Thiết kế thu nhỏ kích thước anten sử dụng siêu vật liệu điện từ nhân tạo

HỌ VÀ TÊN:LÊ KIM CHUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Họ tên: Lê Kim Chung ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THU NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN SỬ DỤNG SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ NHÂN TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Thạc sĩ kỹ thuật KHOÁ: 2010B Hà Nội – Năm 2012 LỜI NĨI ĐẦU Thơng 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 thơng tin liên lạc người đòi hỏi phù hợp với thực tế nhanh, xác xa giữ cách thức liên lạc từ xa xưa khơng thể đáp ứng khả hạn chế rủi ro Chính từ nhu cầu thơi thúc người phải tìm cách thức liên lạc đến năm 1837 Samuel Morse phát minh ám hiệu truyền tin dựa cách thức đóng mở dịng điện gây nên tiếng (tich te) Với phát minh làm giảm nhiều độ rủi ro thơng tin nhiên bị hạn chế khoảng cách xa năm 1894 Maxwell đưa lý thuyết dạng vật chất lan truyền xa chân khơng sóng điện từ thơng tin khắc phục hạn chế khoảng cách địa lý Điều thực tế hố Maconi, ơng thành cơng việc truyền tín hiệu Morse sóng vơ tuyến qua Đại Tây Dương vào năm 1901 Sự kiện mở kỷ nguyên vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng viễn thơng sau Đóng góp vào thơng tin liên lạc khơng thể khơng kể tới vai trị 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 ti vi đèn hình tất sử dụng đến Lúc 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 thơng tin liên lạc ngày phát triển cơng 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 khơng tốn nhiều cơng suất phát, sử dụng anten parabol để thu phát với loại anten có độ lợi cao độ định hướng lớn Ngồi khơng thể khơng nói đến xu hướng thời đại nhỏ gọn, đa ứng dụng Đây điều tất yếu anten phải nhỏ gọn để đáp ứng u cầu trên, mà từ năm 70 mà 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 sử dụng rộng rãi công nghệ di động, mạng WLAN, anten thơng minh hệ thống tích hợp siêu cao tần Tuy nhiên anten mạch dải có nhược điểm : ¾ Băng thơng hẹp, số anten vi dải có độ lợi thấp ¾ Suy hao điện trở lớn cấu trúc cung cấp mảng anten ¾ Có xạ thừa từ đường truyền mối nối ¾ Hiệu suất lượng sử dụng thấp Để cải thiện nhược điểm có nhiều cách thức hệ thống anten mảng (Array antenna) để tăng độ lợi cho anten, ngồi điều khiển búp sóng Ngồi cịn có cải thiện vật chất cho anten cải thiện metamaterial có đặc tính khác biệt so với vật liệu thơng thường có ε,µ< có mode cộng hưởng sóng ngược … Những đặc tính giới thiệu luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đào Ngọc Chiến định hướng giúp đỡ em hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 01 tháng 03 năm 2012 Lê Kim Chung TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, với bùng nổ nghành công nghiệp truyền thông, phương tiện thông tin liên lạc cố định di động sử dụng phổ biến sản xuất đời sống hàng ngày Trong vài năm trở lại đây, hệ thống truyền thông đại WLAN, Wimax, 3G/4G, triển khai rộng rãi trogn thiết bị điện tử Đồng thời với bùng nổ ngành công nghiệp diện tử, thiết bị điện tử chế tạo với kích thước ngày nhỏ Do vậy, thiết bị đòi hỏi anten với kích thước nhỏ mà đáp ứng u cầu băng thơng tăng ích Tuy nhiên công nghệ chế tạo anten chưa đáp ứng yêu cầu Vì giải pháp công nghệ nhà nghiên cứu giới đưa thiết kế anten siêu vật liệu metamaterial Mục đích luận văn nghiên cứu thiết kế mơ hình anten metamaterial làm việc dải tần WLAN Bằng việc thiết lập cấu trúc cộng hưởng đặc biệt, mơ hình siêu vật liệu tạo với cấu trúc cộng hưởng nhân tạo CRLH Kết hợp với lý thuyết anten mạch dải, anten siêu vật liệu tạo thành với thành phần cộng hưởng cấu trúc CRLH Anten đảm bảo yêu cầu làm việc dải WLAN 1.4 – 1.48G với thông số hệ số tổn hao ngược hệ số tăng ích MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết trường điện từ anten 1.1.1 Phương trình Maxwell điều kiện biên 1.1.2 Các phương trình 11 1.1.3 Các điều kiện biên 15 1.1.4 Các thông số anten 17 1.1.4.1 Trường xa 19 1.1.4.2 Vùng tác động trường gần 21 1.1.4.3 Đồ thị xạ 21 1.1.4.4 Búp sóng đồ thị xạ 23 1.1.4.5 Mật độ lượng xạ 25 1.1.4.6 Cường độ xạ 27 1.1.4.7 Độ rộng chùm tia 28 1.1.4.8 Độ định hướng 29 1.1.4.9 Hiệu suất anten 31 1.1.4.10 Hệ số tăng ích 32 1.1.4.11 Hiệu suất chùm tia 35 1.1.4.12 Băng thông 35 1.1.4.13 Sự phân cực 36 1.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) 37 1.2.1 Giới thiệu 37 1.2.2 Phần mềm mô HFSS 39 1.2.2.1 Giới thiệu 39 1.2.2.2 Mô 40 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN METAMATERIAL 45 2.1 Định nghĩa Metamaterials 45 2.2 Đặc điểm Metamaterials 45 2.2.1 Điều kiện Entropy 51 2.2.2 Đảo ngược hiệu ứng Dopple 52 2.2.1 Đảo ngược tượng khúc xạ 53 2.2.4 Ảnh hưởng đến hệ số Fresnel 55 2.3.3 Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen 57 2.2.6 Đảo ngược hội tụ phân kỳ thấu kính lồi lõm 59 2.3 Hướng phát triển Metamaterial 60 2.3.3 Những vật liệu “nhân tạo thực sự” 60 2.3.2 Thấu kính thiết bị quang có chiết suất âm 61 2.3.3 Thiết bị bảo vệ anten bề mặt chọn lựa tần số 63 2.4.2 MTMs linh hoạt 64 2.4 Lý thuyết anten metamaterial 64 2.4.2 Cấu trúc CRLH TLs đồng lý tưởng 64 2.4.1.1 Những đặc tính TL 65 2.4.1.2 Cộng hưởng cân không cân 72 2.4.1.3 Thiết kế mạng LC 74 2.4.2 Lý thuyết anten bước sóng vơ hạn cấu trúc chu kỳ 79 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN 83 3.1 Q trình phân tích thiết kế anten 83 3.1.1 Q trình phân tích 83 3.1.2 Mô hình thiết kế anten 87 3.2 Kết mô đo đạc 91 3.2.1 Kết mô 91 3.2.2 Kết thực nghiệm đo đạc 98 3.3 Kết luận 100 KẾT LUẬN CHUNG 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Điều kiện biên E B .16 Hình 2: Trục tọa độ cách tạo sóng vơ tuyến từ nguồn biến đổi theo thời gian17 Hình 3: Hình trường gần trường xa 19 Hình 4: Trục tọa độ phân tích anten .22 Hình 5: Đồ thị 2-D đồ thị xạ 23 Hình 6: Búp sóng xạ độ rộng chùm tia đồ thị xạ anten .24 Hình 7: Đồ thị xạ chiều chiều theo tỷ lệ tuyến tính .29 Hình 8:Suy hao phản xạ, dẫn xạ điện mơi .31 Hình 9:Đầu cuối tham chiếu anten .33 Hình 10: Băng thơng 36 Hình 11:Những phần tử hữu hạn điển hình 38 Hình 12: Họ sản phẩm