cuối cùng, với phát triển công nghệ tương lai công nghệ nano cấu trúc MTMs ứng dụng cách hiệu để khắc phục nhược điểm tồn nhiều cấu trúc vật liệu Và với khả linh hoạt MTMs tích hợp cách thông minh với nhiều dạng khác vào nhiều hệ thống hoạt động công nghệ bán dẫn, công nghệ sinh học… Khả ứng dụng MTMs bị giới hạn ý tưởng mà GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 48 CHƢƠNG - THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL 4.1/ Thiết kế anten metamaterial Cấu trúc thông thường để thiết kế CRLH TL cấu trúc hình nấm mạch dải Cấu trúc cell đơn vị loại bao gồm ô kim loại nối với đất qua sợi dây hình trụ Hình 4.1 Cấu trúc cell đơn vị hình nấm Các thành phần LH điện dung tạo nên từ khoảng cách cell đơn vị điện cảm tạo nên từ dòng điện chạy qua sợi hình trụ bán kính r Còn thành phần RH điện dung tạo nên từ điện ô kim loại với mặt phẳng đất điện cảm tạo nên từ biến đổi dòng điện qua ô kim loại Bằng cách thay đổi đặc tính vật lý cell đơn vị hình nấm (kích thước ô kim loại, bán kính sợi trụ, số điện môi ) ta điều chỉnh điện cảm điện dung Ô kim loại không thiết hình vuông cần hình chữ nhật Kích thước ô kim loại, số điện môi, chu kỳ cell đơn vị bán kính sợi trục nhân tố ảnh hưởng đến đường cong phân tán tần số cộng hưởng anten Nếu tăng diện tích ô kim loại số điện môi làm tăng điện dung giảm bán kính sợi trục làm tăng điện cảm Để chứng minh tần số cộng hưởng không phụ thuộc vào kích thước anten, ta thiết kế anten cell, cell so sánh có thay đổi hay không Và sau đó, ta chứng minh trường hợp điều kiện bờ hở tần số bước sóng vô hạn phụ thuộc vào cộng hưởng song song thành phần nối tiếp không ảnh hưởng cách cho cell nối liền vào (inductor-loaded TL) Phần thiết kế sử dụng vật liệu điện môi FR4 epoxy có số điện môi = 4.4, độ dày h = 1.6mm Trước tiên, ta bắt đầu với tần số bước sóng vô hạn tuỳ vào ứng dụng mà ta chọn, trường hợp chọn = 2GHz Như biết, tần số phụ thuộc vào cộng hưởng song song trường hợp điều kiện bờ hở mạch ta có: GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 49 f f sh (4.1) 2 LL C R Với sử dụng sợi dây đồng hình trụ có bán kính r = 0.35mm, chiều dài h = 1.6mm với độ dầy chất FR4 khoan cell nối patch với đất Hình 4.2 Sơ đồ tương đương cấu trúc đường truyền Khi tính theo công thức: 2h r LL 0.2h ln 0.75 r h Thay h, r vào (4.2) tính được: Thay Ta có thức sau: (nH) (4.2) = 0.538 nH vừa tính vào (4.1) suy = 11.89 pF = Cp Từ đây, ta tính diện tích cell đơn vị theo công CP r S d (4.3) Với 8.846.10 12 (F/m), S diện tích cell ( mm2 ) d độ dày chất FR4 (mm) Với liệu tính được: S 255mm2 Ta chọn chiều dài cell cho l g hay l < 18.75 mm; chọn l = 17 mm, suy chiều rộng cell w = 15 mm Cũng từ tính qua công thức sau: GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 50 LR 0.00508b[ln(2b/(w + h)) + + 0.2235(w + h)/b] (H) (4.4) Với h độ dày chất (inches), w chiều rộng cell (inches) b chiều dài cell (inches) Thay vào ta được: = 4.88 nH Khoảng cách g cell tạo nên CL Ở đây, thiết kế g = 0.2 mm Ta có công thức: C L W ( r1 r ) cosh 1 (a / g ) (4.5) Với a = g+l = 17.2 mm, W = l = 17 mm, số điện môi dẫn điện, số điện môi dẫn điện Trong trường hợp này, = = 4.4 Tính được: =1.33 pF Đường tiếp điện gồm đoạn, đoạn thứ đường có trở kháng 50 độ rộng = mm, độ dài = 12 mm Đoạn thứ hai đoạn phối hợp trở kháng /4 có độ rộng = mm độ dài = 19 mm Hình 4.3 Cấu trúc anten metamaterial có cell đơn vị Phần mô sử dụng phần mềm HFSS v13 Sau mô kết sau: GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 51 Hình 4.4 Hệ số S11(dB) anten metamaterial cell GHz Đây tần số Từ hình vẽ ta thấy, mode cộng hưởng n = bước sóng vô hạn Nếu anten hoạt động tần số cell sóng đồng pha (vector điện trường hướng với nhau) hình mô sau: Hình 4.5 Vector điện trường cấu trúc anten metamaterial cell GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 52 Hình 4.6 Gain (dB) anten metamaterial cell mặt phẳng = Ngoài tần số này, tăng kích thước anten lên (tăng số lượng cell đơn vị) n không đổi theo công thức sau: n (n số mode cộng