Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến (Luận án tiến sĩ)

i _ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những kết luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Các tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ, rõ ràng trung thực Xác nhận giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Lan ii _ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn tới TS Lâm Hồng Thạch PGS.TS Bernard Journet hướng dẫn suốt thời gian qua Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Vũ Văn Yêm, người trực tiếp hướng dẫn mặt khoa học đóng góp ý kiến quý báu để tơi hồn thành luận án Đồng thời, xin cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Cảm ơn thành viên RF Lab đồng hành hỗ trợ suốt thời gian qua Cuối cùng, xin dành lời yêu thương đến gia đình, người động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi Đây động lực to lớn giúp tơi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Lan iii _ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT V DANH MỤC HÌNH VẼ VII DANH MỤC BẢNG BIỂU XI MỞ ĐẦU 1 Anten mảng ứng dụng hệ thống thông tin Những vấn đề tồn Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Ý nghĩa khoa học đóng góp luận án 5 Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Giới thiệu anten vi dải 1.3 Các tham số anten 1.3.1 Băng thông 1.3.2 Hiệu suất 1.3.3 Hệ số định hướng 10 1.3.4 Trở kháng đầu vào 10 1.3.5 Hệ số tăng ích 10 1.3.6 Phân cực 11 1.4 Lý thuyết anten mảng 13 1.5 Một số phương pháp cải thiện tham số cho anten mảng 15 1.5.1 Một số phương pháp cải thiện băng thông cho anten mảng 15 1.5.2 Một số phương pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 27 1.6 Kết luận chương 34 CHƯƠNG GIẢI PHÁP CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ANTEN MẢNG 36 2.1 Giới thiệu chương 36 2.2 Cải thiện băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 36 iv _ 2.2.1 Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất 36 2.2.2 Phân tích thiết kế anten mảng 39 2.2.3 Các kết mô đo kiểm 44 2.3 Cải thiện băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng EBG nhiều tầng điện môi 49 2.3.1 Cấu trúc EBG đề xuất 49 2.3.2 Phân tích thiết kế anten mảng 50 2.3.3 Các kết mô đo kiểm 51 2.4 Kết luận chương 56 CHƯƠNG GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN MẢNG 57 3.1 Giới thiệu chương 57 3.2 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa việc phân bố lại dòng 57 3.2.1 Cấu trúc DSS đề xuất 57 3.2.2 Một số tính chất quan trọng DSS 59 3.2.3 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 𝑥 Defected Substrate Structure 61 3.2.4 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 𝑥 cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 75 3.3 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng bề mặt phản xạ 81 3.3.1 Tính tốn tham số cho FSS 81 3.3.2 Áp dụng cho anten mảng 𝑥 82 3.3.3 Các kết mô đo kiểm 83 3.4 Kết luận chương 89 KẾT LUẬN 91 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 v _ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Array Factor Hệ số mảng AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo AR Axial Ratio Tỉ số trục BW Bandwidth Băng thông CCW CounterClockwise Ngược chiều kim đồng hồ CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng CRLH Composite Right/Left Handed Cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp CW Clockwise Chiều kim đồng hồ DGS Defected Ground Structure Mặt phẳng đế khơng hồn hảo DNG Double Negative Vật liệu có số điện mơi độ từ thẩm âm DSS Defected Substrate Structure Cấu trúc tầng điện môi khơng hồn hảo EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ ECC Envelope Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao ENG Epsilon Negative Hằng số điện môi âm FSS Frequency Selecting Surface Bề mặt chọn lọc tần số HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ sư điện điện tử Electronics Engineers LH Left Handed Vật liệu bàn tay trái vi _ LHM Left Handed Material Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu MNG Mu Negative Độ từ thẩm âm