Cấu trúc thông thường để thiết kế CRLH TL là cấu trúc hình nấm trên mạch dải. Cấu trúc cell đơn vị của loại này bao gồm các ô kim loại được nối với đất qua sợi dây hình trụ.
Hình 4.1. Cấu trúc các cell đơn vị hình nấm.
Các thành phần LH là điện dung được tạo nên từ khoảng cách các cell đơn vị và điện cảm được tạo nên từ dòng điện chạy qua các sợi hình trụ bán kính r. Còn các thành phần RH là điện dung được tạo nên từ điện thế giữa các ô kim loại với mặt phẳng đất và điện cảm được tạo nên từ biến đổi dòng điện qua các ô kim loại. Bằng cách thay đổi đặc tính vật lý của các cell đơn vị hình nấm (kích thước ô kim loại, bán kính sợi trụ, hằng số điện môi ...) ta có thể điều chỉnh được điện cảm và điện dung.
Ô kim loại không nhất thiết là hình vuông chỉ cần là hình chữ nhật. Kích thước của ô kim loại, hằng số điện môi, chu kỳ của cell đơn vị và bán kính của sợi trục là các nhân tố ảnh hưởng đến đường cong phân tán và tần số cộng hưởng của anten. Nếu tăng diện tích ô kim loại hoặc hằng số điện môi sẽ làm tăng điện dung trong khi nếu giảm bán kính sợi trục sẽ làm tăng điện cảm . Để chứng minh là tần số cộng hưởng không phụ thuộc vào kích thước của anten, ta lần lượt sẽ thiết kế anten 2 cell, 4 cell và so sánh có sự thay đổi hay không. Và sau đó, ta sẽ chứng minh rằng trong trường hợp điều kiện bờ hở thì tần số bước sóng vô hạn chỉ phụ thuộc vào cộng hưởng song song còn các thành phần nối tiếp không ảnh hưởng bằng cách cho các cell nối liền vào nhau (inductor-loaded TL).
Phần thiết kế sẽ sử dụng vật liệu điện môi FR4 epoxy có hằng số điện môi = 4.4, độ dày h = 1.6mm. Trước tiên, ta bắt đầu với tần số bước sóng vô hạn tuỳ vào ứng dụng mà ta chọn, trong trường hợp này chọn = 2GHz. Như đã biết, tần số này chỉ phụ thuộc vào cộng hưởng song song trong trường hợp điều kiện bờ hở mạch do đó ta có:
R L sh C L f f 2 1 0 (4.1)
Với sử dụng sợi dây đồng hình trụ có bán kính r = 0.35mm, chiều dài h = 1.6mm bằng với độ dầy chất nền FR4 được khoan ở chính giữa các cell nối patch với đất.
Hình 4.2. Sơ đồ tương đương của cấu trúc đường truyền
Khi đó được tính theo công thức:
0.2 ln 2 0.75 h r r h h LL (nH) (4.2)
Thay h, và r vào (4.2) tính được: = 0.538 nH. Thay vừa tính được vào (4.1) suy ra = 11.89 pF.
Ta có = 2 Cp. Từ đây, ta có thể tính được diện tích của 1 cell đơn vị theo công thức sau: d S CP r0 (4.3) Với 12 0 8.846.10
(F/m), S là diện tích của cell (mm2) và d là độ dày chất nền FR4 (mm).
Với dữ liệu trên tính ra được: 2
255mm
S . Ta sẽ chọn chiều dài của cell sao cho 4
g
l
hay l < 18.75 mm; do đó chọn l = 17 mm, suy ra chiều rộng của cell là w = 15 mm.
h)/b] + 0.2235(w + .5 + h)) + n(2b/(w 0.00508b[l R L (H) (4.4)
Với h là độ dày chất nền (inches), w là chiều rộng của cell (inches) và b là chiều dài của cell (inches).
Thay vào ta được: = 4.88 nH.
Khoảng cách g giữa các cell sẽ tạo nên CL. Ở đây, thiết kế g = 0.2 mm. Ta có công thức: ( )cosh ( / ) 1 2 1 0 g a W CL r r (4.5)
Với a = g+l = 17.2 mm, W = l = 17 mm, là hằng số điện môi ở trên tấm dẫn điện, là hằng số điện môi ở dưới tấm dẫn điện. Trong trường hợp này, = 1 và = 4.4.
