CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN QUANG PHONG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN QUANG PHONG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số : 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS TRẦN THỊ HƢƠNG Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan nội dung luận văn “Cải thiện hiệu suất xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt Metamaterial” chép luận văn cơng trình có từ trước Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 01 tháng năm 2017 Học viên thực Trần Quang Phong MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu chư ng .4 1.2 Khái niệm nten .4 1.3 Q trình vật lý xạ sóng điện từ 1.4 Hệ phư ng trình Maxwell 1.5 Các thông số c anten 1.5.1 Trở kháng vào anten 1.5.2 Hiệu suất anten 1.5.3 Hệ số đ nh hướng 1.5.4 Độ lợi 1.5.5 Đồ th phư ng hướng góc xạ anten 1.5.6 Tính phân cực anten 1.5.7 Dải tần anten 10 1.5.8 Các hệ thống anten 11 1.6 Kết luận chư ng .12 Chƣơng : ANTEN VI DẢI .13 2.1 Giới thiệu chư ng 13 2.2 Giới thiệu chung anten vi dải .13 2.3 Các hình dạng c anten vi dải 14 2.4 Đặc tính anten vi dải 15 2.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 16 2.5.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải .16 2.5.2 Cấp nguồn probe đồng trục 17 2.5.3 Ghép nguồn phư ng pháp ghép khe 17 2.5.4 Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần 18 2.6 Băng thông anten vi dải 18 2.7 Nguyên lý xạ anten vi dải [4] 19 2.8 Trường xạ anten vi dải 21 2.8.1 Thế vect số công thức tính trường xạ 21 2.8.2 Công suất xạ 23 2.8.3 Công suất tiêu tán 23 2.8.4 Năng lượng tích lũy 24 2.8.5 Trở kháng vào 24 2.9 Sự phân cực sóng 25 2.10 Kết luận chư ng 25 Chƣơng : CÁC M H NH PH N T CH ANTEN VI DẢI 26 3.1 Giới thiệu chư ng 26 3.2 Các mơ hình ph n tích anten vi dải 26 3.3 Mơ hình đường truyền 26 3.3.1 Hiệu ứng viền 27 3.3.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng 28 3.4 Mơ hình hốc cộng hưởng 29 3.4.1 Các mode trường – TMx 31 3.4.2 Trường xạ - Mode TMx010 34 3.4.3 Độ đ nh hướng 36 3.5 nh hưởng ghép tư ng h gi a hai anten vi dải 38 3.6 Kết luận chư ng .40 Chƣơng : METAMATERIAL 41 4.1 Giới thiệu chư ng 41 4.2 Vật liệu t ng hợp Right left-handed transmission line 41 4.2.1 Giới thiệu LHMs 41 4.2.2 L thuyết CRLH 42 4.3 Khái niệm siêu vật liệu Metamaterial 45 4.3.1 L ch sử phát tri n 45 4.3.2 Đ nh ngh a .46 4.3.3 Tính chất 46 4.3.4 Ph n loại 47 4.3.5 ng dụng 49 4.4 Tình hình nghiên cứu nước 49 4.5 Kết luận chư ng .50 Chƣơng : THIẾT KẾ VÀ M PHỎNG 52 5.1 Giới thiệu chư ng 52 5.2 C sở l thuyết 52 5.3 Thiết kế 54 5.3.1 Anten Patch vi dải hình ch nhật 54 5.3.2 nten kết hợp MC .57 5.5 Kết luận chư ng .68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .69 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL Học viên: Trần Quang Phong Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Khóa 31 Tóm tắt – Luận văn thực thiết kế mô anten patch vi dải hoạt động tần số 2.4 GHz, sử dụng bề mặt Metamaterial Chất Rogers RT Duroid 5580 dày 1.6 mm, có số điện môi 2.2, sử dụng đ thiết kế anten nten gốc loại anten patch vi dải hình ch nhật, sử dụng