MRS Metamaterial Reflective Surface Bề mặt phản xạ MTM Metamaterial Siêu vật liệu NRI Negative Reflective Index Chỉ số khúc xạ âm PLH Purely Left Handed Vật liệu LH PRH Purely Right Handed Vật liệu RH RCS Radar Cross Section Diện tích phản xạ hiệu dụng RH Right Handed Vật liệu bàn tay phải RHM Right Handed Material Vật liệu theo quy tắc bàn tay phải SLL Sidelobe Level Mức búp sóng phụ SNG Single Negative Vật liệu số âm TE Transverse Electric Điện trường ngang TEM Transverse Electromagnetic Điện từ trường ngang TL Transmission Line Đường truyền TM Transverse Magentic Từ trường ngang UP- Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục không dây EBG VSWR vii _ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình anten vi dải [7] Hình 1.2: Phân bố điện tích dòng điện anten vi dải [7] Hình 1.3: Việc quay vector E (a) phân cực elip (b)[7] 12 Hình 1.4: Mơ hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z [29] 14 Hình 1.5: Sơ đồ vector Poynting sóng điện từ (bên trái: vật liệu thông thường (RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) 16 Hình 1.6: Phân loại vật liệu theo ɛ µ [20] 17 Hình 1.7: Khúc xạ hai môi trường: (a) RHM-RHM; (b) RHM-LHM 19 Hình 1.8: Cấu trúc EBG ba chiều: (a) cấu trúc điện môi đống gỗ [26]; mảng kim loại ba cạnh nhiều tầng [11] 21 Hình 1.9: Cấu trúc EBG hai chiều: (a) cấu trúc hình nấm [62]; (b) cấu trúc đồng phẳng (khơng sử dụng cột nối kim loại) [92] 21 Hình 1.10: Mơ hình sơ đồ tương đương tế bào đường truyền [74] 22 Hình 1.11: Mơ hình hộp cộng hưởng chữ nhật 23 Hình 1.12: Anten đa băng dựa sở sử dụng nhiều mode [74] 25 Hình 1.13: Mở rộng băng thơng cách tạo nhiều mode cộng hưởng liên tiếp [83] 26 Hình 1.14: Độ rộng chùm Gauss w(z) hàm khoảng cách z [110] 29 Hình 1.15: Phân loại FSS theo đáp ứng tần số: (a) thông thấp, (b) thông cao, (c) thông dải, (d) chắn dải [72] 32 Hình 1.16: Mơ hình anten vi dải với FSS dựa HIS (a); mơ hình Jerusalem cross FSS [72] 33 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương: anten vi dải (a); Jerusalem cross FSS (b) [72] 33 Hình 2.1: Mơ hình cấu trúc siêu vật liệu đề xuất sơ đồ tương đương (mầu tối lớp đồng, màu sáng vật liệu điện môi) 37 Hình 2.2: Mơ hình mơ tham số S (a) kết mô (b) 38 Hình 2.3: Mơ hình anten mảng: mặt (a); mặt (b) 40 Hình 2.4: Mơ hình phần tử anten 41 Hình 2.5: Mơ hình chia cơng suất (a) tham số S (b) 42 Hình 2.6: Hệ số phản xạ anten có khơng có cấu trúc siêu vật liệu 44 Hình 2.7: Sự khác đồ thị xạ anten: (a) khơng có siêu vật liệu, (b) có siêu vật liệu tần số trung tâm 8.15 GHz 45 Hình 2.8: Hiệu suất hệ số tăng ích anten 45 viii _ Hình 2.9: Đồ thị 2D anten đề xuất tần số trung tâm 8.15 GHz 46 Hình 2.10: Phân bố dòng anten: (a) khơng có MTM; (b) có MTM tần số 8.15 GHz 46 Hình 2.11: Hình ảnh anten chế tạo với Roger4350B 47 Hình 2.12: Kết mô đo lường hệ số phản xạ anten đề xuất 47 Hình 2.13: Mơ hình cấu trúc EBG: (a) Mơ hình đề xuất sơ đồ tương đương; (b) Cấu trúc bù EBG sơ đồ tương đương 49 Hình 2.14: Mơ hình anten sử dụng nhiều tầng điện mơi 51 Hình 2.15: Mơ hình anten mảng đề xuất: (a) mặt trên, (b) mặt 51 Hình 2.16: Mơ hình lớp đất anten với cấu trúc UP-EBG 52 Hình 2.17: So sánh tham số anten sử dụng cấu trúc EBG đề xuất UPEBG: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất 52 Hình 2.18: So sánh tham số anten: (a) S11, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất 53 Hình 2.19: Các tham số anten đề xuất: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích hiệu suất 53 Hình 2.20: Đồ thị xạ anten: (a) 3D, (b) 2D tần số 11 GHz 54 Hình 2.21: Phân bố dòng anten trường hợp: (a) tầng điện môi, (b) tầng điện môi, (c) tầng điện môi với EBG tần số 11 GHz 54 Hình 2.22: Mơ hình anten chế tạo: (a) mặt trên, (b) mặt 55 Hình 2.23: Kết mơ đo lường hệ số phản xạ anten 55 Hình 3.1: Mơ hình DSS đề xuất: (a) mơ hình; (b) sơ đồ tương đương đơn vị cấu trúc 58 Hình 3.2: Mơ hình đường truyền vi dải thơng thường (a); mơ hình đường truyền vi dải với DSS (b) 59 Hình 3.3: Mơ hình anten đề xuất với DSS 62 Hình 3.4: Mơ hình anten đề xuất: anten mảng