CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG PHẦN TỬ ĐIỆN DUNG KÝ SINH
2.2. Cấu trúc EBG hai băng tần cho hệ thống WLAN
2.2.3. Khảo sát các đặc tính của dải chắn
Trong phần này, cấu trúc EBG sẽ được tối ưu dựa vào các tham số kích thước để đạt được trở kháng bề mặt lớn tại tần số trung tâm của hệ thống WLAN. Vì vậy từ hình 2.4 ta thấy, cần phải giảm và tăng . Tổng quát, tần số trung tâm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị điện dung tương đương và điện cảm tương đương . Tuy nhiên, trong thiết kế cấu trúc EBG khi lớp điện môi với độ dày không đổi đã được chọn thì giá trị điện cảm tương đương không thể thay đổi [4]. Vì vậy, trong trường hợp này ta chỉ có thể thay đổi giá trị của điện dung .
Hình 2.5. Kết quả mô phỏng hệ số S21 ứng với các giá trị của G khi G1 = 0.5 mm và W = 8.25 mm.
Hình 2.6. Kết quả mô phỏng hệ số S21 với các giá trị của G1 khi G2 = 1.2 mm và W = 8.25 mm.
Hình 2.7. Kết quả mô phỏng hệ số S21 ứng với các giá trị của G2 khi G1 = 1 mm và W = 8.25 mm.
Hình 2.8. Kết quả mô phỏng trở kháng bề mặt của cấu trúc EBG tối ưu.
2 3 4 5 6
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S21 (dB)
Taàn soá (GHz)
G=0.25 mm G=0.50 mm G=0.75 mm
2 3 4 5 6
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S21 (dB)
Taàn soá (GHz)
G1=0.50 mm G1=1.00 mm G1=1.25 mm
2 3 4 5 6 7
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S21 (dB)
Taàn soá (GHz)
G2=1.0 mm G2=1.5 mm G2=2.0 mm
2 3 4 5 6
-500 0 500 1000 1500 2000 2500
Trơû kháng bề mặt ()
Taàn soá (GHz)
Phần thực Phần ảo
Từ công thức (2.3), tần số sẽ giảm khi tăng giá trị điện dung . Điều này có thể thực hiện bằng cách giảm khoảng cách G giữa hai đường vi dải chữ V nằm ngoài cùng của hai phần tử EBG cạnh nhau. Hơn nữa, từ hình 2.5 thấy rằng, dải chắn thứ nhất dịch chuyển về vùng tần số thấp hơn khi giá trị của G giảm dần. Điều này hoàn toàn phù hợp bởi vì theo lý thuyết khi khoảng cách G càng giảm thì giá trị điện dung tương ứng càng tăng.
Bên cạnh đó, tần số trung tâm hầu như không thay đổi khi ta điều chỉnh .
Tương tự, tần số trung tâm của dải chắn thứ hai cũng có thể điều chỉnh theo giá trị của điện dung ký sinh trong công thức (2.4). Có hai tham số ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị của .
Tham số đầu tiên, đó là khoảng cách G1 giữa các đường vi dải chữ V song song nhau.
Tham số thứ hai là khoảng hở G2 giữa đầu cuối của đường chữ V đối xứng qua đường vi dải thẳng. Hình 2.6 trình bày kết quả các tham số tán xạ của cấu trúc EBG với các giá trị G1 khác nhau. Rõ ràng rằng dải chắn thứ hai dịch chuyển về vùng tần số cao hơn khi tăng G1. Điều này hoàn toàn phù hợp với công thức (2.4), khi G1 tăng thì điện dung ký sinh sẽ giảm dẫn đến tăng tần số .
Tiếp theo, ảnh hưởng của G2 đến tần số trung tâm của dải chắn thứ hai sẽ được khảo sát. Theo quan sát ở hình 2.7, dải chắn thứ hai dịch chuyển lên vùng tần số cao hơn khi giá trị G2 tăng. Thật vậy, khi tăng G2 dẫn đến chiều dài của đường vi dải chữ V giảm. Điều này có nghĩa là giá trị cũng sẽ giảm. Ngoài ra, khi thay đổi giá trị của G1 và G2 để dịch chuyển dải chắn thứ hai thì dải chắn thứ nhất hầu như không đổi. Điều này chứng minh rằng và hoàn toàn độc lập với nhau và có thể điều chỉnh một cách dễ dàng.
