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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.05 MB, 132 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐẶNG NHƢ ĐỊNH
NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ LỌC THÔNG DẢI, BỘ CHIA
CÔNG SUẤT, ANTEN SỬ DỤNG ĐƢỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP,
VÒNG CỘNG HƢỞNG VÀ HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐẶNG NHƢ ĐỊNH
NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ LỌC THÔNG DẢI, BỘ CHIA
CÔNG SUẤT, ANTEN SỬ DỤNG ĐƢỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP,
VÒNG CỘNG HƢỞNG VÀ HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62520208
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI
2. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN
Hà Nội – 2017
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả
nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất
hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được đảm bảo tính chính xác và
trung thực.
Tác giả luận án
Đặng Nhƣ Định
ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đào Ngọc Chiến và TS.
Hoàng Phương Chi, người đã trực tiếp hướng dẫn và định hướng khoa học cho tôi trong
suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Thầy Cô đã dành nhiều thời gian, công sức và tâm
huyết hỗ trợ mọi mặt để tôi hoàn thành luận án theo đúng kế hoạch đã đặt ra.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Hệ thống viễn thông,
Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cảm ơn tập thể anh chị em NCS của Viện và
LAB 608 đã tận tình động viên, hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, đồng chí, đồng đội và cơ quan
công tác đã luôn động viên, khích lệ tôi trong thời gian vừa qua để tôi có thêm nghị lực
vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
Đặng Nhƣ Định
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xiii
MỞ ĐẦU............................................................................................................................ xiv
1. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô-đun siêu cao tần .................. xiv
2. Những vấn đề còn tồn tại ...................................................................................... xvi
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ xvii
3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ xvii
3.2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. xviii
3.3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ xviii
4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án ............................................. xviii
5. Cấu trúc nội dung của luận án ............................................................................... xix
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ........................................ 1
1.1. Giới thiệu chương ................................................................................................. 1
1.2. Siêu vật liệu điện từ............................................................................................... 1
1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 1
1.2.2. Đặc điểm ................................................................................................... 1
1.3. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL ...................................... 6
1.3.1. Những đặc tính cơ bản của đường truyền siêu vật liệu ............................ 6
1.3.2. Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng .............................................. 11
1.3.3. Mạng LC bậc thang ................................................................................ 12
1.3.4. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL ..... 14
1.3.5. Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ ................................... 15
1.4. Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ ..................................................... 17
1.4.1. Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR) .............................................................. 18
1.4.2. Bộ cộng hưởng vòng hở mở (OSRR) ..................................................... 20
1.5. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu ........................................................................... 20
1.5.1. Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền ........................................................ 20
iv
1.5.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện
tích bất kỳ. ........................................................................................................ 21
1.6. Ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong thiết kế mô-đun siêu cao tần .............. 22
1.6.1. Bộ lọc thông dải ...................................................................................... 22
1.6.2. Anten vi dải............................................................................................. 25
1.6.3. Bộ chia công suất .................................................................................... 28
1.7. Tổng kết chương ................................................................................................. 30
CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI, ANTEN, BỘ CHIA
CÔNG SUẤT PHẲNG SỬ DỤNG ĐƢỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP VÀ VÒNG
CỘNG HƢỞNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU......................................................................... 31
2.1. Giới thiệu chương ............................................................................................... 31
2.2. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở ........ 31
2.2.1. Phần tử siêu vật liệu CRLH dựa trên vòng cộng hưởng hở .................... 33
2.2.2. Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR ........ 34
2.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ........................................................ 36
2.2.4. Kết luận .................................................................................................. 42
2.3. Anten siêu vật liệu tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng ứng dụng cho hệ
thống WLAN ...................................................................................................... 42
2.3.1. Thiết kế anten siêu vật liệu dựa trên cấu trúc CRLH phẳng ................... 43
2.3.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 45
2.3.3. Kết luận ................................................................................................... 51
2.4. Bộ chia công suất Bagley Polygon phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL 51
2.4.1. Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 thông thường ............................ 52
2.4.2. Thiết kế bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 phẳng nhỏ gọn sử dụng
