Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của đề tài là tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng trong thiết kế anten; nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ========== NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ========== NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL Chun ngành: Vật lí vơ tuyến điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Trần Mạnh Cƣờng HÀ NỘI – 2013 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HIS : High Impedance Surface LHMs : Left handed metamaterials MMs : Metamaterials TE : Transverse electric TM : Transverse magnetic DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thu phát tín hiệu 11 Hình 1.2: Đồ thị phương hướng toạ độ cực toạ độ góc 17 Hình 1.3: Phân cực tuyế n tính và phân cực tròn 18 Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải 21 Hình 1.5: Anten mạch dải dạng 22 Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực 22 Hình 1.7: Anten khe mạch dải 23 Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy 23 Hình 1.9: Tiếp điện đường mạch dải 24 Hình 1.10: Tiếp điện cáp đồng trục 24 Hình 1.11: Tiếp điện cách ghép khe 25 Hình 1.12: Tiếp điện cách ghép đôi lân cận 25 Hình 1.13: Trường xạ E H anten mạch dải 26 Hình 1.14: Sóng cấu trúc mạch dải phẳn 26 Hình 1.15: Mơ hình xạ anten mạch dải 28 Hình 1.16: Sơ đồ tương đương anten nửa bước sóng 29 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng 30 Hình 1.18: Tiếp điện đường mạch dải 32 Hình 1.19: Tiếp điện hai đường mạch dải vào hai cạnh anten 33 Hình 2.1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động tần số GHz; (b) Phổ phản xạ truyền qua vật liệu 36 Hình 2.2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc gần vùng ánh sáng nhìn thấy; (b) Phổ phản xạ truyền qua vật liệu 36 Hình 2.3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) góc phần tư thứ 38 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động siêu thấu kính dựa metamaterials 39 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo chồng tàng hình 40 Hình 2.6: Mơ hình bề mặt trở kháng cao 41 Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao 42 Hình 2.8: Mặt cắ t ngang của một bề mặt trở kháng cao lớp đơn giản 42 Hình 2.9: Ng̀ n gố c của điê ̣n dung và điê ̣n cảm cấ u trúc HIS 42 Hình 2.10: Mơ hình mạch sử dụng cho bề mặt trở kháng cao 43 Hình 2.11: Một cặp kim loại cách bởi một khoảng cách 43 Hình 2.12: Tụ điện bề mặt trở kháng cao 44 Hình 2.13: Một điện mơi chia thành lớp nhỏ 45 Hình 2.14: Những tấ m kim loại tụ điê ̣n đặt tấ m điê ̣n mô 45 Hình 2.15: Mợt dòng điê ̣n của cuộn dây kim loại tính toán cho điê ̣n cảm tấ m 47 Hình 2.16: Trở kháng của mợt mạch cộng hưởng tương đương 48 Hình 2.17: Tính tốn pha phản xạ sử dụng mơ hình mạch cộng hưởng 49 Hình 2.18: Một diê ̣n tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở kháng 50 Hình 2.19: Sóng mặt truyền bề mặt trở kháng 50 Hình 2.20: Anten dạng mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao 53 Hình 2.21: Giá trị S11 cho anten miếng mặt phẳng đất khác 53 Hình 2.22: Đồ thị xạ - E anten miếng 54 Hình 3.1: a) Mơ hệ số phản xạ anten; b) Đồ thị xạ mặt phẳng cực; c) Đồ thị xạ không gian 3D 56 Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten 57 Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) chế tạo 58 Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer 50 Hình 4.1: Mơ hình anten mạch dải 59 Hình 4.2: Kết mơ anten mạch dải 60 Hình 4.3a: Mơ hình HIS 61 Hình 4.3b: Mơ hình thiết kế cell bề mặt trở kháng cao 62 Hình 4.4: Kết mô dải cấm điện từ HIS 62 Hình 4.5: Mơ hình anten metamaterial khảo sát 63 Hình 4.6: Kết mơ anten metamaterial 64 Hình 4.7: Kết mô anten metamaterial thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến kim loại 66 Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến kim loại anten metamaterial 