5. Cấu trúc nội dung của luận án
3.2.3. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4x4 bằng Defected Substrate Structure
Phân tích thiết kế
Để kiểm chứng cho giải pháp DSS mà luận án đã đề xuất, luận án sẽ áp dụng giải pháp này cho một mảng anten lưỡng cực (dipole) được thiết kế trên vật liệu Roger 4350B với các tham số: ℎ = 1.524 mm, = 3.66, = 0.0037. Ở đây, lưỡng cực được áp dụng là loại lưỡng cực nửa bước sóng.
Hình 3.3 hiển thị cấu trúc của anten đề xuất trong khi mô hình chi tiết được minh họa trong Hình 3.4. Mô hình của anten đề xuất gồm một mảng anten ở mặt trên, lớp điện môi thứ nhất, lớp điện môi thứ 2 với DSS và lớp đất. Ở đây, cả hai lớp điện môi đều là Roger 4350B.
Hình 3.3: Mô hình của anten đề xuất với DSS
a)
b)
Hình 3.4: Mô hình của anten đề xuất: anten mảng và lớp điện môi thứ nhất (a); lớp điện môi thứ hai với DSS và lớp đất (b)
Kích thước của anten mảng là 120 x 125 mm trong khi chiều dài của mỗi phần tử lưỡng cực là xấp xỉ /2 với là bước sóng trong không gian tự do. Ở đây, khoảng cách giữa các phần tử là khoảng 20 mm (tính từ tâm của anten).
Hình 3.5 biểu diễn mô hình của mỗi phần tử và bộ chia công suất chữ T.
Để phối hợp trở kháng cho bộ chia công suất, những bộ chuyển đổi /4 được sử dụng. Khi đó, trở kháng của nó được cho bởi:
= (3.9)
Ở đây, là Ohm, 50 là 100 Ohm. Do đó, trong trường hợp này sẽ là xấp xỉ 70.7 Ohm. Cuối cùng, trở kháng của đường truyền được cho bởi [23]:
= ∙ + nếu /w h < 1 (3.10)
hoặc = ∙
. . ∙ . nếu / > 1w h (3.11) Bằng cách áp dụng các biểu thức ở trên, luận án đã tính ra được các tham số của bộ chia công suất cũng như kích thước của một phần tử dipole. Bảng 3.2 và Bảng 3.3 lần lượt hiển thị một số tham số của bộ chia công suất và tham số của một phần tử dipole.
a) b)
Hình 3.5: (a) Mô hình của một phần tử lưỡng cực; (b) Mô hình của bộ chia công suất Bảng 3.2: Các tham số của bộ chia công suất
Tham số W50 W70 W100
/4
l
Giá trị (mm) 3.45 1.9 0.88 8.5
Bảng 3.3: Các tham số của một phần tử dipole
Tham số wf lf ld ldipole1 ldipole2 x Giá trị (mm) 3.45 4 9.5 18 3 1
Các kết quả mô phỏng và đo kiểm - Các kết quả mô phỏng
Để chứng minh cho giải pháp DSS đề xuất, đầu tiên luận án sẽ so sánh các tham số của anten trong các trường hợp: sử dụng hai tầng điện môi, sử dụng hai tầng điện môi với DGS, và sử dụng hai tầng điện môi với DSS. Ở đây, các tầng điện môi được sử dụng là Roger 4350B với các tham số: ℎ = 1.524 mm, = 3.66, = 0.0037.
Hình 3.6: Hệ số phản xạ của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS
Đầu tiên, Hình 3.6 hiển thị hệ số phản xạ của anten trong ba trường hợp trên. Từ Hình 3.6 của luận án có thể thấy rằng băng thông với DSS là lớn nhất (hơn GHz) trong khi băng 2 thông của anten không có DSS và hai tầng điện môi chỉ lần lượt là 630 và 330 MHz. Rõ ràng là băng thông của anten đã được cải thiện đáng kể khi sử dụng DSS. Trong trường hợp hai tầng điện môi, băng thông của anten được mở rộng dựa trên việc tăng chiều dày điện môi. Vì vậy, việc cải thiện này không nhiều. Do đó, băng thông của anten trong trường hợp này chỉ là 330 MHz. Với trường hợp hai tầng điện môi và DGS (không có DSS), mặc dù băng thông của anten được cải thiện tốt hơn trường hợp hai tầng điện môi (630 MHz), tuy nhiên giá trị này vẫn nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp sử dụng DSS. Bằng việc sử dụng DSS ở tầng điện môi thứ hai, các hốc cộng hưởng liên tiếp được tạo thành. Thêm vào đó, việc sử dụng hai tầng điện môi cũng góp phần làm mở rộng băng thông. Kết quả là, băng thông của anten đạt giá trị lớn nhất với 1.1 GHz.
