1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
==========
NGUYỄN THỊ THÚY
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
========== NGUYỄN THỊ THÚY
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC
LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử
Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: H thng thu và phát tín hiu 11
th ng trong to cc và to góc 17
Hình 1.3:
18
Hình 1.4: Cu trúc anten mch di 21
Hình 1.5: Anten mch di dng tm 22
Hình 1.6: Anten mch dng cc 22
Hình 1.7: Anten khe mch di 23
Hình 1.8: Anten mch di sóng chy 23
Hình 1.9: Tin bng mch di 24
Hình 1.10: Tin bng trc 24
Hình 1.11: Tin bng cách ghép khe 25
Hình 1.12: Tin bng cách ghén 25
ng bc x E và H ca anten mch di 26
Hình 1.14: Sóng trong cu trúc mch di phn 26
Hình 1.15: Mô hình bc x ca anten mch di 28
a anten nc sóng 29
c sóng 30
Hình 1.18: Tin bng mng mch di 32
42
Hình 2.10:
43
Hình 2.11:
47
Hình 2.16:
cho các anten ming trên 2 mt pht khác nhau 53
th bc x - E ca 2 anten ming 54
Hình 3.1: a) Mô phng h s phn x c th bc x trong mt phng
c th bc x trong không gian 3D 56
Hình 3.2: Qui trình ch to anten 57
Hình 3.3: Mu anten metamaterial (trái )và anten mch dng (ph
ch to 58
Hình 3.4: H thit b Vector Network Analyzer 50
Hình 4.1: Mô hình anten mch di 59
Hình 4.2: Kt qu mô phng anten mch di 60
Hình 4.3a: Mô hình HIS 61
Hình 4.3b: Mô hình thit k 1 cell ca b mt tr kháng cao 62
Hình 4.4: Kt qu mô phng di cn t ca HIS 62
Hình 4.5: Mô hình anten metamaterial kho sát 63
Hình 4.6: Kt qu mô phng anten metamaterial 64
6
Hình 4.7: Kt qu mô phi khong cách t v trí
t cn tm kim loi 66
Hình 4.8a: S i hiu sut (gain) bc x vào khong cách t cn
tm kim loi ca anten metamaterial 66
Hình 4.8b: S i di tn làm vic khong cách t cn tm kim
loi ca anten metamaterial. 67
Hình 4.9: Kt qu mô phng h s phn x th bc x theo góc phân cc ca
i b rng ca cu trúc HIS. 68
Hình 4.10a: S i hiu sut (gain) bc x ca anten metamatrial vào b rng
ca cu trúc HIS 69
Hình 4.11b: S i di tn làm vic ca anten metamatrial vào b rng ca
cu trúc HIS 69
Hình 4.12: Mô hình anten metamaterial có cu trúc HIS ba hàng 70
1.2.3. Các tính cht ca anten mch di 29
1.2.4. m ca anten mch di 33
CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL 35
2.1.LÍ THUYT V METAMATERIALS 35
2.1.1.Gii thiu chung v metamaterials 35
2.1.2. Các loi vt liu metamaterials 36
2.1.3. ng dng ca metamaterials 39
2.2. ANTEN METAMATERIAL 41
2.2.1.B mt tr kháng cao (HIS: High Impedance Surface) 41
2.2.2. Anten metamaterial 52
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 55
3.1.NG 55
C NGHIM 56
3.2.1.Qui trình ch to anten 56
3.2.2. Kt qu 57
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59
4.1.THIT K VÀ MÔ PHNG ANTEN MCH DI 59
8
4.1.1.Thit k anten mch dng 59
4.1.2. Kt qu mô phng anten mch di 60
4.1.3. Tho lun 60
4.2. THIT K VÀ MÔ PHNG B MT TR KHÁNG CAO HIS 61
4.2.1.Thit k b mt tr kháng cao HIS 61
4.2.2. Mô phng b mt tr kháng cao HIS 62
4.2.3. Tho lun 63
4.3. MÔ PHNG ANTEN METAMATERIAL 63
4.3.1.Thit k anten metamaterial 63
4.3.2. Kt qu mô phng anten metamaterial 64
4.3.3. Tho lun 64
,
gn .
anten.
