Thiết kế, mô phỏng anten vi dải sử dụng cấu trúc siêu vật liệu crlh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU CRLH Sinh viên thực : TRẦN THỊ HẰNG Lớp : 52K - ĐTTT Giảng viên hướng dẫn : ThS PHAN DUY TÙNG NGHỆ AN 5/2016 i LỜI NÓI ĐẦU Anten phận quan trọng thiếu hệ thống thông tin vô tuyến điện nào, có vai trị xạ thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi Anten sử dụng với mục đích khác có yêu cầu khác Với đài phát vơ tuyến truyền hình anten cần xạ đồng mặt phẳng ngang (mặt đất) máy thu đặt hướng thu tín hiệu đài phát Các hệ thống thơng tin vệ tinh cần anten có xạ với hướng tính cao Xu hướng phát triển chung hệ thống thông tin vô tuyến nhỏ gọn, tốc độ truyền dẫn cao chất lượng tốt Để đáp ứng điều này, anten sử dụng cần phải nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp hệ thống Anten vi dải giải pháp hữu ích để thiết kế chế tạo lớp anten có khả tích hợp cao kích thước nhỏ gọn ứng dụng rât rộng rãi Tuy nhiên nhược điểm anten vi dải tăng ích băng thơng thấp so với anten truyền thống Đặc biệt giảm nhỏ kích thước thơng số anten vi dải Vấn đề dẫn tới ý tưởng ứng dụng siêu vật liệu vào chế tạo anten vi dải anten vi dải sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Siêu vật liệu thực chất xếp cấu trúc vi mô theo trật tự định để tạo tính chất vật lý vĩ mơ theo ý muốn Do đó, tính chất điện từ điều khiển (điều không thực vật liệu có sẵn tự nhiên) Việc ứng dụng siêu vật liệu có khả cải thiện thơng số kỹ thuật anten Trong đồ án chọn hướng thiết kế anten vi dải sử dụng cấu trúc siêu vật liệu CRLH hoạt động dải tần 2.4GHz, với mục đích sử dụng cho hệ thống WLAN (2.4-2.48) GHz Nội dung đồ án trình bày ba chương với nội dung sau: Chương trình bày tổng quan lý thuyết anten nói chung, cấu tạo nguyên lý hoạt động anten vi dải Chương trình bày khái niệm, cấu trúc, nguyên lý hoạt động siêu vật liệu ứng dụng nay, giới thiệu tổng quan nghiên cứu ứng dụng siêu ii vật liệu lĩnh vực anten Chương trình bày cấu trúc, nguyên tắc làm việc phương pháo tiếp cận cấu trúc siêu vật liệu CRLH nhằm ứng dụng cấu trúc thiết kế chế tạo anten Chương tiến hành thiết kế anten ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu CRLH hoạt động dải tần 2.4GHz Phương pháp tiếp cận dựa kết nghiên cứu công bố anten siêu vật liệu CRLH Dựa tính tốn lý thuyết cơng bố, tác thiết kế tính tốn mẫu anten siêu vật liệu thỏa mãn yêu cầu đặt Đồ án sử dụng công cụ mô CST Microwave Studio 2015 để mô phỏng, khảo sát làm việc anten Trong đó, đồ án tập trung khảo sát làm việc anten phụ thuộc vào kích thước cấu trúc CRLH Dựa vào kết mô khảo sát, kết luận kiến nghị đưa Đồ án tránh khỏi thiếu sót, em mong q thầy bạn góp ý để đồ án hoàn thiện Nghệ An, ngày 20 tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực Trần Thị Hằng iii TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày cấu trúc siêu vật liệu CRLH sử dụng phương pháp tiếp cận theo lý thuyết đường dây (CRLH TL) Cấu trúc tạo thành từ cấu trúc RH kết hợp LH chế tạo dựa vật liệu thơng thường Nó có chiết suất âm với tần số làm việc phù hợp ứng dụng thiết kế chế tạo anten vi dải kích thước nhỏ Trong phần tiếp theo, đồ án hoàn thành việc thiết kế mô anten vi dải sử dụng cấu trúc siêu vật liệu CRLH Cấu trúc anten siêu vật liệu thiết kế sử dụng cấu trúc nấm hình chữ nhật dựa cộng hưởng mode cấu trúc CRLH TL Anten thiết kế sử dụng điện