CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CHẮN DẢI ĐIỆN TỪ (EBG)
1.2. Bề mặt trở kháng lớn
1.2.1. Giới thiệu chung về bề mặt trở kháng lớn
Trong một số trường hợp, sự có mặt của vật dẫn điện đã gây ảnh hưởng bất lợi đến đặc tính của các thiết bị điện từ, thậm chí còn liên quan đến hệ thống thông tin vô tuyến.
Các bề mặt vật dẫn thường là các mặt phản xạ nhưng chúng làm đảo pha sóng phản xạ.
Ngoài ra, các bề mặt trên còn hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt dẫn đến giảm hiệu suất bức xạ của anten. Điều này có thể khắc phục bằng cách đưa vào các ràng buộc về cấu trúc hình học trong thiết kế nhưng sẽ làm giảm hiệu suất tối ưu ban đầu.
Bằng cách đưa vào bề mặt vật dẫn một kết cấu đặc biệt thì sẽ làm thay đổi các thuộc tính của bề mặt trên. Nếu làm từ kim loại rắn, cấu trúc sẽ dẫn dòng một chiều, nhưng trên một dải tần riêng biệt, cấu trúc sẽ không dẫn dòng xoay chiều. Đặc điểm của bề mặt mới này là có trở kháng bề mặt lớn, không đảo pha sóng phản xạ và dòng ảnh sẽ phản xạ đồng pha so với trường hợp phản xạ ngược pha của các vật dẫn thông thường. Hơn nữa, bề mặt
trở kháng lớn sẽ không hỗ trợ sóng lan truyền trên bề mặt, thay vào đó, các dòng điện trên bề mặt sẽ bức xạ một cách hiệu quả vào không gian tự do.
1.2.1.1. Vật dẫn điện
Nếu một bề mặt vật dẫn là mặt phản xạ tốt thì lại có tính chất đảo pha sóng phản xạ.
Một tấm kim loại phẳng thường dùng trong các anten như là mặt phản xạ hay mặt phẳng đế. Mặt phẳng này sẽ đổi hướng sóng phản xạ để tạo ra thành phần đồng pha với hướng bức xạ chính, từ đó cải thiện được tăng ích của anten tới 3 dB. Tuy nhiên, nếu anten đặt quá gần bề mặt vật dẫn, pha của sóng tới sẽ đảo khi phản xạ, tạo ra giao thoa tiêu cực với các sóng bức xạ theo hướng khác. Điều này tương đương với việc dòng ảnh trong vật dẫn đã triệt tiêu dòng điện trong anten, dẫn đến hiệu suất bức xạ rất kém. Hình 1.1 mô tả một anten đặt rất gần vật dẫn [1]. Hiệu quả của anten gần như bị triệt tiêu bởi bề mặt kim loại, do vậy hiệu suất bức xạ là không đáng kể.
Dịch pha 1800 Vật dẫn
điện Anten
Sóng 1
Sóng 2
Giao thoa ngược pha
< /4
Hình 1.1. Anten đặt đối diện với mặt phẳng đế với khoảng cách < /4
Vấn đề trên sẽ được giải quyết nếu khoảng cách giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đế là ẳ bước súng như hỡnh 1.2 [1]. Sự dịch pha từ anten đến bề mặt và quay lại anten đỳng bằng một chu kỳ. Vì thế anten sẽ bức xạ hiệu quả hơn nhưng yêu cầu độ dày tối thiểu của toàn bộ cấu trúc là /4.
Dịch pha 1800 Vật dẫn
điện Anten
Sóng 1
Sóng 2
Giao thoa đồng pha
/4 900
900
Hình 1.2. Anten với khoảng cách /4 so với mặt phẳng đế
Một tính chất khác của kim loại là cho phép lan truyền sóng bề mặt [38]. Các sóng bề mặt là các sóng điện từ lan truyền theo mặt phân cách giữa kim loại và không gian tự do.
Chúng được gọi là bề mặt Plasmon ở dải tần quang học [39], còn ở dải tần siêu cao chúng không khác gì dòng xoay chiều trong bất kỳ vật dẫn điện nào. Nếu vật dẫn trơn và phẳng, sóng bề mặt sẽ không gắn với sóng phẳng bên ngoài. Tuy nhiên chúng sẽ bức xạ nếu bị tán xạ bởi uốn cong, điểm gián đoạn hay bề mặt texture. Phạm vi sóng bề mặt không tồn tại với khái niệm “vật dẫn điện hoàn hảo (PEC)”, vì vậy trong giới hạn của độ dẫn điện vô hạn, trường liên kết với sóng bề mặt sẽ mở rộng với một khoảng cách nhất định trong không gian.
Hình 1.3 mô tả một ví dụ về sóng bề mặt TM lan truyền ngang qua một tấm kim loại [1]. Từ trường nằm ngang theo hướng lan truyền, kết hợp với dòng điện chạy dọc trong vật dẫn. Điện trường bị ràng buộc đưa đến mặt trên của vật dẫn và nhảy khỏi bề mặt vật dẫn theo đường vòng.
