5. Cấu trúc nội dung của luận án
2.2.1. Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất
Trong đó: ∆ = 0.412ℎ . . . . (2.12) = (2.13) = + 1 + / (2.14)
Bằng cách áp dụng các công thức ở trên cũng như sử dụng công cụ tối ưu các tham số cho anten bằng công cụ mô phỏng, luận án thu được kích thước của một phần tử anten là 13 x 10 mm.
Để anten có thể hoạt động tốt, luận án cần lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp và phối hợp trở kháng cho anten. Hiện nay, có nhiều phương pháp để tiếp điện cho anten vi dải như: tiếp điện bằng cáp đồng trục (xuyên từ dưới lớp đất lên trên), tiếp điện dạng khe, hay tiếp điện bằng đường vi dải. Trong trường hợp này, luận án lựa chọn phương pháp tiếp điện bằng đường vi dải bởi sự dễ dàng trong việc điều chỉnh, thiết kế và chế tạo.
Để tiếp điện bằng đường vi dải, luận án có thể thực hiện theo hai cách. Một là sử dụng bộ biến đổi /4, hai là tìm vị trí của phần tử bức xạ (patch) nơi mà có trở kháng bằng Ohm 50 để cấp nguồn. Khi đó, ta cần tìm quan hệ giữa và dẫn nạp như sau:
Nếu < , ta có : = . Nếu > , ta có : =
Hình 2.4: Mô hình của một phần tử anten Khi đó, sẽ được tính bởi :
= (2.15) Ở đây, bằng Ohm, và khi đó ta sẽ tính được vị trí 50 . Trong trường hợp này, giá trị được lựa chọn là mm trong khi độ rộng của khe ở hai bên của đường vi dải 3 50 Ohm là 1.5 mm.
Mô hình của hình của một phần tử anten được minh họa trong Hình 2.4 và các tham số của nó được hiển thị trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1: Các tham số của một phần tử anten
Tham số wf lf wS lp wp y0
Giá trị (mm) 3.45 8 1.5 10 13 3
Một thành phần không thế thiếu khác trong anten mảng đó là các bộ chia công suất. Mô hình của bộ chia công suất và các tham số S của nó được hiển thị trong Hình 2.5. Ở đây, bộ chia công suất được xem như một mạng ba cổng và nó được thiết kế cho dải tần từ 7.9 đến 8.4 GHz. Thêm vào đó, đây là bộ chia công suất cân bằng, nên công suất ở cổng và cổng 2 3 sẽ bằng 50% của cổng 1. Hay nói cách khác là công suất tại cổng và sẽ giảm đi một 2 3 nửa so với công suất ở cổng . Vì vậy, tham số 1 21 và 31 trong trường hợp này sẽ là −3 dB.
Hơn nữa, để phối hợp trở kháng cho bộ chia công suất, những bộ biến đổi /4 được sử dụng. Khi đó, trở kháng của bộ chuyển đổi /4 sẽ là: = ∙ .Ở đây, trở kháng của đường truyền được cho bởi công thức [23]:
a) b)
Hình 2.5: Mô hình bộ chia công suất (a) và các tham số S của nó (b) =
√ ∙
Từ Hình 2.5 của luận án có thể thấy rằng bộ chia công suất có băng thông rộng và suy hao nhỏ. Điều này được thể hiện qua hệ số phản xạ có cộng hưởng sâu (nhỏ hơn −30 dB) tại tần số trung tâm (8.15 GHz) trong khi băng thông (tính tại −10 dB) thì bao phủ toàn bộ dải tần từ đến GHz. Ngoài ra, các tham số 6 10 21 và 31 tại tần số trung tâm đạt −3.32 dB.