cấu trúc CRLH TL ............................................................................................ 53
2.4.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận ............................................................. 55
2.4.4. Kết luận ................................................................................................... 58
2.5. Tổng kết chương ................................................................................................. 58
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ ANTEN ĐA
BĂNG TẦN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU ............................ 60
3.1. Giới thiệu chương ............................................................................................... 60
3.2. Bộ lọc thông dải đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu ............... 61
3.2.1. Mô hình bộ lọc ba băng tần .................................................................... 62
3.2.2. Tính toán lý thuyết .................................................................................. 65
3.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ......................................................... 69
3.2.4. So sánh với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố ................. 72
3.2.5. Kết luận ................................................................................................... 72
v
3.3. Anten đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu ................................ 73
3.3.1. Phân tích và tính toán hiệu ứng viền trong anten đa băng tần ................ 73
3.3.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 81
3.3.3. Kết luận ................................................................................................... 85
3.4. Anten hai băng tần dải rộng có kích thước nhỏ gọn sử dụng hiệu ứng viền kết
hợp với cấu trúc CRLH TL ................................................................................. 86
3.4.1. Mô hình anten đề xuất ............................................................................ 86
3.4.2. Tính toán lý thuyết .................................................................................. 88
3.4.3. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 91
3.4.4. Kết luận ................................................................................................... 96
3.5. Tổng kết chương ................................................................................................. 97
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 102
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ATL
Artificial Transmission Line
Đường truyền dẫn nhân tạo
BPF
Bandpass Filter
Bộ lọc thông dải
BC-SRR
Broadside Coupled Split Ring
Resonator
Bộ cộng hưởng vòng hở ghép ngang
BPD
Bagley Polygon Divider
Bộ chia công suất Bagley polygon
BPF
Bandpass Filter
Bộ lọc thông dải
CPW
Coplanar Waveguide
Ống dẫn sóng đồng phẳng
CRLH
Composite Right-Left Handed
Cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp
Composite Right-Left Handed
Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ
Transmission line
phức hợp
CRLH TL
CSRR
DS-SRR
D-CRLH TL
GSM
HFSS
Complementary Split Ring
Resonator
Double Slit Split Ring
Resonator
Bộ cộng hưởng vòng hở bổ sung
Bộ cộng hưởng vòng hở khe đôi
Dual - Composite Right-Left
Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ
Handed Transmission line
phức hợp đối ngẫu
Global System for Mobile
Communications
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
High Frequency Structral
Phần mềm mô phỏng cấu trúc tần số
Simulator
cao
Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái
LH
Left-handed material
LWA
Leaky Wave Antenna
Anten sóng rò
LTE
Long Term Evolution
Tiến hóa dài hạn
MTM
Metamaterial
Siêu vật liệu
NRI
Negative Refractive Index
Chỉ số khúc xạ âm
OSRR
Open Split Ring Resonator
Bộ cộng hưởng vòng hở mở
(Siêu vật liệu)
vii
PLH
Purely Left Handed
PRH
Purely Right Handed
RH
Right-handed material
SR
Spiral Resonator
Bộ cộng hưởng xoắn
SRR
Split Ring Resonator
Vòng khuyết cộng hưởng
TEM
Transverse Electromagnetic
Điện từ ngang
TL
Transmission line
Đường truyền dẫn
Worldwide Interoperability for
Sự tương tác mạng diện rộng bằng
Microwave Access
sóng vô tuyến
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng cục bộ không dây
ZOR
Zero Oder Resonator
Cộng hưởng bậc 0
WiMAX
Vật liệu thuần LH
Vật liệu thuần RH (Vật liệu thông
thường)
Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải
(Vật liệu thông thường)
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. (a) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của vật liệu thông
thường, (b) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của loại vật liệu mới. 3
Hình 1.2. Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách. ........................................................ 3
Hình 1.3. Hệ tọa độ ( , ). .................................................................................................... 4
Hình 1.4. Mô hình vật liệu plasma điện [84]. ........................................................................ 4
Hình 1.5. Các cấu trúc LH thực nghiệm đầu tiên [14]. ......................................................... 5
Hình 1.6. Mô hình vật liệu plasma từ [85]. ........................................................................... 5
Hình 1.7. Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục . ......................................................... 6
Hình 1.8. Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH TL thông thường không tổn hao [14]. 7
Hình 1.9. Đồ thị tán sắc của cấu trúc CRLH (a) năng lượng truyền theo hai hướng của trục
dương và âm, (b) So sánh năng lượng truyền của CRLH, PRH và PLH theo hướng
dương [14]. ............................................................................................................................ 9
Hình 1.10. Trở kháng đặc tính của CRLH trong trường hợp
>
[14]. ................... 10
Hình 1.11. Cấu trúc CRLH TL cộng hưởng cân bằng (a) Sơ đồ mạch tương đương, (b)
Đường cong tán sắc [14]...................................................................................................... 12
Hình 1.12. Một phần tử đơn vị của đường truyền CRLH ở dạng mạch LC (a) Dạng tổng
quát (Không cân bằng), (b) Cân bằng (
) [14]................................................ 12
Hình 1.13. Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ [14]. .............................................. 13
Hình 1.14. Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng [14]................. 14
Hình 1.15. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức
hợp đối ngẫu D-CRLH TL [11]. .......................................................................................... 14
Hình 1.16. Sơ đồ tương đương của một phần tử đơn vị đường truyền CRLH TL thông
