Tài liệu Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến

i _______________________________________________________________________________ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng những kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả trong luận án là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố. Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ, rõ ràng và trung thực. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Lan ii _______________________________________________________________________________ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới TS Lâm Hồng Thạch và PGS.TS Bernard Journet đã hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS Vũ Văn Yêm, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi về mặt khoa học cũng như đóng góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các thành viên trong RF Lab đã đồng hành và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thương nhất đến gia đình, những người đã động viên, giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện cho tôi. Đây chính là động lực to lớn giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Lan iii _______________________________________________________________________________ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................... II MỤC LỤC ......................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... V DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... VII DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... XI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin ..................................................... 1 2. Những vấn đề còn tồn tại .......................................................................................................... 2 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 4 4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án ............................................................. 5 5. Cấu trúc nội dung của luận án ................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG ........................................................................ 7 1.1. Giới thiệu chương ..................................................................................................................... 7 1.2. Giới thiệu về anten vi dải......................................................................................................... 7 1.3. Các tham số cơ bản của anten................................................................................................ 8 1.3.1. Băng thông ....................................................................................................... 9 1.3.2. Hiệu suất .......................................................................................................... 9 1.3.3. Hệ số định hướng ........................................................................................... 10 1.3.4. Trở kháng đầu vào ......................................................................................... 10 1.3.5. Hệ số tăng ích ................................................................................................ 10 1.3.6. Phân cực......................................................................................................... 11 1.4. Lý thuyết anten mảng ............................................................................................................ 13 1.5. Một số phương pháp cải thiện tham số cho anten mảng ................................................ 15 1.5.1. Một số phương pháp cải thiện băng thông cho anten mảng ............................ 15 1.5.2. Một số phương pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng........................ 27 1.6. Kết luận chương 1................................................................................................................... 34 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ANTEN MẢNG ........ 36 2.1. Giới thiệu chương ................................................................................................................... 36 2.2. Cải thiện băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng cấu trúc siêu vật liệu .............. 36 iv _______________________________________________________________________________ 2.2.1. Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất ......................................................................... 36 2.2.2. Phân tích và thiết kế anten mảng .................................................................... 39 2.2.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm ................................................................. 44 2.3. Cải thiện băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng EBG và nhiều tầng điện môi 49 2.3.1. Cấu trúc EBG đề xuất .................................................................................... 49 2.3.2. Phân tích thiết kế anten mảng ........................................................................ 50 2.3.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm ................................................................. 51 2.4. Kết luận chương 2................................................................................................................... 56 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN MẢNG .. 57 3.1. Giới thiệu chương ................................................................................................................... 