Tiếp theo, luận án sẽ tính toán cấu trúc có tính chất siêu vật liệu. Mô hình của cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất được hiển thị trong Hình 2.1. Ở đây, giá trị của của tụ được tính bởi biểu thức:
= × ( ⁄ )ℎ (2.17)
Trong đó, là diện tích của bản cực; là hằng số điện môi giữa hai bản cực, là hằng số điện môi của chân không, trong khi là chiều dày của tấm điện môi. ℎ
Trong khi giá trị điện cảm được tính bởi [84]:
( ⁄ ) = 0.2 + 1.193 + 0.2235 (2.18)
Khi các phần tử được mắc song song:
= ∑ (2.19)
= + + ⋯ (2.20)
Khi các phần tử được mắc nối tiếp:
= ∑ (2.21)
= + + ⋯ (2.22)
Chúng ta biết rằng, tần số cộng hưởng được cho bởi: =
√ (2.23)
Ở đây, cần lưu ý rằng việc tính toán theo các công thức ở trên là tính toán độc lập cho mỗi tế bào (cell) và chưa tính đến việc ảnh hưởng tương hỗ cũng như các yếu tố khác. Vì vậy, việc tính toán này chỉ mang tính định tính và nó có ý nghĩa làm giá trị khởi tạo trong
việc tối ưu anten. Do đó, để thu được các tham số cuối cùng, nghiên cứu sinh cần sử dụng đến công cụ tối ưu trong phần mềm mô phỏng.
Từ phương trình (2.23) của luận án có thể thấy rằng tại mỗi tần số xác định thì tích của và sẽ là một hằng số. Vì vậy, tần số cộng hưởng của anten không phụ thuộc vào từng giá trị hoặc cụ thể, mà nó chỉ phụ thuộc vào tích của và . Điều này cho thấy rằng nếu không xét ảnh hưởng tương hỗ giữa các tế bào (cell) thì tần số cộng hưởng của anten sẽ không phụ thuộc vào số lượng tế bào (cell) của cấu trúc có tính chất siêu vật liệu. Tuy nhiên, nó sẽ ảnh hưởng đến các tham số của anten. Điều này sẽ được minh họa và giải thích chi tiết trong phần tiếp theo của luận án.
Ở đây, khoảng cách giữa các phần tử là xấp xỉ 25 mm trong khi kích thước của anten là 120 x 130 mm. Bảng 2.2 miêu tả một số tham số của cấu trúc có tính chất siêu vật liệu.
Bảng 2.2: Một số tham số của cấu trúc siêu vật liệu Tham số dr lr1 wr1 yr xr
Giá trị (mm) 3.5 27 27 38.5 38
a) b)
Hình 2.6: Mô hình anten mảng: mặt trên (a); mặt dưới (b)
Mô hình của anten mảng được minh họa trong Hình 2.6. Mô hình anten gồm phần 16 tử (4 x 4) và bộ chia công suất chữ T. Bởi một số những ưu điểm như nhỏ gọn, dễ dàng 15 cho việc thiết kế, tích hợp và chế tạo, loại anten vi dải được lựa chọn trong trường hợp này. Anten được thiết kế trên vật liệu điện môi Roger4350B với chiều dày là 1.524 mm, hằng số điện môi là 3.66 và = 0.0037. Cấu trúc của anten gồm 3 tầng: lớp bức xạ ở tầng trên cùng, tiếp đến là lớp điện môi, và cuối cùng là lớp đất. Để dễ dàng cho việc chế tạo, trong anten đề xuất, cấu trúc có tính chất siêu vật liệu được tích hợp ở lớp đất. Mặc dù, việc lựa chọn số lượng tế bào không ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten, tuy nhiên nó lại
ảnh hưởng đến các tham số của anten. Thêm vào đó, nếu việc lựa chọn số lượng tế bào là quá lớn thì sẽ dẫn đến tăng độ phức tạp của anten. Hơn nữa, thời gian để hoàn thành một tác vụ cũng tăng. Ngoài ra, nó cũng gây ra sự khó khăn trong việc chế tạo. Vì vậy, luận án cần lựa chọn số lượng tế bào sao cho các tham số của anten là tốt nhất có thể. Ở đây, số lượng tế bào (cell) được sử dụng là . Kích thước của mỗi tế bào là 27 x 27 mm trong khi khoảng 9 cách giữa các cấu trúc là mm.38
2.2.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm a) Kết quả mô phỏng 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.