Cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt metamaterial

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN QUANG PHONG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 Công trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THỊ HƯƠNG Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Lê Hùng Phản biện 2: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 15 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài mộ c c mạ ầ l m c , ì mẽ ố ệ ườ cò ả ốc ộ c c c c m ấ ộ lợ ẫ bă K ả ọc, ậ lý ọc củ s ê b mặ ê s (I ầ củ ả c ấ ễ ắ lê ê cầ l ẹ ê c mở ộ cầ cầ ố M m lĩ ls x ấ ực ệ ệ , c c M ă ệm m c ls ) ệ ấ ặc ược ă , mộ ườ , q ược x m l N c l l m m l bă , cảm b ặ ỏ m ệc ệ s ấ sả x ấ c f í ấ ữlệ , m bă ỏ, c ược ọc m ởm c ộc N cậ ố ả c c c ậ lệ ược ệ c 15 ăm ê c ẹ , ốc ộ l lự c ọ ệ c ỉ ộ Vấ c s ực ả bă ẹ ? ă c c ỏ íc s c ò củ ê , ấ ổ bă lượ bị ầ c ố , c ú ê ệc ườ c c cư , lượ , ấ l D , số lượ I c ọ tài “Cải thiện hiệu suất xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt Metamaterial , ả, ầ m c ệ ệ q ả cầ ễ ữ củ x ệ s ấ củ ộ mộ ố Bả 1.0 Số lượ b b lê q m m l N : TM Thomson Reuters Web of Science 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 13 30 63 90 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 102 126 134 177 256 245 293 Mục tiêu nghiên cứu -N ê c ệ ệ s ấ b c xạ c - S s c ẩ ả ệ q ả củ c c c s c Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: anten Metamaterial - Phạm vi nghiên cứu: m ỏ q ả Phương pháp nghiên cứu P ươ c l ậ x ê s ố củ l ậ lý m -N ê c -N ê c b mặ M ỏ ă l l m õ ộ ợ ê ưs : ả m - Sử ệ ệ s ấ b c xạ c ả sử l ầ m m HFSS -S s m q ả ỏ ực ệ Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Mặc ù m ừl ược ược c ú ý củ ệ ,… sc , ầ ệ ựb : bù c ổ ỷ ữ m ,m cấ ả ăm 2020, c í ê I c ỉ ăm ầ bả ực , s ữ bị mạ ả 50 ỷ ậ ố ố I , b … ấ ữ ẩ c c ồm cảm b c ỷ cấ mạ m ê c ọc ệc ă vễ ă ầ úc mạ , củ ệ s ấ b c xạ c ực ễ củ x ặ, cấ c c ấ lượ , m ữlệ , ả ả ệ ộ , ú ộ cầ V ệc bị I c ý ĩ bị ầ c ố , ê cầ ộ Cấu trúc luận văn Chương T ng uan ant n ươ ì ệm a l b ( , ị ươ ươ , í ổ ì, c c c bả l ê q mộ c c q ,c c í c cc , ,c ệ s ấ , ệ số ị s ấ b c xạ cực, ả ầ củ c ) ươ củ sống Chương ươ ổb thu ết ant n vi ệ c , lượ íc l anen , bă ả, ả , ì ược mộ số ặc í ă i c củ c ,q ê lý b c xạ củ ưm ì trình bày c c m ườ m ì ì s ấ, ậ cấ c ả Chương Các m h nh ph n tích ant n vi C ươ c ươ c ơ, c …, c c ĩ l mộ l i íc củ ốc cộ ả ưở Chương M tamat rial Vậ l ệ M í c ấ ặc b ệ m m l l mộ l ộc c ủ ậ lệ cấ ườ ậ lệ úc, c ú ặc b ệ m c c c mộ số í c Vậ l ệ M m c ấ l ườ c số c c í ệ m c ấ củ M ườ Nộ mộ số ỏ m í c ươ c ấ củ ẩm m c l ê bấ bả củ ắm õ m m, ộ c ườ cấ ậ lệ M s ấ m, s ậ lệ êm mộ số cơng t m l V ệc ìm ậ lệ l anten Chương Thiết kế m ph ng ươ m ì m b l S s m c c ỏ ả bả l ậ c CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Gi i thi u chương 1.2 hái ni m nt n l s ệ bị ù ừ bê ườ ồm ệ ệ ảm bả í ợ ổ q , ược c ủ ệc ố c ( ườ ệ ( ườ ệ ặc ậ ố , c c ê cầ c b c xạ s ấ l ă lượ c ợ ợ l mộ ổ ợ b ệ ố c c c ầ b c xạ ), ặc ệ cấ í ố ) 1.3 Quá tr nh vật l xạ sóng n từ [2] 1.4 H phương tr nh Maxw ll 1.5 Các th ng số b n ant n 1.5.1 Trở kháng vào anten [1] 1.5.2 Hiệu suất anten ược x m l số ược í số q b ọ c bị c ặc ổ củ l ă lượ , mộ ệ s ấ.Hệ s ấ c [2] (1.13) : :Hệ s ấ ổ :Hệ s ấ ả xạ :Hệ s ấ ệ :Hệ s ấ c (1.13) ược ẫ ệ m lạ ( : : Hệ số ả xạ, | | ) (1.14) : H ệ s ấ b c xạ củ VS 1.5.3 Hệ số 1.5.4 Đ : Hệ số s | | | | củ anten, VSWR = nh hư ng ợi Mộ số lợ củ mộ cmê ảc s ấ củ ược x c ị ( c cs l ộ lợ ộ [4] ) (1.17) 1.5.5 Đồ th phương hư ng góc xạ anten 1.5.6 Tính phân cực anten 1.5.7 Dải tần anten Dả ầ củ í l củ ược q ậ c c ị ầ số c ẩ củ xạ q ầ số c ầ số m ị s ấ.N ì ẩ 50% c ết luận chương ệc lệc c c ầ số c c số é G ạ c l m c c 1.5.8 Các hệ thống anten 1.6 ả ĩ l c c ầ số lệc l m ả ầ củ ảm c s ấ b c ườ ọ l CHƯƠNG NT N 2.1 Gi i thi u chương 2.2 Gi i thi u chung ant n vi cý ệm b c xạ D sc m s ầ ả lầ ăm 1953 N ỹ lầ i ê ậ ả m ầ m mỏ ả (b ả M s lĩ Anten vi dả xư bở H w ll ê c ược ực ấ b c ực ệm ược c ồm mộ m ml ấ l bư c s c c mặ ấ mộ ả bở 20 ăm s , mộ ược c ược ê ự ấ ỏ ( 0.003λ0< h < 0.05λ0) P c củ ả , ) ặ ườ ược ì c ị b c xạ cực 2.3 Các h nh ạng b n ant n vi 2.4 Đặc tính ant n vi Ư i i m:  ố lượ íc  í sả s ấ ấ , ễ sả x ấ  ả ă cực í  c ỏ, b mỏ l c c ỹ ậ cấ c ả c ườ c sả x ấ K cấ c cl ệc c ố ợ m:  MSA c bă  Mộ số MSA c  Hầ ệ MSA ấ ẹ ộ lợ c c ấ s ấ b c xạ í ê mặ  b c xạ ườ  Mộ số  ố củ MSAs: c ù ườ MSA  mố cầ ả xạ ườ ù c c ố xạ MSA ệ ị ê ược ù c  Hệ ỏ ọ ù c c MSA ị  GSM hay GPS c c ù MSA 2.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho ant n vi i 2.5.1 Cấp nguồn ường truyền vi dải V ệc íc cù íc c mộ l x m l mộ cù l mộ c c lự c ọ ườ ả mộ mạc xạ m ố s ườ ự ê , ỹ m line l ả b ậ ả ê ê ì patch c ược c ược ê c feed line c l c feed íc patch 2.5.2 Cấp nguồn probe ồng trục 2.5.3 h p nguồn phương pháp gh p khe 2.5.4 Cấp nguồn dùng phương pháp gh p gần 2.6 Băng th ng anten vi ộ ộ ả ầ số m mộ số m bă i củ ê mạc ố x c ị N ợ ố c c ược c c ê cầ ả ( ) c í ệ l ả ầ (2.1) 