Phát triển ăng-ten mảng phẳng sử dụng phần tử bức xạ dạng cấu trúc siêu vật liệu và lưỡng cực điện từ ở dải sóng milimét

Nội dung tài liệu: Phát triển ăng-ten mảng phẳng sử dụng phần tử bức xạ dạng cấu trúc siêu vật liệu và lưỡng cực điện từ ở dải sóng milimét

1. MỞ ĐẦU 1. Ăng-ten mảng phẳng và ứng dụng trong hệ thống thông tin milimét Trong những năm gần đây, kỹ thuật ăng-ten đã có những tiến bộ vượt bậc và vẫn đang không ngừng được phát triển, công nghệ 5G và đặc biệt là các ứng dụng trong hệ thống thông tin ở bước sóng milimét (mmW) đang nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu bởi các ưu điểm phù hợp cho truyền thông băng rộng, tốc độ cao, độ trễ cực thấp. Tuy nhiên, suy hao đường truyền ở dải sóng mmW là rất lớn so với hệ thống thông tin hoạt động ở dải tần siêu cao tần (bước sóng cm) do truyền dẫn ở tần số cao hơn và sự hấp thụ khí quyển ở bước sóng mmW cũng cao hơn. Để hạn chế suy hao đường truyền ở bước sóng mmW, kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) đã được nghiên cứu, đề xuất như là công nghệ nền tảng cho mạng thông tin di động 5G. Khi đó, các phần tử ăng-ten phải có kích thước nhỏ, nhẹ, tổn hao thấp, băng thông rộng, ảnh hưởng tương hỗ ghép nối thấp trong môi trường mảng bức xạ với hiệu suất bức xạ cao và dễ dàng chế tạo. Vì vậy, nhiều nghiên cứu về giảm nhỏ kích thước ăng-ten, sử dụng nhiều loại ăng-ten phù hợp với yêu cầu của hệ thống thông tin 5G hoạt động ở bước sóng mmW đã được đề xuất. Một trong những công nghệ đã làm thay đổi và tạo nên xu hướng thiết kế ăng- ten cấu hình thấp, nhẹ, có khả năng tích hợp vào các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến là công nghệ mạch dải in trên đế điện môi. Tuy nhiên, trong thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch dải, chẳng hạn ăng-ten vi dải thì kích thước của ăng-ten thường phải lớn hơn hoặc xấp xỉ một phần tư bước sóng (λ/4) ở dải tần hoạt động. Điều này làm cho kích thước của ăng-ten khá lớn so với xu hướng ngày càng nhỏ gọn của thiết bị. Vì vậy, các nghiên cứu gần đây tập trung kỹ thuật giảm nhỏ kích thước ăng-ten vi dải sử dụng siêu vật liệu điện từ. Siêu vật liệu điện từ (MTM) là vật liệu nhân tạo mới có chiết suất âm (n<0) với đặc tính ưu việt có khả năng tạo ra mode cộng hưởng có dải tần hoạt động thấp hơn mode cộng hưởng cơ bản của ăng-ten vi dải thông thường. Khi đó phần tử có thể hoạt động ở một dải tần số thấp hơn mà vẫn giữ nguyên kích thước. Dạng đặc trưng của vật liệu này là đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH), tạo nên bởi sự kết hợp giữa đường truyền vật liệu thông thường (RH TL) và đường truyền siêu vật liệu (LH TL). Bên cạnh thu nhỏ kích thước ăng-ten, cấu trúc siêu vật liệu điện từ có thể sử dụng để cải thiện độ lợi, hiệu suất bức xạ của ăng-ten. Ngoài ra, thiết kế các phần tử ăng-ten đơn, ăng-ten mảng có độ lợi lớn, băng thông rộng cũng là xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm để phát triển các hệ thống thông tin vô tuyến ở bước sóng mmW. Trong đó, phần tử bức xạ đơn và mạng tiếp điện là hai bước thiết kế quan trọng của ăng-ten mảng để đạt băng thông rộng, độ lợi lớn và hiệu suất bức xạ cao. Nhìn chung, các nghiên cứu ăng-ten mảng ứng dụng cho hệ thống thông tin mmW rất đa dạng, trong đó tập trung vào xu hướng thu nhỏ kích thước sử dụng siêu vật liệu điện từ cho phần tử bức xạ đơn của mảng và thiết kế ăng-ten mảng có độ lợi lớn, hiệu suất cao sử dụng nhiều loại ăng-ten khác nhau kết hợp với cấu trúc siêu vật liệu điện từ để cải thiện đặc tính bức xạ. 1
2. 2. Những vấn đề còn tồn tại Vai trò của siêu vật liệu điện từ trong thu nhỏ kích thước và nâng cao đặc tính bức xạ của ăng-ten, đặc biệt cho các hệ thống thông tin ở bước sóng mmW là rất quan trọng, mang tính thời sự cao bởi khả năng áp dụng và tích hợp vào ăng-ten. Một số nghiên cứu ăng-ten mảng cho hệ thống thông tin mmW có độ lợi lớn, hiệu suất bức xạ cao. Cụ thể, nghiên cứu đề xuất ăng-ten mảng khe ống dẫn sóng, tiếp điện bằng cấu trúc nhiều lớp ngay phía dưới phần tử bức xạ. Ăng-ten đạt độ lợi hơn 32 dBi với hiệu suất bức xạ gần 80% ở dải tần số từ 60 - 64 GHz. Mảng ăng-ten 1x8 phần tử vi dải ở sử dụng hai lớp điện môi đặt ngay phía trên phần tử bức xạ nhằm cải thiện độ lợi và hiệu suất bức xạ của mảng. Kết quả mô phỏng cho thấy ăng-ten mảng khi sử dụng hai lớp điện môi đạt tăng ích gần 17 dBi, tăng 9 dBi so với trường hợp không sử dụng hai lớp điện môi. Các ăng-ten mảng này có độ lợi lớn tuy nhiên lại có cấu trúc phức tạp hoặc khó chế tạo. Nghiên cứu thiết kế ăng-ten mảng tiếp điện bằng ống dẫn sóng tích hợp trong lớp điện môi (SIW) có băng thông rộng nhưng độ lợi thấp, chỉ đạt 8 dBi với mảng 8 phần tử. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Mục tiêu nghiên cứu - Phân tích, thiết kế ăng-ten mảng vi dải phẳng sử dụng siêu vật liệu điện từ để thu nhỏ kích thước và nâng cao đặc tính bức xạ cho hệ thống thông tin mmW. - Phân tích, thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ sử dụng công nghệ mạch dải có băng thông rộng, độ lợi lớn cho hệ thống thông tin mmW. 3.2. Đối tượng nghiên cứu - Cấu trúc mạch dải dễ chế tạo, và có khả năng ứng dụng cao trong hệ thống ăng-ten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn. - Ăng-ten mảng phẳng sử dụng công nghệ mạch dải có băng thông rộng, độ lợi lớn. - Mạng tiếp điện phẳng sử dụng công nghệ mạch dải dựa trên bộ chia công suất đều. 3.3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ăng-ten vi dải, ăng-ten lưỡng cực điện từ phẳng. - Nghiên cứu ăng-ten mảng phẳng - Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin ở bước sóng mmW. 4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án Việc nghiên cứu các ăng-ten mảng có kích thước nhỏ, băng thông rộng, độ lợi lớn 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 đã góp phần phát triển các lý thuyết thiết kế ăng-ten mảng có độ lợi lớn cho hệ thống thông tin ở bước sóng milimét. • Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp thiết kế giảm nhỏ kích thước, thiết kế cấu trúc băng rộng, độ lợi lớn trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong các hệ thống thông tin mmW. Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 2