66 Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến kim loại anten metamaterial 67 Hình 4.9: Kết mơ hệ số phản xạ đồ thị xạ theo góc phân cực anten metamaterial thay đổi bề rộng cấu trúc HIS 68 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) xạ anten metamatrial vào bề rộng cấu trúc HIS 69 Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc anten metamatrial vào bề rộng cấu trúc HIS 69 Hình 4.12: Mơ hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng 70 Hình 4.13: Kết mơ hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác 71 Hình 4.14: Kết đo phổ phản xạ anten thường 64 Hình 4.15: Kết đo phổ phản xạ anten metamaterial 64 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 11 1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SĨNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 11 1.1.1.Khái niệm anten 11 1.1.2 Quá trình vật lý xạ sóng điện từ 11 1.1.3 Hệ phƣơng trình Maxwell 12 1.1.4 Các thông số anten 14 1.2 ANTEN MẠCH DẢI 20 1.2.1.Cấu tạo, phân loại nguyên lí hoạt động anten mạch dải 21 1.2.2 Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải 27 1.2.3 Các tính chất anten mạch dải 29 1.2.4 Ƣu nhƣợc điểm anten mạch dải 33 CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL 35 2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS 35 2.1.1.Giới thiệu chung metamaterials 35 2.1.2 Các loại vật liệu metamaterials 36 2.1.3 Ứng dụng metamaterials 39 2.2 ANTEN METAMATERIAL 41 2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) 41 2.2.2 Anten metamaterial 52 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 55 3.1.PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 55 3.2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 56 3.2.1.Qui trình chế tạo anten 56 3.2.2 Kết 57 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI 59 4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thƣờng 59 4.1.2 Kết mô anten mạch dải 60 4.1.3 Thảo luận 60 4.2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS 61 4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS 61 4.2.2 Mô bề mặt trở kháng cao HIS 62 4.2.3 Thảo luận 63 4.3 MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL 63 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial 63 4.3.2 Kết mô anten metamaterial 64 4.3.3 Thảo luận 64 4.4 KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL 65 4.4.1.Khảo sát ảnh hƣởng vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) xạ độ rộng dải tần làm việc anten metamaterial 65 4.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng số lƣợng cấu trúc HIS lên tính chất điện từ anten metamaterial 68 4.4.3 So sánh gain xạ anten metamaterial có kích thƣớc sở cấu trúc HIS khác 70 4.5 KẾT QUẢ ĐO 64 4.5.1 Kết 64 4.5.2 Thảo luận 65 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 MỞ ĐẦU Truyề n thông không dây đã phát triể n rấ t nhanh chóng nhƣ̃ng năm gầ n đây, theo đó các thiế t bị di động trở nên ngày càng nhỏ gọn Để thỏa mañ nhu cầ u thu nhỏ thiết bị di động a nten gắ n cá c thiế t bi ̣đầ u cuố i cũng phải đƣơ ̣c thu nhỏ kić h thƣớc Các anten phẳ ng , chẳ ng ̣n nhƣ a nten vi mạch dải (microstrip antenna), có ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ và dễ gắn lên thiế t bi ̣đầ u cuố i… ; chúng sẽ là lự a cho ̣n thỏa mañ yêu cầ u cầ n thiế t ở Cũng bởi lí này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng , hiệu suất cao đã thu hút rấ t nhiề u sƣ̣ quan tâm của các nhà nghiên cƣ́u anten Gầ n đây, đă ̣c biê ̣t là sau năm 2000, nhiề u anten phẳ ng mới đƣơ ̣c thiế t kế thỏa mãn yêu cầu băng thông hệ thống truyề n thông di đô ̣ng hiê ̣n , bao gồ m GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System , 1850 – 1990 MHz) và UTMS (Universal Mobile Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), đã đƣơ ̣c phát triể n và đã xuấ t bản nhiề u các tài liê ̣u liên quan Anten phẳ ng cũng