Giới hạn thay đổi của các tần số trung tâm và phụ thuộc vào giới hạn thay đổi của các tham số kích thước G, G1 và G2. Tham số G xác định khi có giá trị dương. Do vậy, về lý thuyết, ta có thể điều chỉnh tần số về giá trị rất nhỏ tương ứng với giá trị G rất lớn. Khi đó kích thước của phần tử EBG là rất lớn. Trong khi đó, tham số G1 và G2 lại thay đổi có giới hạn, phụ thuộc vào vị trí của các đường vi dải xung quanh. Vì vậy, định lượng về giới hạn điều chỉnh của và chỉ mang tính tương đối, mà không đưa ra chính xác biên giới hạn này.
Bảng 2.2 đưa ra các kết quả so sánh giữa cấu trúc EBG đề xuất với các cấu trúc đã công bố trước đây khi cùng kích thước và lớp điện môi (độ dày và hệ số điện môi). Từ bảng 2.2, ta thấy rằng với phần tử EBG có kích thước là 10mm, lớp điện môi có r = 4.7 và độ dày 1.6 mm, băng thông của cấu trúc EBG có khoét một cặp khe chữ L ở bề mặt [13] là 21.5 % và 25.4 %, trong khi đó băng thông của cấu trúc đề xuất là 46.9 % and 39.1 %. Khi so sánh với cấu trúc EBG [14] có kích thước 11 mm, r = 4.9, h = 1.6mm (24.8 % và
14.8%) thì cấu trúc EBG đề xuất có băng thông lần lượt là 42.4 % và 49.2 %. Trường hợp kích thước phần tử EBG là 7,5 mm sử dụng lớp điện môi có r= 2.2, độ dày 2 mm, kết quả mô phỏng các dải chắn của cấu trúc EBG sử dụng các vòng cộng hưởng [15] là 27.4 % và 6.3 %, trong khi đó các dải chắn của cấu trúc đề xuất là 36.6 % and 31.5 %. Rõ ràng cấu trúc đề xuất có băng thông rộng hơn khi so sánh với các trường hợp trên. Bên cạnh đó tần số trung tâm của các dải chắn của cấu trúc EBG mới hầu như nhỏ hơn trong mọi trường hợp. Như vậy, cấu trúc EBG đề xuất là rất nhỏ gọn.
Bảng 2.2. So sánh giữa cấu trúc EBG đề xuất với các cấu trúc EBG đã công bố Cấu trúc
EBG
Kích thước
phần tử (mm)
Độ dày (mm)
r Dải chắn 1 Dải chắn 2
Tần số (GHz)
Băng thông (%)
Tần số (GHz)
Băng thông
(%)
[13] 10 1.6 4.7 2.37 21.5 6.66 25.4
[14] 11 1.6 4.9 2.33 24.8 5.12 14.8
[15] 7.5 2.0 2.2 3.83 27.4 5.67 6.3
Đề xuất
10 11 7.5
1.6 1.6 2.0
4.7 4.9 2.2
1.79 1.65 3.04
46.9 42.4 36.6
4.04 3.41 6.22
39.1 49.2 31.5
Bảng 2.3. Các tham số tối ưu của cấu trúc (mm)
W W1 W2 W3 W4
8.25 8.07 2 0.5 0.5
W5 G G1 G2 h
0.5 0.15 1 2 1.6
Sau cùng, các dải chắn đã được tối ưu theo mục tiêu của phần này. Các tham số tối ưu được chi tiết ở bảng 2.3. Kết quả mô phỏng các dải chắn được chỉ ra trong hình 2.10, dải chắn thứ nhất có dải tần từ 2.08 đến 2.94 GHz, trong khi đó dải chắn thứ hai có dải tần từ 4.64 đến 6.68 GHz. Trở kháng bề mặt của cấu trúc EBG sau khi tối ưu được thể hiện trong hình 2.8, theo đó cấu trúc có trở kháng bề mặt lớn tại các tần số 2.45 GHz và 5.5 GHz.
Để xác thực các kết quả mô phỏng của cấu trúc EBG đề xuất, một mảng 3×4 phần tử EBG đã được chế tạo và đo thực nghiệm. Các đường vi dải gắn ở hai đầu của mảng được
nối với các đầu nối SMA để đo các tham số tán xạ. Việc đo thực nghiệm được tiến hành trên máy phân tích mạng Anritsu 37369D (hình 2.9). Các kết quả đo thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng và được trình bày ở hình 2.10. Ta thấy rằng, các kết quả này là khá tương đồng nhau.
Hình 2.9. Mảng 3×4 phần tử EBG và thiết lập đo thực nghiệm
Hình 2.10. Các tham số tán xạ của cấu trúc EBG đã tối ưu