Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Trần Văn Nan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu. Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng. Đề xuất giải pháp thiết kế mới sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đa băng tần.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG NHƯ ĐỊNH 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2017
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI 2. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN Phản biện 1:……………………………………………… Phản biện 2:……………………………………………… Phản biện 3:……………………………………………… Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi ….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia
MỞ ĐẦU 1. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô-đun siêu cao tần Kỹ thuật siêu cao tần đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và vẫn đang không ngừng được phát triển. Công nghệ vi dải in trên đế điện môi ra đời đã giải quyết được vấn đề thu nhỏ kích thước của anten, đồng thời cũng mở ra một xu hướng thiết kế các mô-đun siêu cao tần khác như bộ lọc cao tần thụ động, bộ chia công suất, bộ ghép định hướng, .v.v. nhằm nâng cao khả năng tích hợp mô-đun siêu cao tần vào các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến. Trong thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch dải, chẳng hạn anten vi dải thì thông thường là kích thước của anten phải lớn hơn hoặc xấp xỉ một phần tư bước sóng (λ/4) ở dải tần hoạt động. Điều này có vẻ như không phù hợp khi kích thước λ/4 vẫn còn khá lớn so với kích thước ngày càng nhỏ gọn của thiết bị. Năm 2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và các đồng nghiệp đã chứng minh được rằng có thể tạo ra loại vật liệu mới có chiết suất âm (n
phần tử đơn vị đường truyền thông thường được thay thế bằng các đường mạch dải đồng phẳng. Bên cạnh đó, các nghiên cứu sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng và không sử dụng cột nối kim loại để xây dựng mô hình anten siêu vật liệu phẳng. Các mô hình này cấu trúc đơn giản dễ chế tạo tuy nhiên lại có kích thước khá lớn. Một số nghiên cứu khác đề xuất mô hình anten siêu vật liệu với kích thước rất nhỏ gọn. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, mô hình siêu vật liệu (điển hình là CRLH TL) được tạo ra bằng cách sử dụng các cột nối hoặc cầu nối kim loại. Điều này dẫn đến sự phức tạp của mô hình thiết kế, khó khăn trong chế tạo thực nghiệm và ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả đo do các mối hàn tạo nên. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác sử dụng phần tử tập trung để tạo ra cấu trúc CRLH TL thay vì sử dụng mạch dải. Các giá trị của phần tử tập trung thường được chọn với giá trị gần đúng, tùy theo các giá trị thực tế của cuộn cảm hoặc tụ điện, sẽ dẫn đến sự sai lệch so với kết quả thiết kế tối ưu. Đây cũng là một hạn chế của các nghiên cứu sử dụng phần tử tập trung trong thiết kế mô- đun siêu cao tần siêu vật liệu. Vì vậy, việc áp dụng cấu trúc siêu vật liệu để thiết kế các mô-đun siêu cao tần vừa có kích thước nhỏ vừa có cấu trúc phẳng chính là động lực cho các nghiên cứu đề xuất trình bày trong luận án. Ở một khía cạnh khác, các nghiên cứu cấu trúc đa băng tần được phát triển trên cơ sở sử dụng các phương pháp điển hình đã được đề xuất, chẳng hạn các thiết kế anten đa băng tần thường sử dụng phương pháp khoét khe trên bề mặt bức xạ hoặc mặt đế của cấu trúc để tạo các mode cộng hưởng mới; sử dụng nhiều phần tử ký sinh để cộng hưởng ở các tần số khác nhau, hoặc sử dụng kỹ thuật loại bỏ băng tần từ cấu trúc băng thông rộng để tạo cộng hưởng đa băng tần. Trong khi đó, các thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần thường sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng bậc (SIR), phân tích mode chẵn-lẻ, bộ cộng hưởng nửa bước sóng, bộ cộng hưởng đa mode .v.v là những phương pháp hữu ích khác để thiết kế bộ lọc đa băng tần. Có thể nhận thấy rằng, phương pháp thiết kế anten và bộ lọc thông dải đa băng tần là khá khác biệt nhau, điều này xuất phát từ bản chất khác nhau của hai mô-đun siêu cao tần này. Do đó, cần có những giải pháp thiết kế mới có thể áp dụng chung cho thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đơn hoặc đa băng tần mà vẫn đảm bảo đặc tính vốn có của linh kiện, góp phần phát triển các phương pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Mục tiêu nghiên cứu  Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu.  Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng.  Đề xuất giải pháp thiết kế mới sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đa băng tần. 3.2. Đối tượng nghiên cứu  Tập trung vào cấu trúc mạch dải vì những ưu điểm như dễ chế tạo, và có khả năng ứng dụng cao trong hệ thống anten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.  Tập trung vào các thiết kế mô-đun siêu cao tần thụ động dạng đồng phẳng kích thước nhỏ gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng 2