rấ t thić h hơ ̣p đố i với ƣ́ng du ̣ ng các thiế t bi ̣truyề n thông cho ̣ thố ng ma ̣ng cu ̣c bô ̣ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) các dải tầ n 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz) Anten ma ̣ch dải vố n đã có băng thông he ̣p hiệu suất thấp nên việc nghiên cứu để mở rô ̣ng băng thông và tăng hiệu suất anten thƣờng là nhu cầ u cần thiết đố i với các ƣ́ng du ̣ng thƣ̣c tế hiê ̣n Có nhiều cách để mở rộng băng thơng và tăng hiệu suất Anten mạch dải nhƣ dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu… Trong việc sử dụng loại vật liệu Metamaterials để cải thiện tính chất điện từ anten phƣơng pháp hiệu và đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu giới quan tâm năm gần Metamaterials vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng hiệu dụng với tính chất vật lí khơng có vật liệu thơng thƣờng Metamaterials đƣợc hiểu vật liệu có chiết suất âm với tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông thƣờng nhƣ: Đảo ngƣợc điều kiện khúc xạ [4], đảo ngƣợc hiệu ứng Dopler [4], đảo ngƣợc định luật Snell [4], Đảo ngƣợc hiệu ứng Goos-Hanchen [4],…Và tính chất đặc biệt quan trọng là Metamaterials ngăn cản lan truyền sóng điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất ta dùng Metamaterials để ngăn chặn lan truyền sóng bề mặt anten làm cải thiện số tính chất anten Với cấu trúc Metamaterials thiết kế khác thay đổi tính chất điện từ loại Anten Với lí đã chọn đề tài “Ảnh hưởng tham số cấu trúc lên tính chất điện từ anten metamaterial” nhằm tìm cấu trúc Metamaterials tối ƣu để cải thiện tính chất điện từ anten Mục đích nghiên cứu luận văn: + Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể đề tài cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng thiết kế anten + Nghiên cứu ảnh hƣởng tham số cấu trúc lên tính chất điện từ anten metamaterial Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn là kết hợp mô chế tạo phép đo thực nghiệm Bố cục luận văn bao gồm 03 phần: Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chƣơng 1: Tổng quan anten Chƣơng 2: Anten metamaterial Chƣơng 3: Phƣơng pháp mô thực nghiệm Chƣơng 4: Kết thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN 10 4.3.2 Kết mô anten metamaterial a) b) c) Hình 6: Kết mơ anten metamaterial a) Mô phổ phản xạ; b) Đồ thị xạ theo tọa độ cực; c) Đồ thị xạ không gian 4.3.3 Thảo luận Kết mô cho thấy anten metamaterial thiết kế cộng hƣởng tần số 10.5GHz với dải tần làm việc 0.9GHz hiệu suất (gain) xạ 7.7dB So sánh với anten thƣờng hiệu suất (gain) xạ anten metamaterials đã tăng lên 2dB và độ rộng dải tần việc anten tăng từ 0.5 GHz đến 0.9 GHz (vùng dƣới -10 dB) 64 Nhƣ anten metamaterials đã đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt là tăng hiệu suất (gain) xạ mở rộng dải tần làm việc anten 4.4 KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL 4.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) xạ độ rộng dải tần làm việc anten metamaterial Khi xét đến khoảng cách từ cấu trúc HIS đến bề mặt trở kháng cao gain xạ bề rộng dải tần làm việc anten thay đổi theo khoảng cách và kết mơ thu đƣợc nhƣ hình 4.7 kết khảo sát hình 4.8 65 Hình 7: Kết mơ phổ phản xạ đồ thị xạ anten metamaterial thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến kim loại Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến kim loại anten metamaterial 66 b) Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến kim loại anten metamaterial Thảo luận: Hiệu suất (gain) xạ anten metamaterial lớn khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến kim loại 14.1 mm xấp xỉ mức λ/2 (Bƣớc sóng tần số cộng hƣởng λ=28.57mm) Dải tần làm việc anten metamaterial lớn khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến kim loại 14.1 mm xấp xỉ mức λ/2 Nhƣ khoảng cách tối ƣu từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến kim loại khoảng λ/2 Điều giải thích khoảng cách anten HIS nhỏ, kết hợp điện từ anten HIS lớn gây nhiễu tới xạ anten, khoảng cách lớn ảnh hƣởng HIS tới ngăn chặn sóng điện từ bề mặt lại khơng rõ rệt nên cũng không giúp cho anten cải thiện đặc tính mình; phƣơng pháp mơ đã khoảng cách hợp lý khoảng λ/2 với λ là bƣớc sóng tần số cộng hƣởng Ở khoảng cách này sóng điện từ lan truyền bề mặt từ anten bị HIS hấp thụ hay nói cách khác ngăn chặn cách tốt nhất, nâng cao hiệu cho anten 67 4.