Luận văn Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial

1 LỜI CẢM ƠN Luận văn này đã được hoàn thành tại Bộ môn Vật lí Chất rắn và Điện tử, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Mạnh Cường. Đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới TS. Trần Mạnh Cường đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo Bộ môn Vật lí Vô tuyến và Điện tử,Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã chỉ bảo và giảng dạy tôi trong suốt những năm học qua. Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài NAFOSTED mã số HĐ-103.99-2011-02. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 1 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Thúy 2 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HIS : High Impedance Surface LHMs : Left handed metamaterials MMs : Metamaterials TE : Transverse electric TM : Transverse magnetic 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu ................................................................. 10 Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc ............................ 16 Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tròn .................................................... 17 Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải........................................................................ 20 Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm ...................................................................... 21 Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực ..................................................................... 21 Hình 1.7: Anten khe mạch dải ............................................................................... 22 Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy ..................................................................... 22 Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải ............................................................. 23 Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục .............................................................. 23 Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe .............................................................. 24 Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận .................................................. 24 Hình 1.13: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải .......................................... 25 Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳn ..................................................... 25 Hình 1.15: Mô hình bức xạ của anten mạch dải .................................................... 27 Hình 1.16: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng ...................................... 28 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng ....................................... 29 Hình 1.18: Tiếp điện bằng một đường mạch dải .................................................... 31 Hình 1.19: Tiếp điện bằng hai đường mạch dải vào hai cạnh của anten ................ 32 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. ......................................................................................... 35 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 ................................................................. 35 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. ................................................................. 37 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials.......... 38 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình ............................................. 39 Hình 2.6: Mô hình một bề mặt trở kháng cao ........................................................ 40 4 Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao ................................ 41 Hình 2.8: Mặt cắt ngang của một bề mặt trở kháng cao 2 lớp đơn giản ................ 41 Hình 2.9: Nguồn gốc của điện dung và điện cảm trong cấu trúc HIS..................... 41 Hình 2.10: Mô hình mạch sử dụng cho bề mặt trở kháng cao ................................ 42 Hình 2.11: Một cặp kim loại cách nhau bởi một khoảng cách ............................... 42 Hình 2.12: Tụ điện trong bề mặt trở kháng cao ..................................................... 43 Hình 2.13: Một tấm điện môi được chia thành các lớp nhỏ ................................... 44 Hình 2.14: Những tấm kim loại tụ điện đặt trong tấm điện mô .............................. 44 Hình 2.15: Một dòng điện của cuộn dây kim loại tính toán cho điện cảm tấm ....... 46 Hình 2.16: Trở kháng của một mạch cộng hưởng tương đương ............................. 47 Hình 2.17: Tính toán pha phản xạ sử dụng mô hình mạch cộng hưởng ................. 48 Hình 2.18: Một diện tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở kháng ................. 49 Hình 2.19: Sóng mặt truyền trên một bề mặt trở kháng bất kì ................................ 49 Hình 2.20: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao............... 52 Hình 2.21: Giá trị S11 cho các anten miếng trên 2 mặt phẳng đất khác nhau ......... 52 Hình 2.22: Đồ thị bức xạ - E của 2 anten miếng ................................................... 53 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 ............................................................ 55 Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten .......................................................................... 56 Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) đã chế tạo................................................................................................................... 57 Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer ................................................. 50 Hình 4.1: Mô hình anten mạch dải ........................................................................ 58 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng anten mạch dải ......................................................... 59 Hình 4.3a: Mô hình HIS ........................................................................................ 60 Hình 4.3b: Mô hình thiết kế 1 cell của bề mặt trở kháng cao ................................. 61 Hình 4.4: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS ........................................... 61 Hình 4.5: Mô hình anten metamaterial khảo sát .................................................... 62 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng anten metamaterial .................................................. 63 5 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 ......................................................................... 65 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 ..................................................................... 65 Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial. ................................................................................. 66 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. ................................... 67 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS.................................................................................................... 68 Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS .......................................................................................................... 68 Hình 4.12: Mô hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng ......................... 69 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau . 70 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 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN .......................................................... 10 1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN...................................................................................... 10 1.1.1.Khái niệm anten............................................................................................ 10 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.................................................. 10 1.1.3. Hệ phương trình Maxwell. ........................................................................... 11 1.1.4. Các thông số cơ bản của anten ..................................................................... 13 1.2. ANTEN MẠCH DẢI ......................................................................................... 19 1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải ...................... 20 1.2.2. Phương pháp phân tích anten mạch dải ........................................................ 26 1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải ................................................................. 28 1.2.4. Ưu nhược điểm của anten mạch dải ............................................................. 32 CHƯƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL ........................................................ 34 2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS ................................................................. 34 2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials ................................................................ 34 2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials .................................................................... 35 2.1.3. Ứng dụng của metamaterials ........................................................................ 38 2.2. ANTEN METAMATERIAL .............................................................................. 40 2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) .................................. 40 2.2.2. Anten metamaterial...................................................................................... 51 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................. 54 3.1.PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG............................................................................ 54 3.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................... 55 3.2.1.Qui trình chế tạo anten .................................................................................. 55 3.2.2. Kết quả ........................................................................................................ 56 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 58 4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI ............................................... 58 7 4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thường .......................................................... 58 4.1.2. Kết quả mô phỏng anten mạch dải ............................................................... 59 4.1.3. Thảo luận ..................................................................................................... 59 4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS........................... 60 4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS ................................................................ 60 4.2.2. Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS ........................................................... 61 4.2.3. Thảo luận ..................................................................................................... 62 4.3. MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL .......................................................... 62 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial .......................................................................... 62 4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial ......................................................... 63 4.3.3. Thảo luận ..................................................................................................... 63 4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL ...................................................................... 64 4.4.1.Khảo sát ảnh hưởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial ................................................... 64 4.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial ................................................................................................ 67 4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thước các ô cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau. ......................................................................... 69 4.5. KẾT QUẢ ĐO .................................................................................................. 64 4.5.1. Kết quả ........................................................................................................ 64 4.5.2 Thảo luận...................................................................................................... 65 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 74 8 MỞ ĐẦU Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh chóng trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn hơn. Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi mạch dải (microstrip antenna), có các ưu điểm hấp dẫn như kích thước nhỏ và dễ gắn lên các thiết bị đầu cuối.; chúng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu cần thiết ở trên. Cũng bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng, hiệu suất cao đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về anten. Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động hiện 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), đã được phát triển và đã xuất bản trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz). Anten mạch dải vốn đã có băng thông hẹp và hiệu suất thấp nên việc nghiên cứu để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất anten thường là nhu cầu cần thiết đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Có nhiều cách để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất của Anten mạch dải như 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 phương pháp mới rất hiệu quả và được 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 thường. Metamaterials được hiểu là 9 vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông thường như: Đảo ngược điều kiện khúc xạ [4], đảo ngược hiệu ứng Dopler [4], đảo ngược định luật Snell [4], Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen [4],Và một 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 “Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” nhằm tìm ra cấu trúc Metamaterials tối ưu 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 hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Phương 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 Chương 1: Tổng quan về anten Chương 2: Anten metamaterial Chương 3: Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN 10 Thiết bị điều chế Máy phát Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống bức xạ Anten phát Thiết bị xử lý Máy thu Hệ thống cảm thụ bức xạ Hệ thống gia công tín hiệu Anten thu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 1.1.1. Khái niệm anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiểncũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu[1] 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ. Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. 11 Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên nhưng điện từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trườ