Hình 3.7 minh họa hệ số tăng ích của anten trong ba trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS. Từ kết quả mô phỏng hệ số tăng ích của anten trong các trường hợp trên, có thể thấy rằng trong khi hệ số tăng ích của anten trong các trường hợp hai tầng điện môi và không có DSS chỉ lần lượt là 8.6 và 9.5 dBi, thì giá trị
này của anten với DSS là 12.35 dBi. Rõ ràng là có sự khác biệt rất lớn giữa các hệ số tăng ích của anten trong các trường hợp trên. Trong trường hợp hai tầng điện môi, hiệu suất của anten sẽ được cải thiện bởi hằng số điện môi hiệu dụng được giảm do tăng chiều dày của lớp điện môi [47]. Kết quả là hệ số tăng ích của anten được cải thiện. Tuy nhiên, sự cải thiện này là không nhiều bởi việc tăng chiều dày tầng điện môi là không đáng kể. Vì vậy, giải pháp này không phải là giải pháp hữu hiệu để cải thiện tăng ích cho anten.
Hình 3.7: Hệ số tăng ích của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS
a) b) c)
Hình 3.8: Phân bố dòng anten với vật liệu Roger4350B trong ba trường hợp: 2 tầng điện môi (a); 2 tầng điện môi với DGS (b); 2 tầng điện môi với DSS (c) tại tần số 10 GHz
Với trường hợp không có DSS (hai tầng điện môi và DGS), mặc dù có sự phân bố lại dòng, tuy nhiên sự tăng cường trong giao thoa là chưa nhiều. Do đó, hệ số tăng ích của anten là không cao (9.5 dBi). Khi sử dụng DSS, sự phân bố lại dòng dựa trên hiện tượng giao thoa đã mang lại kết quả tốt nhất khi hệ số tăng ích của anten đạt 12.35 dBi. Như đã được nhắc trong phần trên, vấn đề mấu chốt của sự phân bố lại dòng đó là sự dịch pha. Để có được sự
tăng cường trong giao thoa, sự dịch pha sẽ phải là bội số chẵn của . Đối với trường hợp này, cần tập trung càng nhiều dòng càng tốt. Ngược lại, cần một sự hạn chế các dòng bề mặt ở những nơi mà sự dịch pha là bội số lẻ của bởi tại những nơi này, sự triệt tiêu trong giao thoa sẽ xảy ra. Kết quả là, độ định hướng và hệ số tăng ích của anten sẽ không được cải thiện. Điều này được thể hiện qua hình ảnh phân bố dòng của anten với ba trường hợp trong Hình 3.8.
Từ Hình 3.8 của luận án có thể thấy rằng trong khi phân bố dòng của anten với hai tầng điện môi và hai tầng điện môi với DGS là khá dàn trải trên toàn mặt anten thì phân bố dòng của anten với DSS được tập trung tại một điểm. Điều này đã dẫn đến cải thiện hệ số định hướng và hệ số tăng ích cho anten.
a) b)
c)
Hình 3.9: Sự khác biệt về đồ thị của anten trong ba trường hợp: (a) hai tầng điện môi, (b) không có DSS, (c) DSS tại tần số 10 GHz
Hình 3.9 minh họa sự khác biệt về đồ thị bức xạ của anten ở dạng 3D và đồ thị cực trong ba trường hợp: hai tầng điện môi, không có DSS và có DSS.
Rõ ràng là có một sự khác biệt không nhỏ giữa các đồ thị bức xạ của anten trong các trường hợp trên. Trong trường hợp anten với hai tầng điện môi Hình 3.9(a), đồ thị bức xạ có
độ định hướng là rất thấp. Bên cạnh đó, mức búp sóng phụ là rất cao.
Điều này có thể lý giải là do anten không có sự phân bố lại dòng, nên gần như các dòng bề mặt được phân bố đều trên anten. Việc này dẫn đến việc có nhiều búp sóng phụ và ngược. Kết quả là, độ định hướng của anten trong trường hợp này sẽ là rất thấp. Trong trường hợp anten với hai tầng điện môi và DGS (không có DSS), mặc dù độ định hướng và mức búp sóng phụ của anten đã được cải thiện, tuy nhiên mức búp sóng phụ vẫn còn lớn. Vì vậy, độ lớn của búp sóng chính là còn nhỏ. Do đó, kết quả này vẫn không tốt. Với trường hợp DSS, có thể thấy rằng đồ thị bức xạ của anten có độ định hướng cao và điều này được thể thiện qua góc dB của anten là 3 17.2 độ và độ lớn của búp sóng chính là 17.5. Trong khi với các trường hợp khác, độ lớn của búp sóng chính chỉ lần lượt là 7.56 và 9.08. Thêm vào đó, mức búp sóng phụ của anten với DSS là −8 dB và giá trị này là thấp hơn nhiều so với hai trường hợp còn lại.