lớp điện môi thứ (a); lớp điện môi thứ hai với DSS lớp đất (b) 62 Hình 3.5: (a) Mơ hình phần tử lưỡng cực; (b) Mơ hình chia cơng suất 63 Hình 3.6: Hệ số phản xạ anten trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, hai tầng điện môi với DSS 64 Hình 3.7: Hệ số tăng ích anten trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, hai tầng điện môi với DSS 65 ix _ Hình 3.8: Phân bố dòng anten với vật liệu Roger4350B ba trường hợp: tầng điện môi (a); tầng điện môi với DGS (b); tầng điện môi với DSS (c) tần số 10 GHz 65 Hình 3.9: Sự khác biệt đồ thị anten ba trường hợp: (a) hai tầng điện mơi, (b) khơng có DSS, (c) DSS tần số 10 GHz 66 Hình 3.10: Hiệu suất anten trường hợp mô 67 Hình 3.11: Mơ hình DSS với điện mơi FR4 68 Hình 3.12: Mơ hình anten với FR4: (a) anten mảng lớp điện môi thứ nhất; (b) lớp điện môi thứ hai với DSS lớp đất 69 Hình 3.13: Sự khác hệ số phản xạ anten anten sử dụng FR4 Roger4350B 69 Hình 3.14: Sự khác hệ số tăng ích anten sử dụng Roger4350 FR4 70 Hình 3.15: Sự khác đồ thị xa anten sử dụng (a) FR4 (b) Roger 4350B tần số 10 GHz 70 Hình 3.16: So sánh hiệu suất anten sử dụng Roger4350B FR4 71 Hình 3.17: Các mặt phẳng xz, yz anten với: Roger4350B (a); FR4 (b) 10 GHz 71 Hình 3.18: Phân bố dòng anten với vật liệu FR4 trường hợp: (a) tầng điện môi; (b) tầng điện môi với DGS; (c) tầng điện môi với DSS tần số 10 GHz 72 Hình 3.19: Mơ hình anten chế tạo với Roger4350B: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mơ hình tổng thể 73 Hình 3.20: Mơ hình anten chế tạo với FR4: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mơ hình tổng thể 73 Hình 3.21: Kết mơ đo lường hệ số phản xạ anten với Roger4350B 74 Hình 3.22: Kết mơ đo lường hệ số phản xạ anten với FR4 74 Hình 3.23: Mơ hình cấu trúc siêu vật liệu: cấu trúc đề xuất (a) cấu trúc bù (b) 76 Hình 3.24: Mơ hình mơ tham số S (a) kết mô cấu trúc đề xuất (b) 77 Hình 3.25: Mơ hình tổng thể anten đề xuất 77 Hình 3.26: Mơ hình chi tiết anten đề xuất: (a) tầng xạ; (b) lớp đất 78 Hình 3.27: Hệ số phản xạ anten mảng 78 Hình 3.28: Hệ số tăng ích hiệu suất anten mảng đề xuất 79 Hình 3.29: Phân bố dòng anten mảng x với cấu trúc siêu vật liệu đề xuất tần số 5.8 GHz 79 x _ Hình 3.30: Đồ thị xạ anten mảng đề xuất: (a) 3D; (b) đồ thị 2D; (c) mặt phẳng xz yz tần số 5.8 GHz 79 Hình 3.31: Hình ảnh anten chế tạo: (a) mặt trên; (b) mặt 80 Hình 3.32: Kết mơ đo lường hệ số phản xạ anten mảng đề xuất 80 Hình 3.33: (a) Mơ hình bề mặt phản xạ với FSS (b) sơ đồ tương đương 82 Hình 3.34: Mơ hình phần tử anten 83 Hình 3.35: Mơ hình anten mảng: mặt (a), mặt (b), bề mặt phản xạ (c), mơ hình tổng thể (d) 83 Hình 3.36: Hệ số phản xạ anten có khơng có cấu trúc siêu vật liệu 84 Hình 3.37: Sự khác hệ số tăng ích anten: (a) khơng có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ 85 Hình 3.38: Mơ hình tế bào 86 Hình 3.39: Các tham số anten với tế bào: hệ số phản xạ (a), hiệu suất hệ số tăng ích (b) 86 Hình 3.40: Hệ số phản xạ anten (a), đồ thị xạ 3D (b) đồ thị 2D (c) tần số 8.15 GHz 86 Hình 3.41: Hệ số tăng ích hiệu suất anten mảng đề xuất 87 Hình 3.42: Phân bố dòng anten: (a) khơng có bề mặt phản xạ; (b) có bề mặt phản xạ tần số 8.15 GHz 87 Hình 3.43: Sự khác đồ thị xạ anten: (a) khơng có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ tần số 8.15 GHz 88 Hình 3.44: Mơ hình anten chế tạo: mặt (a), mặt (b), bề mặt phản xạ (c), mơ hình tổng thể (d) 89 Hình 3.45: Kết mơ đo lường hệ số phản xạ anten đề xuất 89 ... thuyết anten mảng 13 1.5 Một số phương pháp cải thiện tham số cho anten mảng 15 1.5.1 Một số phương pháp cải thiện băng thông cho anten mảng 15 1.5.2 Một số phương pháp cải thiện. .. phương pháp để cải thiện đồng thời số tham số cho anten mảng băng thơng, hệ số tăng ích, độ định hướng - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu để cải thiện tham số cho anten mảng - Nghiên cứu, ... anten mảng có vị trí đặc biệt hệ thống thông tin vô tuyến Để nâng cao chất lượng hệ thống này, việc cải thiện tham số cho anten mảng cần thiết Hiện nay, có nhiều phương pháp đề xuất để cải thiện tham