57 3.2. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng ................... 57 3.2.1. Cấu trúc DSS đề xuất ..................................................................................... 57 3.2.2. Một số tính chất quan trọng của DSS ............................................................. 59 3.2.3. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 𝑥 4 bằng Defected Substrate Structure ... 61 3.2.4. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 2 𝑥 2 bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu ..................................................................................................................... 75 3.3. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng bề mặt phản xạ.................... 81 3.3.1. Tính toán các tham số cho FSS ...................................................................... 81 3.3.2. Áp dụng cho anten mảng 4 𝑥 4....................................................................... 82 3.3.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm ................................................................. 83 3.4. Kết luận chương 3................................................................................................................... 89 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 91 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 95 v _______________________________________________________________________________ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Array Factor Hệ số mảng AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo AR Axial Ratio Tỉ số trục BW Bandwidth Băng thông CCW CounterClockwise Ngược chiều kim đồng hồ CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng CRLH Composite Right/Left Handed Cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp CW Clockwise Chiều kim đồng hồ DGS Defected Ground Structure Mặt phẳng đế không hoàn hảo DNG Double Negative Vật liệu có hằng số điện môi và độ từ thẩm âm DSS Defected Substrate Structure Cấu trúc tầng điện môi không hoàn hảo EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ ECC Envelope Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao ENG Epsilon Negative Hằng số điện môi âm FSS Frequency Selecting Surface Bề mặt chọn lọc tần số HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao IEEE Institute of Electrical and Viện các kỹ sư điện và điện tử Electronics Engineers LH Left Handed Vật liệu bàn tay trái vi _______________________________________________________________________________ LHM Left Handed Material Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra MNG Mu Negative Độ từ thẩm âm MRS Metamaterial Reflective Surface Bề mặt phản xạ MTM Metamaterial Siêu vật liệu NRI Negative Reflective Index Chỉ số khúc xạ âm PLH Purely Left Handed Vật liệu thuần LH PRH Purely Right Handed Vật liệu thuần RH RCS Radar Cross Section Diện tích phản xạ hiệu dụng RH Right Handed Vật liệu bàn tay phải RHM Right Handed Material Vật liệu theo quy tắc bàn tay phải SLL Sidelobe Level Mức búp sóng phụ SNG Single Negative Vật liệu một chỉ số âm TE Transverse Electric Điện trường ngang TEM Transverse Electromagnetic Điện từ trường ngang TL Transmission Line Đường truyền TM Transverse Magentic Từ trường ngang UP- Uni-planar EBG Cấu trúc EBG đồng phẳng Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây EBG VSWR vii _______________________________________________________________________________ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình anten vi dải [7] .................................................................................. 7 Hình 1.2: Phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải [7]....................................... 8 Hình 1.3: Việc quay của vector E (a) và phân cực elip (b)[7] ...................................... 12 Hình 1.4: Mô hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z [29] ............... 14 Hình 1.5: Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái: vật liệu thông thường (RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) ............................................................................... 16 Hình 1.6: Phân loại vật liệu theo ɛ và µ [20]................................................................. 17 Hình 1.7: Khúc xạ trong giữa hai môi trường: (a) RHM-RHM; (b) RHM-LHM ......... 19 Hình 1.8: Cấu trúc EBG ba chiều: (a) cấu trúc điện môi đống gỗ [26]; mảng tấm kim loại ba cạnh nhiều tầng [11] ................................................................................................. 21 Hình 1.9: Cấu trúc EBG hai chiều: (a) cấu trúc hình nấm [62]; (b) cấu trúc đồng phẳng (không sử dụng cột nối kim loại) [92] ................................................................................. 21 Hình 1.10: Mô hình sơ đồ tương đương của một tế bào đường truyền [74] ................. 22 Hình 1.11: Mô hình hộp cộng hưởng chữ nhật ............................................................. 23 Hình 1.12: Anten đa băng dựa trên cơ sở sử dụng nhiều mode [74]............................. 25 Hình 1.13: Mở rộng băng thông bằng cách tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp [83]. 26 Hình 1.14: Độ rộng chùm Gauss w(z) là một hàm của khoảng cách z [110] ............... 29 Hình 1.15: Phân loại FSS theo đáp ứng tần số: (a) thông thấp, (b) thông cao, (c) thông dải, (d) chắn dải [72] ............................................................................................................ 32 Hình 1.16: Mô hình anten vi dải với FSS dựa trên HIS (a); mô hình của Jerusalem cross FSS [72] ............................................................................................................................... 33 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương: anten vi dải (a); Jerusalem cross FSS (b) [72] ........... 33 Hình 2.1: Mô hình của những cấu trúc siêu vật liệu đề xuất và sơ đồ tương đương (mầu tối là lớp đồng, màu sáng là vật liệu điện môi) .................................................................... 37 Hình 2.2: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng (b) ........ 38 Hình 2.3: Mô hình anten mảng: mặt trên (a); mặt dưới (b)........................................... 40 Hình 2.4: Mô hình của một phần tử anten..................................................................... 41 Hình 2.5: Mô hình bộ chia công suất (a) và các tham số S của nó (b).......................... 42 Hình 2.6: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc siêu vật liệu .................... 44 Hình 2.7: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có siêu vật liệu, (b) có siêu vật liệu tại tần số trung tâm 8.15 GHz ................................................................................. 45 Hình 2.8: Hiệu suất và hệ số tăng ích của anten ........................................................... 45 viii _______________________________________________________________________________ Hình 2.9: Đồ thị 2D của anten đề xuất tại tần số trung tâm 8.15 GHz ......................... 46 Hình 2.10: Phân bố dòng của anten: (a) không có MTM; (b) có MTM tại tần số 8.15 GHz ...................................................................................................................................... 46 Hình 2.11: Hình ảnh anten được chế tạo với Roger4350B ........................................... 47 Hình 2.12: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất ............... 47 Hình 2.13: Mô hình cấu trúc EBG: (a) Mô hình đề xuất và sơ đồ tương đương; (b) Cấu trúc bù của EBG và sơ đồ tương đương............................................................................... 49 Hình 2.14: Mô hình của anten sử dụng nhiều tầng điện môi ........................................ 51 Hình 2.15: Mô hình của anten mảng đề xuất: (a) mặt trên, (b) mặt dưới ..................... 51 Hình 2.16: Mô hình lớp đất của anten với cấu trúc UP-EBG ....................................... 52 Hình 2.17: So sánh các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất và UPEBG: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất .................................................... 52 Hình 2.18: So sánh các tham số của anten: (a) S11, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất ... 53 Hình 2.19: Các tham số của anten đề xuất: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích và hiệu suất ....................................................................................................................................... 53 Hình 2.20: Đồ thị bức xạ của anten: (a) 3D, (b) 2D tại tần số 11 GHz ......................... 54 Hình 2.21: Phân bố dòng của anten trong các trường hợp: (a) 1 tầng điện môi, (b) 2 tầng điện môi, (c) 2 tầng điện môi với EBG tại tần số 11 GHz ................................................... 54 Hình 2.22: Mô hình của anten được chế tạo: (a) mặt trên, (b) mặt dưới....................... 55 Hình 2.23: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten ............................ 55 Hình 3.1: Mô hình DSS đề xuất: (a) mô hình; (b) sơ đồ tương đương của một đơn vị cấu trúc ....................................................................................................................................... 58 Hình 3.2: Mô hình đường truyền vi dải thông thường (a); mô hình đường truyền vi dải với DSS (b) .......................................................................................................................... 59 Hình 3.3: Mô hình của anten đề xuất với DSS.............................................................. 62 Hình 3.4: Mô hình của anten đề xuất: anten mảng và lớp điện môi thứ nhất (a); lớp điện môi thứ hai với DSS và lớp đất (b) ...................................................................................... 62 Hình 3.5: (a) Mô hình của một phần tử lưỡng cực; (b) Mô hình của bộ chia công suất ............................................................................................................................................. 63 Hình 3.6: Hệ số phản xạ của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS ....................................................................... 64 Hình 3.7: Hệ số tăng ích của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS ....................................................................... 65 ix _______________________________________________________________________________ Hình 3.8: Phân bố dòng anten với vật liệu Roger4350B trong ba trường hợp: 2 tầng điện môi (a); 2 tầng điện môi với DGS (b); 2 tầng điện môi với DSS (c) tại tần số 10 GHz ...... 65 Hình 3.9: Sự khác biệt về đồ thị của anten trong ba trường hợp: (a) hai tầng điện môi, (b) không có DSS, (c) DSS tại tần số 10 GHz ..................................................................... 66 Hình 3.10: Hiệu suất của anten trong các trường hợp mô phỏng.................................. 