Nghiên cứu cải thiện băng thông của anten lưỡng cực sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện tử

NGUYỄN THỊ THÙY GIANG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ THÙY GIANG KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG 2017B Hà Nội - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THÙY GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN KHẮC KIỂM Hà Nội - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học tập thể nghiên cứu, khơng chép ngun từ cơng trình nghiên cứu hay luận văn người khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Hà Nội, ngày 11 tháng 10 năm 2019 Học viên thực Nguyễn Thị Thùy Giang LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học Viện Điện tử - Viễn thông hỗ trợ, giúp đỡ nhiệt tình cho tơi suốt q trình học tập thực luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng chí lãnh đạo quan công tác bạn bè ln động viên, khuyến khích, tạo điều kiện giúp đỡ suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC MỞ ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 11 1.1 Khái niệm anten 11 1.2 Các thông số đặc tính anten 13 1.3 Kết luận chương 18 CHƯƠNG ANTEN LƯỠNG CỰC 19 2.1 Giới thiệu chung 19 2.2 Vật liệu thiết kế anten 28 2.3 Kết luận chương 30 CHƯƠNG SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 31 3.1 Khái niệm 31 3.2 Đặc điểm siêu vật liệu 32 3.3 Cấu trúc SSR 33 3.4 Phân tích cấu trúc SRR 34 3.5 Tổng kết chương 35 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN LƯỠNG CỰC KẾT HỢP SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 37 4.1 Quá trình phân tích 37 4.2 Phần mềm mô HFSS 38 4.3 Mơ hình kết mơ anten lưỡng cực 43 4.4 Mô sử dụng cọc nhựa cố định anten ground 51 4.5 Mơ hình chế tạo anten kết đo thực nghiệm 54 4.6 Kết luận chương 58 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT 62 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống thu phát đơn giản 12 Hình 1.2 Hình ảnh anten thiết bị chuyển tiếp 12 Hình 1.3 Hệ thống tọa độ phân tích anten 13 Hình 1.4 Búp sóng khơng gian ba chiều 14 Hình 1.5 Góc nửa cơng suất tỉ lệ dB 14 Hình 1.6 Hình dạng hệ số định hướng mặt phẳng hai chiều dipole nửa bước sóng so với anten đẳng hướng 15 Hình 1.7 Băng thông anten 17 Hình 2.1 Anten lưỡng cực 19 Hình 2.2 Anten lưỡng cực ngắn 20 Hình 2.3 Anten lưỡng cực nửa bước sóng 22 Hình 2.4 Anten lưỡng cực gấp 23 Hình 2.5 Đồ thị anten lưỡng cực 25 Hình 2.6 Mẫu xạ chuẩn hóa anten lưỡng cực có chiều dài xác định 26 Hình 2.7 Mơ hình xạ 3D chuẩn hóa anten lưỡng cực bước sóng bước 27 Hình 2.8 Đường truyền khơng cân (cáp đồng trục) kết nối với anten lưỡng cực 27 Hình 2.9 Các cấu trúc khác sợi thủy tinh dùng cho mạch in PCB 29 Hình 3.1 Sơ đồ vector Poynting sóng điện từ (bên trái vật liệu thơng thường (RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) [6] 31 Hình 3.2 Phân loại vật liệu [7] 32 Hình 3.3 Cấu trúc chung vòng cộng hưởng chia vòng 33 Hình 3.4 Phân tích cấu trúc vịng 34 Hình 4.1 Minh họa mơ kết cấu cơng trình HFSS 38 Hình 4.2 Cách chia phần tử hữu hạn HFSS: (a) thành tam giác bề mặt, (b) thành tứ diện không gian ba chiều 40 Hình 4.3 Sơ đồ khối mô 43 Hình 4.3 S11 anten lưỡng cực đơn 44 Hình 4.4 Đồ xạ 3D anten lưỡng cực đơn tần số f=1.5 GHz 44 Hình 4.5 Đồ thị xạ phương hướng anten lưỡng cực đơn tần số f=1.5 GHz 45 Hình 4.6 Mặt anten (đơn vị mm) 46 Hình 4.7 Mặt anten (đơn vị mm) 46 Hình 4.8 S11 anten kết hợp SRR với anten đơn 47 Hình 4.9 Đồ thị xạ 3D anten kết hợp