5. Cấu trúc nội dung của luận án
2.3. Cải thiện băng thông cho anten mảng x sử dụng EBG và nhiều tầng điện môi
EBG và nhiều tầng điện môi
Việc sử dụng nhiều tầng điện môi cũng là một giải pháp để mở rộng băng thông cho anten. Để chứng minh nguyên lý trên, giải pháp sử dụng nhiều tầng điện môi sẽ được áp dụng để cải thiện băng thông cho một anten mảng 4 x 4. Thêm vào đó, trong phần này, một cấu trúc EBG mới cũng được đề xuất để cải thiện tham số cho anten. Bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi và tích hợp cấu trúc EBG ở lớp đất, một số tham số của anten đã được cải thiện đáng kể. Ở đây, luận án đã thực hiện các mô phỏng để so sánh trong một số trường hợp để thấy được việc ảnh hưởng của giải pháp đề xuất tới tham số của anten.
2.3.1. Cấu trúc EBG đề xuất
Mô hình của cấu trúc EBG đề xuất và sơ đồ tương đương của nó được minh họa trong Hình 2.14. Luận án đã sử dụng cấu trúc EBG đồng phẳng bởi một số lý do như kích thước nhỏ gọn và không sử dụng cột nối kim loại. Điều này có nghĩa là việc chế tạo sẽ trở nên dễ dàng hơn. Cấu trúc đề xuất được cải tiến dựa trên cấu trúc UP-EBG truyền thống [28]. Cấu trúc gồm bốn hình vuông được xếp ở bốn góc. Trong những hình vuông này, những đường gấp khúc được sử dụng để tăng giá trị điện cảm và tụ điện . Khi đó, tần số cộng hưởng sẽ được giảm. Thêm vào đó, một đường vi dải hình chữ “J” được chèn vào bên cạnh các hình vuông nhằm tăng các giá trị điện cảm. Trong khi đó, một hình tứ giác được cắt ở hai góc được đặt ở vị trí trung tâm. Ở đây, để tạo ra nhiều và , luận án sử dụng cả cấu trúc bù của nó. Kích thước của cấu trúc EBG đề xuất là 42 x 42 mm.
Ở đây, những giá trị của điện cảm và tụ điện được tính toán theo biểu thức [28]:
= ℎ (2.25)
a)
b)
Hình 2.14: Mô hình cấu trúc EBG: (a) Mô hình đề xuất và sơ đồ tương đương; (b) Cấu trúc bù của EBG và sơ đồ tương đương
Bảng 2.5: Các tham số của cấu trúc EBG
Tham số c cj wr c2 lj lj2 lj3 r W
Giá trị (mm) 2.9 1 18 1.5 5 2 3 4 42
Sau khi tính được giá trị và , luận án có thể dễ dàng tính được và tổng thông qua biểu thức từ (2.19) đến (2.22). Qua đó, luận án tính được tần số cộng hưởng của anten theo biểu thức (2.23). Bảng 2.5 hiển thị giá trị của các tham số cho cấu trúc EBG đề xuất. 2.3.2. Phân tích thiết kế anten mảng
Việc sử dụng nhiều tầng điện môi cũng là một trong những giải pháp để mở rộng băng thông cho anten [35]. Vì vậy, để mở rộng băng thông cho anten, trong phần này, luận án sử dụng cấu trúc EBG và nhiều tầng điện môi. Bây giờ, luận án sẽ áp dụng cấu trúc EBG đề xuất để cải thiện băng thông cho một anten mảng 4 x 4.
Đầu tiên, mô hình của anten được cho trong Hình 2.15. Mô hình anten đề xuất gồm tầng bức xạ ở trên cùng, tiếp đến là hai tầng điện môi, trong khi cấu trúc EBG được tích hợp ở
lớp đất tại tầng cuối cùng. Anten sử dụng hai tầng điện môi, vì vậy ở mặt dưới của lớp điện môi thứ nhất và mặt trên của lớp điện môi thứ hai là không có lớp kim loại. Hơn nữa, để ghép hai tầng điện môi với nhau, tại mỗi tấm điện môi được khoan 4 lỗ để thuận tiện cho việc bắt vít, trong đó mỗi lỗ có đường kính là 4 mm. Ở đây, số lượng tế bào được lựa chọn là (3 x 3). Cấu trúc đề xuất được đặt ở vị trí trung tâm trong khi tám cấu trúc còn lại là mô 9 hình bù của cấu trúc đề xuất được đặt xung quanh cấu trúc đề xuất. Khái niệm về cấu trúc bù có thể được tìm thấy trong tài liệu [88]. Ở đây, hai tầng điện môi đều là 4 với hằng số điện môi là 4.4, độ dày 1.6 mm và hệ số suy hao là 0.02.