 Tập trung thiết kế các mô-đun siêu cao tần bao gồm anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất sử dụng công nghệ mạch in. 3.3. Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động bao gồm bộ lọc thông dải, anten và bộ chia công suất sử dụng công nghệ mạch dải.  Nghiên cứu, sử dụng các đường truyền dẫn siêu vật liệu và hiệu ứng viền của siêu vật liệu để phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động.  Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ở dải tần số siêu cao. 4. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án bao gồm ba chương. Phần giới thiệu tổng quan và cơ sơ phân tích lý thuyết về cấu trúc siêu vật liệu 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, và chương 3. Đầu tiên, chương 1 tập trung giới thiệu các đặc tính cơ bản của siêu vật liệu điện từ và cơ sở lý thuyết phân tích thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu. Cuối chương là phần giới thiệu các mô hình mô-đun siêu cao tần thụ động đã được thiết kế sử dụng cấu trúc CRLH TL và một số cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu. Chương 2 đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn sử dụng đường truyền CRLH TL và cấu trúc cộng hưởng vòng dạng siêu vật liệu. Cụ thể, ba mô hình được đề xuất bao gồm bộ lọc thông dải băng tần rộng được thiết kế từ các vòng cộng hưởng hở mở kết hợp với cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW); anten CPW kích thước nhỏ gọn dạng đồng phẳng sử dụng đường truyền CRLH TL dạng biến đổi và bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử dụng CRLH TL dạng răng lược với mặt phẳng đế ảo đặt đồng phẳng với bộ chia nhằm giảm kích thước cấu trúc. Các kết quả phân tích, mô phỏng và đo đạc mô hình thực nghiệm của các mô-đun siêu cao tần đề xuất cũng được thực hiện. Cuối cùng, chương 3 đề xuất giải pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu. Dựa trên sự gia tăng chiều dài điện ở miền diện tích được kích thích, các phần diện tích đặt lân cận với miền này có thể được kích thích và tạo ra cộng hưởng nếu nằm trong vùng diện tích gia tăng của miền kích thích. Trên cơ sở đó, chương này tập trung vào thiết kế bộ lọc thông dải và anten hoạt động ở ba băng tần. Mỗi tần số cộng hưởng với một giá trị gia tăng chiều dài và diện tích miền kích thích khác nhau. Các nghiên cứu đã thực hiện phân tích, tính toán lý thuyết, mô phỏng tối ưu kết hợp với chế tạo và đo thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp thiết kế đề xuất. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ 1.1. Giới thiệu chương Chương này trình bày lý thuyết tổng quan về siêu vật liệu điện từ và cơ sở lý thuyết phân tích thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu. 1.2. Siêu vật liệu điện từ 1.2.1. Định nghĩa Siêu vật liệu điện từ (Metamaterial-MTM) là những loại vật liệu nhân tạo có những đặc tính khác biệt so với vật liệu thông thường có trong tự nhiên [14]. 3
1.2.2. Đặc điểm Những vật liệu tự nhiên như gỗ, thuỷ tinh, kim cương .v.v thông thường đều có hằng số điện môi, độ từ thẩm là dương ( > 0 và > 0) và chiết suất dương ( > 0).. Ta có mối quan hệ giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm là [14]: √ (1.1) trong đó < 0 và < 0 Điều này vẫn bảo đảm công thức trên là đúng nhưng câu hỏi đặt ra là nguyên lý động lực học của vật liệu có < 0 và < 0 có khác với nguyên lý động lực học của vật liệu thông thường ( > 0 và > 0). Áp dụng phương trình Maxwell [14]: (1.2) Ta có phương trình sau: (1.3) Từ các phương trình (1.2) và (1.3) có thể thấy , , được xác định theo quy tắc bàn tay phải đối với vật liệu có > 0 và > 0 nhưng cũng có thể xác định được theo quy tắc bàn tay trái với vật liệu có < 0 và < 0. Với lý do này mà có thể gọi những vật liệu mới này là “left-handed materials”. Ngoài ra cũng có tên gọi khác cho loại vật liệu này là “backward wave” để diễn tả rằng sóng sẽ truyền ngược với hướng của năng lượng điện từ trường. Còn vật liệu thông thường là “right-handed materials”. Để ngắn gọn ta kí hiệu metamaterials là MTM, left-handed là LH và vật liệu thông thường là RH. Vectơ Poynting luôn được xác định theo quy tắc bàn tay phải với , : (1.4) Và hướng của vectơ vận tốc pha trùng với hướng vectơ sóng . Nhưng trong khi đó hướng của vectơ vận tốc nhóm cùng hướng với vectơ Poynting . Vì vậy mà vectơ vận tốc pha và vectơ vận tốc nhóm là ngược hướng nhau khi hằng số điện môi và độ từ thẩm là cùng âm ( < 0 và < 0). Ngược lại khi mà vật liệu nào đó có vận tốc pha và vận tốc nhóm là ngược pha nhau thì ta nói vật liệu đó có đặc tính là có < 0 và < 0. Từ đây ta sẽ có các cặp dấu của ( , ) tạo thành bốn miền trong hệ toạ độ của , .  Trong miền I ( > 0 và > 0) đây chính là vật liệu thông thường.  Trong miền thứ II ( < 0 và > 0) được biết đến như là vật liệu plasma. Vật liệu này có thể làm từ một hệ dây kim loại được sắp xếp tuần hoàn khi tần số hoạt động nhỏ hơn tần số plasma và được kích thích bởi sóng có vectơ điện trường dọc theo trục .  Trong miền thứ III ( < 0 và < 0) đây chính là MTM hay left-handed materials. Có thể tạo được vật liệu này khi kết hợp 2 tính chất của vật liệu plasma điện và plasma từ.  Trong miền thứ IV ( > 0 và < 0) đây là loại vật liệu mà từ trước đó rất khó làm ra từ những chất đồng nhất. Đến nay đã có một số cấu trúc được đề xuất như: vòng từ cộng hưởng có khe hẹp, cấu trúc hình chữ S, , cấu trúc 2 thanh ngắn đặt song song và ngăn cách bởi lớp điện môi. 4