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng số lƣợng cấu trúc HIS lên tính chất điện từ anten metamaterial Số lƣợng cấu trúc HIS ảnh hƣởng lớn đến mức độ ngăn chặn lan truyền sóng bề mặt nó, ảnh hƣởng đến gain xạ anten metamaterial Luận văn đã khảo sát thay đổi gain xạ anten metamaterial thay đổi số lƣợng cấu trúc HIS tức thay đổi số hàng cấu trúc HIS và đã thu đƣợc kết nhƣ hình 4.9 Hình 9: Kết mô phổ phản xạ đồ thị xạ theo góc phân cực anten metamaterial thay đổi bề rộng cấu trúc HIS 68 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) xạ anten metamatrial vào bề rộng cấu trúc HIS Hình 11b: Sự thay đổi dải tần làm việc anten metamatrial vào bề rộng cấu trúc HIS Thảo luận: Kết cho thấy sử dụng nhiều lớp HIS hơn, hiệu anten cao hơn, cũng nhƣ độ rộng băng tần làm việc anten đƣợc mở rộng Điều giải thích dùng nhiều lớp HIS, tính chất tuần hồn bề mặt trở kháng cao đƣợc 69 thể tốt hơn, giúp cho anten có hiệu suất hoạt động cao hơn, trƣờng hợp sử dụng lớp HIS bao quanh cho hiệu suất (gain) cao 7.7 dB 4.4.3 So sánh gain xạ anten metamaterial có kích thƣớc ô sở cấu trúc HIS khác Nếu thay đổi kích thƣớc sở cấu trúc HIS nhƣng dải cấm vẫn chứa khoảng tần số làm việc anten gain xạ anten sẽ thay đổi Do chúng tơi đã khảo sát thay đổi gain xạ thay đổi kích thƣớc sở cấu trúc HIS theo hàng Cấu trúc HIS hàng đƣợc mơ tả nhƣ hình Hình 12: Mơ hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng Khi thay đổi kích thƣớc sở cấu trúc HIS theo hàng hàng 2.4 mm x 2.4 mm, hàng 2.6 mm x 2.6 mm, hàng 2.8 mm x 2.8 mm Chúng tơi đã thu đƣợc kết tính tốn hệ số phản xạ đồ thị xạ nhƣ hình 4.12 70 Hình 4.13: Kết mơ hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác a) Mô phổ phản xạ; b)Đồ thị xạ theo tọa độ cực Thảo luận: Kết mô hai anten cho thấy dải tần làm việc anten không thay đổi hiệu suất (gain) xạ anten tăng lên thay đổi kích thƣớc hàng cấu trúc HIS Nhƣ việc thiết kế cấu trúc HIS có kích thƣớc sở khác nhƣng dải cấm vẫn thuộc vùng tần số hoạt động anten sẽ cho hiệu cao Điều giải thích nhƣ sau, dùng sở có kích thƣớc khác tức là dùng "hệ" HIS có dải cấm 71 khác nhau, kích thƣớc sở đã đƣợc tính tốn cho dải cấm lân cận nhau, đó, kết hợp ô sở, bề rộng vùng cấm toàn cấu trúc HIS đƣợc kết hợp với "mở rộng" Khi vùng cấm mở rộng hiệu việc triệt tiêu sóng mặt anten sẽ mạnh làm tăng hiệu anten có kết hợp metamaterial 4.5 KẾT QUẢ ĐO 4.5.1 Kết Bằng máy phân tích mạng đã đo đƣợc phổ phản xạ anten thƣờng anten metamaterial vùng tần số từ 8GHz đến 13GHz Nhƣng hệ thiết bị chƣa có khả đo hiệu suất anten nên kiểm nghiệm đƣợc phổ phản xạ anten nhƣ hình 4.14 và 4.15 Hình 4.14: Kết đo phổ phản xạ anten thường Hình 4.15: Kết đo phổ phản xạ anten metamaterial 4.5.2 Thảo luận 72 Kết đo phổ phản xạ hai anten cho thấy anten đỉnh cộng hƣởng hai anten tần số 11GHz lệch so với kết mô 0.5 GHz, dải tần làm việc anten thƣờng 0.6GHz anten metammaterial 0.9GHz Sự sai khác thực nghiệm mô q trình chế tạo anten khơng có kích thƣớc xác nhƣ đã mơ số điện môi anten thực sai khác so với anten chế tạo Để giảm sai số ta dùng cơng nghệ chế tạo với độ xác cao nhƣ chế tạo phƣơng pháp quang khắc hay dùng hệ chế tạo mạch in tự động 73 KẾT LUẬN Luận văn “Ảnh hưởng tham số cấu trúc lên tính chất điện từ anten metamaterial” đã thu đƣợc số kết nhƣ sau: - Đã thiết kế đƣợc anten làm việc khoảng tần số 10.5 GHz mô hoạt động anten với dải tần hoạt động (