Hình 2.16 minh họa mô hình của anten mảng đề xuất. Anten gồm phần tử 4 x 4 16 ( ) anten vi dải và 15 bộ chia công suất chữ T. Trong khi đó, cấu trúc EBG được tích hợp ở lớp đất. Kích thước của mỗi phần tử là 15 x 12 mm trong khi khoảng cách giữa các phần tử là khoảng với là bước sóng trong không gian tự do. Tất cả các phần tử anten đều sử dụng giải pháp tiếp điện bằng đường vi dải với vị trí tiếp điện được khoét vào phần tử bức xạ (patch) là 3.5 mm. Việc tiếp điện bằng cách này hình thành hai khe bức xạ ở hai bên của đường vi dải tiếp dải và chúng đóng vai trò như hai tụ điện. Vì vậy, để phối hợp trở kháng cho anten, luận án cũng cần tính đến giá trị của hai khe (chính là hai tụ điện) này. Trong trường hợp này, độ rộng của khe được thiết lập là 1 mm. Anten được thiết kế tại tần số trung tâm GHz. Kích thước tổng của anten là 151 x 152 mm. 11
Hình 2.15: Mô hình của anten sử dụng nhiều tầng điện môi
a) b)
Hình 2.16: Mô hình của anten mảng đề xuất: (a) mặt trên, (b) mặt dưới 2.3.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm
a) Kết quả mô phỏng
Để minh họa việc ảnh hưởng của cấu trúc EBG đề xuất, luận án đã so sánh anten trong hai trường hợp sử dụng cấu trúc đồng phẳng truyền thống UP-EBG (Hình 2.17) và cấu trúc EBG đề xuất. Hình 2.18 minh họa sự khác nhau giữa các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG truyền thống và cấu trúc EBG đề xuất.
Hình 2.17: Mô hình lớp đất của anten với cấu trúc UP-EBG
Từ Hình 2.18 của luận án có thể thấy rằng mặc dù băng thông của anten khi sử dụng cấu trúc UP-EBG là khá rộng (gần GHz) nhưng giá trị này vẫn nhỏ hơn rất nhiều so với băng 1 thông của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất (1.4 GHz). Hơn nữa, hệ số tăng ích của anten khi sử dụng UP-EBG là rất thấp, chỉ dưới 8 dBi trong khi anten với cấu trúc EBG đề xuất thì chỉ số này là 11.5 dBi. Trong khi đó, hiệu suất của anten khi sử dụng UP-EBG là 87%, còn chỉ số này khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất là 88%. Rõ ràng là các tham số của anten như băng thông, hệ số tăng ích và hiệu suất với cấu trúc đề xuất đều được cải thiện hơn so với cấu trúc UP-EBG truyền thống. Điều này cho thấy rằng cấu trúc EBG đề xuất là một giải pháp đúng đắn trong việc mở rộng băng thông cho anten.
Để chứng minh ảnh hưởng của việc sử dụng nhiều tầng điện môi và cấu trúc EBG trong việc mở rộng băng thông cho anten, luận án đã mô phỏng anten trong ba trường hợp: một tầng điện môi, hai tầng điện môi và hai tầng điện môi với cấu trúc EBG. Và điều này được minh họa trong Hình 2.19.
Quan sát Hình 2.19 băng thông của anten trong trường hợp một tầng điện môi và hai tầng điện môi lần lượt là 900 MHz và gần GHz. Rõ ràng là, với trường hợp hai tầng điện 1 môi, chiều dày của lớp điện môi được tăng cường, do đó, băng thông của anten cũng được mở rộng. Vì vậy, băng thông trong trường hợp hai tầng điện môi lớn hơn băng thông khi sử dụng một tầng điện môi là hoàn toàn hợp lý. Tuy nhiên, những giá trị này là nhỏ hơn rất
nhiều so với trường hợp sử dụng EBG. Điều này cũng là dễ hiểu bởi vì ngoài việc băng thông của anten được mở rộng bằng cách tăng chiều dày lớp điện môi thì việc sử dụng EBG ở lớp đất còn tạo ra các hốc cộng hưởng liên tiếp nhau. Việc này đã tạo ra được nhiều mode cộng hưởng liên tiếp nhau. Kết quả là băng thông của anten được cải thiện. Điều này được thể hiện trong Hình 2.19 khi băng thông của anten với hai tầng điện môi và EBG đã tạo ra được ba mode cộng hưởng liên tiếp. Trong Hình 2.19(b), hệ số tăng ích của anten trong hai trường hợp một và hai tầng điện môi lần lượt là 10 và 10.46 dBi.