2.7 Ngu ên l xạ ant n vi 2.8 Trường xạ ant n vi ĩ l ườ c, ặ ược ị i [4] i 10 CHƯƠNG C CM H NH PH N T CH NT N 3.1 Gi i thi u chương 3.2 Các m h nh ph n tích ant n vi V ệc l c cm ì c c lí ảm b l bỏ b c c mộ lượ c ộ l q  Gú ĩ c cc c c ê c cấ c c c ệc ì ì ực ễ ấ c c ệm x cc cư số củ ê lý mộ c c c í  ả íc c mộ ý :  Gú b ì i ộ ê c m củ củ ả c c s l m 3.3 M h nh đường tru ền [4] 3.3.1 Hiệu ứng viền H số ệ m ệ  reff  ược c bở c  reff   r    c: h 1  12 W   W/h >> (3.1) 3.3.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số c ng hưởng chiều r ng hiệu dụng D ẻl ệ íc ược c q , ệ m (W/h) K ả ược í L ả ệ c ê xấ xỉ ỷ số c lệc c ữ c c: mặ mặ ê hình 3.2, ậ lý mộ số ả c ậ lý củ m c c củ c ệ c x-y ệ củ patch ượ mỗ L l í , m củ ộ ê b ệ m ệ c ực 11 L  0.412h K bê , c c củ  reff  reff W   0.3   0.264   h  W   0.258    0.8   h  c ược é mộ (3.2) ả ∆L mỗ củ patch lúc : Lreff = L +2∆L (3.3) 3.4 M h nh hốc cộng hưởng 3.4.1 Các mode trường – TMx 3.4.2 Trường xạ - Mode TMx010 3.4.3 Đ nh hư ng 3.5 nh hưởng gh p tương h gi a hai ant n vi 3.6 ết luận chương i 12 CHƯƠNG METAMATERIAL 4.1 Gi i thi u chương Vậ l ệ M material cò ậ lệ m Sê ược ậ l ệ c cấ ệ ặc lệ c lệ ọ l sê ê c úc ườ số ậ ậ l ệ , l mộ l ược c ược ìm ệ m ộ ê c ấ ữ ự ẩm m ( ặc í ê c ậ ), ược ọ l ậ ( L f – Handed material) ật li u t ng hợp ight l t-handed transmission line [3] 4.2 i i thiệu H s 4.2.1 thuyết C 4.2.2 H hái ni m siêu vật li u M tamat rial 4.3 ch s phát tri n 4.3.1 4.3.2 Đ nh ngh a M m l l mộ l ộc M cấ m l ược c c ừ) lệ úc l b c c í c ấ ým ố N ữ c ự í , ê m c ậ c ấ ườ ,m í ầ cấ Sê c c sắ x ữ cấ ậ lý ĩ m (c ủ c ấ ậm c í l c ồ c ấ củ ậ lệ úc í c ấ m , ệ ữ b 4.3.3 Tính chất 4.3.4 Phân oại Vậ l ệ c ược 3l c í : a) Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ε < b) Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): μ < ậ 13 c) Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < ng dụng 4.3.5 Vậ l ệ l m ă ả ă sử m : v ệc sử b c xạ MMs c íc , ă ấ (200 ) sử c ả ă ấ s ( ực ược ì 95% ỏ b ộ lợ Vậ l ệ ảm íc ă c c ỉ MMs l m c củ ả ă L m ă ảm s c : ậ lệ ấ lầ , ệ l Hệ b c xạ ầ số 350M bư c s b l ầ ml 99% 11, %) 4.4 T nh h nh nghiên cứu nư c 4.5 ết luận chương ầ ê mộ l GH í ị ược L ệ m 14 CHƯƠNG TH T M PH NG 5.1 Gi i thi u chương 5.2 Cơ sở l thu ết 5.3 Thiết kế 5.3.1 Anten Patch vi dải hình chữ nhật u c u thiết ế a) Bả ầ số H số ệ m c 5.1 số ộ 2.4 GHz củ l ệ 2.2 (Rogers RT/ Duroid 5880) môi ộ l ệ m P ươ b) c cấ Microstrip line mộ số c số củ c W số nh to n Dự H 1.6 mm ệ m  