1.3. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL Siêu vật liệu điện từ là những cấu trúc đồng nhất hiệu dụng, chúng có thể dưới dạng đường truyền dẫn một chiều (1D) hoặc có cấu trúc hai chiều (2D). Dạng đường truyền lý tưởng là đường truyền không thay đổi dọc theo hướng truyền. Nếu nó có thể truyền các tín hiệu ở mọi tần số từ 0 đến vô cùng thì gọi là dạng đồng nhất lý tưởng. Hình 1.7 biểu diễn một mô hình đường truyền đồng nhất lý tưởng. Hình 1.7. Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục Hình 1.8. Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH . TL thông thường không tổn hao. Sự khác biệt giữa TL đồng nhất lý tưởng với TL đồng nhất lý tưởng hiệu dụng là khi cho , do đó về sau chúng ta coi rằng , với là kích thước trung bình của phần tử đơn vị và là bước sóng trong đường truyền. 1.3.1. Những đặc tính cơ bản của đường truyền siêu vật liệu Cấu trúc CRLH TL không tổn hao được thể hiện trong hình 1.8. Nếu như thành phần LH bằng không, ⁄( ) hay và ⁄( ) hay thì chỉ còn có thành phần và là khác không và mô hình ở hình 1.8 sẽ rút gọn thành mô hình đường truyền RH thông thường. Ngược lại nếu các thành phần RH bằng không ( và ) thì ta thu được cấu trúc của đường truyền LH. Và tần số cộng hưởng nối tiếp và song song được xác định rad/s (1.13a) √ rad/s (1.13b) √ Ở trong hình 1.9 biểu diễn sự biến đổi của đường cong tán sắc của CRLH thành đường cong tán sắc của đường truyền PRH và PLH tương ứng ở dải tần số thấp và dải tần số cao. Trong hình 1.9 ta thấy có xuất hiện khe hở trong đồ thị cấu trúc CRLH. Khe hở này được tạo ra do sự khác nhau của tần số cộng hưởng song song và nối tiếp, khi nó xuất hiện thì ta gọi đó là CRLH TL chưa cân bằng, còn khi những tần số này là bằng nhau thì Hình 1.9. So sánh năng lượng truyền của CRLH, ta gọi là CRLH TL cân bằng và khe hở đóng lại. PRH và PLH theo hướng dương. 1.3.2. Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng CRLH thể hiện những đặc tính thú vị tuỳ theo từng trường hợp là cân bằng hay không cân bằng. Khi hay , ta gọi trường hợp này là cân bằng còn khi , ta gọi trường hợp này là không cân bằng. 5
Xét trường hợp không cân bằng min( ) (LH thông dải) (1.22a) min( ) max( ) (1.22b) max( ) (RH thông dải) (1.22c) Ngược lại, trong trường hợp cân bằng ( ), khe hở bị đóng lại như mô tả ở hình 1.11(b) và trở kháng đặc tính không phụ thuộc vào tần số (1.23) Điều này có nghĩa là điều kiện cân bằng cho phép phối hợp trở kháng ở mọi dải tần. 1.3.3. Mạng LC bậc thang Cấu trúc CRLH TL là không sẵn có p p p trong tự nhiên, nhưng một cấu trúc CRLH TL đồng nhất hiệu dụng hoạt động ở dải tần giới hạn thì có thể thiết kế dưới dạng một 1 2 N mạng bậc thang. Với tần số cộng hưởng nối tiếp và song song được định nghĩa tương l = Np tự như trường hợp đồng nhất lý tưởng ở phương trình (1.13). Dãy tầng phần tử đơn vị sẽ tương đương với CRLH TL lý g , Zc tưởng có chiều dài với điều kiện như mô tả ở hình 1.14. Tuy nhiên trên thực l tế, nếu ⁄ thì mạng có thể coi là Hình 1.14. Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu TL lý tưởng trong dải tần giới hạn. kỳ với TL lý tưởng. 1.3.4. Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ Để thiết kế loại anten phẳng cộng hưởng mà không phụ thuộc kích thước vật lý của nó thì cấu trúc TL đó phải hỗ trợ bước sóng vô hạn. Cấu trúc CRLH TL có khả năng đáp ứng được điều này ( ) nên được sử dụng để thiết kế. Áp dụng điều kiện bờ chu kỳ và định lý Block-Floquet ta có: ( ) ( ( )) (1.34) Thông thường thì tần số cộng hưởng nối tiếp và song song là không bằng nhau và do đó có hai tần số mà ở đó có và tại hai điểm này hỗ trợ bước sóng vô hạn. Bằng cách xếp tầng các phần tử đơn vị của CRLH TL lần ta được CRLH TL dạng cầu thang có chiều dài như mô tả ở hình 1.14, với điều kiện cộng hưởng: (1.35) Với là số mode cộng hưởng có thể là nguyên dương, nguyên âm và thậm chí là bằng không. Trong trường hợp = 0 thì bước sóng vô hạn được hỗ trợ và điều kiện cộng hưởng không phụ thuộc vào chiều dài của CRLH TL. 1.4. Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ Ngoài các cấu trúc siêu vật liệu sử dụng phương pháp đường truyền, còn có một loại cấu trúc siêu vật liệu dựa trên bộ cộng hưởng bước sóng thành phần, chủ yếu sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở (SRR). Mô hình gốc lần đầu tiên được đề xuất bởi Pendry. Một số phương pháp thiết kế phần tử cộng hưởng dựa trên SRR đã được phát triển và áp dụng cho một số ứng dụng siêu cao tần. 6
1.4.1. Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR) Một cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở SRR ghép cạnh đơn giản được hình thành bởi hai vòng kim loại hở đồng tâm như mô tả trong hình 1.18. t L d c C C Độ rộng e (a) (b) (c) Hình 1.18. SRR và các thông số kích thước cơ bản: (a) Dạng hình tròn, (b) Dạng hình vuông, và (c) Sơ đồ mạch tương đương. Mạch tương đương có độ tự cảm và điện dung kết hợp với mỗi nửa của SRR được mô tả như sau: (1.37) Với là bán kính trung bình của SRR ( ) và là điện dung trên đơn vị chiều dài dọc theo khe giữa hai vòng tròn của SRR. Điện dung tổng hợp là của hai nửa SRR, đó là . Tần số cộng hưởng có thể được tính như sau: (1.39) 1.4.2. Bộ cộng hưởng vòng hở mở (OSRR) Cấu trúc của OSRR được bắt nguồn từ rext cấu trúc cộng hưởng vòng xoắn SR, và được ro xây dựng như biểu diễn ở hình 1.20. Giá trị điện dung của bộ cộng hưởng OSRR cũng c d LS CS chính là giá trị điện dụng của bộ cộng hưởng xoắn SR và gấp 2 lần giá trị điện dung của bộ cộng hưởng SRR, trong khi giá trị điện cảm Hình 1.20. Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR của OSRR tương tự như của SRR. và sơ đồ mạch tương đương. Vì vậy, tần số cộng hưởng của OSRR bằng một nửa so với tần số cộng hưởng của phần tử SRR hay phần tử này có chiều dài điện nhỏ hơn so với SRR hai lần. Đặc tính này góp phần nâng cao khả năng ứng dụng của OSRR vào trong thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn. Cụ thể, cấu trúc vòng cộng hưởng hở mở OSRR sẽ được lựa chọn để thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng có kích thước nhỏ gọn trong chương 2 của luận án này. 1.5. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu 1.5.1. Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền Mô hình biểu diễn hiệu ứng viền của L t siêu vật liệu được trình bày ở hình 1.21. Một cách đơn giản hóa, hiệu ứng viền được tạo ra er h do sự phân bố dòng điện tích tại các mép ngoài Mặt phẳng đế của mặt dẫn trong điện môi, làm cho chiều dài vật lý của vật dẫn tăng lên một khoảng . Hình 1.21. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu. 7
(1.40) Trong đó, là chiều dài thực của vật dẫn, là độ gia tăng chiều dài do hiệu ứng viền, và là chiều dài điện thực của vật dẫn. Độ gia tăng chiều dài này sẽ làm thay đổi diện tích giới hạn của các mode sóng trong ống dẫn sóng. Ta có thể tính toán độ gia tăng thông qua công thức: ( )( ) (1.41) ( )( ) Trong đó, là hằng số điện môi hiệu dụng, và là độ dày của đế điện môi. Mỗi tần số và độ rộng miền tích cực khác nhau cho ta độ gia tăng chiều dài khác nhau. 1.5.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ. Hình 1.22 biểu diễn mô hình tượng trưng cho mối quan hệ của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ, trong đó là độ dài gia tăng ở công thức (1.41), còn là khoảng cách giữa miền kích thích và miền diện tích bất kỳ. Quan sát ở hình 1.22(a), khi độ gia tăng chiều dài của miền kích thích nhỏ hơn khoảng cách giữa hai miền ( ) thì hiệu ứng viền chưa xảy ra, nghĩa là miền diện tích bất kỳ đặt gần miền kích thích chưa được cộng hưởng. Ngược lại, khi thì hiệu ứng viền xảy ra, trong trường hợp này miền diện tích kéo dài của miền kích thích đã tiếp xúc hoặc kéo sang phủ miền diện tích bất kỳ và làm cho miền này cộng hưởng như mô tả ở hình 1.22(b). Như vậy, tùy thuộc vào chiều dài của miền diện tích gia tăng có tiếp xúc hoặc bao phủ miền diện tích bất kỳ mà hiệu ứng viền sẽ xảy ra và miền diện tích sẽ được cộng hưởng. Vì vậy, điều kiện để hiệu ứng viền xảy ra là: (1.42) Miền gia tăng chiều Miền gia tăng chiều dài kích thích dài kích thích Miền Miền Miền Miền chưa được kích kích cộng cộng thích thích hưởng hưởng DL DL=d d (a) (b) Hình 1.22. (a) Miền diện tích chưa được cộng hưởng, (b) Miền diện tích đã được cộng hưởng. Như vậy, bằng cách tạo ra các miền tích cực khác nhau, ta có thể tạo ra các cộng hưởng với các tần số khác nhau. Đây là cơ sở lý thuyết chính của giải pháp đề xuất nhằm ứng dụng để phân tích, thiết kế các mô hình anten và bộ lọc thông dải ở chương 3. 1.6. Ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong thiết kế mô-đun siêu cao tần thụ động 1.6.1. Bộ lọc thông dải Trong thiết kế bộ lọc thông dải siêu vật liệu, các loại đường truyền siêu vật liệu CRLH dạng cộng hưởng được áp dụng khá rộng rãi dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng SRR, CSRR, .v.v. 8
1.6.2. Anten vi dải Đối với các thiết kế anten siêu vật liệu, phương pháp điển hình thường được sử dụng là thiết kế anten dưới dạng một đường truyền ATL, trong đó cấu trúc anten gồm một hoặc nhiều phần tử đơn vị CRLH mắc nối tầng với nhau hoặc sử dụng cấu trúc đường truyền như một tải MTM của anten. Khi đó, bề mặt bức xạ của cấu trúc anten sẽ được khoét mô hình dạng như cấu trúc vòng cộng hưởng hở bổ sung CSRR, cấu trúc răng lược. 1.6.3. Bộ chia công suất Tương tự như trong các thiết kế bộ lọc thông dải và anten đa băng tần, cấu đường truyền siêu vật liệu phức hợp CRLH TL được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kế các bộ chia công suất có kích thước nhỏ gọn. 1.7. Tổng kết chương Chương này đã trình bày lý thuyết tổng quan về siêu vật liệu điện từ. Đây là một loại vật liệu có thể tạo ra hiện tượng truyền sóng ngược do có hệ số điện môi và từ thẩm đều âm (Vật liệu LH). Cấu trúc CRLH đặc trưng nhất là dạng đường truyền CRLH TL thông thường, có thể truyền sóng ngược ở dải tần số thấp (LH TL) và truyền sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL). Khi đó, các đường truyền CRLH sẽ giúp tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần số thấp hơn so với mode cộng hưởng cơ bản, vốn tạo bởi thành phần RH TL. Vì vậy, các đường truyền CRLH TL được ứng dụng để thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần. Đây cũng chính là cơ sở lý thuyết quan trọng cho các nghiên cứu được đề xuất trong chương tiếp theo của luận án. CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI, ANTEN, BỘ CHIA CÔNG SUẤT PHẲNG SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP VÀ VÒNG CỘNG HƯỞNG SIÊU VẬT LIỆU 2.1. Giới thiệu chương Chương này đề xuất các thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng, anten và bộ chia công suất bagley Polygon 1:3 cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn sử dụng cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL) dạng thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng. 2.2. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở Trong nghiên cứu này, luận án đề xuất việc kết hợp giữa vòng cộng hưởng hở mở (OSRR) và các nhánh dây chêm để thiết kế một bộ lọc thông dải băng rộng có kích thước nhỏ gọn. 2.2.1. Phần tử siêu vật liệu CRLH dựa trên vòng cộng hưởng hở Cấu trúc phần tử MTM, mô tả ở hình 2.2, được in lên một mặt của lớp điện môi RO3010 với hằng số điện môi 10,2 và bề dày 1,27 mm. Về lý thuyết, việc thực hiện các phần tử siêu vật liệu (MTM) này sẽ gây cộng hưởng và kiến trúc của nó sẽ có độ tán sắc cao. Kiến trúc này sẽ tránh được việc sử dụng các cột nối kim loại, qua đó đơn giản được quá trình chế tạo. Mô hình đề xuất của đường truyền siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp được hoàn thiện bằng cách đưa vào cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng một chuỗi OSRR được kết nối với nhau như trong hình 2.3. Kiến trúc này bao gồm hai phần tử MTM với một đường dẫn được đặt giữa hai vòng ngoài, hai đầu của đường dẫn nối trực tiếp với hai vòng trong còn đoạn giữa của nó được nối với đường tiếp điện của cấu trúc CPW. 9
rext rext ro ro c d c d e e wf Hình 2.2. Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ Hình 2.3. Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện tương đương của nó. từ phức hợp dựa tr n sự k t hợp một chu i các SRR. 2.2.2. Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR 2.2.2.1. Thi t k ban đầu Với trở kháng đặc tính 50 , chúng ta thiết lập tần số chuyển tiếp 3 Hz 1,7 Hz và 3,4 Hz. Tần số chuyển tiếp sẽ được tạo ra bởi các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc song song, các bộ cộng hưởng này buộc phải giống hệt nhau để cân bằng kết cấu, cụ thể, (2.3) √ √ Mô hình cấu trúc bộ lọc băng rộng đề xuất ở trong hình 2.4 bao gồm cấu trúc bốn phần tử OSRR ở hình 2.3 kết hợp với cấu trúc tiếp điện CPW. Quá trình cộng hưởng giữa vòng trong và ngoài trong một phần tử OSRR tạo nên các đặc tính của đường truyền phức hợp CRLH, chứ không phải từ phần tử OSRR này lên phần tử OSRR khác. ộ lọc đề xuất được in lên một lớp nền RO3010 với độ dày 1,27 mm và hằng số điện môi là 10,2 với hệ số tổn hao là 0,0023. wf rext ro d g y L lf x c k1 L k0 g e hg W wf k2 lg W Hình 2.4. Thi t k ban đầu của bộ lọc được đề uất dựa Hình . . Thi t k hoàn thiện bộ lọc thông dải tr n việc k t hợp một chu i các SRR th hiện trong băng rộng dựa tr n SRR với các nhánh d hình 2.3. chêm. 2.2.2.2. Thi t k tối ưu Để đạt được dải thông băng rộng cho băng tần S, cấu trúc CRLH được thiết kế với đoạn dây chêm chữ T để cải thiện đặc tính lọc của cấu trúc lọc. Mô hình của bộ lọc đề xuất và quá trình thực hiện dây chêm chữ T được biểu diễn tương ứng ở hình 2.5 và 2.6. Dây chêm hở mạch chữ T được xây dựng theo 3 bước. Đầu tiên, một dây chêm thẳng đứng được thêm vào giữa đường nối các phần 10
tử siêu vật liệu. ước tiếp theo, một cặp dây chêm ngang được thêm vào theo hướng vuông góc với dây chêm ban đầu. Cuối cùng, cặp dây chêm nằm ngang được thay bằng dây chêm hình tam giác. 2.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 2.2.3.1. Thi t k ban đầu Hình 2.7 trình bày kết quả mô phỏng 200 đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM trong hình 150 2.3. Đồ thị tán sắc phản ánh sự chuyển tiếp Beta-p (deg) liên tục giữa băng tần LH và RH tại tần số 100 chuyển tiếp. Từ hình 2.7 ta thấy rằng rằng cấu trúc MTM hỗ trợ một sóng ngược ở dải 50 tần dưới 3 Hz và sóng thuận ở dải tần trên 3 Hz. Do đó, có thể nói rằng phần tử 0 1.5 2 2.5 3 3.5 4 MTM ở hình 2.3 thể hiện tính chất như một Tần số (GHz) cấu trúc phức hợp CRLH. Hình 2.7. Đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM ở hình 2.3. ộ lọc ban đầu đạt được dải thông từ 1,4 đến 3,6 Hz với suy hao ch n thấp hơn 0,67 d trong toàn bộ dải thông. Kết quả đo mẫu chế tạo bộ lọc ban đầu cũng phù hợp với kết quả mô phỏng. 2.2.3.2. Thi t k tối ưu Kích thước tối ưu của bộ lọc thông dải hoàn thiện được quyết định thông qua quá trình tối ưu hóa theo từng bước thiết kế: ước 0 (không có dây chêm hở mạch), bước 1, bước 2 và bước 3. Hiệu suất tốt nhất tại băng tần trên đạt được với cấu trúc tại bước 3. 0 -10 S11 & S21 (dB) -20 S21 -30 S11 -40 Mô phỏng -50 Thực nghiệm -60 0 1 2 3 4 5 Tần số (GHz) Hình 2.14. Mẫu ch tạo bộ lọc thông dải đề xuất Hình 2.15. K t quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham với dây chêm. số S của bộ lọc đề xuất khi có dây chêm. Bộ lọc hoàn thiện được thiết kế tối ưu có kích thước rất gọn là 14 mm 12 mm. Mẫu chế tạo thực nghiệm của bộ lọc hoàn thiện với nhánh dây chêm hở mạch ở bước 3 được trình bày ở hình 2.14. Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm các hệ số tán xạ của bộ lọc thông dải băng rộng hoàn thiện được thể hiện trong hình 2.15. Kết quả đo thực nghiệm cho thấy, bộ lọc được đề xuất có băng thông tại -3 dB là 98 và suy hao ch n nhỏ hơn 0,78 d trên toàn bộ dải thông. Suy hao ch n giảm còn -20 d tại tần số 3,95 GHz. Có thể thấy rằng, bộ lọc hoàn thiện với sự hiện diện của các dây chêm hở mạch tạo một mode truyền dẫn 0 tại băng tần trên, điều này giúp nâng cao tính chọn lọc của bộ lọc. Tuy nhiên, bộ lọc này lại thể hiện một nhược điểm băng thông nhỏ hơn bộ lọc ban đầu ên cạnh đó, suy hao ch n của bộ lọc hoàn thiện hơi tăng so với bộ lọc ban đầu. Với các ưu và nhược điểm như trên, cả hai bộ lọc ban đầu và bộ lọc hoàn thiện có thể áp dụng tùy theo đặc tính băng rộng hơn hoặc có tính chọn lọc tần số cao hơn. 11