a) b)
c)
Hình 2.18: So sánh các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất và UP-EBG: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất
Riêng với trường hợp EBG, hệ số tăng ích được cải thiện hơn hẳn với hơn 11.5 dBi. Điều này đạt được là do có sự phân bố lại dòng khi sử dụng cấu trúc EBG. Do đó, hệ số tăng ích được cải thiện.
a) b)
c)
Hình 2.19: So sánh các tham số của anten: (a) S11, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất Bảng 2.6: Các tham số của anten trong các trường hợp
Anten Tham số Một tầng điện môi Hai tầng điện môi Hai tầng điện môi với
EBG
Băng thông [MHz] 900 1000 1400
Hệ số tăng ích [dBi] 10 10.46 11.5
Hiệu suất [%] 88 88 88
Hình 2.20 và Hình 2.21 biểu diễn các kết quả mô phỏng của đồ thị bức xạ và phân bố dòng của anten đề xuất. Từ các hình này có thể thấy rằng băng thông của anten là 1.4 GHz tương ứng với tỉ lệ phần trăm băng thông là 12.7%. Thông thường, tỉ lệ phần trăm băng thông của anten vi dải chỉ là 6 − 7%. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng nhiều tầng điện môi và cấu trúc EBG đã cải thiện băng thông cho anten một cách đáng kể. Bên cạnh đó,
anten có hệ số tăng ích và hiệu suất cao với lần lượt là hơn 11.5 dBi và 88%. Hơn nữa, anten có góc 3 dB là 17.2 , điều này cho thấy anten có độ định hướng cao. Trong khi đó, với Hình 2.21(b), hướng búp sóng chính trong mặt phẳng yz là 231o trong khi trong mặt phẳng xz là 348o.
a) b)
Hình 2.20: Các tham số của anten đề xuất: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích và hiệu suất
a) b)
Hình 2.21: Đồ thị bức xạ của anten: (a) 3D, (b) 2D tại tần số 11 GHz
Hình 2.22 hiển thị phân bố dòng của anten trong 3 trường hợp: một tầng điện môi, hai tầng điện môi và hai tầng điện môi với EBG. Rõ ràng là dòng được tập trung cao nhất khi anten sử dụng hai tầng điện môi và EBG. Trong khi đó, ở hai trường hợp còn lại, dòng được trải rộng ra nhiều hơn. Điều này dẫn đến làm giảm độ định hướng của anten.
a) b) c)
Hình 2.22: Phân bố dòng của anten trong các trường hợp: (a) 1 tầng điện môi, (b) 2 tầng điện môi, (c) 2 tầng điện môi với EBG tại tần số 11 GHz
b) Kết quả đo kiểm
Để kiểm chứng kết quả mô phỏng, một anten mảng 4 x 4 được chế tạo dựa trên vật liệu điện môi 4. Hình 2.23 hiển thị mô hình của anten được chế tạo trong khi Bảng 2.7 biểu diễn một số tham số của anten đề xuất.