cấu trúc insetfeed, có hiệu suất xạ thấp băng thông hẹp nten thiết kế sau thêm vật liệu MC (Artificial Magnetic Conductor Surface) vào cải thiện đáng k nhược m anten gốc Luận văn sử dụng phần mềm Ansoft HFSS đ mô thiết kế Từ khóa – Hiệu suất xạ; độ lợi; metamaterial; MC; anten vi dải IMPROVING GAIN FOR MICROSTRIP ANTENNAS USING METAMATERIAL SUFACES Abstract – This thesis designs and simulates patch antennas operating at 2.4 GHz using the Metamaterial surfaces A 1.6 mm thicker Rogers RT/ Duroid 5880 is used as a substrate material in the design of the antenna The relative permittivity of the substrate is 2.2 The conventional patch antenna is a rectangular patch antenna using an inset-feed structure, which have low gain and narrow bandwidth Antenna design that adding Artificial Magnetic Conductor Surface (AMC) will improve the disadvantages of the conventional antenna The thesis uses Ansoft HFSS software to simulate and design Key words – Gain; metamaterial; AMC; microstrip antennas DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết t t Tiếng anh Tiếng việt AMC Artificial Magnetic Conductor Surface Bề mặt chất dẫn từ nh n tạo BW Bandwidth Băng thông CRLH Composite Right/left-handed transmission line metamaterial Vật liệu t ng hợp tu n theo quy t c bàn tay trái phải DNG Double Negative Chiết suất m DPS Double Positive mediums Chiết suất dư ng ENG Epsilon-Negative Độ điện th m m FEM Finite Element Method Phư ng pháp phần tử h u hạn HFSS High Frequency Structural Simulator Mô cấu tr c tần số cao LHMs Left Handed Materials Vật liệu thuận tay trái MNG Mu-Negative Độ từ th m m MSA Microstrip Antennas SRR Split Ring Resonator V ng chia cộng hưởng TL General Transmision Line Đường truyền chung VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng nten vi dải DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 5.1 5.2 Tên bảng ng dụng anten theo băng tần Các thông số anten thiết kế So sánh thông số anten thiết kế Trang 11 54 67 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Tên hình Trang Hệ thống thu phát tín hiệu Đồ th phư ng hướng tọa độ cực tọa độ góc Các dạng ph n cực anten nten vi dải Các dạng anten vi dải thông dụng Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải Cấp nguồn dùng cáp đồng trục Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép khe – Aperture coupled Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần – Proximity Coupled Ph n bố điện tích d ng điện anten vi dải hình ch nhật Hằng số điện mơi hiệu dụng Chiều dài vật l chiều dài hiệu dụng miếng patch Ph n bố điện tích d ng điện Ph n tích mơ hình anten vi dải trục tọa độ Các mode trường xạ anten vi dải S p xếp anten vi dải mặt phẳng E H S đồ mạch tư ng đư ng RC mơ hình PRH a , PLH b CRLH c Đồ th ph n tán đường truyền PRH a , PLH b , CRLH (c) S đồ mạch tư ng đư ng đồ th ph n tán đường truyền CRLH c n Ph n loại loại vật liệu Mơ hình vật liệu plasma điện Mơ hình vật liệu plasma từ Mơ hình t hợp vật liệu plasma điện từ Mơ hình vật liệu hấp thụ kết mơ đo đạc Mơ hình MC dạng nấm S đồ mạch điện tư ng đư ng S đồ tư ng đư ng cấu tr c đường truyền Hình