thường .................................................................................................................................. 16
Hình 1.17. (a) Mô hình đường truyền CRLH dạng cấu trúc hình nấm, (b) Sơ đồ tương
đương. .................................................................................................................................. 17
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 [109]..................................................................... 18
Hình 1.19. Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng của SRR vào độ rộng của SRR [109]. .... 19
Hình 1.20. Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR và sơ đồ mạch tương đương [76]...... 20
Hình 1.21. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu. ........................................................................ 21
Hình 1.22. (a) Miền diện tích chưa được cộng hưởng, (b) Miền diện tích đã được cộng
hưởng. .................................................................................................................................. 22
Hình 1.23. (a) Mô hình đường truyền siêu vật liệu CPW dựa trên cấu trúc SRR, (b) Kết quả
đo đáp ứng tần số của mô hình [77]. ................................................................................... 23
Hình 1.24. Mô hình của một phần tử đơn vị cộng hưởng dựa trên cấu trúc CSRR [77]..... 23
ix
Hình 1.25. (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu với cấu trúc SRR không cân bằng dạng biến
đổi ở mặt trên và mặt đế không hoàn hảo, (b) Kết quả mô phỏng và đo tham số tán xạ và
trễ nhóm [5]. ........................................................................................................................ 24
Hình 1.26. (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu dạng đường truyền cộng hưởng bậc không
(ZOR) với cấu trúc răng lược, (b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc [52]........ 24
Hình 1.27. (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu dạng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc
vòng cộng hưởng hở, (b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc [38]. .................... 25
Hình 1.28. (a) Mô hình anten hai băng tần với tải MTM, (b) Kết quả mô phỏng và đo thực
nghiệm hệ số phản xạ của anten siêu vật liệu đề xuất và anten không có tải MTM [124].. 25
Hình 1.29. Mô hình anten lưỡng cực với tải MTM dạng vòng cộng hưởng hở bổ sung mở
(OCSRR) [44]. ..................................................................................................................... 26
Hình 1.30. (a) Mô hình anten hai băng tần với tải MTM (b) Kết quả mô phỏng và đo thực
nghiệm hệ số phản xạ của anten siêu vật liệu đề xuất và anten không có tải MTM [40].... 27
Hình 1.31. Anten siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH: (a) Mô hình anten đề xuất, (b)
Sơ đồ mạch LC tương đương [82]. ...................................................................................... 27
Hình 1.32. Bộ chia công suất khớp nối chữ T: (a) Cấu trúc thông thường, (b) Cấu trúc siêu
vật liệu đề xuất [95]. ............................................................................................................ 28
Hình 1.33. (a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Mẫu chế tạo bộ chia công suất cân bằng ba băng tần
[32]. ..................................................................................................................................... 29
Hình 1.34. Bộ chia công suất 1:4 sử dụng bộ ghép giữa đường truyền vi dải và đường
truyền dẫn có hệ số khúc xạ âm NRI-TL: (a) Sơ đồ nguyên lý bộ chia, (b) Mẫu chế tạo
thực nghiệm [49]. ................................................................................................................ 29
Hình 1.35. Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử dụng CRLH TL (a) Sơ đồ layout đoạn
biến đối ¼ bước sóng sử dụng cấu trúc CRLH, (b) Mẫu chế tạo thực nghiệm bộ chia công
suất [27]. .............................................................................................................................. 30
Hình 2.1. Mô hình các cấu trúc siêu vật liệu điện từ: (a) Cộng hưởng vòng hở, (b) Cộng
hưởng vòng hở mở............................................................................................................... 33
Hình 2.2. Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ tương đương của nó. ................................ 33
Hình 2.3. Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp dựa trên sự kết hợp
một chuỗi các OSRR. .......................................................................................................... 34
Hình 2.4. Thiết kế ban đầu của bộ lọc được đề xuất dựa trên việc kết hợp một chuỗi các
OSRR thể hiện trong hình 2.3. ............................................................................................ 35
Hình 2.5. Thiết kế hoàn thiện bộ lọc thông dải băng rộng dựa trên OSRR với các nhánh
dây chêm. ............................................................................................................................. 36
Hình 2.6. Các bước thực hiện để thiết kế bộ lọc đề xuất. .................................................... 36
Hình 2.7. Đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM ở hình 2.3. ...................................................... 37
Hình 2.8. Hệ số từ thẩm và điện môi của cấu trúc ở hình 2.3: (a) Độ từ thẩm hiệu dụng μeff
, (b) Hằng số điện môi hiệu dụng εeff. .................................................................................. 37
Hình 2.9. Mẫu chế tạo bộ lọc thông dải đề xuất ban đầu không có dây chêm. ................... 38
Hình 2.10. Mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S của bộ lọc đề xuất khi không có dây
chêm. ................................................................................................................................... 38
x
Hình 2.11. Mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của bộ lọc ở các bước thiết kế tương ứng....... 38
Hình 2.12. (a) Phân bố d ng bề mặt của bộ lọc OSRR không có đường dẫn mở tại dải
chắn, (b) Phân bố d ng bề mặt của bộ lọc OSRR với các đường dẫn mở tại dải chắn. ...... 39
Hình 2.13. Phân bố d ng điện trong dải thông của bộ lọc khi có dây chêm. ...................... 39
Hình 2.14. Mẫu chế tạo bộ lọc thông dải đề xuất với dây chêm. ........................................ 40
Hình 2.15. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S của bộ lọc đề xuất khi có dây
chêm. ................................................................................................................................... 40
Hình 2.16. Mô phỏng tham số tán xạ S của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm. ....... 40
Hình 2.17. Đo thực nghiệm tham số tán xạ S của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm.
