Tài liệu Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến tt

MỞ ĐẦU Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau như thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, ... Trong những hệ thống này, anten là một thành phần không thể thiếu và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ. Bên cạnh đó, những hệ thống này cũng luôn yêu cầu anten phải có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ trong khi các tham số vẫn phải được cải thiện. Vì vậy, công nghệ vi dải là sự lựa chọn tốt nhất để đáp ứng cho các yêu cầu trên. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, anten vi dải cũng tồn tại một số nhược điểm như: băng thông hẹp, hiệu suất và hệ số tăng ích thấp, công suất thấp. Bên cạnh đó, trong một số ứng dụng, việc sử dụng anten đơn đã không đảm bảo được yêu cầu về chất lượng hệ thống cũng như độ định hướng, hệ số tăng ích hay băng thông. Hơn nữa, anten định hướng cao là cần thiết để bù lại sự suy giảm tín hiệu do việc truyền sóng ở tầng khí quyển gây ra. Thêm vào đó, băng thông của anten trong những hệ thống này luôn yêu cầu từ vài trăm MHz trở lên. Vì vậy, anten mảng đã ra đời để đáp ứng các yêu cầu trên. Anten mảng là một tập hợp gồm ít nhất từ hai phần tử trở lên. Với những ưu điểm như băng thông rộng, hệ số tăng ích và độ định hướng cao, anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thông tin vệ tinh, thông tin di động, radar, … Từ những lý do trên, việc cải thiện các tham số cho anten mảng là rất cần thiết. Hiện nay, có nhiều phương pháp đã được đề xuất để cải thiện các tham số cho anten như: siêu vật liệu, Electromagnetic Band Gap (EBG), nhiều tầng điện môi, Defected Ground Structure (DGS), bề mặt phản xạ. Mỗi phương pháp đều có những đặc tính riêng. Vì vậy, chúng ta cần lựa chọn và áp dụng đúng đắn các phương pháp vào từng trường hợp cụ thể. Nếu như việc mở rộng băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi dựa trên nguyên lý tăng chiều dày của tầng điện môi, thì việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng việc sử dụng bề mặt phản xạ dựa trên đặc tính phản xạ để giảm thiểu búp sóng phụ và búp sóng sau. Trong khi đó, phương pháp như DGS cải thiện tăng ích cho anten bằng cách phân bố lại dòng cho anten. Chúng ta biết rằng việc bức xạ của anten vi dải được xác định từ phân bố trường giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt phần tử bức xạ. Do đó, việc thay đổi hình dạng, kích thước và chiều dày của mặt phẳng đất hay phần tử bức xạ sẽ dẫn đến việc thay đổi phân bố dòng của anten. Điều này đã mở ra một hướng đi mới cho việc cải thiện một số tham số của anten. Những vấn đề còn tồn tại Đã có nhiều đề xuất về việc cải thiện các tham số cho anten mảng trong thời gian qua. Tuy nhiên, còn nhiều hạn chế trong những công trình này. Một số mô hình anten mảng mặc dù gồm rất nhiều phần tử nhưng hiệu suất của anten chỉ là dưới 60%. Hiệu suất này là không đáp ứng được cho các ứng dụng hiện nay. Thêm vào đó, một số anten còn sử dụng các công nghệ đắt tiền như hốc cộng hưởng và điều này dẫn đến việc tăng chi phí cũng như là độ phức tạp của hệ thống. Trong khi đó, trong những nghiên cứu khác thì tỉ lệ phần trăm băng thông của anten còn rất thấp, dưới 10% mặc dù anten được tích hợp hàng trăm phần tử. Khi nhu cầu truyền thông băng rộng ngày càng cao thì với tỉ lệ phần trăm băng thông của anten như trên là không đủ đáp ứng cho các ứng dụng hiện nay. Thêm vào đó, việc tích hợp quá nhiều phần tử dẫn đến việc tăng kích thước cho anten. Ngoài ra, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten cũng là một vấn đề tồn tại trong các công trình công bố gần đây. Với mục tiêu là giảm số lượng phần tử và kích thước của anten trong khi việc cải thiện các tham số như băng thông, hệ số tăng ích và hiệu suất vẫn phải được duy 1 trì. Qua một số tồn tại của những công trình công bố được chỉ ra ở trên, rõ ràng là việc cải thiện tham số cho anten còn rất nhiều vấn đề. Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến, chúng ta không còn cách nào khác là phải cải thiện các tham số cho mỗi thành phần trong chúng. Và đối với anten cũng không có sự ngoại lệ. Nhìn chung, việc thiết kế tối ưu đồng thời nhiều tham số anten như băng thông, hiệu suất, độ định hướng, hệ số tăng ích để đảm chất lượng dịch vụ với chi phí thấp, dễ dàng chế tạo vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay. Trong khi đó, điểm qua một số luận án được công bố trong thời gian gần đây, chúng ta có thể thấy như sau: - Năm 2014, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã bảo vệ luận án với đề tài “Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới”. Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ lọc đa băng, anten đa băng và anten đơn MIMO. - Năm 2016 đã có một số luận án nghiên cứu về anten MIMO cho thiết bị đầu cuối di động của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm (Đại học Bách khoa Hà Nội) cũng như luận án nghiên cứu về anten UWB của tác giả Lệ Trọng Trung (Học viện Kỹ thuật Quân sự). Đối tượng nghiên cứu những luận án này là anten đơn, anten UWB và mục tiêu nghiên cứu của luận án này là giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten. - Năm 2017, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Đặng Như Định đã bảo vệ luận án với đề tài “Nghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệu”. Đúng như tên của đề tài, luận án đã tập trung nghiên cứu một số cấu trúc như CRLH, SRR để thiết kế bộ lọc thông dải, bộ chia công suất và các anten đơn. Do đó, chưa hề có bất kì việc nghiên cứu nào về việc sử dụng các phương pháp để cải thiện tham số cho anten mảng. - Hiện nay, tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội có hai luận án tiến sĩ của các tác giả Tống Văn Luyên và Tăng Thế Toan lần lượt nghiên cứu về đề tài “Nghiên cứu các phương pháp định dạng và điều khiển búp sóng của mảng anten tích hợp trên mặt trụ” và “Nghiên cứu phát triển anten mảng có độ lợi cao và mức búp sóng phụ thấp”. Trong khi đề tài đầu tiên tập trung nghiên cứu thuật toán cho việc định dạng và điều khiển búp sóng thì đề tài thứ hai nghiên cứu giải pháp giảm thiểu mức búp sóng phụ (SLL) của anten bằng cách áp dụng phân bố Chebyshev. Tất cả các nghiên cứu ở trên đã cho thấy rằng chưa có bất kì công trình nghiên cứu nào nghiên cứu cải thiện đồng thời các tham số như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng cho anten mảng. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu cải thiện các tham số cho anten mảng là rất cấp thiết. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: • Nghiên cứu, đề xuất phương pháp mới để cải thiện một số tham số cho anten mảng như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng • Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu mới để cải thiện tham số cho anten mảng. • Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc EBG mới để cải thiện tham số cho anten mảng. Đối tượng nghiên cứu: • Các anten mảng vi dải với giá thành rẻ, chi phí thấp và dễ dàng chế tạo. • Các anten mảng lưỡng cực (dipole) sử dụng công nghệ vi dải. Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu cải thiện một số tham số cho anten mảng hoạt động ở băng C hoặc băng 2 X (từ 11 GHz trở xuống) như băng thông, độ định hướng, hệ số tăng ích, hiệu suất. Các công việc bao gồm: phân tích, tính toán, thiết kế và áp dụng vào anten. Ý nghĩa khoa học và đóng góp của luận án Việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện một số tham số cho anten trong luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn: • Ý nghĩa khoa học: - Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp để cải thiện một số tham số cho anten mảng với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo với chi phí thấp. - Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp vào hiểu biết chung cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc phân tích và thiết kế anten mảng sử dụng công nghệ vi dải. • Ý nghĩa thực tiễn: - Các giải pháp cải thiện một số tham số cho anten nhằm nâng cao chất lượng của anten và là cơ sở để các nhà sản xuất chế tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn trong tương lai. - Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết kế anten mảng nói riêng và anten nói chung. Từ đó nhằm cải thiện các tham số của anten để có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 1. Dựa trên nguyên lý mở rộng băng thông và hệ số tăng ích cho anten đã được tổng hợp trong luận án, một phương pháp DSS (Defected Substrate Structure) mới để cải thiện đồng thời một số tham số cho anten dựa trên cơ sở phân bố lại dòng bề mặt và hốc cộng hưởng được đề xuất. Đồng thời, phương pháp được mô hình hóa và tính toán theo sơ đồ mạch tương đương LC. 2. Đề xuất cấu trúc siêu vật liệu mới để cải thiện một số tham số cho anten và phân tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC của cấu trúc. 3. Đề xuất cấu trúc EBG mới để cải thiện tham số cho anten và phân tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án bao gồm ba chương. Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về anten mảng và nguyên lý hoạt động của anten vi dải; những ưu nhược điểm của anten vi dải và các giải pháp để cải thiện tham số cho anten cũng được giới thiệu trong chương này. Cụ thể là, những nguyên lý mở rộng băng thông và hệ số tăng ích cho anten dựa trên một số phương pháp như sử dụng cấu trúc siêu vật liệu, bề mặt phản xạ và phân bố lại dòng cũng được trình bày trong chương này. Đây là những nguyên lý quan trọng và là cơ sở để phát triển các phương pháp cũng như việc phân tích, thiết kế anten được trình bày trong các chương tiếp theo. Những giải pháp cải thiện băng thông cho anten bằng cách áp dụng các nguyên lý ở chương 1 được đề xuất và thực hiện trong chương 2. Cấu trúc siêu vật liệu mới được đề xuất và áp dụng để cải thiện băng thông cho anten mảng 4 𝑥 4. Cấu trúc đề xuất có ưu điểm nhỏ gọn và đồng phẳng. Vì vậy, nó dễ dàng cho việc chế tạo cũng như là sản xuất với chi phí thấp. Hơn nữa, để kiểm chứng sự ảnh hưởng của cấu trúc đề xuất tới các tham số của anten, luận án đã mô phỏng anten trong các trường hợp có và không có cấu trúc đề xuất. Chương 3 đề xuất và thực hiện các giải pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Dựa trên nguyên lý phân bố lại dòng, luận án đã đề xuất một phương pháp mới là DSS để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Thêm vào đó, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten thông qua việc sử 3 dụng bề mặt phản xạ cũng được trình bày trong chương này. Các phương pháp đều được phân tích, tính toán lý thuyết, mô phỏng tối ưu kết hợp với chế tạo và đo kiểm thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp đề xuất. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG 1.1. Giới thiệu chương Chương này trình bày tổng quan về lý thuyết anten mảng, nguyên lý hoạt động của anten vi dải. Việc anten vi dải có một số hạn chế như băng thông hẹp, tăng ích và hiệu suất thấp đã ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng dịch vụ của các hệ thống vô tuyến. Vì vậy, những phương pháp cải thiện các tham số cho anten cũng được trình bày trong phần này. Ở đây, chúng ta tập trung vào các phương pháp cải thiện băng thông và tăng ích cho anten. 1.2. Giới thiệu về anten vi dải a) b) Hình 1.1: Mô hình anten vi dải (a); phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải (b) Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953. Tuy nhiên, phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên mới được chế tạo. Cấu trúc của anten vi dải gồm ba lớp: phát xạ, điện môi và lớp đất như được hiển thị trong Hình 1.1. Khi được cấp nguồn, việc phát xạ của một anten vi dải có thể được xác định bằng phân bố trường giữa tấm phát xạ và mặt phẳng đất. Khi đó, lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu trên tấm phát xạ làm chuyển dịch một số điện tích từ mặt dưới lên mặt trên của tấm bức xạ. Sự dịch chuyển này đã tạo ra vector mật độ dòng ở mặt dưới và vector mật độ dòng ở mặt trên. Lực hút giữa các điện tích là chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích, dòng vẫn tồn tại bên dưới khi tỉ số giữa chiều dày h của lớp điện môi và chiều rộng 𝑊 của tấm phát xạ là rất nhỏ. Như vậy, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ vùng biên của tấm bức xạ lên mặt trên của tấm bức xạ làm hình thành một trường từ nhỏ có chiều tiếp tuyến với các vùng biên của tấm bức xạ. 1.3. Các tham số cơ bản của anten 1.3.1 Băng thông Theo định nghĩa của IEEE, băng thông của anten được định nghĩa là dải tần mà hiệu suất của anten với một số đặc tính là phù hợp với tiêu chuẩn quy định. Vì vậy, băng thông thường được tính là nơi mà tỉ số sóng đứng – 𝑉𝑆𝑊𝑅 nhỏ hơn 2. Với anten băng thông rộng, băng thông có thể được miêu tả bằng tỉ số giữa tần số cực đại trên tần số cực tiểu, trong đó chất lượng anten có thể chấp nhận được: 𝑓 𝐵𝑊 = 𝑚𝑎𝑥 (1.1) 𝑓𝑚𝑖𝑛 Trong khi đó, với anten băng hẹp thì băng thông được miêu tả là tỉ lệ phần trăm giữa sự sai khác tần số (nơi mà 𝑉𝑆𝑊𝑅 nhỏ hơn 2) so với tần số trung tâm: 𝑓 −𝑓 𝐵𝑊 = 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 × 100% (1.2) 𝑓0 4 1.3.2 Hiệu suất Hiệu suất có thể được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được bức xạ từ anten chia cho công suất mà anten nhận được: 𝑃 𝜂= 𝑟 (1.3) 𝑃𝑖𝑛 Bên cạnh đó, hiệu suất tổng của anten được định nghĩa là tích của hiệu suất phản xạ, hiệu suất dẫn (conduction efficiency) và hiệu suất điện môi: 𝑒0 = 𝑒𝑟 𝑒𝑐 𝑒𝑑 (1.4) Trong đó: 𝑒0 : hiệu suất tổng, 𝑒𝑟 : hiệu suất phản xạ = 1 − |𝛤 2 | với 𝛤 là hệ số phản xạ, 𝑒𝑐 : hiệu suất dẫn, và 𝑒𝑑 : hiệu suất điện môi. 1.3.3 Hệ số định hướng Hệ số định hướng của anten được định nghĩa là tỉ số giữa cường độ bức xạ ở một hướng khảo sát với cường độ bức xạ trung bình theo tất cả các hướng. Trong đó, cường độ bức xạ trung bình của anten được tính bằng công suất phát xạ tổng của anten chia cho 4𝜋. Do đó, hệ số định hướng được cho bởi: 𝑈 4𝜋𝑈 𝐷= = (1.5) 𝑈0 𝑃𝑟𝑎𝑑 Nếu hướng không được quy định trước thì nó chính là hướng mà cường độ bức xạ đạt giá trị lớn nhất (hướng cực đại): 𝑈| 𝑈 4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐷0 𝑚𝑎𝑥 = 𝑚𝑎𝑥 = (1.6) 𝑈0 𝑈0 𝑃𝑟𝑎𝑑 1.3.4 Hệ số tăng ích Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ ở một hướng khảo sát với cường độ bức xạ của anten chuẩn thường là đẳng hướng khi công suất của hai anten là như nhau và hiệu suất của anten chuẩn là 1. Do đó, hệ số tăng ích của anten được cho bởi biểu thức: 𝑈(𝜃,𝜙) 𝐺 = 4𝜋 (1.7) 𝑃𝑖𝑛 Tuy nhiên, với hầu hết mọi trường hợp, anten tham chiếu là một nguồn đẳng hướng không suy hao. Khi đó: 4𝜋𝑈(𝜃,𝜙) 𝐺= (1.8) 𝑃𝑖𝑛 (𝑛𝑔𝑢ồ𝑛 đẳ𝑛𝑔 ℎướ𝑛𝑔 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑠𝑢𝑦 ℎ𝑎𝑜) Trong khi mối quan hệ giữa hệ số tăng ích và hệ số định hướng của anten: 𝐺 (𝜃, 𝜙) = 𝑒𝑐𝑑 𝐷(𝜃, 𝜙) (1.9) 1.4. Lý thuyết anten mảng Giả sử ta có một mảng 𝑁 phần tử được cho trong Hình 1.2 . Khi đó, hệ số mảng của đồ thị được cho bởi: 𝑗(𝑛−1)(𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃+𝛽) 𝑗(𝑛−1)𝜓 𝐴𝐹 = ∑𝑁 = ∑𝑁 (1.10) 𝑖=1 𝑒 𝑖=1 𝑒 ở đây 𝜓 = 𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝛽, và 𝑁 là số lượng phần tử trong mảng. Khi đó, 𝐴𝐹 = 1−𝑒 𝑗𝑁𝜓 1−𝑒 𝑗𝜓 =𝑒 𝑁 𝑠𝑖𝑛( 𝜓) 2 𝑗(𝑁−1)𝜓/2 1 𝑠𝑖𝑛( 𝜓) 2 (1.11) 5 Hình 1.2: Mô hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z Nếu điểm tham chiếu ở tâm của mảng, khi đó 𝐴𝐹 trong phương trình (1.11) được viết lại thành: 𝐴𝐹 = 𝑁 2 1 𝑠𝑖𝑛( 𝜓) 2 𝑠𝑖𝑛( 𝜓) (1.12) Khi giá trị 𝜓 là rất nhỏ, biểu thức (1.12) có thể được tính xấp xỉ là: 𝐴𝐹 ≈ 𝑁 2 𝜓 2 𝑠𝑖𝑛( 𝜓) (1.13) Để thuận tiện khi so sánh, hệ số mảng có thể được chuẩn hóa (AFn) là: 1 (𝐴𝐹 )𝑛 = (𝐴𝐹 ) 𝑁 (1.14) Từ biểu thức trên, chúng ta có thể thấy rằng (𝐴𝐹)𝑛 có một số tính chất như sau: - (𝐴𝐹)𝑛 là một hàm tuần hoàn của ψ với chu kỳ 2𝜋 bởi |𝐴𝐹𝑛 (𝜓 + 2𝜋)| = |𝐴𝐹𝑛 (𝜓)|. - Vì 𝑐𝑜𝑠(𝜃) = 𝑐𝑜𝑠(−𝜃), nên |𝐴𝐹𝑛 | là một hàm đối xứng. Vì vậy, ta chỉ cần khảo sát một nửa mặt phẳng, nghĩa là 𝜃 trong khoảng từ 0 đến 180𝑜 . Khi 𝜃 trong khoảng từ 0 đến 180𝑜 thì −1 ≤ 𝑐𝑜𝑠𝜃 ≤ 1. Do đó, 𝜓 sẽ nằm trong khoảng: − 𝑘𝑑 + 𝛽 ≤ 𝜓 ≤ 𝑘𝑑 + 𝛽. Khi đó, đồ thị sẽ nhận được bằng cách lấy đối xứng qua trục. - Từ phương trình (1.14), chúng ta có thể thấy rằng khi 𝛽 = 0, hướng bức xạ cực đại của mảng sẽ vuông góc với trục của mảng tại (𝜃 = ±90𝑜 ). Và mảng này được gọi là mảng “broadside”. Trong khi đó, khi bức xạ cực đại theo hướng 𝜃 = 0𝑜 , khi đó chúng ta có: 𝜓 = 𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠0𝑜 + 𝛽 = 0 → 𝛽 = −𝑘𝑑 (1.15) - Khi 𝛽 thỏa mãn phương trình (1.15), thì mảng này được gọi là mảng “end-fire”. Nếu bức xạ cực đại theo hướng 𝜃 = 180𝑜 , khi đó: 𝜓 = 𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠180𝑜 + 𝛽 = 0 → 𝛽 = 𝑘𝑑 (1.16) 1.6. Một số phương pháp cải thiện tham số cho anten mảng 1.6.1. Một số phương pháp cải thiện băng thông cho anten mảng a) Mở rộng băng thông cho anten sử dụng cấu trúc siêu vật liệu Định nghĩa: Siêu vật liệu là một loại vật liệu nhân tạo với các đặc tính không sẵn có trong tự nhiên. Siêu vật liệu có độ từ thẩm và hằng số điện môi đều âm. Một số tính chất nổi bật của siêu vật liệu có thể kể đến như: truyền sóng ngược, khúc Hình 1.3: Mô hình sơ đồ tương xạ âm, LHM phân tán. đương của một tế bào đường truyền Bây giờ ta xét một đường truyền có sơ đồ tương đương như trong Hình 1.3. Khi đó, tần số cộng hưởng và băng thông của đường truyền lần lượt được cho bởi: 𝜔𝑍𝑂𝑅 = 𝜔𝐸 = 1 √𝐿𝐿 𝐶𝑅 và 𝐵𝑊𝑍𝑂𝑅 = 𝐺 √ 𝐿𝐿 𝐶𝑅 (1.17) Từ phương trình (1.17) để tăng băng thông cho anten, chúng ta có thể tăng LL. Tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi tần số cộng hưởng và tiêu chuẩn Chu. Do đó, đây không phải là một phương án tốt. Thay vào đó, chúng ta có thể ghép nhiều mode 6 Hình 1.4: Mô hình hộp cộng hưởng chữ nhật cộng hưởng lại với nhau và việc này có thể thực hiện bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu. Việc sử dụng siêu vật liệu giúp tạo ra các hốc cộng hưởng liên tiếp. Điều này không chỉ mở rộng băng thông cho anten, mà còn giúp anten giữ được hiệu suất cao. Xét một hộp cộng hưởng như Hình 1.4. Khi đó, tần số cộng hưởng được tính như sau: (𝑓𝑟 )𝑚𝑛𝑝 = 1 2𝜋 √𝜇𝜀 2 2 √(𝑚𝜋) + (𝑛𝜋) + (𝑝𝜋) ℎ 𝐿 2 (1.18) 𝑊 𝑥 𝑥 𝑥 Với các mode 𝑇𝑀010 , 𝑇𝑀001 và 𝑇𝑀020 , tần số cộng hưởng lần lượt được cho bởi: 1 𝑣0 1 𝑣 1 𝑣 (𝑓𝑟 )010 = = ; (𝑓𝑟 )001 = = 0 ; (𝑓𝑟 )020 = = 0 (1.19) 2𝐿√𝜇𝜀 2𝐿 √𝜀 2𝑊√𝜇𝜀 2𝑊√𝜀𝑟 2𝐿√𝜇𝜀 2𝐿 √𝜀𝑟 b) Mở rộng băng thông cho anten sử dụng nhiều tầng điện môi Chúng ta biết rằng, tỉ lệ phần trăm băng thông của anten được cho bởi: %𝐵𝑊 = 𝐴 = 180 nếu ℎ 𝜆0 √𝜀𝑟 𝐴×ℎ 𝜆0 √𝜀𝑟 √ 𝑊 (1.20) 𝐿 ≤ 0.045; 𝐴 = 200 nếu 0.045 ≤ ℎ 𝜆0 √𝜀𝑟 ≤ 0.075, 𝐴 = 220 nếu ℎ 𝜆 0 √ 𝜀𝑟 ≥ 0.075 Ở đây: ℎ là chiều dày của tầng điện môi, 𝜀𝑟 là hằng số điện môi, 𝜆 là bước sóng, 𝑊 là chiều rộng của anten, và 𝐿 là chiều dài của anten. Để mở rộng băng thông cho anten, ta có thể: tăng chiều dày ℎ, tăng chiều rộng 𝑊, giảm chiều dài 𝐿, sử dụng vật liệu có hằng số điện môi thấp. Vì vậy, việc sử dụng nhiều tầng điện môi cũng là một trong các phương pháp để mở rộng băng thông cho anten. 1.6.2. Một số phương pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten a) Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên phân bố lại dòng Chúng ta biết rằng việc xáo trộn trong phân bố dòng sẽ gây ra sự giao thoa giữa các sóng. Ở đây, giao thoa được định nghĩa là sự chồng lấn lên nhau giữa các sóng. - Giao thoa sóng phẳng Xét hai sóng phẳng với cùng tần số, cường độ và phân cực nhưng khác pha. Khi đó, trường 𝐸, trường 𝐵 và vector Poynting của chúng lần lượt được cho bởi: 𝐸𝑡 = 𝐸1 + 𝐸2 = 𝐸0 𝑒 𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡−𝜑1) 𝑍̂ + 𝐸0 𝑒 𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡−𝜑2) 𝑍̂ 𝜑1 − 𝜑2 𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡−𝜑1+𝜑2) 2 )𝑒 = 2𝐸0 𝑐𝑜𝑠 ( 𝑍̂ 2 (𝜑1 +𝜑2 ) 𝜑1 +𝜑2 𝜑 −𝜑 1 𝜑 −𝜑 𝐵𝑡 = 2𝐸0 𝑐𝑜𝑠 ( 1 2) 𝑒 𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡− 2 ) 𝑦̂; 𝑆 = 4𝐸02 𝑐𝑜𝑠 2 ( 1 2) 𝑒 2𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡− 2 ) 𝑥̂ 2 𝜇 2 (1.21) Từ phương trình trên, chúng ta có thể thấy rằng luồng năng lượng trong hướng truyền sóng có liên quan đến sự khác pha giữa các sóng. Vector Poynting sẽ đạt cực đại khi không có sự dịch pha. Ngược lại, khi sự dịch pha là bội số lẻ của 𝜋 thì vector Poynting sẽ bằng 0. Điều này có nghĩa là luồng năng lượng không thể truyền theo hướng truyền sóng. - Giao thoa sóng Gauss Xét trường điện của hai sóng có dạng: 𝐸1 = 𝐸0 𝑥̂ 𝑊0 𝑊(𝑧) 𝑒 − 𝑟2 𝑊(𝑧)2 𝑒 −𝑖(𝑘𝑧+𝑘 𝑟2 −𝜓(𝑧)+𝜑1 ) 2𝑅(𝑧) ; 𝐸2 = 𝐸0 𝑥̂ 𝑊0 𝑊(𝑧) 𝑒 − 𝑟2 𝑊(𝑧)2 𝑒 −𝑖(𝑘𝑧+𝑘 𝑟2 −𝜓(𝑧)+𝜑2 ) 2𝑅(𝑧) (1.22) 𝜑1 và 𝜑2 lần lượt là pha của sóng Gauss thứ nhất và sóng thứ hai. Khi đó, trường 𝐸 tổng, 𝐻 tổng và vector Poynting lần lượt được cho bởi: 7 𝐸 = 4𝐸0 𝑥̂ 𝑊0 𝑊(𝑧) 1 𝑊0 𝜇 𝑊(𝑧) 𝐻𝑡 = 4𝐸0 𝑦̂ 𝑆= 𝑒 (− 𝑟2 ) 𝑊(𝑧)2 𝑒 (− 𝑐𝑜𝑠 ( 𝑟2 ) 𝑊(𝑧)2 𝑟2 2 𝑐𝑜𝑠 ( 2 2 (− ) 𝑊 𝐸02 𝑧̂ ( 0 ) 𝑒 𝑊(𝑧)2 𝜇 𝑊(𝑧) 16 𝜑1 −𝜑2 )𝑒 𝜑1 −𝜑2 2 −𝑖(𝑘𝑧+𝑘 )𝑒 𝑟2 𝜑 +𝜑 −𝜓(𝑧)+( 1 2 )) 2𝑅(𝑧) 2 −𝑖(𝑘𝑧+𝑘 𝑟2 𝜑 +𝜑 −𝜓(𝑧)+( 1 2 )) 2𝑅(𝑧) 2 (1.23) (1.24) 2 𝑟 𝜑 +𝜑 −2𝑖(𝑘𝑧+𝑘 −𝜓(𝑧)+ 1 2) 𝜑 −𝜑 2𝑅(𝑧) 2 𝑐𝑜𝑠 2 ( 1 2) 𝑒 2 (1.25) Từ phương trình (1.25), chúng ta có thể thấy rằng vector Poynting của sóng Gauss cũng phụ thuộc vào pha giữa các sóng. Điều này cho thấy rằng sự khác pha giữa các sóng ảnh hưởng trực tiếp đến luồng năng lượng. Rõ ràng là luồng năng lượng sẽ đạt cực đại khi không có sự lệch pha. Ngược lại, luồng năng lượng sẽ bị triệt tiêu khi sự lệch pha là bội số lẻ của 𝜋. b) Cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng bề mặt phản xạ Định nghĩa: Bề mặt phản xạ bao gồm một bề mặt lựa chọn tần số số (Frequency Selecting Surface-FSS) được đặt trên một tấm điện môi và một mặt phẳng đất. Vì vậy, nó có đầy đủ những tính chất của FSS. Ở đây, bề mặt lựa chọn tần số (Frequency Selecting Surface-FSS) là các cấu trúc tuần hoàn phẳng mà nó hoạt động như các bộ lọc sóng điện từ. Các yếu tố ảnh hưởng đến đáp ứng tần số có thể liệt kê như: cấu trúc hình học của mỗi phần tử FSS, độ dẫn của vật liệu FSS, vật liệu điện môi mà FSS được đặt lên, góc đến của tín hiệu. Nguyên lý hoạt động của bề mặt phản xạ rất đơn giản, khi sóng điện từ của anten được bức xạ ra ngoài không gian, những búp sóng phụ và búp sóng sau ở bên dưới lớp đất sẽ được phản xạ lên thông qua bề mặt phản xạ. Hay nói một cách cụ thể hơn, khi sóng điện từ đến FSS, các dòng điện được hình thành trên các phần tử dẫn điện. Những dòng điện này khi đó sẽ bức xạ lại các sóng điện từ từ các vật dẫn điện này. Việc này giúp năng lượng được tập trung cho búp sóng chính. Kết quả là, hệ số định hướng và tăng ích của anten sẽ được cải thiện trong khi mức búp sóng phụ và búp sóng sau sẽ được giảm thiểu. 1.7. Tổng kết chương Trong chương này, luận án đã trình bày tổng quan về lý thuyết anten mảng, nguyên lý hoạt động của anten vi dải và các tham số cơ bản của anten. Đồng thời, luận án đã phân tích, tổng hợp nguyên lý cải thiện băng thông cho anten bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu cũng như sử dụng nhiều tầng điện môi. Trong khi việc mở rộng băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi dựa trên việc tăng chiều dày của lớp điện môi thì việc cải thiện băng thông cho anten thông qua sử dụng cấu trúc siêu vật liệu dựa trên việc ghép nhiều mode cộng hưởng liên tiếp lại với nhau. Điều này không chỉ cải thiện băng thông cho anten mà còn giúp anten duy trì được hiệu suất cao. Đây là một nguyên lý quan trọng trong việc mở rộng băng thông cho anten. Do đó, các phương pháp mới có thể được phát triển để mở rộng băng thông cho anten dựa trên nguyên lý này. Bên cạnh đó, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten dựa trên nguyên lý phân bố lại dòng và sử dụng bề mặt phản xạ cũng được đề cập trong chương này. Mấu chốt của việc phân bố lại dòng cho anten đó là chúng ta phải phân bố làm sao để tập trung càng nhiều dòng ở nơi đồng pha thì càng tốt, trong khi các chỗ khác thì cần hạn chế. Khi đó, hệ số tăng ích và hệ số định hướng của anten sẽ được cải thiện. Trong khi đó, khi sóng điện từ được bức xạ ra ngoài không gian, những búp sóng phụ và búp sóng sau khi gặp bề mặt phản xạ sẽ được phản xạ trở lại để tập trung cho búp sóng chính. Điều này dẫn tới việc hệ số tăng ích và hệ số định hướng của anten được cải thiện. Thêm vào đó, những búp sóng phụ và búp sóng sau cũng sẽ được giảm thiểu. Đây chính là nguyên lý để cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng bề mặt phản xạ. Đây là những nguyên lý quan trọng trong việc cải thiện tham số cho anten. Vì vậy, nội 8 dung của chương này sẽ là tiền đề để phát triển các chương sau của luận án. CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ANTEN MẢNG 2.1 Giới thiệu chương Trong chương này, một cấu trúc siêu vật liệu và EBG được đề xuất để cải thiện băng thông cho anten mảng 4 𝑥 4. Việc sử dụng cấu trúc siêu vật liệu và EBG không chỉ cải thiện băng thông cho anten mà còn giảm nhỏ kích thước anten thông qua các tụ điện và cuộn cảm kí sinh được hình thành. Ngoài ra, nó còn giúp anten duy trì một hiệu suất cao trong khi băng thông vẫn được mở rộng. Thêm vào đó, luận án cũng thực hiện việc so sánh các tham số của anten trong các trường hợp khác nhau để thấy được sự ảnh hưởng của phương pháp đề xuất. Tất cả các phương pháp đều được mô hình hóa bằng sơ đồ mạch tương đương 𝐿𝐶 và được kiểm chứng thông qua các thiết kế áp dụng cho các mẫu anten mảng. 2.2 Cải thiện băng thông cho anten mảng 4 x 4 sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 2.2.1. Cấu trúc đề xuất Mô hình và sơ đồ tương đương của cấu trúc đề xuất được minh họa trong Hình 2.1. Kích thước của cấu trúc đề xuất là 24 𝑥 24 𝑚𝑚. Để tạo ra các điện cảm 𝐿 và tụ điện 𝐶, chúng ta có thể thực hiện bằng cách lồng các hình vuông lại với nhau cũng như là khoét những hình dạng phù hợp trên nó. Những hình vuông này được nối với nhau bằng bốn đường vi dải ở bốn cạnh. Thêm vào đó, bên trong hình vuông trong cùng của cấu trúc đề xuất, những đường vi dải nối bốn góc được sử dụng. Trên những đường này, một khe hình chữ nhật cũng được tạo ra. Mục đích của những việc này nhằm tạo ra các giá trị điện cảm 𝐿 và tụ điện 𝐶 đủ lớn để giảm kích thước cho anten. Thêm vào đó nó cũng tạo ra nhiều hốc cộng hưởng để mở rộng băng thông cho anten. Ngoài ra, mô hình bù của cấu trúc đề xuất cũng được sử dụng và điều này được minh họa trong Hình 2.1(b). b) a) Hình 2.1: Mô hình của những cấu trúc siêu vật liệu đề xuất và sơ đồ tương đương (mầu tối là lớp đồng, màu sáng là vật liệu điện môi) 2.2.2. Phân tích và thiết kế anten Việc đầu tiên của việc thiết kế anten là xác định dải tần làm việc. Ở đây, anten được thiết kế cho dải tần từ 7.9 – 8.4 𝐺𝐻𝑧. Vật liệu điện môi được lựa chọn trong trường hợp này là 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 với các tham số ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 3.66, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037. Khi đó, từ ba tham số 𝑓0 , 𝜀𝑟 , ℎ, chúng ta lần lượt tính được chiều dài và chiều rộng của anten vi dải: 𝑐 𝑊= ; 𝐿 = 𝐿𝑒𝑓𝑓 − 2∆𝐿 (2.1) 2𝑓0 √𝜀𝑟+1 với : ∆𝐿 = 0.412ℎ 𝑊 ℎ (𝜀𝑒𝑓𝑓 +0.3)( +0.264) 𝑊 ℎ (𝜀𝑒𝑓𝑓 −0.258)( +0.8) ; 𝐿𝑒𝑓𝑓 = 𝑐 2𝑓0 √𝜀𝑒𝑓𝑓 ; 𝜀𝑒𝑓𝑓 = 𝜀𝑟 +1 2 + 𝜀𝑟 −1 2 [1 + 10ℎ −1/2 𝑊 ] ; Để anten có thể hoạt động tốt, chúng ta cần lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp và phối hợp trở kháng cho anten. Hiện nay, có nhiều phương pháp để tiếp điện cho anten vi dải như: tiếp điện bằng cáp đồng trục (xuyên từ dưới lớp đất lên trên), tiếp điện dạng khe, hay 9 tiếp điện bằng đường vi dải. Trong trường hợp này, luận án lựa chọn phương pháp tiếp điện bằng đường vi dải bởi sự dễ dàng trong việc điều chỉnh, thiết kế và chế tạo. Để tiếp điện bằng đường vi dải, chúng ta có thể thực hiện theo hai cách. Một là sử dụng bộ biến đổi 𝜆/4, hai là tìm vị trí của phần tử bức xạ (patch) nơi mà có trở kháng bằng 50 𝑂ℎ𝑚 để cấp nguồn. Khi đó, ta cần tìm quan hệ giữa 𝑅𝑖𝑛 và dẫn nạp 𝑦0 như sau: Nếu 𝑊 < 𝜆0 , ta có : 𝐺1 = 1 𝑊 2 ( ) . Nếu 𝑊 > 𝜆0 , ta có :𝐺1 = 90 𝜆0 𝑅𝑖𝑛 = 1 𝐺1 2 𝜆 1 𝑊 ( ). Khi đó: 120 𝜆0 𝑐𝑜𝑠 ( 𝑦0 ) 𝐿 (2.2) 2.2.3. Các kết quả mô phỏng và đo lường Mô hình của anten mảng đề xuất được hiển thị trong Hình 2.2. Để chứng minh ảnh hưởng của cấu trúc siêu vật liệu trong việc cải thiện băng thông cho anten, luận án đã mô phỏng anten khi có và không có việc sử dụng cấu trúc siêu vật liệu. Hình 2.3 minh họa sự khác nhau về hệ số phản xạ của anten trong trường hợp có và không sử dụng cấu trúc siêu vật liệu. Rõ ràng là băng thông của anten với cấu trúc siêu vật liệu gồm ít nhất 3 mode cộng hưởng liên tiếp trong khi với trường hợp không có siêu vật liệu, băng thông chỉ gồm một mode cộng hưởng duy nhất. Vì vậy, băng thông của anten trong trường hợp không có siêu vật liệu là rất nhỏ. Cụ thể, băng thông của anten đã tăng từ 100 𝑀𝐻𝑧 lên 1100 𝑀𝐻𝑧. a) b) Hình 2.2: Mô hình anten mảng: mặt trên (a), mặt dưới (b) Hình 2.3: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc siêu vật liệu b) a) Hình 2.4: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ: Không (a) và có (b) cấu trúc siêu vật liệu a) b) Hình 2.5: Hệ số tăng ích và hiệu suất (a); mặt phẳng xz và yz (b) của anten đề xuất 10 Hình 2.4 minh họa sự khác nhau về đồ thị bức xạ khi có và không có cấu trúc siêu vật liệu. Việc sử dụng cấu trúc siêu vật liệu không chỉ mở rộng băng thông cho anten mà còn cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Cụ thể là, độ lớn búp sóng chính đã tăng từ 4.11 lên 13.3 trong khi mức búp sóng phụ giảm từ −1.2 dB xuống còn −6 dB. Và hệ số tăng ích của anten cũng tăng từ 6.1 dB lên 11.3 dB. Hình 2.5 hiển thị hiệu suất, hệ số tăng ích và đồ thị cực của anten đề xuất. Ở đây, hệ số tăng ích của anten đạt 11.3 dBi trong khi hiệu suất của anten đạt 87%. a) b) Hình 2.6: Mô hình anten được chế tạo (a) và kết quả đo hệ số phản xạ Hình 2.6 minh họa anten được chế tạo với vật liệu điện môi Roger4350B với các tham số ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 3.66, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037 và kết quả đo hệ số phản xạ của anten đề xuất. Ở đây, kích thước của antena là 115 𝑥 118 𝑚𝑚. Anten gồm 16 phần tử (4 𝑥 4) và 15 bộ chia công suất. Đã có sự sai số giữa kết quả mô phỏng và đo lường của anten. Về nguyên nhân của việc sai số nói trên, chúng ta có thể liệt kê một số nguyên nhân như việc sai số trong quá trình hàn nối và quá trình chế tạo. Đặc biệt là việc sử dụng công nghệ ăn mòn trong việc chế tạo đã gây ra một sự sai số đáng kể. Tuy nhiên, dải tần hoạt động của anten vẫn được đảm bảo. Thêm vào đó, kết quả mô phỏng và đo lường của anten là khá tương đồng nhau. Vì vậy, kết quả này có thể được chấp nhận. 2.3 Mở rộng băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng EBG và nhiều tầng điện môi 2.3.1 Cấu trúc EBG đề xuất Mô hình của cấu trúc EBG đề xuất và sơ đồ tương đương của nó được minh họa trong Hình 2.7. Luận án đã sử dụng cấu trúc EBG đồng phẳng bởi một số lý do như kích thước nhỏ gọn và đặc biệt là không sử dụng cột nối kim loại. Điều này có nghĩa là việc chế tạo sẽ trở nên dễ dàng hơn. Cấu trúc đề xuất được cải tiến dựa trên cấu trúc UP-EBG truyền thống. Cấu trúc gồm bốn hình vuông được xếp ở bốn góc. Trong những hình vuông này, những đường gấp khúc để tăng giá trị điện cảm 𝐿 và tụ điện 𝐶. Khi đó, tần số cộng hưởng sẽ được giảm. Thêm vào đó, một đường vi dải hình chữ “𝐽” được chèn vào bên cạnh các hình vuông. Trong khi đó, một hình tứ giác được cắt ở hai góc được đặt ở vị trí trung tâm. Ở đây, để tạo ra cả nhiều 𝐿 và 𝐶, luận án sử dụng cả cấu trúc bù của nó. Kích thước của cấu trúc EBG đề xuất là 42 𝑥 42 𝑚𝑚. b) a) Hình 2.7: Mô hình cấu trúc EBG: (a) Mô hình đề xuất và sơ đồ tương đương; (b) Cấu trúc bù của EBG và sơ đồ tương đương 11 Ở đây, các giá trị của điện cảm 𝐿, tụ điện 𝐶 được cho bởi: 𝑊𝜀 (1+𝜀𝑟 ) 𝑊+𝑔 ) 𝐶= 0 𝑐𝑜𝑠ℎ−1 ( 𝐿 = 𝜇ℎ (2.3) Khi đó, tần số cộng hưởng được cho bởi: 𝑓𝑟𝑒 = (2.4) 𝜋 𝑔 1 2𝜋√𝐿𝐶 2.3.2 Phân tích thiết kế Mô hình của anten đề xuất được cho trong Hình 2.8. Mô hình anten đề xuất gồm tầng bức xạ ở trên cùng, tiếp đến là hai tầng điện môi, trong khi cấu trúc EBG được tích hợp ở lớp đất ở tầng cuối cùng. Trong đó, hai tầng điện môi đều là FR4 với có hằng số điện môi là 4.4, độ dày 1.6 𝑚𝑚 và hệ số suy hao là Hình 2.8: Mô hình của anten 0.02. sử dụng nhiều tầng điện môi Hình 2.9 minh họa mô hình của anten mảng đề xuất. Anten gồm 16 phần tử và 15 bộ chia công suất chữ T. Kích thước của mỗi phần tử là 15 𝑥 12 𝑚𝑚 trong khi khoảng cách giữa các phần tử là khoảng 𝜆 với 𝜆 là bước sóng trong không gian tự do. Tất cả các phần tử anten đều sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường vi dải với vị trí tiếp điện được khoét vào phần tử bức xạ (patch) là 3.5 𝑚𝑚. Việc tiếp điện bằng phương pháp này hình thành hai khe bức xạ ở hai bên của đường vi dải tiếp dải và chúng đóng vai trò như hai tụ điện. Vì vậy, để phối hợp trở kháng cho anten, chúng ta cũng cần tính đến giá trị của hai khe (chính là hai tụ điện) này. Trong trường hợp này, độ rộng của khe được thiết lập là 1 𝑚𝑚. Anten được thiết kế tại tần số trung tâm 11 𝐺𝐻𝑧 và có kích thước tổng của anten là 151 𝑥 152 𝑚𝑚. Hình 2.9: Mô hình của anten đề xuất Hình 2.10: Mô hình lớp đất của anten với cấu trúc UP-EBG 2.3.3 Các kết quả mô phỏng và đo lường Để minh họa việc ảnh hưởng của cấu trúc EBG đề xuất, luận án đã so sánh anten trong hai trường hợp sử dụng cấu trúc đồng phẳng truyền thống (Hình 2.10) và cấu trúc EBG đề xuất. Hình 2.11 minh họa sự khác nhau giữa các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG truyền thống và cấu trúc EBG đề xuất. b) c) a) Hình 2.11: So sánh các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất và UP-EBG 12 Từ Hình 2.11 chúng ta có thể thấy rằng mặc dù băng thông của anten khi sử dụng cấu trúc UP-EBG là khá rộng (gần 1 GHz) nhưng giá trị này vẫn nhỏ hơn rất nhiều so với băng thông của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất (1.4 GHz). Hơn nữa, hệ số tăng ích của anten khi sử dụng UP-EBG là rất thấp, chỉ dưới 8 dBi trong khi anten với cấu trúc 𝐸𝐵𝐺 đề xuất thì chỉ số này là 11.5 dBi. Trong khi đó, hiệu suất của anten khi sử dụng UP-EBG là 87%, còn chỉ số này khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất là 88%. c) b) a) Hình 2.12: So sánh các tham số của anten: (a) S11, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất Để chứng minh ảnh hưởng của việc sử dụng nhiều tầng điện môi và cấu trúc EBG trong việc mở rộng băng thông cho anten, luận án đã mô phỏng anten trong ba trường hợp: một tầng điện môi, hai tầng điện môi và hai tầng điện môi với cấu trúc EBG. Và điều này được minh họa trong Hình 2.12. Quan sát Hình 2.12, chúng ta có thể thấy rằng băng thông của anten trong trường hợp một tầng điện môi và hai tầng điện môi lần lượt là 900 MHz và gần 1 GHz. Rõ ràng là, với trường hợp hai tầng điện môi, chiều dày của lớp điện môi được tăng cường. Do đó, băng thông của anten cũng được mở rộng. Tuy nhiên, những giá trị này là nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp sử dụng EBG. Điều này được thể hiện trong Hình 2.12 khi băng thông của anten với hai tầng điện môi và EBG đã tạo ra được ba mode cộng hưởng liên tiếp. Trong Hình 2.12(b), hệ số tăng ích của anten trong hai trường hợp một và hai tầng điện môi lần lượt là 10 𝑑𝐵𝑖 và 10.46 𝑑𝐵𝑖. Riêng với trường hợp EBG, hệ số tăng ích được cải thiện hơn hẳn với hơn 11.5 𝑑𝐵𝑖. Điều này đạt được là do có sự phân bố lại dòng khi sử dụng cấu trúc EBG. Do đó, hệ số tăng ích được cải thiện. a) b) Hình 2.13: Các tham số của anten đề xuất: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích và hiệu suất a) b) Hình 2.14: Đồ thị bức xạ của anten: (a) 3D, (b) mặt phẳng xz và yz Hình 2.13 và Hình 2.14 minh họa các kết quả mô phỏng của anten đề xuất. Từ các hình này, chúng ta có thể thấy rằng băng thông của anten là 1.4 GHz tương ứng với tỉ lệ phần trăm băng thông là 12.7%. Bên cạnh đó, anten có hệ số tăng ích và hiệu suất cao với lần lượt là hơn 11.5 dBi và 88%. Để kiểm chứng kết quả mô phỏng, một anten mảng 4 𝑥 4 được chế tạo dựa trên 𝐹𝑅4 với hằng số điện môi là 4.4, chiều dày là 1.6 𝑚𝑚 và tanδ là 0.02. Hình 2.15 hiển thị mô hình của anten được chế tạo. Ở đây, kích thước của anten là 151 𝑥 152 𝑚𝑚. Anten gồm 16 phần tử (4 𝑥 4) và 15 bộ chia công suất chữ T. Anten được thiết kế tại tần số 11 𝐺𝐻𝑧. Hình 2.16 hiển 13 thị kết quả đo kiểm của anten đề xuất. Từ kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ ở, chúng ta thấy rằng mặc dù có sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và đo lường, tuy nhiên kết quả đo lường của anten vẫn đảm bảo được băng tần hoạt động. Vì vậy, kết quả này có thể được chấp nhận. Hình 2.15: Mô hình của anten được chế tạo Hình 2.16: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten 2.4 Kết luận chương hai Trong chương này, luận án đã đề xuất một cấu trúc siêu vật liệu mới và nó đã được áp dụng thành công để mở rộng băng thông cho anten mảng 4 𝑥 4. Bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu đề xuất, băng thông của anten đã được mở rộng từ 100 𝑀𝐻𝑧 lên 1100 𝑀𝐻𝑧. Ngoài ra, các tham số khác của anten như độ định hướng, hệ số tăng ích cũng cải thiện khi sử dụng cấu trúc đề xuất và điều này được thể hiện qua các tham số của anten trong các trường hợp có và không có cấu trúc đề xuất. Thêm vào đó, giải pháp mở rộng băng thông cho anten thông qua việc sử dụng nhiều tầng điện môi và cấu trúc EBG cũng được trình bày trong chương này. Cấu trúc đề xuất là đồng phẳng, không sử dụng cột nối kim loại, nhỏ gọn nên nó dễ dàng chế tạo với chi phí thấp và nó đã được áp dụng thành công để cải thiện băng thông cho anten hoạt động ở băng tần 𝑋. CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN MẢNG 3.1 Giới thiệu chương Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất để cải thiện hệ số tăng ích cho anten như DGS, siêu vật liệu, EBG và những phương pháp này cải thiện hệ số tăng ích cho anten đều dựa trên việc phân bố lại dòng. Trong chương này, một giải pháp DSS cũng dựa trên việc phân bố lại dòng được đề xuất và áp dụng để cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 𝑥 4. Bằng cách sử dụng DSS, nhiều tham số của anten đã được cải thiện như hệ số tăng ích, băng thông, độ định hướng. Bên cạnh đó, việc sử dụng DSS cũng góp phần vào việc tăng cường hệ số sóng chậm cho anten. Kết quả là, kích thước của anten được giảm nhỏ. Ngoài ra, những phương pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten như sử dụng siêu vật liệu và bề mặt phản xạ cũng được giới thiệu trong chương này. Trong khi phương pháp bề mặt phản xạ được áp dụng cho anten mảng 4 𝑥 4 thì việc sử dụng siêu vật liệu được áp dụng cho anten mảng 2 𝑥 2. Tất cả những phương pháp này đều được mô hình hóa bằng sơ đồ tương đương 𝐿𝐶. 3.2 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng 3.2.1 Cấu trúc DSS đề xuất Như đã trình bày trong chương một, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten thông qua phân bố lại dòng được dựa trên nguyên lý giao thoa giữa các sóng. Trong đó, sự dịch pha giữa các sóng là vấn đề mấu chốt để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Theo nguyên lý này, chúng ta hoàn toàn có thể điều khiển sự phân bố dòng bề mặt theo ý muốn bằng cách điều chỉnh 14 kích thước cũng như hình dạng khoét của lớp đất và lớp điện môi. Và phương pháp DSS được ra đời dựa trên nguyên lý trên. Ở đây, DSS là một cấu trúc tuần hoàn hoặc không tuần hoàn được khoét trên lớp điện môi. Mô hình của cấu trúc DSS đề xuất với kích thước 120𝑥125 𝑚𝑚 và sơ đồ tương đương của nó được minh họa trong Hình 3.1. Vật liệu điện môi được lựa chọn trong trường hợp này là 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 với các tham số: 𝜀𝑟 = 3.66, ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037. Cấu trúc DSS đề xuất bao gồm một cấu trúc hình chữ “I” ở giữa và sáu cấu trúc hình hình dấu “+” ở hai bên. Khoảng cách giữa các khối “+” là khoảng 43 𝑚𝑚 trong khi khoảng cách từ khối “+” đến khối “I” là 32.4 𝑚𝑚. Ở đây, chiều dài và chiều rộng của hình dấu “+” lần lượt là 16 𝑚𝑚 và 6 𝑚𝑚. a) b) Hình 3.1: Mô hình DSS đề xuất: (a) mô hình; (b) sơ đồ tương đương 3.2.2 Một số tính chất quan trọng của DSS Cải thiện hệ số sóng chậm Xét hai đường vi dải được cho trong Hình 3.2, trong đó gồm một đường vi dải thông thường với một đường vi dải sử dụng DSS có cùng chiều dài vật lý. Ở đây, 𝐿 là chiều dài vật lý trong khi 𝜑 và 𝜑΄ lần lượt là chiều dài điện của đường vi dải thông thường và đường vi dải với DSS. Chúng ta biết rằng việc sử dụng DSS sẽ sinh ra các tụ kí sinh. Trong khi đó, chiều dài điện của đường vi dải có thể thay đổi mà không thay đổi chiều dài vật lý bằng cách thêm các tụ hoặc cuộn cảm. a) b) Hình 3.2: Mô hình đường truyền vi dải thông thường (a); mô hình đường truyền vi dải với DSS (b) Vì vậy, khi sử dụng DSS, chiều dải điện của đường vi dải sẽ thay đổi mà không thay đổi chiều dải vật lý. Khi đó, chúng ta thu được hệ số sóng chậm: 𝑆𝑊𝐹 = 𝜆0 2𝜋𝐿 ∆𝜑∙𝜋 ∙( 180 + 2𝜋𝐿 𝜆𝑔 )= 𝜆0 ∆𝜑 360𝐿 + √𝜀𝑒𝑓𝑓 (3.1) Từ phương trình (3.1), chúng ta có thể thấy rằng hệ số sóng chậm của đường vi dải với DSS phụ thuộc vào pha và hằng số điện môi của vật liệu được sử dụng. Việc sử dụng DSS cũng góp phần giảm nhỏ kích thước anten bởi việc tăng cường hệ số sóng chậm cũng chính là một trong những phương pháp để giảm nhỏ kích thước anten. Tạo ra hốc cộng hưởng Như được định nghĩa ở trong phần trên, hộp cộng hưởng là một vùng không gian hữu hạn mà ở trong nó sau khoảng thời gian lớn hơn nhiều chu kỳ dao động siêu cao tần có sự 15 tích lũy năng lượng điện từ. Với việc sử dụng DSS, ở tầng điện môi sẽ hình thành các khe. Khi anten được tiếp được tiếp điện, chính các khe này đã tạo nên các hốc cộng hưởng. Phân bố lại dòng DSS được tích hợp ở tầng điện môi với đường truyền phẳng như đường truyền vi dải, CPW (coplanar waveguide), .... Việc khoét các khe trên tầng điện môi đã gây ra sự xáo trộn trong phân bố dòng và điều này đã làm thay đổi một số đặc tính của đường truyền (như chiều dài điện, hệ số sóng chậm, ... ) bằng cách thêm các tụ hay điện cảm. Như đã trình bày ở phần trên, việc phân bố lại dòng đã mở ra cơ hội để cải thiện các tham số cho anten. 3.2.3 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 𝑥 4 bằng Defected Substrate Structure (DSS) Phân tích thiết kế Để kiểm chứng cho phương pháp DSS mà luận án đã đề xuất, chúng ta sẽ áp dụng phướng pháp này cho một mảng anten lưỡng cực (dipole) được thiết kế trên vật liệu Roger 4350B với các tham số: ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 3.66, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037. Ở đây, lưỡng cực được áp dụng là loại lưỡng cực nửa bước sóng. Hình 3.3(a) hiển thị mô hình của anten đề xuất trong khi mô hình chi tiết được minh họa trong Hình 3.3(b). Mô hình của anten đề xuất gồm một mảng anten ở mặt trên, lớp điện môi thứ nhất, lớp điện môi thứ 2 với DSS và lớp đất. Ở đây, cả hai lớp điện môi đều là 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟 4350𝐵. a) b) Hình 3.3: Mô hình của anten đề xuất (a) mô hình chi tiết (b) Kích thước của anten mảng là 120 𝑥 125 𝑚𝑚. Chiều dài của mỗi phần tử lưỡng cực là xấp xỉ 𝜆/2 với 𝜆 là bước sóng trong không gian tự do, trong khi khoảng cách giữa các phần tử là khoảng 20 𝑚𝑚 (tính từ tâm của anten). Với cấu trúc DSS, khoảng cách giữa các khối “+” là khoảng 43 𝑚𝑚 trong khi khoảng cách từ khối “+” đến khối “I” là 32.4 𝑚𝑚. Hình 3.4 hiển thị mô hình cụ thể của mỗi phần tử và bộ chia công suất chữ T. Để phối hợp trở kháng cho bộ chia công suất, những bộ chuyển đổi 𝜆/4 được sử dụng. Khi đó, trở kháng của nó được cho bởi: 𝑍𝑇 = √𝑍𝑜𝑢𝑡 𝑍𝑖𝑛 (3.2) Ở đây, 𝑍𝑖𝑛 là 50 𝑂ℎ𝑚, 𝑍𝑜𝑢𝑡 là 100 𝑂ℎ𝑚. Do đó, 𝑍𝑇 trong trường hợp này sẽ là xấp xỉ 70.7 𝑂ℎ𝑚. Khi đó, trở kháng của đường truyền được cho bởi: b) a) Hình 3.4: (a) Mô hình của một phần tử lưỡng cực; (b) Mô hình của bộ chia công suất 𝑍0 = 60 𝜀𝑒𝑓𝑓 ∙ 𝑙𝑛 ( 8ℎ 𝑤 + 𝑤 4ℎ 16 ) nếu w/h < 1 (3.3) hoặc 𝑍0 = 120𝜋 √𝑒𝑒𝑓𝑓 ∙ 1 𝑤 𝑤 ( +1.393+0.677∙𝑙𝑛( +1.444)) ℎ ℎ nếu w/h > 1 (3.4) Các kết quả mô phỏng và đo kiểm Để chứng minh cho phương án DSS đề xuất, đầu tiên chúng ta sẽ so sánh các tham số của anten trong các trường hợp: sử dụng hai tầng điện môi, sử dụng hai tầng điện môi với DGS, và sử dụng hai tầng điện môi với DSS. Ở đây, các tầng điện môi được sử dụng là Roger 4350B với các tham số: ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 3.66, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037. b) a) Hình 3.5: Hệ số phản xạ (a) và hệ số tăng ích (b) của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS Hình 3.5(a) hiển thị hệ số phản xạ của anten trong ba trường hợp trên. chúng ta có thể thấy rằng băng thông với DSS là lớn nhất (hơn 2 𝐺𝐻𝑧) trong khi băng thông của anten không có DSS và hai tầng điện môi chỉ lần lượt là 630 và 330 𝑀𝐻𝑧. Rõ ràng là băng thông của anten đã được mở rộng đáng kể khi sử dụng DSS. Trong trường hợp hai tầng điện môi, băng thông của anten được mở rộng dựa trên việc tăng chiều dày điện môi. Vì vậy, việc cải thiện này không nhiều. Hình 3.5(b) minh họa hệ số tăng ích của anten trong ba trường hợp: hai tầng điện môi, hai tần điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS. Từ kết quả mô phỏng hệ số tăng ích của anten trong các trường hợp trên, chúng ta thấy rằng trong khi hệ số tăng ích của anten trong các trường hợp hai tầng điện môi và không có DSS chỉ lần lượt là 8.6 và 9.5 dBi, thì tăng ích của anten với DSS là 12.35 dBi. Rõ ràng là có sự khác biệt rất lớn giữa các hệ số tăng ích của anten trong các trường hợp trên. a) b) c) Hình 3.6: khác biệt về đồ thị của anten trong ba trường hợp: (a) hai tầng điện môi, (b) hai tầng điện môi với DGS, (c) hai tần điện môi với DSS Hình 3.6 minh họa sự khác biệt về đồ thị bức xạ của anten trong ba trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS và hai tầng điện môi với DSS. Rõ ràng là có một sự khác biệt không nhỏ giữa các đồ thị bức xạ của anten trong các trường hợp trên. Trong trường hợp anten với hai tầng điện môi Hình 3.6(a), đồ thị bức xạ có độ định hướng là rất thấp. Bên cạnh đó, mức búp sóng phụ là rất cao. Trong trường hợp anten với hai tầng điện môi và DGS 17 (không có DSS), mặc dù độ định hướng và mức búp sóng phụ của anten đã được cải thiện, tuy nhiên mức búp sóng phụ vẫn còn lớn. Vì vậy, độ lớn của búp sóng chính là còn nhỏ. Với trường hợp DSS, chúng ta có thể thấy rằng đồ thị bức xạ của anten có độ định hướng cao và điều này được thể thiện qua góc 3 dB của anten là 17.2 và độ lớn của búp sóng chính là 17.5. Trong khi với các trường hợp khác, độ lớn của búp sóng chính chỉ lần lượt là 7.56 và 9.08. Thêm vào đó, mức búp sóng phụ của anten với DSS là Hình 3.7: Hiệu suất của anten trong −8 dB và giá trị này là thấp hơn nhiều so với hai trường các trường hợp mô phỏng hợp còn lại. Hình 3.7 hiển thị hiệu suất của anten trong các trường hợp. Về hiệu suất của anten, không có sự chênh lệch lớn giữa các trường hợp. Tuy nhiên, anten với DSS vẫn đạt hiệu suất lớn nhất với 93.2%. Các trường hợp khác là thấp hơn một chút. Bên cạnh đó, để minh họa việc ảnh hưởng của vật liệu điện môi tới các tham số của anten, luận án mô phỏng anten trên vật liệu điện môi FR4 với các tham số ℎ = 1.6 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 4.4, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.002 . Sự khác biệt về hệ số phản xạ và hệ số tăng ích của anten khi anten sử dụng FR4 và Roger4350B trong Hình 3.8. Từ Hình 3.8, chúng ta có thể thấy rằng băng thông của anten với 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 là lớn hơn nhiều so với băng thông anten với 𝐹𝑅4. Có ba mode cộng hưởng liên tiếp trong băng thông khi anten sử dụng 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 trong khi với 𝐹𝑅4, điều này chỉ là hai. Vì vậy, băng thông với 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 lớn hơn cũng là điều dễ hiểu. Trong khi đó, mặc dù hệ số tăng ích của anten khi sử dụng 𝐹𝑅4 không phải là thấp (11.7 dBi) nhưng giá trị này vẫn thấp hơn khi anten sử dụng 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 (12.35 dBi). Rõ ràng là việc vật liệu điện môi 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 có hệ số suy hao thấp hơn đã giúp anten có được các tham số tốt hơn. Về mặt hiệu suất, hiệu suất của anten trong hai trường hợp sử dụng 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 và 𝐹𝑅4 gần như là tương đương nhau tại tần số 10 𝐺𝐻𝑧. b) a) Hình 3.8: Sự khác nhau về hệ số phản xạ (a) và hệ số tăng ích (b) khi sử dụng FR4 và Roger4350B Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten khi sử dụng 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 và 𝐹𝑅4 được minh họa trong Hình 3.9. Rõ ràng là mức búp sóng phụ của anten với 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 là nhỏ hơn khi anten sử dụng 𝐹𝑅4. Kết quả là, độ lớn của búp sóng chính cũng vì thế mà được cải thiện hơn. a) b) Hình 3.9: Sự khác nhau về đồ thị bức xa khi anten sử dụng (a) FR4 và (b) Roger 4350B 18 Hình 3.10: So sánh hiệu suất của anten khi sử dụng Roger4350B và FR4 a) b) Hình 3.11: Các mặt phẳng xz, yz của anten với: Roger4350B (a); FR4 (b) Hình 3.10 so sánh hiệu suất của anten khi sử dụng 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 và 𝐹𝑅4. Ở đây, hiệu suất của anten khi sử dụng 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 và 𝐹𝑅4 gần như không có sự chênh lệch đáng kể với giá trị lần lượt là 92% và 93.2%. Hình 3.11 minh họa đồ thị bức xạ của anten với Roger4350B và FR4 trong mặt phẳng xz và yz. Hình 3.12 và Hình 3.13 lần lượt hiển thị mô hình của anten được chế tạo dựa trên 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 (ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 3.66, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037) và 𝐹𝑅4 (ℎ = 1.6 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 4.4, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.02). Kích thước của anten với 𝐹𝑅4 là 118 𝑥 120 𝑚𝑚 trong khi kích thước của anten 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 là 120 𝑥 125 𝑚𝑚. Anten gồm hai tầng điện môi, trong đó lớp bức xạ ở tầng trên cùng, tiếp đến là tầng điện môi thứ nhất, tầng điện môi thứ hai với DSS, và tầng cuối cùng là lớp đất. Kết quả mô phỏng và đo lường của anten với 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 và 𝐹𝑅4 lần lượt được minh họa trong Hình 3.14. a) c) b) Hình 3.12: Mô hình anten được chế tạo với Roger4350B: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể a) b) c) Hình 3.13: Mô hình anten được chế tạo với FR4: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể b) a) Hình 3.14: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với Roger4350B (a) và FR4 (b) Từ Hình 3.14, chúng ta có thể thấy rằng băng thông của anten với 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵 và 𝐹𝑅4 lần lượt là hơn 2 𝐺𝐻𝑧 và 1.8 𝐺𝐻𝑧. Điều này tương ứng với tỉ lệ phần trăm băng thông lần lượt là 18% và 22%. Rõ ràng đây là một tỉ lệ lớn, đặc biệt là với anten vi dải. Tuy nhiên, đã 19 có sự sai số khá lớn, đặc biệt là ở anten với 𝑅𝑜𝑔𝑒𝑟4350𝐵. Điều này có thể lý giải một phần do lỗi mô phỏng. Tuy nhiên, một phần không nhỏ dẫn đến việc này có lẽ là do lỗi chế tạo. Nhưng nhìn một cách tổng quan thì các kết quả này là có thể chấp nhận được bởi băng tần hoạt động của anten vẫn được đảm bảo phối hợp trở kháng. 3.2.4 Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng MIMO bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu a) Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất Mô hình của cấu trúc siêu vật liệu đề xuất cũng như sơ đồ tương đương của nó được chỉ ra trong Hình 3.15. Ý tưởng của cấu trúc siêu vật liệu đề xuất được bắt nguồn từ cấu trúc OE2. Bằng cách phát triển hình dạng của cấu trúc, luận án đã thu được cấu trúc mới như được cho trong Hình 3.15. Cấu trúc được phát triển theo hình vuông và hình lục giác. Nếu như mô hình cấu trúc OE2 ban đầu là những đường vi dải thẳng thì cấu trúc đề xuất là những đường gấp gúc. Việc sử dụng những đường gấp khúc dẫn đến tăng giá trị L và C. Khi đó, tần số cộng hưởng được giảm xuống và đây chính là phương pháp để giảm nhỏ kích thước cho anten. a) b) Hình 3.15: Mô hình cấu trúc siêu vật liệu: cấu trúc đề xuất (a) và cấu trúc bù của nó(b) Đây là cấu trúc phẳng, vì vậy việc thiết kế và chế tạo sẽ dễ dàng hơn. Việc sử dụng cả cấu trúc đề xuất và cấu trúc bù của nó giúp tạo ra các tụ điện và điện cảm nhiều hơn. Trong khi cấu trúc bù chủ yếu tạo ra các tụ điện thì cấu trúc đề xuất tạo ra cả điện cảm và tụ điện. Điều này giúp tối ưu và đạt được cải tham số của anten tốt hơn. b) Thiết kế anten mảng cho ứng dụng WLAN Mô hình tổng thể của anten mảng đề xuất được cho trong Hình 3.16 trong khi mô hình chi tiết của anten được hiển thị trong Hình 3.17. Kích thước của anten đề xuất 72 𝑥 70 𝑚𝑚. Để mở rộng băng thông cho anten, luận án đã sử dụng hai tầng điện môi và vật liệu điện môi được lựa chọn là Roger4350B với các tham số ℎ = 1.524 𝑚𝑚, 𝜀𝑟 = 3.66, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0.0037. Anten gồm 4 phần tử (2𝑥2) và ba bộ chia công suất. Ở đây, kích thước của mỗi phần tử là 8 𝑥 12 𝑚𝑚, trong đó mỗi phần tử sử dụng 2 𝑡ấm bức xạ. Khoảng cách giữa các phần tử là 27 𝑚𝑚. Hình 3.16: Mô hình tổng thể của anten đề xuất b) a) Hình 3.17: Mô hình chi tiết của anten đề xuất: (a) tầng bức xạ; (b) lớp đất 20