Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: 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

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm phân tích, thiết kế các mô đun siêu cao tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG NHƢ ĐỊNH NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ LỌC THÔNG DẢI, BỘ CHIA CÔNG SUẤT, ANTEN SỬ DỤNG ĐƢỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP, VÒNG CỘNG HƢỞNG VÀ HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG NHƢ ĐỊNH NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN BỘ LỌC THÔNG DẢI, BỘ CHIA CÔNG SUẤT, ANTEN SỬ DỤNG ĐƢỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP, VÒNG CỘNG HƢỞNG VÀ HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI 2. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN Hà Nội – 2017
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được đảm bảo tính chính xác và trung thực. Tác giả luận án Đặng Nhƣ Định
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đào Ngọc Chiến và TS. Hoàng Phương Chi, người đã trực tiếp hướng dẫn và định hướng khoa học cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Thầy Cô đã dành nhiều thời gian, công sức và tâm huyết hỗ trợ mọi mặt để tôi hoàn thành luận án theo đúng kế hoạch đã đặt ra. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cảm ơn tập thể anh chị em NCS của Viện và LAB 608 đã tận tình động viên, hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, đồng chí, đồng đội và cơ quan công tác đã luôn động viên, khích lệ tôi trong thời gian vừa qua để tôi có thêm nghị lực vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Đặng Nhƣ Định
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xiii MỞ ĐẦU............................................................................................................................ xiv 1. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô-đun siêu cao tần .................. xiv 2. Những vấn đề còn tồn tại ...................................................................................... xvi 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ xvii 3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ xvii 3.2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. xviii 3.3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ xviii 4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án ............................................. xviii 5. Cấu trúc nội dung của luận án ............................................................................... xix CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ........................................ 1 1.1. Giới thiệu chương ................................................................................................. 1 1.2. Siêu vật liệu điện từ............................................................................................... 1 1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 1 1.2.2. Đặc điểm ................................................................................................... 1 1.3. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL ...................................... 6 1.3.1. Những đặc tính cơ bản của đường truyền siêu vật liệu ............................ 6 1.3.2. Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng .............................................. 11 1.3.3. Mạng LC bậc thang ................................................................................ 12 1.3.4. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL ..... 14 1.3.5. Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ ................................... 15 1.4. Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ ..................................................... 17 1.4.1. Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR) .............................................................. 18 1.4.2. Bộ cộng hưởng vòng hở mở (OSRR) ..................................................... 20 1.5. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu ........................................................................... 20 1.5.1. Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền ........................................................ 20
iv 1.5.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ. ........................................................................................................ 21 1.6. Ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong thiết kế mô-đun siêu cao tần .............. 22 1.6.1. Bộ lọc thông dải ...................................................................................... 22 1.6.2. Anten vi dải............................................................................................. 25 1.6.3. Bộ chia công suất .................................................................................... 28 1.7. Tổng kết chương ................................................................................................. 30 CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI, ANTEN, BỘ CHIA CÔNG SUẤT PHẲNG SỬ DỤNG ĐƢỜNG TRUYỀN PHỨC HỢP VÀ VÒNG CỘNG HƢỞNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU......................................................................... 31 2.1. Giới thiệu chương ............................................................................................... 31 2.2. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở ........ 31 2.2.1. Phần tử siêu vật liệu CRLH dựa trên vòng cộng hưởng hở .................... 