4.3.1 .Thiết kế anten metamaterial
4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN
4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của
của anten metamaterial
Số lƣợng của cấu trúc HIS ảnh hƣởng lớn đến mức độ ngăn chặn sự lan truyền sóng bề mặt của nó, do đó ảnh hƣởng đến gain bức xạ của anten metamaterial.
Luận văn đã khảo sát sự thay đổi gain bức xạ của anten metamaterial khi thay đổi số lƣợng của cấu trúc HIS tức thay đổi số hàng của cấu trúc HIS và đã thu đƣợc kết quả nhƣ hình 4.9.
Hình 4. 9: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của
Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng
của cấu trúc HIS
Hình 4. 11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của
cấu trúc HIS
Thảo luận:
Kết quả cho thấy khi sử dụng nhiều lớp HIS hơn, hiệu năng anten cao hơn, cũng nhƣ độ rộng băng tần làm việc của anten đƣợc mở rộng. Điều này có thể giải thích vì khi dùng nhiều lớp HIS, tính chất tuần hồn của bề mặt trở kháng cao đƣợc
thể hiện tốt hơn, do đó giúp cho anten có hiệu suất hoạt động cao hơn, trƣờng hợp sử dụng 3 lớp HIS bao quanh cho hiệu suất (gain) cao nhất là 7.7 dB.
4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ơ cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau.
Nếu thay đổi kích thƣớc các ơ cơ sở của cấu trúc HIS nhƣng dải cấm của nó vẫn chứa khoảng tần số làm việc của anten thì gain bức xạ của anten sẽ thay đổi. Do đó chúng tơi đã khảo sát sự thay đổi gain bức xạ khi thay đổi kích thƣớc các ơ cơ sở của cấu trúc HIS theo các hàng.
Cấu trúc HIS 3 hàng đƣợc mơ tả nhƣ hình
Hình 4. 12: Mơ hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng
Khi thay đổi kích thƣớc các ơ cơ sở của cấu trúc HIS theo các hàng hàng 1 là 2.4 mm x 2.4 mm, hàng 2 là 2.6 mm x 2.6 mm, hàng 3 là 2.8 mm x 2.8 mm. Chúng tơi đã thu đƣợc kết quả tính tốn về hệ số phản xạ đồ thị bức xạ nhƣ hình 4.12.
Hình 4.13: Kết quả mơ phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau
a) Mô phỏng phổ phản xạ; b)Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực
Thảo luận:
Kết quả mô phỏng hai anten cho thấy dải tần làm việc của anten không thay đổi và hiệu suất (gain) bức xạ của anten tăng lên khi thay đổi kích thƣớc các hàng của cấu trúc HIS. Nhƣ vậy việc thiết kế cấu trúc HIS có kích thƣớc các ơ cơ sở khác nhau nhƣng dải cấm của nó vẫn thuộc vùng tần số hoạt động của anten sẽ cho hiệu quả cao hơn. Điều này có thể giải thích nhƣ sau, khi chúng ta dùng các ơ cơ sở có kích thƣớc khác nhau tức là chúng ta đang dùng các "hệ" HIS có các dải cấm
khác nhau, kích thƣớc các ơ cơ sở đã đƣợc tính tốn sao cho các dải cấm này là lân cận nhau, do đó, khi chúng ta kết hợp các ô cơ sở, bề rộng vùng cấm của toàn bộ cấu trúc HIS đƣợc kết hợp với nhau và "mở rộng". Khi vùng cấm mở rộng hiệu năng của nó đối với việc triệt tiêu sóng mặt của anten sẽ mạnh hơn do đó làm tăng hiệu năng của anten có kết hợp metamaterial.
4.5. KẾT QUẢ ĐO 4.5.1. Kết quả 4.5.1. Kết quả
Bằng máy phân tích mạng chúng tơi đã đo đƣợc phổ phản xạ của anten thƣờng và anten metamaterial ở vùng tần số từ 8GHz đến 13GHz. Nhƣng do ở hệ thiết bị chƣa có khả năng đo hiệu suất của anten nên chúng tôi chỉ kiểm nghiệm đƣợc phổ phản xạ của anten nhƣ trên hình 4.14 và 4.15.
Hình 4.14: Kết quả đo phổ phản xạ của anten thường
Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial
Kết quả đo phổ phản xạ của hai anten cho thấy anten đỉnh cộng hƣởng của hai anten đều ở tần số 11GHz lệch so với kết quả mô phỏng là 0.5 GHz, dải tần làm việc của anten thƣờng là 0.6GHz và anten metammaterial là 0.9GHz.