dạng kích thước anten patch vi dải hình ch nhật Đồ th S11 anten patch vi dải hình ch nhật 10 13 14 17 17 17 18 19 28 29 30 32 34 38 42 43 44 47 47 48 48 49 52 52 52 56 56 57 Hình 5.6 Mơ hình xạ anten patch vi dải hình ch nhật Nhận x t: - Hiệu suất xạ đạt 2.54 dB - Độ lợi cao đạt 7.69 dB 5.3.2 Anten kết hợp AMC a) u c u thiết ế Thiết kế anten patch vi dải hình ch nhật đồng có thông số giống anten gốc mô mục 5.3.1, cấp nguồn theo ki u microstrip line, hoạt động tần số 2.4 GHz Vật liệu sử dụng chất điện môi Rogers RT Duroid 5880 có Băng thơng độ lợi phải cải thiện so với anten gốc b) nh to n Đ cải thiện hiệu suất xạ băng thông anten, ta thêm MC xung quanh anten báo “Antenna Design for Advance Wireless Systems using Metamaterial Surfaces” đề xuất Sử dụng công thức 5.2 đ tính LL ( √ ( ( ( [ ( √ * ) ) ( * )[ ( ]( ( ) * Thay LL vào cơng thức 5.1 đ tính CR ) ] ( * ) 58 √ Từ công thức 5.4 ( ) ( )( )( )( ) Chọn MC có kích thước 28 x 29 mm, bán kính via r = 0.5 mm, khoảng cách gi a MC mm c) Mơ Hình 5.7 Kích thước v trí Via anten Hình 5.8 S đồ bố trí AMC 28x29 mm theo cách 59 Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.3733 -10.0125 m2 2.4067 -9.9975 m3 2.3900 -23.0318 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 m1 m2 dB(S(1,1)) -10.00 -15.00 -20.00 m3 -25.00 2.20 2.30 2.40 Freq [GHz] 2.50 2.60 2.70 Hình 5.9 Đồ th S11 anten sử dụng AMC 28x29 mm theo cách Nhận x t: Anten anten kết hợp AMC 28x29 mm theo cách có tần số cộng hưởng f = 2.39 GHz, đạt yêu cầu thiết kế Băng thông không đ i so với anten gốc, đạt 33 MHz S11 = -10 dB Hệ số phản xạ S11=-23 dB f=2.39 GHz Hình 5.10 Mơ hình xạ anten sử dụng AMC 28x29 mm theo cách Nhận xét: - Hiệu suất xạ đạt 2.58 dB, tăng 0.04 dB so với anten gốc - Độ lợi cao đạt 8.29 dB, tăng 0.6 dB so với anten gốc 60 Hình 5.11 S đồ bố trí AMC 28x29 mm theo cách Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.3743 -9.9590 m2 2.4071 -9.9858 m3-2.50 2.3900 -22.3077 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 -7.50 dB(S(1,1)) m1 -10.00 m2 -12.50 -15.00 -17.50 -20.00 m3 -22.50 2.20 2.30 2.40 Freq [GHz] 2.50 2.60 2.70 Hình 5.12 Đồ th S11 anten sử dụng AMC 28x29 mm theo cách Nhận x t: Anten anten kết hợp AMC 28x29 mm theo cách có tần số cộng hưởng f = 2.39 GHz, đạt yêu cầu thiết kế Băng thông không đ i so với anten gốc, đạt 33 MHz S11 = -10 dB Hệ số phản xạ S11=-22.5 dB f=2.39 GHz Thiết kế tốn diện tích h n so với cách kết khơng đ i 61 Hình 5.13 Mơ hình xạ anten sử dụng AMC 28x29 mm theo cách Nhận xét: - Hiệu suất xạ đạt 2.54 dB, không đ i so với anten gốc - Độ lợi cao đạt 7.86 dB, tăng 0.17 dB so với anten gốc Hình 5.14 S đồ bố trí AMC 28x29 mm theo cách 62 Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.1763 -10.0119 m2 2.1889 -10.0203 m3 2.1850 -10.6701 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -2.00 dB(S(1,1)) -4.00 -6.00 -8.00 m1m2 m3 -10.00 -12.00 2.00 2.10 2.20 2.30 Freq [GHz] 2.40 2.50 2.60 2.70 Hình 5.15 Đồ th S11 anten sử dụng AMC 28x29 mm theo cách Nhận x t: Anten anten kết hợp AMC 28x29 mm theo cách có tần số cộng hưởng f = 2.18 GHz, không đạt so với u cầu thiết kế 2.4 GHz Hình 5.16 Mơ hình xạ anten sử dụng AMC 28x29 mm theo cách Nhận xét: - Hiệu suất xạ đạt 1.55 dB, giảm 0.99 dB so với anten gốc - Độ lợi cao đạt 8.33 dB, tăng 0.64 dB so với anten gốc * Đ đánh giá ảnh hưởng kích thước MC đến độ lợi băng thông anten, ta tiếp tục mô trường hợp AMC 34x34 mm 40x40 mm 63 Hình 5.17 S đồ bố trí AMC 34x34 mm theo cách Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.1748 -9.9806 m2 2.1985 -9.9911 m3 2.1850 -16.1842 -2.50 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(1,1)) -5.00 -7.50 m1 m2 -10.00 -12.50 -15.00 m3 -17.50 2.00 2.10 2.20 2.30 Freq [GHz] 2.40 2.50 2.60 2.70 Hình 5.18 Đồ th S11 anten sử dụng AMC 34x34 mm theo cách Nhận x t: Anten anten kết hợp AMC 34x34 mm theo cách có tần số cộng hưởng f = 2.18 GHz, không đạt so với yêu cầu thiết kế 2.4 GHz 64 Hình 5.19 Mơ hình xạ anten sử dụng AMC 34x34 mm theo cách Nhận xét: - Hiệu suất xạ đạt 1.55 dB, giảm 0.97 dB so với anten gốc - Độ lợi cao đạt 8.62 dB, tăng 0.93 dB so với anten gốc Hình 5.20 S đồ bố trí AMC 34x34 mm theo cách 65 Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.3744 -9.9494 m2 2.4070 -9.9739 m3-2.50 2.3900 -21.7265 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 -7.50 dB(S(1,1)) m1 -10.00 m2 -12.50 -15.00 -17.50 -20.00 m3 -22.50 2.20 2.30 2.40 Freq [GHz] 2.50 2.60 2.70 Hình 5.21 Đồ th S11 anten sử dụng AMC 34x34 mm theo cách Nhận x t: Anten anten kết hợp AMC 34x34 mm theo cách có tần số cộng hưởng f = 2.39 GHz, đạt yêu cầu thiết kế Băng thông không đ i so với anten gốc, đạt 33 MHz S11 = -10 dB Hệ số phản xạ S11=-21.7 dB f=2.39 GHz Hình 5.22 Mơ hình xạ anten sử dụng AMC 34x34 mm theo cách Nhận xét: - Hiệu suất xạ đạt 2.62 dB, tăng 0.08 dB so với anten gốc - Độ lợi cao đạt 8.64 dB, tăng 0.95 dB so với anten gốc 66 Hình 5.23 S đồ bố trí AMC 40x40 mm Name X XY Plot Y HFSSDesign1 m1 0.00 2.3734 -9.9317 m2 2.4067 -9.9317 m3-2.50 2.3900 -22.3179 ANSOFT Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep -5.00 -7.50 dB(S(1,1)) m1 -10.00 m2 -12.50 -15.00 -17.50 -20.00 m3 -22.50 2.20 2.30 2.40 Freq [GHz] 2.50 2.60 2.70 Hình 5.24 Đồ th S11 anten sử dụng AMC 40x40 mm Nhận x t: Anten anten kết hợp AMC 40x40 mm có tần số cộng hưởng f = 2.39 GHz, đạt yêu cầu thiết kế Băng thông không thay đ i so với anten gốc, đạt 33 MHz S11 = -10 dB Hệ số phản xạ S11=-22.3 dB f=2.39 GHz 67 Hình 5.25 Mơ hình xạ anten sử dụng AMC 40x40 mm Nhận x t: - Hiệu suất xạ đạt 2.67 dB, tăng 0.13 dB so với anten gốc - Độ lợi cao đạt 9.02 dB, tăng 1.33 dB so với anten gốc Bảng 5.2 So sánh thông số anten thiết kế Tần số cộng hưởng Hiệu suất xạ Độ lợi cao Băng thông S11= -10dB Tính đ nh hướng nten gốc 2.395 GHz 2.54 dB 7.69 dB 32 MHz 7.84 dB nten kết hợp MC 28x29 mm cách 39 GHz 2.58 dB 8.29 dB 33 MHz 8.41 dB nten kết hợp MC 28x29 mm cách 2 39 GHz 2.54 dB 7.86 dB 33 MHz 7.99 nten kết hợp MC 28x29 mm cách 2.18 GHz 1.55 dB 8.33 dB 12 MHz 8.69 nten kết hợp MC 34x34 mm cách 2.18 GHz 1.57 dB 8.62 dB 24 MHz 8.98 nten kết hợp MC 34x34 mm cách 2.39 GHz 2.62 dB 8.64 dB 33 MHz 8.77 nten kết hợp MC 40x40 mm 2.39 GHz 2.67 dB 9.02 dB 33 MHz 9.19 68 Kết luận chƣơng