67 Hình 3.11: Mô hình của DSS với tấm điện môi FR4 .................................................... 68 Hình 3.12: Mô hình của anten với FR4: (a) anten mảng và lớp điện môi thứ nhất; (b) lớp điện môi thứ hai với DSS và lớp đất .................................................................................... 69 Hình 3.13: Sự khác nhau về hệ số phản xạ của anten khi anten sử dụng FR4 và Roger4350B ......................................................................................................................... 69 Hình 3.14: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích khi anten sử dụng Roger4350 và FR4 . 70 Hình 3.15: Sự khác nhau về đồ thị bức xa khi anten sử dụng (a) FR4 và (b) Roger 4350B tại tần số 10 GHz ................................................................................................................. 70 Hình 3.16: So sánh hiệu suất của anten khi sử dụng Roger4350B và FR4 ................... 71 Hình 3.17: Các mặt phẳng xz, yz của anten với: Roger4350B (a); FR4 (b) tại 10 GHz ............................................................................................................................................. 71 Hình 3.18: Phân bố dòng của anten với vật liệu FR4 trong các trường hợp: (a) 2 tầng điện môi; (b) 2 tầng điện môi với DGS; (c) 2 tầng điện môi với DSS tại tần số 10 GHz ... 72 Hình 3.19: Mô hình anten được chế tạo với Roger4350B: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể ........................................................................................................................ 73 Hình 3.20: Mô hình anten được chế tạo với FR4: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình tổng thể ........................................................................................................................... 73 Hình 3.21: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với Roger4350B 74 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với FR4 .............. 74 Hình 3.23: Mô hình cấu trúc siêu vật liệu: cấu trúc đề xuất (a) và cấu trúc bù của nó (b) . 76 Hình 3.24: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng của cấu trúc đề xuất (b) ..................................................................................................................... 77 Hình 3.25: Mô hình tổng thể của anten đề xuất ............................................................ 77 Hình 3.26: Mô hình chi tiết của anten đề xuất: (a) tầng bức xạ; (b) lớp đất ................. 78 Hình 3.27: Hệ số phản xạ của anten mảng .................................................................... 78 Hình 3.28: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất ................................... 79 Hình 3.29: Phân bố dòng của anten mảng 2 x 2 với cấu trúc siêu vật liệu đề xuất tại tần số 5.8 GHz ........................................................................................................................... 79 x _______________________________________________________________________________ Hình 3.30: Đồ thị bức xạ của anten mảng đề xuất: (a) 3D; (b) đồ thị 2D; (c) mặt phẳng xz và yz tại tần số 5.8 GHz .................................................................................................. 79 Hình 3.31: Hình ảnh anten được chế tạo: (a) mặt trên; (b) mặt dưới ............................ 80 Hình 3.32: Kết quả mô phỏng và đo lường về hệ số phản xạ của anten mảng đề xuất 80 Hình 3.33: (a) Mô hình bề mặt phản xạ với FSS và (b) sơ đồ tương đương................. 82 Hình 3.34: Mô hình của một phần tử anten................................................................... 83 Hình 3.35: Mô hình anten mảng: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c), mô hình tổng thể (d) ........................................................................................................................... 83 Hình 3.36: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc siêu vật liệu .................. 84 Hình 3.37: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ ........................................................................................................... 85 Hình 3.38: Mô hình một tế bào ..................................................................................... 86 Hình 3.39: Các tham số của anten với một tế bào: hệ số phản xạ (a), hiệu suất và hệ số tăng ích (b) ........................................................................................................................... 86 Hình 3.40: Hệ số phản xạ của anten (a), đồ thị bức xạ 3D (b) và đồ thị 2D (c) tại tần số 8.15 GHz .............................................................................................................................. 86 Hình 3.41: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất ................................... 87 Hình 3.42: Phân bố dòng của anten: (a) không có bề mặt phản xạ; (b) có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz .............................................................................................................. 87 Hình 3.43: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b) có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz ................................................................................ 88 Hình 3.44: Mô hình anten được chế tạo: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c), mô hình tổng thể (d)............................................................................................................. 