Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2014 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐÀO NGỌC CHIẾN PGS TS TRẦN MINH TUẤN Hà Nội – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận án Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đào Ngọc Chiến PGS.TS Trần Minh Tuấn trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian tâm huyết giúp đỡ tác giả mặt để hoàn thành luận án Tác giả chân thành cảm ơn Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả tập trung nghiên cứu thời gian qua Chân thành 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 nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu, học tập thực luận án Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, động viên đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông dành cho Qua đây, chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Việt Nam (NAFOSTED) tài trợ kinh phí tham dự hội thảo khoa học quốc tế nước Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ q trình đo đạc mơ hình chế tạo thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, vợ trai ln động viên, giúp đỡ hy sinh nhiều thời gian vừa qua Đây động lực to lớn để tơi vượt qua khó khăn hồn thành luận án Tác giả luận án Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii MỞ ĐẦU xiv Bề mặt trở kháng lớn ứng dụng kỹ thuật anten xiv Những vấn đề tồn xvi Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu xvii Mục tiêu nghiên cứu: xvii Đối tượng nghiên cứu: xviii Phạm vi nghiên cứu: xviii Cấu trúc nội dung luận án xviii CHƢƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CHẮN DẢI ĐIỆN TỪ (EBG) 1.1 Giới thiệu chƣơng 1.2 Bề mặt trở kháng lớn 1.2.1 Giới thiệu chung bề mặt trở kháng lớn 1.2.1.1 Vật dẫn điện 1.2.1.2 Bề mặt trở kháng lớn 1.2.2 Cấu trúc chắn dải điện từ - Electromagnetic Band Gap (EBG) 1.2.2.1 Định nghĩa 1.2.2.2 Phân loại 1.2.2.3 EBG Siêu vật liệu (MTM) 1.2.2.4 Các phương pháp phân tích cấu trúc EBG 1.2.3 Ứng dụng cấu trúc EBG lĩnh vực anten 10 1.2.3.1 Loại bỏ sóng bề mặt 10 1.2.3.2 Anten cấu hình đơn giản 11 1.2.3.3 Anten hệ số khuếch đại cao 12 iv 1.3 Lý thuyết sóng mặt 12 1.3.1 Tiếp giáp điện môi – điện môi 13 1.3.2 Bề mặt kim loại 15 1.3.3 Bề mặt trở kháng 17 1.3.4 Bề mặt trở kháng nhân tạo 20 1.3.4.1 Bề mặt trở kháng tương đương cấu trúc hình nấm 22 1.3.4.2 Sóng bề mặt lan truyền dọc bề mặt trở kháng 24 1.4 Phƣơng pháp phân tích sai phân hữu hạn miền thời gian 26 1.4.1 Giới thiệu 26 1.4.2 Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian 26 1.4.2.1 Công thức 26 1.4.2.2 Giới thiệu phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian 28 1.4.3 Điều kiện biên tuần hoàn 30 1.4.3.1 Các điều kiện biên tuần hoàn 30 1.4.3.2 Phương pháp số sóng phân tích tán xạ 32 1.5 Tổng kết chƣơng 33 CHƢƠNG GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG PHẦN TỬ ĐIỆN DUNG KÝ SINH 35 2.1 Giới thiệu chƣơng 35 2.2 Cấu trúc EBG hai băng tần cho hệ thống WLAN 35 2.2.1 Thiết kế ban đầu 36 2.2.2 Kết mô 38 2.2.3 Khảo sát đặc tính dải chắn 39 2.3 Cấu trúc EBG ba băng tần có kích thƣớc nhỏ gọn 42 2.3.1 Thiết kế ban đầu 43 2.3.2 Xác định dải chắn tần số 46 2.3.2.1 Đồ thị tán xạ 46 2.3.2.2 Dải chắn sóng bề mặt 47 2.3.3 Kết mô 48 2.3.4 Khảo sát đặc tính dải chắn 50 2.3.5 Khả điều chỉnh ứng dụng 54 2.3.6 Bộ lọc thông dải sử dụng cấu trúc EBG 56 v 2.3.6.1 Giới thiệu 56 2.3.6.2 Thiết kế lọc thông dải có kích thước nhỏ gọn 57 2.3.6.3 Kết thảo luận 59 2.4 Tổng kết chƣơng 62 CHƢƠNG GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG LINH HOẠT SỬ DỤNG CẤU TRÚC HÌNH HỌC FRACTAL 64 3.1 Giới thiệu chƣơng 64 3.2 Thiết kế cấu trúc EBG có băng thơng linh hoạt 65 3.3 Khảo sát đặc tính dải chắn 66 3.3.1 Phương pháp mô “đường truyền vi dải tự (SMM)” 66 3.3.2 Cấu trúc EBG bước lặp khác 67 3.3.3 Cấu trúc EBG băng rộng (BEBG) 69 3.3.4 Cấu trúc EBG hai băng tần (DEBG) 71 3.3.5 Cấu trúc EBG hình nấm thơng thường 72 3.4 Kết thực nghiệm 72 3.5 Ứng dụng cải thiện đặc tính xạ anten vi dải 74 3.6 Tổng kết chƣơng 76 CHƢƠNG GIẢI PHÁP GIẢM NHỎ KÍCH THƢỚC CẤU TRÚC EBG 77 4.1 Giới thiệu chƣơng 77 4.2 Các nghiên cứu giảm nhỏ kích thƣớc cấu trúc EBG 77 4.2.1 Giảm nhỏ kích thước cách tăng điện dung tổng cộng C 78 4.2.2 Giảm nhỏ kích thước cách tăng điện cảm tổng cộng L 79 4.3 Giải pháp giảm nhỏ kích thƣớc cấu trúc EBG 81 4.3.1 Cấu trúc EBG-1 83 4.3.1.1 Đề xuất cấu trúc 83 