5. Cấu trúc nội dung của luận án
3.4. Kết luận chương 3
Trong chương này, những nghiên cứu về việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng thông qua giải pháp DSS được trình. Bằng cách sử dụng DSS, không chỉ băng thông và hiệu suất của anten được cải thiện, mà hệ số tăng ích và độ định hướng cũng được cải thiện. Bên cạnh đó, luận án cũng đã tổng hợp một số tính chất của DSS
như tăng cường hệ số sóng chậm, tạo ra các hốc cộng hưởng và phân bố lại dòng. Đây chính là những tính chất quan trọng để cải thiện một số tham số cho anten. Thêm vào đó, một cấu trúc có tính chất siêu vật liệu mới cũng được đề xuất để cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 2 x 2. Cấu trúc đề xuất là cấu trúc đồng phẳng và nhỏ gọn, vì vậy nó dễ dàng cho việc chế tạo. Thông qua cấu trúc đề xuất, một số tham số của anten mảng được cải thiện như băng thông, hệ số tăng ích và độ định hướng
Hơn nữa, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng việc sử dụng bề mặt phản xạ cũng được đề cập trong chương này. Ở đây, bề mặt phản xạ bao gồm một bề mặt lựa chọn tần số (Frequency Selecting Surface-FSS) dựa trên một tấm điện môi và mặt phẳng đất. Bằng cách sử dụng sơ đồ tương đương, luận án có thể tính được tần số cộng hưởng của FSS. Việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten trong trường hợp này được thực hiện bằng cách khi sóng được bức xạ ra ngoài không gian, những búp phụ và búp ngược ở bên dưới lớp đất sẽ được phản xạ ngược trở lại thông qua bề mặt phản xạ. Khi đó, hệ số tăng ích và độ định hướng của anten được cải thiện. Tất cả các giải pháp đều được mô hình hóa bằng sơ đồ tương đương
KẾT LUẬN
Trong luận án này, một số giải pháp cải thiện băng thông và hệ số tăng ích cho anten mảng được trình bày. Về mặt lý thuyết, luận án đã tổng hợp và phân tích nguyên lý của việc cải thiện băng thông dựa trên việc sử dụng cấu trúc siêu vật liệu và nhiều tầng điện môi. Đây là những nguyên lý quan trọng để phát triển các giải pháp mới cho việc cải thiện tham số cho anten mảng. Ở đây, vấn đề mấu chốt để mở rộng băng thông cho anten là phải tạo ra các hốc cộng hưởng liên tiếp nhau. Điều này không chỉ mở rộng băng thông cho anten mà còn giúp anten duy trì một hiệu suất cao. Dựa trên nguyên lý này, luận án đã đề xuất một cấu trúc có tính chất siêu vật liệu và cấu trúc EBG. Những cấu trúc đề xuất lần lượt được áp dụng cho các anten mảng 4 x 4 tại các dải tần từ 7.9 đến 8.4 GHz và GHz. Với anten sử dụng 11 cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất, không chỉ băng thông của anten đã tăng từ 100 MHz lên 1100 MHz mà hệ số tăng ích cũng đã tăng từ 6.1 dBi lên 11.2 dBi. Rõ ràng là nhiều tham số của anten đã được cải thiện đồng thời khi sử dụng cấu trúc đề xuất. Tương tự như vậy với anten sử dụng cấu trúc EBG đề xuất khi hệ số tăng ích của anten đạt 11.5 dBi trong khi băng thông của anten đạt 1400 MHz. Bên cạnh đó, giải pháp cải thiện băng thông cho anten bằng cách tăng chiều dày của lớp điện môi thông qua việc sử dụng nhiều tầng điện môi cũng đã được trình bày trong luận án.
