Kết quả mô phỏng anten mạch dải

c)

Hình 4. 2: Kết quả mô phỏng anten mạch dải

a) Mô phỏng phổ phản xạ; b) Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực c)Đồ thị bức xạ không gian 3D;

Thảo luận

Từ kết quả mô phỏng thu đƣợc ta thấy đỉnh cộng hƣởng của anten nằm ở khoảng 10.5GHz với độ rộng băng tần khoảng 0.5GHz và gain bức xạ là 5.7dB. Kết quả này phù hợp với yêu cầu luận văn đề ra và phù hợp với các kết quả thu đƣợc trƣớc.

4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS 4.2.1. Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS 4.2.1. Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS

Bề mặt HIS đƣợc thiết kế là bề mặt có dạng hình nấm gồm các cell nhỏ xếp tuần hoàn nhƣ hình 4.3 a, mỗi “tế bào” hay “ô cơ sở” (cell) là một tấm kim loại hình vuông cạnh w, đƣợc nối với mặt phẳng đất thông qua các vias.

Tần sô làm việc 10GHz

Bề rộng của mỗi cell w = 2.6 mm

Khoảng cách giữa các cell g = 0.3 mm

Chiều cao của đế điện môi h = 1.51mm

Bán kính vias r = 0.14 mm

.

Hình 4.3a: Mô hình HIS

Mô hình 1 cell của bề mặt trở kháng cao: trong quá trình mô phỏng ta chỉ cần sử dụng một "tế bào" (cell) của cấu trúc với kích thƣớc chu kì hợp lí để tính toán bề rộng và vị trí vùng cấm, tức là vùng mà trong đó sóng điện từ không lan truyền trên bề mặt vật liệu đƣợc.

Hình 4. 3b: Mô hình thiết kế 1 cell của bề mặt trở kháng cao

Đặt điều kiên biên tuần hoàn cho cấu trúc HIS là một hình hộp chữ nhật có tiết diện là hình vuông cạnh bằng w+2g, 2 mặt bên đối diê ̣n là tƣ̀ trƣờng , 2 mă ̣t bên đối diê ̣n còn la ̣i là điê ̣n trƣờng, và mặt phía trên cùng là cửa sóng wave port.

4.2.2. Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS

Kết quả thu đƣợc về hai mode sóng đầu tiên nhƣ hình 4.4. Kích thƣớc của ô cơ sở đƣợc điều chỉnh rất nhiều đến khi thu đƣợc dải cấm có chứa khoảng tần số 10 GHz, là tần số cộng hƣởng của anten. Trong quá trình mô phỏng đã chọn cố định hằng số điện môi của đế và chiều cao đế là vật liệu để chế tạo anten (FR4)

4.2.3. Thảo luận

Từ kết quả mô phỏng thu đƣợc ta thấy dải cấm điện từ của cấu trúc HIS là khoảng tần số từ 9.5 đến 13.1GHz, chứa khoảng tần số cộng hƣởng của anten là 10GHz.

Với kết quả này ta có thể dùng cấu trúc trên để kết hợp với anten làm việc trong khoảng tần số từ 9.5 đến 13.1 GHz để thiết kế anten metamaterial.

4.3. THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL 4.3.1. Thiết kế anten metamaterial

Sử dụng mô hình anten nhƣ đã thiết kế mục 3.1 và mô hình HIS đã thiết kế ở mục 3.2 tích hợp trên cùng một đế điện môi có bề dày h = 1.51 mm và hằng số điện môi hằng số điện môi 6.15. Ta nhắc lại cơ chế nhƣ sau: khi HIS đƣợc bao quanh anten miếng thông thƣờng, do HIS đƣợc thiết kế có dải cấm chứa vùng tần số cộng hƣởng của anten, nên tại vị trí cộng hƣởng, sóng điện từ lan truyền bề mặt sẽ bị ngăn chặn bởi anten, do đó không tới đƣợc "rìa" của anten và tập trung cho bức xạ hữu ích của anten trong không gian, giúp nâng cao hiệu năng của anten. Việc mở rộng dải tần hoạt động của anten cũng theo cơ chế này.

- Kết quả thu đƣợc dƣới đây là trƣờng hợp tối ƣu khi tích hợp HIS vào đế của anten thông thƣờng, chúng tôi có các trƣờng hợp 1 lớp, 2 lớp HIS, cũng nhƣ các trƣờng hợp với kích thƣớc ô cơ sở HIS thay đổi sẽ đƣợc thảo luận ở phần tiếp theo.

4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial

a) b)

c)

Hình 4. 6: Kết quả mô phỏng anten metamaterial

a) Mô phỏng phổ phản xạ; b) Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực; c) Đồ thị bức xạ không gian

4.3.3. Thảo luận

Kết quả mô phỏng cho thấy anten metamaterial thiết kế cộng hƣởng ở tần số 10.5GHz với dải tần làm việc 0.9GHz và hiệu suất (gain) bức xạ là 7.7dB.

So sánh với anten thƣờng thì hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamaterials đã tăng lên 2dB và độ rộng dải tần là việc của anten tăng từ 0.5 GHz đến 0.9 GHz (vùng dƣới -10 dB).

Nhƣ vậy anten metamaterials đã đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra là tăng hiệu suất (gain) bức xạ và mở rộng dải tần làm việc của anten.

4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL

4.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial

Khi xét đến khoảng cách từ cấu trúc HIS đến bề mặt trở kháng cao thì gain bức xạ và bề rộng dải tần làm việc của anten thay đổi theo khoảng cách đó và kết quả mô phỏng thu đƣợc nhƣ hình 4.7 và kết quả khảo sát hình 4.8.

Hình 4. 7: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ của anten metamaterial khi thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại

Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial

b)

Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial.

Thảo luận:

Hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamaterial lớn nhất khi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại là 14.1 mm xấp xỉ mức λ/2 (Bƣớc sóng tại tần số cộng hƣởng λ=28.57mm).

Dải tần làm việc của anten metamaterial lớn nhất khi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại là 14.1 mm xấp xỉ mức λ/2.

Nhƣ vậy khoảng cách tối ƣu từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại là khoảng λ/2. Điều này có thể giải thích khi khoảng cách giữa anten và HIS quá nhỏ, sự kết hợp điện từ giữa anten và HIS quá lớn gây nhiễu tới bức xạ của anten, khi khoảng cách này quá lớn thì ảnh hƣởng của HIS tới ngăn chặn sóng điện từ bề mặt lại không rõ rệt nên cũng không giúp cho anten cải thiện đặc tính của mình; ở đây phƣơng pháp mô phỏng đã chỉ ra khoảng cách hợp lý là khoảng λ/2 với λ là bƣớc sóng của tần số cộng hƣởng. Ở khoảng cách này sóng điện từ lan truyền bề mặt từ anten bị HIS hấp thụ hay nói cách khác ngăn chặn một cách tốt nhất, nâng cao hiệu năng cho anten.

4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial của anten metamaterial

Số lƣợng của cấu trúc HIS ảnh hƣởng lớn đến mức độ ngăn chặn sự lan truyền sóng bề mặt của nó, do đó ảnh hƣởng đến gain bức xạ của anten metamaterial.

Luận văn đã khảo sát sự thay đổi gain bức xạ của anten metamaterial khi thay đổi số lƣợng của cấu trúc HIS tức thay đổi số hàng của cấu trúc HIS và đã thu đƣợc kết quả nhƣ hình 4.9.

Hình 4. 9: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của anten metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS.

Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS

Hình 4. 11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS

Thảo luận:

Kết quả cho thấy khi sử dụng nhiều lớp HIS hơn, hiệu năng anten cao hơn, cũng nhƣ độ rộng băng tần làm việc của anten đƣợc mở rộng. Điều này có thể giải thích vì khi dùng nhiều lớp HIS, tính chất tuần hoàn của bề mặt trở kháng cao đƣợc

thể hiện tốt hơn, do đó giúp cho anten có hiệu suất hoạt động cao hơn, trƣờng hợp sử dụng 3 lớp HIS bao quanh cho hiệu suất (gain) cao nhất là 7.7 dB.

4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau. của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau.

Nếu thay đổi kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS nhƣng dải cấm của nó vẫn chứa khoảng tần số làm việc của anten thì gain bức xạ của anten sẽ thay đổi. Do đó chúng tôi đã khảo sát sự thay đổi gain bức xạ khi thay đổi kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS theo các hàng.

Cấu trúc HIS 3 hàng đƣợc mô tả nhƣ hình

Hình 4. 12: Mô hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng

Khi thay đổi kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS theo các hàng hàng 1 là 2.4 mm x 2.4 mm, hàng 2 là 2.6 mm x 2.6 mm, hàng 3 là 2.8 mm x 2.8 mm. Chúng tôi đã thu đƣợc kết quả tính toán về hệ số phản xạ đồ thị bức xạ nhƣ hình 4.12.

Hình 4.13: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau a) Mô phỏng phổ phản xạ; b)Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực

Thảo luận:

Kết quả mô phỏng hai anten cho thấy dải tần làm việc của anten không thay đổi và hiệu suất (gain) bức xạ của anten tăng lên khi thay đổi kích thƣớc các hàng của cấu trúc HIS. Nhƣ vậy việc thiết kế cấu trúc HIS có kích thƣớc các ô cơ sở khác nhau nhƣng dải cấm của nó vẫn thuộc vùng tần số hoạt động của anten sẽ cho hiệu quả cao hơn. Điều này có thể giải thích nhƣ sau, khi chúng ta dùng các ô cơ sở có kích thƣớc khác nhau tức là chúng ta đang dùng các "hệ" HIS có các dải cấm

khác nhau, kích thƣớc các ô cơ sở đã đƣợc tính toán sao cho các dải cấm này là lân cận nhau, do đó, khi chúng ta kết hợp các ô cơ sở, bề rộng vùng cấm của toàn bộ cấu trúc HIS đƣợc kết hợp với nhau và "mở rộng". Khi vùng cấm mở rộng hiệu năng của nó đối với việc triệt tiêu sóng mặt của anten sẽ mạnh hơn do đó làm tăng hiệu năng của anten có kết hợp metamaterial.

4.5. KẾT QUẢ ĐO 4.5.1. Kết quả 4.5.1. Kết quả

Bằng máy phân tích mạng chúng tôi đã đo đƣợc phổ phản xạ của anten thƣờng và anten metamaterial ở vùng tần số từ 8GHz đến 13GHz. Nhƣng do ở hệ thiết bị chƣa có khả năng đo hiệu suất của anten nên chúng tôi chỉ kiểm nghiệm đƣợc phổ phản xạ của anten nhƣ trên hình 4.14 và 4.15.

Hình 4.14: Kết quả đo phổ phản xạ của anten thường

Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial

Kết quả đo phổ phản xạ của hai anten cho thấy anten đỉnh cộng hƣởng của hai anten đều ở tần số 11GHz lệch so với kết quả mô phỏng là 0.5 GHz, dải tần làm việc của anten thƣờng là 0.6GHz và anten metammaterial là 0.9GHz.

Sự sai khác giữa thực nghiệm và mô phỏng là do trong quá trình chế tạo anten không có kích thƣớc chính xác nhƣ đã mô phỏng và hằng số điện môi của anten thực sai khác so với anten chế tạo.

Để giảm sai số ta có thể dùng công nghệ chế tạo với độ chính xác cao hơn nhƣ chế tạo bằng phƣơng pháp quang khắc hay dùng hệ chế tạo mạch in tự động.

KẾT LUẬN

Luận văn “Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial”đã thu đƣợc một số kết quả nhƣ sau:

- Đã thiết kế đƣợc anten làm việc ở khoảng tần số 10.5 GHz và mô phỏng hoạt động của anten với dải tần hoạt động (<-10 dB) là 0.5GHz, hiệu suất (gain) bức xạ là 6.8dB.

- Đã thiết kế đƣợc mô hình bề mặt trở kháng cao HIS có dải cấm trong khoảng 9.5-13.1GHz và mô phỏng hoạt động của bề mặt HIS đó.

- Đã thiết kế anten metamaterial làm việc ở khoảng tần số 10.5GHz và mô phỏng. Kết quả thu đƣợc hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamaterial tăng lên 2dB so với anten thƣờng và dải tần hoạt động tăng lên 0.4 GHz.

- Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của các tham số cấu trúc: Khoảng cách từ HIS đến tấm kim loại, bề rộng của cấu trúc HIS, kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Kết quả cho thấy, các tham số cấu trúc ảnh hƣởng mạnh đến tính chất điện từ của anten đặc biệt là hiệu suất gain bức xạ của anten theo các chiều hƣớng khác nhau. Đề tài đã chỉ ra các trƣờng hợp khảo sát trong đó hiệu năng anten đƣợc cải thiện bằng cách thay đổi hợp lí một số thông số. Các phân tích sâu hơn về mặt vật lý và cơ chế điện từ của cấu trúc anten kết hợp metamaterial cần có thêm thời gian khảo sát đối với từng trƣờng hợp cụ thể.

- Đã chế tạo thành công hai anten (anten thƣờng và anten metamaterial) và đo phổ phản xạ của chúng để kiểm nghiệm kết quả mô phỏng.

- Từ những kết quả thu đƣợc của luận văn có thể phát triển để nghiên cứu các cấu trúc tối ƣu hơn để tăng hiệu suất của cũng nhƣ mở rộng dải tần làm việc của anten hay nghiên cứu các anten có tần số hoạt động cao hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1. Phan Anh (2007), “Lí thuyết và Kĩ Thuật Anten”, NXB Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội, tr. 5-41,459-469.

Tiếng Anh

2. Balanis, C. (1997), “Antenna theory-analyse and design”, John Wiley & Sons, New York, pp. 811-843.

3. Bonache J, Gil I, Garcia-Garcia J, and Martin F (2006), "Novel microstrip bandpass filters based on complementary split-ring resonators", IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 54, 265.

4. Christophe Caloz(2006), “Electromagnetic Metamaterials: Transmission line theory and microwave applications”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, Canada.

5. Colburn J. S., and Rahmat-Samii Y. (1999), “Patch antennas on externally perforated high dielectric constant substrates”, IEEE Trans. Antennas Propagat, pp. 1785–94.

6. Cuong, T. M., Ouslimani, H., Guida, G., Priou, A., Teillet, H. and Daden J. P. (2008), “Metamaterial structure for compact millimeter wave antenna applications”, PIERS.

7. Cuong, T. M., Hafdallah Ouslimani H., and Priou A. C. (2011), “Characterization of High Impedance Surface (HIS) Properties for Low Profile Antenna Application”, PIERS

8. Cuong, T. M., Hafdallah-Ouslimani, H., Zhou, L., Priou A. C., Teillet H., Daden, J. Y., and Ourir, A. (2010), “High impedance surfaces based antennas for high data rate communications at 40 ghz”, Progress In Electromagnetics Research C, pp. 217-229.

9. CST (2008), Microwave Studio, Software.

10. Dolling G, Wegener M, Soukoulis C M, Linden S (2006), “Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength”, Opt. Lett. 32, 53.

11. Engheta N (2002), “An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability”, IEEE Antennas Wireless Propagat, Lett. 1, 10.

12. Eleftheriades G. V., Balmain K. G. (2005), “Negative-Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications”, Wiley-IEEE Press.

13. Elliott, R. S. (2003), “Antenna theory & design”, Wiley-Interscience.

14. Fu Y. Q., Zheng Q. R., Gao Q., Zhang G. H. ( 2006), “Mutual coupling reduction between large antenna arrays using electromagnetic bandgap structures”, J. of Electromag, Wave ans Appl, pp. 819-825.

15. Garg R., Bhartia P., Bahl I. J.,and Ittipiboon A. (2001), “Microstrip Antenna Design Handbook”, Editors, Artech House.

16. Habiba H. O., Lu Yang Zhou, Cuong Tran, Alain Priou, Olivier Maas, Hervé Teillet and Jean Yves Daden (2008), “Design of Metamaterial Antennas for Low and High Operational Frequency”, 26th Army science conference, USA. 17. Jiabi C, Wang Y, Jia B, Geng T, Li X, Liang B, Zhang X, Gu M, and Zhuang

S (2011), “Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical frequencies”, Nature Photon. 5, pp. 239-245.

18. [11] Lam V D, Kim J B, Tung N T, Lee S J, Lee Y P, and Rhee J. Y (2008), “Dependence of the distance between cut-wire-pair layers on resonance frequencies”, Opt. Express. 16, 5934.

19. Lam V D, Tung N T, Cho M H, Park J W, Rhee J Y, and Lee Y P (2009), “Influence of the lattice parameters on the resonance-frequency bands of a cut-wire-pair medium”, J. Appl. Phys. 105, 113102.

20. Lee H J and Yook J G (2008), “Biosensing using split-ring resonators at microwaveregime”, Appl. Phys. Lett. 92, 254103.

21. Liang L., Liang C. H., Chen L., and Chen X. ( 2008), “A novel broadband EBG using cascaded mushroom like structure”, Microwave and Optics