............................................................................................................................................. 40
Hình 2.18. Mô phỏng trễ nhóm của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm. ................... 41
Hình 2.19. Mô hình anten đề xuất: (a) Anten_1, (b) Anten_2. ........................................... 44
Hình 2.20. Sơ đồ mạch LC tương đương của anten đề xuất. .............................................. 45
Hình 2.21. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten khi có và không có tải: (a) Anten_1,(b)
Anten_2. .............................................................................................................................. 46
Hình 2.22. Mật độ phân bố d ng trên anten đề xuất tại tần số 2,45 GHz: (a) Anten_1, (b)
Anten_2. .............................................................................................................................. 46
Hình 2.23. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của Anten_1 với các giá trị kích thước khác nhau:
(a) Chiều dài của đường gấp khúc L_step, (b) Độ rộng của đường gấp khúc W2.. ............ 47
Hình 2.24. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của Anten_2 với các giá trị kích thước khác nhau:
(a) Chiều dài của đường gấp khúc L_step, (b) Độ rộng của đường gấp khúc W2. ............. 47
Hình 2.25. Trở kháng vào của anten đề xuất: a) Anten_1, and b) Anten_2. ....................... 48
Hình 2.26. Đồ thị bức xạ của anten đề xuất: a) Anten_1, và b) Anten_2............................ 49
Hình 2.27. Mẫu chế tạo của hai anten đề xuất và anten vi dải tham khảo.. ........................ 50
Hình 2.28. Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của các mẫu anten chế tạo. ........................ 50
Hình 2.29. Bộ chia Bagley Polygon 1:3 thông thường: a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Sơ đồ mạch
tương đương [27]. ................................................................................................................ 52
Hình 2.30. Mô hình bộ chia BPD được đề xuất. ................................................................. 53
Hình 2.31. Mô hình mạch tương đương của phần tử trong đường truyền CRLH ZOR không
sử dụng cột nối kim loại [97]............................................................................................... 53
Hình 2.32. Tham số tán xạ của bộ chia BPD được đề xuất. ................................................ 55
Hình 2.33. Kết quả mô phỏng S11 của mô hình đề xuất với các kích thước khác nhau: (a)
độ rộng răng lược cw, (b) độ dài răng lược cl, (c) số lượng răng lược n, (d) chiều dài đường
gấp khúc ll. ........................................................................................................................... 56
Hình 2.34. Phân bố d ng điện của bộ chia đề xuất ở 2,275 GHz. ....................................... 57
Hình 3.1. Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất ở không gian ba chiều (a) và hai chiều (b). 63
Hình 3.2. Mô hình ống dẫn sóng phẳng hữu hạn [14]. ........................................................ 64
Hình 3.3. Cấu trúc bộ lọc với thành phần cộng hưởng ST1: (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới. ... 69
xi
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của cấu trúc hai băng tần tương ứng với
sự thay đổi của tham số: (a) ws1, (b) ls3. ............................................................................. 69
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của bộ lọc với ST1 khi ws1 = 5 mm, và ls3 =
3 mm. ................................................................................................................................... 70
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường E (bên trái) và mật độ phân bố
dòng (bên phải) tại bề mặt của bộ lọc tại tần số: (a) 2,45 GHz, (b) 3,5 GHz và (c) 5,2GHz.
............................................................................................................................................. 71
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc thông dải ba băng tần đề xuất với đế
điện môi 20 mm 20 mm. .................................................................................................. 72
Hình 3.8. Mẫu chế tạo với kích thước đế điện môi 22 mm 22 mm và kết quả đo thực
nghiệm tham số tán xạ. ........................................................................................................ 72
Hình 3.9. Mô hình anten có sử dụng hiệu ứng viền ............................................................ 74
Hình 3.10. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền gây ra bởi mode lên mode
và
................................................................................................................................. 74
Hình 3.11. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền của mode
và
lên mode . 76
Hình 3.12. Mô hình cấu trúc anten đa băng tần đề xuất. ..................................................... 78
Hình 3.13. Mô hình mạch tương đương của anten đề xuất tương ứng với mode cộng hưởng
thứ i. ..................................................................................................................................... 78
Hình 3.14. Mô hình tự tương hỗ giữa hai thành phần vi dải. .............................................. 79
Hình 3.15. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đa băng tần đề xuất ............................ 82
Hình 3.16. Kết quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường (bên trái) và mật độ phân bố
dòng (bên phải) của anten đề xuất tại các tần số trung tâm (a) 1,78 GHz, (b) 2,52 GHz, (c)
3,58 GHz.............................................................................................................................. 82