mơi FR4 sẵn có với số điện mơi εr = 4.4 hệ số suy hao tan   0.02 Kích thước tổng thể anten 20×22×1.6 mm3 Anten mơ tối ưu hóa CST Microwave Studio 2015 Các kết mô cho thấy anten có kích thước nhỏ, làm việc dải tần 2.40 2.48 GHz ứng dụng hệ thống mạng cục không dây (WLAN) Đồ án khảo sát ảnh hưởng cấu trúc CRLH đến dịch chuyển tần số cộng hưởng anten thiết kế ABSTRACT In this thesis, the structure Composite Right Left Hand transmission line are studied This structure is combination of a Left-Handed and a Right-Handed ones The refractive index of the structure will be negative for particular wavelength, so it can be used to design and fabricate small microstrip patch antenna In the next section, thesis has completed the design and simulation microstrip antenna use metamaterial structure CRLH The metamaterial resonant antenna is designed with a mushroom structure which based on the zeroth order resonant characteristic of a composite right/left-handed transmission line (CRLH TL) The antenna is designed on the low-cost FR4 substrate with dielectric constant εr = 4.4 and tanδ = 0.02 The overall dimension of the antenna is 20.0×22.0×1.6 mm3 including the antenna substrate The antenna is simulated and optimized by CST Microwave Studio 2015 The simulation results show that antenna has small size and a good bandwidth with range from 2.40 - 2.48 GHz for Wireless Local Area Network (WLAN) application The affecting of parameters of CRLH structure on characteristics of antenna is also examined in the thesis iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Hệ phương trình Maxwell 1.1.3 Q trình vật lí xạ sóng điện từ 1.1.4 Các tham số anten 1.1.4.1 Sự xạ sóng điện từ anten 1.1.4.2 Giản đồ xạ 1.1.4.3 Cường độ xạ 1.1.4.4 Hệ số định hướng 1.1.4.5 Hệ số tăng ích 1.1.4.6 Băng thông 1.1.4.7 Trở kháng vào 1.2 Anten vi dải 1.2.1 Các hình dạng anten vi dải 1.2.1.1 Anten patch vi dải 1.2.1.2 Dipole vi dải 10 1.2.1.3 Printed Slot Antenna 10 1.2.1.4 Microstrip Traveling-Wave Antennas 10 1.2.2 Đặc tính anten vi dải 10 1.2.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 11 1.2.3.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải 11 1.2.3.2 Cấp nguồn probe đồng trục 11 1.2.3.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe 12 1.2.3.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần 13 v 1.2.4 Nguyên lý xạ anten vi dải 13 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU 15 2.1 Giới thiệu siêu vật liệu 15 2.1.1 Định nghĩa 15 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 15 2.1.3 Một số đặc điểm bật siêu vật liệu 16 2.1.4 Một số tính chất siêu vật liệu 18 2.1.5 Ứng dụng 24 2.2 Lý thuyết anten siêu vật liệu 26 2.2.1 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng siêu vật liệu vào chế tạo anten 26 2.2.2 Cấu trúc CRLH TLs đồng lý tưởng 27 2.2.3 Thiết kế mạng LC 28 2.2.4 Xây dựng mơ hình CRLH 30 2.2.5 Cấu trúc ứng dụng bề mặt trở kháng cao 31 CHƯƠNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ANTEN VI DẢI ỨNG DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU 33 3.1 Giới thiệu 33 3.2 Khảo sát anten vi dải thông thường 33 3.3 Phân tích yêu cầu thiết kế anten 35 3.4 Kết mô đánh giá 38 3.4.1 Kết mô anten theo yêu cầu thiết kế 38 3.4.2 Kết mô khảo sát yếu tố cấu trúc lên hoạt động anten 40 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten Hình 