Kết quả so sánh bộ lọc được đề xuất với một số bộ lọc đã công bố cho thấy, bộ lọc đề xuất không chỉ có băng thông -3 dB rộng, tổn hao ch n thấp mà còn có kích thước nhỏ gọn hơn. 2.3. Anten siêu vật liệu tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng ứng dụng cho hệ thống WLAN Cấu trúc đường truyền CRLH TL được ứng dụng trong thiết kế giảm nhỏ kích thước anten siêu vật liệu cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới. Tuy nhiên, một số mô hình anten đã đề xuất trước đây có nhược điểm là khó chế tạo hoặc kích thước lớn. Với mục đích khắc phục những vấn đề trên, chương này đề xuất hai mô hình anten đơn cực sử dụng đường truyền CRLH TL thông thường để giảm nhỏ kích thước. Trong mô hình đề xuất, các cột nối kim loại trong cấu trúc đường truyền CRLH TL thông thường đã được thay thế bằng đường vi dải gấp khúc đặt đồng phẳng với mặt bức xạ phía trên của anten. 2.3.1. Thiết kế anten siêu vật liệu dựa trên cấu trúc CRLH phẳng Để thiết kế cấu trúc anten siêu vật liệu CRLH có cấu trúc phẳng không sử dụng cột nối kim loại, mô hình anten vi dải tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng được lựa chọn. Khi đó, cả phần bức xạ của anten và mặt phẳng đế sẽ cùng nằm trên một mặt phẳng. Các phần tử LH và RH sẽ xây dựng trên mô hình anten thông thường này để tạo nên cấu trúc anten CRLH phẳng. Để dễ dàng chuyển đổi sang mô hình CRLH phẳng, tấm bức xạ của anten vi dải ban đầu dạng hình chữ nhật được lựa chọn. Mô hình hai anten CRLH phẳng đề xuất được mô tả trong hình 2.19. W_s W_s W1 W_p G2 W1 W_p G2 L_step W_step L_p L_p W2 L_s W2 G1 L_s W_step G1 D2 D2 L_gnd L_step L_f L_gnd L_f X X Z Y Z Y D1 W_f D1 W_f (a) (b) Hình 2.19. Mô hình anten đề xuất: (a) Anten_1, (b) Anten_2. Hai anten đề xuất là anten siêu vật liệu dạng đường CL1 LR /2 CL2 CL2 LR /2 truyền CRLH TL thông thường và được biểu diễn tương đương bởi sơ đồ mạch ở hình 2.20. Từ cấu trúc có sử LL1 dụng cột nối kim loại, mô hình cấu trúc CRLH sử dụng trong anten đề xuất đã chuyển sang dạng đồng phẳng và LL2 CR phần tử cộng hưởng của anten đề xuất chính là đường vi dải gấp khúc mà không phải là tấm bức xạ hình chữ nhật Hình 2.20. Sơ đồ mạch LC tương đương của anten vi dải thông thường. của anten đề xuất. Vậy, tần số cộng hưởng của anten đề xuất sử dụng đường truyền CRLH TL được xác định từ biểu thức (1.28b): (2.4) √ 12
2.3.2. Kết quả và thảo luận 2.3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước đ n k t quả mô phỏng Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của hai anten đề xuất được trình bày ở hình 2.21. Từ hình 2.21 ta thấy, cả hai anten đều cộng hưởng với tần số và băng thông (S11 < -10 dB) thỏa mãn hệ thống WLAN 2,4 GHz (2400  2485 MHz). 0 0 -10 Anten không tải -10 Anten không tải S11 (dB) Anten_1 Antenna_2 S11 (dB) -20 -20 -30 -30 Anten không tải Anten_1 Anten không tải Antenna_2 -40 -40 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 Tần số (GHz) Tần số (GHz) (a) (b) Hình 2.21. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten khi có và không có tải: (a) Anten_1,(b) Anten_2. Để đánh giá ảnh hưởng của cấu trúc CRLH đến khả năng giảm kích thước của anten siêu vật liệu đề xuất, hai anten được khảo sát ở trường hợp có sử dụng cấu trúc CRLH và không có sử dụng cấu trúc CRLH, gọi tắt là anten không tải. Lưu ý rằng, anten CRLH sẽ chuyển thành anten không tải khi giá trị G1 = 0. Các kết quả mô phỏng hai trường hợp của Anten_1 và Anten_2 được biểu diễn tương ứng ở hình 2.21(a) và 2.21(b). Ta thấy rằng, hai anten khi sử dụng cấu trúc CRLH đạt cộng hưởng ở dải tần số thấp hơn nhiều so với anten không tải. Cụ thể, từ giá trị tần số cộng hưởng trung tâm của anten ở từng trường hợp, khi sử dụng CRLH Anten_1 giảm kích thước 2,58 lần và Anten_2 giảm được 2,62 lần so với trường hợp anten không tải. Như vậy, mô hình anten siêu vật liệu đề xuất đã thể hiện được khả năng giảm kích thước tốt so với anten thông thường. 2.3.2.2. K t quả thực nghiệm Hai mô hình anten được chế tạo, đo thực nghiệm và so sánh với mẫu anten vi dải. Kết quả so sánh cho thấy rằng Anten_1 đã giảm được kích thước tổng thể và của tấm bức xạ so với anten vi dải thông thường lần lượt là 80% và 76%, trong khi đó độ giảm kích thước tương ứng của Anten_2 là 85% and 93%. 0 -5 -10 S11 (dB) -15 -20 -25 Anten_1 Anten_2 -30 Anten tham khảo -35 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Tần số (GHz) Hình 2.27. Mẫu ch tạo của hai anten đề xuất và anten Hình 2.28. K t quả đo thực nghiệm hệ số S11 của vi dải tham khảo.. các mẫu anten ch tạo. 13
Phép đo thực nghiệm được thực hiện bằng máy phân tích mạng PNA-X Keysight Network Analyzer với dải tần đo từ 125 MHz đến 26,5 Hz. Theo đó, dải tần hoạt động đo được của Anten_1 và Anten_2 tương ứng là (2,42  2,49) và (2,40 2,47) Hz, trong khi đó giá trị này của anten vi dải là từ 2,43 đến 2,52 GHz. 2.4. Bộ chia công suất Bagley Polygon phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL Trong nghiên cứu này, bộ chia công suất Bagley Polygon sử dụng đường truyền CRLH dạng đồng phẳng có kích thước nhỏ gọn được đề xuất. Trong mô hình sẽ không có bất kỳ phần tử thụ động nào cũng như các cột nối kim loại. Bộ chia có kích thước được giảm nhỏ, chế tạo dễ dàng và chi phí thấp. 2.4.1. Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 thông thường Bộ chia công suất Bagley Polygon N-cổng lẻ là một cấu trúc đối xứng sử dụng các đường truyền và . Hình 2.29 biểu diễn bộ chia Bagley Polygon 3 cổng ra thông thường và sơ đồ mạch tương đương của nó. Z0 l/4 2 l/2 3 1 Zq Zh/2 Z0/2 Z0 (a) (b) Hình 2.29. Bộ chia Bagle Pol gon 1:3 thông thường: a) Sơ đồ ngu n lý, (b) Sơ đồ mạch tương đương. Trong mô hình bộ chia công suất này, trở kháng đặc tính của các đường truyền , và các cổng của bộ chia tương ứng là , và . Do tính đối xứng của mạch, trở kháng đoạn nối tại cổng 2 là 2 và trở kháng vào tại cổng 2 là 3. Trở kháng nhìn vào cổng 1 phối hợp trở kháng là , vì vậy trở kháng đặc tính của đoạn biến đổi ¼ bước sóng đầu vào là √ . Giá trị trở kháng của đoạn đường truyền được chọn bằng . 2.4.2. Thiết kế bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL Cổng 2 Cổng 4 Cổng 3 g fl cw g1 lw cl ll pl pw dl ls dh dw cs fw Cổng 1 Hình 2.30. Mô hình bộ chia BPD được đề xuất. 14