3. (1) Phát triển và thiết kế ăng-ten mảng dạng siêu vật liệu điện từ kích thước nhỏ dựa trên kết hợp của vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có chiết suất âm (ENG). Ăng-ten mảng 4 phần tử hoạt động ở tần số 28 GHz với độ lợi xấp xỉ 13 dBi. (2) Phát triển và thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ dạng vi dải, tiếp điện bằng khe ghép qua đường vi dải. Ăng-ten mảng 4 phần tử và 8 phần tử có băng thông rộng, độ lợi lớn lần lượt là 12,5 dBi và 15,6 dBi hoạt động ở tần số 38 GHz của hệ thống thông tin mmW. 5. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án bao gồm bốn chương. Đầu tiên, Chương 1 tập trung giới thiệu các đặc tính cơ bản của ăng-ten vi dải, ăng-ten lưỡng cực điện từ, siêu vật liệu điện từ. Chương này cũng đề cập đến đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL thông thường. Quy trình thiết kế và phương pháp mô phỏng tối ưu ăng-ten được trình bày trong Chương 2. Trong đó, quy trình thiết kế ăng-ten được giới thiệu từ lược đồ thiết kế dạng tổng quát đến từng nội dung cụ thể trong quy trình. Các lý thuyết tính toán thiết kế ăng-ten cũng được đề cập trong chương này. Phần cuối chương 2 giới thiệu về phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM) dùng trong thiết kế mô phỏng các mô hình ăng-ten đề xuất. Chương 3 đề xuất thiết kế mảng ăng-ten phẳng sử dụng siêu vật liệu điện từ cho hệ thống thông tin mmW ở tần số 28 GHz. Phần tử ăng-ten đề xuất là sự kết hợp của vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có chiết suất âm (ENG). Với sự kết hợp dạng cấu trúc siêu vật liệu, ăng-ten đơn được thu nhỏ kích thước so với ăng-ten vi dải thông thường. Ăng-ten mảng 4 phần tử được thiết kế sử dụng mạng tiếp điện phẳng dạng bộ chia công suất chữ T. Kết quả mô phỏng cho thấy ăng-ten mảng hoạt động tại tần số 28 GHz với băng thông rộng và độ lợi đạt 12,9 dBi. Cuối cùng, Chương 4 đề xuất thiết kế ăng-ten mảng hoạt động ở tần số 38 GHz. Phần tử ăng-ten đơn là ăng-ten lưỡng cực điện từ dạng vi dải phẳng sử dụng tiếp điện bằng khe ghép để tạo băng thông rộng. Ăng-ten mảng 4 phần tử và 8 phần tử với mạng tiếp điện sử dụng bộ chia công suất chữ T băng rộng được thiết kế thành công với băng thông -10 dB là gần như nhau (xấp xỉ 10 GHz) và độ lợi đạt được lần lượt là 12,5 dBi và 15,6 dBi. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN MẢNG VÀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 1.1. Giới thiệu chương Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về các khái niệm, tham số cơ bản của ăng-ten và siêu vật liệu điện từ. Trong đó tập trung giới thiệu cấu trúc và các đặc tính nổi bật của siêu vật liệu điện từ kết hợp (CRLH) và ăng-ten lưỡng cực điện từ. 1.2. Lý thuyết chung về ăng-ten 1.2.1. Giới thiệu: Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian được gọi là ăng-ten. Nói cách khác, ăng-ten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng. 1.2.2. Các tham số cơ bản của ăng-ten - Bức xạ sóng điện từ của ăng-ten - Cường độ bức xạ - Băng thông 3
4. - Giản đồ bức xạ - Hệ số định hướng - Phân cực - Mật độ công suất bức xạ - Độ lợi - Trở kháng vào - Hệ số phản xạ 1.3. Siêu vật liệu điện từ 1.3.1. Giới thiệu: Siêu vật liệu điện từ (Metamaterial) là một loại vật liệu mới đã và đang được phát triển và nghiên cứu nhiều trên thế giới. Đây là loại vật liệu nhân tạo, có những đặc tính điện từ đặc trưng thường không được tìm thấy trong tự nhiên. 1.3.2. Lý thuyết về vật liệu LHMs: Khái niệm về LHMs lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà vật lí người Nga Veselago vào năm 1967. Trong bài báo của mình, Veselago suy đoán về sự tồn tại có thể có của LHMs và dự đoán tính chất điện từ đặc biệt như sự đảo chiều của định luật Snell, hiệu ứng Doppler và hiệu ứng Vavilov Cerenkov (bức xạ được tạo ra bởi một hạt chuyển động nhanh trong môi trường) 1.3.3. Vật liệu có hằng số điện môi âm ENG: Trong vật liệu tự nhiên, độ điện thẩm âm chỉ xảy ra dưới tần số plasma (tần số quang học) và xuất hiện trong một số kim loại quý như vàng, bạc, Tuy nhiên nó sẽ bị triệt tiêu ở vùng tần số GHz 1.3.4. Ứng dụng siêu vật liệu điện từ trong thiết kế ăng-ten - Vật liệu làm ăng-ten - Vật liệu hấp thụ 1.4. Ăng-ten lưỡng cực điện từ 1.4.1. Giới thiệu: Ăng-ten lưỡng cực điện từ là một loại ăng-ten bổ sung. Ăng-ten cơ bản có cấu trúc hình học bao gồm một lưỡng cực phẳng điện và một ăng-ten vi dải ¼ bước sóng. Thông thường, nguồn tiếp điện sử dụng để kích thích ăng-ten hoạt động là sự kết hợp của một lưỡng cực điện và một lưỡng cực từ. Khi đó, ăng-ten cộng hưởng ở dải tần trở kháng rộng, độ tăng ích và đồ thị bức xạ ổn định với phân cực chéo và mức bức xạ ngược thấp ở tần số hoạt động. Ăng-ten lưỡng cực điện từ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như hệ thống băng siêu rộng UWB, hệ thống thông tin mmW. 1.4.2. Cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ - Lưỡng cực từ - Đầu dò tiếp điện hình Г - Lưỡng cực điện - Mặt phẳng đất 1.5. Tổng kết chương: Chương này đã trình bày khái niệm, cấu trúc, thông số cơ bản của ăng-ten và siêu vật liệu điện từ. 4
5. CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĂNG-TEN 2.1. Giới thiệu chương 2.2. Quy trình phân tích và thiết kế ăng-ten mảng 2.2.1. Quy trình phân tích 2.2.2. Quy trình tổng quát thiết kế ăng-ten Đầu tiên, quy trình Bắt đầu tính toán thiết kế ăng-ten đề xuất được thực hiện theo lưu đồ trong hình 2.4. Xác định chỉ tiêu thiết kế Quy trình được bắt đầu với các tham số: tần số cộng hưởng f, hằng số Tính toán kích thước ban đầu của anten điện môi e và chiều dày của tấm điện môi h. Tính toán phối hợp trở kháng - Bước 1: Xác định chỉ ban đầu tiêu thiết kế ăng-ten (tần số cộng hưởng, băng Tối ưu kích thước anten và Mô phỏng sử dụng phần mềm thông, độ lợi, ) phối hợp trở kháng HFSS - Bước 2: Tính toán kích thước ban đầu của ăng- Không đáp ứng yêu cầu ten, tính toán phối hợp trở Chỉ tiêu thiết kế kháng ban đầu - Bước 3: Mô phỏng để Đáp ứng yêu cầu kiểm chứng tính toán lý Kết thúc thuyết Hình 2.4 Lưu đồ thiết kế ăng-ten đơn đề xuất - Bước 4: Tối ưu kết quả mô phỏng bằng cách thay đổi các giá trị kích thước ăng- ten và kích thước của đường tiếp điện để đạt phối hợp trở kháng tốt nhất. Đối với thiết kế ăng-ten mảng, tính toán mạng tiếp điện là bước thiết kế quan trọng nhằm tạo ra bức xạ định hướng với độ lợi lớn. 2.3. Lựa chọn vật liệu điện môi và phương pháp tiếp điện cho ăng-ten 2.3.1. Vật liệu sử dụng cho ăng-ten ở dải sóng milimét - Vật liệu điện môi - Cấu trúc tích hợp để giảm kích thước, cải thiện đặc tính bức xạ ăng-ten + Cấu trúc dải chắn điện từ EBG + Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS + Cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp 2.3.2. Phương pháp tiếp điện - Tiếp điện bằng đường vi dải Với kích thước cho trước của đường vi dải, trở kháng đặc tính �! của đường truyền vi dải được xác định như sau: 5
6. 60 8ℎ � với �⁄ℎ ≤ 1 ⎧ �� + ⎪ �" � 4ℎ �! = (2.1) ⎨ 120� ⎪ ⎩�"[�⁄ℎ + 1,393 + 0,667��(�⁄ℎ + 1,444)] với �⁄ℎ ≥ 1 Với trở kháng đặc tính �! và hằng số điện môi cho trước, tỷ số �⁄ℎ có thể được xác định dựa vào biểu thức sau: � ℎ 8� � ⎧ với 2 ⎩� 2� � ℎ Trong đó: � � + 1 � − 1 0.11 � = + 0.23 + (2.3) 60 2 � + 1 � 377� � = (2.4) 2�√� � + 1 � − 1 1 � = + (2.5) 2 2 1 + 12 Như vậy, với trở kháng � cho trước ta dễ dàng xác định được kích thước của đường vi dải để tiếp điện cho ăng-ten. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong thực hiện phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và đường tiếp điện vi dải. - Tiếp điện bằng cáp đồng trục - Tiếp điện bằng ghép khe mở (Aperture Coupling) 2.3.3. Bộ chia công suất chữ T sử dụng cho mạng tiếp điện của ăng-ten mảng Bộ chia công suất chữ T (T-junction) là một mạng 3 cổng có thể sử dụng để chia hoặc ghép công suất và có thể được thực hiện với bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào. Hình 2.10 mô tả một số dạng bộ chia chữ T sử dụng ống dẫn sóng và đường truyền vi dải hay đường truyền dải. Đây là các bộ chia không tổn hao và không xét đến tổn hao đường truyền dẫn 6
7. (a) (b) (c) Hình 2.10. Các loại bộ chia công suất chữ T: (a) Ống dẫn sóng chữ T theo mặt phẳng E, (b) Ống dẫn sóng chữ T theo mặt phẳng H, (c) Bộ chia chữ T vi dải. Hình 2.11. Mô hình đường truyền bộ chia công suất chữ T không tổn hao 2.4. Phương pháp tính toán, mô phỏng ăng-ten Phương pháp phần tử hữu hạn Phân tích trường điện từ (FEM) là một trong những phương Kỹ thuật phân tích Kỹ thuật số pháp phân tích trường điện từ (Hình Dạng đóng Lặp lại 2.10), bắt nguồn từ các lĩnh vực phân Phương trình Phương trình tích cấu trúc dựa trên kỹ thuật số tích phân vi phân (numerical technique). Phần tử biên Sai phân hữu hạn Phần tử hữu hạn BEM FDM FEM Hình 2.12. Các phương pháp phân tích trường điện từ 2.5. Tổng kết chương Quy trình phân tích và thiết kế ăng-ten đã được trình bày khái quát ở chương này. Ngoài ra, một số điểm cũng cần lưu ý trong thiết kế ăng-ten như lựa chọn vật liệu điện môi phù hợp với dải tần hoạt động, đặc biệt là trong dải sóng milimét, và các kỹ thuật thu nhỏ kích thước, nâng cao độ lợi dựa trên áp dụng một số cấu trúc cộng hưởng đặc biệt như EBG, DGS, 7
8. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG PHẲNG ĐỘ LỢI LỚN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 3.1. Giới thiệu chương Chương này nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ăng-ten cộng hưởng mode bậc 0, lý thuyết đường truyền siêu vật liệu có hằng số điện môi âm (ENG) để thiết kế ăng- ten mảng vi dải có kích thước nhỏ gọn, độ lợi lớn ứng dụng cho hệ thống thông tin bước sóng milimét hoạt động ở tần số 28 GHz. 3.2. Thiết kế ăng-ten vi dải đơn sử dụng cấu trúc siêu vật liệu Mô hình siêu vật liệu dạng CRLH được sử dụng để thiết kế tối ưu phần tử ăng- ten đơn và ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử sử dụng vật liệu kết hợp DPS và ENG hoạt động tại tần số 28 GHz. 3.2.1. Yêu cầu thiết kế Thiết kế ăng-ten vi dải làm việc tại tần số f0 = 28 GHz tiếp điện bằng đường truyền vi dải, miếng vi dải hình chữ nhật bằng đồng; lớp điện môi được sử dụng là làm bằng chất nền Teflon có độ dày h = 1,57 mm, hằng số điện môi εr = 2,1. Ăng- ten có 3 cột kim loại, bán kính của mỗi cột là 0,15 mm. Bảng 3.1. Thông số thiết kế ăng-ten Tần số hoạt động (f) 28 GHz Hằng số điện môi (εr ) 2,1 Độ dày đế điện môi (h) 1,57 mm Bán kính cột nối kim loại 0,15 mm 3.2.2. Mô hình đề xuất Mô hình ăng-ten đơn được cấu tạo Z từ một cặp vật liệu có chiết suất dương X Y DPS (vật liệu thông thường) ghép trực tiếp vật liệu có độ điện thẩm âm ENG. h Ăng-ten đơn được thiết kế cộng hưởng ở mode 0, trong đó vật liệu ENG được (a) thiết kế như cấu trúc siêu vật liệu dạng Đường microstrip tiếp điện Khoảng Z feedingvi dải line gaphở antennaAnten hình nấm. Ăng-ten được in trên đế điện X Y môi Teflon với 3 cột nối kim loại có bán kính 1,5 mm. Mô hình ăng-ten đơn ground plane via được trình bày ở hình 3.1. Mặt phẳng đất Cột nối kim loại (b) Hình 3.1. Mô hình ăng-ten vi dải: (a) nhìn từ trên xuống, (b) nhìn từ mặt bên 3.2.3. Cơ sở lý thuyết Mô hình mạch với chiều dài vi phân của đường truyền siêu vật liệu ENG và DNG không suy hao (R=0, G=0) được biễu diễn ở Hình 3.4. Mô hình đường truyền siêu vật liệu ENG có thể được biểu diễn tương đương bởi sự kết hợp điện cảm nối $ $ tiếp �# và điện dung song song �# trên một đơn vị chiều dài như mô tả ở Hình 3.4. Mô hình đường truyền siêu vật liệu DNG được biểu diễn bằng cách bổ sung một 8