Hình 3.10: Hiệu suất của anten trong các trường hợp mô phỏng
Hình 3.10 minh họa hiệu suất của anten trong ba trường hợp: 2 tầng điện môi, 2 tầng điện môi và DGS, 2 tầng điện môi và DSS. Về hiệu suất của anten, không có sự chênh lệch lớn giữa các trường hợp. Tuy nhiên, anten với DSS vẫn đạt hiệu suất lớn nhất với 93.2%. Các trường hợp khác là thấp hơn một chút.
Bên cạnh đó, để minh họa việc ảnh hưởng của vật liệu điện môi tới các tham số của anten, luận án mô phỏng anten trên vật liệu điện môi FR4 với các tham số ℎ = 1.6 mm, = 4.4, = 0.02. Hình 3.11 minh họa mô hình của DSS trong khi Bảng 3.4 hiển thị các tham số của chúng. Ở đây, khoảng cách giữa các khối “ ” là mm trong khi khoảng + 35 cách giữa khối “ ” và “I” là + 39.3 mm.
Chúng ta biết rằng hằng số điện môi 4350 là 3.66 trong khi tham số này của 4 là 4.4. Rõ ràng là có sự khác biệt không nhỏ giữa hằng số điện môi của 4350 và 4. Vì vậy, có sự khác nhau ở các giá trị của cấu trúc DSS khi sử dụng 4350 và 4 là điều dễ hiểu. Bảng 3.5 minh họa các tham số của một phần tử với 4.
Hình 3.11: Mô hình của DSS với tấm điện môi FR4
Việc so sánh các tham số của một phần tử khi sử dụng 4350 và 4 được minh
họa trong Bảng 3.3 và Bảng 3.5. Có thể thấy rằng kích thước của phần tử anten với 4350 là lớn hơn kích thước của anten với 4. Điều này hoàn toàn dễ hiểu bởi khi hằng số điện môi tăng thì kích thước của anten sẽ giảm [47]. Với 4, hằng số điện môi là 4.4 trong khi tham số này của 4350 chỉ là 3.66. Do đó, kích thước của anten với
4 được giảm nhỏ hơn so với 4350 .
Bảng 3.4: Các tham số của DSS với FR4
Tham số w+ l+ wdss2 ldss2 wdss1 ldss1
Giá trị (mm) 3.4 15 4 59.5 39.5 15.8 Bảng 3.5: Các tham số của một phần tử trong mảng với FR4
Tham số wf lf ld ldipole1 ldipole2 x Giá trị (mm) 3.05 4 7.5 16.4 3 1
Hình 3.12 minh họa mô hình của anten với 4 trong khi Hình 3.13 minh họa sự khác biệt về hệ số phản xạ của anten khi anten sử dụng 4 và 4350 . Ở đây, khoảng cách giữa các phần tử anten là khoảng 20 mm trong khi kích thước của anten là 118 x 120 mm.
a)
b)
Hình 3.12: Mô hình của anten với FR4: (a) anten mảng và lớp điện môi thứ nhất; (b) lớp điện môi thứ hai với DSS và lớp đất
Hình 3.13: Sự khác nhau về hệ số phản xạ của anten khi anten sử dụng FR4 và Roger4350B Quan sát Hình 3.13 của luận án có thể thấy rằng băng thông của anten với 4350 là lớn hơn nhiều so với băng thông anten với 4. Có ba mode cộng hưởng liên tiếp trong băng thông khi anten sử dụng 4350 trong khi với 4, điều này chỉ là hai. Vì vậy, băng thông với 4350 lớn hơn cũng là điều dễ hiểu. Hình 3.14 và Hình 3.15 lần lượt minh họa sự khác nhau trong hệ số tăng ích và đồ thị bức xạ của anten khi anten sử dụng
Mặc dù hệ số tăng ích của anten khi sử dụng 4 không phải là thấp (11.7 dBi) nhưng giá trị này vẫn thấp hơn khi anten sử dụng 4350 (12.35 dBi). Điều này có thể được lý giải là do vật liệu điện môi 4350 có hệ số suy hao thấp hơn đã giúp anten có được các tham số tốt hơn. Hơn nữa, tính ổn định của 4 là rất thấp [78], vì vậy 4 được khuyến cao chỉ sử dụng cho các tần số dưới GHz. Do đó, hệ số tăng ích của anten với 3 4 là thấp hơn khi anten sử dụng 4350 cũng là điều dễ hiểu.