1.3 Các trường xạ khu xa Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten Hình 1.5 Anten vi dải Hình 1.6 Các dạng anten vi dải thông dụng Hình 1.7 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 11 Hình 1.8 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 12 Hình 1.9 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe 12 Hình 1.10 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần 13 Hình 1.11 Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình chữ nhật 14 Hình 2.1 Hệ tọa độ (  ,  ) 16 Hình 2.2 Một số cấu trúc siêu vật liệu 17 Hình 2.3 Các cấu trúc siêu vật liệu kết hợp TW SRR 17 Hình 2.4 Hiệu ứng Doppler hiệu ứng Doppler ngược 18 Hình 2.5 Đường tia qua bờ phân cách vật liệu 19 Hình 2.6 Truyền sóng hai môi trường RH từ môi trường RH sang LH 21 Hình 2.7 Điều kiện bờ vật liệu thường LH media 22 Hình 2.8 Hiệu ứng Goos-Hanchen thuận ngược 23 Hình 2.9 Thấu kính LH RH 24 Hình 2.10 Số liệu nghiên cứu siêu vật liệu từ 2000-2013 26 Hình 2.11 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục z 27 Hình 2.12 Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ 28 Hình 2.13 Cấu trúc cell đơn vị CRLH TL 28 Hình 2.14 Sự tương đương mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng 29 Hình 2.15 CRLH sử dụng điện dung đan xen điện cảm nối tắt với đất 30 Hình 2.16 Mặt mẫu với 24 cell đơn vị 31 Hình 2.17 Kết khảo sát CRLH cân không cân 31 Hình 2.18 Mơ hình bề mặt trở kháng cao 32 vii Hình 2.19 Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao 32 Hình 3.1 Kích thước anten vi dải thơng thường 34 Hình 3.2 Hệ số S11 anten vi dải tần số 2.4GHz 34 Hình 3.3 Cấu trúc anten thiết kế 35 Hình 3.4 Sơ đồ tương đương anten thiết kế 36 Hình 3.5 Kích thước anten sử dụng cấu trúc CRLH 37 Hình 3.6 Hệ số suy hao S11 38 Hình 3.7 Độ lợi anten có cấu trúc CRLH TL 39 Hình 3.8 Hệ số SWR 39 Hình 3.9 Đồ thị smith anten có cấu trúc CRLH TL 40 Hình 3.10 Khảo sát chiều dài đường uốn khúc 41 Hình 3.11 Khảo sát bán kính via 41 Hình 3.12 Khảo sát chiều cao điện môi 42 viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CRLH Composite Right Left Handed Cấu trúc vật liệu CRLH LH Left-Handed Vật liệu LH MTMs Metamaterials Siêu vật liệu MSA Microstrip Antenna Anten vi dải PLH Pure Left Handed Chiết suất theo quy tắc bàn tay trái PRH Pure Right Handed Chiết suất theo quy tắc bàn tay phải RH Right-Handed Vật liệu RH SRR Spit Ring Resonantor Vòng cộng hưởng TLs Transmission Lines Đường truyền TW Thin-wire Dây dẫn mảnh WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục ix CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu Anten thiết bị dùng để xạ sóng điện từ (anten phát) thu nhận sóng (anten thu) từ khơng gian bên ngồi [1] Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng, thể hình 1.1 Thơng thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi phi Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo phi tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo phi tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten phi phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao khơng gây méo dạng tín hiệu Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng [2] Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten hình 1.1 làm việc chế độ phát thể hình 1.2, nguồn thể tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn thể đường dây với trở