Trong khi đó, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten có thể được thực hiện dựa trên việc phân bố lại dòng và sử dụng bề mặt phản xạ. Nếu như việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng bề mặt phản xạ dựa trên những búp sóng ngược và phụ ở bên dưới lớp đất được phản xạ lên trên thông qua bề mặt phản xạ thì việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu cải thiện hệ số tăng ích cho anten thông qua việc phân bố lại dòng bề mặt. Dựa trên những nguyên lý này, một giải pháp Defected Substrate Structure (DSS) đã được đề xuất để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Hơn nữa, một số tính chất cơ bản của DSS như: cải thiện hệ số sóng chậm, tạo ra hốc cộng hưởng, phân bố lại dòng cũng đã được trình bày trong luận án. Giải pháp DSS đã được áp dụng để cải thiện các tham số cho một anten mảng lưỡng cực nửa bước sóng. Anten đề xuất được thiết kế tại tần số trung tâm GHz. Chúng ta biết rằng 10 việc cải thiện đồng thời các tham số cho anten là không dễ dàng bởi băng thông và hiệu suất của anten luôn tỉ lệ nghịch với nhau. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng DSS, các tham số của anten như băng thông, độ định hướng, hiệu suất và hệ số tăng ích đã được cải thiện đáng kể. Hơn nữa, kích thước của anten cũng được giảm nhỏ. Những kết quả đạt được (hệ số tăng ích của anten đạt 12.35 dBi, tỉ lệ phần trăm băng thông đạt 22% trong khi hiệu suất của anten đạt 92%) đã cho thấy được sự ưu việt của giải pháp đề xuất. Ngoài ra, việc thiết kế anten
với hệ số tăng ích được cải thiện thông qua việc sử dụng bề mặt phản xạ cũng được đề cập trong luận án này. Tất cả được phân tích và mô hình hóa thông qua sơ đồ mạch tương đương . Đồng thời, để chứng minh việc ảnh hưởng của các giải pháp đề xuất, luận án có so sánh các tham số của anten trong trường hợp có và không có phương án đề xuất. Các kết quả phân tích, tính toán và thiết kế được thực hiện thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm CST Studio Suite cũng như được kiểm chứng bằng các kết quả đo thực nghiệm. Những mô hình anten được thiết kế trong luận án đã chứng minh được tính khả thi và có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay.
Đóng góp khoa học của luận án
Luận án đã có những đóng góp khoa học như sau:
1. Đề xuất và thực hiện thiết kế hai cấu trúc siêu có tính chất vật liệu để cải thiện tham số cho anten. Những cấu trúc đề xuất là những cấu trúc phẳng và dễ dàng cho việc chế tạo. Những cấu trúc này không chỉ được áp dụng để cải thiện băng thông, mà nó còn được áp dụng để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Đồng thời, luận án cũng đã tổng hợp và phân tích nguyên lý để cải thiện băng thông cho anten dựa trên việc tạo ra các hốc cộng hưởng liên tiếp. Những anten đề xuất được thiết kế cho các ứng dụng băng C, X đã được phân tích, thiết kế, chế tạo và đo kiểm. Các kết quả mô phỏng và đo lường cho thấy anten có thể đáp ứng được cho các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay.
2. Đề xuất giải pháp Defected Substrate Structure để cải thiện đồng thời nhiều tham số cho anten. Việc sử dụng DSS không chỉ tạo ra các hốc cộng hưởng liên tiếp để mở rộng băng thông cho anten, mà nó còn phân bố lại dòng bề mặt cho anten. Kết quả là, băng thông, hệ số tăng ích, hiệu suất và độ định hướng được cải thiện. Hơn nữa, việc sử dụng DSS còn tăng cường hệ số sóng chậm cho anten, và điều này dẫn đến việc giảm nhỏ kích thước của anten. Giải pháp DSS được áp dụng cho một anten mảng được thiết kế tại tần số trung tâm 10 GHz. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm đã kiểm chứng được tính khả thi của giải pháp đề xuất cũng như anten đề xuất.
3. Đề xuất và thực hiện thiết kế một cấu trúc EBG mới để cải thiện băng thông cho anten. Cấu trúc được áp dụng cho một anten mảng được thiết kế cho các ứng dụng băng . Việc sử dụng cấu trúc EBG đề xuất đã cải thiện đáng kể băng thông cho anten trong khi hiệu suất của anten vẫn đạt được ở mức cao. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm cho thấy anten đã đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay.
Hướng phát triển của luận án
- Áp dụng các kỹ thuật để cải thiện tham số cho các anten đa băng.