9. $ điện dung nối tiếp �% trên một đơn vị chiều dài vào đường truyền siêu vật liệu ENG. Theo lý thuyết đường truyền không tổn hao, hằng số truyền sóng của đường truyền được xác định bởi � = �� = √�$�$, với �$ và �$ tương ứng là trở kháng và dẫn nạp trên một đơn vị chiều dài. Hằng số điện môi và độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu được xác định dựa vào biểu thức � = �√��. (a) (b) Hình 3.4. Mô hình mạch kích thước vi phân: (a) Đường truyền siêu vật liệu ENG, (b) Đường truyền siêu vật liệu DNG (����, ����, và � là trở kháng và dẫn nạp trên một đơn vị chiều dài). $ $ �&'( $ �)'( $ 1 �&'( = = �#, �)'( = = �# − * $ �� �� � �% (3.1) $ � $ 1 �&'( = �)'( = = �# − * $ �� � �% $ $ $ $ Khi dải tần số thoả mãn điều kiện � 1⁄�#�% và � < 1⁄�%�#, đường truyền siêu vật liệu ENG có dải chắn âm đơn bởi vì độ từ thẩm có giá trị dương còn hằng số điện môi có giá trị âm. Các đường truyền siêu vật liệu ENG và DNG có đặc tính duy nhất của sóng có bước sóng vô hạn xuất hiện ở ranh giới của dải thông và dải dừng của tần số khác không. Hằng số truyền sóng của các đường truyền siêu vật liệu có thể thu được bằng cách áp dụng lý thuyết Bloch và Floquet cho ô đơn vị như sau: * * +, 1 � − �& �&'(� = cos 1 − * 2 �# (3.2) * * * * +, 1 �% � �& �- �&'(� = cos 1 − * + * − * + * 2 � �# �# �# 9
10. Với �# = 1⁄�#�#, �% = 1⁄�%�%, �- = 1⁄�#�%, �& = 1⁄�%�#, � là hằng số pha của sóng Bloch, và � là chiều dài của ô đơn vị. �#, �#, �%, và �% là điện dung nối tiếp, điện cảm song song, điện dung nối tiếp, và điện cảm song song tương ứng của phần tử tập trung giá trị thực (đơn vị F và H). Đường truyền vi dải Đường truyền siêu vật liệu DNG Đường truyền siêu vật liệu ENG Tần số góc Tần số βd (deg) Hình 3.5 Đường cong tán xạ Trường hợp �- > �&, quan hệ tán xạ tính bởi biểu thức (3.2) được mô tả ở hình 3.5. Từ hình 3.5 cho thấy đường truyền siêu vật liệu ENG và DNG có mode cộng hưởng bậc 0. Hơn nữa, tần số cộng hưởng mode bậc 0 thì độc lập với chiều dài vật lý. Sự cộng hưởng của đường truyền siêu vật liệu nhân tạo đối với cộng hưởng mode n có thể đạt được bằng điều kiện sau: ��� �� ���: � = 0, 1, 2, , (� − 1) (3.3) � � = = . � � ���: � = 0, ±1, ±2, , ±(� − 1) Với � (= �⁄�) và � tương ứng là số các ô đơn vị và tổng chiều dài của bộ cộng hưởng. Đối với cộng hưởng bậc 0 với điều kiện biên là kết cuối hở mạch, trở kháng đầu vào như sau: 1 �$ 1 1 1 1 �/. = −��!�����|01! = −��! = −� = = �� �$ −�√�$�$ � �$ �� (3.4) 1 = �� $ $ $ $ Với � = (���# + 1⁄���%)/�, � = (���# + 1⁄���%)/�, �# = �#�, �# = �#�, $ $ $ �% = �%⁄�, �% = �%⁄�, và � = � �. Vì �/. có thể biểu thị bởi trở kháng của mạch LC song song, tần số cộng hưởng bậc 0 được xác định như sau: �23# = �& = 1⁄�%�# (3.5) Do đó, cộng hưởng bậc 0 xảy ra khi đường truyền siêu vật liệu có hằng số điện môi bằng 0 tại tần số khác 0. Từ mô hình đường truyền siêu vật liệu ENG, ta bổ sung thêm đoạn DPS chiều dài a ghép hở với đường vi dải tiếp điện để tạo thành mô hình đường truyền DNG với đặc tính ưu việt giúp giảm kích thước và tăng đặc tính bức xạ của ăng-ten. 10
11. 3.2.4. Mô phỏng tối ưu Kết quả mô phỏng ở hình 3.6 cho thấy tần số cộng hưởng trung tâm của ăng- ten đơn giảm khi chiều dài đoạn DPS tăng lên. Tiếp theo, chiều rộng wp của đoạn DPS được thay đổi để khảo sát tần số cộng hưởng trung tâm khi chiều dài của nó được cố định tại 4,1 mm. 0 -10 -20 S11 (dB) -30 a = 4.1 mm a = 4.3 mm -40 a = 4.5 mm a = 4.7 mm a = 4.9 mm -50 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Tần số (GHz) Hình 3.7. Mô phỏng hệ số S11 của Hình 3.6. Mô phỏng hệ số S11 của ăng-ten đơn với các giá trị chiều ăng-ten đơn với các giá trị chiều dài a rộng wp khác nhau của đoạn DPS khác nhau của đoạn DPS Hình 3.9. Mô phỏng hệ số S11 của Hình 3.8. Mô phỏng hệ số S11 của ăng-ten đơn với các giá trị khe hở g ăng-ten đơn với các giá trị bán kính khác nhau của đoạn DPS cột nối kim loại r khác nhau Quan sát kết quả mô phỏng ở hình 3.7, tần số cộng hưởng tăng khi chiều rộng của đoạn DPS giảm. Như vậy, tần số cộng hưởng của ăng-ten đơn tỷ lệ nghịch với chiều dài và chiều rộng của đoạn DPS. Hình 3.8 trình bày kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11 của ăng-ten đơn với các bán kính cột nối kim loại khác nhau từ 0,10 mm đến 0,18 mm với mỗi bước thay đổi là 0,02 mm. Cuối cùng, ăng-ten được khảo sát để thực hiện phối hợp trở kháng. Trở kháng vào ăng-ten phụ thuộc vào khoảng hở g ghép giữa đường tiếp điện và ăng-ten. Hình 3.9 trình bày kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị g khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy độ sâu cộng hưởng của ăng-ten tăng lên khi khoảng hở g giảm. 11
12. 0 -10 -20 S11 (dB) -30 -40 -50 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Tần số (GHz) (a) (b) Hình 3.10. Kết quả mô phỏng Hình 3.11. Kết quả mô phỏng ăng-ten đơn: phân bố dòng điện trên ăng- (a) Hệ số phản xạ S11; (b) Đồ thị bức xạ. ten đơn tại tần số 28 GHz Hình 3.10 trình bày kết quả mô phỏng phân bố dòng điện của ăng-ten đơn tại tần số 28 GHz. Quan sát kết quả ta thấy mật độ dòng điện tập trung trên tấm vi dải hình chữ nhật và ở các cột nối kim loại. Sự phân bố dòng điện trên phù hợp với lý thuyết đường truyền siêu vật liệu DNG. Bảng 3.2. Kích thước tối ưu của ăng-ten vi dải hoạt động ở tần số 28 GHz (đơn vị mm). Tham số Giá trị Tham số Giá trị ws 10 wp 1,8 ls 20 lp 7,5 wf 1,13 g 0,16 lf 5,1 a 4,28 r 0,15 Từ kết quả mô phỏng cho thấy ăng-ten đơn đạt tần số cộng hưởng theo thiết kế tại tần số trung tâm 28 GHz với độ sâu cộng hưởng đạt -46,5 dB, tương ứng với chiều dài và chiều rộng của đoạn DPS lần lượt là 4.28 mm và 1.8 mm. Ăng-ten đơn sau tối ưu đạt băng thông -10 dB nằm từ 25,9 đến 30 GHz. Từ kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ ở hình 3.11(b), ăng-ten đơn bức xạ vô hướng trong mặt phẳng xy (mặt phẳng H) với độ lợi đỉnh đạt 7,7 dBi. Kích thước tối ưu của ăng-ten đơn hoạt động tại 28 GHz được trình bày ở bảng 3.2. 3.3. Thiết kế ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử 3.3.1. Thiết kế mạng tiếp điện Để thiết kế ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử và 4 phần tử, mạng tiếp điện cho ăng-ten mảng cần được tính toán, thiết kế. Trong nghiên cứu này, bộ chia công suất chữ T (T-junction) được lựa chọn. Cụ thể, bộ chia công suất T-junction được thiết kế trên lớp điện môi Teflon có độ dày ℎ = 1,57 mm với hệ số điện môi tương đối ε4 = 2,1. Trở kháng tại các cửa vào và cửa ra của bộ chia công suất là 100 Ω, trở kháng đoạn vi dải trung gian được xác định bằng 100/√2 = 70 Ω. Yêu cầu của bộ chia này là công suất ở cửa vào sẽ chia đều cho 2 cửa ra tại tần số trung tâm 28 GHz. Ngoài ra, tín hiệu ra tại 2 cửa phải đồng pha và đảm bảo độ cách ly do ảnh hưởng tương hỗ. Từ trở kháng vào, ra và của đoạn trung gian, độ rộng 12