Hình 3.17. Mô phỏng hệ số S11 của anten với các giá trị khác nhau của (a) g1, (b) g2, (c)
g3. ......................................................................................................................................... 83
Hình 3.18. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại các tần số: (a) 1,78 GHz, (b) 2,45
GHz, (c) 3,58 GHz ............................................................................................................... 84
Hình 3.19. Mẫu chế tạo anten đề xuất. ................................................................................ 85
Hình 3.20. Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của mẫu anten đề xuất. .............................. 85
Hình 3.21. Mô hình anten siêu vật liệu đề xuất. .................................................................. 87
Hình 3.22. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc anten đề xuất. ....................................... 87
Hình 3.23. Mô hình tính toán giá trị cuộn cảm: (a) Cuộn cảm
, (b) Cuộn cảm
. ....... 89
Hình 3.24. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của anten với các giá trị khác nhau của (a) độ rộng
wk đường gấp khúc, và (b) khoảng ghép wc giữa đường gấp khúc và tấm bức xạ. ............. 92
Hình 3.25. Phân bố dòng của anten tại tần số: a) 2,45 GHz, và b) 5,5 GHz ....................... 92
Hình 3.26. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đề xuất với đế điện môi dày 0,8 mm.. 93
Hình 3.27. Phân bố dòng của anten với đế điện môi dày 1,6 mm tại: a) 2,45 GHz, và b) 5,5
GHz...................................................................................................................................... 94
Hình 3.28. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đề xuất với đế điện môi dày 1,6 mm.. 94
xii
Hình 3.29. Đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại tần số: (a) 2,45 GHz, và (b) 5,5 GHz. ....... 95
Hình 3.30. Mẫu anten chế tạo thực nghiệm: Mặt trước và mặt sau..................................... 96
Hình 3.31. Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của mẫu anten. ........................................... 96
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. So sánh với một số cấu trúc bộ lọc thông dải đã đề xuất .................................... 41
Bảng 2.2. Tham số kích thước tối ưu của các anten đề xuất (Đơn vị: mm) ........................ 49
Bảng 2.3. So sánh với một số anten siêu vật liệu đã công bố .............................................. 51
Bảng 2.4. Các thông số tối ưu của bộ chia được đề xuất .................................................... 58
Bảng 3.1. Kích thước thiết kế tối ưu của bộ lọc ba băng tần. .............................................. 68
Bảng 3.2. So sánh bộ lọc đề xuất với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố. ..... 72
Bảng 3.3. Các tham số thiết kế tối ưu của anten ba băng tần đề xuất (Đơn vị: mm). ......... 83
Bảng 3.4. Tham số kích thước tối ưu của cấu trúc anten đề xuất (Đơn vị: mm) ................. 94
Bảng 3.5. So sánh với một số cấu trúc anten siêu vật liệu đã công bố ................................ 96
xiv
MỞ ĐẦU
1. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế môđun siêu cao tần
Trong những năm gần đây, kỹ thuật siêu cao tần đã có những tiến bộ vượt bậc 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.
Nhiều mô hình mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công
suất in trên đế điện môi đã được thiết kế và chế tạo thành công. Tuy nhiên, 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<0) – gọi là siêu vật liệu
điện từ (MTM) [107]. Sự phát hiện này không chỉ mở ra nhiều cơ hội chế tạo các thiết bị
mới với những đặc tính khác biệt mà c n đưa ra một hướng thiết kế mới trong việc thu nhỏ
kích thước mô-đun siêu cao tần nhờ vào đặc tính ưu việt của cấu trúc MTM. Cấu trúc siêu
vật liệu điện từ, mà đặc trưng là cấu trúc đường truyền dẫn nhân tạo kết hợp giữa đường
truyền vật liệu thông thường (RH TL) và đường truyền siêu vật liệu (LH TL) để hình thành
đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL). Đặc tính của cấu trúc CRLH TL
dạng thông thường là có thể tạo ra mode cộng hưởng có dải tần hoạt động thấp hơn mode
cộng hưởng cơ bản của mô-đun siêu cao tần [14], do vậy, phần tử có thể hoạt động ở một
dải tần số thấp hơn mà vẫn giữ nguyên kích thước. Điều này giúp mô-đun siêu cao tần có
kích thước rất nhỏ gọn, bên cạnh đó là khả năng hoạt động ở đa băng tần tùy theo việc sử
dụng CRLH TL vào thiết kế.
Với những ưu điểm trên, cấu trúc CRLH TL đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh
vực thiết kế các mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất.
Vì vậy, cấu trúc đường truyền CRLH TL và các ứng dụng của nó trong kỹ thuật thiết kế
mô-đun siêu cao tần đã trở thành một hướng nghiên cứu mới thu hút được sự quan tâm của
xv
rất nhiều các nhà khoa học cũng như các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Gần đây rất
nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu, phát triển các mô hình môđun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất, .v.v dựa trên nguyên lý
của siêu vật liệu điện từ:
Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng đường truyền siêu vật
liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH TL) thông thường [3, 9, 72, 89, 91, 121, 123, 124]. Cấu
trúc CRLH TL là một đường truyền dẫn nhân tạo có thể tạo ra quá trình truyền sóng ngược
ở dải tần số thấp (LH TL) và sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL). Vì vậy, các mô-đun
siêu cao tần được thiết kế với tải là các phần tử đơn vị CRLH TL hoặc toàn bộ mô hình
thiết kế có thể biểu diễn bằng một sơ đồ mạch tương đương của một phần tử CRLH TL.
