Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten – metamaterial

u nh hng ca tham s c
n t ca anten  metamaterial


Nguyn Th 


i hc Khoa hc T 
Lu ThS.  Vn t; : 60 44 03
ng dn: TS. Trn Mng
o v: 2012


Abstract. Tng quan v m anten; t bc x n t
 n c    ch d  u v    
Metamaterials dng b mt tr -  ng
dng trong thit k c nghim. Kt qu o lun:
Thit k ng anten mch di; thit k ng b mt tr 
ng anten metamaterial; khng c c
n t ca anten - metamaterial.

Keywords. n t; ; K thut truy; Vn


Content
MỞ ĐẦU












 , theo




   gn . 





 
 nten 
















 .
 

, 



nten vi m

(microstrip antenna), 

















 .; 














 .  ,  ,
hiu sut cao 














 anten.










 u sut th




u sut anten 



cn thit 













.  m ru sut ca Anten mch di
ni vt lic s dng mt loi vt liu
m ci thin t ci rt
hiu qu c nhi gim g
t ling nht hiu dng vt
vt lic hit lit sut
t vt so vi vt liu kin
 c hiu nh lut Snell [4], c hiu
ng Goos-Hanchen c bit quan tr
 n s lan truy  n t [36, 37], li d       
 n s lan truy mt ci thin mt s 
cht ca anten. Vt k  
chn t ci Anten.Vi nh  Ảnh hưởng
của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterialu
 Metamaterials t ci thin t ca anten.
Mu ca lu
  m c    n   th      
Metamaterial dng b mt tr   HIS - High Impedance Surface)  ng dng
trong thit k anten
u ng c  c n t ca anten
metamaterial.
u ca lu kt hp gi t
c nghim.
B cc ca lum 03 phn:
Phn 1: M U
Phn 2: NI DUNG
Tng quan v anten

: Anten metamaterial
: Phc nghim
t qu o lun
Phn 3: KT LUN


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN

1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG
SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN
1.1.1.Khái niệm anten
t b  bc x n t hoc thu nh 

1.1.2.Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.
V   t k h th n t        ng hoc t
ng bic x n tc t s bc x ch xy ra
trong nhu kin nhnh.
1.1.3.Hệ phƣơng trình Maxwell.
  nhn cn
ng lc h
Trong ph coi n t u
i dng phc
ti
e


)cos()Re( tEeEE
ti






(1.1a)
(1.1b)
)sin()Im( tEeEE
ti





 dc vii dng:
e
p
JEiHrot 



(1.2)
(1.3)
(1.4)

(1.5)
HiErot






e
Ediv 

0Hdiv












i
p
1

(1.6)
Kt hp vi ln, h c vit 
e
p
JEiHrot 


m
JHiErot 




m
Ediv 



e
Hdiv 

(1.7)
(1.8)

(1.9)

(1.10)
Gii h c nghim
t ngun gc lan truyn.
1.1.4.Các thông số cơ bản của anten
a. Trở kháng vào của anten
AA
A
A
A
jXR
I
U
Z 

(1.11)
a. Hiệu suất của anten
A
bx
A
P
P



(1.13)
a. Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích
)0(
),(
)0(
),(
),(
2
11
2
11
11
E
E
P
P
D
bx
bx






(1.17)
),(),(

DG
A


(1.18)
b. Dải tần của anten
Di tn cng tn s  a anten nh
tr trong gii hi hc n
tn s lch vi tn s chun fo cc lch chut bc x

c. Các hệ thống anten
  
chu k  tinh, anten mch dt b di
ng.
 Trm tit, anten parabol bc nha.
 H thng  tinh: h  tinh, anten ch tinh,
mu x (20-30GHz).
 Anten phc v u khoa hc.
1.2. ANTEN MẠCH DẢI
1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải
a. Cấu tạo
Anten mch di thc cht kt cu bc x kiu khe. Mi phn t anten g
phn kim loi m 

Hình 1.1: Cấu trúc anten mạch dải[2]
a. Nguyên lí hoạt động
n t 



t tn x t
phc x ng bc x xy ra ch yng gia
tm pht pht.

Hình 1.2: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải[2]
ch di ph thung dng ca cn lo
cch di ph
ng du cc s du hng s
c bi

i vi cn lc
gi trong ng d 
n.

Hình 1.3: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng[2]
ng d, n ti trong l n
a  chn dtm kim loi.
c   mt phin
kim loi, nh bc x   ng gim nhanh theo kho
vi t l 1/r. a mi c da
  i vng truyn mch di,  tn ti 
nn kim lon vic bc x xung n
i.

 n trong ln theo
i nh i hn 
th
= arcsin(1/ ). Sau khi phn x t n, mt b phn ca
  qua mt gii h - n cho mt ph
khi l
ng tp trung ch y m
c phn x n ti mt gii h- 
ging d
1.2.2.Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải
 ch dc
s d ch dng truyn dc
c ng m r   ng truyn d c s d   ng hp
phin kim loic cng m r
dng hng hp phin kim long phc
tp.
ng truyn dn, mi anten mch d nh  
c x chiu rng truyn chi
i khe bc x ng cc t.


Hình 1.4: Mô hình bức xạ của anten mạch dải[2]
Khi chn L = 
d
/2 t bc x ca 2 khe lng t qu 
ng sng trong 2 khe li tr n t bc x
c gn t mch di n
Hic
ng b bu hi ri r
a h  c bi ng nhng hing

n t ng ng 
Trong phn thit k  m mch d nhc tin
bng tru v bt bun s hot
ng (tn s c chn tu ng ng dng), hng s  
i.
 t k:
Chiu rng ca tm kim loi:
W =
00
2
1

r
f
1
2

r

=
1
2
2
0

rr
f
v


(1.20)
Hng s u dng:

reff
=
2
1
r

+
2
1
r

[1+12
W
h
]
-1/2

(1.21)
 m rng chia tm mch d
eff
:
)8.0)(258.0(
264.0)(3.0(
412.0





h
W
h
W
h
L
reff
reff
eff



(1.22)
Chia tm mch di:
L =
L
f
reffr
 2
2
1
00


(1.23)
Chia mt phng t th:
L
g

L
eff
 2)
4
(

(1.24)
(1.24)
Chiu rng ct th:
W
g
W
eff
 2)
4
(


(1.25)
1.2.3.Các tính chất của anten mạch dải
a. Trở kháng vào của anten mạch dải
 Anten nửa bước sóng
W
R
v
0
60



(1.28)
 Anten phần tư bước sóng
Z
v
=
W
0
120


(1.29)
a. Băng thông của anten mạch dải







32/1
4
2
t
ff

(1.30)
a. Tính phân cực của anten mạch dải
1.2.4.Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải
a. Ưu điểm
 Trng ng nhc nh  tn

xut thp cho nhiu ng dng.
 D c g
  t n b
n.
 D  t hong vi nhiu di tn.
 Mng phi hp tr ng ti i c
b. Nhược điểm
 p, gain bc x thp
 n tr lp ca mng anten.
 c x tha t ng truyi ni


CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL
2.1. LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS
2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials
Metamateriat ling nht hiu dt c
t so vt ling.
2.1.2.Các loại vật liệu metamaterials

Hình 2. 1: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được
chỉ ra trong góc phần tư thứ 3
2.1.3.Ứng dụng của metamaterials
Mt trong nhng ng dng ni bt nht ca vt li xut bi
c
cng s ch t

3.
4.
5.

Hình 2. 2: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials [23].





 













6.
7. Hình 2. 3: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình [25].
7.1. ANTEN METAMATERIAL
ng dng ca metamaterials v  th hin s lan
truyn s lan truyn t i metamateri c
n t (EBG: Electronicmagnetic band gap)[33] hay c mt tr 

High Impedance Surface)[8].  anten metamaterial s
m b mt tr ng dng c
thit k anten.
7.1.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface)
a. Khái niệm về bề mặt trở kháng cao.
B mt tr : High Impedance Surface)t loi ca
metamaterials gm nhng c

  

(mass).






















, 









 , 







().
 (




2.6).

Hình 2. 4: Mô hình một bề mặt trở kháng cao[28]











,  







 








. 






t m



, 
ng n
 ln ch

 t phc x). Mch n 
c th hi.