Việc kết hợp cấu tr c vật liệu Metamaterial anten góp phần tăng đáng k hiệu suất xạ so với anten patch hình ch nhật hoạt động tần số Thiết kế anten kết hợp MC 40x40 mm cho kết hiệu suất xạ tốt nhất, đạt 2.67 dB Việc thiết kế mô dưạ vào thơng số tính tốn gần đ ng, cho kết mơ hình xạ tốt đạt yêu cầu đặt 5.5 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong thời gian nghiên cứu đề tài, c n hạn chế mặt kiến thức điều kiện thực tế, với gi p đỡ nhiệt tình TS Trần Th Hư ng, em hồn thành luận văn Anten yếu tố quan trọng ứng dụng nhiều l nh vực, đặc biệt thông tin di động Việc sử dụng cấu tr c dạng nấm đ tạo vật liệu Metamaterial nhằm mục đích cải thiện hiệu suất anten hướng nghiên cứu nh ng năm gần đ y Bằng cách thay đ i hẳn chất liệu mà Metamaterial kh c phục nh ng hạn chế công nghệ trước đ y Đặc biệt, l nh vực anten góp phần cải thiện hiệu suất xạ mà không làm thay đ i tần số hoạt động điều anten vi dải thông thường không làm Nh ng kết đạt qua đề tài sau:     Tìm hi u s u l thuyết anten vi dải Tìm hi u l thuyết vật liệu Metamaterial ứng dụng chế tạo anten Tìm hi u ứng dụng vật liệu MC vào chế tạo anten Dùng phần mềm nsoft HFSS đ thiết kế mô anten cách xác hiệu  Đọc nhận xét kết mô Kiến nghị Luận văn dừng mức đưa c sở l thuyết, tính tốn mơ phần mềm Ansoft HFSS cho loại vật liệu Metamaterial MC H n n a, kích thước anten c n lớn Trong tư ng lai, tiếp tục tiến hành nghiên cứu thêm số loại vật liệu Metamaterial khác n a, đồng thời cải thiện băng thơng kích thước so với anten 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS.TS Thái Hồng Th , “ r học Kỹ thuật, Hà Nội ng điện từ, tru ền sóng v anten”, NXB Khoa [2] Phan nh 2007 , “L thu ết v Kĩ huật Anten”, NXB Khoa học K thuật, Hà Nội, tr 5-41,459-469 Tiếng Anh [3] nthony Lai and Tatsuo Itoh ,“Composite right left handed transmission line metamaterials” , IEEE microwave magazine, September 2004 [4] Balanis, C (1997 , “Antenna Theory-Analyse and Design”, John Wiley & Sons, New York, pp 811-843 Breinbjerg, O., “Metamaterial ntennas - The Most Successful Metamaterial Technology?”, 2015 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), 37-39 [6] Bushra Farooq, Tahira Parveen, Imad li and Sadiq Ullah, “ ntenna Design for dvance Wireless Systems using Metamaterial Surfaces”, 2016 13th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST), 641-646 [7] F W Grover , “Inductance Calculations”, Dover Publications, 2004 (https://www.eeweb.com/toolbox/wire-inductance) [8] Kaushal Gangwar, Dr.Paras and Dr.R.P.S Gangwar, “Metamaterials: Characteristics, Process and Applications”, Advance in Electronic and Electric Engineering ISSN 2231-1297, Volume 4, Number (2014), pp 97-106 [9] Muhammad amir fridi, “Microstrip Patch ntenna – Designing at 2.4 GHz Frequency”, Biological and Chemical Research, Volume 2015, 128-132, 25 March 2015 [10] Nguyen Khac Kiem, Huynh Nguyen Bao Phuong, Quang Ngoc Hieu and Dao Ngoc Chien, “ Novel Metamaterial MIMO ntenna with High Isolation for WL N pplications”, International Journal of Antennas and Propagation Volume 2015, Article ID 851904, pages, January 2015 [5]