Ansoft .40 Hình 13: Cách chia phần tử hữu hạn HFSS 41 Hình 14: Sơ đồ khối thực mô 44 Hình 1: a) biểu diễn chiều vecto Pointing S 47 Hình 2: Các tia sáng qua bờ phân cách 48 Hình 3: Hệ toạ độ (ε, µ ) .49 Hình 4: Mơ hình vật liệu plasma điện 49 Hình 5: Mơ hình vật liệu plasma từ 50 Hình 6: Mơ hình tổ hợp vật liệu plasma điện từ 51 Hình 7: a) Hiệu ứng Doppler (∆ω > 0), b) Hiệu ứng Doppler ngược (∆ω < 0) 52 Hình 8: Đường tia qua bờ phân cách vật liệu 53 Hình 9: a) Cả vật liệu RH, b) Vật liệu RH vật liệu LH .55 Hình 10: Điều kiện bờ vật liệu thường LH media .57 Hình 11: Hiệu ứng Goos-Hanchen vật liệu RH 57 Hình 12: Hiệu ứng Goos-Hanchen bị đảo ngược vật liệu RH/LH 59 Hình 13: Các loại thấu kính .59 Hình 14: Thấu kính có bề mặt cong 61 Hình 15: Mơ với thấu kính mặt cầu, mặt ellip mặt hyperbol 62 Hình 16: Mơ truyền sóng vật liệu RH/LH có độ lớn chiết suất 63 Hình 17: Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục z .65 Hình 18: Cấu trúc CRLH TL không tổn hao 66 Hình 19: Đường phân tán suy giảm cấu trúc CRLH PRH, PLH… 69 Hình 20: Trở kháng đặc tính CRLH trường hợp ωse > ωsh .71 Hình 21: vận tốc pha vận tốc nhóm PLH CRLH TL chưa cân 72 Hình 22: Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ 75 Hình 23: Cấu trúc cell CRLH TL chưa cân CRLH TL cân 75 Hình 24: Sự tương đương mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng 76 Hình 25: CRLH sử dụng điện dung đan xen điện cảm nối tắt với đất 78 Hình 26: Mặt mẫu với 24 cell đơn vị 79 Hình 27: Kết mẫu có cell cell 79 Hình 28: Đồ thị phân tán CRLH TL .80 v Hình 29: Mật độ dịng từ tương đương M s anten nửa sóng .82 v Hình 30: Mật độ dịng từ tương đương M s anten bước sóng vơ hạn 82 Hình 1: Một số dạng cuộn cảm mạch dải 84 Hình 2: Một số cấu trúc tụ điện mạch dải .84 Hình 3: Cấu trúc hình nấm 85 Hình 4: Cấu trúc đường tiếp điện vi dải 86 Hình 5: Mơ hình anten 2D: a) Mặt trước, b) Mặt sau 88 Hình 6: Mơ hình anten 3D 89 Hình 7: Cơng cụ tính tốn trang i-lab 89 Hình 8: a)Mạch điện tương đương anten, b) Mạch điện cấu trúc CRLH .90 Hình 9: Tỷ số sóng đứng VSWR anten với độ dài L5 thay đổi 92 Hình 10: Hệ số tổn hao ngược S11 anten L5 thay đổi 93 Hình 11: Đồ thị VSWR anten với L5=2.69mm 94 Hình 12: Đồ thị S11 anten với L5=2.69mm 95 Hình 13:Đồ thị Gain 3D anten tần số 2.44G 96 Hình 14: Đồ thị Gain anten hai mặt phẳng E H tần số 2.44G 97 Hình 15: Mật độ dịng bề mặt anten tần số trung tâm 2.44G 98 Hình 16: Hình ảnh anten sau chế tạo .98 Hình 17: Kết đo VSWR anten thật 99 Hình 18: Kết đo S11 anten thật 100 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các kích thước anten 87 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CRLH LH MTMs PLH PRH TLs WLAN Composite Right Left Handed Left-Handed MeTaMaterials Pure Left Handed Pure Right Handed Right-Handed Transmission Lines FEM Finite Element Method CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết trường điện từ anten 1.1.1 Phương trình Maxwell điều kiện biên Hình 5: Mơ hình anten 2D: a) Mặt trước, b) Mặt sau 88 Hình 6: Mơ hình anten 3D Hình 7: Cơng cụ tính tốn trang i-lab 89 Anten thiết kế với đường tiếp điện microtrip line chiều dài 17mm bề rộng 3mm Đường tiếp điện tính tốn cho làm việc có trở kháng 50Ω Có nhiều cơng cụ dùng để tính tốn trở kháng đường truyền, công cụ dùng trên trang: http://www1.sphere.ne.jp/ilab/ilab/index_e.htm ( Hình 3.6) sử dụng luận văn Dựa theo mơ hình cộng hưởng, ta phân tích anten thành mạch điện bao gồm phẩn tử L-C mắc với Mạch điện tương đương thể hình 3.8a Hình 8: a)Mạch điện tương đương anten, b) Mạch điện cấu trúc CRLH Quan sát sơ đồ tương đương, ta thấy cấu trúc anten tương đương với cấu trúc công hưởng CRLH Tần số cộng hưởng mạch phụ thuộc lớn vào giá trị điện cảm L3, L2 Tuy nhiên cuộn cảm L2 nằm cấu trúc hình nấm giá trị phụ thuộc vào lớp điện mơi hai kim loại, giá trị thay đổi Do tần số cộng hưởng anten phụ thuộc chủ yếu vào giá trị L3 Trong thiết kế giá trị L3 thay đổi theo chiều dài l5 Như tần số cộng hưởng anten thay đổi theo giá trị l5 Từ u cầu anten chọn thơng số tỷ số điện áp sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), đồ thị xạ hệ số tăng ích để đánh giá 90 anten Đối với anten thiết kế, yêu cầu phải đạt VSWR < dải tần số hoạt động (Điều tương đương với việc nhiều thiết kế anten sử dụng tiêu chí đánh giá hệ số tổn hao ngược (RL-Return Loss) nhỏ -10dB dải tần số hoạt động) Sau hồn tất q trình vẽ mơ hình anten, thơng số vật liệu miếng đế, vật liệu GND, tần số cần quan sát, thông số port, thông số quét biến, thiết lập farfield…được định nghĩa Ngoài ra, khác với phần mềm mô khác, HFSS sử dụng phương pháp tính tốn trường điện từ FEM (Phương pháp phần tử hữu hạn) nên phải bổ sung AirBox để chương trình tính tốn, phân tích phạm vi bên hình khối Nếu khơng báo lỗi sau thời gian định dể cho phần mềm xử lý đưa kết quả, ta quan sát nhiều thơng số anten: hệ số tổn hao ngược, trờ kháng, gain, đồ thị xạ phương hướng hay phân bố dòng bề mặt… 3.2 Kết mô đo đạc 3.2.1 Kết mô Sau thiết lập thông số anten phần mềm HFSS, khơng có lỗi kết tính tốn sau khoảng thời gian tùy theo kích thước đặc tính định nghĩa cho anten Để lựa chọn xác kích thước cho anten, ta tiến hành khảo sát phụ thuộc anten theo kích thước phần tử nó, chủ yếu kích thước L5 (như trình bày trên), từ lựa chọn kích thước thích hợp cho anten Dưới kết mơ tỷ số sóng đứng (VSWR) hệ tổn hao ngược (S11) anten khảo sát với giá trị L5 thay đổi Từ hai đồ thị 3.9 3.10, ta thấy tần số cộng hưởng anten tỷ lệ nghịch với chiều dài L5 hay tỷ lệ nghịch với điện cảm cuộn cảm l3 hình 3.8a Khi chiều dài L5 lớn tần số cộng hưởng anten nhỏ Dựa kết đồ thị, ta lựa chọn giá trị L5=2.69mm để có dải tần số cộng hưởng thỏa mãn điều kiện anten làm việc dải tần WLAN 2.4G - 2.48G với VSWR < S11 < -10dB Kết mô anten trường hợp L5=2.69mm thể 91 Hình 9: Tỷ số sóng đứng VSWR anten với độ dài L5 thay đổi 92 Hình 10: Hệ số tổn hao ngược S11 anten L5 thay đổi 93 Hình 11: Đồ thị VSWR anten với L5=2.69mm 94 Hình 12: Đồ thị S11 anten với L5=2.69mm 95 Quan sát từ hai đồ thị 3.11 3.12, ta thấy tỷ số sóng đứng VSWR < hệ số tổn hao ngược S11