Sự sai khác giữa thực nghiệm và mơ phỏng là do trong q trình chế tạo anten khơng có kích thƣớc chính xác nhƣ đã mô phỏng và hằng số điện môi của anten thực sai khác so với anten chế tạo.
Để giảm sai số ta có thể dùng cơng nghệ chế tạo với độ chính xác cao hơn nhƣ chế tạo bằng phƣơng pháp quang khắc hay dùng hệ chế tạo mạch in tự động.
KẾT LUẬN
Luận văn “Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” đã thu đƣợc một số kết quả nhƣ sau:
- Đã thiết kế đƣợc anten làm việc ở khoảng tần số 10.5 GHz và mô phỏng hoạt động của anten với dải tần hoạt động (<-10 dB) là 0.5GHz, hiệu suất (gain) bức xạ là 6.8dB.
- Đã thiết kế đƣợc mơ hình bề mặt trở kháng cao HIS có dải cấm trong khoảng 9.5-13.1GHz và mơ phỏng hoạt động của bề mặt HIS đó.
- Đã thiết kế anten metamaterial làm việc ở khoảng tần số 10.5GHz và mô phỏng. Kết quả thu đƣợc hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamaterial tăng lên 2dB so với anten thƣờng và dải tần hoạt động tăng lên 0.4 GHz.
- Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của các tham số cấu trúc: Khoảng cách từ HIS đến tấm kim loại, bề rộng của cấu trúc HIS, kích thƣớc các ơ cơ sở của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Kết quả cho thấy, các tham số cấu trúc ảnh hƣởng mạnh đến tính chất điện từ của anten đặc biệt là hiệu suất gain bức xạ của anten theo các chiều hƣớng khác nhau. Đề tài đã chỉ ra các trƣờng hợp khảo sát trong đó hiệu năng anten đƣợc cải thiện bằng cách thay đổi hợp lí một số thơng số. Các phân tích sâu hơn về mặt vật lý và cơ chế điện từ của cấu trúc anten kết hợp metamaterial cần có thêm thời gian khảo sát đối với từng trƣờng hợp cụ thể.
- Đã chế tạo thành công hai anten (anten thƣờng và anten metamaterial) và đo phổ phản xạ của chúng để kiểm nghiệm kết quả mô phỏng.
- Từ những kết quả thu đƣợc của luận văn có thể phát triển để nghiên cứu các cấu trúc tối ƣu hơn để tăng hiệu suất của cũng nhƣ mở rộng dải tần làm việc của anten hay nghiên cứu các anten có tần số hoạt động cao hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Phan Anh (2007), “Lí thuyết và Kĩ Thuật Anten”, NXB Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội, tr. 5-41,459-469.
Tiếng Anh
2. Balanis, C. (1997), “Antenna theory-analyse and design”, John Wiley & Sons, New York, pp. 811-843.
3. Bonache J, Gil I, Garcia-Garcia J, and Martin F (2006), "Novel microstrip bandpass filters based on complementary split-ring resonators", IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 54, 265.
4. Christophe Caloz (2006), “Electromagnetic Metamaterials: Transmission line
theory and microwave applications”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New
Jersey, Canada.
5. Colburn J. S., and Rahmat-Samii Y. (1999), “Patch antennas on externally perforated high dielectric constant substrates”, IEEE Trans. Antennas Propagat, pp. 1785–94.
6. Cuong, T. M., Ouslimani, H., Guida, G., Priou, A., Teillet, H. and Daden J. P. (2008), “Metamaterial structure for compact millimeter wave antenna applications”, PIERS.
7. Cuong, T. M., Hafdallah Ouslimani H., and Priou A. C. (2011), “Characterization of High Impedance Surface (HIS) Properties for Low Profile Antenna Application”, PIERS
8. Cuong, T. M., Hafdallah-Ouslimani, H., Zhou, L., Priou A. C., Teillet H., Daden, J. Y., and Ourir, A. (2010), “High impedance surfaces based antennas for high data rate communications at 40 ghz”, Progress In Electromagnetics Research C, pp. 217-229.
9. CST (2008), Microwave Studio, Software.
10. Dolling G, Wegener M, Soukoulis C M, Linden S (2006), “Negative-index
11. Engheta N (2002), “An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability”, IEEE Antennas Wireless Propagat, Lett. 1, 10.
12. Eleftheriades G. V., Balmain K. G. (2005), “Negative-Refraction
Metamaterials: Fundamental Principles and Applications”, Wiley-IEEE
Press.
13. Elliott, R. S. (2003), “Antenna theory & design”, Wiley-Interscience.
14. Fu Y. Q., Zheng Q. R., Gao Q., Zhang G. H. ( 2006), “Mutual coupling reduction between large antenna arrays using electromagnetic bandgap structures”, J. of Electromag, Wave ans Appl, pp. 819-825.