33 2.2.2. Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR ........ 34 2.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ........................................................ 36 2.2.4. Kết luận .................................................................................................. 42 2.3. Anten siêu vật liệu tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng ứng dụng cho hệ thống WLAN ...................................................................................................... 42 2.3.1. Thiết kế anten siêu vật liệu dựa trên cấu trúc CRLH phẳng ................... 43 2.3.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 45 2.3.3. Kết luận ................................................................................................... 51 2.4. Bộ chia công suất Bagley Polygon phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL 51 2.4.1. Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 thông thường ............................ 52 2.4.2. Thiết kế bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL ............................................................................................ 53 2.4.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận ............................................................. 55 2.4.4. Kết luận ................................................................................................... 58 2.5. Tổng kết chương ................................................................................................. 58 CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ ANTEN ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU ............................ 60 3.1. Giới thiệu chương ............................................................................................... 60 3.2. Bộ lọc thông dải đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu ............... 61 3.2.1. Mô hình bộ lọc ba băng tần .................................................................... 62 3.2.2. Tính toán lý thuyết .................................................................................. 65 3.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ......................................................... 69 3.2.4. So sánh với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố ................. 72 3.2.5. Kết luận ................................................................................................... 72
v 3.3. Anten đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu ................................ 73 3.3.1. Phân tích và tính toán hiệu ứng viền trong anten đa băng tần ................ 73 3.3.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 81 3.3.3. Kết luận ................................................................................................... 85 3.4. Anten hai băng tần dải rộng có kích thước nhỏ gọn sử dụng hiệu ứng viền kết hợp với cấu trúc CRLH TL ................................................................................. 86 3.4.1. Mô hình anten đề xuất ............................................................................ 86 3.4.2. Tính toán lý thuyết .................................................................................. 88 3.4.3. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 91 3.4.4. Kết luận ................................................................................................... 96 3.5. Tổng kết chương ................................................................................................. 97 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 102
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ATL Artificial Transmission Line Đường truyền dẫn nhân tạo BPF Bandpass Filter Bộ lọc thông dải Broadside Coupled Split Ring BC-SRR Bộ cộng hưởng vòng hở ghép ngang Resonator BPD Bagley Polygon Divider Bộ chia công suất Bagley polygon BPF Bandpass Filter Bộ lọc thông dải CPW Coplanar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng CRLH Composite Right-Left Handed Cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp Composite Right-Left Handed Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ CRLH TL Transmission line phức hợp Complementary Split Ring CSRR Bộ cộng hưởng vòng hở bổ sung Resonator Double Slit Split Ring DS-SRR Bộ cộng hưởng vòng hở khe đôi Resonator Dual - Composite Right-Left Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ D-CRLH TL Handed Transmission line phức hợp đối ngẫu Global System for Mobile GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu Communications High Frequency Structral Phần mềm mô phỏng cấu trúc tần số HFSS Simulator cao Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái LH Left-handed material (Siêu vật liệu) LWA Leaky Wave Antenna Anten sóng rò LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MTM Metamaterial Siêu vật liệu NRI Negative Refractive Index Chỉ số khúc xạ âm OSRR Open Split Ring Resonator Bộ cộng hưởng vòng hở mở
vii PLH Purely Left Handed Vật liệu thuần LH Vật liệu thuần RH (Vật liệu thông PRH Purely Right Handed thường) Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải RH Right-handed material (Vật liệu thông thường) SR Spiral Resonator Bộ cộng hưởng xoắn SRR Split Ring Resonator Vòng khuyết cộng hưởng TEM Transverse Electromagnetic Điện từ ngang TL Transmission line Đường truyền dẫn Worldwide Interoperability for Sự tương tác mạng diện rộng bằng WiMAX Microwave Access sóng vô tuyến WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây ZOR Zero Oder Resonator Cộng hưởng bậc 0