,
2000, nh
ng
(Wireless
Local Area Network, WLAN)
. Có nhi m r
hiu sut ca Anten mch di vt li
c s dng mt loi vt liu mi là ci thin các tính
chn t ca anten là mmi rt hiu qu c nhiu nhóm
nghiên cu trên th gii quan tâm trong nh.
Metamaterials là vt liu nhân to có cng nht hiu dng vi các
tính cht vt lí không có trong vt lic hiu là
10
vt liu có chit sut âm vi các tính cht vt lí khác bit so vi vt liu thông
u kin khúc x [c hiu o
nh lut Snell [4], c hiu ng Goos-Hanchen t tính
chc bit quan tr n s lan truyn sóng
n t [36, 37], li dng tính cht này ta có th dùng Metamaterials n
s lan truyn sóng b mt ca anten làm ci thin mt s tính cht ca anten. Vi
các cu trúc Metamaterials thit k khác nhau có th i các tính chn t
ca các loi Anten.
Vi nhng lí do trên Ảnh hưởng của các tham số
cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial nhm tìm ra cu trúc
Metamaterials t ci thin các tính chn t ca anten.
Mu ca lu
+ Tìm kim cn mà c th t tài là cu
trúc Metamaterial dng b mt tr kháng cao (HIS - High Impedance Surface)
ng dng trong thit k anten
+ Nghiên cu ng ca các tham s cu trúc lên tính chn t ca
anten metamaterial.
u ca lun kt hp gia mô phng và ch
gia công tín
hiu
Anten thu
CHƢƠNG 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 thit b bc x n t hoc thu nhn sóng t không
gian bên ngoài.
Vi s phát trin ca k thuu khi
i anten không ch n làm nhim v bc x n t mà
còn tham gia vào quá trình gia công tín hiu.
ng hp tng quát, anten cc hiu là mt t hp bao gm nhiu
h thng, yu nht là h thng cung cp tín him bo vic phân
phng cho các phn t bc x vi các yêu cu khác nhau ng hp
anten phát), hoc h thng gia công tín hiu ng hp anten thu).
Hình 1.1: H thng thu và phát tín hiu[1]
1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.
V nguyên lý, bt k h thn t nào có kh ng hoc
t ng biu có bc x n t, tuy nhiên trong thc t s bc x
ch xy ra trong nhu kin nhnh.
12
ví d ta xét 1 mng thông s tp trung, c rt nh so
vc sóng, nt vào mch mt sng bii thì trong không gian
ca t s ng bin t ng này h
(1.1a)
13
)sin()Im( tEeEE
ti
(1.1b)
dc vii dng:
e
p
JEiHrot
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
HiErot
s t thm cng: (H/m)
n dn xut cng: (Si/m)
e
J
phc ca vecto m n: (
2
m
A
)
e
là m khi cn tích: (
3
m
C
)
Bit rng ngun tn t
mt s ng hp d dàng gii mt s bài toán cng lc hi ta
ng dòng t và t tích. Khái nim
dòng t và t tích ch chúng không có trong t nhiên.
Kt hp vi ln, h pc vit
e
p
JEiHrot
(1.7)
- Di tn ca anten.
a. Trở kháng vào của anten
Tr kháng vào ca anten Z
A
bao gm c phn thc và phn kháng là t s gia
n áp U
A
n I
A
trong anten:
AA
A
A
A
jXR
I
U
Z
(1.11)
Tr kháng vào ca anten ngoài ra còn ph thuc hình hc ca
anten và trong mt s ng hp còn ph thuc vào vt gn anten.
Thành phn thc ca tr kháng vào R
A
nh bi công sut vào
anten P
A
n hiu dng tu vào anten I
Ae
:
A
P
P
(1.13)
Hiu sut cc tn hao công sui vi
anten có tn hao thì P
bx
< P
vào
A
< 1.Gi công sut tn hao là P
th
thbxA
PPP
(1.14)
ng công sut bc x và công sut tnh bi giá tr n
tr bc x R
bx
và R
th
vy ta có:
thbxAeAAeA
A
ng bc x u
theo mt ngun bc x ng hoc là
mt chn t i xng nc sóng.