15. Garg R., Bhartia P., Bahl I. J.,and Ittipiboon A. (2001), “Microstrip Antenna
Design Handbook”, Editors, Artech House.
16. Habiba H. O., Lu Yang Zhou, Cuong Tran, Alain Priou, Olivier Maas, Hervé Teillet and Jean Yves Daden (2008), “Design of Metamaterial Antennas for Low and High Operational Frequency”, 26th Army science conference, USA. 17. Jiabi C, Wang Y, Jia B, Geng T, Li X, Liang B, Zhang X, Gu M, and Zhuang
S (2011), “Observation of the inverse Doppler effect in negative-index
materials at optical frequencies”, Nature Photon. 5, pp. 239-245.
18. [11] Lam V D, Kim J B, Tung N T, Lee S J, Lee Y P, and Rhee J. Y (2008), “Dependence of the distance between cut-wire-pair layers on resonance
frequencies”, Opt. Express. 16, 5934.
19. Lam V D, Tung N T, Cho M H, Park J W, Rhee J Y, and Lee Y P (2009), “Influence of the lattice parameters on the resonance-frequency bands of a
cut-wire-pair medium”, J. Appl. Phys. 105, 113102.
20. Lee H J and Yook J G (2008), “Biosensing using split-ring resonators at
microwaveregime”, Appl. Phys. Lett. 92, 254103.
21. Liang L., Liang C. H., Chen L., and Chen X. ( 2008), “A novel broadband EBG using cascaded mushroom like structure”, Microwave and Optics Technology Letters, pp. 2167-2170.
22. Mahmoud S. F. and Al-Ajmi A. R. (2008), “A novel microrstrip patch antenna with reduced surface wave excitation”, Progress In Electromagnetics
Research (PIER), pp. 71-86.
23. Miguel A. G. Laso, Txema Lopetegi, Maria J. Erro, David Benito, Maria J. Garde, and Mario Sorolla (2000), “Multiple-Frequency-Tuned Photonic Bandgap Microstrip Structure”, IEEE Microwave and Guided Wave Letters,
pp. 220-223.
24. Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R. (2006), “Controlling Electromagnetic Fields”, Science.
25. Pendry J. B (2000), “Negative Refraction Makes a Perfect Lens”, Phys. Rev. Lett. 85, 3966.
26. Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, and Stewart W J (1999), “Magnetism
from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena”, IEEE Trans Micro
Theory and Tech. 47, 0018.
27. Pendry J B, Schurig D, and Smith D R, “Controlling electromagnetic fields”, Science 312, 1780 (2006).
28. Sievenpiper D. F. (1999), “High-Impedance Electromagnetic Surfaces”, University of California, Los Angeles.
29. Sievenpiper D., Broas, R., Yahlonovitch, E. (1999), “Antennas on High Impedance Ground Planes”, Microwave Symposium IEEE, pp. 404-408.
30. Smith D R, Padilla W J, Vier D, Nemat-Nesser S, and Chultz S (2000), “Composite medium with simultaneously negative permeability and
permittivity”, Phys. Rev. Lett. 84, 4184.
31. Thuy V T T, Viet D T, Hieu N V, Lee Y P, Lam V D, Tung N T (2010), “Triple negative-permeability in hybridized cut-wire-pair metamaterials”, Opt. Commun. 283, 4303.
32. Veselago V G (1968), “The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and µ”, Sov. Phys. Usp. 10, 509.
33. Xin H., Matsugatani K., Kim M., Hacker J., Higgins J A, Rosker M. and Tanake M. (2002), “Mutual coupling reduction of low-profile monopole antennas on high impedance ground plane”, Electronics Letters.
34. Yang F. (2002), “EBG structure and Reconfigurable Technique in Antenna Designs: Applications to wireless”,
35. Yang Hao, Raj Mittra (2009), “FDTD Modeling of Metamaterials - Theory
and applications”, Artech House, Boston/London.
36. Yang, F., Samii, Y. R (2008), “Electromagnetic bandgap structures in antenna
engineering”, Cambrige university press, Cambridge, pp. 1-54, 87-153.
37. Yang, F., Samii, Y. R. (2003), “Microstrip antennas intergrated with electromagnetic bandgap structure: A low mutual coupling design for array applications”, IEEE Trans.
38. Yang F., Samii, Y. R. (2003), “Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antenna applications”, IEEE Trans.
39. Zheng Q. R., Lin B. Q., Fu Y. Q. and Yuan N. C. (2007), “Characteristics and applications of a novel compact spiral electromagnetic bandgap structure”, J. of Electromagn Waves and Appl, pp. 199-213.