CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC CẤU TRÚC EBG
4.3 Giải pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG
4.3.5 Ứng dụng giảm ảnh hưởng tương hỗ cho hệ thống anten mảng
Có nhiều phương pháp đã được đề xuất để giảm ảnh hưởng tương hỗ do ghép nối, trong đó bao gồm tối ưu hóa kích thước anten [91], tạo rãnh ở lớp điện môi [92], bao phủ phiến kim loại bởi lớp điện môi bổ sung [93], sử dụng cột nối kim loại để loại bỏ các dòng phân cực điện dung của lớp nền [94], thêm băng dẫn điện ký sinh vào giữa hai anten [95, 96], hoặc bằng cách sử dụng điện môi như một cấu trúc EBG đặt giữa các phần tử trong mảng [90, 97].
Với đặc tính dải chắn, các cấu trúc EBG có thể giam hãm thành phần sóng bề mặt lan truyền giữa các phần tử anten mảng và giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ do ghép nối. Từ khi tần số dải chắn phụ thuộc vào kích thước vật lý của cấu trúc EBG và các phần tử mảng phải được cách nhau ít nhất là 0,50 (0 là bước sóng trong không gian tự do), việc sử dụng các cấu trúc EBG có kích thước nhỏ gọn để giảm ảnh hưởng tương hỗ là rất cần thiết. Để kiểm chứng đặc tính dải chắn của cấu trúc EBG đề xuất, trong phần tiếp theo chương này, cấu trúc EBG-3 sẽ được sử dụng để giảm ảnh hưởng tương hỗ trong hệ thống anten mảng hoạt động ở tần số 5,1 GHz.
Mảng anten gồm hai phần tử anten vi dải được in trên đế điện môi FR4, với hệ số điện môi là 4,4 và ghép nối trong mặt phẳng E. Cấu trúc EBG-3 được tối ưu để tạo ra dải chắn bao phủ tần số hoạt động của anten mảng. Kích thước phần tử EBG tối ưu là 6 mm 6 mm, với kích thước phiến kim loại ở mặt trên là 5,5 mm 5,5 mm.
Để giảm ảnh hưởng tương hỗ cho anten mảng, một mảng 27 phần tử EBG-3 được chèn giữa hai phần tử của mảng như minh họa ở hình 5.19. Trong đó, anten vi dải được thiết kế tối ưu ở tần số cộng hưởng 5,1 GHz có kích thước 9 mm × 13,2 mm. Khoảng cách giữa hai phần tử anten đơn tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện là 40 mm (0,680).
Hai phần tử anten được tiếp điện độc lập bởi đường dây đồng trục có trở kháng 50 với điểm tiếp điện được đặt cách tâm của anten vi dải 1,75 mm. Kích thước tổng thể của anten mảng là 60 mm 90 mm 1,6 mm.
x
13,2 mm Điểm tiếp điện
Anten vi dải Cột nối
kim loại
EBG
9 mm
1,75 mm
40 mm y
x z
5,5 mm
(a)
6 mm 2 mm
Điểm tiếp điện
0,4 mm
Cột nối kim loại
(b)
Mặt phẳng đế của EBG
Điểm tiếp điện Mặt phẳng đế
của anten mảng
Mặt phẳng đế của EBG
Điểm tiếp điện Mặt phẳng đế
của anten mảng
(c)
Hình 4.19. Mô hình anten mảng có cấu trúc EBG (a) Lớp trên, (b) Lớp dưới, (c) Mặt phẳng đế
Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten mảng khi chưa có cấu trúc EBG được trình bày ở hình 4.20. Tần số cộng hưởng trung tâm của hai phần tử mảng là 5,1 GHz. Vì khoảng cách đặt hai phần tử mảng lớn hơn 0,50 nên hệ số ghép nối tương hỗ S21, S12 đạt -22 dB. Thông thường, giá trị này đạt dưới -15dB là đảm bảo cách ly giữa các phần tử mảng. Tuy nhiên, trong phần này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc EBG-3 đến ghép nối tương hỗ trong anten mảng, vì vậy khoảng cách giữa hai phần tử của mảng sẽ được xét ngẫu nhiên (0,680).
Hình 4.20. Đồ thị tham số tán xạ S của anten mảng ban đầu
Hình 4.21. So sánh tham số tán xạ S của anten mảng khi không có và khi có cấu trúc EBG-3 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
|S11| & |S21| (dB)
Taàn soá (GHz)
|S11|
|S21|
|S22|
|S12|
4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 -45
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
|S11| & |S21| (dB)
Taàn soá (GHz)
Không có EBG Có EBG
|S21|
|S11|
Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten mảng khi có cấu trúc EBG được chỉ ra ở hình 4.21. So sánh với trường hợp khi chưa có cấu trúc EBG, độ sâu cộng hưởng của mảng khi có cấu trúc EBG bị giảm và tần số bị dịch đi nhưng không đáng kể. Tuy nhiên, giá trị ghép nối tương hỗ S21 đã đạt tới -46 dB, nghĩa là đã giảm được 24 dB so với trường hợp khi chưa có cấu trúc EBG. Như vậy, khi sử dụng cấu trúc EBG-3 vào anten mảng vi dải, ảnh hưởng tương hỗ do ghép nối đã giảm được tới 24 dB mà vẫn đảm bảo tần số cộng hưởng của các phần tử mảng. Tuy nhiên, việc sử dụng vòng kim loại hình vuông của cấu trúc EBG-3 cũng gây ra khó khăn trong quá trình chế tạo thực nghiệm.
(a) (b)
Hình 4.22. Mô hình chế tạo thực nghiệm của mảng anten (a) Khi không có cấu trúc EBG-3, (b) Khi có cấu trúc EBG-3
Mô hình chế tạo thực nghiệm của anten mảng khi không có và khi có cấu trúc EBG-3 được trình bày ở hình 4.22. Hai mảng anten được tiếp điện trực tiếp bằng đầu nối SMA 50. Các tham số tán xạ được đo bằng máy phân tích mạng Anritsu 37369D. Hình 4.23 biểu diễn kết quả đo thực nghiệm các tham số tán xạ của hai anten mảng. Từ hình 4.23 ta thấy, hệ số phản xạ của anten mảng khi không có và có EBG đạt trung tâm lân cận 5.2 GHz, nghĩa là bị dịch lên khoảng 0,1 GHz so với kết quả mô phỏng. Trong khi đó, hệ số tương hỗ S21 của hai anten tại 5.2 GHz lần lượt là -23,5 dB và – 42.5 dB. Như vậy, giá trị ghép nối tương hỗ S21 của anten mảng có EBG đã giảm được 19 dB so với trường hợp khi không có cấu trúc EBG.
Hình 4.23. Kết quả đo thực nghiệm tham số tán xạ S của anten mảng khi không có và có cấu trúc EBG-3