13. của các nhánh vi dải của bộ chia T-junction được xác định theo biểu thức từ (2.1) – (2.5) ở chương 2. Theo công thức (2.2), tỷ số �/ ℎ có thể tính được dựa vào các giá trị �!, �5. Tất cả đoạn gấp khúc của bộ chia đều được vát góc 450 để hạn chế sự phản xạ. Từ công thức (2.2) – (2.5) ta có thể dễ dàng tính được chiều rộng �của các nhánh vi dải của bộ chia với độ dày đế điện môi ℎ cho trước. Mô hình mạng tiếp điện được 77 455 mô tả ở Hình 3.12.11 85 100Ω 100Ω 1.20 1.20 77.5.45 5.1 1.81.5 99 5353 5.145.1 2 523550 99.53.53 4.65 70Ω 2.502.35 4.634.65 11 2013 4.76 100Ω 1.13 44.72.76 Hình 3.12. Tính toán lý thuyết kích Hình 3.13. Ăng-ten mảng một chiều thước mạng tiếp điện T-Junction 1:2 2 phần tử với mạng tiếp điện T- tại tần số 28 GHz (các kích thước ở đơn Junction (các kích thước ở đơn vị vị mm) mm) 3.3.2. Ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử Ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử được tiếp điện bằng mạng tiếp điện sử dụng bộ chia công suất T-junction 1:2. Hai đầu ra của bộ chia T-junction nối trực tiếp hai phần tử ăng-ten. Mô hình ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử tối ưu tại tần số trung tâm 28 GHz được mô tả ở hình 3.13. 0 -10 -20 S11 (dB) -30 -40 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Tần số (GHz) (a) (b) Hình 3.14. Kết quả mô phỏng ăng-ten mảng 2 phần tử: (a) Hệ số phản xạ S11; (b) Đồ thị bức xạ của ăng-ten mảng 2 phần tử. Hình 3.14(a) thể hiện kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của mảng ăng-ten 2 phần tử. Kết quả cho thấy ăng-ten mảng 4 phần tử đạt băng thông -10 dB từ 27,1 đến 31,2 GHz. Ăng-ten mảng được thiết kế tối ưu khi tần số cộng hưởng trung tâm ở 28 GHz. Quan sát đồ thị bức xạ của ăng-ten mảng 2 phần tử ở hình 3.14(b), ăng-ten bức xạ định hướng với độ lợi cao nhất đạt được 10,7 dBi trong mặt phẳng yz, cao hơn khá nhiều so với ăng-ten đơn ở cùng tần số. 13
14. 3.3.3. Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử Hình 3.16(a) thể hiện kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của mảng ăng-ten 4 phần tử. Kết quả cho thấy ăng-ten mảng 4 phần tử đạt băng thông -10 dB từ 26,5 đến 30,9 GHz. Ăng-ten mảng được thiết kế tối ưu tại tần số cộng hưởng trung tâm 28 GHz và có độ định hướng cao với độ lợi đỉnh đạt được là 12,7 dBi trong mặt phẳng yz, như mô tả hình 3.16(b). 100Ω 100Ω 100Ω 100Ω 9.53 9.053 70Ω 70Ω 20.2 70Ω 100Ω (b) (a) Hình 3.15. Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử: (a) Bộ chia công suất T- Junction 1:4; (b) Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử 0 0 20 330 30 yz plane -5 xy plane 10 -10 0 300 60 -15 -10 -20 -20 S11 (dB) -25 270 90 -20 -30 -10 -35 0 240 120 -40 20 22 24 26 28 30 32 34 36 10 Tần số (GHz) 20 210 150 (a) 180 (b) Hình 3.16. Kết quả mô phỏng ăng-ten mảng 4 phần tử: (a) Hệ số phản xạ S11; (b) Đồ thị bức xạ của mảng ăng-ten 4 phần tử 3.4. So sánh mảng ăng-ten đề xuất với các công trình đã công bố Để kiểm chứng đặc tính bức xạ, ăng-ten mảng 4 phần tử thiết kế tối ưu được so sánh với một số ăng-ten mảng 4 phần tử đã công bố. Bảng 3.3. So sánh giữa ăng-ten mảng đề xuất và một số ăng-ten đã công bố Tài liệu Số phần tử Phương Tần số trung Độ lợi tham khảo pháp tiếp tâm/Băng thông (dBi) điện (GHz) [104] Mảng 2x2 SIW 28/0,8 9,2 [105] Mảng 2x2 Đường vi dải 28/- 12,3 Mảng 1x4 Đường vi dải 28/- 12,5 Mảng đề xuất Mảng 1x4 Đường vi dải 30/4,7 12,7 Trong bảng 3.2 trình bày so sánh giữa mảng ăng-ten một chiều 4 phần tử đã đề xuất và một số ăng-ten mảng 4 phần tử khác về băng thông hoạt động và độ lợi đỉnh. 14
15. Từ bảng so sánh ta thấy ăng-ten mảng đề xuất trong chương này đạt băng thông và độ lợi tốt hơn so với một số công trình đã công bố. 3.5. Kiểm chứng thực nghiệm Vì điều kiện chế tạo ăng-ten ở dải tần milimét tại Việt Nam hiện chưa thực hiện được do kích thước ăng-ten tại dải tần số này thường rất nhỏ. Do vậy, để kiểm chứng khả năng hoạt động của ăng-ten mảng, hai mảng ăng-ten 2 phần tử và 4 phần tử đã được thiết kế điều chỉnh từ tần số cộng hưởng 28 GHz xuống 10 GHz và chế tạo thực nghiệm. Mô hình chế tạo ăng-ten mảng 2 phần tử và 4 phần tử sử dụng phần tử bức xạ dạng siêu vật liệu được trình bày ở hình 3.17. (a) (b) Hình 3.17. Mẫu chế tạo ăng-ten mảng: (a) 2 phần tử, (b) 4 phần tử Kết quả đo thực nghiệm hệ số phản xạ S11 của 2 mẫu ăng-ten mảng 2 phần tử và 4 phần tử thiết kế tại tần số 10 GHz được biểu diễn ở hình 3.18. Từ kết quả đo ta thấy cả hai mảng ăng-ten đều đạt công hưởng tại tần số 10 GHz, trong đó băng thông cộng hưởng -10 dB của ăng-ten mảng 2 phần tử từ 9,75 đến 10,25 GHz, trong khi giá trị này của ăng-ten mảng 4 phần tử là từ 9,78 GHz – 10,30 GHz. Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm là khá tương đồng, điều này chứng minh khả năng hoạt động của ăng-ten mảng thiết kế ở tần số cao hơn trong dải sóng milimét. (a) (b) Hình 3.18. Kết quả đo thực nghiệm hệ số phản xạ S11 của ăng-ten mảng: (a) 2 phần tử, (b) 4 phần tử. 15
