5. Cấu trúc nội dung của luận án
2.2. Cải thiện băng thông cho anten mảng x sử dụng cấu trúc siêu vật liệu
cấu trúc siêu vật liệu
Trong phần này, một cấu trúc có tính chất siêu vật liệu mới được đề xuất và áp dụng để mở rộng băng thông cho một anten mảng 4 x 4. Cấu trúc đề xuất là cấu trúc phẳng và có kích thước nhỏ gọn, vì vậy nó dễ dàng cho việc chế tạo. Ở đây, anten được thiết kế cho dải tần từ 7.9 đến 8.4 GHz. Đây là dải tần được sử dụng cho thông tin vệ tinh. Mục tiêu trong phần này là hệ số tăng ích của anten từ 11 dBi trở lên trong khi băng thông của anten bao phủ toàn bộ dải tần trên. Thêm vào đó, hiệu suất của anten vẫn phải duy trì ở mức cao với trên 80%. Bằng cách tích hợp cấu trúc có tính chất siêu vật liệu ở lớp đất, không chỉ băng thông của anten được cải thiện, mà hệ số định hướng và hệ số tăng ích cũng được cải thiện. Thêm vào đó, kích thước của anten cũng được giảm nhỏ.
2.2.1. Cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất
Mô hình và sơ đồ tương đương của cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất lần lượt được minh họa trong Hình 2.1. Ở đây, có sự khác biệt nhỏ giữa hai mô hình của cấu trúc đề xuất. Nếu như Hình 2.1(a) gồm các hình vuông lồng vào nhau và được nối với nhau bằng những đường vi dải thì bên trong Hình 2.1(b) là một hình tứ giác. Tất cả những cấu trúc này được tích hợp ở lớp đất.
a)
b)
Hình 2.1: Mô hình của những cấu trúc có tính chất siêu vật liệu đề xuất và sơ đồ tương đương (mầu tối là lớp đồng, màu sáng là vật liệu điện môi)
Những sơ đồ tương đương được hình thành theo quy luật: điện cảm được tạo thành bởi các đường vi dải trong khi các tụ điện được hình thành bởi khoảng hở giữa hai đường vi dải. Kích thước của cấu trúc đề xuất là 24 x 24 mm. Để tạo ra các điện cảm và tụ điện , luận án thực hiện bằng cách lồng các hình vuông lại với nhau cũng như là khoét những hình dạng phù hợp trên nó. Những hình vuông này được nối với nhau bằng bốn đường vi dải ở bốn cạnh. Thêm vào đó, bên trong hình vuông trong cùng của cấu trúc đề xuất, những đường vi dải nối bốn góc được sử dụng. Trên những đường này, một khe hình chữ nhật cũng được tạo ra. Mục đích của những việc này nhằm tạo ra các giá trị điện cảm và tụ điện đủ lớn để giảm kích thước cho anten. Thêm vào đó, nó cũng tạo ra nhiều hốc cộng hưởng để mở rộng băng thông cho anten. Ưu điểm của cấu trúc này là cấu trúc phẳng và nhỏ gọn, vì vậy nó là dễ dàng hơn cho việc chế tạo. Việc phân tích, thiết kế, mô phỏng và chế tạo sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của chương này.
Như được trình bày trong phần trên, siêu vật liệu là một loại vật liệu mà có hằng số điện môi và độ từ thẩm âm. Vì vậy, để đánh giá tính chất của cấu trúc đã đề xuất trong dải tần số 7.9 đến 8.4 GHz, tác giả thực hiện một mô phỏng tham số bao gồm một đường truyền S 50 Ohm với cấu trúc đề xuất được tích hợp ở mặt phẳng đất. Ở đây, vật liệu điện môi được sử dụng là 4350 với các tham số: = 3.66, ℎ = 1.524 mm, = 0.0037.
a)
b)
Hình 2.2: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng (b)
Mặt khác, theo [16] [91], quan hệ giữa các tham số với chỉ số khúc xạ và trở kháng S n z được cho bởi:
= (2.1)
= (2.2)
Trong đó = − 1⁄ + 1.
Khi đó, chỉ số khúc xạ và trở kháng lần lượt được cho bởi:
= ± (( )) (2.3)
= + 2 − ′ (2.4)
Trong đó
= ± √1 − (2.5)
Với = 1 2⁄ (1 − + ). Ở đây, là số nguyên và nó liên quan đến chỉ số nhánh của phần thực ( ′). Vì vật liệu được xem như là môi trường thụ động [16], do đó dấu của và sẽ là:
′ ≥ 0 (2.6)
′′ ≥ 0 (2.7)
Ở đây (∙) ′ và (∙) ′′ lần lượt là phần thực và phần ảo của các toán tử. Khi đó, hằng số điện môi và độ từ thẩm lần lượt được cho bởi:
= (2.8)
= (2.9)
Hình 2.2 minh họa mô hình mô phỏng và các kết quả mô phỏng của một số tham số , , và .
Từ Hình 2.2 của luận án có thể thấy rằng, hằng số điện môi và độ từ thẩm đều âm trong dải tần từ 7.9 đến 8.4 GHz. Thêm vào đó, chỉ số khúc xạ cũng âm ở dải tần trên. Những tính chất này cho thấy rằng cấu trúc đề xuất là cấu trúc có tính chất siêu vật liệu và nó hoàn
toàn hỗ trợ dải tần từ 7.9 đến 8.4 GHz. 2.2.2. Phân tích và thiết kế anten mảng
Đầu tiên, quy trình tính toán, thiết kế anten mảng được thực hiện theo lưu đồ trong Hình 2.3. Quy trình được bắt đầu với các tham số: tần số cộng hưởng , hằng số điện môi f εr, và chiều dày của tấm điện môi, h. Từ các tham số này, luận án có thể tính toán được kích thước của một phần tử anten như sau [7]:
Bắt đầu với: f, ɛr, h
Tính toán và tối ưu kích thước của một phần tử anten
Tính toán, tối ưu các tham số cho bộ chia công suất
Ghép thành mảng với nhiều phần tử
Tính toán, tối ưu kích thước cho cấu trúc đề xuất
Mô phỏng, thiết kế Không đáp ứng yêu cầu Kết thúc Đáp ứng yêu cầu
Hình 2.3: Lưu đồ thiết kế anten mảng với cấu trúc đề xuất
= (2.10)
trong đó, là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do. Ở đây, vật liệu điện môi được lựa chọn là Roger4350B với chiều dày là h 1.524 mm, hằng số điện môi εr là 3.66 và = 0.0037: Tiếp đó, ta có thể tính được chiều dài của antena bằng biểu thức: