5. Cấu trúc nội dung của luận án
2.2.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm
a) Kết quả mô phỏng
Để chứng minh ảnh hưởng của cấu trúc có tính chất 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 có tính chất siêu vật liệu. Hình 2.7 minh họa sự khác nhau về hệ số phản xạ của anten trong trường hợp có và không sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu. Ở đây, băng thông được định nghĩa là nơi mà tỉ số sóng đứng ( ) nhỏ hơn 2. Vì vậy, băng thông trong trường hợp này được tính từ −10 dB.
Hình 2.7: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu Từ Hình 2.7 của luận án có thể thấy rằng băng thông của anten đã được cải thiện rất nhiều khi sử dụng cấu trúc đề xuất. Bằng việc sử dụng cấu trúc siêu có tính chất 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 hợp anten không sử dụng cấu trúc đề
xuất, chỉ có một mode cộng hưởng duy nhất được hình thành. Sẽ là rất khó khăn nếu chỉ sử dụng một mode cộng hưởng để tạo ra băng thông rộng. Do đó, băng thông của anten trong trường hợp không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu là rất nhỏ. Cụ thể, băng thông của anten đã tăng từ 100 MHz lên 1100 MHz. Hơn nữa, việc phối hợp trở kháng cũng được cải thiện. Vì vậy, anten có suy hao nhỏ hơn rất nhiều lần.
a)
b)
Hình 2.8: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có cấu trúc đề xuất, (b) có cấu trúc đề xuất tại tần số trung tâm 8.15 GHz
Hình 2.8 minh họa sự khác biệt về đồ thị bức xạ của anten khi có và không có sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu. Có thể thấy rằng các tham số như hệ số định hướng, mức búp sóng phụ, độ lớn búp sóng chính đều được cải thiện đáng kể khi sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu. Cụ thể là, độ lớn búp sóng chính đã tăng từ 4.11 lên 13.3 trong khi mức búp sóng phụ giảm từ −1.2 dB xuống còn −6 dB. Hệ số tăng ích của anten cũng tăng từ 6.1 dB lên 11.2 dB. Rõ ràng là việc sử dụng cấu trúc đề xuất ở lớp đất đã tạo ra việc phân bố lại dòng cho anten, và chính điều này đã cải thiện hệ số tăng ích cho anten.
và điều này dẫn đến việc pha của búp sóng chính bị lệch đi, và không còn ở 0 độ như bình thường. Thêm vào đó, việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu cũng dẫn đến tăng độ phức tạp cho anten, kết quả là thời gian hoàn thành một tác vụ cũng tăng lên. Hơn nữa, việc chế tạo cũng khó khăn hơn. Đây chính là sự trả giá cho việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu.
Hình 2.9 hiển thị hiệu suất và hệ số tăng ích của anten đề xuất . Ở đây, hệ số tăng ích của anten đạt 11.2 dBi trong khi hiệu suất của anten đạt 87%.
Hình 2.9: Hiệu suất và hệ số tăng ích của anten
Hình 2.10: Đồ thị 2D của anten đề xuất tại tần số trung tâm 8.15 GHz
Hình 2.10 hiển thị đồ thị bức xạ của anten đề xuất trong mặt phẳng xz và yz. Những đường nét liền trơn hiển thị mặt phẳng xz trong khi đường nét liền với hình vuông minh họa cho mặt phẳng yz. Hướng của búp sóng chính trong mặt phẳng yz là 205o trong khi hướng búp sóng chính trong mặt phẳng xz là 24o. Điều này có thể lý giải là do việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu ở lớp đất đã dẫn đến việc phân bố lại dòng cho anten. Lúc này, anten không còn phân bố đều như bình thường. Thay vào đó dòng bề mặt sẽ được tập trung
ở một vị trí nào đó. Chính điều này đã dẫn đến việc búp sóng chính của anten bị lệch đi như trong trường hợp này.
a) b)
Hình 2.11: Phân bố dòng của anten: (a) không có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu; (b) có cấu trúc có tính chất siêu vật liệu tại tần số 8.15 GHz
Hình 2.11 hiển thị phân bố dòng của anten đề xuất. Rõ ràng là việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu ở lớp đất đã cải thiện việc phân bố dòng cho anten. Cụ thể là, dòng được tập trung ở một chỗ có mật độ cao và cường độ mạnh hơn so với trường hợp anten không sử dụng cấu trúc đề xuất. Điều này không chỉ cải thiện độ định hướng mà còn cải thiện hệ số tăng ích cho anten.
b) Kết quả đo kiểm
Hình 2.12: Hình ảnh anten được chế tạo với Roger4350B
Để kiểm chứng những hiệu năng của giải pháp đề xuất, luận án đã tiến hành chế tạo và đo kiểm anten. Hình 2.12 minh họa anten được chế tạo với vật liệu điện môi Roger4350B.