89 Hình 3.45: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất ............... 89 xi _______________________________________________________________________________ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các tham số của một phần tử anten .............................................................. 42 Bảng 2.2: Một số tham số của cấu trúc siêu vật liệu ..................................................... 44 Bảng 2.3: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố ............................. 48 Bảng 2.4: Các tham số của cấu trúc EBG ..................................................................... 50 Bảng 3.1: Các tham số của DSS.................................................................................... 59 Bảng 3.2: Các tham số của bộ chia công suất ............................................................... 63 Bảng 3.3: Các tham số của một phần tử dipole ............................................................. 63 Bảng 3.4: Các tham số của DSS với FR4 ..................................................................... 68 Bảng 3.5: Các tham số của một phần tử trong mảng với FR4 ...................................... 68 Bảng 3.6: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố ............................. 75 Bảng 3.7: Các tham số của cấu trúc đề xuất.................................................................. 77 Bảng 3.8: Các tham số của anten đề xuất ...................................................................... 78 Bảng 3.9: So sánh kết quả đạt được với một số công bố gần đầy ................................. 81 Bảng 3.10:Các tham số của FSS ................................................................................... 82 Bảng 3.11: Các tham số của một phần tử anten ............................................................ 83 Bảng 3.12: Các tham số của mô hình một tế bào .......................................................... 86 1 _______________________________________________________________________________ MỞ ĐẦU 1. Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau như thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, ... Trong những hệ thống này, anten là một thành phần không thể thiếu và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ. Bên cạnh đó, những hệ thống này cũng luôn yêu cầu anten phải có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ trong khi các tham số vẫn phải được cải thiện. Vì vậy, công nghệ vi dải là sự lựa chọn tốt nhất để đáp ứng cho các yêu cầu trên. Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953 [25]. Phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên mới được chế tạo. Những chiếc anten vi dải đầu tiên được phát triển bởi Howell [24] và Munson [72]. Với những ưu điểm như kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ dàng chế tạo và chi phí thấp, anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, anten vi dải cũng tồn tại một số nhược điểm như: băng thông hẹp, hiệu suất và hệ số tăng ích thấp, công suất nhỏ. Ngoài ra, trong một số ứng dụng đặc biệt, việc sử dụng anten đơn đã không đảm bảo được yêu cầu về chất lượng hệ thống cũng như độ định hướng, hệ số tăng ích hay băng thông. Hơn nữa, anten định hướng cao là cần thiết để bù lại sự suy giảm tín hiệu do việc truyền sóng ở tầng khí quyển gây ra. Thêm vào đó, băng thông của anten trong những hệ thống này luôn yêu cầu từ vài trăm MHz trở lên. Vì vậy, anten mảng đã ra đời để đáp ứng các yêu cầu trên. Anten mảng là một tập hợp gồm ít nhất từ hai phần tử trở lên. Với những ưu điểm như băng thông rộng, hệ số tăng ích và độ định hướng cao, anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thông tin vệ tinh [13], [32], [106], thông tin di động [62], [103], [108], radar [38], [58], y tế [81], [97],... Một đặc tính quan trọng khác của anten mảng mà không thể không nhắc tới đó là việc có thể thay đổi và điều khiển đồ thị bức xạ [86], [39]. Không giống như anten đơn với đồ thị bức xạ là cố định, việc có thể thay đổi và điều khiển đồ thị bức xạ đã mở ra những hướng nghiên cứu mới trong việc xử lý tín hiệu để điều khiển búp sóng cho anten. Ngoài ra, thông qua việc sử dụng anten mảng và kỹ thuật phân tập, có thể hạn chế ảnh hưởng của fading cũng như tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông. Điều này được thể hiện qua một số ứng dụng thông tin di động [96], đường sắt cao tốc [94], … 2 _______________________________________________________________________________ Rõ ràng là anten mảng có một vị trí đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Để nâng cao chất lượng của các hệ thống này, việc cải thiện các tham số cho anten mảng là rất cần thiết. Hiện nay, có nhiều phương pháp đã được đề xuất để cải thiện các tham số cho anten như: siêu vật liệu [46], [82], dải chắn điện từ (Electromagnetic Band Gap - EBG) [52], [107], nhiều tầng điện môi [5], [18], cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (Defected Ground Structure - DGS) [78], [102], bề mặt phản xạ [14], [69]. Mỗi phương pháp đều có những đặc tính riêng. Vì vậy, cần lựa chọn và áp dụng đúng đắn các phương pháp vào từng trường hợp cụ thể. Nếu như việc cải thiện băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi dựa trên nguyên lý tăng chiều dày của tầng điện môi [36], thì việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten bằng việc sử dụng bề mặt phản xạ dựa trên đặc tính phản xạ để giảm thiểu búp sóng phụ và búp sóng sau. Trong khi đó, phương pháp như DGS cải thiện tăng ích cho anten bằng cách phân bố lại dòng cho anten. Chúng ta biết rằng việc bức xạ của anten vi dải được xác định từ phân bố trường giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện trên bề mặt phần tử bức xạ [34]. Do đó, việc thay đổi hình dạng, kích thước và chiều dày của mặt phẳng đất hay phần tử bức xạ sẽ dẫn đến việc thay đổi phân bố dòng của anten. Điều này đã mở ra một cơ hội cho việc cải thiện một số tham số của anten. 