Hình 1.3. Sóng bề mặt TM lan truyền ngang qua một tấm kim loại
Khi anten đặt gần một mặt phẳng đế kim loại (hay một mặt phản xạ kim loại) thì nó sẽ bức xạ sóng phẳng vào trong không gian nhưng anten cũng tạo ra các dòng điện chạy dọc mặt kim loại. Trên một mặt phẳng đế rộng vô hạn thì ảnh hưởng của dòng bề mặt này đến hiệu suất bức xạ của anten là không đáng kể. Tuy nhiên trong thực tế, mặt phẳng đế luôn có kích thước hữu hạn nên dòng bề mặt sẽ lan truyền về các cạnh hay các góc gây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bức xạ anten. Nếu nhiều anten có chung mặt phẳng đế thì dòng bề mặt sẽ gây nên ảnh hưởng tương hỗ (do ghép nối) không mong muốn giữa các anten.
1.2.1.2. Bề mặt trở kháng lớn
Bằng việc tích hợp các cấu trúc đặc biệt trên một vật dẫn thì nó có thể thay đổi các thuộc tính của sóng lan truyền trên bề mặt. Khi cấu trúc có chu kỳ nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng thì cấu trúc này có thể mô tả bằng mô hình trung gian hiệu dụng [1], và phẩm chất của cấu trúc này được tổng quát hóa chỉ bằng một tham số, đó là trở kháng bề mặt.
Điều kiện biên này xác định tỷ số giữa điện trường tiếp tuyến và từ trường tiếp tuyến tại bề mặt. Nó tương tự như trở kháng được xác định theo định luật Ohm: tỷ số giữa điện áp và
+ + - - - - + + + + - - - E H
Kim loại
dòng điện chạy dọc vật dẫn. Một vật dẫn trơn nhẵn sẽ có trở kháng bề mặt nhỏ, trong khi với một thiết kế đặc biệt về hình dạng, bề mặt texture có thể có trở kháng bề mặt lớn.
Hình 1.4. Mặt cắt ngang của một bề mặt trở kháng lớn
Một bề mặt trở kháng lớn như hình 1.4, bao gồm một dãy các phiến kim loại nhô lên nằm trên một tấm kim loại phẳng. Các tấm kim loại ở trên được nối với vật dẫn ở dưới bằng các cột kim loại thẳng đứng. Chúng có thể được xem như dạng hình nấm nhô lên từ bề mặt.
Nếu kích thước của phần nhô lên là nhỏ so với bước sóng, các thuộc tính điện từ có thể được mô tả bằng các phần tử tập trung: cuộn cảm và tụ điện. Các phiến kim loại đặt liền kề nhau giữa các phần tử (cell) sẽ tương ứng với một tụ điện C, ngoài ra dòng điện chạy từ phiến kim loại qua đường nối xuống lớp đế sẽ tương ứng với cuộn cảm L. Như vậy cấu trúc bề mặt trở kháng lớn sẽ tương đương với một mạch điện cộng hưởng LC mắc song song. Do đó các sóng bề mặt sẽ bị cộng hưởng và giam hãm trong cấu trúc này. Đây là nguồn gốc của bề mặt điện từ trở kháng lớn. Sơ đồ mạch điện tương đương được chỉ ra ở hình 1.5 dưới đây.
Hình 1.5.Sơ đồ mạch điện tương đương của bề mặt trở kháng lớn
Do tính chất khác thường của trở kháng bề mặt trên, các mode sóng bề mặt này rất khác so với trường hợp sóng bề mặt trên tấm kim loại phẳng. Nó cho phép mode sóng TM lan truyền chậm hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Nó cũng cho phép mode TE lan truyền bề mặt ở một số dải tần nhưng bức xạ hoàn toàn ở những dải tần khác. Trong mode sóng bề mặt TE, điện trường tiếp tuyến với bề mặt và hướng lan truyền, trong khi từ trường mở rộng ra khỏi tấm kim loại thành vòng như mô tả ở hình 1.6.
Trong dải tần có trở kháng bề mặt lớn, từ trường tiếp tuyến là nhỏ, thậm chí với một điện trường rất lớn. Cấu trúc như trên đôi khi được mô tả bằng khái niệm “vật dẫn từ”. Đây là một ý tưởng toán học sử dụng trong một số vấn đề về điện trường nào đó nhưng không tồn tại trong thực tế. Có trở kháng lớn và gần như không suy hao, cấu trúc mới này có thể xem như một loại vật dẫn từ trên một dải tần nào đó.
Hình 1.6.Sóng bề mặt TE lan truyền ngang qua một bề mặt trở kháng lớn
Bởi vì tính khác thường của điều kiện biên, bề mặt trở kháng lớn có thể hoạt động như một kiểu mặt phẳng đế độc nhất dùng trong anten cấu hình thấp. Hình 1.7 mô tả ví dụ về anten lưỡng cực khi đặt đối diện với mặt phẳng đế trở kháng lớn sẽ không bị giảm hiệu suất bức xạ như trường hợp mặt phẳng đế kim loại thông thường [1]. Bề mặt trở kháng lớn phản xạ toàn bộ công suất như một tấm kim loại tuy nhiên phản xạ là đồng pha và cho phép phần tử bức xạ đặt sát ngay bề mặt. Nói cách khác chiều của dòng ảnh là chiều tích cực cho phép anten bức xạ hiệu quả hơn. Hơn nữa, trong một dải tần cấm, mặt phẳng đế trở kháng lớn không cho phép sóng bề mặt lan truyền một cách tự do. Do vậy sẽ cải thiện được đồ thị bức xạ của anten.
Hình 1.7.Anten lưỡng cực với mặt phẳng đế trở kháng lớn