16. 3.6. Tổng kết chương Việc kết hợp 2 cấu trúc vật liệu DPS và ENG trên ăng-ten đã góp phần thu gọn kích thước ăng-ten một cách đáng kể. Ứng dụng ăng-ten mảng vào trong thiết kế đã giúp cải thiện độ lợi cho hệ thống. Chương này đã thiết kế, mô phỏng mảng ăng-ten một chiều 4 phần tử với băng thông rộng từ 26,5 đến 30,9 GHz và độ lợi đỉnh 12,7 dBi tại tần số trung tâm 28 GHz. Với kết quả thu được mảng ăng-ten có thể sử dụng cho các ứng dụng ở dải sóng milimét, đặc biệt là trong hệ thống 5G. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG LƯỠNG CỰC ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MILIMÉT 4.1. Giới thiệu chương Chương này đề xuất một ăng-ten lưỡng cực ME cấu hình thấp để sử dụng mạng không dây di động 5G ở tần số 38 GHz. Ăng-ten được tiếp điện bởi đường vi dải thông qua khe mở, đảm bảo kích thích lưỡng cực điện từ và có cấu hình thấp. Dựa trên ăng-ten ME tối ưu, chương này đề xuất hai mảng ăng-ten 1 chiều gồm 4 phần tử và 8 phần tử ME. Hai mảng ăng-ten đề xuất có băng thông rộng và độ lợi lớn, với mức chênh lệch giữa búp sóng chính và phụ khoảng –13 dB. 4.2. Thiết kế ăng-ten lưỡng cực điện từ 4.2.1. Yêu cầu thiết kế Bảng 4.1. Thông số thiết kế ăng-ten Tần số hoạt động 38 GHz Hằng số điện môi 2,2 (suy hao 0,0009) Độ dày 2 đế điện môi 0,7874 mm và 0,254 mm Bán kính cột kim loại 0,1 mm Thiết kế ăng-ten lưỡng cực điện từ cộng hưởng ở dải rộng, tần số trung tâm là 38 GHz. Ăng-ten được tiếp điện bằng đường vi dải qua khe mở nhằm giúp ăng-ten mở rộng được dải tần cộng hưởng với băng thông tại -10 dB khoảng 10 GHz. Ăng- ten gồm 2 lớp điện môi cùng loại là RT/Duroid 5880 có hệ số điện môi là 2,2 với chiều dày lần lượt là 0,7874 mm và 0,254 mm. 4.2.2. Mô hình đề xuất Mô hình ăng-ten lưỡng cực điện từ đề xuất như hình 4.1. Ăng-ten ME được thiết kế trên 2 lớp điện môi khác nhau với cùng lớp nền RT/Duroid 5880, hệ số suy hao 0,0009. Ăng-ten gồm 4 tấm kim loại in trên lớp điện môi #1 chiều dày 0,7874 mm, 8 cột kim loại mỗi cột có đường kính 0,1mm được thực hiện bằng công nghệ xuyên lỗ nối giữa các tấm kim loại và mặt phẳng đất. Trên mặt phẳng đất có khoét một khe mở hình chữ nhật (aperture slot). Đường vi dải 50W cấp nguồn cho ăng-ten qua khe mở được in ở mặt dưới lớp điện môi #2 chiều dày 0,254 mm (cũng là RT/Duroid 5880). Để tạo ra ăng-ten lưỡng cực điện từ ME, lưỡng cực điện và lưỡng cực từ phải được kích thích đồng thời [108]. Các tấm kim loại hoạt động như một ăng-ten lưỡng cực điện nửa bước sóng (Ld ~ λ/2). Thông thường các lưỡng cực từ được tạo ra bởi hai ăng-ten vi dải (patch antenna) thẳng đứng ngắn mạch chiều dài ¼ bước sóng. 16
17. Trong thiết kế ở chương này, do sự có mặt của khe tiếp điện aperture, các lưỡng cực từ chủ yếu được hình thành bởi các cạnh khe giữa các ăng-ten vi dải ngắn mạch. Do đó, ta có thể thực hiện kích thích ăng-ten lưỡng cực ME với chiều cao ăng-ten thấp hơn so với thông thường. Điều này được chứng minh bằng ăng-ten đề xuất, có khoảng cách từ các tấm kim loại đến mặt phẳng mặt đất là 0,7874 mm (~ 0,15λeff ở 38 GHz). Lớp điện môi #1 Tấm kim loại z TấmMetallic kim loạiplate y x Cột kim loại Khe tiếp điện h1 MetallicCột kim postloại Mặt phẳng đất GND Lớp điện môi #2 ApertureKhe tiếp điện Đường vi dải 50Ω Đường50Ω MS vi -dảiline 50Ω h2 Mặt phẳng đất (a) (b) z x y Wd Wa Sp La Wms Ld LGND g1 Lms g2 W GND (c) Hình 4.1. Mô hình ăng-ten lưỡng cực điện từ đề xuất: (a) toàn cảnh, (b) mặt cắt ngang, (c) mặt trên. 4.2.3. Mô phỏng tối ưu Nguyên lý hoạt động của ăng-ten ME đề xuất được mô tả theo phân bố dòng điện trên ăng-ten đề xuất ở tần số 38 GHz cho các góc pha khác nhau thể hiện trong hình 4.2. - Tại j = 00: Dòng điện trên các cạnh khe giữa các tấm kim loại ngắn mạch đạt cường độ cực đại, nghĩa là các lưỡng cực từ được kích thích. - Tại j = 900: Dòng điện trên các cạnh của lưỡng cực điện phẳng đạt cường độ cực đại xung quanh các cạnh, nghĩa là các lưỡng cực điện được kích thích. - Tại j = 1800: Các lưỡng cực từ được kích thích trở lại ngược chiều Hình 4.2. Phân bố dòng điện trên ăng- với dòng điện khi j = 00. ten lưỡng cực điện từ ở tần số 38 GHz ở các góc pha khác nhau. 17
18. - Tại j = 2700: Các lưỡng cực điện được kích thích trở lại ngược chiều với dòng điện khi j = 900. Tần số cộng hưởng của ăng-ten ME đề xuất được tối ưu bằng cách thay đổi một số kích thước của ăng-ten. Trong trường hợp này, các khoảng trống giữa các tấm kim loại (g1 và g2) được cố định tại 0,3 mm trong khi thay đổi chiều dài Ld của lưỡng cực ME. Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị khác nhau của Ld được trình bày ở hình 4.3(a). Như có thể quan sát từ hình này, tần số cộng hưởng của ăng- ten ME giảm trong khi chiều dài Ld tăng lên. Ăng-ten đạt cộng hưởng ở tần số mong muốn là 38 GHz khi chiều dài của ăng-ten (Ld) bằng 3,46 mm. (a) (b) Hình 4.3. Kết quả mô phỏng S11 của ăng-ten ME với các giá trị khác nhau: (a) chiều dài ăng-ten Ld, (b) chiều dài khe mở La Tiếp theo, trở kháng đầu vào của ăng-ten được khảo sát để có được thực hiện phối hợp trở kháng giữa nguồn tiếp điện và ăng-ten. Do thực hiện tiếp điện từ đường vi dải qua khe mở nên trở kháng của ăng-ten lưỡng cực ME chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài của khe mở, trong khi chiều rộng của khe hầu như không ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào của ăng-ten đề xuất. Do đó, ta có thể điều chỉnh chiều dài La của khe mở để thực hiện phối hợp trở kháng. Cụ thể, chiều dài của khe mở La được khảo sát khi chiều rộng của khe (Wa) được đặt giá trị cố định là 0,4 mm. Kết quả mô phỏng ở hình 4.3(b) cho thấy, độ sâu cộng hưởng của ăng-ten thay đổi khi độ dài La thay đổi trong khi tần số cộng hưởng của ăng-ten hầu như không thay đổi. Khi độ sâu cộng hưởng càng lớn tương ứng với tổn hao ngược S11 càng nhỏ thì ăng-ten càng đạt phối hợp trở kháng tốt hơn. Như vậy, trở kháng vào của ăng-ten ME có thể dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với trở kháng của đường tiếp điện ở đầu vào. Ăng-ten đề xuất đạt phối hợp trở kháng rất tốt khi chiều dài khe mở là 2,05 mm. Hình 4.4 biểu diễn kết quả mô phỏng tối ưu tần số cộng hưởng của ăng-ten ME. Quan sát từ hình trên, ăng-ten đề xuất cộng hưởng với băng thông rộng từ 32,2 GHz đến 42,8 GHz với tần số trung tâm là 38 GHz theo đúng chỉ tiêu thiết kế. Kích thước đã tối ưu của ăng-ten ME hoạt động ở tần số trung tâm 38 GHz được trình bày ở bảng 4.2. 18
