Luận án Phát triển ăng-ten mảng phẳng sử dụng phần tử bức xạ dạng cấu trúc siêu vật liệu và lưỡng cực điện từ ở dải sóng milimét

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Đặng Thị Từ Mỹ . ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án, tôi đã nhận được sự động viên để vượt qua khó khăn, sự hướng dẫn tận tụy, sự góp ý về khoa học sâu sắc của tập thể thầy cô giáo hướng dẫn. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô hướng dẫn: TS. Trần Thị Hương, GS. Hirokawa và PGS.TS. Bùi Thị Minh Tú. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng; Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành Luận án. Tôi chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo nơi tôi công tác và học tập, các đồng nghiệp đã hỗ trợ, trao đổi, thảo luận và gửi nhiều góp ý chuyên môn giúp tôi hoàn thành Luận án. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn từ đáy lòng đến Chồng tôi, đã động viên và định hướng cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Đồng thời, tôi cũng cảm ơn hai con đã tạo động lực cho tôi hoàn thành Luận án này. Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022 Tác giả Đặng Thị Từ Mỹ iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ xi MỞ ĐẦU ................................................................................................................. xiv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN MẢNG VÀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ............................................................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu chương ................................................................................................ 1 1.2. Lý thuyết chung về ăng-ten .................................................................................. 1 1.2.1. Giới thiệu .................................................................................................... 1 1.2.2. Các tham số cơ bản của ăng-ten ................................................................. 4 1.3. Siêu vật liệu điện từ ............................................................................................ 12 1.3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 12 1.3.2. Lý thuyết về vật liệu LHMs ...................................................................... 12 1.3.3. Vật liệu có hằng số điện môi âm ENG ..................................................... 18 1.3.4. Ứng dụng siêu vật liệu điện từ trong thiết kế ăng-ten .............................. 19 1.4. Ăng-ten lưỡng cực điện từ ................................................................................. 20 1.4.1. Giới thiệu .................................................................................................. 20 1.4.2. Cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ .......................................................... 21 1.5. Tổng kết chương ................................................................................................ 24 CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĂNG- TEN ........................................................................................................................... 25 iv 2.1. Giới thiệu chương .............................................................................................. 25 2.2. Quy trình phân tích và thiết kế ăng-ten mảng .................................................... 25 2.2.1. Quy trình phân tích ................................................................................... 25 2.2.2. Quy trình tổng quát thiết kế ăng-ten ......................................................... 28 2.3. Lựa chọn vật liệu điện môi và tiếp điện cho ăng-ten ......................................... 29 2.3.1 Vật liệu sử dụng cho ăng-ten ở dải sóng Milimét ..................................... 29 2.3.2 Phương pháp tiếp điện ............................................................................... 32 2.3.3. Bộ chia công suất chữ T sử dụng cho mạng tiếp điện của ăng-ten mảng 36 2.4. Phương pháp tính toán, mô phỏng ăng-ten ........................................................ 38 2.5. Tổng kết chương ................................................................................................ 42 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG PHẲNG ĐỘ LỢI LỚN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G ......................................... 43 3.1. Giới thiệu chương .............................................................................................. 43 3.2. Thiết kế ăng-ten vi dải đơn sử dụng cấu trúc siêu vật liệu ................................ 43 3.2.1. Yêu cầu thiết kế ........................................................................................ 44 3.2.2. Mô hình đề xuất ........................................................................................ 