SRR tần số f=1.5 GHz 47 Hình 4.10 Đồ thị xạ phương hướng anten kết hợp SRR với f= 1.5 GHz 48 Hình 4.11 Hình dạng anten HFSS 49 Hình 4.12 Mơ hình anten đề xuất (đơn vị mm) 49 Hình 4.13 So sánh S11 anten kết hợp SRR ground với anten thiết kế lại 50 Hình 4.14 So sánh kết đồ thị xạ phương hướng anten đề xuất tần số f= 1.5 GHz 50 Hình 4.15 Đồ thị xạ 3D anten kết hợp SRR ground, f= 1.5 GHz 51 Hình 4.16 Mơ hình anten HFSS 52 Hình 4.17 So sánh S11 anten với anten gắn cọc nhựa 52 Hình 4.18 So sánh đồ thị xạ phương hướng anten với anten kết hợp cọc nhựa với f= 1.5 GHz 53 Hình 4.19 Đồ thị xạ 3D anten kết hợp cọc nhựa, với f= 1.5 GHz 53 Hình 4.24 Mặt anten 55 Hình 4.25 Mặt anten 55 Hình 4.20 Hình ảnh chế tạo thực tế anten 55 Hình 4.21 Chế tạo anten hàn cáp tiếp điện 56 Hình 4.22 S11 lý thuyết thực tế 57 Hình 4.23 Kết đo thực tế 57 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thành phần sợi thủy tinh 29 Bảng 4.1 Bảng so sánh dải tần hoạt động xạ phương hướng anten kết hợp phương pháp khác 54 Anten+SRR 10 330 anten 30 -5 300 -10 60 -15 -20 -25 -30 270 90 -25 -20 -15 -10 -5 240 120 10 210 150 180 Hình 4.10 Đồ thị xạ phương hướng anten kết hợp SRR với f= 1.5 GHz Kết luận: Từ kết mô cho thấy sau kết hợp với cấu trúc split ring resonator độ rộng băng thông anten lưỡng cực ban đầu mở rông thêm cụ thể hệ số tổn hao ngược S11 -10 dB từ 1.57 Ghz-2.68 Ghz đạt yêu cầu đặt Nhung kết chưa tối ưu hệ số S11 chưa nhỏ -10dB nhiều cần cải tiến thêm phương pháp Anten đề xuất xạ đẳng hướng 4.3.3 Cấu trúc anten lưỡng cực kết hợp với SRR mặt phản xạ ground Mơ hình anten Mơ hình anten anten hình chữ nhật kích thước 65x25x0.8mm, tiếp điện ống cáp đồng trục có độ dài từ mặt xạ tới sub 50mm, vật liệu thiết kế nhựa FR4-epoxy Mặt xạ chọn phíp đồng FR4 có độ dày 1.5mm Kích thước tính tốn cụ thể anten đề xuất hình dưới: 48 Hình 4.11 Hình dạng anten HFSS g 32 13.5 150 47 10 Wpp=25 25 28 65 Wp=65 150 Hình 4.12 Mơ hình anten đề xuất (đơn vị mm) 49 Kết so sánh mô trường hợp thiết kế anten -5 -10 2.08 1.55 S 11 (dB) 2.68 2.20 1.57 -15 -20 -25 Anten Anten+SRR Anten+SRR+ground -30 -35 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Freq(GHz) Hình 4.13 So sánh S11 anten kết hợp SRR ground với anten thiết kế lại 10 330 30 Anten Anten+SRR -5 300 -10 Anten+SRR+ground 60 -15 -20 -25 -30 270 90 -25 -20 -15 -10 -5 240 120 10 210 150 180 Hình 4.14 So sánh kết đồ thị xạ phương hướng anten đề xuất tần số f= 1.5 GHz 50 Hình 4.15 Đồ thị xạ 3D anten kết hợp SRR ground, f= 1.5 GHz Kết luận: Khi kết hợp thêm mặt phẳng xạ ground vào anten lưỡng cực ban đầu cấu trúc SRR cho ta thấy kết băng thông mở rộng có hệ số tổn hao ngược -10 dB từ 1.55 GHz-2.68 GHz đạt yêu cầu ban đầu toán đặt anten hoạt động dải tần GHz Qua kết so sánh đồ thị xạ phương hướng anten kết hợp với SRR ground cho thấy đồ thị xạ định hướng yêu cầu đặt 4.4 Mô sử dụng cọc nhựa cố định anten ground Mơ hình anten Mơ hình anten giống với thiết kế vật liệu trên, thêm cọc nhựa PVC plastic có số điện mơi 2.7, mục đích việc thêm cọc nhựa để giữ cố định anten mặt xạ Chiều dài cọc nhựa 50mm Mô hình anten đề xuất nêu hình vẽ bên dưới: 51 Hình 4.16 Mơ hình anten HFSS Kết so sánh anten gắn thêm cọc nhựa với anten kết hợp SRR mặt phản xạ Anten thực tế Anten lý thuyết -5 1.54 2.68 S 11 (dB) -10 -15 -20 -25 -30 -35 1.5 2.0 Freq(GHz) 2.5 Hình 4.17 So sánh S11 anten với anten gắn cọc nhựa 52 10 330 30 Anten+PVC(Phi=0 deg) Anten+PVC(Phi=90 deg) Anten+SRR+ground(Phi=0 