19. 0 0 10 330 30 mp xz mp xy -10 0 300 60 -20 -10 -30 -20 270 90 S11 (dB) S11 -40 -20 -50 -10 240 120 0 -60 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 210 150 Tần số (GHz) 10 180 Hình 4.4. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 Hình 4.5. Mô phỏng đồ thị bức xạ của ăng-ten ME đề xuất tối ưu tại 38 của ăng-ten ME đề xuất tối ưu tại GHz 38 GHz Bảng 4.2. Kích thước tối ưu của ăng-ten lưỡng cực điện từ hoạt động ở tần số 38 GHz (đơn vị mm). Tham số Giá trị Tham số Giá trị WGND 10 LGND 10 Wd 3,46 Ld 3,46 Wms 0,733 Lms 5,9 Wa 0,4 La 2,05 g1 0,3 g2 0,3 Sp 0,6 Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của ăng-ten ME đề xuất ở 38 GHz được biểu diễn ở hình 4.5. Từ hình này, ăng- ten bức xạ định hướng trong mặt phẳng xz (mặt phẳng vuông góc với ăng-ten) với độ lợi đỉnh là 6,09 dBi, và bức xạ vô hướng trong mặt phẳng xy (mặt phẳng chứa ăng-ten). Kết quả mô phỏng ở hình 4.6 cho thấy tăng ích thực của ăng-ten ME có độ lợi thực lên đến 7,5 dBi trên toàn bộ dải Hình 4.6. Kết quả mô phỏng độ lợi tần. thực của ăng-ten ME đơn 4.3. Thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ 4.3.1. Thiết kế mạng tiếp điện phẳng - Mô hình đề xuất Để thực hiện kích thích băng tần rộng, mạng tiếp điện bao gồm các bộ chia công suất đều chữ T được lựa chọn, như thể hiện trong hình 4.7. Mạng tiếp điện, thiết kế theo công nghệ mạch dải, được in trên tấm điện môi RT/Duroid 5880 với độ dày 0,254 mm nhằm phù hợp cho kết nối trực tiếp giữa đầu ra mạng tiếp điện và đầu vào của ăng-ten ME đơn (đường tiếp điện vi dải). Để tránh ảnh hưởng suy hao khi chiều rộng đường vi dải bộ chia nhỏ do trở kháng đặc tính cao, mỗi bộ chia công suất chữ T sử dụng một bộ chuyển đổi trở kháng từ 50W sang 25W. Bộ chuyển đổi dần dần 19
20. được chèn vào giữa các đoạn vi dải 50W và 25W để tăng khả năng phối hợp trở kháng băng rộng và giảm tổn hao ở góc nối giữa đoạn vi dải 50W và 25W. Kích thước chi tiết của bộ chia công suất 1:4 và 1:8 đề xuất được tính dựa vào các công thức (3.1- 3.4) với hằng số điện môi và độ dày đế điện môi h cho trước. Mô hình của bộ chia công suất 1:4 và 1:8 đề xuất được trình bày ở hình 4.7. 50Ω 50Ω 0.733 6 0,733 6 5.17 5,18 50Ω 0 50Ω 50Ω 50Ω 45 0 1 25Ω 25Ω 45 1,9 1 25Ω 3 1.89 50Ω 50Ω 3 50Ω 50Ω 25Ω 25Ω 0.733 25Ω 50Ω 50Ω 0.733 25Ω 0,733 7 0.733 7 0,733 50Ω (a) (b) Hình 4.7. Mô hình mạng tiếp điện sử dụng bộ chia công suất chữ T: (a) 1:4, và (b) 1:8 - Mô phỏng tối ưu Hình 4.8 biểu diễn kết quả mô phỏng các tham số tán xạ của bộ chia công suất đề xuất ở hình 4.7. Quan sát ở hình 4.8(a) có thể thấy bộ chia 1:4 cộng hưởng băng thông rộng trải rộng từ 17 GHz đến 44 GHz tương ứng với tất cả các hệ số truyền đạt từ ngõ vào đến ngõ ra (S21, S31, S41 và S51) thay đổi từ 6,1 đến 6,8 dB. Các giá trị truyền đạt trên cho thấy công suất tại 4 ngõ ra của bộ chia tương đối đều nhau ở dải tần rất rộng từ 17 - 44 GHz. Do đó, bộ chia công suất được đề xuất phù hợp với thiết kế ăng-ten mảng băng thông rộng như ăng -ten ME đề xuất ở mục 4.2. 0 0 -10 -10 -20 -20 S11 S21 S11 S21 -30 S31 -30 S41 S31 S11 S51 S41 Tham số tán xạ (dB) Tham số tán xạ (dB) S21 S61 S51 -40 -40 S31 S71 S41 S81 S91 S51 -50 -50 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 Tần số (GHz) Tần số (GHz) (a) (b) Hình 4.8. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của bộ chia công suất chữ T băng thông rộng: (a) 1:4, (b) 1:8 4.3.2. Thiết kế ăng-ten mảng - Mô hình ăng-ten mảng tích hợp mạng tiếp điện Nguyên tắc tích hợp mạng tiếp điện vào ăng-ten mảng là không thay đổi cấu hình của các phần tử ăng-ten đơn. Mạng tiếp điện được đặt đồng phẳng với lớp điện môi #2 của ăng-ten đơn, đầu ra của mạng tiếp điện là đầu vào của các ăng-ten đơn. Lần lượt 4 ăng-ten đơn và 8 ăng-ten đơn giống hệt nhau được tích hợp với mạng tiếp điện 1:4 và 1:8 để tạo thành các ăng-ten mảng 4 phần tử và 8 phần tử. Các phần tử ăng-ten được sắp xếp theo mảng 1 chiều như mô tả ở hình 4.9. 20
21. (a) (b) Hình 4.9. Mô hình ăng-ten mảng ME 1 chiều: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử - Mô phỏng tối ưu Hiệu năng bức xạ của ăng-ten mảng 4 phần tử và 8 phần tử tiếp điện đều được trình bày qua các kết quả mô phỏng hệ số phản xạ, đồ thị bức xạ và độ lợi ở hình 4.10 - 4.13. Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11 của ăng-ten mảng ở hình 4.10(a) cho thấy ăng-ten mảng 4 phần tử cộng hưởng ở dải tần -10 dB trải rộng từ 31,4 GHz đến 42,1 GHz với tần số trung tâm là 38 GHz. Trong khi đó, ăng-ten mảng 8 phần tử hoạt động từ 32 GHz đến 42,6 GHz. Hình 4.11 mô tả kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của hai ăng-ten mảng tại tần số 38 GHz. Ăng-ten mảng 4 phần tử và 8 phần tử đạt bức xạ broadside trong mặt phẳng xz (mặt phẳng vuông góc với ăng-ten mảng) với độ lợi lần lượt là 12,5 dBi (hình 4.11(a)) và 15,6 dBi (hình 4.11(b)). Bên cạnh đó, ăng-ten mảng thể hiện mức lệch búp sóng bên (side-lobe level) so với búp sóng chính là 13 dB đối với ăng-ten mảng 4 phần tử và 12,5 dB đối với ăng-ten mảng 8 phần tử tại Phi = 900, như được hiển thị trong hình 4.12. 0 -10 -20 -30 S11 (dB) S11 -40 -50 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Tần số (GHz) (a) (b) Hình 4.10. Hệ số phản xạ S11 của ăng-ten mảng ME: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử 0 0 15 20 330 30 330 30 mp xz mp xz 10 mp xy 10 mp xy 5 300 60 0 300 60 0 -5 -10 -10 -20 270 90 -15 270 90 -20 -10 -10 -5 0 0 240 120 240 120 5 10 210 150 10 20 210 150 180 15 180 (b) (a) Hình 4.11. Đồ thị bức xạ của ăng-ten mảng ME: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử 21