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. (a) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của vật liệu thông thường, (b) Biểu diễn chiều của vectơ Poynting và vectơ sóng của loại vật liệu mới. 3 Hình 1.2. Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách. ........................................................ 3 Hình 1.3. Hệ tọa độ ( , ). .................................................................................................... 4 Hình 1.4. Mô hình vật liệu plasma điện [84]. ........................................................................ 4 Hình 1.5. Các cấu trúc LH thực nghiệm đầu tiên [14]. ......................................................... 5 Hình 1.6. Mô hình vật liệu plasma từ [85]. ........................................................................... 5 Hình 1.7. Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục . ......................................................... 6 Hình 1.8. Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH TL thông thường không tổn hao [14]. 7 Hình 1.9. Đồ thị tán sắc của cấu trúc CRLH (a) năng lượng truyền theo hai hướng của trục dương và âm, (b) So sánh năng lượng truyền của CRLH, PRH và PLH theo hướng dương [14]. ............................................................................................................................ 9 Hình 1.10. Trở kháng đặc tính của CRLH trong trường hợp > [14]. ................... 10 Hình 1.11. Cấu trúc CRLH TL cộng hưởng cân bằng (a) Sơ đồ mạch tương đương, (b) Đường cong tán sắc [14]...................................................................................................... 12 Hình 1.12. Một phần tử đơn vị của đường truyền CRLH ở dạng mạch LC (a) Dạng tổng quát (Không cân bằng), (b) Cân bằng ( ) [14]................................................ 12 Hình 1.13. Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ [14]. .............................................. 13 Hình 1.14. Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng [14]................. 14 Hình 1.15. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL [11]. .......................................................................................... 14 Hình 1.16. Sơ đồ tương đương của một phần tử đơn vị đường truyền CRLH TL thông thường .................................................................................................................................. 16 Hình 1.17. (a) Mô hình đường truyền CRLH dạng cấu trúc hình nấm, (b) Sơ đồ tương đương. .................................................................................................................................. 17 Hình 1.18. SRR và các thông số kích thước cơ bản: (a) Dạng hình tròn, (b) Dạng hình vuông, và (c) Sơ đồ mạch tương đương [109]..................................................................... 18 Hình 1.19. Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng của SRR vào độ rộng của SRR [109]. .... 19 Hình 1.20. Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR và sơ đồ mạch tương đương [76]...... 20 Hình 1.21. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu. ........................................................................ 21 Hình 1.22. (a) Miền diện tích chưa được cộng hưởng, (b) Miền diện tích đã được cộng hưởng. .................................................................................................................................. 22 Hình 1.23. (a) Mô hình đường truyền siêu vật liệu CPW dựa trên cấu trúc SRR, (b) Kết quả đo đáp ứng tần số của mô hình [77]. ................................................................................... 23 Hình 1.24. Mô hình của một phần tử đơn vị cộng hưởng dựa trên cấu trúc CSRR [77]..... 23
ix Hình 1.25. (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu với cấu trúc SRR không cân bằng dạng biến đổi ở mặt trên và mặt đế không hoàn hảo, (b) Kết quả mô phỏng và đo tham số tán xạ và trễ nhóm [5]. ........................................................................................................................ 24 Hình 1.26. (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu dạng đường truyền cộng hưởng bậc không (ZOR) với cấu trúc răng lược, (b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc [52]........ 24 Hình 1.27. (a) Mô hình bộ lọc siêu vật liệu dạng đường truyền siêu vật liệu với cấu trúc vòng cộng hưởng hở, (b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc [38]. .................... 25 Hình 1.28. (a) Mô hình anten hai băng tần với tải MTM, (b) Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số phản xạ của anten siêu vật liệu đề xuất và anten không có tải MTM [124].. 25 Hình 1.29. Mô hình anten lưỡng cực với tải MTM dạng vòng cộng hưởng hở bổ sung mở (OCSRR) [44]. ..................................................................................................................... 26 Hình 1.30. (a) Mô hình anten hai băng tần với tải MTM (b) Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số phản xạ của anten siêu vật liệu đề xuất và anten không có tải MTM [40].... 27 Hình 1.31. Anten siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH: (a) Mô hình anten đề xuất, (b) Sơ đồ mạch LC tương đương [82]. ...................................................................................... 