4.3.1.2 Mô 84 4.3.2 Cấu trúc EBG-2 85 4.3.2.1 Đề xuất cấu trúc 85 4.3.2.2 Mô 86 4.3.3 Cấu trúc EBG-3 87 4.3.3.1 Đề xuất cấu trúc 87 4.3.3.2 Mô 88 vi 4.3.4 So sánh với cấu trúc EBG khác 89 4.3.5 Ứng dụng giảm ảnh hưởng tương hỗ cho hệ thống anten mảng 91 4.4 Tổng kết chƣơng 95 KẾT LUẬN 96 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo BPF Bandpass Filter Bộ lọc thông dải BEBG Broadband EBG Cấu trúc EBG băng rộng CRLH Composite Right-Left Handed CUE Conventional Uni-planar EBG DUC-EBG Distored Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng biến dạng DEBG Dual-band EBG Cấu trúc EBG hai băng tần EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn FDTD Finite Difference Time Domain FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng lớn LH Left-handed material MMR Microstrip Multimode Resonator Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp Cấu trúc EBG đồng phẳng thông thường Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái (Siêu vật liệu) Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dải MoM Method of Moment Phương pháp mô-men MTM Metamaterial Siêu vật liệu PBC Periodic Boundary Condition Điều kiện biên tuần hoàn PEC Perfect Electric Conductor Vật dẫn điện hoàn hảo PML Perfect Matched Layer Lớp hấp thụ hoàn hảo PSO Particle Swarm Optimization Thuật toán bầy đàn RH Right-handed material SRR Split Ring Resonator Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải (Vật liệu thơng thường) Vịng khuyết cộng hưởng viii SMM Suspended Microstrip Method Phương pháp đường truyền vi dải tự TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TUE Triple-band Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng ba băng tần UWB Ultra Wide Band Hệ thống băng thông siêu rộng Worldwide Interoperability for Sự tương tác mạng diện rộng Microwave Access sóng vơ tuyến Wireless Local Area Network Mạng cục không dây WiMAX WLAN 104 [65] W Qun, W Ming-Feng, M Fan-Yi, W Jian, and L Le-Wei, "Modeling the effects of an individual SRR by equivalent circuit method," in 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005, pp 631-634 vol 1B [66] M F Wu, F Y Meng, Q Wu, J Wu, and L W Li, "A compact equivalent circuit model for the SRR structure in metamaterials," in Asia-Pacific Microwave Conference, APMC 2005, 2005 [67] M R Vidyalakshmi and S Raghavan, "Comparison of optimization techniques for Square Split Ring Resonator," International Journal of Microwave and Optical Technology, vol 5, pp 280-286, 2010 [68] Y.-C Chiou, J.-T Kuo, and E Cheng, "Broadband quasi-Chebyshev bandpass filters with multimode stepped-impedance resonators (SIRs)," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 54, pp 3352-3358, 2006 [69] Y C Chang, C H Kao, and M H Weng, "A compact wideband bandpass filter using single asymmetic SIR with low loss and high selectivity," Microwave and Optical Technology Letters, vol 51, pp 242-244, 2009 [70] H Shaman and J.-S Hong, "A Novel Ultra-Wideband (UWB) Bandpass Filter (BPF) With Pairs of Transmission Zeroes," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 17, pp 121-123, 2007 [71] L Zhu, H Bu, and K Wu, "Broadband and compact multi-pole microstrip bandpass filters using ground plane aperture technique," IEE Proceedings Microwaves, Antennas and Propagation, vol 149, pp 71-77, 2002 [72] L Zhu, S Sun, and W Menzel, "Ultra-wideband (UWB) bandpass filters using multiple-mode resonator," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 15, pp 796-798, 2005 [73] H Chen, H Lu, and L Deng, "Improved design of a compact ultra-wideband microwave bandpass filter using a EBG structure," in Progess in Electromagnetic Research Sysposium, China, 2010 [74] L Rui and Z Lei, "Compact UWB Bandpass Filter Using Stub-Loaded MultipleMode Resonator," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 17, pp 40-42, 2007 [75] W Menzel, L Zhu, K Wu, and F Bogelsack, "On the design of novel compact broad-band planar filters," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 51, pp 364-370, 2003 [76] M Rahman and M A Stuchly, "Circularly polarised patch antenna with periodic structure," IEE Proceedings Microwaves, Antennas and Propagation, vol 149, pp 141-146, 2002 [77] C Puente, J Romeu, and A Cardama, "Fractal-shaped antennas," in Frontiers in Electromagnetics, D H Werner and R Mittra, Eds., ed Piscataway, NJ: Wiley-IEEE Press, 2000, pp 48-93 [78] C Puente, J Romeu, R Pous, and A Cardama, "On the behavior of the Sierpinski multiband fractal antenna," IEEE Transactions on Antenna and Propagation, vol 46, pp 517-524, 1998 [79] N S Holter, A Lakhtakia, V K Varadan, V V Varadan, and R Messier, "On a new class of planar fractals: the Pascal-Sierpinski gaskets," J Phys A: Math Gen., vol 19, pp 1753-1759, 1986 105 [80] M Y Fan, R Hu, Q Hao, X X Zhang, and Z H Feng, "New method for 2D-EBG structures research," Hongwai Yu Haomibo Xuebao/Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol 22, pp 127-131, 2003 [81] D Sievenpiper, "Review of theory, fabrication, and applications of high-impedance ground planes," Metamaterials, Physics and Engineering Explorations, pp 295-297, N Engheta and R W Ziolkowski, Eds : IEEE Press, 2006 [82] S Tse, Y Hao, and C Parini, "Mushroom-like high-impedance surface (HIS) with slanted vias," in LAPC Antennas and Propag Conf., Loughborough, 2007, pp 309312 [83] D J Kern, D H Werner, and J Wilhelm, "Active negative impedance loaded EBG structures for the realization of ultra-wide-band artificial magnetic conductors," IEEE AP-S Int Symp (Digest) Antennas Propag Society, vol 2, pp 427-430, 2003 [84] L Yousefi, B Mohajer-Iravani, and O M Ramahi, "Enhanced Bandwidth Artificial Magnetic Ground Plane for Low-Profile Antennas," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 6, pp 289-292, 2007 [85] L Bao-Qin, L Fang, and Z Huang-mei, "A novel planar spiral EBG structure with improved compact characteristics," in Asia-Pacific Microwave Conference, APMC 2008, pp 1-4, 2008 [86] E Rajo-Iglesias, L Inclan-Sanchez, J L Vazquez-Roy, and E Garcia-Muoz, "Size Reduction of Mushroom-Type EBG Surfaces by Using Edge-Located Vias," IEEE Microwave and Wireless Components Letters vol 17, pp 670-672, 2007 [87] J McVay, N Engheta, and A Hoorfar, "High impedance metamaterial surfaces using Hilbert-curve inclusions," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 14, pp 130-132, 2004 [88] D Yan, Q Cao, C Wang, and N Yuan, "Novel compact inter-embedded AMC structure for suppressing surface wave," in Progess in Electromagnetic Research Symposium, pp 695-698, 2005 [89] A Sanada, C Caloz, and T Itoh, "Characteristics of the composite right/left-handed transmission lines," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 14, pp 68-70, 2004 [90] A Azarbar and J Ghalibafan, "A Compact Low-Permittivity Dual-Layer EBG Structure for Mutual Coupling Reduction," International Journal of Antennas and Propagation, vol 2011, pages, 2011 [91] M A Khayat, J T Williams, D R Jackson, and S A Long, "Mutual coupling between reduced surface-wave microstrip antennas," IEEE Transaction on Antenna and Propagation, vol 48, pp 1581-1593, 2000 [92] G Kumar and K P Ray, Broadband Microstrip Antennas Norwood, Mass, USA: Artech House, 1996 [93] N G Alexopoulos and D R Jackson, "Fundamental superstrate (cover) effects on printed circuit antennas," IEEE Transaction on Antenna and Propagation, vol 32, pp 807-816, 1984 [94] M M Nikolic, A R Djordjevic, and A Nehorai, "Microstrip antennas with suppressed radiation in horizontal directions and reduced coupling," IEEE Transaction on Antenna and Propagation, vol 53, pp 3469-3476, 2005 [95] H Xin, K Matsugatani, and M Kim, "Mutual coupling reduction of low-profile monopole antennas on high-impedance ground plane," Electronics Letters, vol 38, pp 849-850, 2002 106 [96] K.S.Min, D.J.Kim, and Y.M.Moon, "Improved MIMO antenna by mutual coupling suppression between elements," in Proceedings of the 8th European Conference on Wireless Technology, 2005, pp 125-128 [97] Y Q Fu, Q R Zheng, Q Gao, and G H Zhang, "Mutual coupling reduction between large antenna arrays using electromagnetic bandgap (EBG) structures," Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol 20, pp 819-825, 2006 ... 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG TẬP...  Nghiên cứu cấu trúc EBG hoạt động đa băng tần Các nghiên cứu tập trung phát triển cấu trúc EBG hai băng tần [12-14] cấu trúc EBG ba băng tần [1517] Các cấu trúc EBG đa băng tần hầu hết sử dụng. .. nghiên cứu thiết kế cấu trúc EBG phẳng có băng thông rộng cần quan tâm phát triển Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Phân tích, thiết kế cấu trúc EBG cho hệ thống thông