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<0) – gọi là siêu vật liệu điện từ (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, do vậy, linh kiện 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, Gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên
cứu, phát triển các mô hình mô-đun 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. 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.
 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.
 Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu (DCRLH 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
Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ vào thiết kế mô-đun 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
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

1


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 môđun 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
ta gọi là CRLH TL cân bằng và khe hở đóng lại.

Hình 1.9. So sánh năng lượng truyền của CRLH,
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
)
(1.22a)
min(
(LH thông dải)
)

)
(1.22b)
min(
max(
)
(1.22c)
max(
(RH thông dải)
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
p
p
p
Cấu trúc CRLH TL là không sẵn có
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
2
1
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
⁄ thì mạng
tế, nếu
có thể coi là
Hình 1.14. Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu
kỳ với TL lý tưởng.
TL lý tưởng trong dải tần giới hạn.
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
Độ rộng

e

C

C

(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
như sau:

và điện dung

kết hợp với mỗi nửa của SRR được mô tả

(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
CS
LS
chính là giá trị điện dụng của bộ cộng hưởng
xoắn SR và gấp 2 lần giá trị điện dung của bộ
Hình 1.20. Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR
cộng hưởng SRR, trong khi giá trị điện cảm
và sơ đồ mạch tương đương.
của OSRR tương tự như của SRR.
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
Hình 1.21. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu.

vật lý của vật dẫn tăng lên một khoảng .

7


(1.40)
là độ gia tăng chiều dài do hiệu ứng viền, và
là

Trong đó, là chiều dài thực của vật dẫn,
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:
(
(
Trong đó,

)(
)(

là hằng số điện môi hiệu dụng, và

)
(1.41)

)

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
dài kích thích

Miền gia tăng chiều
dài kích thích

Miền
chưa
cộng
hưởng

Miền
kích
thích

Miền
được
cộng
hưởng

Miền
kích
thích

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

c

d
e

d
e
wf

Hình 2.2. Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ
tương đương của nó.

Hình 2.3. Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện
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

g

L

L

g
W

y

lf

e

d
x
c

k1

k0

hg

wf

k2
lg

W

Hình 2.4. Thi t k ban đầu của bộ lọc được đề uất dựa
tr n việc k t hợp một chu i các SRR th hiện trong
hình 2.3.

Hình . . Thi t k hoàn thiện bộ lọc thông dải
băng rộng dựa tr n SRR với các nhánh d
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


Beta-p (deg)

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
200
Hình 2.7 trình bày kết quả mô phỏng
đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM trong hình
150
2.3. Đồ thị tán sắc phản ánh sự chuyển tiếp

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
0
3 Hz. Do đó, có thể nói rằng phần tử
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Tần số (GHz)
MTM ở hình 2.3 thể hiện tính chất như một
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

S11 & S21 (dB)

-10

S21

-20
-30

S11

-40

Mô phỏng
Thực nghiệm

-50
-60

0

1

2
3
Tần số (GHz)

4

5

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_step

W_p

G2

L_p

W2

G2

L_p
G1

W_step

L_s

L_s

W2

W_p

W1

L_step

W1

W_s

G1

D2

L_gnd

L_f

D1

W_f

X

X
Z

Y

Z

Y

L_gnd

D2

L_step

L_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
LL2
CR
trong anten đề xuất đã chuyển sang dạng đồng phẳng và
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 đề xuất.
của anten vi dải thông thường.
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
Anten_1

S11 (dB)

S11 (dB)

-10
-20

-30

Anten không tải
Antenna_2

-20

-30
Anten không tải Anten_1

-40

1

2

3
4
5
Tần số (GHz)

6

Anten không tải Antenna_2

-40
1

7

2

3

4

5

6

7

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

S11 (dB)

-5
-10
-15
-20

-30

Anten_1
Anten_2
Anten tham khảo

-35
2.2

2.3

-25

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.
l/4

Z0

2

1

l/2

3

Zh/2

Zq

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

√ . Giá trị trở

, vì vậy trở kháng đặc tính của đoạn biến đổi ¼ bước sóng đầu vào là

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

fl

g

cw
g1

lw
cl

ll
pl
pw
ls

dl
dw
fw
Cổng 1

Hình 2.30. Mô hình bộ chia BPD được đề xuất.

14

dh
cs


Thit k ca b chia cụng sut PD c biu din trong hỡnh 2.30. B chia c in trờn mt
tm in mụi FR4 vi hng s in mụi l 4.4 v kớch thc l 35,5 ì 29 ì 1,6 mm3. Mt trờn
ca b chia nh mụ t trong hỡnh 2.30, trong khi mt di ca b chia cụng sut l mt phng t.
B chia c thit k hot ng di tn ca h thng thụng tin di ng 3G (1,92 2,17 GHz)
v 4G (2,50 2,69 GHz).
LR CL
S mch tng ng ca mt mt xớch ng
truyn ny c biu din hỡnh 2.31. õy l ng
truyn cng hng bc khụng (ZOR), trong ú ng ni
LL
CR
trc tip ca phn in cm
xung t trong cu trỳc
Cg
thụng thng c thay th bi t ghộp thụng qua mt t
Hỡnh 2.31. Mụ hỡnh mch tng ng
o cú giỏ tr t in ln , giỏ tr ny cú c t phn kim

ca phn t trong ng truyn CRLH.
loi cú din tớch ln.
2.4.3. Kt qu mụ phng v tho lun

Tham soỏ taựn xaù S (dB)

0
Cỏc kt qu mụ phng ca cỏc tham s
tỏn x ca b chia c xut cú trong hỡnh
-5
2.32. Kt qu cho thy rng b chia chia u ra
ba cng vi h s tn hao truyn t nh hn
-10
5,3 dB qua di thụng t 1,85 n 2,7 GHz. Tn
S11
hao ngc cng vo ln hn 10 d trong
-15
S21
S31
ton b di thụng. Nh vy, di tn hot ng
S41
-20
ca b chia cụng sut BPD bao ph hon ton
1.5
2.0
2.5
3.0
di tn ca h thng thụng tin di ng 3G v
Tan soỏ (GHz)
4G.

Hỡnh 2.32. Tham s tỏn x ca b chia BPD.
Cú th thy t mụ hỡnh c xut ca b chia BPD trong hỡnh 2.30, di ca on ng
truyn gia cng vo v cỏc cng ra lõn cn ch xp x 15 mm, tng ng vi khong di in l
/8 tn s 2,275 GHz. iu ny th hin mt u im trong gim thiu kớch thc ca b chia
c xut. Thờm vo ú, di thụng hot ng ca b chia l 850 MHz, di tn ny c tng lờn
khỏ nhiu so vi s dng ng truyn /4 hoc mng phi hp.
2.5. Tng kt chng
Chng ny ó thit k thnh cụng b lc thụng di bng rng, anten vi di v b chia cụng
sut Bagley Polygon 1:3 s dng cu trỳc ng truyn CRLH TL thụng thng. Kt qu o thc
nghim hai mu anten thit k ti u cho thy hai anten xut hot ng di tn s ỏp ng
c di tn ca h thng WLAN vi tng kớch thc gim nh 80% v 85% so vi anten vi di
thụng thng. Vi vic s dng CRLH TL dng phng, b chia cụng sut ó thc hin gim nh
kớch thc so vi b chia Bagley Polygon 3 cng ra thụng thng.

CHNG 3. GII PHP THIT K B LC THễNG DI V ANTEN
A BNG TN S DNG HIU NG VIN CA SIấU VT LIU
3.1. Gii thiu chng
Chng ny a ra gii phỏp thit k mụ-un siờu cao tn da trờn hiu ng vin ca siờu vt
liu. õy l hiu ng to nờn do s bin thiờn ca vect cng in trng t min vt dn cú

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
ST1

lS3 lS2

Lớp trên
Cổng 1

d2

wS1
W

wf

d1
ST1

Kích
thích

a2

Lớp dưới

Cổng 2

lf

lS

ST2

wS

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
sóng
).
Tương tự với hai tần số còn lại, ta có
(

Khi đó:

)

(

)
(mm2)

17

(

)

).
, tương ứng với mode


, cho điều kiện tồn tại mode sóng
(
2
Hay
mm
Từ đó ta chọn được các giá trị kích thước tương ứng.
(

)

(

mm2

) , ta có

)

(

)

(mm2), cho điều kiện tồn tại mode sóng
(

), ta có:

mm2 hay
mm2
3.2.3. Kết quả mơ 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 tốn lý thuyết khoảng cách
nên trường bức xạ từ vòng
kích thích khơng gây nên cộng hưởng trên các diện tích
và
. Điều này được thể hiện ở kết
quả mơ phỏng ở hình 3.6(a). Tại băng tần 3,5 GHz, với
, diện tích
được cộng hưởng,
trong khi phần diện tích

khơng 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 mơ phỏng ở hình 3.6(b) và 3.6(c) hồn tồn phù hợp với tính tốn 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 mơ hình ống dẫn sóng hữu hạn là hồn tồn khả thi và đúng đắn.

(a)
(b)
(c)
Hình 3.6. K t quả mơ 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.

18

0
-5
-10

S11&S21 (dB)

Kết quả đo thực nghiệm tham số tán xạ của
mẫu chế tạo bộ lọc đề xuất, trình bày ở hình 3.10,
được thực hiện bởi máy phân tích mạng PNA-X
Keysight Network Analyzer với dải tần đo từ 125
MHz đến 26,5 GHz. Từ hình 3.10 ta thấy, bộ lọc có
ba dải thơng đạt trung tâm tại 2,42 GHz, 3,5 GHz và
5,16 Hz tương ứng với các hệ số phản xạ lần lượt

là 26,4 d , 17,7 d và 19,6 d . Trong khi đó, tổn
hao chèn tại các tần số trên, (bao gồm suy hao từ hai
cổng nối SMA) là 0,63 dB, 1,34 dB và 1,76 dB.
Các kết quả so sánh với một số bộ lọc thơng
dải ba băng tần đã được cơng bố trước đây cho thấy
rằng bộ lọc đề xuất có kích thước nhỏ gọn với các hệ
số tổn hao ngược và tổn hao ch n tương đối tốt.

-15
-20
-25
-30
-35
-40
2.0

Mô phỏng
Thực nghiệm

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

4.8

5.2

5.6

Tầ n số (GHz)

Hình 3.8. Mẫu ch tạo với kích thước đ điện
mơi 22 mm  22 mm và k t quả đo thực
nghiệm tham số tán xạ.


3.3. Anten đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu
Phần này đề xuất ứng dụng giải pháp hiệu ứng viền vào thiết kế anten đa băng tần, kết hợp
với nguyên lý tự tương hỗ, tính toán để triệt tiêu các hài, từ đó tạo ra các dải tần số cộng hưởng đơn
mode. Giải pháp thiết kế này hoàn toàn không sử dụng nhiều nhánh cộng hưởng khác nhau và cũng
không sử dụng các khe khoét để tạo mode cộng hưởng mới như các nghiên cứu đề xuất trước đây.
3.3.1. Phân tích và tính toán hiệu ứng viền trong anten đa băng tần
3.3.1.1. Hiệu ứng viền trong anten đa băng tần
Trong thiết kế anten đa băng tần, nguyên lý cơ bản của các giải pháp là tạo ra nhiều mode
cộng hưởng trên mô hình đề xuất. Mô hình anten đa băng tần có sử dụng hiệu ứng viền ở hình 3.9
được sử dụng để phân tích và tính toán hiệu ứng viền của anten ba băng tần đề xuất.
l2
V2 ~

Z02

w2

DS1

wS1
V1 ~

w1

Z01

wS1

Si® (i-1)

wS2
V3 ~

(i-1)

i

w3

Z03

Si® (i+1)

wS2

l3
Vn ~

(i+1)

DS2

wn

Z0n

dl

ln

Hình 3.9. Mô hình anten có sử dụng hiệu ứng viền

Hình 3.10. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền gây
ra bởi mode lên mode (
) và (
)