Khi đó, mô hình đề xuất sẽ cộng hưởng theo tính chất của cấu trúc CRLH TL thông
thường, nghĩa là, mode cộng hưởng mới sẽ được tạo ra ở dải tần số thấp bên cạnh mode
cộng hưởng cơ bản ở dải tần số cao tạo bởi phần tử anten thông thường. Đây chính là cơ sở
để thu nhỏ kích thước linh kiện, đồng thời tạo ra cộng hưởng đa băng tần cho thiết bị.
Trong các thiết kế mô-đun siêu cao tần, anten mạch dải đa băng tần thường được thiết kế
với tải siêu vật liệu điện từ (MTM). Khi đó, các cấu trúc răng lược [124] hoặc cấu trúc
vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu [43-45, 79] được khoét trên bề mặt tấm bức xạ của
anten để tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần thấp. Một số nghiên cứu khác
biến đổi anten vi dải truyền thống thành anten siêu vật liệu bằng cách tạo ra các thành phần
điện dung và điện cảm LH trên mô hình anten vi dải để hình thành cấu trúc phức hợp
CRLH [82]. Khi đó, mô hình anten được biểu diễn tương đương như một phần tử đơn vị
của cấu trúc CRLH TL thông thường. Trong các thiết kế này, điện dung LH thường được
tạo ra bằng khe hở ghép giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ c n điện cảm LH được tạo bởi
các cột nối từ tấm bức xạ xuống mặt đế [59, 82]. Ở một số nghiên cứu khác [66, 70, 97],
cấu trúc CRLH TL đồng phẳng được thay thế cho cấu trúc CRLH thông thường, khi đó cột
nối kim loại được thay thế bằng các đường vi dải đặt đồng phẳng với tấm bức xạ ở mặt
trên ở anten.
Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng
dạng siêu vật liệu. Ở xu hướng thiết kế này các vòng cộng hưởng kim loại được sử dụng
bao gồm vòng cộng hưởng hở (SRR), vòng cộng hưởng hở mở (OSRR), vòng cộng hưởng
hở bổ sung (CSRR) và một biến thể của các cấu trúc SRR. Trong các nghiên cứu này, cấu
trúc của mô-đun siêu cao tần được thiết kế có dạng vòng cộng hưởng siêu vật liệu [5, 38]
hoặc khoét các mô hình vòng cộng hưởng này lên bề mặt bức xạ [44, 45] hoặc mặt phẳng
đế của cấu trúc đề xuất [40, 41].
xvi
Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu
(D-CRLH TL) để phát triển các mô-đun siêu cao tần. Đây là loại đường truyền có tính chất
đối ngược với cấu trúc CRLH TL thông thường khi thể hiện đặc tính đường truyền LH ở
dải tần số cao và đường truyền RH ở dải tần số thấp [11]. Dạng đường truyền siêu vật liệu
này thường được sử dụng để thiết kế các anten vi dải đa băng tần có kích thước thu gọn [1,
2, 64, 89, 94], anten sóng rò (LWA) [12, 33, 68] hoặc bộ lọc chắn dải [68].
Nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng bậc không (ZOR) dạng CRLH để thiết kế
các mô-đun siêu cao tần có kích thước nhỏ gọn [51, 52, 69, 97] và ứng dụng đường truyền
dẫn siêu vật liệu vào một số thiết kế anten sóng rò LWA [18, 42, 71, 119].
Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ vào thiết kế môđun siêu cao tần đều hướng tới khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng, và đặc
biệt, với kích thước rất nhỏ gọn, cấu hình đơn giản và dễ chế tạo.
2. Những vấn đề còn tồn tại
Vai trò của siêu vật liệu điện từ là rất quan trọng trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun
siêu cao tần. Việc nghiên cứu và ứng dụng siêu vật liệu luôn là đề tài mang tính thời sự cao
với mục tiêu tăng khả năng tích hợp các mô-đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải
và các thiết bị có kích thước ngày càng thu gọn. Do đó, việc thiết kế các mô-đun siêu cao
tần bên cạnh yêu cầu hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng, cần phải hướng tới hai
tiêu chí đó là kích thước nhỏ gọn và cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo.
Một số nghiên cứu đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần dạng siêu vật liệu sử dụng
đường truyền CRLH phẳng thay cho đường truyền CRLH thông thường. Cụ thể, các cột
nối kim loại ở phần tử đơn vị đường truyền thông thường được thay thế bằng các đường
mạch dải đồng phẳng [66, 70, 72, 124]. 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 [40, 41, 70]. Các mô hình này cấu trúc đơn giản dễ chế tạo tuy nhiên lại có kích
thước khá lớn [40, 70, 72, 124].
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 [38, 52, 82, 91, 95] hoặc cầu nối kim loại [123].
