CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC CẤU TRÚC EBG
4.2 Các nghiên cứu giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG
Cấu trúc chắn dải điện từ EBG có vai trò như một bộ lọc chắn dải ở một dải tần số nhất định nào đó. Khi ấy, cấu trúc EBG được biểu diễn bởi một sơ đồ mạch LC tương đương. Tần số trung tâm của dải chắn được xác định bởi công thức (2.1).
Từ công thức (2.1), tần số cộng hưởng trung tâm của dải chắn phụ thuộc vào điện cảm tương tương và điện dung tương đương . Vì vậy, để giảm mà không làm thay đổi kích thước của phần tử EBG, ta có thể tăng giá trị điện cảm , hoặc tăng giá trị điện dung . Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG dựa vào nguyên lý trên.
4.2.1. Giảm nhỏ kích thước bằng cách tăng điện dung tổng cộng C Về cơ bản việc tăng điện dung tổng cộng C có thể đạt được bằng cách tạo ra nhiều điện dung ký sinh trên phạm vi bề mặt tấm kim loại phía trên của phần tử EBG. Cụ thể, các đường vi dải dạng gấp khúc, xoắn ốc sẽ được tạo ra [4, 7, 8, 85]. Từ đó hình thành một chuỗi các điện dung ký sinh nối tiếp nhau. Khi đó, điện dung tổng cộng sẽ xác định bởi điện dung ban đầu mắc song song với tổng điện dung ký sinh . Vì vậy, tần số trung tâm của dải chắn (2.1) được viết lại như sau:
√ ( )
(4.1)
Hình 4.1. Cấu trúc EBG dạng đồng phẳng sử dụng đường vi dải gấp khúc [8]
(a) (b)
(c) (d)
Hình 4.2. (a) Cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, (b) Cấu trúc EBG dạng xoắn ốc [4], (c) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, và d) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG dạng xoắn ốc.
G X M G
Tần số (GHz)
4 8 12
2 4 6
Tần số (GHz)
G X M G
Việc tạo ra các điện dung ký sinh có thể thực hiện trên cấu trúc EBG dạng đồng phẳng hoặc trên cấu trúc EBG dạng hình nấm thông thường. Hình 4.1 mô tả cấu trúc EBG đồng phẳng sử dụng đường vi dải gấp khúc để giảm tần số cộng hưởng của dải chắn [8].
Các nếp gấp của đường gấp khúc sẽ tương ứng với các điện dung ký sinh nối tiếp nhau.
Ngoài ra, phần diện tích của phiến kim loại phía trên của phần tử EBG dạng hình nấm cũng được sử dụng để tạo ra các đường vi dải xoắn ốc [4] hoặc đường gấp khúc [5].
Một số thiết kế tiêu biểu được minh họa ở hình 4.2 và 4.3. Từ các hình 4.2d và 4.3c, ta thấy rằng dải chắn của các cấu trúc đề xuất đã dịch xuống ở dải tần thấp hơn khi so sánh với cấu trúc EBG dạng hình nấm thông thường.
(a)
(b) (c)
Hình 4.3. a) Cấu trúc EBG gồm bốn chữ L gấp khúc [5], b) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG hình nấm thông thường và c) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG gồm bốn chữ L gấp khúc.
4.2.2. Giảm nhỏ kích thước bằng cách tăng điện cảm tổng cộng L
Bên cạnh việc tạo ra các điện dung ký sinh để giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG, một số nghiên cứu đã tạo ra các điện cảm bổ sung . Tuy nhiên, các điện cảm cần phải mắc nối tiếp với điện cảm ban đầu để tăng tổng giá trị điện cảm của cấu trúc EBG. Một
Tần số (GHz)
Số sóng
Mode TM Mode TE
Đường ánh sáng Dải chắn 3,8 – 6,2 GHz
Tần số (GHz)
Số sóng
Mode TM Mode TE
Đường ánh sáng Dải chắn 2,62 -2,95 GHz
cấu trúc EBG sử dụng mặt phẳng đế dạng xoắn ốc đã được đề xuất [9]. Trong cấu trúc này, mặt phẳng đế kim loại đã được được thay bằng đường xoắn ốc bốn cạnh (xem hình 4.4).
Như vậy, đường xoắn ốc lúc này có vai trò như một điện cảm bổ sung vàmắc nối tiếp với điện cảm ban đầu (tạo bởi dòng qua cột nối kim loại). Khi đó, biểu thức (4.1) sẽ được viết lại như sau:
√( ) (4.2)
(c) (d)
Hình 4.4. a) Cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, b) Cấu trúc EBG có mặt đế xoắn ốc [9], c) Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG dạng nấm thông thường, và d) Đồ thị tán xạ của
cấu trúc EBG có mặt đế xoắn ốc
Từ đồ thị tán xạ ở hình 4.4, dải chắn của cấu trúc EBG sử dụng mặt phẳng đế xoắn ốc ở dải tần số thấp hơn so với dải chắn của cấu trúc EBG hình nấm thông thường. Điều này hoàn toàn phù hợp với công thức (4.2). Tần số cộng hưởng của cấu trúc EBG đề xuất sẽ nhỏ hơn so với trường hợp cấu trúc EBG hình nấm thông thường (không có thành phần điện cảm bổ sung ).
G X M G
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Mode TM Mode TE Đường ánh sáng Đường ánh sáng
Band gap
Tần số (GHz)
Số sóng Dải chắn
G X M G
Số sóng 0
1 2 3 4
Tần số (GHz)
Mode TM Mode TE Dải chắn
Đường ánh sáng Đường ánh sáng
(a) (b)
Hình 4.5. a) Cấu trúc EBG hình nấm với cột nối kim loại dạng xoắn ốc [10] và b) Dải chắn của cấu trúc EBG đề xuất và cấu trúc EBG hình nấm thông thường.
Bên cạnh đó, một phương pháp giảm nhỏ kích thước của cấu trúc EBG dạng hình nấm đã được đề xuất [10]. Trong thiết kế này, cột nối kim loại dạng thẳng của cấu trúc EBG hình nấm thông thường đã được thay bằng cột nối dạng xoắn ốc như hình 4.5a. Khi đó, chiều dài điện của cột nối kim loại sẽ tăng lên và làm cho điện cảm tương đương của cấu trúc EBG tăng theo. Từ đồ thị hệ số truyền đạt S21 ở hình 4.5b, ta thấy dải chắn của cấu trúc EBG cột nối kim loại dạng xoắn ốc đã giảm xuống tần số thấp hơn so với dải chắn của cấu trúc EBG hình nấm thông thường.