Giả sử là nguồn đầu vào của anten, trong điều kiện lý tưởng coi hiệu suất bức xạ của anten
là , bỏ qua suy hao nhiệt trên anten, khi đó ta có:
(3.15)
(
)
Gọi là bước sóng cộng hưởng mode , tại tần số
Xét ảnh hưởng của hiệu ứng viền gây ra bởi mode lên mode (
hình 3.10. Công suất đầu vào của mode
*∏

(

()

)

(

) và (

) được mô tả ở

)+

(3.18)

∑

Công suất truyền lan trong điện môi
(
)
Với là hiệu suất bức xạ của bước sóng cộng hưởng
Xét trong khoảng rất nhỏ, coi như không có sự biến đổi về pha của dòng điện
(

Điều kiện
Trong đó,
Gọi

(

(3.20)

(3.21)

)( )

và
)( ) là cự ly ảnh hưởng của hiệu ứng viền
là diện tích ảnh hưởng gây ra bởi mode lên mode (
∫

), khi đó
(3.23a)

19


∫

(3.23b)

Thực tế trong mô hình anten đa băng tần đề xuất, chỉ mode
và
là có sự ảnh hưởng
tương tự như (
) và (
) trong phân tích trên, các mode còn lại (
) ở mỗi
thành phần đều chịu ảnh hưởng bởi hai mode gần nó như mô hình trình bày ở hình 3.11. Khi đó

miền diện tích ảnh hưởng gây lên trên mode sẽ là:
⋃(
Xét sự ảnh hưởng của hiệu ứng
viền gây bởi mode (
) và (
) lên
mode như mô tả ở hình 3.11 bao gồm
công suất truyền
từ mode (
) lên
mode và công suất truyền
từ mode
(
) lên mode , hai thành phần công
suất này khác nhau về pha và biên độ.
Công suất sóng trong vùng có độ rộng
là:

)

(3.24)

(i-1)
S(i-1)® i

wsi-1

x
wik

i
S(i+1)® i

wsi+1

Sik

(i+1)

Hình 3.11. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền của mode
(
) và (
) lên mode .

(3.25)
Vậy miền diện tích xâm lấn trên thành phần ,
(3.26)
Với diện tích
3.3.1.2. Mô hình anten đề xuất và sơ đồ mạch tương đương
Để áp dụng các lý thuyết thiết kế đã phân tích ở trên, mô hình anten đề xuất cần được thiết kế
dưới dạng nhiều đoạn vi dải ghép song song nhau, trong đó mỗi đoạn sẽ tương ứng với một mode
cộng hưởng. Trên cở sở đó, mô hình anten lưỡng cực dạng vi dải xoắn ốc như mô tả ở hình 3.12
được lựa chọn. Anten đề xuất được in trên đế điện môi FR4 có hằng số điện môi 4,4 và độ dày 1,6
mm. Hai nhánh vi dải xoắn ốc ở lớp trên của anten được thiết kế đối xứng bao gồm các đoạn vi dải
có bề rộng khác nhau và khoảng cách các đoạn vi dải với các đoạn lân cận cũng khác nhau. Các giá
trị này sẽ quyết định đến khả năng cộng hưởng của các đoạn vi dải xoắn khi có hiệu ứng viền xảy
ra. Mặt phẳng đế được bổ sung các khe khoét để không hấp thụ năng lượng sóng bức xạ hướng
xuống từ anten, đồng thời thực hiện phản xạ thành phần này hướng lên phía trên.
,3
15

l1

m
m

g1

l1

w1
w2

g3

w3

d1

g2

0,5 mm

d1

11 mm

d2 l1
L

l4
l3
l2

Lỗ via

3 mm

Lỗ via

W

Hình 3.12. Mô hình cấu trúc anten đa băng tần đề xuất: Mặt trước (trái) và mặt sau (phải).