Hình 3.14: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích khi anten sử dụng Roger4350 và FR4
a) b)
Hình 3.15: Sự khác nhau về đồ thị bức xa khi anten sử dụng (a) FR4 và (b) Roger 4350B tại tần số 10 GHz
Hình 3.15 minh họa sự khác nhau về đồ thị bức xạ khi anten sử dụng vật liệu FR4 và Roger4350B. Ở đây, độ lớn của búp sóng chính khi anten với 4 chỉ là 14.8 trong khi giá trị này khi anten sử dụng 4350 là 17.5. Hơn nữa, mức búp sóng phụ của anten với
4 (−5.8 dB) là lớn hơn mức búp sóng phụ khi anten sử dụng 4350 (−8.0 dB). Điều này cho thấy rằng sự phân bố lại dòng trong 4350 là tốt hơn 4. Chính điều này đã giúp hệ số tăng ích của anten với Roger được cải thiện tốt hơn của anten với 4.
Hình 3.16 so sánh hiệu suất của anten trong hai trường hợp: 4 và 4350 trong khi Hình 3.17 minh họa đồ thị bức xa của anten trong các mặt phẳng xz và yz khi anten sử dụng Roger4350B và FR4.
Hình 3.16: So sánh hiệu suất của anten khi sử dụng Roger4350B và FR4
a) b)
Hình 3.17: Các mặt phẳng xz, yz của anten với: Roger4350B (a); FR4 (b) tại 10 GHz Ở đây, hiệu suất của anten khi sử dụng 4350 là lớn hơn một chút so với anten sử dụng 4 với lần lượt các giá trị là 92.2% và 93.2%. Đây là một hiệu suất khá cao, đặc biệt đối với anten vi dải. Việc mở rộng băng thông cho anten bằng cách ghép nhiều mode cộng hưởng liên tiếp có ưu điểm là băng thông của anten vẫn được mở rộng trong khi hiệu suất lại không hề bị suy giảm. Thêm vào đó, trong Hình 3.17, hướng của búp sóng chính khi anten sử dụng Roger4350B trong mặt phẳng yz và xz lần lượt là 26o và 50o. Trong khi đó khi anten sử dụng FR4, các giá trị này lần lượt là 4o và 0o.
Hình 3.18 minh họa phân bố dòng của anten trong các trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS và hai tầng điện môi với DSS. Quan sát Hình 3.18, có thể thấy rằng mật độ và cường độ dòng của anten trong trường hợp anten với DSS là tốt hơn so với hai trường hợp còn lại. Điều này là do việc sử dụng DSS đã tạo ra sự phân bố lại dòng giúp có nhiều dòng đồng pha được tập trung một chỗ. Trong khi đó với hai trường hợp còn lại thì dòng được phân bố dàn trải hơn. Điều này làm giảm độ định hướng và hệ số tăng ích của anten.
a) b) c)
Hình 3.18: Phân bố dòng của anten với vật liệu FR4 trong các trường hợp: (a) 2 tầng điện môi; (b) 2 tầng điện môi với DGS; (c) 2 tầng điện môi với DSS tại tần số 10 GHz Để chứng minh tính khả thi của giải pháp đề xuất, luận án đã tiến hành chế tạo và đo kiểm anten. Việc đo kiểm được thực hiện trên máy phân tích mạng vector Keysight PNA-X N5224A tại phòng 611, thư viện Tạ Quang Bửu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các bước được tiến hành như sau:
Đầu tiên, ta thiết lập các tham số như dải tần số quét, số điểm ảnh được tiến hành. Tiếp theo, việc hiệu chỉnh (calib) máy đo đươc thực hiện. Đây là khâu rất quan trọng bởi nó ước lượng việc suy hao của việc ghép nối cũng như dây cáp và điều này ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả đo. Vì vậy, việc này cần thực hiện một cách cẩn thận.
Kết nối anten cần đo với cổng của máy đo thông qua cáp và các đầu nối (connector) chuyên dụng.
Hiển thị kết quả của tham số cần đo. Xuất kết quả dưới dạng file *.csv.
a) b) c)
Hình 3.19: Mô hình anten được chế tạo với Roger4350B: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể
Hình 3.19 và Hình 3.20 lần lượt hiển thị mô hình của anten được chế tạo dựa trên 4350 (ℎ = 1.524 mm, = 3.66, = 0.0037) và 4 (ℎ = 1.6 mm, =