Hình 2. 5: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao[28]
b. Các đặc tính vật lý của bề mặt trở kháng cao
 Các tham số mạch (Circuit Parameters)
C
sheet
=
(2.16)
Lsheet = t
(2.21)

Z=
(2.22)
 Sư
̣
pha
̉
n xa

̣
pha (Reflection Phase)
 = Im {ln ( )}
(2.29)
2.2.2. Anten metamaterial
t anten ming (patch atnenna)  n bi
m mt, mt khe cm trong mt phng, hoc bi
mng trc bao quanh bi mt b mt tr g cao.
Thit k anten v  hng s  
2
, b 
lc s dng vi m








Hình 2. 6: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao[28

CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

 c s dng trong lu kt hp gia 
phc nghim.
3.1. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
S dng phn m t ca anten.
Lua ra mt s kt qu  quan trng c
h s phn x th bc x  th bc x 

3.2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
3.2.1. Qui trình chế tạo anten
Trong lu ch to anten d to mch in
bng rc.
3.2.2. Phƣơng pháp đo
 c ph phn x c dng h thit b Vector Network Analyzer. H
thit b c trang b ti Vin t Rada, Vin Khoa h thu


CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI
4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thƣờng
4.1.2.Kết quả mô phỏng anten mạch dải


c)
Hình 4. 1: Kết quả mô phỏng anten mạch dải


Thảo luận
T kt qu c ta thnh cng ca anten nm  khong
10.5GHz v rn khoc x t qu p vi
u lu p vt qu c.
4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS
4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS
B mc thit k  mm g xp tu
 t tm kim lonh w,
c ni vi mt ph

4.2.2.Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS
Kt qu c v c c c
u chnh rt nhic di ca khong tn s n s cng
ng c n c nh hng s  
chi t li ch to anten (FR4)

Hình 4. 2: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS
4.2.3.Thảo luận
T kt qu c ta thy di cn t ca cng tn
s t n 13.1GHz, cha khong tn s cng c
Vi kt qu   kt hp vc trong khong
tn s t  thit k anten metamaterial.
4.3. THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL
4.3.1.Thiết kế anten metamaterial
S dt k mt k  mc 3.2
  ng s ng s n

4.3.2.Kết quả mô phỏng anten metamaterial


c)
Hình 4. 3: Kết quả mô phỏng anten metamaterial
a) Mô phỏng phổ phản xạ; b) Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực; c) Đồ thị bức xạ không gian
4.3.3. Thảo luận
Kt qu ng cho thy anten metamaterial thit k cng  tn s 10.5GHz
vi di tu sut (gain) bc x 
u sut (gain) bc x c
 rng di tc c i -10
dB).
u sut (gain)

bc x  rng di tc ca anten.
4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT
ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL
4.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và độ
rộng dải tần làm việc của anten metamaterial



Hình 4. 4: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ của anten metamaterial khi
thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại
Thảo luận:
Hiu sut (gain) bc x ca anten metamaterial ln nht khi kho v t
cn tm kim loi p x m/2 ti tn s cng
=28.57mm).
Di tc ca anten metamaterial ln nht khi kho v t c
n tm kim lop x m
y kho v t cn tm kim long /2.
4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten
metamaterial


Hình 4. 5: Kết quả mô phỏng phổ phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của anten
metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS.
Thảo luận:
Kt qu cho thy khi s dng nhiu lu 
rc cc m r giu
lt tua b mt tr c th hin t
u sut hong hp s dng 3 lp HIS bao quanh cho hiu sut
(gain) cao nh
4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc

HIS bằng nhau và khác nhau.

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau
a) Mô phỏng phổ phản xạ; b)Đồ thị bức xạ theo tọa độ cực
Thảo luận:
Kt qu ng hai anten cho thy di tc cu
sut (gain) bc x ca a c
vy vic thit k c i cm cn
thun s hong ca anten s cho hiu qu  gi
 
i c 
di ct h, b rm ca
 cc kt hp v rm m rng hi
ci vi vic trit ca anten s ma
t hp metamaterial.
4.5. KẾT QUẢ ĐO
4.5.1. Kết quả
B c ph phn x c
metamaterial  n s t  h thit b  
hiu sut c kim nghic ph phn x c


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

Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial
4.5.2. Thảo luận
Kt qu  phn x ca hai anten cho thnh cng ca hai anten
u  tn s 11GHz lch so vi kt qu Hz, di tc ca anten

S a thc nghi t

ng s a anten thi
anten ch to.
 gim sai s   ch to v  to
b ch to mch in t ng.