reff ả c c ươ ì c ữ f r 0 r 1 ệ củ  ậ  1  r 1  h  r   12   2  W mở ộ củ m L  0.412h  reff  reff í ược c c ưs : c fr c 2 r 1 í   49.41(mm) bở  2.1092 c : W   0.3   0.264  h   0.8434(mm) W   0.258    0.8  h  15 ực L củ L ệ c v0 f r  reff í bở :  2L  41.35(mm) ẫ củ G1 khe 1:   k0W  cos      sin    sin  d  1.8623 I1     cos      G1  ệ ẫ I1  15.724 104 ( siemens) 120 é G12 ữ :   k0W  cos      sin    J (k L sin  )sin  d  4.7055 104 ( siemens )   G12  0 120 0  cos     V J0 l m B ss l l 1, bậc õ Rin  Rin cạ (y=0) củ  244.7401(Ohm) 2(G1  G12 ) õ củ l 50 m, ì mộ ả y0: lấ s Rin  y  y0   ợ m cấ í ệ c       cos  y0    Rin ( y  0) cos2  y0   G1  G2   L   L   y0  ố ả: trí y0 cầ c b mặ w0: L  cos 1 ì ườ 50  12.628(mm) Rin ả cấ í ệ c ị 16 120 Zc   reff  w0  w0   4h  1.393  0.667 ln  4h  1.444       50(Ohm)  w0  4.93(mm) c) Mô Dựa vào thơng số í m m HFSS, vẽ ược Hình 5.4 Hì m c b, sử d ng phần ì íc 5.4 c c ả ì c ữ XY Plot ậ HFSSDesign1 ANSOFT 0.00 Name -2.50 X Y Curve Info m1 2.3790 -9.9943 m2 2.4117 -10.0081 m3 2.3950 -22.3094 dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 -7.50 m1 m2 dB(S(1,1)) -10.00 -12.50 -15.00 -17.50 -20.00 m3 -22.50 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 Freq [GHz] Hình 5.5 ị S11 củ Nhận x t cầ ộ c c ả ì ố ầ số 2.395 GHz, c ỉ lệc s số S11 = -10 dB Hệ số ê bă ả c ữ ì c ữ ậ s ả ậ m MH s ỏ ê ẹ , c ỉ 32 MHz ả xạ S11=-22.5 B f=2.395 GH 17 Hình 5.6 M ì b c xạ củ c Nhận x t H ệ s ấ b c xạ 2.5 ả ì c ữ ậ B 5.3.2 Anten kết hợp AMC a) Yêu c u thiết ế mộ c c số c ố l c ấ Bă b) , ì c ữ m ỏ ộ ả ậ b c m c 5.3.1, cấ ầ số GH Vậ l ệ ệ m ộ lợ s ược D c ệ s ốc nh to n ện hiệu suất b c xạ c M ta thêm Des ốc mc s ược sử ả f x c bă q củ b l ss S s ms s M b m , “Antenna lS f c s x ấ Sử c c 5.2 ( ( √ í ( ( LL √ ) ) ( ) [ ( ) ]( ) ) ) 18 ( )[ ( c Thay LL ( ) ) c 5.1 ] í R √ ừc c ( ọ 0.5 mm, ) ấm M c ả c c ( )( )( íc )( ) c x 29 mm, bán kính via r = ữ M l mm c) Mơ Hình 5.7 Kíc c vị trí Via anten Hình 5.8 Sơ bố trí AMC 28x29 mm theo cách 19 Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.3733 -10.0125 m2 2.4067 -9.9975 m3 2.3900 -23.0318 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 m1 m2 dB(S(1,1)) -10.00 -15.00 -20.00 m3 -25.00 2.20 2.30 2.40 2.50 Freq [GHz] 2.60 2.70 Hình 5.9 thị S11 anten sử d ng AMC 28x29 mm theo cách Nhận x t Anten anten k t hợp AMC 28x29 mm theo cách c ầ số cộ ầ ưở f = 2.39 GH , ổ s ê cầ ốc, 33 MH Bă S11 = -10 B Hệ số ả xạ S11=-23 B f=2.39 GH Hình 5.10 M ì b c xạ củ sử d ng AMC 28x29 