27 Hình 1.32. Bộ chia công suất khớp nối chữ T: (a) Cấu trúc thông thường, (b) Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất [95]. ............................................................................................................ 28 Hình 1.33. (a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Mẫu chế tạo bộ chia công suất cân bằng ba băng tần [32]. ..................................................................................................................................... 29 Hình 1.34. Bộ chia công suất 1:4 sử dụng bộ ghép giữa đường truyền vi dải và đường truyền dẫn có hệ số khúc xạ âm NRI-TL: (a) Sơ đồ nguyên lý bộ chia, (b) Mẫu chế tạo thực nghiệm [49]. ................................................................................................................ 29 Hình 1.35. Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử dụng CRLH TL (a) Sơ đồ layout đoạn biến đối ¼ bước sóng sử dụng cấu trúc CRLH, (b) Mẫu chế tạo thực nghiệm bộ chia công suất [27]. .............................................................................................................................. 30 Hình 2.1. Mô hình các cấu trúc siêu vật liệu điện từ: (a) Cộng hưởng vòng hở, (b) Cộng hưởng vòng hở mở............................................................................................................... 33 Hình 2.2. Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ tương đương của nó. ................................ 33 Hình 2.3. Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp dựa trên sự kết hợp một chuỗi các OSRR. .......................................................................................................... 34 Hình 2.4. Thiết kế ban đầu của bộ lọc được đề xuất dựa trên việc kết hợp một chuỗi các OSRR thể hiện trong hình 2.3. ............................................................................................ 35 Hình 2.5. Thiết kế hoàn thiện bộ lọc thông dải băng rộng dựa trên OSRR với các nhánh dây chêm. ............................................................................................................................. 36 Hình 2.6. Các bước thực hiện để thiết kế bộ lọc đề xuất. .................................................... 36 Hình 2.7. Đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM ở hình 2.3. ...................................................... 37 Hình 2.8. Hệ số từ thẩm và điện môi của cấu trúc ở hình 2.3: (a) Độ từ thẩm hiệu dụng μeff , (b) Hằng số điện môi hiệu dụng εeff. .................................................................................. 37 Hình 2.9. Mẫu chế tạo bộ lọc thông dải đề xuất ban đầu không có dây chêm. ................... 38 Hình 2.10. Mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S của bộ lọc đề xuất khi không có dây chêm. ................................................................................................................................... 38
x Hình 2.11. Mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của bộ lọc ở các bước thiết kế tương ứng....... 38 Hình 2.12. (a) Phân bố d ng bề mặt của bộ lọc OSRR không có đường dẫn mở tại dải chắn, (b) Phân bố d ng bề mặt của bộ lọc OSRR với các đường dẫn mở tại dải chắn. ...... 39 Hình 2.13. Phân bố d ng điện trong dải thông của bộ lọc khi có dây chêm. ...................... 39 Hình 2.14. Mẫu chế tạo bộ lọc thông dải đề xuất với dây chêm. ........................................ 40 Hình 2.15. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S của bộ lọc đề xuất khi có dây chêm. ................................................................................................................................... 40 Hình 2.16. Mô phỏng tham số tán xạ S của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm. ....... 40 Hình 2.17. Đo thực nghiệm tham số tán xạ S của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm. ............................................................................................................................................. 40 Hình 2.18. Mô phỏng trễ nhóm của bộ lọc khi không có và khi có dây chêm. ................... 41 Hình 2.19. Mô hình anten đề xuất: (a) Anten_1, (b) Anten_2. ........................................... 44 Hình 2.20. Sơ đồ mạch LC tương đương của anten đề xuất. .............................................. 45 Hình 2.21. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten khi có và không có tải: (a) Anten_1,(b) Anten_2. .............................................................................................................................. 46 Hình 2.22. Mật độ phân bố d ng trên anten đề xuất tại tần số 2,45 GHz: (a) Anten_1, (b) Anten_2. .............................................................................................................................. 46 Hình 2.23. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của Anten_1 với các giá trị kích thước khác nhau: (a) Chiều dài của đường gấp khúc L_step, (b) Độ rộng của đường gấp khúc W2.. ............ 47 Hình 2.24. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của Anten_2 với các giá trị kích thước khác nhau: (a) Chiều dài của đường gấp khúc L_step, (b) Độ rộng của đường gấp khúc W2. ............. 47 Hình 2.25. Trở kháng vào của anten đề xuất: a) Anten_1, and b) Anten_2. ....................... 48 Hình 2.26. Đồ thị bức xạ của anten đề xuất: a) Anten_1, và b) Anten_2............................ 49 Hình 2.27. Mẫu chế tạo của hai anten đề xuất và anten vi dải tham khảo.. ........................ 50 Hình 2.28. Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của các mẫu anten chế tạo. ........................ 