Thiết kế của bộ chia công suất PD được biểu diễn trong hình 2.30. Bộ chia được in trên một tấm đế điện môi FR4 với hằng số điện môi là 4.4 và kích thước là 35,5 × 29 × 1,6 mm3. Mặt trên của bộ chia như mô tả trong hình 2.30, trong khi mặt dưới của bộ chia công suất là mặt phẳng đất. Bộ chia được thiết kế để hoạt động ở dải tần của hệ thống thông tin di động 3G (1,92  2,17 GHz) và 4G (2,50  2,69 GHz). Sơ đồ mạch tương đương của một mắt xích đường LR CL truyền này được biểu diễn ở hình 2.31. Đây là đường truyền cộng hưởng bậc không (ZOR), trong đó đường nối LL CR trực tiếp của phần điện cảm xuống đất trong cấu trúc Cg thông thường được thay thế bởi tụ ghép thông qua một đất ảo có giá trị tụ điện lớn , giá trị này có được từ phần kim Hình 2.31. Mô hình mạch tương đương loại có diện tích lớn. của phần tử trong đường truyền CRLH. 2.4.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận 0 Các kết quả mô phỏng của các tham số tán xạ của bộ chia được đề xuất có trong hình Tham soá taùn xaï S (dB) -5 2.32. Kết quả cho thấy rằng bộ chia chia đều ra ba cổng với hệ số tổn hao truyền đạt nhỏ hơn -10 5,3 dB qua dải thông từ 1,85 đến 2,7 GHz. Tổn S11 hao ngược ở cổng vào lớn hơn 10 d trong -15 S21 toàn bộ dải thông. Như vậy, dải tần hoạt động S31 S41 của bộ chia công suất BPD bao phủ hoàn toàn -20 1.5 2.0 2.5 3.0 dải tần của hệ thống thông tin di động 3G và Taàn soá (GHz) 4G. Hình 2.32. Tham số tán xạ của bộ chia BPD. Có thể thấy từ mô hình được đề xuất của bộ chia BPD trong hình 2.30, độ dài của đoạn đường truyền giữa cổng vào và các cổng ra lân cận chỉ xấp xỉ 15 mm, tương ứng với khoảng độ dài điện là λ/8 ở tần số 2,275 GHz. Điều này thể hiện một ưu điểm trong giảm thiểu kích thước của bộ chia được đề xuất. Thêm vào đó, dải thông hoạt động của bộ chia là 850 MHz, dải tần này được tăng lên khá nhiều so với sử dụng đường truyền λ/4 hoặc mạng phối hợp. 2.5. Tổng kết chương Chương này đã thiết kế thành công bộ lọc thông dải băng rộng, anten vi dải và bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử dụng cấu trúc đường truyền CRLH TL thông thường. Kết quả đo thực nghiệm hai mẫu anten thiết kế tối ưu cho thấy hai anten đề xuất hoạt động ở dải tần số đáp ứng được dải tần của hệ thống WLAN với tổng kích thước giảm nhỏ 80% và 85% so với anten vi dải thông thường. Với việc sử dụng CRLH TL dạng phẳng, bộ chia công suất đã thực hiện giảm nhỏ kích thước so với bộ chia Bagley Polygon 3 cổng ra thông thường. CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ ANTEN ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU 3.1. Giới thiệu chương Chương này đưa ra giải pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần dựa trên hiệu ứng viền của siêu vật liệu. Đây là hiệu ứng tạo nên do sự biến thiên của vectơ cường độ điện trường từ miền vật dẫn có 15
dòng kích thích (miền tích cực) đến miền diện tích cần được kích thích hoặc cộng hưởng. Khi đó chiều dài điện của miền kích thích sẽ được gia tăng thêm một đoạn chiều dài, đồng nghĩa với việc diện tích miền kích thích sẽ được mở rộng. Khi độ gia tăng chiều dài của miền tích cực lớn hơn hoặc bằng khoảng cách giữa miền này và miền diện tích cần kích thích thì hiệu ứng viền sẽ xảy ra và làm cho miền diện tích cần kích thích được cộng hưởng. Để chứng minh cho phương pháp thiết kế đề xuất, chương này tập trung vào các thiết kế bộ lọc thông dải và anten hoạt động ở đa băng tần. 3.2. Bộ lọc thông dải đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu Trong thiết kế bộ lọc thông dải ba băng tần trước đây, các nghiên cứu thường sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng bậc, hoặc kết hợp giữa SIR và cấu trúc mặt đế không hoàn hảo, sử dụng phân tích mode chẵn-lẻ, bộ cộng hưởng nửa bước sóng, .v.v. Tuy nhiên, một số cấu trúc đề xuất sử dụng các phương pháp ở trên có kích thước khá lớn hoặc khó chế tạo do sử dụng cột nối kim loại ngắn mạch. Việc cột nối kim loại được đặt trong lòng điện môi sẽ gây ra các thành phần điện kháng phụ, làm thay đổi tần số cộng hưởng nếu không có những tính toán vật lý chính xác. Bên cạnh đó, những sai số xuất hiện trong việc chế tạo các cột nối kim loại. Điều này gây ảnh hưởng không nhỏ đến kết quả đo thực nghiệm. Trong chương này, luận án đề xuất một phương pháp thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần hoàn toàn mới sử sụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu với mục tiêu tạo ra các khoảng cách nhỏ nhất, mà không phải tần số nào cũng cộng hưởng qua. Từ đó làm cho miền diện tích giới hạn này biến đổi theo các băng tần, tạo thành cấu trúc đa băng tần như mong muốn. 3.2.1. Mô hình bộ lọc ba băng tần Để áp dụng được hiệu ứng viền của siêu vật liệu vào thiết kế bộ lọc ba băng