2. Những vấn đề còn tồn tại Công nghệ vi dải đang phát triển mạnh mẽ. Trong thời gian gần đây, công nghệ vi dải đã và đang được ứng dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, trong đó có anten. Tuy nhiên, để đáp ứng được sự đòi hỏi ngày càng khắt khe của khách hàng về chất lượng dịch vụ, việc cải thiện các tham số cho anten là rất cần thiết và điều này đã đặt ra rất nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Điều này được thể hiện qua một số công trình được công bố như sau: Đã có nhiều đề xuất về anten mảng với các tham số được cải thiện trong các công trình [20], [32], [51], [60], [90]. Tuy nhiên, còn nhiều hạn chế trong những công trình này. Cụ thể như trong [32], mặc dù anten gồm 144 phần tử và được thiết kế tại băng X nhưng hiệu suất của anten chỉ là trên 50%. Hiệu suất này là chưa cao, và do đó nó không đáp ứng được cho ứng dụng vệ tinh ở băng X. Và hạn chế này cũng xảy ra ở trong kết quả nghiên cứu [60] khi hiệu suất của anten chỉ là dưới 50% khi anten được thiết kế tại tần số trung tâm là 60 GHz. Trong [51] mặc dù anten gồm 256 phần tử và được thiết kế tại 60 GHz nhưng phần trăm băng thông của anten chỉ là 6.5%. Khi nhu cầu truyền thông băng siêu rộng ngày càng cao thì với tỉ lệ băng thông chỉ là 6.5% sẽ không thể đáp ứng đủ cho các ứng dụng, đặc biệt là 3 _______________________________________________________________________________ trong các ứng dụng ở dải sóng milimet. Một anten mảng được thiết kế tại tần số 24 GHz nhưng hệ số tăng ích của anten chỉ hơn 11 dBi. Thêm vào đó, băng thông của anten cũng chỉ là 660 MHz [90]. Ngoài ra, trong tất cả các kết quả nghiên cứu ở trên, độ phức tạp của anten là rất cao. Điều này dẫn đến khó khăn cũng như tăng chi phí sản xuất. Trong một số nghiên cứu khác [19], [55], [74], [104], [109], cũng còn tồn tại nhiều tham số của anten chưa được tối ưu. Ví dụ như trong [19], một mảng anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại băng X. Tuy nhiên, hiệu suất của anten chỉ là 65%. Và điều này cũng xảy ra tương tự với công trình [104] khi hiệu suất của anten là 41%. Hơn nữa, tỉ lệ phần trăm băng thông của anten lần lượt chỉ là 4.37% và 4% trong các công bố [109] và [55] khi anten được thiết kế tại các tần số trung tâm là 24 GHz và 9 GHz. Trong khi đó, một anten gồm 16 phần tử và được thiết kế ở tần số 12 GHz nhưng hệ số tăng ích chỉ là 11.1 dBi [74]. Rõ ràng là với các tham số như ở trên thì anten không thể đáp ứng được cho các ứng dụng ngày nay. Trong một nhóm những công trình khác [59], [101], [33], [68], [77], [88], [61], hầu hết băng thông của anten còn rất hạn chế (tỉ lệ phần trăm băng thông dưới 10%). Ngoài ra, hiệu suất của các anten ở những công trình này là rất thấp, thường dưới 60%. Cụ thể như, trong [59], anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại tần số 60 GHz, nhưng tỉ lệ phần trăm băng thông và hiệu suất của anten lần lượt là 14.4% (tại −6 dB) và 45.3%. Bên cạnh đó, một số những nghiên cứu khác [68], [77] cũng tồn tại những hạn chế trên. Hơn nữa, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten cũng là một vấn đề tồn tại trong các công trình công bố [65], [100], [44]. Chẳng hạn như, trong [65], mặc dù anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại tần số lớn hơn 11 GHz, nhưng hệ số tăng ích chỉ là 8.1 dBi. Hay với [44], hệ số tăng ích của anten là 10.3 dBi khi anten được thiết thế tại tần số 10.5 GHz. Rõ ràng là việc cải thiện tham số cho anten còn rất nhiều vấn đề và điều này có thể thấy qua một số những công trình công bố được chỉ ra ở trên hay trong một số các nghiên cứu [66], [98]. Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến, chúng ta không còn cách nào khác là phải cải thiện các tham số cho mỗi thành phần trong chúng. Đối với anten cũng không có sự ngoại lệ. Hơn nữa, trong các công trình công bố nói trên, anten được thiết kế sử dụng các công nghệ như hốc cộng hưởng (cavity), ống dẫn sóng. Điều này đẫn dến việc tăng chi phí sản xuất cũng như độ phức tạp của sản phẩm. Nhìn chung, việc thiết kế tối ưu đồng thời nhiều tham số anten như băng thông, hiệu suất, 4 _______________________________________________________________________________ độ định hướng, hệ số tăng ích để đảm chất lượng dịch vụ với chi phí thấp, dễ dàng chế tạo vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay. Trong khi đó, điểm qua một số những luận án trong thời gian gần đây, nghiên cứu sinh thấy như sau: Năm 2014, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã bảo vệ luận án với đề tài “Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới” [2]. Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ lọc đa băng, anten đa băng và anten đơn MIMO. Năm 2016 đã có một số luận án nghiên cứu về anten MIMO cho thiết bị đầu cuối di động của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm (Đại học Bách khoa Hà Nội) [4] cũng như luận án nghiên cứu về anten UWB của tác giả Lệ Trọng Trung (Học viện Kỹ thuật Quân sự) [3]. Đối tượng nghiên cứu những luận án này đều là anten đơn và mục tiêu nghiên cứu của luận án này là giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten. Năm 2017, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Đặng Như Định đã bảo vệ luận án với đề tài “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” [1]. Luận án đã tập trung nghiên cứu một số cấu trúc như CRLH, SRR để thiết kế bộ lọc thông dải, bộ chia công suất và các anten đơn. Do đó, chưa hề có bất kì việc nghiên cứu nào về việc sử dụng các phương pháp để cải thiện tham số cho anten mảng. Hiện nay, tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội có hai luận án tiến sĩ của các tác giả Tống Văn Luyên và Tăng Thế Toan lần lượt nghiên cứu về đề tài “Nghiên cứu các phương pháp định dạng và điều khiển búp sóng của mảng anten tích hợp trên mặt trụ” và “Nghiên cứu phát triển anten mảng có độ lợi cao và mức búp sóng phụ thấp”. Trong khi đề tài đầu tiên tập trung nghiên cứu thuật toán cho việc định dạng và điều khiển búp sóng thì đề tài thứ hai nghiên cứu giải pháp giảm thiểu mức búp sóng phụ (SLL) của anten bằng cách áp dụng phân bố Chebyshev. Tất cả các nghiên cứu ở trên đã cho thấy rằng chưa có bất kì công trình nghiên cứu nào nghiên cứu cải thiện đồng thời cũng như việc phân tích và tổng hợp cơ chế để cải thiện các tham số như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng cho anten mảng. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu cải thiện các tham số cho anten mảng là rất cấp thiết. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm: 5 _______________________________________________________________________________ - Nghiên cứu, đề xuất phương pháp mới để cải thiện đồng thời một số tham số cho anten mảng như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng... - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu mới để cải thiện tham số cho anten mảng. - Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc EBG mới để cải thiện tham số cho anten mảng • Đối tượng nghiên cứu trong luận án bao gồm: - Anten mảng vi dải có giá thành rẻ, chi phí thấp và dễ dàng chế tạo dựa trên công nghệ anten phẳng (planar). - Anten mảng lưỡng cực (dipole) sử dụng công nghệ vi dải. • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cải thiện một số tham số cho anten mảng hoạt động ở băng C hoặc băng X (từ 11 GHz trở xuống) như băng thông, độ định hướng, hệ số tăng ích, hiệu suất. Các công việc bao gồm: phân tích, tính toán, thiết kế và áp dụng vào anten. 4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án Việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện một số tham số cho anten 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 góp phần phát triển các giải pháp để cải thiện một số tham số cho anten mảng với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo với chi phí thấp. - Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp vào hiểu biết chung cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc phân tích và thiết kế anten mảng sử dụng công nghệ vi dải. • - Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp cải thiện một số tham số cho anten nhằm nâng cao chất lượng của anten và là cơ sở để các nhà sản xuất chế tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn trong tương lai. - Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết kế anten mảng nói riêng và anten nói chung. Từ đó nhằm cải thiện các tham số của anten để có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Những đóng góp khoa học của luận án: - Một phương pháp DSS (Defected Substrate Structure) được đề xuất để cải thiện đồng thời một số tham số cho anten dựa trên cơ sở phân bố lại dòng bề mặt và hốc cộng 6 _______________________________________________________________________________ hưởng được đề xuất. Đồng thời, phương pháp được mô hình hóa và tính toán theo sơ đồ mạch tương đương LC. - Đề xuất cấu trúc siêu vật liệu để cải thiện một số tham số cho anten mảng và phân tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC của cấu trúc. - Đề xuất cấu trúc EBG để cải thiện tham số cho anten mảng và phân tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC. 5. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án bao gồm ba chương. Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về anten mảng và nguyên lý hoạt động của anten vi dải; những ưu nhược điểm của anten vi dải và các giải pháp để cải thiện tham số cho anten cũng được trình bày trong chương này. Cụ thể là, những nguyên lý mở rộng băng thông và cải thiện hệ số tăng ích cho anten dựa trên một số phương pháp như sử dụng cấu trúc siêu vật liệu, bề mặt phản xạ và phân bố lại dòng cũng được trình bày trong chương này. Đây là những nguyên lý quan trọng và là cơ sở để phát triển các phương pháp cũng như việc phân tích, thiết kế anten được trình bày trong các chương tiếp theo. Giải pháp cải thiện băng thông cho anten bằng cách áp dụng các nguyên lý ở chương 1 được đề xuất và thực hiện trong chương 2. Những cấu trúc siêu vật liệu mới được đề xuất và áp dụng để cải thiện băng thông cho anten mảng 4 𝑥 4. Cấu trúc đề xuất có ưu điểm nhỏ gọn và đồng phẳng. Vì vậy, nó dễ dàng cho việc chế tạo cũng như sản xuất với chi phí thấp. Hơn nữa, để kiểm chứng sự ảnh hưởng của cấu trúc đề xuất tới các tham số của anten, luận án đã mô phỏng và so sánh anten trong các trường hợp khác nhau. Chương 3 đề xuất và thực hiện các giải pháp để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Dựa