5. Cấu trúc nội dung của luận án
3.3.2. Áp dụng cho anten mảng 4x4
Hình 3.34: Mô hình của một phần tử anten
a)
c)
b)
d)
Hình 3.35: Mô hình anten mảng: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c), mô hình tổng thể (d)
Trong phần này, một anten mảng với hệ số tăng ích được cải thiện thông qua việc sử dụng bề mặt phản xạ được trình bày. Về cơ bản, anten được thiết kế dựa trên việc tính toán các tham số trong phần 2.2.2. Bằng cách sử dụng các công thức trong [7], [79], luận án có thể tính được các tham số của anten. Mô hình của một phần tử anten và anten đề xuất lần lượt được hiển thị trong Hình 3.34 và Hình 3.35.
Bảng 3.11: Các tham số của một phần tử anten
Tham số wf lf wS lp wp y0
Giá trị (mm) 3.05 4.5 0.5 9 11 2
Mô hình anten gồm phần tử (16 4 x 4) và bộ chia công suất chữ T. Anten được thiết 15 kế trên vật liệu điện môi FR4 với chiều dày là 1.6 mm, hằng số điện môi = 4.4 và = 0.02. Khoảng cách giữa bề mặt phản xạ và anten là mm. Ở đây, khoảng cách giữa các 20 phần tử là xấp xỉ mm trong khi kích thước của anten là 25 120 x 130 mm 2.
3.3.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm a) Các kết quả mô phỏng a) Các kết quả mô phỏng
Để minh họa ảnh hưởng của cấu trúc siêu vật liệu trong việc cải thiện băng thông cho anten, luận án đã mô phỏng anten khi có và không có việc sử dụng cấu trúc đề xuất. Hình 3.36 minh họa sự khác nhau về băng thông của anten trong trường hợp có và không sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu.
Hình 3.36: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu Từ Hình 3.36 của luận án có thể thấy rằng băng thông của anten đã được cải thiện rất nhiều khi sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu. Bằng việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu ở lớp đất, những hốc cộng hưởng được hình thành. Điều này giúp tạo ra nhiều
mode cộng hưởng liên tiếp nhau. Kết quả là, băng thông của anten được cải thiện. Có thể thấy rằng hệ số phản xạ của anten trong trường hợp sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu là có ít nhất 3 mode cộng hưởng liên tiếp. Trong khi đó, với trường anten không sử dụng cấu trúc đề xuất, chỉ có một mode cộng hưởng duy nhất được hình thành. Vì vậy, băng thông của anten trong trường hợp không có cấu trúc đề xuất là rất nhỏ. Cụ thể, băng thông của anten đã tăng từ 140 MHz lên 1200 MHz. Hơn nữa, việc phối hợp trở kháng cũng được cải thiện. Vì vậy, anten có suy hao nhỏ hơn rất nhiều lần.
Hình 3.37 minh họa sự ảnh hưởng của bề mặt phản xạ tới hệ số tăng ích của anten. Từ Hình 3.37, có thể thấy rằng hệ số tăng ích của anten đã tăng từ 8 lên 11.5 dBi. Rõ ràng là có sự khác biệt không nhỏ giữa việc có và không có sử dụng bề mặt phản xạ. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng bề mặt phản xạ là một giải pháp tốt để cải thiện hệ số tăng ích cho anten.
Ở đây có sự khác biệt rất lớn giữa các đồ thị bức xạ khi có và không có bề mặt phản xạ. Khi không sử dụng bề mặt phản xạ, mức búp sóng phụ và sau của anten là rất lớn. Vì vậy, năng lượng tập trung cho búp sóng chính là rất thấp. Kết quả là, độ định hướng và hệ số tăng ích của anten là rất thấp. Độ lớn của búp sóng chính khi không có bề mặt phản xạ chỉ là 6.24 trong khi với trường hợp có bề mặt phản xạ thì con số này là 14.5. Thêm vào đó, mức búp sóng phụ cũng được giảm. Điều này có thể được lý giải là do việc tập trung năng lượng vào búp sóng chính đã cải thiện độ định hướng và hệ số tăng ích của anten. Tuy nhiên, sự trả giá khi sử dụng MRS đó là làm tăng kích thước và tính cồng kềnh của anten. Chính vì vậy, chúng ta cần phải cân nhắc kỹ lưỡng trước khi áp dụng giải pháp này.
Hình 3.37: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ
Chúng ta biết rằng, tần số cộng hưởng của anten được cho bởi phương trình (2.23) Từ phương trình (2.23), có thể thấy rằng tần số cộng hưởng của anten không phụ thuộc vào số lượng tế bào của cấu trúc siêu vật liệu ở lớp đất (vì nó không phụ thuộc vào giá trị và cụ
thể). Nó chỉ phụ thuộc vào tích của và . Do đó, luận án có thể tùy chọn với số lượng bất kỳ. Tuy nhiên, chúng ta cần nhớ rằng nếu số lượng tế bào là quá lớn thì điều này sẽ dẫn đến tăng độ phức tạp của anten. Do đó, việc chế tạo sẽ khó khăn hơn. Đồng thời, thời gian để hoàn thành một tác vụ cũng sẽ tăng lên. Vì vậy, luận án phải chọn làm sao để đạt được kết quả tối ưu nhất về mọi phương diện. Để minh họa việc này, luận án đã mô phỏng anten với một tế bào. Hình 3.38 biểu diễn mô hình của một tế bào cấu trúc có tính chất siêu vật liệu trong khi Bảng 3.12 hiển thị các tham số tương ứng của nó.