50 Hình 2.29. Bộ chia Bagley Polygon 1:3 thông thường: a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Sơ đồ mạch tương đương [27]. ................................................................................................................ 52 Hình 2.30. Mô hình bộ chia BPD được đề xuất. ................................................................. 53 Hình 2.31. Mô hình mạch tương đương của phần tử trong đường truyền CRLH ZOR không sử dụng cột nối kim loại [97]............................................................................................... 53 Hình 2.32. Tham số tán xạ của bộ chia BPD được đề xuất. ................................................ 55 Hình 2.33. Kết quả mô phỏng S11 của mô hình đề xuất với các kích thước khác nhau: (a) độ rộng răng lược cw, (b) độ dài răng lược cl, (c) số lượng răng lược n, (d) chiều dài đường gấp khúc ll. ........................................................................................................................... 56 Hình 2.34. Phân bố d ng điện của bộ chia đề xuất ở 2,275 GHz. ....................................... 57 Hình 3.1. Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất ở không gian ba chiều (a) và hai chiều (b). 63 Hình 3.2. Mô hình ống dẫn sóng phẳng hữu hạn [14]. ........................................................ 64 Hình 3.3. Cấu trúc bộ lọc với thành phần cộng hưởng ST1: (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới. ... 69
xi Hình 3.4. Kết quả mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của cấu trúc hai băng tần tương ứng với sự thay đổi của tham số: (a) ws1, (b) ls3. ............................................................................. 69 Hình 3.5. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của bộ lọc với ST1 khi ws1 = 5 mm, và ls3 = 3 mm. ................................................................................................................................... 70 Hình 3.6. Kết quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường E (bên trái) và mật độ phân bố dòng (bên phải) tại bề mặt của bộ lọc tại tần số: (a) 2,45 GHz, (b) 3,5 GHz và (c) 5,2GHz. ............................................................................................................................................. 71 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của bộ lọc thông dải ba băng tần đề xuất với đế điện môi 20 mm  20 mm. .................................................................................................. 72 Hình 3.8. Mẫu chế tạo với kích thước đế điện môi 22 mm  22 mm và kết quả đo thực nghiệm tham số tán xạ. ........................................................................................................ 72 Hình 3.9. Mô hình anten có sử dụng hiệu ứng viền ............................................................ 74 Hình 3.10. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền gây ra bởi mode lên mode và ................................................................................................................................. 74 Hình 3.11. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng viền của mode và lên mode . 76 Hình 3.12. Mô hình cấu trúc anten đa băng tần đề xuất. ..................................................... 78 Hình 3.13. Mô hình mạch tương đương của anten đề xuất tương ứng với mode cộng hưởng thứ i. ..................................................................................................................................... 78 Hình 3.14. Mô hình tự tương hỗ giữa hai thành phần vi dải. .............................................. 79 Hình 3.15. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đa băng tần đề xuất ............................ 82 Hình 3.16. Kết quả mô phỏng vectơ cường độ điện trường (bên trái) và mật độ phân bố dòng (bên phải) của anten đề xuất tại các tần số trung tâm (a) 1,78 GHz, (b) 2,52 GHz, (c) 3,58 GHz.............................................................................................................................. 82 Hình 3.17. Mô phỏng hệ số S11 của anten với các giá trị khác nhau của (a) g1, (b) g2, (c) g3. ......................................................................................................................................... 83 Hình 3.18. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại các tần số: (a) 1,78 GHz, (b) 2,45 GHz, (c) 3,58 GHz ............................................................................................................... 84 Hình 3.19. Mẫu chế tạo anten đề xuất. ................................................................................ 85 Hình 3.20. Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của mẫu anten đề xuất. .............................. 85 Hình 3.21. Mô hình anten siêu vật liệu đề xuất. .................................................................. 87 Hình 3.22. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc anten đề xuất. ....................................... 87 Hình 3.23. Mô hình tính toán giá trị cuộn cảm: (a) Cuộn cảm , (b) Cuộn cảm . ....... 89 Hình 3.24. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của anten với các giá trị khác nhau của (a) độ rộng wk đường gấp khúc, và (b) khoảng ghép wc giữa đường gấp khúc và tấm bức xạ. ............. 92 Hình 3.25. Phân bố dòng của anten tại tần số: a) 2,45 GHz, và b) 5,5 GHz ....................... 92 Hình 3.26. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đề xuất với đế điện môi dày 0,8 mm.. 93 Hình 3.27. Phân bố dòng của anten với đế điện môi dày 1,6 mm tại: a) 2,45 GHz, và b) 5,5 GHz...................................................................................................................................... 94 Hình 3.28. Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đề xuất với đế điện môi dày 1,6 mm.. 94