- Nghiên cứu các giải pháp để cải thiện mức búp sóng phụ và tương hỗ giữa các phần tử anten.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
A. Tạp chí
1. Vu Van Yem and Nguyen Ngoc Lan, (2018) “Gain and Bandwidth Enhacement of Array Antenna Using Novel Metamaterial Structure,” Journal of Communications, vol 13, No3, pp. 101-107, ISSN: 1796-2021, DOI: 10.12720/jcm.13.3.101-107 (Q4). 2. Nguyen Ngoc Lan and Vu Van Yem, (2017), “Dipole Shaped Array Antenna with
Defected Substrate Structure,” International Journal of Advances in Engineering & Technology, Volume 10, Issue 4, pp. 463-472, ISSN: 2231-1963
3. Nguyen Ngoc Lan, To Thi Thao and Vu Van Yem, (2017) “Gain and Bandwidth Enhancement for Array Antenna by using Multi Substrate Layers and EBG Structure,” Journal of Military Science and Technology, Issue 50.
4. Nguyen Ngoc Lan and Vu Van Yem, (2018), “A Novel Reconfigurable Array
Antenna Using Metamaterial Structure,” Journal of Science & Technology Technical Universities, No 123C/2017, pp 26-31, ISSN: 2354-1083.
B. Hội thảo
1. Nguyen Ngoc Lan, Pham Trung Minh, Nguyen Trong Duc, Vu Van Yem and Bernard Journet, (2016), “Bandwidth and Gain Enhancement for Reconfigurable Antenna Array using Metamaterial Structure,” International Conference on Communications and Electronics, July 27 – 29, Ha Long, Vietnam
2. Nguyen Ngoc Lan, Duong Thi Thanh Tu and Vu Van Yem, (2015), “X-band Broadband Array Antenna Design for Radar Applications Using Defected Ground Structure (DGS),” 2015 Vietnam-Japan Microwave, August 10-11, Ho Chi Minh City, Vietnam
3. Nguyen Ngoc Lan, Vu Van Yem, Bernard Journet, Lam Hong Thach and Trinh Thi Huong, (2015), “Frequency Reconfigurable Array Antenna Design using DGS,” National Conference on Electronics, Communications and Information Technology, December 10- 11, Ho Chi Minh City, Vietnam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đặng Như Định, (2017), Nghiên cứu phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viện của siêu vật liệu., Đại học Bách khoa Hà Nội.
[2] Huỳnh Nguyễn Bảo Phương, (2014), Nghiên cứu phát triển cấu trúc ebg ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới., Đại học Bách khoa Hà Nội.
[3] Lê Trọng Trung, (2016), Nghiên cứu, phát triển anten vi dải kích thước nhỏ băng thông siêu rộng., Học viện Kỹ thuật Quân sự.
[4] Nguyễn Khắc Kiểm, (2016), Nghiên cứu và phát triển anten MIMO cho các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới., Đại học Bách khoa Hà Nội.
[5] Al-Tarifi Muhannad A.,, Dimitris E. Anagnostou,, Anthony K. Amert, et al., (2013),
“Bandwidth enhancement of the resonant cavity antenna by using two dielectric superstrates.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 4, pp. 1898–1908.
[6] Arya Ashwini K.,, M.V. Kartikeyan, and A. Patnaik, (2010), “Defected Ground Structure in the perspective of Microstrip Antennas: A Review,” in Frequenz, vol. 64, no. 5–6, pp. 79–84, , pp. 79–84.
[7] Balanis Constantine A., (2016), Antenna theory: Analysis and Design. Wiley. [8] Bao Lu, Xi Gong, Jin Ling Hong Wei Yuan, (2009), “Radar Cross-section Reduction
of Antennas Using a Stop-band Frequency Selective Surface.,” Microwave Journal. [9] Bardi Istvan,, Richard Remski,, David Perry, et al., (2002), “Plane wave scattering
from frequency-selective surfaces by the finite element method.,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 38, no. 2, pp. 641–644.
[10] Barlevy Alon S., and Yahya Rahmat-Samii, (2001), “Characterization of electromagnetic band-gaps composed of multiple periodic tripods with interconnecting vias: Concept, analysis, and design.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 49, no. 3, pp. 343–353.