trên nguyên lý phân bố lại dòng, luận án đã đề xuất một phương pháp mới là DSS để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Thêm vào đó, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten thông qua việc sử dụng bề mặt phản xạ cũng được trình bày trong chương này. Ngoài ra, luận án còn phát triển một cấu trúc siêu vật liệu mới và nó được áp dụng để cải thiện tham số cho anten mảng 2 𝑥 2. Các phương pháp đều được phân tích, tính toán lý thuyết, mô phỏng tối ưu kết hợp với chế tạo và đo kiểm thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp đề xuất. 7 _______________________________________________________________________________ CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG 1.1. Giới thiệu chương Chương này trình bày tổng quan về một số nội dung như: giới thiệu về anten vi dải, một số tham số cơ bản của anten và lý thuyết anten mảng. Việc anten vi dải có một số hạn chế như băng thông hẹp, tăng ích và hiệu suất thấp đã ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng dịch vụ của các hệ thống vô tuyến. Vì vậy, những phương pháp cải thiện các tham số cho anten cũng được trình bày trong phần này. Ở đây, nghiên cứu sinh tập trung vào các phương pháp cải thiện băng thông và tăng ích cho anten. Đây chính là cơ sở để đưa ra những đề xuất cải thiện các tham số cho anten ở trong các Chương 2 và 3. 1.2. Giới thiệu về anten vi dải Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953 [25]. Tuy nhiên, phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên mới được chế tạo. Cấu trúc của anten vi dải gồm ba lớp: bức xạ, điện môi và lớp đất như được hiển thị trong Hình 1.1. Hình 1.1: Mô hình anten vi dải [7] Khi được cấp nguồn, việc phát xạ của một anten vi dải có thể được xác định bằng phân bố trường giữa tấm phát xạ và mặt phẳng đất. Khi đó, lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu trên tấm phát xạ làm chuyển dịch một số điện tích từ mặt dưới lên mặt trên của tấm bức xạ. Sự dịch chuyển này đã tạo ra vector mật độ dòng ở mặt dưới Jb và vector mật độ dòng ở mặt trên J t . Lực hút giữa các điện tích là chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích, dòng vẫn tồn tại bên dưới khi tỉ số giữa chiều dày h của lớp điện môi và chiều rộng W của tấm phát xạ là rất nhỏ. Như vậy, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ vùng biên của 8 _______________________________________________________________________________ tấm bức xạ lên mặt trên của tấm bức xạ làm hình thành một trường từ nhỏ có chiều tiếp tuyến với các vùng biên của tấm bức xạ. Hình 1.2: Phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải [7] Kể từ khi ra đời, anten vi dải có nhiều ưu thế so với một số loại anten truyền thống khác bởi một số ưu điểm như: ✓ Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ ✓ Dễ dàng chế tạo với chi phí thấp ✓ Dễ dàng tích hợp với các mạch tích hợp khác ✓ Có thể phân cực tuyến tính và phân cực tròn bằng việc cấp nguồn đơn giản ✓ Dễ dàng chế tạo anten hoạt động với nhiều dải tần khác nhau Tuy nhiên, anten vi dải cũng tồn tại một số nhược điểm như: ✓ Băng thông hẹp ✓ Hệ số tăng ích thấp ✓ Công suất nhỏ ✓ Anten vi dải hầu hết chỉ bức xạ một nửa không gian phía trên ✓ Hiệu suất bức xạ thấp Hiện nay, anten mảng sử dụng công nghệ vi dải được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như thông tin vệ tinh [32], [106]; thông tin di động [62], [108]; radar [38]; y tế [81], … Để đáp ứng tốt cho các ứng dụng trên, việc cải thiện các tham số cho anten là rất cần thiết. Để làm được việc này, luận án cần tìm hiểu chi tiết về các tham số của anten. Sau đây, luận án sẽ lần lượt giới thiệu một số tham số của anten. 1.3. Các tham số cơ bản của anten Anten có nhiều tham số khác nhau, tuy nhiên trong luận án này chỉ trình bày một số tham số quan trọng của anten. Các tham số khác được trình bày trong [7], [30], [8]. 9 _______________________________________________________________________________ 1.3.1. Băng thông Theo định nghĩa của IEEE, băng thông của anten được định nghĩa là dải tần mà hiệu suất của anten với một số đặc tính là phù hợp với tiêu chuẩn quy định. Thông thường, băng thông là khoảng tần số ở hai bên của tần số trung tâm mà ở đó các tham số như trở kháng vào, hệ số tăng ích, hiệu suất bức xạ, phân cực… nằm trong khoảng chấp nhận được, tương tự như tần số trung tâm. Vì vậy, để đạt được các tiêu chuẩn trên, băng thông thường được tính là nơi mà tỉ số sóng đứng – VSWR nhỏ hơn 2. Với anten băng thông rộng, băng thông có thể được miêu tả bằng tỉ số giữa tần số cực đại và tần số cực tiểu, trong đó chất lượng anten có thể chấp nhận được: 𝑓 𝐵𝑊 = 𝑓𝑚𝑎𝑥 (1.1) 𝑚𝑖𝑛 Trong khi đó, với anten băng hẹp thì băng thông được miêu tả là tỉ lệ phần trăm giữa sự sai khác tần số (nơi mà VSWR nhỏ hơn 2) so với tần số trung tâm: 𝐵𝑊 = 𝑓𝑚𝑎𝑥 −𝑓𝑚𝑖𝑛 𝑓0 × 100% (1.2) 1.3.2. Hiệu suất Hiệu suất có thể được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được bức xạ từ anten và công suất mà anten nhận được [7]: 𝑃 𝜂 = 𝑃𝑟 𝑖𝑛 (1.3) Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của anten mà có thể kể đến ở đây như: suy hao của lớp điện môi, suy hao vật dẫn, công suất phản xạ, … Bên cạnh đó, hiệu suất tổng của anten được định nghĩa là tích của hiệu suất phản xạ, hiệu suất dẫn (conduction efficiency) và hiệu suất điện môi: 𝑒0 = 𝑒𝑟 𝑒𝑐 𝑒𝑑 (1.4) trong đó: 𝑒0 : hiệu suất tổng, 𝑒𝑟 : hiệu suất phản xạ = 1 − |𝛤 2 | với 𝛤 là hệ số phản xạ, 𝑒𝑐 : hiệu suất dẫn, và 𝑒𝑑 : hiệu suất điện môi.