KẾT LUẬN

Lu  “Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten
metamaterial” c mt s kt qu 
- t k c  khong tn s ng hong ca
anten vi di tn hong (<-u sut (gain) bc x 
- t k  mt tr i cm trong khong 9.5-13.1GHz
ng hong ca b m
- t k c  khong tn s ng. Kt qu
c hiu sut (gain) bc x ci 
di tn ho
- u ng c c n tm kim loi,
b rng ca c ca cn t ca
anten metamaterial. Kt qu cho th cng mt
n t cc biu sut gain bc x c
  ng hp khc ci thin b
i ht s  mt v n t ca
ct hp metamaterial ci gian khi vi tng hp
c th.
-  t phn x
c kim nghim kt qu ng.
- T nhng kt qu c ca lu  
 u sut c rng di tc c
n s ho

References
Tiếng Việt
1. Lí thuyết và Kĩ Thuật Anteni,
tr. 5-41,459-469.
Tiếng Anh
2.   Antenna theory-analyse and design    
York, pp. 811-843.
3. Bonache J, Gil I, Garcia-Garcia J, and Martin F (2006), "Novel microstrip bandpass
filters based on complementary split-ring resonators", IEEE Trans. Microwave Theory
Tech. 54, 265.
4. Christophe Caloz  Electromagnetic Metamaterials: Transmission line theory
and microwave applicationsCanada.
5. Colburn J. S., and Rahmat-
IEEE Trans. Antennas Propagat, pp. 178594.
6. Cuong, T. M., Ouslimani, H., Guida, G., Priou, A., Teillet, H. and Daden J. P. (2008),
 PIERS.
7. 
         
PIERS
8. Cuong, T. M., Hafdallah-Ouslimani, H., Zhou, L., Priou A. C., Teillet H., Daden, J. Y.,
            
Progress In Electromagnetics Research C, pp. 217-229.
9. CST (2008), Microwave Studio, Software.
10.           Negative-index
metamaterial at 780 nm wavelength32, 53.
11.    An idea for thin subwavelength cavity resonators using
metamaterials with negative permittivity and permeability IEEE Antennas Wireless

Propagat, Lett. 1, 10.
12.        Negative-Refraction Metamaterials:
Fundamental Principles and Applications-IEEE Press.
13. Antenna theory & design-Interscience.
14.                
        J. of
Electromag, Wave ans Appl, pp. 819-825.
15. Garg R., Bhartia P., Bahl I. J.,and Ittipiboon A. (2001)Microstrip Antenna Design
Handbook”, Editors, Artech House.
16. 
         
Op26th Army science conference, USA.
17. Jiabi C, Wang Y, Jia B, Geng T, Li X, Liang B, Zhang X, Gu M, and Zhuang S (2011),
Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical
frequencies5, pp. 239-245.
18. [11] Lam V D, Kim J B, Tung N T, Lee S J, Lee Y P, and Rhee J. Y (2008),
Dependence of the distance between cut-wire-pair layers on resonance frequencies
Opt. Express. 16, 5934.
19. Lam V D, Tung N T, Cho M H, Park J W, Rhee J Y, and Lee Y P (20Influence of
the lattice parameters on the resonance-frequency bands of a cut-wire-pair medium
Appl. Phys. 105, 113102.
20.         Biosensing using split-ring resonators at
microwaveregime92, 254103.
21. Liang 
    Microwave and Optics Technology Letters, pp.
2167-2170.
22. Mahmoud S. F. and Al-
reduced  Progress In Electromagnetics Research (PIER), pp.
71-86.
23. Miguel A. G. Laso, Txema Lopetegi, Maria J. Erro, David Benito, Maria J. Garde, and

   -Frequency-Tuned Photonic Bandgap Microstrip
IEEE Microwave and Guided Wave Letters, pp. 220-223.
24.        
Science.
25. Negative Refraction Makes a Perfect Lens85,
3966.
26. Pendry J B, Holden A          Magnetism from
Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena     
Tech. 47, 0018.
27. Controlling electromagnetic fields
312, 1780 (2006).
28. SievenpHigh-Impedance Electromagnetic Surfaces
California, Los Angeles.
29. Sievenpiper          
Microwave Symposium IEEE, pp. 404-408.
30. Smith D R, Padilla W J, Vier D, Nemat-Composite
medium with simultaneously negative permeability and permittivity
84, 4184.
31.                  Triple
negative-permeability in hybridized cut-wire-pair metamaterials283,
4303.
32.     The electrodynamics of substances with simultaneously
Sov. Phys. Usp. 10, 509.
33. Xin H., Matsugatani K., Kim M., Hacker J., Higgins J A, Rosker M. and Tanake M.
     -profile monopole antennas on high
Electronics Letters.
34.     

35. Yang Ha    FDTD Modeling of Metamaterials - Theory and
applications

36.       Electromagnetic bandgap structures in antenna
engineering”, Cambrige university press, Cambridge, pp. 1-54, 87-153.
37. 
IEEE Trans.
38. 
IEEE Trans.
39.                
         J. of
Electromagn Waves and Appl, pp. 199-213.