[11] Bingham Christopher M.,, Hu Tao,, Xianliang Liu, et al., (2008), “Planar wallpaper group metamaterials for novel terahertz applications.,” Optics Express, vol. 16, no. 23, p. 18565.
[12] Bird T. S., and Y. J. Guo, (2012), “High-Gain Planar Antenna Arrays for Mobile Satellite Communications [Antenna Applications Corner].,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 54, no. 6, pp. 256–268.
[13] Chaimool S., (2010), “Simultaneous Gain and Bandwidths Enhancement of A
Single-feed Circularly Polarized Microstrip Patch Antenna using A Metamaterial Reflective Surface.,” Progress In Electromagnetics Research B, vol. 22, pp. 23–37. [14] Charles Baily Steven Pollock and Michael Dubson, “Complex Plane Waves.,”
http://www.colorado.edu/physics/EducationIssues/Electrodynamics/tutorials/11- Complex Plane Waves.pdf.
[15] Chen Hou-Tong,, John F. O’Hara,, Antoinette J. Taylor, et al., (2007), “Complementary planar terahertz metamaterials.,” Optics Express, vol. 15, no. 3, p. 1084.
[16] Chen Xudong,, Tomasz M. Grzegorczyk,, Bae Ian Wu, et al., (2004), “Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials.,” Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, vol. 70, no. 1 2, pp. 1–7. [17] Cheung S. W.,, Q. L. Li,, Di Wu, et al., (2016), “Microwave lens using multi-layer
substrates for antenna gain enhancement.,” 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2016, , pp. 12–15.
[18] Chieh Jia Chi Samuel, and Anh Vu Pham, (2013), “A bidirectional microstrip x- band antenna array on liquid crystal polymer for beamforming applications.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 6, pp. 3364–3368.
[19] Chin Kuo Sheng,, Wen Jiang,, Wenquan Che, et al., (2014), “Wideband LTCC 60- GHz antenna array with a dual-resonant slot and patch structure.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 1, pp. 174–182.
[20] Christophe Caloz; Tatsuo Itoh, (2005), Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave - The Engineering Approach. .
[21] D. Singh, A. Kumar, S. Meena and V. Agarwala, (2012), “Analysis of Frequency Selective Surfaces for Radar Absorbing Materials.,” Progress In Electromagnetics Research B, vol. 38, no. February, pp. 297–314.
[22] Das Lipsa,, Abhishek Sahoo,, Diptimayee Konhar, et al., (2013), “A planar monopole antenna with DGS for bandwidth enhancement and U-slot for band-notch characteristics.,” 2013 IEEE Conference on Information and Communication Technologies, ICT 2013, no. Ict, pp. 977–980.
[23] David M. Pozar Daniel H. Schaubert, (1995), Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays. New York: IEEE Antennas and Propagation Society, Sponsor.
[24] Deschamps G.A., (1953), “Microstrip Microwave Antennas,” in 3rd USAF Symposium on Antennas.
[25] E. M. Lifshitz, L. D. Landau and L. P. Pitaevskii., (1984), Electrodynamics of Continuous Media, Volume 8. Butterworth-Heinemann.
[26] E. Ozbay, A. Abeyta, G. Tuttle, M. Tringides, R. Biswas, C. T. Chan C. M., and and K. M. Ho Soukoulis, (1994), “Measurement of a three-dimensional photonic band gap in a crystal structure made of dielectric rods.,” Physis Review B, vol. 50, no. July, pp. 1945–1949.
[27] Fallahi Arya,, Matthew Mishrikey,, Christian Hafner, et al., (2008), “Efficient procedures for the optimization of frequency selective surfaces.,” IEEE Transactions
on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 5, pp. 1340–1349.
[28] Fan Yang Yahya Rahmat-Samii, (2009), Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engineering. Cambridge University Press.
[29] Fang Dg, (2009), Antenna theory and microstrip antennas. CRC Press.
[30] Filippo Costa; Agostino Monorchio, (2012), “A Frequency Selective Radome With Wideband Absorbing Properties.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 6, pp. 2740–2747.
[31] Garcia-Aguilar Andrés,, José-Manuel Inclan-Alonso,, Lucía Vigil-Herrero, et al.,
(2012), “Low-Profile Dual Circularly Polarized Antenna Array for Satellite Communications in the X Band.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 5, pp. 2276–2284.