a) b)
Hình 2.23: Mô hình của anten được chế tạo: (a) mặt trên, (b) mặt dưới
Hình 2.24 so sánh giữa các kết quả mô phỏng đo lường hệ số phản xạ của anten. Từ kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ ở Hình 2.24 của luận án thấy rằng mặc dù có sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và đo lường, tuy nhiên kết quả đo lường của anten vẫn đảm bảo được băng tần hoạt động. Vì vậy, kết quả này có thể chấp nhận được. Ở đây, anten có băng thông rộng 2.5 GHz tương ứng với tỉ lệ phần trăm băng thông là 22.7%. Bên cạnh đó, anten có suy hao nhỏ và điều này cho thấy rằng anten được phối hợp trở kháng rất tốt. Rõ ràng đây là một tỉ lệ phần trăm băng thông không nhỏ, đặc biệt với anten vi dải. Có sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo như trên là do một số nguyên nhân: (1) sai số do chế tạo dùng công nghệ ăn mòn bằng hóa chất (đây có thể là nguyên nhân chính); (2) sai số của hằng số điện môi thực tế và công bố trong tài liệu của vật liệu chế tạo; (3) sai số do
ảnh hưởng của môi trường trong quá trình đo kiểm. 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 do đó ảnh hưởng đến sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và đo [78]. Ngoài ra, việc sử dụng nhiều tầng điện môi xếp chồng lên nhau trong thực tế cũng không hoàn tàn khít. Điều này có thể dẫn đến việc một lớp không khí lọt vào giữa hai tầng điện môi và dẫn đến sự sai số giữa kết quả đo và mô phỏng nói trên. Việc sử dụng nhiều tầng điện môi cũng dẫn đến là tăng thể tích của anten. Đây cũng là sự trả giá khi sử dụng giải pháp nhiều tầng điện môi.
Bảng 2.7: Một số tham số của anten đề xuất Số lượng phần tử 16 (4 x 4)
Số lượng bộ chia công suất 15 Tần số cộng hưởng 11 GHz
Vật liệu điện môi FR4 (ℎ = 1.6 mm, = 4.4, = 0.02)
Kích thước một phần tử 15 x 12 mm Khoảng cách giữa các phần tử 32 mm
Kích thước 151 x 152 mm
Hình 2.24: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương này, luận án đã đề xuất một cấu trúc có tính chất siêu vật liệu và nó đã được áp dụng thành công để cải thiện băng thông cho anten mảng 4 x 4. Bằng cách sử dụng
cấu trúc đề xuất, băng thông của anten đã được cải thiện từ 100 MHz lên 1100 MHz. Ngoài ra, các tham số khác của anten như độ định hướng, hệ số tăng ích cũng được cải thiện khi sử dụng cấu trúc đề xuất và điều này được thể hiện qua các tham số của anten trong các trường hợp có và không có cấu trúc đề xuất. Thêm vào đó, giải pháp cải thiện băng thông cho anten thông qua việc sử dụng nhiều tầng điện môi và cấu trúc EBG cũng được trình bày trong chương này. Cấu trúc đề xuất là đồng phẳng có kích thước nhỏ gọn nên nó dễ dàng chế tạo với chi phí thấp và nó đã được áp dụng thành công để cải thiện băng thông cho anten hoạt động ở băng tần X.
Thông qua hai giải pháp được đề xuất trong chương này, có thể thấy rằng nếu như giải pháp sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu cải thiện băng thông cho anten dựa trên nguyên lý tạo ra các mode cộng hưởng liên tiếp thì việc cải thiện băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi dựa trên nguyên lý tăng chiều dày của tầng điện môi. Đây chính là những nguyên lý chính để mở rộng băng thông cho anten.
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN MẢNG
3.1. Giới thiệu chương
Hiện nay, có nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất để cải thiện hệ số tăng ích cho anten như DGS[89], cấu trúc có tính chất siêu vật liệu [46], EBG [41] và những giải pháp này cải thiện hệ số tăng ích cho anten đều dựa trên việc phân bố lại dòng. Trong chương này, một giải pháp DSS cũng dựa trên việc phân bố lại dòng được đề xuất và áp dụng để cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 x 4. Bằng cách sử dụng DSS, nhiều tham số của anten đã được cải thiện như hệ số tăng ích, băng thông, độ định hướng, hiệu suất. Bên cạnh đó, việc sử dụng DSS cũng góp phần vào việc tăng cường hệ số sóng chậm cho anten. Kết quả là, kích thước của anten được giảm nhỏ.
Ngoài ra, các giải pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten như sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu và bề mặt phản xạ cũng được giới thiệu trong chương này. Trong khi giải pháp bề mặt phản xạ được áp dụng cho anten mảng 4 x 4 thì việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu được áp dụng cho anten mảng 2 x 2. Tất cả những giải pháp này đều được mô hình hóa bằng sơ đồ tương đương .
3.2. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng phân bố lại dòng
Hiện nay, có nhiều giải pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten dựa trên việc phân bố lại dòng. Trong phần này, một giải pháp DSS (Defected Substrate Structure) được đề xuất để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Giải pháp được áp dụng cho một anten mảng lưỡng cực