Hình 3.38: Mô hình một tế bào
Bảng 3.12: Các tham số của mô hình một tế bào
Tham số wg lg wr dr wmtm
Giá trị (mm) 115 115 15 8 17.5
Hình 3.39 biểu diễn các tham số của anten với một tế bào. Quan sát Hình 3.39 có thể thấy rằng băng thông của anten với một tế bào chỉ khoảng 400 MHz. Mặc dù hiệu suất của anten là khá cao, khoảng 85% nhưng hệ số tăng ích của anten chỉ là 6.5 dBi. Rõ ràng là mặc dù số lượng tế bào không ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng nhưng nó ảnh hưởng đến các tham số của anten. Vì vậy, luận án cũng cần tính toán số lượng tế bào sao cho các tham số của anten là tốt nhất có thể.
a) b)
Vì lý do đó, luận án đã chọn số lượng tế bào là và kết quả mô phỏng các tham số của 9 anten lần lượt được hiển thị trong Hình 3.40 và Hình 3.41.
Từ các Hình 3.40 và Hình 3.41 có thể thấy rằng băng thông của anten là 1.2 GHz trong khi hệ số tăng ích của anten là hơn 11.5 dBi. Hơn nữa, anten có hiệu suất cao trên 85%. Chúng ta biết rằng những nhược điểm của anten vi dải là băng thông hẹp, hệ số tăng ích và hiệu suất thấp. Do đó, để đạt được kết quả như trên cho thấy các tham số của anten đã được cải thiện đáng kể. Bên cạnh đó, băng thông và hiệu suất của anten là luôn tỉ lệ nghịch với nhau [7]. Vì vậy, bằng cách tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp nhau, luận án vẫn duy trì hiệu suất cao cho anten trong khi băng thông vẫn được mở rộng.
a)
(b) (c)
Hình 3.42 biểu diễn phân bố dòng của anten trong hai trường hợp không có và có bề mặt phản xạ. Vì bề mặt phản xạ có tác dụng phản xạ những búp sóng phụ lên trên để tập trung cho búp sóng chính. Do đó, việc sử dụng bề mặt phản xạ không ảnh hưởng nhiều đến phân bố dòng của anten. Vì vậy, sự khác nhau giữa trường hợp có và không có bề mặt phản xạ là không đáng kể.
Hình 3.43 biểu diễn sự khác nhau của đồ thị bức xạ anten khi có và không có bề mặt phản xạ. Rõ ràng là hầu hết các tham số của anten như độ lớn búp sóng chính, độ định hướng, mức búp sóng phụ đã được cải thiện đáng kể khi anten sử dụng bề mặt phản xạ. Cụ thể như, độ lớn của búp sóng chính đã tăng từ 6.24 lên 14.5. Hơn nữa, mức búp sóng phụ được giảm từ −1.5 dB xuống còn −6.2 dB. Bên cạnh đó, độ định hướng cũng đã được cải thiện. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng bề mặt phản xạ cũng là một trong những giải pháp tốt đề cải thiện hệ số tăng ích và độ định hướng cho anten.
Hình 3.41: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất
a) b)
Hình 3.42: Phân bố dòng của anten: (a) không có bề mặt phản xạ; (b) có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz
a) b)
Hình 3.43: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz
b) Các kết quả đo kiểm
Hình 3.44 minh họa anten được chế tạo. Anten được chế tạo trên 4 với chiều dày là 1.6 mm, hằng số điện môi là 4.4, = 0.02. Kích thước của antena là 120 x 130 mm. Anten gồm phần tử (4 x 4) và bộ chia công suất. 16 15
Hình 3.45 hiển thị kết quả đo kiểm hệ số phản xạ của anten đề xuất và nó được so sánh với kết quả mô phỏng. Ở đây, đã có sự sai số nhất định giữa kết quả mô phỏng và đo lường. Nguyên nhân có thể là do sai số trong quá trình chế tạo bởi sự chính xác khi sử dụng công nghệ ăn mòn là không cao. Ngoài ra, trong thiết kế này lớp điện môi FR4 được sử dụng. Đây là loại đế điện môi có giá thành rẻ và có suy hao lớn, hằng số điện môi thực tế lệch so với công bố thậm chí không đồng đều trong toàn tấm sẽ ảnh hưởng đến sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và đo. Tuy nhiên, băng tần hoạt động của anten vẫn được đảm bảo. Vì vậy, kết quả này có thể chấp nhận được.
tương ứng với tỉ lệ phần trăm băng thông là 19%. Chúng ta biết rằng, với anten vi dải thông thường thì tỉ lệ phần trăm băng thông chỉ là 7 − 8%. Rõ ràng là băng thông của anten đã được cải thiện đáng kể. Thêm vào đó, anten có suy hao thấp và điều này cho thấy anten được phối hợp trở kháng khá tốt.
a)
b)
Hình 3.44: Mô hình anten được chế tạo: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c), mô hình tổng thể (d)
Hình 3.45: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất