Tài liệu Nghiên cứu phát triển cấu trúc ebg ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HUỲNH NGUYỄN BẢO PHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC EBG ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HUỲNH NGUYỄN BẢO PHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC EBG ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN 2. PGS. TS. TRẦN MINH TUẤN Hà Nội – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đào Ngọc Chiến và PGS.TS. Trần Minh Tuấn đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian và tâm huyết giúp đỡ tác giả về mọi mặt để hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Chân thành cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông đã dành cho tôi. Qua đây, tôi cũng chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam (NAFOSTED) đã tài trợ kinh phí tham dự hội thảo khoa học quốc tế tại nước ngoài. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình đo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, vợ và con trai đã luôn động viên, giúp đỡ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tôi vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xiii MỞ ĐẦU............................................................................................................................ xiv 1. Bề mặt trở kháng lớn và ứng dụng trong kỹ thuật anten ..................................... xiv 2. Những vấn đề còn tồn tại ......................................................................................... xvi 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.......................................................... xvii Mục tiêu nghiên cứu: ............................................................................................... xvii Đối tượng nghiên cứu: ............................................................................................ xviii Phạm vi nghiên cứu:................................................................................................ xviii 4. Cấu trúc nội dung của luận án .............................................................................. xviii CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CHẮN DẢI ĐIỆN TỪ (EBG) ............................................................................................. 1 1.1. Giới thiệu chƣơng .................................................................................................... 1 1.2. Bề mặt trở kháng lớn............................................................................................... 1 1.2.1. Giới thiệu chung về bề mặt trở kháng lớn ......................................................... 1 1.2.1.1. Vật dẫn điện ............................................................................................... 2 1.2.1.2. Bề mặt trở kháng lớn ................................................................................. 3 1.2.2. Cấu trúc chắn dải điện từ - Electromagnetic Band Gap (EBG)......................... 5 1.2.2.1. Định nghĩa ................................................................................................. 5 1.2.2.2. Phân loại .................................................................................................... 6 1.2.2.3. EBG và Siêu vật liệu (MTM) .................................................................... 7 1.2.2.4. Các phương pháp phân tích cấu trúc EBG ................................................ 8 1.2.3. Ứng dụng của cấu trúc EBG trong lĩnh vực anten .......................................... 10 1.2.3.1. Loại bỏ sóng bề mặt ................................................................................ 10 1.2.3.2. Anten cấu hình đơn giản .......................................................................... 11 1.2.3.3. Anten hệ số khuếch đại cao. .................................................................... 12 iv 1.3. Lý thuyết sóng mặt ................................................................................................ 12 1.3.1. Tiếp giáp điện môi – điện môi ......................................................................... 13 1.3.2. Bề mặt kim loại ............................................................................................... 15 1.3.3. Bề mặt trở kháng ............................................................................................. 17 1.3.4. Bề mặt trở kháng nhân tạo .............................................................................. 20 1.3.4.1. Bề mặt trở kháng tương đương của cấu trúc hình nấm ............................ 22 1.3.4.2. Sóng bề mặt lan truyền dọc bề mặt trở kháng .......................................... 24 1.4. Phƣơng pháp phân tích sai phân hữu hạn miền thời gian................................. 26 1.4.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 26 1.4.2 Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian ............................................... 26 1.4.2.1. Công thức cơ bản...................................................................................... 26 1.4.2.2. Giới thiệu phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian ....................... 28 1.4.3. Điều kiện biên tuần hoàn ................................................................................. 30 1.4.3.1. Các điều kiện biên tuần hoàn ................................................................... 30 1.4.3.2. Phương pháp hằng số sóng trong phân tích tán xạ ................................... 32 1.5. Tổng kết chƣơng .................................................................................................... 33 CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG PHẦN TỬ ĐIỆN DUNG KÝ SINH ................................................................................. 35 2.1. Giới thiệu chƣơng ................................................................................................... 35 2.2. Cấu trúc EBG hai băng tần cho hệ thống WLAN .............................................. 35 2.2.1 Thiết kế ban đầu .............................................................................................. 36 2.2.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 38 2.2.3. Khảo sát các đặc tính của dải chắn .................................................................. 39 2.3. Cấu trúc EBG ba băng tần có kích thƣớc nhỏ gọn ............................................ 42 2.3.1. Thiết kế ban đầu .............................................................................................. 43 2.3.2. Xác định dải chắn về tần số ............................................................................. 46 2.3.2.1. Đồ thị tán xạ ............................................................................................. 46 2.3.2.2. Dải chắn sóng bề mặt ............................................................................... 47 2.3.3 Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 48 2.3.4. Khảo sát đặc tính dải chắn ............................................................................... 50 2.3.5. Khả năng điều chỉnh và ứng dụng. .................................................................. 54 2.3.6. Bộ lọc thông dải sử dụng cấu trúc EBG .......................................................... 56 v 2.3.6.1. Giới thiệu .................................................................................................. 56 2.3.6.2. Thiết kế bộ lọc thông dải có kích thước nhỏ gọn ..................................... 57 2.3.6.3. Kết quả và thảo luận ................................................................................. 59 2.4. Tổng kết chƣơng ..................................................................................................... 62 CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CẤU TRÚC EBG LINH HOẠT SỬ DỤNG CẤU TRÚC HÌNH HỌC FRACTAL .............................................................................. 64 3.1 Giới thiệu chƣơng .................................................................................................. 64 3.2 Thiết kế cấu trúc EBG có băng thông linh hoạt ................................................. 65 3.3 Khảo sát đặc tính dải chắn ................................................................................... 66 3.3.1 Phương pháp mô phỏng “đường truyền vi dải tự do (SMM)” ........................ 66 3.3.2 Cấu trúc EBG ở các bước lặp khác nhau ......................................................... 67 3.3.3 Cấu trúc EBG băng rộng (BEBG) .................................................................... 69 3.3.4 Cấu trúc EBG hai băng tần (DEBG) ................................................................ 71 3.3.5 Cấu trúc EBG hình nấm thông thường............................................................. 72 3.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................. 72 3.5 Ứng dụng cải thiện đặc tính bức xạ của anten vi dải ......................................... 74 3.6. Tổng kết chƣơng .................................................................................................... 76 CHƢƠNG 4. GIẢI PHÁP GIẢM NHỎ KÍCH THƢỚC CẤU TRÚC EBG ............... 77 4.1 Giới thiệu chƣơng .................................................................................................. 77 4.2 Các nghiên cứu giảm nhỏ kích thƣớc cấu trúc EBG .......................................... 77 4.2.1 Giảm nhỏ kích thước bằng cách tăng điện dung tổng cộng C ......................... 78 4.2.2 Giảm nhỏ kích thước bằng cách tăng điện cảm tổng cộng L ........................... 79 4.3 Giải pháp giảm nhỏ kích thƣớc cấu trúc EBG ................................................... 81 4.3.1 Cấu trúc EBG-1 ............................................................................................... 83 4.3.1.1 Đề xuất cấu trúc ......................................................................................... 83 4.3.1.2 Mô phỏng .................................................................................................. 84 4.3.2 Cấu trúc EBG-2 ............................................................................................... 85 4.3.2.1 Đề xuất cấu trúc ......................................................................................... 85 4.3.2.2 Mô phỏng .................................................................................................. 86 4.3.3 Cấu trúc EBG-3 ............................................................................................... 87 4.3.3.1 Đề xuất cấu trúc ......................................................................................... 87 4.3.3.2 Mô phỏng .................................................................................................. 88 vi 4.3.4 So sánh với các cấu trúc EBG khác ................................................................. 89 4.3.5 Ứng dụng giảm ảnh hưởng tương hỗ cho hệ thống anten mảng ...................... 91 4.4. Tổng kết chƣơng ..................................................................................................... 95 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 100 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo BPF Bandpass Filter Bộ lọc thông dải BEBG Broadband EBG Cấu trúc EBG băng rộng CRLH Composite Right-Left Handed CUE Conventional Uni-planar EBG DUC-EBG Distored Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng biến dạng DEBG Dual-band EBG Cấu trúc EBG hai băng tần EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn FDTD Finite Difference Time Domain FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng lớn LH Left-handed material MMR Microstrip Multimode Resonator Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp Cấu trúc EBG đồng phẳng thông thường Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái (Siêu vật liệu) Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dải MoM Method of Moment Phương pháp mô-men MTM Metamaterial Siêu vật liệu PBC Periodic Boundary Condition Điều kiện biên tuần hoàn PEC Perfect Electric Conductor Vật dẫn điện hoàn hảo PML Perfect Matched Layer Lớp hấp thụ hoàn hảo PSO Particle Swarm Optimization Thuật toán bầy đàn RH Right-handed material SRR Split Ring Resonator Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải (Vật liệu thông thường) Vòng khuyết cộng hưởng viii SMM Suspended Microstrip Method Phương pháp đường truyền vi dải tự do TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TUE Triple-band Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng ba băng tần UWB Ultra Wide Band Hệ thống băng thông siêu rộng Worldwide Interoperability for Sự tương tác mạng diện rộng bằng Microwave Access sóng vô tuyến Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WiMAX WLAN ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Anten đặt đối diện với mặt phẳng đế với khoảng cách < /4 ................................ 2 Hình 1.2. Anten với khoảng cách /4 so với mặt phẳng đế .................................................. 2 Hình 1.3. Sóng bề mặt TM lan truyền ngang qua một tấm kim loại ..................................... 3 Hình 1.4. Mặt cắt ngang của một bề mặt trở kháng lớn ........................................................ 4 Hình 1.5. Sơ đồ mạch điện tương đương của bề mặt trở kháng lớn ...................................... 4 Hình 1.6. Sóng bề mặt TE lan truyền ngang qua một bề mặt trở kháng lớn ......................... 5 Hình 1.7. Anten lưỡng cực với mặt phẳng đế trở kháng lớn ................................................. 5 Hình 1.8. Cấu trúc EBG ba chiều: (a) cấu trúc điện môi dạng đống gỗ [40] và (b) mảng nhiều lớp tấm kim loại 3 cạnh [41] ........................................................................................ 6 Hình 1.9. Cấu trúc EBG hai chiều: (a) cấu trúc dạng hình nấm [2] và (b) cấu trúc dạng đồng phẳng (không sử dụng cột nối kim loại) [11]. .............................................................. 6 Hình 1.10. Các đường truyền EBG một chiều [42]: (a) đường truyền vi dải với các lỗ tuần hoàn ở lớp đế và (b) đường truyền CRLH [43] ..................................................................... 7 Hình 1.11. Hệ toạ độ (ε, µ ) ................................................................................................... 7 Hình 1.13. Phương pháp đường truyền tuần hoàn. ................................................................ 9 Hình 1.14. Mô hình FDTD toàn sóng phân tích cấu trúc EBG. .......................................... 10 Hình 1.15. Đế EBG cho anten phân cực tròn cho hệ thống GPS hoạt động tại tần số L1 (1.57GHz) [50] .................................................................................................................... 12 Hình 1.16. Đế EBG cho anten hệ số tăng ích cao ............................................................... 12 Hình 1.17. Sóng mặt trên tiếp giáp điện môi – điện môi..................................................... 13 Hình 1.8. Đồ thị tán xạ của surface plasmons trên kim loại. ............................................... 17 Hình 1.19. Trở kháng bề mặt được tính trên một diện tích hình chữ nhật. ......................... 17 Hình 1.20. Sóng mặt lan truyền trên một mặt trở kháng bất kỳ. ......................................... 18 Hình 1.21. (a) Sự thực hiện một mặt dẫn từ khi phủ một lớp điện môi lên một mặt đế kim loại, (b) Độ dày của lớp điện môi giảm đáng kể nhưng băng thông sẽ bị giảm .................. 20 Hình 1.22. Lưới dải dẫn với khối hình vuông ..................................................................... 21 Hình 1.23. Mô hình một bề mặt trở kháng nhân tạo. Một mảng các phiến kim loại được đặt cách mặt đế một khoảng h, ở giữa là lớp điện môi có hệ số điện môi tương đối r ............ 22 Hình 1.24. Sóng TE và sóng TM truyền dọc theo một bề mặt trở kháng phẳng ................. 25 Hình 1.25. Cách chia khối (cell) trong FDTD. .................................................................... 28 Hình 1.26. Các véctơ E và H trong các khối. ...................................................................... 29 x Hình 1.27. Sóng tới mặt điện môi. ...................................................................................... 32 Hình 1.28. Hệ số phản xạ của tấm điện môi trong mặt phẳng -tần số. Hình biểu diễn một số phương pháp tính toán bằng dấu cộng, trừ và đường nét đứt [37]. ................................. 33 Hình 2.1. Cấu trúc EBG đề xuất: a) Mặt trên của cấu trúc và (b) Mặt bên của cấu trúc..... 36 Hình 2.2. Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG đề xuất: a) Dải chắn thứ nhất và b) Dải chắn thứ hai .............................................................................................................. 37 Hình 2.3. Mảng 3×4 phần tử EBG nối với 2 đường vi dải 50  ở hai đầu ........................ 38 Hình 2.4. Hai dải chắn của cấu trúc thiết kế ban đầu .......................................................... 38 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. .............................................................................................................................. 39 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. ...................................................................................................................................... 39 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. .............................................................................................................................. 39 Hình 2.8. Kết quả mô phỏng trở kháng bề mặt của cấu trúc EBG tối ưu. ........................... 39 Hình 2.9. Mảng 3×4 phần tử EBG và thiết lập đo thực nghiệm. ......................................... 42 Hình 2.10. Các tham số tán xạ của cấu trúc EBG đã tối ưu. ............................................... 42 Hình 2.11. Cấu trúc UC-EBG thông thường. (a) Phần tử EBG và (b) Sơ đồ tương đương 43 Hình 2.12. Cấu trúc UC-EBG ba băng tần đề xuất ............................................................. 43 Hình 2.13. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc EBG đề xuất. (a) Dải chắn thứ nhất, (b) Dải chắn thứ hai và dải chắn thứ ba. ................................................................................... 44 Hình 3.14. Tam giác Brillouin tối thiểu............................................................................... 47 Hình 2.15. Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG ba băng tần đề xuất ......................................... 49 Hình 2.16. Đồ thị tán xạ của cấu trúc UC-EBG thông thường ............................................ 49 Hình 2.17. Tần số trung tâm của các dải chắn với các tham số kích thước khác nhau (khi một tham số thay đổi, các tham số còn lại giữ nguyên: (a) n thay đổi, (b) l thay đổi, (c) b thay đổi và (d) u thay đổi. .................................................................................................... 51 Hình 2.18. (a) Mảng 4×5 phần tử EBG và thiết lập đo thực nghiệm và (b) Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số truyền đạt của mảng 4×5 phần tử EBG ............................ 53 Hình 2.19. Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG khi kích thước phần tử là 12 mm .................... 54 Hình 2.20. (a) Mảng 4×5 phần tử EBG và thiết lập đo thực nghiệm và (b) Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số truyền đạt của mảng 4×5 phần tử EBG ............................ 55 Hình 2.21. (a) Cấu trúc EBG đồng phẳng (UC-EBG) [11] và (b) Cấu trúc EBG ba băng tần ........................................................................................................................................ 58 Hình 2.22. Cấu trúc EBG đề xuất và sơ đồ mạch LC tương đương .................................... 58 xi Hình 2.23. Bộ lọc thông dải băng rộng với các kích thước ở đơn vị mm: (a) Bộ lộc tham khảo với bộ cộng hưởng MMR vi dải và (b) Bộ lọc đề xuất ............................................... 58 Hình 2.24. Hệ số tổn hao chèn (S21) của bộ lọc đề xuất với các chiều dài ghép nối khác nhau. .................................................................................................................................... 59 Hình 2.25. Tham số tán xạ của bộ lọc: a) Bộ lọc tham khảo và b) Bộ lọc đề xuất ............ 60 Hình 2.26. Mô hình chế tạo thưc nghiệm của hai bộ lọc và ảnh hiển thị kết qủa đo tham số tán xạ của bộ lọc đề xuất ..................................................................................................... 60 Hình 2.27. Trễ nhóm của bộ lọc thông dải tham khảo và bộ lọc thông dải đề xuất: a) Kết quả mô phỏng và b) Kết quả đo thực nghiệm...................................................................... 61 Hình 3.1. Bốn bước lặp để tạo nên tam giác Sierpinski Gasket mode-2 ............................. 65 Hình 3.2. Cấu trúc EBG đề xuất: (a) BEBG, (b) DEBG, (c) Tam giác Sierpinski Gasket, và (d) Cấu trúc BEBG dạng ba chiều. Chi tiết các kích thước: W4 = W1/8, W3 = W1/4, W2 = W1/2, , G2 = 0.5mm; G1 = 1mm.............................................. 65 Hình 3.3. Mô hình đường truyền vi dải treo tự do trên phần tử EBG ................................. 67 Hình 3.4. Mảng 3×4 phần tử EBG với đường vi dải ở phía trên: (a) Mảng EBG dạng hình nấm thông thường, (b) Mảng EBG đề xuất. ........................................................................ 67 Hình 3.5. Dải chắn của cấu trúc EBG tạo bởi các tam giác Sierpinski ở bước lặp 1 trong trường hợp: a) G2 = 0.5 mm và b) G2 = 0 mm ................................................................... 68 Hình 3.6. Dải chắn của cấu trúc EBG tạo bởi các tam giác Sierpinski ở bước lặp 2 trong trường hợp: a) G2 = 0.5 mm và b) G2 = 0 mm ................................................................... 68 Hình 3.7. Dải chắn của cấu trúc EBG tạo bởi các tam giác Sierpinski ở bước lặp 3 trong trường hợp: a) G2 = 0.5 mm và b) G2 = 0 mm ................................................................... 68 Hình 3.8. Băng thông của cấu trúc BEBG ứng với (a) Các giá trị W khác nhau, và (b) các giá trị G1 khác nhau khi W được cố định tại 4 mm ............................................................ 70 Hình 3.9. Băng thông của DEBG (G2 = 0mm) tại W = 4 mm, và các tham số khác giữ nguyên ................................................................................................................................. 71 Hình 3.10. Băng thông của cấu trúc EBG hình nấm thông thường tại W bằng 10 mm ...... 72 Hình 3.11. Mô hình chế tạo thực nghiệm của mảng EBG với đường vi dải phía trên: (a) mảng 3×4 phần tử DEBG và (b) mảng 3×4 phần tử BEBG ................................................ 73 Hình 3.12. Băng thông của cấu trúc EBG tại W bằng10 mm: (a) BEBG và (b) DEBG ..... 73 Hình 3.13. Mô hình các anten vi dải: (a) Anten vi dải tham khảo với mặt phẳng đế thông thường, (b) Anten vi dải với mặt phẳng đế BEBG, và (c) Anten vi dải với mặt phẳng đế DEBG (Ws = 57 mm, Wp = 27 mm)................................................................................... 74 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng hệ số tổn hao ngược của các anten ...................................... 75 Hình 3.15. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten tham khảo, anten BEBG và anten DEBG tại tần số 5 GHz khảo sát trong: (a) Mặt phẳng XZ, (b) Mặt phẳng YZ. ................ 75 xii Hình 4.1. Cấu trúc EBG dạng đồng phẳng sử dụng đường vi dải gấp khúc [8] .................. 78 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. ....................................................................................................... 78 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. .. 79 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 ......................................................................................... 80 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. ................................. 81 Hình 4.6. Cấu trúc các phần tử đơn vị EBG hình nấm ........................................................ 82 Hình 4.7. Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG hình nấm ................................. 82 Hình 4.8. a) Cấu trúc EBG hình nấm [2], b) và c) Cấu trúc EBG-1, và d) Thành phần điện dung và điện cảm bổ sung tạo ra từ mặt phẳng đế .............................................................. 83 Hình 4.9. Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG-1 .............................................. 84 Hình 4.11. Đồ thị tán xạ. a) Cấu trúc EBG hình nấm, và b) Cấu trúc EBG-1..................... 85 Hình 4.12. Cấu trúc EBG-2 ................................................................................................. 86 Hình 4.13. Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG-2 ............................................ 86 Hình 4.14. Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG-2 ...................................................................... 87 Hình 4.15. Cấu trúc EBG-3 ................................................................................................. 87 Hình 4.16. Sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc EBG-3 ............................................ 88 Hình 4.17. Đồ thị tán xạ của cấu trúc EBG-3 ...................................................................... 88 Hình 4.18. Mô hình các cấu trúc EBG (a) Hình nấm, (b) Đường cong Hilbert bậc 2, (d) Cột nối đặt lệch, (e) Đường cong cực ....................................................................................... 89 Hình 4.19. Mô hình anten mảng có cấu trúc EBG (a) Lớp trên, (b) Lớp dưới, (c) Mặt phẳng đế ......................................................................................................................................... 92 Hình 4.20. Đồ thị tham số tán xạ S của anten mảng ban đầu .............................................. 93 Hình 4.21. So sánh tham số tán xạ S của anten mảng khi không có và khi có cấu trúc EBG-3 .................................................................................................................................. 93 Hình 4.22. Mô hình chế tạo thực nghiệm của anten mảng (a) Khi chưa có cấu trúc EBG-3, (b) Khi có cấu trúc EBG-3…………………………………………………………….......95 Hình 4.23. Kết quả đo thực nghiệm tham số tán xạ S của anten mảng khi không có và khi có cấu trúc EBG-3 ............................................................................................................... 96 xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh giữa bề mặt PEC và EBG trong các thiết kế anten dây ......................... 11 Bảng 2.1. Các tham số ban đầu của cấu trúc (mm) ............................................................. 37 Bảng 2.2. So sánh giữa cấu trúc EBG đề xuất với các cấu trúc EBG đã công bố ............... 41 Bảng 2.3. Các tham số tối ưu của cấu trúc (mm) ................................................................ 41 Bảng 2.4. Tham số kích thước của các cấu trúc EBG ......................................................... 50 Bảng 2.5. Tần số trung tâm thứ ba của cấu trúc EBG đề xuất ứng với các giá trị khác nhau của b..................................................................................................................................... 51 Bảng 2.6. Ảnh hưởng của việc thay đổi một tham số đến sự giảm dần của các tần số trung tâm ....................................................................................................................................... 52 Bảng 2.7. Ảnh hưởng của việc thay đổi nhiều tham số cùng lúc đến sự giảm dần của các tần số trung tâm ................................................................................................................... 52 Bảng 2.8. Tần số trung tâm của cấu trúc EBG ba băng tần ................................................. 53 Bảng 2.9. Tham số kích thước của các cấu trúc EBG (mm) ............................................... 54 Bảng 2.10. Các dải chắn tần số của cấu trúc EBG đề xuất tại a = 12 mm. ......................... 55 Bảng 3.1. Phân tích các tham số của EBG .......................................................................... 70 Bảng 3.2. Băng thông của cấu trúc ứng với các giá trị W khác nhau khi G2 được ấn định ở 0 mm và 0.5 mm .................................................................................................................. 71 Bảng 3.3. Băng thông của cấu trúc EBG đề xuất tại W = 10 mm ....................................... 73 Bảng 4.1. Tham số kích thước của các cấu trúc EBG ......................................................... 84 Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng dải chắn ................................................................................. 88 Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng dải chắn và độ giảm kích thước ............................................ 89 Bảng 4.4. Các thông số thiết kế cho mỗi cấu trúc EBG đơn vị ........................................... 90 Bảng 4.5. Kết quả mô phỏng dải chắn và độ giảm kích thước ............................................ 90 xiv MỞ ĐẦU 1. Bề mặt trở kháng lớn và ứng dụng trong kỹ thuật anten Kỹ thuật anten đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và vẫn đang không ngừng được phát triển. Công nghệ anten vi dải in trên đế điện môi ra đời đã giải quyết được vấn đề thu nhỏ kích thước của anten nhằm tích hợp trên các thiết bị cầm tay cũng như các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến. Nhiều mô hình anten vi dải in trên đế điện môi đã được thiết kế và chế tạo thành công, từ anten phiến vi dải cho đến anten mảng điều khiển pha, từ những anten đơn cực, lưỡng cực đến những anten Yagi, loga chu kỳ, v.v đều có thể sử dụng công nghệ vi dải. Tuy nhiên, cũng có rất nhiều thử thách đặt ra đối với các anten vi dải, bao gồm:  Ảnh hưởng của sóng bề mặt lan truyền trên đế điện môi đến đặc tính bức xạ cũng như hiệu suất bức xạ của anten.  Cải thiện hệ số tăng ích của anten.  Ảnh hưởng của dòng ảnh trong mô hình anten đơn cực.  Phân bố trường không đồng nhất trong ống dẫn sóng hình chữ nhật. Sự xuất hiện của cấu trúc bề mặt trở kháng lớn (HIS) [1] đã giúp giải quyết được những vấn đề này. Cấu trúc bề mặt trở kháng lớn là một dạng của siêu vật liệu và được gọi chung là cấu trúc chắn dải điện từ (EBG). Cấu trúc EBG có đặc tính ưu việt là tạo ra dải chắn (cấm) điện từ ở một dải tần số bất kỳ. Bên cạnh đặc tính dải chắn1, cấu trúc EBG còn có những tính chất nổi trội khác như trở kháng bề mặt lớn và vật dẫn từ nhân tạo (AMC). Chẳng hạn như một cấu trúc EBG dạng hình nấm [2] có trở kháng bề mặt lớn đối với mode TE và mode TM. Khi một sóng phẳng truyền tới bề mặt EBG, phản xạ đồng pha sẽ được tạo ra tương tự như vật dẫn từ hoàn hảo. Với những ưu điểm trên, EBG được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật anten, từ anten dây đến anten vi dải, từ anten phân cực tuyến tính đến anten phân cực tròn. Việc kết hợp cấu trúc EBG vào các mô hình anten in trên đế điện môi đã loại bỏ được ảnh hưởng của sự truyền lan của sóng mặt, nhờ đó cải thiện được khả năng bức xạ cũng như hiệu suất của anten, đặc biệt giảm đáng kể nhiễu tương hỗ giữa các phần tử trong anten mảng. Hơn nữa, nhờ đặc tính phản xạ đồng pha, bề mặt cấu trúc EBG đã được sử dụng trong mô hình anten dây cấu hình đơn giản nhằm cải thiện đặc tính bức xạ của anten [3]. Vì vậy, cấu trúc EBG và các ứng dụng của EBG trong kỹ thuật anten đã trở thành một 1 Để tránh trùng lặp quá nhiều cụm từ “điện từ”, trong quyển luận án này từ đây trở về sau cụm từ “dải chắn điện từ” sẽ được gọi tắt là “dải chắn”. xv hướng nghiên cứu mới thu hút được sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học cũng như các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc trong việc tính toán trường điện từ, như một động lực quan trọng góp phần lớn vào sự phát triển của những mô hình mới lạ, phức tạp. Nó mở rộng đáng kể khả năng của các nhà nghiên cứu trong việc cải thiện cũng như tối ưu hiệu suất của mô hình. Các phương pháp tính toán trường điện từ như phương pháp mô-men (MoM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) đã được phát triển trong những năm gần đây. Đặc biệt, các công cụ mô phỏng trường điện từ sử dụng các phương pháp trên đã xuất hiện. Cùng với những chiếc máy tính với khả năng tính toán được cải thiện một cách đáng kể, việc nghiên cứu các cấu trúc EBG và các ứng dụng cho thiết bị anten được thực hiện dễ dàng với độ tin cậy, chính xác cao. Vì vậy, hiện nay đã có rất nhiều mô hình cấu trúc EBG được đề xuất với hình dạng từ đơn giản đến phức tạp, chẳng hạn như cấu trúc EBG hình nấm [2], hình xoắn [4], hình gấp khúc [5], v.v. Tuy nhiên, cùng với yêu cầu về kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, dễ chế tạo đối với các mô hình anten thế hệ mới, những yêu cầu tương tự đối với các cấu trúc EBG cũng là thách thức đối với các nhà nghiên cứu. Nằm trong xu hướng phát triển chung của thế giới, gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu và phát triển các bề mặt có thuộc tính trở kháng lớn dựa trên các cấu trúc vật liệu đặc biệt:  Nghiên cứu cấu trúc EBG nhỏ gọn dễ chế tạo [4-11]. Các nghiên cứu này tập trung vào phát triển các cấu trúc EBG phẳng có kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản. Phương pháp giảm nhỏ kích thước được sử dụng là tăng giá trị điện cảm L, hoặc tăng giá trị điện dung C. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG dựa vào nguyên lý trên. 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, 5, 8]. Trong khi đó, một số nghiên cứu đã tạo ra các điện cảm bổ sung để tăng giá trị điện cảm L tổng cộng. Tuy nhiên, các điện cảm cần phải mắc nối tiếp với điện cảm ban đầu L để tăng tổng giá trị điện cảm của cấu trúc EBG. Cấu trúc EBG sử dụng mặt phẳng đế dạng xoắn ốc đã được đề xuất [9], hoặc sử dụng sử dụng cột nối kim loại dạng xoắn ốc [10]. Các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở đề xuất cấu trúc mà vẫn chưa được ứng dụng cho các thiết bị siêu cao tần hay anten trong trường hợp cụ thể nào.  Nghiên cứu các cấu trúc EBG hoạt động ở đa băng tần. Các nghiên cứu này tập trung phát triển các cấu trúc EBG hai băng tần [12-14] hoặc cấu trúc EBG ba băng tần [1517]. Các cấu trúc EBG đa băng tần ở trên hầu hết đều sử dụng cột nối kim loại trong thiết xvi kế. Điều này dẫn đến sự phức tạp trong chế tạo, nâng cao giá thành sản xuất và ảnh hưởng đến độ chính xác trong kết quả đo thực nghiệm.  Nghiên cứu các bề mặt dẫn từ nhân tạo AMC. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về AMC với các đặc điểm thiết kế như cấu trúc nhỏ gọn [18-20], băng thông rộng [20], hoặc đa băng tần [21, 22]. Các cấu trúc AMC cũng được thiết kế dạng phẳng để dễ dàng tích hợp vào các cấu trúc anten có cấu hình nhỏ gọn [21, 23]. Với đặc tính phản xạ đồng pha sóng tới từ anten, cấu trúc AMC sẽ giúp giảm bức xạ ngược, cải thiện búp sóng chính và nâng cao hiệu suất bức xạ cho anten.  Bên cạnh đó, cũng có nhiều nghiên cứu ứng dụng cấu trúc EBG trong các mạch siêu cao tần và anten. Các ứng dụng vẫn tập trung vào các hệ thống anten có cấu hình đơn giản, hoặc anten dây, anten lưỡng cực [24-28]. Trường điện từ là một khoa học nền tảng đóng vai trò đặc biệt cho sự phát triển của các hệ thống truyền thông, nhưng do đặc thù của lĩnh vực nghiên cứu là đòi hỏi có những kiến thức cơ bản về toán học và vật lý vững vàng, nên dẫn đến nhiều khó khăn trong nghiên cứu đối với nhiều người. Cũng bởi lý do đó, không có nhiều công trình nghiên cứu về bề mặt trở kháng lớn được công bố trên các tạp chí, hội thảo khoa học trong nước [5, 28, 29]. 2. Những vấn đề còn tồn tại Vai trò của cấu trúc EBG là rất quan trọng trong lĩnh vực anten và siêu cao tần. Việc nghiên cứu và ứng dụng các cấu trúc EBG luôn là đề tài mang tính thời sự cao. Những cấu trúc EBG hai chiều đầu tiên được đưa ra bởi D. Sievenpiper [1] và F. Yang [11] năm 1999. Đầu tiên là cấu trúc EBG dạng hình nấm với lý thuyết sơ đồ mạch tương đương dùng các phần tử tập trung LC. Mô hình EBG dạng hình nấm do Sievenpiper đưa ra thường có kích thước lớn với chu kỳ phần tử EBG bằng một nửa lần bước sóng hoạt động ở tần số trung tâm của dải chắn. Ngoài ra việc sử dụng cột nối kim loại trong cấu trúc hình nấm đã gây nên sự phức tạp trong việc chế tạo, làm tăng chi phí sản xuất. Do vậy, những nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa kích thước cấu trúc EBG mà vẫn đạt được tần số cộng hưởng như mong muốn đồng thời dễ chế tạo, giảm thiểu chi phí sản xuất. Điển hình là cấu trúc EBG đồng phẳng (UC-EBG) được đề xuất ở [11]. Đối với cấu trúc UC-EBG thì điện cảm L hình thành do đường vi dải nối các tế bào cạnh nhau và các phiến kim loại liền kề giữa các phần tử đơn vị tạo nên điện dung C. Trong phương pháp thiết kế tối ưu cấu trúc EBG, để giảm được tần số cộng hưởng mà không làm thay đổi kích thước của cấu trúc thì ta phải tìm cách tăng các giá trị L, C. xvii Khi hệ số điện môi r và độ dày của lớp điện môi đã được chọn thì không thể thay đổi giá trị điện cảm L mà chỉ có thể thay đổi giá trị điện dung C [5]. Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào vấn đề này như tạo ra các đường vi dải gấp khúc để tạo ra các điện dung ký sinh từ đó làm tăng giá trị điện dung tổng cộng C [4, 5, 8, 9]. Tuy nhiên việc nghiên cứu các cấu trúc EBG chủ yếu là tạo ra một băng tần [2, 8, 11, 30, 31]. Nếu muốn tạo ra các cấu trúc EBG hai băng tần thì thường phải sử dụng cột nối kim loại trong thiết kế [13, 14], hoặc dùng hai phần tử đơn vị EBG [12] hay một khối gồm nhiều phần tử đơn vị EBG [32]. Do vậy sẽ làm tăng kích thước đơn vị EBG, độ phức tạp trong chế tạo và chi phí sản xuất cao. Một số cấu trúc EBG ba băng tần đã được nghiên cứu và đề xuất [15, 33, 34]. Ở [33], các tam giác Sierpinski Gasket đã được sử dụng để tạo ra các dải chắn. Cụ thể trong thiết kế này, EBG được hình thành bằng cách kết hợp bốn tam giác Sierpinski ở bước lặp 1 và bước lặp 2. Tuy nhiên, hai trong số bốn tam giác này được kết nối với mặt phẳng đế bởi các cột nối kim loại. Điều này làm tăng độ phức tạp trong chế tạo mô hình thực nghiệm. Tương tự, một cấu trúc EBG đa băng tần được thiết kế bằng cách kết hợp một tấm kim loại với cấu trúc Fractal Mandelbrot ở bước lặp thứ 2 [34]. Kết quả, cấu trúc EBG này có thể tạo ra ba dải chắn, nhưng hạn chế của cấu trúc này cũng sử dụng các cột nối kim loại. Hơn nữa, một cấu trúc EBG nhỏ gọn xây dựng bằng cách khắc một vòng cộng hưởng SRR lên mặt tấm kim loại ở lớp trên của cấu trúc EBG dạng hình nấm thông thường, được đề xuất bởi L. Peng [15]. Cấu trúc EBG này tạo ra ba dải chắn, nhưng chỉ dải chắn đầu tiên là chặn được sự lan truyền của sóng bề mặt từ tất cả các hướng. Hai dải chắn còn lại chỉ có thể ngăn cản sự lan truyền của sóng bề mặt theo một hướng nhất định. Bên cạnh đó, việc mở rộng băng thông của cấu trúc EBG đang là xu hướng tất yếu khi yêu cầu tích hợp vào các hệ thống anten băng rộng ngày càng tăng. Cấu trúc EBG dạng hình nấm [2] có ưu điểm băng thông rộng hơn so với cấu trúc EBG đồng phẳng [11]. Tuy nhiên cấu trúc EBG hình nấm lại có nhược điểm khó chế tạo hơn so với cấu trúc EBG đồng phẳng. Một số nghiên cứu tập trung mở rộng băng thông của cấu trúc EBG [35, 36]. Tuy nhiên, các cấu trúc đề xuất có cấu tạo phức tạp, khó chế tạo. Vì vậy hướng nghiên cứu thiết kế cấu trúc EBG phẳng có băng thông rộng cần được quan tâm và phát triển. 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Phân tích, thiết kế các cấu trúc EBG cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới. Các cấu trúc EBG này có khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng. Các dải chắn là hoàn chỉnh, có khả năng ngăn cản sự truyền lan của sóng điện từ theo mọi hướng. xviii  Đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc EBG mới sử dụng các cấu trúc hình học Fractal. Đây là các cấu trúc EBG phẳng được thiết kế linh hoạt để có thể tạo ra băng thông rộng hoặc đa băng tần.  Đề xuất giải pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG. Giải pháp đề xuất dựa trên việc tăng đồng thời các giá trị điện cảm và điện dung tổng cộng của sơ đồ mạch LC tương đương của cấu trúc. Từ đó giảm tần số cộng hưởng của cấu trúc EBG đề xuất. Đối tƣợng nghiên cứu:  Tập trung vào cấu trúc EBG hai chiều vì những ưu điểm như dễ chế tạo, chi phí thấp và có khả năng ứng dụng cao trong hệ thống anten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.  Tập trung vào các thiết kế cấu trúc EBG dạng đồng phẳng kích thước nhỏ gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng. Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu các đặc tính đặc biệt của cấu trúc EBG bao gồm: tính chất ngăn cản (triệt tiêu) sóng bề mặt trong hệ thống anten phẳng và tính chất bề mặt phản xạ đồng pha cho các hệ thống anten cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.  Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) để phân tích các đặc tính của cấu trúc EBG. Khảo sát đặc tính chắn dải điện từ của cấu trúc EBG thông qua việc xác định đồ thị tán xạ của các mode sóng TM, TE và xác định các tham số tán xạ (hệ số truyền đạt) của một mạng 2-cổng. 4. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án bao gồm bốn chương. Phần giới thiệu tổng quan và cơ sơ phân tích cấu trúc EBG được trình bày ở chương 1. Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án thể hiện ở các nội dung đề xuất và thực hiện trong chương 2, chương 3 và chương 4. Đầu tiên, chương 1 tập trung vào các đặc tính cấu trúc chắn dải điện từ EBG. Chương này cũng đề cập đến các phương pháp phân tích cấu trúc EBG: phương pháp phần tử tập trung, phương pháp đường truyền tuần hoàn và phương pháp số toàn sóng. Các ứng dụng của cấu trúc EBG cũng được tổng hợp và phân tích. Ngoài ra, các cơ sở để phân tích cấu trúc EBG bao gồm vấn đề về sóng mặt lan truyền trên bề mặt các cấu trúc được trình bày và phân tích chi tiết. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian cũng được giới thiệu với điều kiện biên tuần hoàn sử dụng trong việc phân tích các cấu trúc tuần hoàn có chu kỳ.