mm theo cách Nhận xét: Hiệu suất b c xạ 2.5 gốc B, ă 0.0 Bs i anten 20 ả * ưởng củ íc c M ối v thơng anten, ta ti p t c mô phỏ ộ lợ bă ường hợp AMC 34x34 mm 40x40 mm Hình 5.23 Sơ bố trí AMC 40x40 mm Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.3734 -9.9317 m2 2.4067 -9.9317 m3-2.50 2.3900 -22.3179 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 -7.50 dB(S(1,1)) m1 -10.00 m2 -12.50 -15.00 -17.50 -20.00 m3 -22.50 2.20 2.30 2.40 Freq [GHz] 2.50 2.60 2.70 Hình 5.24 thị S11 anten sử d ng AMC 40x40 mm Nhận x t Anten anten k t hợp AMC 40x40 mm c ưở f = 2.39 GH , ổ s ê cầ Bă ầ số cộ ầ ốc, 33 MH S11 = -10 B Hệ số S11=-22.3 B f=2.39 GH ả xạ 21 Hình 5.25.1 M ì b c xạ củ sử d ng AMC 40x40 mm Nhận x t Hiệu suất b c xạ 2.67 B, ă 0.13 B s i anten gốc Bả 5.2 S s ốc c c số củ c c ầ số cộ Hệ số ưở S11 2.395 GHz -22.5 ộ lợ c ấ Bă S11= 10dB 7.69 dB 32 MHz dB ợ 39 GHz -23 dB 8.29 dB 33 MHz 39 GHz -22.5 7.86 dB 33 MHz 8.33 dB 12 MHz AMC 28x29 mm cách ợ AMC 28x29 dB mm cách ợ AMC 28x29 mm cách 2.18 GHz -10.6 dB 22 ợ ầ số cộ Hệ số ưở S11 2.18 GHz -16.2 AMC 34x34 ộ lợ c ấ Bă S11= 10dB 8.62 dB 24 MHz 8.64 dB 33 MHz 9.11 dB 33 MHz dB mm cách ợ 2.39 GHz AMC 34x34 -21.7 dB mm cách ợ 2.39 GHz AMC 40x40 mm 5.5 ết luận chương -22.3 dB 23 K T LUẬN KI N NGHỊ ết luận ê c c S ệ ầ ị Hươ l mộ A ực , ọ B c m ược lĩ c ườ ệ ầ úc m củ c ổ ầ số củ ă củ mì cấ c ấ lệ m M ực l m ệ ì m m c íc ê c ổ ữ ỡ lĩ V ệc sử l c c ú mặ ược ộ l mộ c ược l ậ ốq ậ lệ M củ cò , m ực, ặc b ệ l , ệ ệ s ấ ữ ăm ầ m l c ệ ấm ắc ặc b ệ , ệ s ấ b c xạ m ộ ả l m ược N ữ q ả  ìm  ìm s ầ m m l ậ xé M c s f HFSS mộ c c c í ọc m ậ lệ Dù  ả ậ lệ M ìm  ưs : lý lý c  ược q x c ược c c m ỏ ệ q ả q ảm ỏ iến nghị L ậ m M ă c ỉ ỏ m ê ll ầ ởm c sở lý m m Ansoft HFSS c M Hơ ữ , íc c củ , í l ậ lệ cò l Trong 24 ươ M l , m cs c l ê c c ữ , ệ êm mộ số l ệ bă c ậ lệ kích ... lượ bị ầ c ố , c ú ê ệc ườ c c cư , lượ , ấ l D , số lượ I c ọ tài Cải thiện hiệu suất xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt Metamaterial , ả, ầ m c ệ ệ q ả cầ ễ ữ củ x ệ s ấ củ ộ mộ ố Bả 1.0... (electric metamaterial) : ε < b) Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial) : μ < ậ 13 c) Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial) : n < ng dụng 4.3.5 Vậ l ệ l m ă ả ă sử m : v ệc sử. .. S11=-23 B f=2.39 GH Hình 5.10 M ì b c xạ củ sử d ng AMC 28x29 mm theo cách Nhận xét: Hiệu suất b c xạ 2.5 gốc B, ă 0.0 Bs i anten 20 ả * ưởng củ íc c M ối v thông anten, ta ti p t c mô phỏ ộ lợ bă