deg) Anten+SRR+ground(Phi=90 deg) -5 300 -10 60 -15 -20 -25 -30 270 90 -25 -20 -15 -10 240 120 -5 10 210 150 180 Hình 4.18 So sánh đồ thị xạ phương hướng anten với anten kết hợp cọc nhựa với f= 1.5 GHz Hình 4.19 Đồ thị xạ 3D anten kết hợp cọc nhựa, với f= 1.5 GHz Kết luận: Từ kết mô cho ta thấy cố định anten mặt xạ cọc nhựa hệ số tổn hao ngược S11 gần không thay đổi dao động dải tần -10 dB từ 1.54 GHz-2.68 Ghz, đồ thị xạ phương hướng đồ thị 53 xạ 3D Vì việc cố định bẳng cọc nhựa hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu toán Anten lưỡng cực Anten lưỡng cực Anten lưỡng cực đơn kết hợp SRR kết hợp SRR ground Dải tần hoạt động 2.08GHz-2.20GHz 1.57GHz-2.68GHz 1.55GHz-2.68GHz Kiểu xạ Đẳng hướng Đẳng hướng Định hướng Bảng 4.2 Bảng so sánh dải tần hoạt động xạ phương hướng anten kết hợp phương pháp khác 4.5 Mơ hình chế tạo anten kết đo thực nghiệm Sau q trình mơ phỏng, tơi vào thiết kế số anten vật liệu FR4 để khảo sát kiểm tra tính khả thi hoạt động anten Dưới hình ảnh kết anten thiết kế phạm vi luận văn 54 Hình 4.24 Mặt anten Hình 4.25 Mặt anten Hình 4.20 Hình ảnh chế tạo thực tế anten 55 Hình 4.21 Chế tạo anten hàn cáp tiếp điện Anten tạo chế tạo hoạt động dải tần mong muốn Nhưng nhiều yếu tố gây ảnh hưởng nên không đề cao tin cậy kết thực nghiệm lý sau: • Kích thước anten nhỏ dẫn tới sai số lớn • Vật liệu FR4, sai số lớn • Nhiễu từ SMA mối hàn Vì vậy, tơi xin trích dẫn kết thực nghiệm đây, hầu hết kết có hình dạng S11 đồng dạng 56 Kết so sánh hệ số tổn hao ngược S11 lý thuyết thực tế -5 2.65 1.54 -10 1.52 -15 2.68 S11(dB) -20 -25 -30 -35 S11 Anten mô S11 Anten thực tế -40 -45 -50 1.0 1.5 2.0 Freq(GHz) Hình 4.22 S11 lý thuyết thực tế Kết đo hệ số 𝑺𝑺𝟏𝟏𝟏𝟏 máy Network Analyzer Hình 4.23 Kết đo thực tế 57 2.5 Mơ hình chế tạo với chuẩn lớp đế điện môi FR4 với số điện môi 4.4 độ dày lớp sub 0.8mm Nhìn vào hình ảnh ta thấy kích thước anten nhỏ gọn 4.6 Kết luận chương Như vậy, hệ thống anten mô thỏa mãn điều kiện thông số đảm bảo cho anten hoạt động ổn định, thỏa mãn yêu cầu ban đầu đề Với kích thước nhỏ gọn, dùng anten lưỡng cực dễ dàng tích hợp thiết bị cầm tay điện thoại di động, máy chơi game cầm tay, máy nghe nhạc số thiết bị giải trí khác Trong chương này, tơi đưa nhiều mơ hình anten khác hoạt động Bên cạnh đó, tơi sử dụng số kỹ thuật phương pháp “siêu vật liệu” kết hợp với mặt phản xạ để tăng gain cho anten Với ưu điểm anten kích thước nhỏ, chi phí thấp, đơn giản gọn nhẹ, anten ứng dụng rộng rãi tương lai 58 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong trình nghiên cứu tìm hiểu đề tài, tơi có nhìn tổng quan cụ thể thiết kế chế tạo anten nói chung, đặc biệt kiến thức chế tạo anten dải sóng UHF Bên cạnh có hiểu sâu sắc số kỹ thuật làm tăng băng thông hay gain cho anten, tin kỹ thuật có nhiều ứng dụng tương tự đề tài thiết kế anten khác Những kết đạt qua đề tài sau:  Cải thiện băng thông anten lưỡng cực cách kết hợp với cấu trúc SRR siêu vật liệu điện từ  Cải thiệu hệ số tăng ích anten  Đưa mơ hình thiết kế kết mơ anten  Nghiên cứu đưa dạng anten lưỡng cực với nhiều tính vượt trội băng thơng, độ lợi, hiệu suất… phù hợp với hệ thống thơng tin  Nghiên cứu giảm nhỏ kích thước để tích hợp vào nhiều thiết bị di động Tuy nhiên, hạn chế thời gian sở vật chất (khơng có phịng câm để nghiên cứu), ví dụ số đặc tính xạ anten chưa đo đạc Bên cạnh khơng thể không kể đến công nghệ chế tạo nước chưa hồn thiện từ phịng đo đến vật liệu, điều gây nhiều nhiễu sai số cho sản phẩm