tần, mô hình bộ lọc đề xuất cần có một phần tử kích thích và hai phần tử cộng hưởng ghép lân cận với phần tử này. Khoảng cách ghép giữa phần tử kích thích và hai phần tử ký sinh sẽ được tính toán để tạo ra cộng hưởng ở các dải tần của hệ thống WLAN (2,45/5,2 GHz) và WiMAX (3,5 GHz). Trên cơ sở đó, mô hình cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất được trình bày ở hình 3.1. Toàn bộ cấu trúc được in trên hai mặt của đế điện môi ROOGER TM3010 với hệ số điện môi = 10,2 và độ dày = 1,26 mm. Bô lọc đề xuất gồm đường vi dải tiếp điện nối với vòng kích thích vuông có chiều dài cạnh . Hai thành phần cộng hưởng gồm phần diện tích và được ghép đồng phẳng với vòng kích thích tương ứng với khoảng cách và . Với thiết kế này, phần diện tích ở lớp trên sẽ có vai trò như mặt đế cho cổng kích thích ở lớp dưới và ngược lại. Kích thước giới hạn của bộ lọc là 20 mm × 20 mm. . lS1 wS2 Lớp trên ST1 d2 wS1 lS3 lS2 W Cổng 1 ST2 d1 wf lS ST1 Kích a2 wS thích Cổng 2 Lớp dưới lf a1 L Hình 3.1. Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất ở không gian ba chiều (hình trái) và hai chiều (hình phải). Hiệu ứng viền của vật liệu làm cho khả năng cộng hưởng của yếu tố kích thích có thể lan rộng ra xung quanh một khoảng . Nếu khoảng cách này đủ lớn hơn khoảng cách vật lý giữa yếu tố 16
kích thích và một miền diện tích nào đó, nó sẽ kéo theo miền diện tích ấy cộng hưởng. Nếu gọi và lần lượt là diện tích dẫn xạ tương ứng tại các mode tần số khác nhau. là biến nhận các giá trị là hoặc hoặc cả hai khi và đúng bằng giá trị chiều dài gia tăng do hiệu ứng viền. Tần số cộng hưởng được tính toán như sau: ( ) ( ) (3.3) Kết hợp với hiệu ứng viền ta được, nếu ; nếu Trong đó, là sai số diện tích do hiệu ứng viền không bao phủ hoàn toàn diện tích cộng hưởng . ( )( ) (3.4) ( )( ) Với là số nửa bước sóng tương ứng với mode tần số cộng hưởng . Dựa vào sự thay đổi giá trị gia tăng khoảng cách của hiệu ứng viền ở mỗi tần số, ta có thể sử dụng như một biến diện tích theo tần số. Vì vậy việc tạo nên cấu trúc đa băng sẽ rất đơn giản. 3.2.2. Tính toán lý thuyết Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất trong luận án này được xây dựng dựa trên mô hình phân tích trường trong lòng ống dẫn sóng với các miền giới hạn động. Trước tiên các giá trị ở công thức (3.4) được tính tương ứng với các tần số thiết kế. Từ đó, ta xác định được vùng diện tích cộng hưởng của bộ lọc thông qua mối quan hệ giữa khoảng cách với  Tại 2,45 GHz, 1,26 mm, ta có 0,76 mm Vậy, nên không xảy ra cộng hưởng trên  Tại 3,5 Hz, 1,26 mm, ta có 1,05 mm Vậy, , diện tích được cộng hưởng , diện tích không được cộng hưởng  Tại 5,2 Hz, 1,26 mm Hiệu ứng viền xảy ra mạnh mẽ hơn so với 3,5 GHz vì giá trị tăng lên. Theo nguyên lý cộng hưởng, thành phần diện tích lúc này cũng đồng thời đóng vai trò kích thích và tạo lên với tọa độ ban đầu so với viền gây lên bởi vòng kích thích một khoảng . Trong trường hợp này, mm. Vì nên diện tích , được cộng hưởng. Tần số cộng hưởng của bộ lọc được xác định như sau: ( ) ( ) ( ) Với là số bó sóng phân bố theo chiều ngang và chiều dọc ( ). Khi đó : (mm2) Vì ( ) nên ta coi , và mm (chọn , tương ứng với mode sóng ). Tương tự với hai tần số còn lại, ta có ( ) ( ) ( ) Khi đó: (mm2) 17
, cho điều kiện tồn tại mode sóng ( ) , ta có mm2 2 Hay mm Từ đó ta chọn được các giá trị kích thước tương ứng. ( ) ( ) ( ) (mm2), cho điều kiện tồn tại mode sóng ( ), ta có: mm2 hay mm2 3.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Với hiệu ứng viền của siêu vật liệu, sẽ xảy ra 3 trường hợp tại ba băng tần số. Tại băng tần 2,45 GHz, theo kết quả tính toán lý thuyết khoảng cách nên trường bức xạ từ vòng kích thích không gây nên cộng hưởng trên các diện tích và . Điều này được thể hiện ở kết quả mô phỏng ở hình 3.6(a). Tại băng tần 3,5 GHz, với , diện tích được cộng hưởng, trong khi phần diện tích không được cộng hưởng do khoảng ghép lớn hơn độ gia tăng . Cuối cùng tại băng tần 5,2 GHz, diện tích miền được sử dụng bao gồm khi khoảng cách . Các kết quả mô phỏng ở hình 3.6(b) và 3.6(c) hoàn toàn phù hợp với tính toán lý thuyết. Như vậy, lý thuyết sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để tạo nên miền diện tích giới hạn động trong mô hình ống dẫn sóng hữu hạn là hoàn toàn khả thi và đúng đắn. (a) (b) (c) Hình 3.6. K t quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường tại bề mặt của bộ lọc tại tần số: (a) 2,45 GHz, (b) 3,5 GHz và (c) 5,2GHz. Kết quả đo thực nghiệm tham số tán xạ của 0 mẫu chế tạo bộ lọc đề xuất, trình bày ở hình 3.10, -5 được thực hiện bởi máy phân tích mạng PNA-X -10 S11&S21 (dB) Keysight Network Analyzer với dải tần đo từ 125 -15 MHz đến 26,5 GHz. Từ hình 3.10 ta thấy, bộ lọc có -20 ba dải thông đạt trung tâm tại 2,42 GHz, 3,5 GHz và -25 5,16 Hz tương ứng với các hệ số phản xạ lần lượt -30 là 26,4 d , 17,7 d và 19,6 d . Trong khi đó, tổn -35 Moâ phoûng Thöïc nghieäm hao chèn tại các tần số trên, (bao gồm suy hao từ hai -40 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 cổng nối SMA) là 0,63 dB, 1,34 dB và 1,76 dB. Taà n soá (GHz) Các kết quả so sánh với một số bộ lọc thông Hình 3.8. Mẫu ch tạo với kích thước đ điện dải ba băng tần đã được công bố trước đây cho thấy môi 22 mm  22 mm và k t quả đo thực rằng bộ lọc đề xuất có kích thước nhỏ gọn với các hệ nghiệm tham số tán xạ. số tổn hao ngược và tổn hao ch n tương đối tốt. 18