[32] Garcia-Valverde D.,, J. L. Masa-Campos,, P. Sanchez-Olivares, et al., (2013), “Linear Patch Array over Substrate Integrated Waveguide for Ku-Band.,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 257–260.
[33] Garg Ramesh, (2001), “Microstrip Antenna Design Handbook,” , p. 8452001. Artech House, London, , p. 845, 2001.
[34] Genovesi S.,, F. Costa, and A. Monorchio, (2012), “Low-profile array with reduced radar cross section by using hybrid frequency selective surfaces.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 5, pp. 2327–2335.
[35] Girish Kumar K. P. Ray, (2003), Broadband Microstrip Antennas. Artech House. [36] Guan Dong Fang,, Zu Ping Qian,, Ying Song Zhang, et al., (2014), “Novel SIW
cavity-backed antenna array without using individual feeding network.,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 423–426.
[37] Gulam Nabi Alsath Mohammed, and Malathi Kanagasabai, (2016), “Ultra-wideband grid array antenna for automotive radar sensors.,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 10, no. 15, pp. 1613–1617.
[38] Guo Tongfeng,, Wen Leng,, Anguo Wang, et al., (2014), “A Novel Planar Parasitic Array Antenna With Frequency-and Pattern-Reconfigurable Characteristics.,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, no. 1, pp. 1569–1572.
[39] Gupta Samir Dev, and M. C. Srivastava, (2012), “Multilayer microstrip antenna
quality factor optimization for bandwidth enhancement.,” Journal of Engineering Science and Technology, vol. 7, no. 6, pp. 756–773.
[40] Hai-Wen Liu, Zheng-Fan Li, Xiao-Wei Sun, Satoshi Kurachi, Jia Chen and Toshihiko
Yoshimasu, (2007), “Theoretical Analysis of Dispersion Characteristics of Microstrip Lines with.,” Journal of Active and Passive Electronec Devices, vol. 2, pp. 315–322.
[41] Han Zi-Jian,, Wei Song, and Xin-Qing Sheng, (2017), “Gain Enhancement and RCS Reduction for Patch Antenna by using Polarization-Dependent EBG Surface.,” IEEE
Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 1, no. c, pp. 1–1. [42] Hartley Rick,RF / Microwave PC Board Design and Layout. .
[43] Hua Di,, Shi Shan Qi,, Wen Wu, et al., (2016), “CPW-Fed Printed Antenna Array With Conical Beam.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 3, pp. 1096–1100.
[44] Jackson J. D., (1998), Classical Electrodynamics. New York: Wiley.
[45] Jeong Keun Ji,, Gi Ho Kim, and Won Mo Seong, (2010), “Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-Handed Transmission Line.,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, pp. 36–39.
[46] Jiang Hao,, Zhenghui Xue,, Weiming Li, et al., (2016), “Low-RCS high-gain partially reflecting surface antenna with reconfigurable ground plane.,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 9, pp. 4127–4132.
[47] John L. Volakis, Chi-Chili Chen K yohei Fujimoto, (2010), Small Antennas: Miniaturization Techniques & Applications. Mc Graw Hill.
[48] Kanaujia Binod K., and Babau R. Vishvakarma, (2006), “Reactively loaded annular ring microstrip antenna for multi-band operation.,” Indian Journal of Radio and Space Physics, vol. 35, no. 2, pp. 122–128.
[49] Khandelwal Mukesh Kumar,, Binod Kumar Kanaujia, and Sachin Kumar, (2017), “Defected Ground Structure : Fundamentals , Analysis , and Applications in Modern Wireless Trends.,” International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2017. [50] Kim D,, M Zhang,, J Hirokawa, et al., (2014), “Design and Fabrication of a Dual-
Polarization Waveguide Slot Array Antenna With High Isolation and High Antenna Efficiency for the 60 GHz Band.,” Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 62, no. 6, pp. 3019–3027.
[51] Kim Ilkyu, and Yahya Rahmat-samii, (2015), “Electromagnetic band gap-dipole sub-array antennas creating an enhanced tilted beams for future base station.,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 9, no. August 2014, pp. 319–327.