hưởng) L không phụ thuộc vào L (chiều dài chu kỳ cell) hay không phụ thuộc vào N (số lượng cell) Thật vậy, tăng số lượng cell lên N = ta thu kết sau: Hình 4.7 Hệ số S11 (dB) anten metamaterial cell đơn vị GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 53 Hình 4.8 Vector điện trường anten metamaterial cell Có thể thấy tần số không thay đổi vector điện trường cell đồng pha (tức hỗ trợ bước sóng vô hạn) Tuy nhiên, với anten có cell gain cao gain anten cell Hình 4.9 Gain anten metamaterial cell mặt phẳng = Do anten có cell nên mode cộng hưởng n = có mode cộng hưởng n = n = -1 Thay n = -1 n = vào (3.66) kết hợp với (3.65) ta tìm đuợc tần số cộng hưởng mode âm dương f 1 1.31 GHz f = 2.78 GHz Còn với anten có cell mode cộng hưởng n = có mode cộng hưởng n 1, n = 2, n = Tương tự trên, ta tìm tần số cộng hưởng GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 54 modelà: f 1 1.69 GHz, f 2 1.42 GHz, f 3 1.15 GHz, f1 2.47 GHz, f 2.97 GHz, f 3.32 GHz Như vậy, ta tiếp tục tăng số lượng cell lên ta nhiều mode cộng hưởng hay nói anten hoạt động nhiều dải tần Mode cộng hưởng âm (f < ) dương (f > ) nghĩa anten hỗ trợ sóng ngược (backward wave) sóng thuận (forward wave) Bây xét đến trường hợp thành phần C L Inductor – Loaded TL (g = 0) Với cấu hình anten loại tần số bước sóng vô hạn không thay đổi có bị dịch so với thiết kế, mode cộng hưởng khác có mode cộng hưởng dương (không hỗ trợ sóng nghịch) khác so với cấu hình anten CRLH TL có mode cộng hưởng âm lẫn dương Hình 4.10 Anten Inductor- Loader TL cell GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 55 Hình 4.11 Hệ số S11 (dB) anten Inductor-Loader TL cell Có thể thấy tần số bị dịch tần chút nhiên tần số bước sóng vô hạn Còn mode cộng hưởng khác mode cộng hưởng dương (f > ) mode cộng hưởng âm Hình 4.12 Vector điện trường anten Inductor-loader TL cell GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 56 Và từ kết thấy, tần số bước sóng vô hạn không phụ thuộc vào cộng hưởng nối tiếp phụ thuộc vào cộng hưởng song song Đối với anten mạch dải thông thường biết tần số cộng hưởng phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước anten ví dụ anten mạch dải hình chữ nhật ta thấy qua công thức (2.5), (2.7) (2.9) Vì vậy, thay đổi kích thước tần số cộng hưởng thay đổi Qua đây, ta thấy anten metamaterial khắc phục nhược điểm Nếu ta cần thiết kế dải tần khác cần thay đổi thông số sau đây: - Diện tích cell Nếu tăng diện tích cell theo (4.2) làm tăng C R theo (4.1) làm giảm tần số cộng hưởng song song - Bán kính sợi trục Nếu tăng bán kính theo (4.2) làm tăng LL theo (4.1) làm giảm tần số cộng hưởng song song - Hằng số điện môi Nếu giảm số điện môi làm giảm C R vào theo (4.1) làm tăng tần số cộng hưởng song song làm tăng băng thông Để thấy rõ ta thiết kế anten với thông số với giảm số điện môi xuống = 4.2 Khi tần số cộng hưởng tăng thấy qua kết quả: Hình 4.13 Hệ số S11 (dB) anten metamaterial cell ( Từ đồ thị thấy, tần số = 4.2) tăng lên 2.04 GHz GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 57 Tăng bán kính sợi trục lên r = 0.5mm Theo (4.2) tính ra: LL = 0.45 nH Và từ (4.1) tính = 2.1 GHz Như vậy, tần số tăng lên so với trước Dưới kết mô Hình 4.14 Hệ số S11 anten cell với r = 0.5mm Có thể thấy tần số có lệch chút so với tính toán lên so với ban đầu GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo = 2.16 GHz có tăng SVTH: Trịnh Hồng Đức 58 KẾT LUẬN CHUNG Bằng cách thay đổi hẳn chất liệu mà Metamaterial khắc phục hạn chế công nghệ trước siêu thấu kính làm vật liệu metamaterial có độ phân giải cao thấu kính thông thường nên có khả theo dõi tế bào ung thư …Về lĩnh vực anten, góp phần cải thiện dải tần hẹp anten mạch dải cách hoạt động nhiều dải tần đặc biệt có khả tăng gain mà không làm thay đổi tần số hoạt động điều anten mạch dải thông thường không làm Thật vậy, biết anten mạch dải có tần số hoạt động phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước vật lý; tăng kích thước lên để tăng gain làm dịch tần số hoạt động Trong phần đồ án