20


3.3.2. Kết quả và thảo luận
Để phân tích rõ hơn vai trò của các phần tử cộng hưởng trong mơ hình anten đề xuất, các mơ
phỏng vectơ cường độ điện trường được thực hiện và trình bày ở hình 3.16. Ta thấy rằng ảnh hưởng
của hiệu ứng viền và ngun lý tự tương hỗ giúp cho anten đề xuất cộng hưởng ở những đoạn vi dải
xoắc ốc khác nhau với vị trí cộng hưởng tập trung tại các khoảng ghép và mép cạnh của đoạn vi dải
xoắn ốc. Bằng việc thay đổi giá trị khoảng hở giữa các phần tử xoắn, ta có thể điều chỉnh các dải tần
cộng hưởng dựa trên quy luật mật độ phân bố dòng (hoặc phân bố trường) trên anten đề xuất.

(a)
(b)
(c)
Hình 3.16. K t quả mơ 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.

Qua phân tích các kết quả mơ phỏng hệ số S11 với các giá trị g1, g2 và g3 ta thấy rằng, sự thay
đổi của các khoảng hở đã dẫn đến sự thay đổi của tần số cộng hưởng và các kết quả mơ phỏng S11
hồn tồn phù hợp mật độ phân bố dòng tại các tần số đã khảo sát.
0

S11 (dB)

-5
-10
-15
-20
-25

Hình 3.19. Mẫu ch tạo anten đề xuất.

Mô phỏng
1

2

Thực nghiệm

3
Tần số (GHz)

4

5

Hình 3.20. K t quả đo thực nghiệm hệ số S11 của
mẫu anten đề xuất.

Mẫu chế tạo thực nghiệm anten đề xuất và kết quả đo hệ số phản xạ S11 được trình bày tương
ứng ở hình 3.19 và 3.20. Kết quả đo cho thấy mẫu anten đề xuất cộng hưởng ở ba dải băng tần với
băng thơng -10 dB lần lượt là (1,70 – 1,96) GHz, (2,34 – 2,57) GHz và (3,43 – 3,78) GHz. Các dải
tần cộng hưởng của mẫu anten chế tạo có sai lệch nhỏ so với kết quả mơ phỏng do ảnh hưởng của
suy hao mối hàn đầu nối SMA và cơng nghệ chế tạo. Kích thước tổng 40 mm  40 mm của anten đề
xuất là khá lớn so với một số mơ hình anten ba băng tần đã đề xuất trước đây [104, 113], tuy nhiên,
kích thước này là đủ nhỏ gọn cho các ứng dụng của các hệ thống thơng tin vơ tuyến thế hệ mới.
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
Phần tiếp theo trong chương này, luận án đề xuất một mơ hình anten đơn cực sử dụng đường
truyền CRLH TL để giảm nhỏ kích thước kết hợp với hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết kế
cộng hưởng hai băng tần. Trong mơ hình đề xuất, các cột nối trong cấu trúc đường truyền CRLH
TL thơng thường đã được thay thế bằng đường vi dải gấp khúc đặt đồng phẳng với mặt bức xạ phía
trên của anten.

21


3.4.1. Mô hình anten đề xuất
Mô hình anten đề xuất là anten vi dải đơn cực được tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng.
Anten được in trên đế điện môi FR4 có hằng số điện môi = 4,4 và độ dày đế = 0,8 mm.
W
w2
ws1

ws1

lsi
lss

la

l2

ls1
160

wc

L

wa

dx

ws1

wk
lk01

lk02
l1

lk3

lk6
lk4

lk2

dy

480

ld

d1 w1

Mặt sau

Mặt trước

Hình 3.21. Mô hình anten siêu vật liệu đề xuất.

Mô hình anten đề xuất được biểu diễn tương đương theo sơ đồ mạch ở hình 3.22. Điện dung
được tạo bởi giữa tấm bức xạ ở lớp trên và tấm kim loại ở lớp dưới. Thành phần điện dung
được tạo bởi khe khoét chữ L ngược ở cạnh dọc của anten và khe khoét chữ T ngược ở cạnh ngang
phía trên của tấm bức xạ, trong khi đó đường gấp khúc sẽ tương ứng với điện cảm
.
CG L P /2
Điện dung
được tạo bởi khoảng
2Crad1
2Crad1
ghép giữa tấm bức xạ và phần diện tích kéo dài
của đường gấp khúc. Trong thiết kế này, đường
2
1