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 [27, 32]. Các giá trị của phần tử tập trung thường được chọn với giá trị gần đúng,
xvii
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 [21, 25, 35, 48, 78, 80]. Một số nghiên cứu khác sử dụng
nhiều phần tử ký sinh để cộng hưởng ở các tần số khác nhau [7, 54], hoặc sử dụng kỹ thuật
loại bỏ băng tần từ cấu trúc băng thông rộng để tạo cộng hưởng đa băng tần, trong trường
hợp này các cấu trúc khe khoét thường được sử dụng để loại bỏ các băng tần không mong
muốn [55, 56]. Trong khi đó, các thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần thường sử dụng bộ
cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) [16, 17, 118] hoặc kết hợp giữa SIR và cấu trúc mặt đế
không hoàn hảo [60]. Ngoài ra, sử dụng phân tích mode chẵn-lẻ [108, 113], bộ cộng hưởng
nửa bước sóng [65], bộ cộng hưởng đa mode [117], bộ cộng hưởng tải dây chêm ngắn hoặc
hở mạch [15, 22, 118] 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. Vai trò của bộ lọc thông dải là cho một dải tần số nào đó đi qua với tần số cắt ở dải
thấp và cao xác định. Trong các thiết kế bộ lọc sử dụng công nghệ mạch dải, chỉ tiêu thiết
kế về độ tổn hao chèn là rất quan trọng, tổn hao chèn càng thấp thì năng lượng suy hao
càng bé. Vì vậy, cấu trúc bộ lọc cần hạn chế sự bức xạ của các phần tử hay tổn hao năng
lượng đường truyền ra bên ngoài. Trong khi yêu cầu về bức xạ là bắt buộc đối với thiết bị
anten của các hệ thống thông tin vô tuyến. 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế
hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc v ng cộng hưởng dạng siêu
vật liệu.
xviii
Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần 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 tƣợng 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 dạng đồng phẳng kích thước nhỏ
gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng
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 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.
Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ở dải tần số
siêu cao.
4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án
Việc nghiên cứu các giải pháp thiết kế các mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý
siêu vật liệu 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 giải pháp thiết kế bộ lọc thông dải, anten vi dải và bộ chia công suất có
kích thước nhỏ gọn, cấu trúc phẳng hoạt động ở băng rộng hoặc đa băng tần
sử dụng đường truyền siêu vật liệu CRLH TL; v ng cộng hưởng hở OSRR và
hiệu ứng viền của siêu vật liệu. Đồng thời làm nền tảng cho các nghiên cứu
tiếp theo trong phân tích, thiết kế và phát triển các mô-đun siêu cao tần.
Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp thiết kế giảm nhỏ kích thước, thiết kế cấu
trúc băng rộng, thiết kế cấu trúc đa băng tần và các mô hình mô-đun siêu cao
xix
tần được thiết kế trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất
ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới.
Những đóng góp khoa học của luận án gồm:
(1) Phát triển và thực hiện giải pháp thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng cấu trúc
phẳng, kích thước nhỏ gọn sử dụng bộ cộng hưởng OSRR và kết hợp với dây
chêm hở mạch để tăng đặc tính chọn lọc cho bộ lọc đề xuất.
(2) Phát triển và thực hiện giải pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần cấu trúc phẳng,
kích thước nhỏ gọn sử dụng đường truyền CRLH TL thông thường cho anten
vi dải của hệ thống WLAN và bộ chia công suất trong hệ thống thông tin
3G/2,1 GHz và 4G/2,6 GHz.
(3) Đề xuất và thực hiện giải pháp sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết
kế bộ lọc thông dải và anten vi dải đa băng tần cho các hệ thống thông tin
WLAN 2,45/5,2 GHz; WiMAX/3,5 GHz và 4G/1,8 GHz.
5. Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án bao gồm ba chương. Phần giới thiệu tổng quan và cơ sở 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 được thể hiện trong các nội dung đề xuất ở chương 2 và chương 3.
Đầu tiên, chương 1 tập trung giới thiệu các đặc tính cơ bản của siêu vật liệu điện từ.
Chương này cũng đề cập đến đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL thông
thường. Cụ thể, các phân tích được thực hiện từ đặc tính tán sắc/suy hao của một phần tử
đơn vị đường truyền CRLH đến việc tạo ra một mạng LC ghép bởi các phần tử đơn vị để
ứng dụng trong các thiết kế mô-đun siêu cao tần trong thực tế. Các điều kiện về trở kháng
vào, cộng hưởng cân bằng hay không cân bằng và điều kiện biên để đảm bảo cho một
mạng LC hoạt động cũng được trình bày chi tiết. Trong phần tiếp theo, chương này giới
thiệu về các phần tử cộng hưởng dạng siêu vật liệu, trong đó có cấu trúc vòng cộng hưởng
hở mở OSRR được lựa chọn để thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng đề xuất ở chương 2.
Ngoài ra, lý thuyết thiết kế anten siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH TL cũng được
trình bày trong chương 1. Cuối chương là phần giới thiệu các mô hình mô-đun siêu cao tần
đã được thiết kế sử dụng cấu trúc CRLH TL và một số cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật
liệu điện từ.