Bảng 2.3 hiển thị các tham số của anten đề xuất trong khi Hình 2.13 so sánh giữa các kết
Bảng 2.3: Các 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 8.15 GHz
Vật liệu điện môi Roger 4350B (ℎ = 1.6 mm, = 3.66, = 0.0037)
Kích thước 115 x 118 mm
Máy sử dụng Keysight PNA-X N52224A
Địa điểm đo Phòng 611 – Thư viện Tạ Quang Bửu – ĐH Bách khoa Hà Nội
Từ Hình 2.13 của luận án có thể thấy rằng kết quả đo băng thông của anten là 1.2 GHz và nó tương ứng với tỉ lệ phần trăm băng thông là 15%. Đây là một tỉ lệ phần trăm băng thông khá cao bởi với anten vi dải thông thường thì tỉ lệ phần trăm băng thông chỉ là 5 − 6%. 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 rất tốt. Tuy nhiên, việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu gây ra sự phân bố dòng không đều trên anten. Điều này dẫn đến búp sóng chính bị lệch đi thay vì ở 0o như thông thường. Hơn nữa, việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu cũng làm tăng độ phức tạp cho anten.
Ở đây, đã có sự sai số giữa kết quả mô phỏng và đo lường của anten. Về nguyên nhân của việc sai số nói trên, luận án có thể liệt kê một số nguyên nhân như việc sai số do quá trình chế tạo, sai số về hằng số điện môi của vật liệu. Trong đó, việc sử dụng công nghệ ăn mòn trong việc chế tạo đã gây ra một sự sai số đáng kể. Ngoài ra, trong thực tế, hằng số điện môi của vật liệu không phải là một hằng số trên toàn bộ dải tần, mà nó thay đổi theo tần số. Môi trường trong phòng đo không lý tưởng cũng là một trong các nguyên nhân gây ra sự sai số giữa kết quả đo và mô phỏng. Tuy nhiên, dải tần hoạt động của anten vẫn được đảm bảo. Thêm vào đó, kết quả mô phỏng và đo lường của anten là khá tương đồng nhau. Vì vậy, kết quả này có thể chấp nhận được.
gần đây.
Hình 2.13: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất Bảng 2.4: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố Anten Tham số [36] [58] [99] [101] Đề xuất Số lượng phần tử 16 16 20 256 16 Tần số [GHz] 20 60 9.65 75 8.15 Băng thông [%] 14 14.4 (-6 dB) 10 10.4 15 Hệ số tăng ích [dBi] 17.8 12.5 16.3 30 11.2 Hiệu suất [%] x 45.3 90 61.7 87
Từ Bảng 2.4 của luận án có thể thấy rằng trong [36], mặc dù anten được thiết kế tại tần số 20 GHz tuy nhiên tỉ lệ phần trăm băng thông của anten chỉ là 14%. Tương tự như vậy trong các tài liệu [58], [99] và [101], tỉ lệ phần trăm băng thông của anten còn thấp. Thêm vào đó, những anten này sử dụng công nghệ hốc cộng hưởng (cavity) và có cấu trúc rất phức tạp. Điều này dẫn đến việc tăng giá thành và độ phức tạp của sản phẩm. Riêng với tài liệu [99], đã có sự cải tiến đáng kể về hiệu suất khi anten đạt hiệu suất 90% trong khi với các anten khác, hiệu suất chỉ là dưới 62%. Về hệ số tăng ích, mặc dù hệ số tăng ích của các anten trong tất cả các bài báo tham khảo đều lớn hơn hệ số tăng ích của anten đề xuất, tuy nhiên
tần số cộng hưởng của các anten này đều lớn hơn. Thêm vào đó, số lượng phần tử anten trong [99], [101] là lớn hơn so với số lượng phần tử của anten đề xuất và độ phức tạp của các anten tham chiếu cũng cao hơn. Vì vậy, hệ số tăng ích lớn hơn cũng là điều dễ hiểu.
Rõ ràng là việc sử dụng cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đã giúp mở rộng đáng kể băng thông cho anten. Kết quả là anten đề xuất có tỉ lệ phần trăm băng thông khá cao mặc dù anten chỉ gồm phần tử và được thiết kế tại tần số trung tâm 16 8.15 GHz. Thêm vào đó, anten vẫn duy trì một hiệu suất cao với 87%.