kháng đặc trưng Zc, anten thể tải ZA, Z A   RL  Rr   jX A Trở kháng tải RL thể mát điện môi vật dẫn - Cấu trúc LH siêu vật liệu thể cách rõ ràng đáp ứng pha cịn lọc thơng thường nhằm đáp ứng biên độ rõ đáp ứng pha - Cấu trúc siêu vật liệu thiết kế với mục đích truyền dẫn lọc thông dải đáp ứng điều lọc triệt dải lại hạn chế dải tần hoạt động khơng giống với chức siêu vật liệu - Cấu trúc siêu vật liệu xây dựng từ cell đơn vị thoả mãn điều kiện đồng |ΔΦ| < π/2 Cịn lọc thường khơng thoả mãn điều kiện này, chúng có dịch pha lớn π/2 - Cấu trúc siêu vật liệu 2D 3D có đặc tính khối cịn lọc thường 1D có đặc tính mạch điện 2.2.4 Xây dựng mơ hình CRLH Trong hầu hết ứng dụng cấu trúc CRLH cân thường thích hợp cấu trúc CRLH chưa cân Vì mà phần thiết kế trường hợp cân Hình 2.5 loại CRLH TL mạch dải tạo nên điện dung đan vào với điện cảm phần cuối đường mạch (stub) nối với đất qua lỗ via Các cell đơn vị vị trí xác định trục stub, hình dung mạng chữ T xây dựng từ hai trở kháng nhánh (điện dung 2CL điện cảm LR /2) dẫn nạp nhánh (điện dung CR LL) Hình 2.15 CRLH sử dụng điện dung đan xen điện cảm nối tắt với đất [6] Thành phần LR có nhờ dịng điện chạy dọc lưới đan, thành phần CR có nhờ hiệu điện mặt dẫn điện đất, thành phần LL CL có nhờ đường Via khoảng cách lưới đan Trước tiên ta có trở kháng vào tính theo cơng thức sau: Z si in  jZ c tan( si l si ) si (2.21) 30 Với Zc điện trở đặc tính, β số truyền sóng, l chiều dài stub Khi ta tính đại lượng điện cảm điện dung qua công thức xấp xỉ sau LL  Z c si tan( si l si ) (nH) (2.22a) (pF) (2.22b) ) 0.45 ]10 6 (pF/µm) (2.22c) ) 0.45 ]10 6 (pF/µm) (2.22d)  C L  ( r  1)l ic [( N  3) A1  A2 ] A1  4.409 tanh[0.55( A2  9.92 tanh[0.55( h  ic h  ic Với ω độ rộng lưới h chiều cao điện môi Một số mẫu thiết kế kết khảo sát thể hình 2.16 2.17 [6] Hình 2.16 Mặt mẫu với 24 cell đơn vị Hình 2.17a) Kết mẫu có cell trường hợp cân b) Kết mẫu có cell trường hợp khơng cân 2.2.5 Cấu trúc ứng dụng bề mặt trở kháng cao Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) loại cấu trúc metamaterials gồm cấu trúc kim loai tuần hoàn cố định đế điện mơi 31 X Y Z Hình 2.18 Mơ hình bề mặt trở kháng cao Cấu tạo bề mặt trở kháng cao gồm kim loại xếp tuần hoàn cố định đế mass, kim loại kết nối liên tục, tiếp điện cáp đồng trục (các vias) Chúng hình dung nấm nhô từ bề mặt (đươc minh họa hình 2.18) Vơi bề măt trở kháng cao này, chúng khơng hỗ trợ truyền sóng măt mà phản xạ sóng điện từ hồn tồn Về phương diện vật lý, chúng coi mạch cơng hưởng LC, mà có ngun lý hoạt động lọc điện chặn song mặt phẳng (dịng sóng xạ) Mạch điện tương đương thể hình 2.19 L C Hình 2.19 Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao Một tế bào đơn vị CRLH kết hợp thơng qua hình trụ (trụ kim loại dẫn điện) khoảng cách mặt xạ hình thành nên tụ điện cuộn cảm tương đương 32 CHƯƠNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ANTEN VI DẢI ỨNG DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU 3.1 Giới thiệu Trong chương tác giả khảo sát anten vi dải thông thường để thấy kích thước thơng số Đồng thời tác giả thiết kế anten vi dải sử dụng cấu trúc siêu vật liệu CRLH tần số 2.4 GHz ứng dụng cho hệ thống WLAN Các thông số yêu cầu anten cụ thể sau: - Tần số cộng hưởng trung tâm anten 2.45 GHz; - Hệ số tổn hao ngược dải tần làm việc yêu cầu không lớn -9.5 dB; - Tỉ số sóng đứng SWR khơng vượt q (1