Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của Anten - Metamaterial

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của Anten - Metamaterial

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ========== NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG C ỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ========== NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Mạnh Cƣờng HÀ NỘI – 2013 2
3. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HIS : High Impedance Surface LHMs : Left handed metamaterials MMs : Metamaterials TE : Transverse electric TM : Transverse magnetic 3
4. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu ................................................................. 11 Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc ............................ 17 Hình 1.3: Phân cưc̣ tuyến tính và phân cưc̣ tròn .................................................... 18 Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải........................................................................ 21 Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm ...................................................................... 22 Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực ..................................................................... 22 Hình 1.7: Anten khe mạch dải ............................................................................... 23 Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy ..................................................................... 23 Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải ............................................................. 24 Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục .............................................................. 24 Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe .............................................................. 25 Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận .................................................. 25 Hình 1.13: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải .......................................... 26 Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳn ..................................................... 26 Hình 1.15: Mô hình bức xạ của anten mạch dải .................................................... 28 Hình 1.16: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng ...................................... 29 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng ....................................... 30 Hình 1.18: Tiếp điện bằng một đường mạch dải .................................................... 32 Hình 1.19: Tiếp điện bằng hai đường mạch dải vào hai cạnh của anten ................ 33 Hình 2.1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu. ......................................................................................... 36 Hình 2.2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc ở gần vùng ánh sáng nhìn thấy; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu ................................................................. 36 Hình 2.3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3. ................................................................. 38 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials.......... 39 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình ............................................. 40 Hình 2.6: Mô hình một bề mặt trở kháng cao ........................................................ 41 4
5. Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao ................................ 42 Hình 2.8: Măṭ cắt ngang của môṭ bề măṭ trở khá ng cao 2 lớp đơn giản ................ 42 Hình 2.9: Nguồn gốc của điêṇ dung và điêṇ cảm trong cấu trú c HIS ..................... 42 Hình 2.10: Mô hình mac̣ h sử duṇ g cho bề măṭ trở khá ng cao ................................ 43 Hình 2.11: Môṭ căp̣ kim loaị cá ch nhau bởi môṭ khoảng cách ............................... 43 Hình 2.12: Tụ điện trong bề mặt trở kháng cao ..................................................... 44 Hình 2.13: Một tấm điện môi được chia thành các lớp nhỏ ................................... 45 Hình 2.14: Những tấm kim loaị tu ̣ điêṇ đăṭ trong tấm điêṇ mô............................... 45 Hình 2.15: Môṭ dòng điêṇ của cuôṇ dây kim loaị tính toá n cho điêṇ cảm tấm ....... 47 Hình 2.16: Trở khá ng của môṭ mac̣ h côṇ g hưởng tương đương ............................. 48 Hình 2.17: Tính toán pha phản xạ sử dụng mô hình mạch cộng hưởng ................. 49 Hình 2.18: Môṭ diêṇ tích hình chữ nhâṭ sử duṇ g cho bề măṭ trở khá ng ................. 50 Hình 2.19: Sóng mặt truyền trên một bề mặt trở kháng bất kì ................................ 50 Hình 2.20: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao............... 53 Hình 2.21: Giá trị S11 cho các anten miếng trên 2 mặt phẳng đất khác nhau ......... 53 Hình 2.22: Đồ thị bức xạ - E của 2 anten miếng ................................................... 54 Hình 3.1: a) Mô phỏng hệ số phản xạ của anten; b) Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng cực; c) Đồ thị bức xạ trong không gian 3D ............................................................ 56 Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten .......................................................................... 57 Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) đã chế tạo................................................................................................................... 58 Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer ................................................. 50 Hình 4.1: Mô hình anten mạch dải ........................................................................ 59 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng anten mạch dải ......................................................... 60 Hình 4.3a: Mô hình HIS ........................................................................................ 61 Hình 4.3b: Mô hình thiết kế 1 cell của bề mặt trở kháng cao ................................. 62 Hình 4.4: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS ........................................... 62 Hình 4.5: Mô hình anten metamaterial khảo sát .................................................... 63 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng anten metamaterial .................................................. 64 5
6. Hình 4.7: Kết quả mô phỏng anten metamaterial khi thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại ......................................................................... 66 Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial ..................................................................... 66 Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial. ................................................................................. 67 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của anten metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS. ................................... 68 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS.................................................................................................... 69 Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS .......................................................................................................... 69 Hình 4.12: Mô hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng ......................... 70 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau . 71 Hình 4.14: Kết quả đo phổ phản xạ của anten thường ........................................... 64 Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial ................................. 64 6
7. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN .......................................................... 11 1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN...................................................................................... 11 1.1.1.Khái niệm anten............................................................................................ 11 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.................................................. 11 1.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell. ........................................................................... 12 1.1.4. Các thông số cơ bản của anten ..................................................................... 14 1.2. ANTEN MẠCH DẢI ......................................................................................... 20 1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải ...................... 21 1.2.2. Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải ........................................................ 27 1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải ................................................................. 29 1.2.4. Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải ............................................................. 33 CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL ........................................................ 35 2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS ................................................................. 35 2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials ................................................................ 35 2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials .................................................................... 36 2.1.3. Ứng dụng của metamaterials ........................................................................ 39 2.2. ANTEN METAMATERIAL .............................................................................. 41 2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) .................................. 41 2.2.2. Anten metamaterial...................................................................................... 52 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................. 55 3.1.PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG............................................................................ 55 3.2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................... 56 3.2.1.Qui trình chế tạo anten .................................................................................. 56 3.2.2. Kết quả ........................................................................................................ 57 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 59 4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI ............................................... 59 7
8. 4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thƣờng .......................................................... 59 4.1.2. Kết quả mô phỏng anten mạch dải ............................................................... 60 4.1.3. Thảo luận ..................................................................................................... 60 4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS........................... 61 4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS ................................................................ 61 4.2.2. Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS ........................................................... 62 4.2.3. Thảo luận ..................................................................................................... 63 4.3. MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL .......................................................... 63 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial .......................................................................... 63 4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial ......................................................... 64 4.3.3. Thảo luận ..................................................................................................... 64 4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL ...................................................................... 65 4.4.1.Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial ................................................... 65 4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial ................................................................................................ 68 4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau. ......................................................................... 70 4.5. KẾT QUẢ ĐO .................................................................................................. 64 4.5.1. Kết quả ........................................................................................................ 64 4.5.2 Thảo luận...................................................................................................... 65 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 75 8
9. MỞ ĐẦU Truyền thông không dây đa ̃ phát triển rất nhanh chóng trong nhƣ̃ng năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn hơn. Để thỏa mañ nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động a nten gắn trên cá c thiết bi ̣đầu cuối cũng phải đƣơc̣ thu nhỏ kích thƣớc . Các anten phẳng , chẳng haṇ nhƣ a nten vi mạch dải (microstrip antenna), có các ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ và dễ gắn lên các thiết bi ̣đầu cuối .; chúng sẽ là lự a choṇ thỏa mañ yêu cầu cần thiết ở trên . Cũng bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng, hiệu suất cao đa ̃ thu hút rất nhiều sƣ ̣ quan tâm của các nhà nghiên cƣ́ u về anten. Gần đây, đăc̣ biêṭ là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới đƣơc̣ thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di đôṇ g hiêṇ nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System , 1850 – 1990 MHz) và UTMS (Universal Mobile Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), đa ̃ đƣơc̣ phát triển và đa ̃ xuất bản trong nhiều các tài liêụ liên quan . Anten phẳng cũng rất thích hơp̣ đối với ƣ́ ng dụng trong các thiết bi ̣truyền thông cho hê ̣thống maṇ g cuc̣ bô ̣không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz). Anten mac̣ h dải vốn đa ̃ có băng thông hep̣ và hiệu suất thấp nên việc nghiên cứu để mở rôṇ g băng thông và tăng hiệu suất anten thƣờng là nhu cầu cần thiết đối với các ƣ́ ng duṇ g thƣc̣ tế hiêṇ nay . Có nhiều cách để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất của Anten mạch dải nhƣ dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu Trong đó việc sử dụng một loại vật liệu mới là Metamaterials để cải thiện các tính chất điện từ của anten là một phƣơng pháp mới rất hiệu quả và đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong những năm gần đây. Metamaterials là vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng với các tính chất vật lí không có trong vật liệu thông thƣờng. Metamaterials đƣợc hiểu là 9
10. vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông thƣờng nhƣ: Đảo ngƣợc điều kiện khúc xạ [4], đảo ngƣợc hiệu ứng Dopler [4], đảo ngƣợc định luật Snell [4], Đảo ngƣợc hiệu ứng Goos-Hanchen [4], Và ộ m t tính chất đặc biệt quan trọng đó là Metamaterials có thể ngăn cản sự lan truyền sóng điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất này ta có thể dùng Metamaterials để ngăn chặn sự lan truyền sóng bề mặt của anten làm cải thiện một số tính chất của anten. Với các cấu trúc Metamaterials thiết kế khác nhau có thể thay đổi các tính chất điện từ của các loại Anten. Với những lí do trên chúng tôi đã chọn đề tài Ả“ nh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” nhằm tìm ra cấu trúc Metamaterials tối ƣu để cải thiện các tính chất điện từ của anten. Mục đích nghiên cứu của luận văn: + Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng trong thiết kế anten + Nghiên cứu ảnh hƣởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là sự kết hợp giữa mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm. Bố cục của luận văn bao gồm 03 phần: Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chƣơng 1: Tổng quan về anten Chƣơng 2: Anten metamaterial Chƣơng 3: Phƣơng pháp mô phỏng và thực nghiệm Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN 10