thiết kế Hướng phát triển: sử dụng anten lưỡng cực kết hợp cấu trúc SRR làm phần tử để thiết kế anten mảng, anten lưỡng cực chéo cho hệ thống thông tin hệ (chẳng hạn mạng 5G) 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A Balanis, Antenna theory analysis and design rd, John Wiley & Son, INC, 2005 [2] IEEE Transactions on Antenas and Propagation, Vols AP-17, No 3,May 1969; Vols AP-22, No 1,January 1974; and Vols AP-31, No 6,Part 2, Novtôiber 1983 [3] Ravikumar Sanapala, Characterization of FR-4 Printed Circuit Board Laninates Before and After Exposure to Lead-free Soldering Conditions, MSc Thesis, University of Maryland, 2008 [4] M Marcus and B Pattan, Millimetre Wave Propagation; Spectrum Managtôient Implications, IEEE Microwave Magazine,6(2), June 2005 [5] Davi Bibiano Brito (2010), Metamaterial inspired improved antennas and circuits, Doctor of Science, 2010 [6] Christophe Caloz, Tatsuo Itoh, Electromagnetic metamaterial: Transmission line theory and microwave applications, John Wiley & Son, INC, 2005 [7] E.Ozbay, and K B Alici, “Radiation properties of a split ring resonator and monopole composite“, phys Stat Sol (b) 244, No 4,1192 – 1196,2007 [8] K Aydin, K Guven, M Kafesaki, L Zhang, C M Soukoulis, and E.Ozbay, “Experimental observation of true left handed transmission peak in metamaterials“, Opt Lett 29,pp.2623 – 2625,2004 [9] ChinmoySaha, JawadY.Siddiqui & YahiaM M Antar“Square Split Ring Resonator Backed Coplanar Waveguide for Filter Applications“, IEEE 2011 [10] RAINEE N SIMONS, Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systtôis, John Wiley & Son, INC, 2001 [11] Rogers Corporation, RT/duroid® 6006/6010LM High Frequency Laminates, 2015 [12] Thái Hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng anten, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 60 [13] Phan Anh, Lý thuyết kĩ thuật anten, NXB Khoa học kĩ thuật Kĩ thuật, 2007 [14] Christophe Caloz, Tatsuo Itoh, Electromagnetic metamaterial: Transmission line theory and microwave applications, John Wiley & Son, INC, 2005 [15] S.Chaimool, L.Chung and Akkaraekthalin, Bandwidth and gain enhanctôient of microstrip patch antennas using reflective metasurfac, Vol.E93-B, No.10, 2010 [16] S.Chaimool, Simultanous gain and bandwidth enhanctôient of a single-feed circularly polarized microstrip patch antenna using a metamaterial reflective surface, Vol 22, 23-37, 2010 [17] K H Kim, Y J Cho, S H Hwang, and S O Park, Band-notched UWB planar monopole antenna with two parasitic patches, Electron Lett, vol 41, no 14, pp 783-785, 2005 61 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt Balun Bộ làm cân Coax Cáp đồng trục Left handed material Siêu vật liệu có điện từ trường lan truyền theo quy tắc bàn tay trái Vật liệu thơng thường có điện từ trường Right handed material lan truyền theo quy tắc bàn tay phải 62 ... anten lưỡng cực 4.3.1 Cấu tạo anten lưỡng cực đơn Mơ hình anten Mơ hình anten anten lưỡng cực đơn kích thước 65x25x0.8mm vật liệu thiết kế FR4-epoxy có số điện mơi 4.4 43 Kết mơ anten lưỡng cực. .. phần tử Hiện tần số vô tuyến (RF) lưỡng cực cực đại tâm lưỡng cực mức tối thiểu đầu phần tử, ngược lại với điện áp RF Hình 2.1 Anten lưỡng cực 19 2.1.2 Các loại anten lưỡng cực Anten lưỡng cực. .. thấy loại vật liệu có ε > µ > loại vật liệu thơng thường • Loại vật liệu có ε < µ > loại vật liệu có cấu trúc “meta thin-wire” (TW) • Loại vật liệu có ε > µ < loại vật liệu có cấu trúc split-ring