Tính ra được: =1.33 pF.
Đường tiếp điện gồm 2 đoạn, đoạn thứ nhất là đường có trở kháng 50 độ rộng = 3 mm, độ dài = 12 mm. Đoạn thứ hai là đoạn phối hợp trở kháng /4 có độ rộng = 4 mm và độ dài = 19 mm.
Hình 4.3. Cấu trúc anten metamaterial có 2 cell đơn vị
Phần mô phỏng được sử dụng là phần mềm HFSS v13. Sau khi mô phỏng được kết quả như sau:
Hình 4.4. Hệ số S11(dB) của anten metamaterial 2 cell
Từ hình vẽ ta thấy, mode cộng hưởng n = 0 tại 2 GHz. Đây chính là tần số bước sóng vô hạn. Nếu anten hoạt động ở tần số này thì ở các cell sóng là đồng pha (vector điện trường là cùng hướng với nhau) như hình mô phỏng sau:
Hình 4.5. Vector điện trường trên cấu trúc anten metamaterial 2 cell tại
Hình 4.6. Gain (dB) của anten metamaterial 2 cell trong mặt phẳng = 0
Ngoài ra vẫn ở tần số này, nếu tăng kích thước anten lên (tăng số lượng cell đơn vị) thì nó vẫn không đổi vì theo công thức sau:
L n n (n là số mode cộng hưởng) thì
không phụ thuộc vào L (chiều dài chu kỳ cell) hay không phụ thuộc vào N (số lượng cell). Thật vậy, tăng số lượng cell lên N = 4 ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.8. Vector điện trường trên anten metamaterial 4 cell tại
Có thể thấy rằng tần số vẫn không thay đổi và vector điện trường trên cả 4 cell vẫn đồng pha (tức là hỗ trợ bước sóng vô hạn).
Tuy nhiên, với anten có 4 cell thì gain của nó sẽ cao hơn gain của anten 2 cell.
Hình 4.9. Gain của anten metamaterial 4 cell trong mặt phẳng = 0
Do anten có 2 cell nên ngoài mode cộng hưởng n = 0 nó còn có 2 mode cộng hưởng nữa là n = 1 và n = -1. Thay n = -1 hoặc n = 1 vào (3.66) kết hợp với (3.65) ta tìm ra đuợc 2 tần số cộng hưởng ở mode âm và dương là f1 1.31 GHz và f1 = 2.78 GHz. Còn với anten có 4 cell thì ngoài mode cộng hưởng n = 0 nó còn có 6 mode cộng hưởng nữa là
, 1
của từng modelà: f1 1.69GHz, f2 1.42GHz, f3 1.15GHz, f1 2.47GHz, 97
. 2
2
f GHz, f3 3.32GHz. Như vậy, nếu ta tiếp tục tăng số lượng cell lên thì ta sẽ được nhiều mode cộng hưởng hay có thể nói anten này hoạt động được ở nhiều dải tần. Mode cộng hưởng âm (f < ) và dương (f > ) nghĩa là anten này hỗ trợ sóng ngược
0
(backward wave) và sóng thuận 0(forward wave).
Bây giờ sẽ xét đến trường hợp không có thành phần CL hay là Inductor – Loaded TL (g = 0). Với cấu hình anten loại này thì tần số bước sóng vô hạn cũng không thay đổi có chăng thì bị dịch đi một ít so với thiết kế, còn mode cộng hưởng khác chỉ có mode cộng hưởng dương (không hỗ trợ sóng nghịch) khác so với cấu hình anten CRLH TL là có cả mode cộng hưởng âm lẫn dương.
Hình 4.11. Hệ số S11 (dB) của anten Inductor-Loader TL 4 cell.
Có thể thấy tần số bị dịch tần chút ít tuy nhiên nó vẫn là tần số bước sóng vô hạn. Còn các mode cộng hưởng khác đều là mode cộng hưởng dương (f > ) không có mode cộng hưởng âm.