phân tích thiết kế sử dụng phân mềm Ansoft HFSS v13 rõ lợi điểm Ngoài đặc tính trên, metamaterial làm chia mà cổng có pha cấu trúc CRLH Với cách thức đó, ta thiết kế chế tạo đơn giản mà không cần phải điều chỉnh nhiều Trong trình thưc làm đồ án em cố gắng không tránh khỏi sai sót Em mong nhận lời nhận xét quý báu thầy, cô Một lần em muốn gửi lời cảm ơn đến Cô ThS Hoàng Thị Phương Thảo tận tình giúp đỡ hướng dẫn em suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] Nguyễn Chương Đỉnh, Bùi Hữu Phú, Sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi dải, Tạp chí bưu viễn thông, 2008 [3] Thái Hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng anten, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, [4] Vũ Đình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú, Thiết kế thử nghiệm anten vi dải, Tạp chí bưu viễn thông GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 60 GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức [...]... thông số cơ bản của anten 1.4.1/ Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten bao gồm cả phần thực và phần kháng, là tỷ số giữa điện áp đặt vào anten và dòng điện trong anten U Z A A R A jX A (1.5) IA 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 được xác định... 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 trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều... 50% tức là: f min f0 Anten dải tần rộng: f 1.5 max 4 f min Anten dải tần rất rộng: f max 4 f min Trong đó: = - GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 8 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 ... 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 chính là tỷ số giữa công suất bức xạ và công suất máy phát đưa vào anten hay A Pbx PA (1.7) Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. .. Đức 9 1.6/ Phân loại anten 1.6.1/ Anten parabol Hình 1.2 Anten parabol Anten gương là những anten mà đặc trưng được hình thành do sự phản xạ sóng điện từ trên mặt gương (mặt phản xạ) Người ta thường dùng các anten có tính định hướng yếu làm nguồn phát xạ sóng điện từ (bộ chiếu xạ) trong các anten này Gương và bộ chiếu xạ là những yếu tố cơ bản của anten gương Anten gương là một loại anten có những đặc... làm đồ án này Em cảm ơn Cô đã có những góp ý, đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này GVHD: ThS Hoàng Thị Phương Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 3 Chƣơng 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. .. kháng vào được xác định bởi công suất đặt vào anten và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten P RA A (1.6) I Ae 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;... 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... Thảo SVTH: Trịnh Hồng Đức 12 Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna): gồm có các tấm dẫn diện giống như anten mạch dải dạng tấm; tuy nhiên, anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả hai 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... nhiên hay các tham số tác động lên anten Trong phần thiết kế để đơn giản, ta xét mô hình tấm mạch dải hình chữ nhật được tiếp điện bằng cáp đồng trục Trước tiên, ta bắt đầu với 3 thông số bắt buộc cơ bản đó là: tần số hoạt động (tần số cộng hưởng này có thể chọn tuỳ vào từng ứng dụng), hằng số điện môi, độ dày điện môi Sau đây sẽ là các bước tính toán thiết kế Tính toán độ rộng W của tấm mạch dải theo ... thông số anten 1.4.1/ Trở kháng vào anten Trở kháng vào anten bao gồm phần thực phần kháng, tỷ số điện áp đặt vào anten dòng điện anten U Z A A R A jX A (1.5) IA Trở kháng vào anten phụ... Gain(dB) anten cell mặt phẳng = Hình 4.7 Hệ số S11(dB) anten metamaterial cell đơn vị Hình 4.8 Vector điện trường anten metamaterial cell Hình 4.9 Gain anten metamaterial cell mặt phẳng = Hình 4.10 Anten. .. phép đánh giá phương hướng hiệu xạ anten điểm xa sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng anten có hiệu suất = 1, lượng xạ đồng theo hướng Anten lý tưởng xem nguồn xạ vô hướng