xii Hình 3.29. Đồ thị bức xạ của anten đề xuất tại tần số: (a) 2,45 GHz, và (b) 5,5 GHz. ....... 95 Hình 3.30. Mẫu anten chế tạo thực nghiệm: Mặt trước và mặt sau..................................... 96 Hình 3.31. Kết quả đo thực nghiệm hệ số S11 của mẫu anten. ........................................... 96
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. So sánh với một số cấu trúc bộ lọc thông dải đã đề xuất .................................... 41 Bảng 2.2. Tham số kích thước tối ưu của các anten đề xuất (Đơn vị: mm) ........................ 49 Bảng 2.3. So sánh với một số anten siêu vật liệu đã công bố .............................................. 51 Bảng 2.4. Các thông số tối ưu của bộ chia được đề xuất .................................................... 58 Bảng 3.1. Kích thước thiết kế tối ưu của bộ lọc ba băng tần. .............................................. 68 Bảng 3.2. So sánh bộ lọc đề xuất với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố. ..... 72 Bảng 3.3. Các tham số thiết kế tối ưu của anten ba băng tần đề xuất (Đơn vị: mm). ......... 83 Bảng 3.4. Tham số kích thước tối ưu của cấu trúc anten đề xuất (Đơn vị: mm) ................. 94 Bảng 3.5. So sánh với một số cấu trúc anten siêu vật liệu đã công bố ................................ 96
xiv MỞ ĐẦU 1. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô- đun siêu cao tần Trong những năm gần đây, kỹ thuật siêu cao tần đã có những tiến bộ vượt bậc và vẫn đang không ngừng được phát triển. Công nghệ vi dải in trên đế điện môi ra đời đã giải quyết được vấn đề thu nhỏ kích thước của anten, đồng thời cũng mở ra một xu hướng thiết kế các mô-đun siêu cao tần khác như bộ lọc cao tần thụ động, bộ chia công suất, bộ ghép định hướng, .v.v. nhằm nâng cao khả năng tích hợp mô-đun siêu cao tần vào các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến. Nhiều mô hình mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất in trên đế điện môi đã được thiết kế và chế tạo thành công. Tuy nhiên, trong thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch dải, chẳng hạn anten vi dải thì thông thường là kích thước của anten phải lớn hơn hoặc xấp xỉ một phần tư bước sóng (λ/4) ở dải tần hoạt động. Điều này có vẻ như không phù hợp khi kích thước λ/4 vẫn còn khá lớn so với kích thước ngày càng nhỏ gọn của thiết bị. Năm 2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và các đồng nghiệp đã chứng minh được rằng có thể tạo ra loại vật liệu mới có chiết suất âm (n
xv rất nhiều các nhà khoa học cũng như các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu, phát triển các mô hình mô- đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất, .v.v dựa trên nguyên lý của siêu vật liệu điện từ:  Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH TL) thông thường [3, 9, 72, 89, 91, 121, 123, 124]. Cấu trúc CRLH TL là một đường truyền dẫn nhân tạo có thể tạo ra quá trình truyền sóng ngược ở dải tần số thấp (LH TL) và sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL). Vì vậy, các mô-đun siêu cao tần được thiết kế với tải là các phần tử đơn vị CRLH TL hoặc toàn bộ mô hình thiết kế có thể biểu diễn bằng một sơ đồ mạch tương đương của một phần tử CRLH TL. Khi đó, mô hình đề xuất sẽ cộng hưởng theo tính chất của cấu trúc CRLH TL thông thường, nghĩa là, mode cộng hưởng mới sẽ được tạo ra ở dải tần số thấp bên cạnh mode cộng hưởng cơ bản ở dải tần số cao tạo bởi phần tử anten thông thường. Đây chính là cơ sở để thu nhỏ kích thước linh kiện, đồng thời tạo ra cộng hưởng đa băng tần cho thiết bị. Trong các thiết kế mô-đun siêu cao tần, anten mạch dải đa băng tần thường được thiết kế với tải siêu vật liệu điện từ (MTM). Khi đó, các cấu trúc răng lược [124] hoặc cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu [43-45, 79] được khoét trên bề mặt tấm bức xạ của anten để tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần thấp. Một số nghiên cứu khác biến đổi anten vi dải truyền thống thành anten siêu vật liệu bằng cách tạo ra các thành phần điện dung và điện cảm LH trên mô hình anten vi dải để hình thành cấu trúc phức hợp CRLH [82]. Khi đó, mô hình anten được biểu diễn tương đương như một phần tử đơn vị của cấu trúc CRLH TL thông thường. Trong các thiết kế này, điện dung LH thường được tạo ra bằng khe hở ghép giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ c n điện cảm LH được tạo bởi các cột nối từ tấm bức xạ xuống mặt đế [59, 82]. Ở một số nghiên cứu khác [66, 70, 97], cấu trúc CRLH TL đồng phẳng được thay thế cho cấu trúc CRLH thông thường, khi đó cột nối kim loại được thay thế bằng các đường vi dải đặt đồng phẳng với tấm bức xạ ở mặt trên ở anten.  Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu. Ở xu hướng thiết kế này các vòng cộng hưởng kim loại được sử dụng bao gồm vòng cộng hưởng hở (SRR), vòng cộng hưởng hở mở (OSRR), vòng cộng hưởng hở bổ sung (CSRR) và một biến thể của các cấu trúc SRR. Trong các nghiên cứu này, cấu trúc của mô-đun siêu cao tần được thiết kế có dạng vòng cộng hưởng siêu vật liệu [5, 38] hoặc khoét các mô hình vòng cộng hưởng này lên bề mặt bức xạ [44, 45] hoặc mặt phẳng đế của cấu trúc đề xuất [40, 41].