Và như vậy từ các kết quả trên có thể thấy, tần số bước sóng vô hạn không phụ thuộc vào cộng hưởng nối tiếp nó chỉ phụ thuộc vào cộng hưởng song song.
Đối với anten mạch dải thông thường như đã biết thì tần số cộng hưởng phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước của anten ví dụ như anten mạch dải hình chữ nhật ta có thể thấy qua công thức (2.5), (2.7) và (2.9). Vì vậy, khi thay đổi kích thước tần số cộng hưởng sẽ thay đổi. Qua đây, ta có thể thấy anten metamaterial đã khắc phục được nhược điểm này.
Nếu ta cần thiết kế ở dải tần khác thì chỉ cần thay đổi các thông số sau đây:
- Diện tích của cell. Nếu tăng diện tích của cell thì theo (4.2) sẽ làm tăng CR và theo (4.1) thì sẽ làm giảm tần số cộng hưởng song song.
- Bán kính của sợi trục. Nếu tăng bán kính theo (4.2) sẽ làm tăng LLvà theo (4.1) thì sẽ làm giảm tần số cộng hưởng song song.
- Hằng số điện môi. Nếu giảm hằng số điện môi sẽ làm giảm CRvào theo (4.1) sẽ làm tăng tần số cộng hưởng song song ngoài ra nó còn làm tăng cả băng thông nữa.
Để thấy rõ hơn ta sẽ thiết kế anten với các thông số như trên nhưng với giảm hằng số điện môi xuống còn là = 4.2. Khi đó tần số cộng hưởng sẽ tăng có thể thấy qua kết quả:
Hình 4.13. Hệ số S11 (dB) của anten metamaterial 4 cell ( = 4.2)
Tăng bán kính sợi trục lên r = 0.5mm. Theo (4.2) tính ra: LL = 0.45 nH. Và từ (4.1) tính ra = 2.1 GHz. Như vậy, tần số đã tăng lên so với trước. Dưới đây là kết quả đã được mô phỏng.
Hình 4.14. Hệ số S11 của anten 4 cell với r = 0.5mm
Có thể thấy rằng tần số có lệch đi chút so với tính toán = 2.16 GHz và có tăng lên so với ban đầu.
KẾT LUẬN CHUNG
Bằng cách thay đổi hẳn về chất liệu mà Metamaterial đã khắc phục được những hạn chế của công nghệ trước đây như siêu thấu kính làm bằng vật liệu metamaterial có độ phân giải cao hơn thấu kính thông thường nên nó có khả năng theo dõi được các tế bào ung thư …Về lĩnh vực anten, nó đã góp phần cải thiện được dải tần hẹp của anten mạch dải bằng cách nó có thể hoạt động được nhiều dải tần hơn và đặc biệt là có khả năng tăng gain mà không làm thay đổi tần số hoạt động điều này anten mạch dải thông thường không làm được. Thật vậy, như đã biết thì anten mạch dải có tần số hoạt động phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước vật lý; vì vậy khi tăng kích thước lên để tăng gain thì sẽ làm dịch tần số hoạt động. Trong phần đồ án đã phân tích và thiết kế sử dụng phân mềm Ansoft HFSS v13 và đã chỉ rõ được những lợi điểm trên.
Ngoài những đặc tính cơ bản trên, metamaterial có thể làm bộ chia mà mỗi cổng ra đều có pha là như nhau bằng cấu trúc CRLH. Với cách thức đó, ta có thể thiết kế và chế tạo khá đơn giản mà không cần phải điều chỉnh gì nhiều.
Trong quá trình thưc hiện làm đồ án mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được những lời nhận xét quý báu của các thầy, cô.
Một lần nữa em muốn gửi lời cảm ơn đến Cô ThS. Hoàng Thị Phương Thảo đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007
[2] Nguyễn Chương Đỉnh, Bùi Hữu Phú, Sử dụng phương pháp FDTD khảo sát anten vi dải, Tạp chí bưu chính viễn thông, 2008
[3] Thái Hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng và anten, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội,
[4] Vũ Đình Thành, Nguyễn Thanh Tâm, Trần Minh Tú, Thiết kế và thử nghiệm anten vi dải, Tạp chí bưu chính viễn thông.