Chương 2 đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần có kích thước nhỏ gọn sử dụng
đường truyền CRLH TL và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu. Cụ thể, ba mô
xx
hình được đề xuất bao gồm (1) 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). Cấu trúc dây
chêm hở mạch được sử dụng để cải thiện đặc tính chọn lọc tần số ở dải tần số cao của bộ
lọc, (2) mô hình anten CPW kích thước nhỏ gọn dạng đồng phẳng sử dụng đường truyền
CRLH TL dạng biến đổi, trong đó cột nối kim loại trong cấu trúc thông thường được thay
thế bằng các đường vi dải gấp khúc đặt đồng phẳng với mặt bức xạ và mặt phẳng đế, và (3)
mô hình 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.
1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ
1.1. Giới thiệu chƣơng
Chương này trình bày lý thuyết tổng quan về siêu vật liệu điện từ, trong đó tập trung
giới thiệu cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL) dạng thông
thường. Đây là đường truyền kết hợp của đường truyền vật liệu thông thường RH TL và
đường truyền siêu vật liệu LH TL. Sơ đồ mạch
tương đương của một phần tử đơn vị
của đường truyền, các tham số trở kháng vào, tần số cộng hưởng của vùng tần số RH và
LH, các điều kiện cộng hưởng cân bằng và không cân bằng sẽ được trình bày chi tiết trên
cơ sở phân tích đặc tính tán sắc/suy hao và hệ số truyền sóng của đường truyền. Phần tiếp
theo, chương này trình bày về các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu và hiệu ứng viền của
siêu vật liệu. Đây là cơ sở của thiết kế đề xuất các mô-đun siêu cao tần như bộ lọc thông
dải, bộ chia công suất, anten vi dải ở chương 2 và chương 3. Cuối cùng, một số ứng dụng
cơ bản của đường truyền CRLH TL trong thiết kế các mô-đun siêu cao tần sẽ được mô tả
trong chương này.
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].
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). Tuy nhiên
vào năm 2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và các đồng nghiệp đã chứng
minh là có thể chế tạo được vật liệu mới có chiết suất
< 0 [107]. Sự việc đó đã dần hiện
thực hoá lý thuyết về vật liệu mới của nhà khoa học người Nga Veselago Victor
Georgevick, ông đã ra đưa lý thuyết này vào năm 1968. Mối quan hệ giữa hằng số điện
môi và độ từ thẩm là [14]:
√
trong đó < 0 và
<0
(1.1)
2
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
thông thường ( > 0 và
< 0 có khác với nguyên lý động lực học của vật liệu
< 0 và
> 0). Có thể có 3 câu trả lời:
Không có sự khác biệt bởi vì nguyên lý động lực học không thay đổi nếu
và
cùng đổi dấu.
Hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng giá trị âm là không thể bởi vì nó đối nghịch
với các nguyên tắc cơ bản.
Hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng giá trị âm là có thể nhưng nguyên lý động
lực học của những vật liệu này sẽ khác với các vật liệu có > 0 và
> 0.
Có thể thấy câu trả lời thứ ba là đúng. 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 ,
bàn tay phải đối với vật liệu có
tắc bàn tay trái với vật liệu có
> 0 và
< 0 và
,
được xác định theo quy tắc
> 0 nhưng cũng có thể xác định được theo quy
< 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,
metamaterials được kí hiệu 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 ,
[14]:
(1.4)
Và hướng của vectơ vận tốc pha
đó hướng của vectơ vận tốc nhóm
trùng với hướng vectơ sóng . Nhưng trong khi
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
3
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 vật liệu đó có đặc tính là có < 0 và
< 0.
k
k
H
S
H
S
E
E
Vật liệu RH
Vật liệu LH
(a)
(b)
Hình 1.1. (a) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting
(b) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting
và vectơ sóng
và vectơ sóng
của vật liệu thông thường,
của loại vật liệu mới.
Sự không cùng hướng của vectơ vận tốc pha và vectơ vận tốc nhóm có một số ảnh
hưởng đến hiện tượng vật lý vẫn thường gặp. Vấn đề này sẽ được chi tiết ở phần sau. Dưới
đây chỉ là một trong những ảnh hưởng cơ bản nhất của nó để chỉ ra rằng chiết suất cũng có
thể là một số âm.
Như đã biết thông thường một tia sáng đến gặp bờ phân cách giữa 2 môi trường khác
nhau tia sáng sẽ bị khúc xạ theo đường 1-4 như trên hình 1.2 bên dưới:
2
1
j
j
f f
3
4
Hình 1.2. Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách.
Tuy nhiên khi vận tốc pha và vận tốc nhóm không cùng hướng thì hiện tượng bất
thường xảy ra là tia sẽ bị lệch đi theo hướng 1-3. Vì vậy nếu muốn giữ nguyên công thức
về hiện tuợng khúc xạ (Định luật Snellius),
(1.5)