H s ng ca anten D(,) là s ln pht bc x khi
chuyn t ng (anten chu sao cho vn
gi nguyên giá tr ng tm thu ng vng (,
)0(
),(
)0(
),(
),(
2
11
2
11
11
E
E
P
P
D
bx
bx
11
,
) ln công sut bc x P
bx
(0) ca anten
ng bc x tm thu xem xét bng giá tr E(
11
,
).
H s a anten G(,) chính là s ln cn thit pht da
vào h thng anten khi chuyn t mng sang m sao
cho vn gi ng tnh (,):
H s t khái ni c tính
bc x và hiu sut ca anten. T (1.18) có th thy h s
s ng. Nu ta bit a anten trong di tnh ta có th tính
c P
bx
theo công thc sau:
AAbx
GPP .
(1.19)
),(),(
DG
A
ng hp tng truyn lan ca sóng, các vector
HE
,
có
và pha bic, s phân cc c
theo s bii cng. C th là, hình chiu cm
ci) cng trong mt chu k lên mt phng vuông góc v
truyn lan ca sóng s nh dng phân cc ca sóng.
Nu hình ching elip thì phân cc là elip; nu hình chiu là hình tròn
thì phân cc là tròn và nu là dng thng thì là phân cc thng
hp tng quát thì dng elip là dng tng quát còn phân cc thng và tròn ch là
ng hp riêng
Hình 1.3:
[1]
19
Tùy vào ng di ta chn dng phân cc. Ví d truyn lan hoc
thu sóng mng s dng anten phân cc thng bi vì tn hao thành
phn thng cng trong mu so vi thành phn nm
f
f
tc là
5.11.1
min
max
f
f
- Anten di tn rng
45.1
min
max
f
f
- Anten di tn rt rng
4
min
max
f
f
max
f
tìm kim.
3-30 MHz
High Freq (HF)
n thon báo, phát
thanh sóng ngn, hàng hi,
.
30-300 MHz
Very High Freq (VHF)
u
khin giao thông, cnh
o hàng.
300-3000 MHz
Ultra High Freq (UHF)
Tivi, thông tin v tinh, do
thám, radar.
3-30 GHz
Super High Freq (SHF)
Hàng không, vi ba, thông
ng, v tinh.
30-300 GHz
Extremly High Freq (EHF)
Radar, nghiên cu khoa
hc
r
ng trong khon 12.
ng v n môi dày và hng s n môi nh s làm cho tn
ng ít và di thông rc lc anten
l tích hp c anten và mch to sóng trên cùng mt board mch.
Các thông s cn ca anten mch di là chiu dài L, chiu rng W,
dày cht nn h, hng s n môi .
22
b. Phân loại anten mạch dải
Anten mch di dng tm (microstrip patch antenna) gm mt tm dn
gn trên m n môi (hình 1.4). Tm dn có th là hình tròn, hình elip,
hình vuông, hình ch nhi ta dùng hình
ch nht và hình tròn
Hình 1.5: Anten mch di dng tm[2]
Anten mch dng cc (microstrip dipole antenna) gm hai tm dn
gn i xng ca tn môi (hình 1.6)
Hình 1.6: Anten mch dng cc[2]
Anten khe mch di (printed slot antenna): gm các khe hp trên mt phng
c n môi, khe này có th có hình dng bt kì.
23
Hình 1.7: Anten khe mch di[2]
ng kt ni vi nguc khc mt sau và kí hiu bng nét
t.
Anten mch di song chy (microstrip travelling wave antenna): Gm các
n dãy xích hay dây dn ni tip nhau trên b m n môi.
p.
Tin b n: V này tm bc x và
ng dn mch di nm cùng mt phía so vi mt pht.
ng nht (có th t ti 13%), d thit k và bc x nhiu thp.
m: Khó ch to, b dày anten ln.
Hình 1.12: Tin bn[2]
Copyright: Tài liệu đại học ©