44 3.2.3. Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 46 3.2.4. Mô phỏng tối ưu ....................................................................................... 49 3.3. Thiết kế ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử ....................................................... 53 3.3.1. Thiết kế mạng tiếp điện ............................................................................ 53 3.3.2. Ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử .......................................................... 54 3.3.3. Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử .......................................................... 55 v 3.4. So sánh mảng ăng-ten đề xuất với các công trình đã công bố ........................... 56 3.5. Kiểm chứng thực nghiệm ................................................................................... 57 3.6. Tổng kết chương ................................................................................................ 58 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG LƯỠNG CỰC ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MILIMÉT .............. 59 4.1. Giới thiệu chương .............................................................................................. 59 4.2. Thiết kế ăng-ten lưỡng cực điện từ .................................................................... 60 4.2.1. Yêu cầu thiết kế ........................................................................................ 60 4.2.2. Mô hình đề xuất ........................................................................................ 61 4.2.3. Mô phỏng tối ưu ....................................................................................... 63 4.3. Thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ .......................................................... 67 4.3.1. Thiết kế mạng tiếp điện phẳng ................................................................. 67 4.3.2. Thiết kế ăng-ten mảng .............................................................................. 70 4.4. So sánh mảng ăng-ten đề xuất với các công trình đã công bố ........................... 74 4.5. Tổng kết chương ................................................................................................ 75 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 76 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 80 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Thông số thiết kế ăng-ten ......................................................................... 44 Bảng 3.2. Kích thước tối ưu của ăng-ten vi dải hoạt động ở tần số 28 GHz (đơn vị mm) ........................................................................................................................... 52 Bảng 3.3. So sánh giữa ăng-ten mảng đề xuất và một số ăng-ten đã công bố .......... 56 Bảng 4.1. Thông số thiết kế ăng-ten ......................................................................... 60 Bảng 4.2. Kích thước tối ưu của ăng-ten lưỡng cực điện từ hoạt động ở tần số 38 GHz (đơn vị mm). .............................................................................................................. 66 Bảng 4.3. So sánh đặc tính bức xạ giữa ăng-ten ME đề xuất và một số ăng-ten ME đã công bố ...................................................................................................................... 74 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ăng-ten như một thiết bị truyền sóng [93]. ................................................ 1 Hình 1.2. Mô hình tương đương cho hệ thống ăng-ten trong hình 1.1 [93]. .............. 2 Hình 1.3. Hiện tượng sóng đứng ................................................................................. 3 Hình 1.4. Điện trường và từ trường tại trường khu xa ................................................ 4 Hình 1.5. Hệ thống tọa độ để phân tích ăng-ten [93] .................................................. 5 Hình 1.6. Giản đồ bức xạ của một ăng-ten [93] .......................................................... 6 Hình 1.7. Các búp sóng của ăng-ten bức xạ hướng tính [93] ..................................... 7 Hình 1.8. Sơ đồ mạch tương đương LC của các mô hình: (a) PRH, (b) PLH, (c) CRLH [95] ............................................................................................................................ 14 Hình 1.9. Đồ thị tán sắc của đường truyền: (a) PRH, (b) PLH và (c) CRLH [95] ... 15 Hình 1.10. Sơ đồ mạch tương đương và đồ thị phân tán của đường truyền CRLH cân bằng [95] ................................................................................................................... 16 Hình 1.11. Mô hình vật liệu hấp thụ và kết quả mô phỏng đo đạc [96] ................... 