xvi  Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu (D-CRLH TL) để phát triển các mô-đun siêu cao tần. Đây là loại đường truyền có tính chất đối ngược với cấu trúc CRLH TL thông thường khi thể hiện đặc tính đường truyền LH ở dải tần số cao và đường truyền RH ở dải tần số thấp [11]. Dạng đường truyền siêu vật liệu này thường được sử dụng để thiết kế các anten vi dải đa băng tần có kích thước thu gọn [1, 2, 64, 89, 94], anten sóng rò (LWA) [12, 33, 68] hoặc bộ lọc chắn dải [68].  Nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng bậc không (ZOR) dạng CRLH để thiết kế các mô-đun siêu cao tần có kích thước nhỏ gọn [51, 52, 69, 97] và ứng dụng đường truyền dẫn siêu vật liệu vào một số thiết kế anten sóng rò LWA [18, 42, 71, 119]. Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ vào thiết kế mô- đun siêu cao tần đều hướng tới khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng, và đặc biệt, với kích thước rất nhỏ gọn, cấu hình đơn giản và dễ chế tạo. 2. Những vấn đề còn tồn tại Vai trò của siêu vật liệu điện từ là rất quan trọng trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun siêu cao tần. Việc nghiên cứu và ứng dụng siêu vật liệu luôn là đề tài mang tính thời sự cao với mục tiêu tăng khả năng tích hợp các mô-đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải và các thiết bị có kích thước ngày càng thu gọn. Do đó, việc thiết kế các mô-đun siêu cao tần bên cạnh yêu cầu hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng, cần phải hướng tới hai tiêu chí đó là kích thước nhỏ gọn và cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo. Một số nghiên cứu đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần dạng siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH phẳng thay cho đường truyền CRLH thông thường. Cụ thể, các cột nối kim loại ở phần tử đơn vị đường truyền thông thường được thay thế bằng các đường mạch dải đồng phẳng [66, 70, 72, 124]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng và không sử dụng cột nối kim loại để xây dựng mô hình anten siêu vật liệu phẳng [40, 41, 70]. Các mô hình này cấu trúc đơn giản dễ chế tạo tuy nhiên lại có kích thước khá lớn [40, 70, 72, 124]. Một số nghiên cứu khác đề xuất mô hình anten siêu vật liệu với kích thước rất nhỏ gọn. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, mô hình siêu vật liệu (điển hình là CRLH TL) được tạo ra bằng cách sử dụng các cột nối [38, 52, 82, 91, 95] hoặc cầu nối kim loại [123]. Điều này dẫn đến sự phức tạp của mô hình thiết kế, khó khăn trong chế tạo thực nghiệm và ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả đo do các mối hàn tạo nên. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác sử dụng phần tử tập trung để tạo ra cấu trúc CRLH TL thay vì sử dụng mạch dải [27, 32]. Các giá trị của phần tử tập trung thường được chọn với giá trị gần đúng,
xvii tùy theo các giá trị thực tế của cuộn cảm hoặc tụ điện, sẽ dẫn đến sự sai lệch so với kết quả thiết kế tối ưu. Đây cũng là một hạn chế của các nghiên cứu sử dụng phần tử tập trung trong thiết kế mô-đun siêu cao tần siêu vật liệu. Vì vậy, việc áp dụng cấu trúc siêu vật liệu để thiết kế các mô-đun siêu cao tần vừa có kích thước nhỏ vừa có cấu trúc phẳng chính là động lực cho các nghiên cứu đề xuất trình bày trong luận án. Ở một khía cạnh khác, các nghiên cứu cấu trúc đa băng tần được phát triển trên cơ sở sử dụng các phương pháp điển hình đã được đề xuất, chẳng hạn các thiết kế anten đa băng tần thường sử dụng phương pháp khoét khe trên bề mặt bức xạ hoặc mặt đế của cấu trúc để tạo các mode cộng hưởng mới [21, 25, 35, 48, 78, 80]. Một số nghiên cứu khác sử dụng nhiều phần tử ký sinh để cộng hưởng ở các tần số khác nhau [7, 54], hoặc