CHƯƠNG III : CÁC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU
3.3. Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (Defected Ground Structure –
3.3.2. Định nghĩa và các đặc điểm:
Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS), như tên của nó, đề cập đến một số hình dạng nhỏ gọn, thường được gọi là "ô đơn vị" được khắc ra dưới dạng một điểm khuyết duy nhất hoặc trong cấu hình tuần hồn với số chu kỳ nhỏ trên mặt phẳng đất của bảng mạch in vi sóng (MPCB) để xác định một tính năng của sự truyền sóng dừng qua chất nền trên một dải tần số. Do đó, DGS có thể được mơ tả như một EBG ơ đơn vị hoặc một EBG với số lượng ô giới hạn và một khoảng thời gian. Các khe DGS có bản chất là cộng hưởng. Chúng có hình dạng và kích thước khác nhau với đáp ứng tần số khác nhau và các thông số mạch tương đương. Sự hiện diện của một DGS dưới một đường truyền được in thực sự làm xáo trộn sự phân bố hiện tại trong mặt đất và do đó sửa đổi các thơng số đường tương đương trên vùng bị đào thải. Do đó, nó ảnh hưởng đến các đặc tính sóng được hướng dẫn và được thể hiện thơng qua
các đặc tính dải tần như được mở rộng do cấu trúc EBG; và hiệu ứng sóng chậm, giúp làm gọn các mạch in. Như đã đề cập trước đó, nghiên cứu về DGS có thể được phân thành hai loại tùy thuộc vào cấu hình của chúng: DGS tế bào đơn vị và sự sắp xếp tuần hồn đồng nhất hoặc khơng đồng nhất của các ô đơn vị. Hình 3.6 cho thấy một số phân loại và hình học DGS cơ bản.
Các hình dạng DGS được báo cáo cho đến nay bao gồm các hình dạng đơn giản như quả tạ hình chữ nhật, quả tạ hình tròn, xoắn ốc, “U”, “V”, “H”, chữ thập, vịng đồng tâm, v.v. Ngồi ra, các cấu trúc phức tạp khác nhau như bộ cộng hưởng vòng chia, hoặc xương gãy đã được kiểm tra. Một số DGS ô đơn vị kiểu đơn giản và phức tạp được thể hiện trong Hình 3.7. Chúng được sử dụng để thực hiện các bộ lọc, triệt tiêu các sóng bề mặt khơng mong muốn, điều khiển sóng hài trong ăng-ten microstrip, mạch vi sóng nhỏ gọn và các ứng dụng vi sóng khác. Các dạng hình học khác nhau đã được khám phá với mục đích đạt được hiệu suất được cải thiện về dải dừng và băng thông, nhỏ gọn và dễ thiết kế.
Hình 3.6: Một số phân loại và hình học DGS cơ bản.
Do phát triển từ cấu trúc EBG nên cấu trúc DGS cũng kế thừa các đặc tính chắn sóng (stop band) của EBG và khơng những vậy cấu trúc này cịn có thêm đặc tính quan trọng khác là đường truyền sóng chậm (slow wave).
Hình 3.7: Các hình dạng DGS khác nhau: (a) Hình quả tạ (b) Hình xoắn ốc (c) Hình chữ H (d) Hình chữ U (e) Quả tạ đầu mũi tên (f) Hình vịng trịn đồng tâm (g) Bộ cộng hưởng vịng chia (h) Hình chữ số (i) Hình chữ thập (j) Quả tạ đầu trịn (k) Đầu vuông nối với các khe U (l) Quả tạ vịng hở (m) Hình xương gãy (n) Nửa hình trịn (o) Hình chữ V (p) Hình chữ L ( q) Đường gấp khúc (r) Quả tạ đầu U (s) Kép U (t) Hình vng cạnh bằng nhau nối với khe hẹp ở cạnh.
Đường truyền sóng chậm (Slow wave):
Do được phát triển từ cấu trúc EBG nên cấu trúc DGS cũng có thể được trình bày dưới dạng mơ hình hóa dạng mạch cộng hưởng LC bao gồm các thành phần điện cảm L và điện dung C được chỉ ra trong Hình 3.8 được áp dụng cấu trúc DGS hình quả tạ.
Hình 3.8: (a) DGS hình quả tạ với kích thước khe chữ nhật “a” và “b” và khe hở “g” được tích hợp với đường truyền vi dải 50 Ohm được chế tạo trên đế TACONIC 62mil với hằng số điện môi εr = 10 và đường truyền vi dải có
chiều rộng w = 1,46 mm; (b) Các tham số S được mô phỏng cho DGS trong (a) với khe hở “g” = 0,2 mm cho tất cả các giá trị của “a” và “b”; (c) Mơ hình mạch tương đương của DGS hình quả tạ.
Điện cảm và điện dung tương tương trong mạch siêu cao tần sẽ tăng thêm tương đương so với việc có đường truyền sóng qua mạch siêu cao tần nếu có cấu trúc DGS sẽ làm đường truyền vi dải dài hơn tiêu chuẩn nếu có cùng một chiều dài thực tế. Nghĩa là nếu có chung cùng một tần số cộng hưởng thì kích thước của mạch siêu cao tần sẽ giảm đi. Điều này giúp giảm kích thước cho anten và khiến anten giảm được kích thước đáng kể.
(a) Đặc tính pha (b) Hệ số sóng chậm Hình 3.9: Đặc tính đường truyền vi dải DGS.
Đặc tính đặc biệt này của cấu trúc DGS cũng được thể hiện rõ nét thơng qua các đặc tính biến đổi pha và sự thay đổi của hệ số sóng chậm của đường truyền vi dải khi có và khơng có sự tồn tại của cấu trúc DGS trên Hình 3.8. Sự nhẩy pha tại tần số cộng hưởng do tác động ảnh hưởng của điện cảm và điện dung trong cấu trúc DGS tạo nên. Cũng chính vì vậy mà sự biến đổi pha diễn ra nhanh hơn và do đó sóng chậm hơn tại tần số f<f0 và sự biến đổi pha chậm hơn và do đó sóng nhanh hơn tại tần số f>f0.
Đặc tính chắn sóng:
Cũng giống như đặc tính chắn sóng của cấu trúc EBG, đặc tính chắn sóng của cấu trúc DGS cũng được xác định theo đồ thị tham số tán xạ trong Hình 3.8 (b). Và đồng thời cấu trúc DGS cũng tạo ra một dải chắn tần số (S12 < -20dB) nhưng hiệu quả chắn sóng của một ơ đơn vị DGS cơ bản hình quả tạ khơng thể tốt bằng như một ô đơn vị cấu trúc EBG kiểu hình nấm. Do đó, để có thể nâng cao đặc tính chắn sóng của cấu trúc DGS, ta sử dụng cấu trúc tuần hoàn với số phần tử càng tăng thì hiệu quả chắn sóng càng tốt. Phương pháp này cũng được áp dụng đối với cấu trúc EBG.