k
vi dải gấp khúc sẽ tương đương với điện cảm
Cin
Lin
Lrad1
Crad2 Lrad2
Crad2
đối với dải tần cộng hưởng thấp và tương
đương như một điện cảm
khi anten hoạt
động ở dải tần cao. Điều này xảy ra do ảnh
Hình 3.22. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc
hưởng của hiệu ứng viền tác động lên.
anten đề xuất.
3.4.2. Tính toán lý thuyết
3.4.2.1. Tại tần số 2,45 GHz
Trong mô hình tương đương thể hiện trong hình 3.22, giá trị cảm kháng
không tồn tại
trong dải tần số dưới, tương ứng với khóa k ở vị trí 1 trong mạch sơ đồ tương đương hình 3.22. Khi
tần số càng tăng, độ gia tăng chiều dài làm cho kích thước vật lý của
tăng so với kích thước ban
đầu của nó. Dòng từ thành phần này một phần sẽ lan truyền qua khe hẹp
sang các đoạn gấp khúc
hình thành lên dòng ảnh trên đó. Điều kiện biên xảy ra hiệu ứng này được xác định theo công
thức (1.42), khi
.
Tuy nhiên trong trường hợp này giá trị độ gia tăng chiều dài
tính được ở tần số 2,45 GHz
là 0,2 mm. Ta thấy rằng
, khi đó hiệu ứng viền đã xảy ra nhưng không xuất hiện dòng ảnh

trên các đoạn gấp khúc . Vì vậy, tần số cộng hưởng của anten được tính theo công thức sau:
(3.45)

√

22


Trong đó,
(

[

)
(

]
(3.46)

)

(

)

(3.49)

3.4.2.2. Tại tần số 5,5 GHz
Trường hợp này, ta có
= 0,262 mm. Hiệu ứng viền xảy ra do

, khi đó dòng ảnh
xuất hiện trên đường gấp khúc
và biến nó thành cuộn cảm có điện dung
, tương ứng với
khóa k ở vị trí 2 trong sơ đồ hình 3.22. Tần số cộng hưởng tại dải tần cao được xác định như sau:

Thành phần
thức bên dưới,

(3.54)

√
được xác định như biểu thức (3.46), còn
(

được xác định theo biểu

)

(3.56)

Luận án cũng tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ dày đế điện môi đến hiệu ứng viền của
anten đề xuất. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi độ dày đế là 1,6 mm hiệu ứng viền vẫn có thể xảy ra
tương tự như trường hợp đế điện môi dày 0,8 mm nếu ta chọn giá trị
và
phù hợp để đảm bảo
trở kháng vào của anten không đổi.
3.4.3. Kết quả và thảo luận
Mẫu anten chế tạo thực nghiệm được trình bày ở hình 3.28, và các kết quả đo hệ số phản xạ
S11 của mẫu anten được biểu diễn ở đồ thị hình 3.29. Dải tần số cộng hưởng của anten được xác

định trong dải tần số ứng với giá trị của S11 nhỏ hơn -10 d . Theo đó, dải tần hoạt động đo được
của mẫu anten là (1,87  3,62) và (4.85  7,52) GHz.
0

S11 (dB)

-5

1,87

3,62

4,85

7,52

-10
-15
-20

Mô phỏng
Thực nghiệm

-25
-30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tần số (GHz)

Hình 3.30. Mẫu anten ch tạo thực nghiệm: Mặt Hình 3.31. K t quả đo thực nghiệm hệ số S11 của
trước và mặt sau.
mẫu anten.

3.5. Tổng kết chương
Chương này đã đề xuất và thực hiện giải pháp thiết kế thành công bộ lọc thông dải và anten
hoạt động ở đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu dựa trên việc phân tích và tính toán
độ gia tăng chiều dài của miền kích thích (miền được tiếp điện) để xác định khả năng bao phủ của
miền này tới các miền diện tích bất kỳ đặt xung quanh nó. Các mô hình đề xuất được mô hình theo
sơ đồ tương đương, tính toán lý thuyết, kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm.
23