22. 0 0 0 Phi = 90 0 -5 Phi = 90 -5 12,5 dB 13 dB -10 -10 -15 -15 -20 -25 -20 -30 -25 Hệ số tăng ích chuẩn hóa (dB) Hệ số tăng ích chuẩn hóa (dB) -35 -30 -40 -60 -40 -20 0 20 40 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 Theta (0) Theta (0) (a) (b) Hình 4.12. Độ lợi chuẩn hoá của ăng-ten mảng ME: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử (a) (b) Hình 4.13. Độ lợi thực của ăng-ten mảng: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử. Kết quả mô phỏng về độ lợi thực của ăng-ten mảng trên toàn bộ dải tần được mô tả trong hình 4.13. Quan sát từ hình 4.13(a), ăng-ten mảng 4 phần tử thể hiện tăng ích thực tế khá ổn định từ 10,8 đến 12,5 dBi trong dải tần hoạt động. Trong khi đó, ăng-ten mảng 8 phần tử có độ lợi thực tế từ 12.2 dBi đến 15.3 dBi trong dải tần cộng hưởng như biểu diễn ở hình 4.13(b). 4.4. So sánh mảng ăng-ten đề xuất với các công trình đã công bố Ăng-ten mảng 4 phần tử thiết kế tối ưu được so sánh với một số ăng-ten mảng 4 phần tử đã công bố để kiểm chứng đặc tính bức xạ thông qua các tham số băng thông và độ lợi, như trình bày ở bảng 4.3. Bảng 4.3. So sánh đặc tính bức xạ giữa ăng-ten ME đề xuất và một số ăng-ten ME đã công bố Ăng-ten Băng Hệ số Nguồn tham lưỡng cực thông tăng ích Cấu trúc khảo điện từ (GHz) (dBi) [115] Đơn 23,4 – 41,5 8,2 Phức tạp [117] Mảng (2x2) 24 - 30 15,4* Phức tạp Ăng-ten ME Đơn 32,2 – 42,8 7,5 Đơn giản đề xuất Mảng (1x4) 31,4 – 41,2 12,5 Đơn giản *: Hệ số định hướng của ăng-ten. 22
23. Ăng-ten lưỡng cực ME được đề xuất trong [115] có băng thông rộng hơn cũng như độ lợi nhận được lớn nhất so với ăng-ten lưỡng cực ME được đề xuất. Tuy nhiên, mô hình trong [115] có cấu trúc phức tạp vì cấu trúc EBG hình nấm được sử dụng như một mặt đế trở kháng cao để tăng băng thông cũng như độ lợi của ăng-ten. Bên cạnh đó, mảng 2x2 ME được đề xuất trong [117] có hệ số định hướng cao. Nhưng ăng-ten này cũng có cấu trúc phức tạp bằng cách sử dụng mạng cấp nguồn theo lớp dựa trên ống dẫn sóng khe hở (Ridge gap waveguide). 4.5. Tổng kết chương Chương này đã thiết kế thành công ăng-ten lưỡng cực điện từ băng thông rộng sử dụng công nghệ mạch dải. Cấu trúc ăng-ten gồm 2 lớp điện môi, lớp điện môi #1 là của ăng-ten, lớp điện môi #2 sử dụng cho kỹ thuật tiếp điện khe mở. Ăng-ten đề xuất với kỹ thuật tiếp điện này giúp cho các lưỡng cực từ bức xạ chủ yếu trên cạnh khe mở nằm giữa các ăng-ten vi dải ngắn mạch qua các cột kim loại. Do vậy, ăng- ten ME có thể thực hiện kích thích với chiều cao ăng-ten thấp hơn so với thông thường, tương ứng với khoảng cách từ các tấm kim loại đến mặt phẳng mặt đất là 0,7874 mm (~ 0,15λeff ở 38 GHz). Ăng-ten ME cộng hưởng ở dải tần rộng với băng thông -10 dB từ 32,2 GHz đến 42,8 GHz với độ lợi đỉnh là 6,09 dBi. Trên cơ sở phần tử ăng-ten ME đã tối ưu, hai mảng ăng-ten 1 chiều 4 phần tử và 8 phần tử lần lượt được thiết kế sử dụng mạng tiếp điện đều băng thông rộng. Kết qủa mô phỏng chứng minh khả năng hoạt động của hai ăng-ten mảng đề xuất khi vẫn duy trì cộng hưởng ở dải tần rộng tương tự như phần tử ME đơn và đạt độ lợi đỉnh là 12,5 dBi đối với ăng-ten mảng 4 phần tử và 15,6 dBi trong trường hợp mảng 8 phần tử. KẾT LUẬN 1. Kết luận Đóng góp khoa học của luận án: (1) Đề xuất ăng-ten mảng 1 chiều 4 phần tử dựa trên phần tử ăng-ten đơn có kích thước nhỏ gọn bởi kết hợp hai vật liệu ENG và DPS trong thiết kế. Việc kết hợp 2 cấu trúc vật liệu DPS và ENG tương ứng với sử dụng đường vi dải tiếp điện ghép hở với tấm bức xạ vi dải được ngắn mạch với mặt phẳng đế qua các cột kim loại đã góp phần thu gọn kích thước ăng-ten một cách đáng kể. Kết quả mô phỏng chứng minh mảng ăng-ten một chiều 4 phần tử với băng thông rộng từ 26,5 đến 30,9 GHz và độ lợi đỉnh 12,7 dBi tại tần số trung tâm 28 GHz. (2) Đề xuất mô hình ăng-ten lưỡng cực điện từ đơn dạng vi dải sử dụng kỹ thuật tiếp điện bằng khe nhằm tăng băng thông của ăng-ten và đạt cấu hình thấp (~ 0,15λeff ở 38 GHz) so với cấu trúc ăng-ten ME truyền thống (~ 0,25λeff ở 38 GHz). Trên cơ sở phần tử ăng-ten đơn, đề xuất hiết kế thành công hai mảng ăng-ten một chiều 4 phần tử và 8 phần tử ME đơn hoạt động ở dải tần 38 GHz với độ lợi đỉnh đạt lần lượt 12,5 dBi và 15,6 dBi. 2. Một số hướng nghiên cứu trong tương lai Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của luận án này, một số hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất như sau: 23
24. - Thiết kế mạng tiếp điện không đều nhằm cải thiện tỷ số búp sóng chính và phụ (side-lobe level) lớn hơn 20 dB cho các ăng-ten mảng đề xuất. - Chế tạo và đo thực nghiệm các mô hình mảng ăng-ten đã đề xuất nhằm kiểm chứng tính khả thi của các mô hình ăng-ten đề xuất. - DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [1] Dang Thi Tu My, Tran Thi Huong, (2017), Design Array of ZOR Antenna with a Pair of Double Positive and Epsilon Negative Materials for Wireless Imaging Transmission System, Proceedings of ATC 2017, pp.166-169. [2] Dang Thi Tu My, Tran Thi Huong, Design of Four-Element Array of Zeroth- order Resonance Antenna with a Pair of Double Positive and Epsilon Negative Materials, Proceedings of VJISAP 2018, p.43-48, 2018. [3] Dang Thi Tu My, Huynh Nguyen Bao Phuong, Tran Thi Huong, Design of Zeroth-order Resonance Antenna Array with a Pair of DPS and ENG Materials, the University of Danang, Journal of Science and Technology, No. 12(133).2018, p.10-14. [4] D. T. T. My, H. N. B. Phuong, T. T. Huong, B. T. M. Tu, Design of Four- Elements Array Antenna for 5G Cellular Wireless Networks, Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol. 10, No. 5.2020, Pages: 6259- 6263. (ESCI) [5] D. T. T. My, H. N. B. Phuong, T. T. Huong, B. T. M. Tu, A Magneto-Electric Dipole Antenna Array for Millimet Wave Applications, Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol. 10, No. 4.2020, Pages: 6057- 6061. (ESCI) [6] Đặng Thị Từ Mỹ, Huỳnh Nguyễn Bảo Phương, Bùi Thị Minh Tú, Trần Thị Hương, “Thiết kế anten mảng phẳng cho các ứng dụng ở dải sóng Milimet”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Vol.20, No.7, 2022, trang 47-52. 24