19 Hình 1.12. a) Ăng-ten lưỡng cực điện phẳng, b) Ăng-ten ¼ bước sóng, c) Ăng-ten lưỡng cực điện từ [97] ............................................................................................... 21 Hình 1.13. Ảnh hưởng của chiều dài lưỡng cực điện phẳng L đến tần số cộng hưởng [97]. ........................................................................................................................... 23 Hình 2.1. Một số dạng cuộn cảm trong mạch dải ..................................................... 26 Hình 2.2. Một số cấu trúc tụ điện trong mạch dải ..................................................... 26 Hình 2.3. Một dạng cấu trúc siêu vật liện điện từ ..................................................... 27 Hình 2.4 Lưu đồ thiết kế ăng-ten đơn đề xuất .......................................................... 28 viii Hình 2.5. Cấu trúc EBG dạng hình nấm ................................................................... 30 Hình 2.6. Một số dạng cấu trúc DGS: (a) Xoắn hai đầu, (b) Mũi tên, (c) Khe chữ H, (d) Vòng hở hình vuông với 1 khe nối ở giữa, (e) Quả tạ vòng hở và (f) Zíc-zắc .... 31 Hình 2.7. Cấu trúc đường vi dải ................................................................................ 32 Hình 2.8. Cáp đồng trục ............................................................................................ 34 Hình 2.9. Mô hình tiếp điện bằng khe ....................................................................... 35 Hình 2.10. Các loại bộ chia công suất chữ T: (a) Ống dẫn sóng chữ T theo mặt phẳng E, (b) Ống dẫn sóng chữ T theo mặt phẳng H, (c) Bộ chia chữ T vi dải [98] .......... 36 Hình 2.11. Mô hình đường truyền bộ chia công suất chữ T không tổn hao [98] ..... 37 Hình 2.12. Các phương pháp phân tích trường điện từ ............................................. 38 Hình 2.13. Những phần tử hữu hạn điển hình: (a) Một chiều, (b) Hai chiều, (c) Ba chiều .......................................................................................................................... 39 Hình 2.14. Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều ....................................................... 40 Hình 3.1. Mô hình ăng-ten vi dải: (a) nhìn từ trên xuống, (b) nhìn từ mặt bên ........ 45 Hình 3.2. Mô hình ăng-ten vi dải nhìn từ mặt bên có cổng kích thích. .................... 46 Hình 3.3. Hình ảnh mô phỏng 3D hoàn thiện ........................................................... 46 Hình 3.4. Mô hình mạch kích thước vi phân: (a) Đường truyền siêu vật liệu ENG, (b) Đường truyền siêu vật liệu DNG (𝑍𝐸𝑁𝐺′, 𝑍𝐷𝑁𝐺′, và 𝑌′ là trở kháng và dẫn nạp trên một đơn vị chiều dài) [100] ....................................................................................... 47 Hình 3.5 Đường cong tán xạ [101] .......................................................................... 48 Hình 3.6. Mô phỏng hệ số S11 của ăng-ten đơn với các giá trị chiều dài a khác nhau của đoạn DPS ............................................................................................................ 50 ix Hình 3.7. Mô phỏng hệ số S11 của ăng-ten đơn với các giá trị chiều rộng wp khác nhau của đoạn DPS ................................................................................................... 50 Hình 3.8. Mô phỏng hệ số S11 của ăng-ten đơn với các giá trị bán kính cột nối kim loại r khác nhau ......................................................................................................... 50 Hình 3.9. Mô phỏng hệ số S11 của ăng-ten đơn với các giá trị khe hở g khác nhau của đoạn DPS ................................................................................................................... 50 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng phân bố dòng điện trên ăng-ten đơn tại tần số 28 GHz ................................................................................................................................... 51 Hình 3.11. Kết quả mô phỏng ăng-ten đơn: (a) Hệ số phản xạ S11; (b) Đồ thị bức xạ. ................................................................................................................................... 52 Hình 3.12. Tính toán lý thuyết kích thước mạng tiếp điện T-Junction 1:2 tại tần số 28 GHz (các kích thước ở đơn vị mm)........................................................................... 53 Hình 3.13. Ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử với mạng tiếp điện T-Junction (các kích thước ở đơn vị mm). .......................................................................................... 54 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng ăng-ten mảng 2 phần tử: (a) Hệ số phản xạ S11; (b) Đồ thị bức xạ của ăng-ten mảng 2 phần tử. .................................................................... 55 Hình 3.15. Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử: (a) Bộ chia công suất T-Junction 1:4; (b) Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử ..................................................................... 55 Hình 3.16. Kết quả mô phỏng ăng-ten mảng 4 phần tử: (a) Hệ số phản xạ S11; (b) Đồ thị bức xạ của mảng ăng-ten 4 phần tử ..................................................................... 56 Hình 3.17. Mẫu chế tạo ăng-ten mảng: (a) 2 phần tử, (b) 4 phần tử ......................... 57 Hình 3.18. Kết quả đo thực nghiệm hệ số phản xạ S11 của Ăng-ten mảng: (a) 2 phần tử, (b) 4 phần tử. ............................................................................................... 58 x Hình 4.1. Mô hình ăng-ten lưỡng cực điện từ đề xuất: (a) toàn cảnh, (b) mặt cắt ngang, (c) mặt trên. ............................................................................................................... 62 Hình 4.2. Phân bố dòng điện trên ăng-ten lưỡng cực điện từ ở tần số 38 GHz ở các góc pha khác nhau. .................................................................................................... 63 Hình 4.3. Kết quả mô phỏng S11 của ăng-ten ME với các giá trị khác nhau: (a) chiều dài ăng-ten Ld, (b) chiều dài khe mở La .................................................................... 64 Hình 4.4. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của ăng-ten ME đề xuất tối ưu tại 38 GHz 65 Hình 4.5. Mô phỏng đồ thị bức xạ của ăng-ten ME đề xuất tối ưu tại 38 GHz ........ 65 Hình 4.6. Kết quả mô phỏng độ lợi thực của ăng-ten ME đơn ................................. 66 Hình 4.7. Mô hình mạng tiếp điện sử dụng bộ chia công suất chữ T: (a) 1:4, và (b) 1:8 .............................................................................................................................. 68 Hình 4.8. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của bộ chia công suất chữ T băng thông rộng: (a) 1:4, (b) 1:8 .................................................................................................. 69 Hình 4.9. Mô hình ăng-ten mảng ME 1 chiều: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử ............. 71 Hình 4.10. Hệ số phản xạ S11 của ăng-ten mảng ME: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử . 72 Hình 4.11. Đồ thị bức xạ của ăng-ten mảng ME: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử ......... 72 Hình 4.12. Độ lợi chuẩn hoá của ăng-ten mảng ME: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử ... 73 Hình 4.13. Độ lợi thực của ăng-ten mảng: (a) 4 phần tử, (b) 8 phần tử. .................. 73 xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, từ viết tắt Diễn giải Giải nghĩa AMC Artificial Magnetic Conductor Cấu trúc dẫn từ nhân tạo BC Boundary Condition Điều kiện biên BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BW Bandwidth Băng thông CRLH Composite Right/left-handed transmission line metamaterial Vật liệu tổng hợp tuân theo quy tắc bàn tay trái/phải CSRR Complementary Split Ring Resonator Vòng cộng hưởng hở bổ sung DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DNG Double Negative Chiết suất âm DPS Double positive mediums Chiết suất dương EBG Electromagnetic Band Gap Cấu trúc chắn dải điện từ EIRP Effective Isotropic Radiation Power Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ENG Epsilon-Negative Độ điện thẩm âm xii EW Electronic Warfare Chiến tranh điện tử FDTD Finite Difference Time Domain Sai phân hữu hạn miền thời gian FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FNBW First Null Beamwidth Độ rộng bức xạ không đầu tiên HFSS Hight Frequency Structure Simulator Mô phỏng cấu trúc tần số cao HPBW Half Power Beamwidth Độ rộng nửa công suất LHM Left - Handed Materials Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái ME dipole Magneto – Electric Dipole Lưỡng cực điện từ MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào và đa đầu ra mmW Millimeter Wave Bước sóng Milimét MPA Microstrip Patch Antenna Ăng-ten vi dải dạng tấm MSA Microstrip Antennas Ăng-ten vi dải MTA Microstrip Traveling-Wave Antenna Ăng-ten sóng chạy vi dải MTM Metamaterials Siêu vật liệu NRI Negative Reflect Index Chỉ số phản xạ âm PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in xiii PLH Purely Left-handed Vật liệu thuần LH PRH Purely Right-handed Vật liệu thuần RH RHM Right-Handed Materials Vật liệu thông thường SIW Substrate Integrated Waveguide Ống dẫn sóng tích hợp trong lớp điện môi SMA SubMiniature Version A Đầu nối A SRR Split Ring Resonator Vòng cộng hưởng hở SWR Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng TL General Transmision Line Đường truyền chung TL-MM Metamaterial Transmission Line Đường truyền siêu vật liệu TM Transverse Magnetic Từ trường ngang UWB Ultra Wideband Băng thông cực rộng ZOR Zero Order Resonant Cộng hưởng bậc 0 xiv MỞ ĐẦU 1. Ăng-ten mảng phẳng và ứng dụng trong hệ thống thông tin Milimét Trong những năm gần đây,