sử dụng kỹ thuật loại bỏ băng tần từ cấu trúc băng thông rộng để tạo cộng hưởng đa băng tần, trong trường hợp này các cấu trúc khe khoét thường được sử dụng để loại bỏ các băng tần không mong muốn [55, 56]. Trong khi đó, các thiết kế bộ lọc thông dải đa băng tần thường sử dụng bộ cộng hưởng trở kháng bậc (SIR) [16, 17, 118] hoặc kết hợp giữa SIR và cấu trúc mặt đế không hoàn hảo [60]. Ngoài ra, sử dụng phân tích mode chẵn-lẻ [108, 113], bộ cộng hưởng nửa bước sóng [65], bộ cộng hưởng đa mode [117], bộ cộng hưởng tải dây chêm ngắn hoặc hở mạch [15, 22, 118] là những phương pháp hữu ích khác để thiết kế bộ lọc đa băng tần. Có thể nhận thấy rằng, phương pháp thiết kế anten và bộ lọc thông dải đa băng tần là khá khác biệt nhau, điều này xuất phát từ bản chất khác nhau của hai mô-đun siêu cao tần này. Vai trò của bộ lọc thông dải là cho một dải tần số nào đó đi qua với tần số cắt ở dải thấp và cao xác định. Trong các thiết kế bộ lọc sử dụng công nghệ mạch dải, chỉ tiêu thiết kế về độ tổn hao chèn là rất quan trọng, tổn hao chèn càng thấp thì năng lượng suy hao càng bé. Vì vậy, cấu trúc bộ lọc cần hạn chế sự bức xạ của các phần tử hay tổn hao năng lượng đường truyền ra bên ngoài. Trong khi yêu cầu về bức xạ là bắt buộc đối với thiết bị anten của các hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó, cần có những giải pháp thiết kế mới có thể áp dụng chung cho thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đơn hoặc đa băng tần mà vẫn đảm bảo đặc tính vốn có của linh kiện, góp phần phát triển các phương pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần. 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Mục tiêu nghiên cứu  Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng đường truyền CRLH thông thường và cấu trúc v ng cộng hưởng dạng siêu vật liệu.
xviii  Phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng.  Đề xuất giải pháp thiết kế mới sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu để thiết kế anten và bộ lọc thông dải hoạt động ở đa băng tần. 3.2. Đối tƣợng nghiên cứu  Tập trung vào cấu trúc mạch dải vì những ưu điểm như dễ chế tạo, và có khả năng ứng dụng cao trong hệ thống anten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.  Tập trung vào các thiết kế mô-đun siêu cao tần dạng đồng phẳng kích thước nhỏ gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng  Tập trung thiết kế các mô-đun siêu cao tần bao gồm anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất sử dụng công nghệ mạch in. 3.3. Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu, thiết kế các mô-đun siêu cao tần bao gồm bộ lọc thông dải, anten và bộ chia công suất sử dụng công nghệ mạch dải.  Nghiên cứu, sử dụng các đường truyền dẫn siêu vật liệu và hiệu ứng viền của siêu vật liệu để phân tích, thiết kế các mô-đun siêu cao tần.  Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ở dải tần số siêu cao. 4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án Việc nghiên cứu các giải pháp thiết kế các mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu 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 đã góp phần phát triển các giải pháp thiết kế bộ lọc thông dải, anten vi dải và bộ chia công suất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc phẳng hoạt động ở băng rộng hoặc đa băng tần sử dụng đường truyền siêu vật liệu CRLH TL; v ng cộng hưởng hở OSRR và hiệu ứng viền của siêu vật liệu. Đồng thời làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phân tích, thiết kế và phát triển các mô-đun siêu cao tần.  Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp thiết kế giảm nhỏ kích thước, thiết kế cấu trúc băng rộng, thiết kế cấu trúc đa băng tần và các mô hình mô-đun siêu cao