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.
Tác giả

Nguyễn Thị Thúy

1


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

HIS

: High Impedance Surface

LHMs

: Left handed metamaterials


Anten phần tư bước sóng .......................................................................................................29

a.Khái niệm về bề mặt trở kháng cao.........................................................................39
b.Các đặc tính vật lý của bề mặt trở kháng cao.........................................................41
Các tham số mạch (Circuit Parameters)...................................................................................41
Sự phản xạ pha (Reflection Phase)..........................................................................................49
Sóng mặt (Surface Waves).......................................................................................................51

3


MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN.................................................................................................7

1.1.2.Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.......................................................7
1.1.3.Hệ phương trình Maxwell...................................................................................8
1.1.4.Các thông số cơ bản của anten .........................................................................11
a.Trở kháng vào của anten......................................................................................................11
b.Hiệu suất của anten..............................................................................................................11
c.Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích.......................................................................................12
d.Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten ...................................................................13
e.Tính phân cực của anten.......................................................................................................15
f.Dải tần của anten..................................................................................................................17

g.Các hệ thống anten..................................................................................................17
Anten nửa bước sóng..............................................................................................................28
Anten phần tư bước sóng .......................................................................................................29

a.Khái niệm về bề mặt trở kháng cao.........................................................................39

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

5


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.

cung cấp
tín hiệu

Hệ thống
cảm thụ
bức xạ

Hệ thống
bức xạ

Anten thu

Anten phát
Máy phát

Hệ thống
gia công tín
hiệu

Thiết bị
xử lý

Thiết bị

Máy thu

điều chế

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.

1.1.3. Hệ phương trình Maxwell.
Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản
của điện động lực học là các phương trình Maxwell.
Trong phần trình bày này ta sẽ coi e iωt các quá trình điện từ là các quá trình
biến đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức
(1.1a)

8



E = Im(E e iωt ) = E sin(ωt )

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

rotH = iωε p E + J e

(1.2)

rotE = −iωµH

ρe
ε
divH = 0

divE =

là biên độ phức của vecto cường E độ điện trường: (V/m)
là biên độ phức của vecto cường H độ từ trường: (A/m)
Hệ số điện thẩm phức của môi trường được tính theo công thức:


(1.7)

rotH = iω ε p E + J
(1.8)

(1.9)

(1.10)

rotE = −iωµH − J m

divE =

ρm
ε

divH = −

ρe
µ

10

e


Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E và H. Trong phương trình
nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính
phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số
trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể
truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng
giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
b. Hiệu suất của anten
Anten được xem như là thiết bị η A chuyển đổi năng lượng, do đó một thông

11


số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten chính là tỷ số giữa
công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA:
ηA =

(1.13)

Pbx
PA

Hiệu suất của anten đặc trưng cho η A mức tổn hao công suất trong anten. Đối
với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó < 1.Gọi công suất tổn hao là Pth
PA = Pbx + Pth

(1.14)

Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện
trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:
2


Pbx (θ1 , ϕ1 ) E 2 (θ1 , ϕ1 )
=
Pbx (0)
E 2 (0)

(1.17)

Trong đó:
D() là hệ số định hướng của anten θ1 , ϕ1 có hướng ứng với phương ();
Pbx() và Pbx(0) là công suất bức xạ θ1 , ϕ1 của anten có hướng tính ứng với hướng

12


() và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
E(), E(0) là cường độ trường θ1 , ϕ1 tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên θ1 , ϕ1 D() lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten
vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E().
Hệ số tăng ích của anten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa
vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao
cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,ϕ):
G (θ , ϕ ) = η A D(θ , ϕ )

(1.18)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính
bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.18) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ
số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính
được Pbx theo công thức sau:

phẳng ngang (góc ϕ) và mặt phẳng đứng (góc θ).
Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo
sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị

14


phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay
còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính
vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được
gọi là góc mở nửa công suất.
e. Tính phân cực của anten
 

Trong trường hợp tổng quát, trên E , H đường truyền lan của sóng, các vector có
biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem
xét theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút
(điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với
phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn
thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng. Trong trường
hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là
trường hợp riêng

15


Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tròn[1]
Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan hoặc
thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành

f fmin
0

tức là
- Anten dải tần tương đối rộng
tức là
- Anten dải tần rộng

f max
4
f min

Trong đó: Δf = fmax – fmin
g. Các hệ thống anten
 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,
anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải
trong các thiết bị di động.
 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.
 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng
vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz).
 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.
Quy ước về các dải tần số:
Dải tần số
3-3 KHz


hàng không.
TV, phát thanh FM, điều

30-300 MHz
300-3000 MHz

Very High Freq (VHF)

khiển giao

thông, cảnh

Ultra High Freq (UHF)

sát, taxi, đạo hàng.
Tivi, thông tin vệ tinh, do
thám, radar.
Hàng không, vi ba, thông

3-30 GHz
30-300 GHz

Super High Freq (SHF)
Extremly High Freq (EHF)

tin di động, vệ tinh.
Radar, nghiên cứu khoa
học

1.2. ANTEN MẠCH DẢI

b. Phân loại anten mạch dải
• Anten mạch dải dạng tấm (microstrip patch antenna) gồm một tấm dẫn điện

19


gắn trên một đế điện môi (hình 1.4). Tấm dẫn điện có thể là hình tròn, hình elip,
hình vuông, hình chữ nhật, hình tam giác,… Thông thường người ta dùng hình
chữ nhật và hình tròn

Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm[2]
• Anten mạch dải lưỡng cực (microstrip dipole antenna) gồm hai tấm dẫn điện
gắn ở hai phía đối xứng của tấm điện môi (hình 1.6)
Hình 1.6: Anten
mạch dải lưỡng
cực[2]
• Anten

khe

mạch dải (printed
slot

antenna):

gồm các khe hẹp trên mặt phẳng của đế điện môi, khe này có thể có hình dạng
bất kì.

20


• Tiếp điện bằng đường mạch dải: Là phương pháp dùng một đường mạch dẫn
có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng anten.

21


Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải[2]
• Với phương pháp này dễ chế tạo, đơn giản trong kêt nối với anten, tuy nhiên
bề dày của đế điện môi tăng lên làm bức xạ sóng bề mặt và nhiễu tăng.
• Tiếp điện bằng cáp đồng trục: Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng tấm
điện môi lên tấm dẫn điện, lõi bên trong cáp xuyên qua lớp đế điện môi tiếp xúc
với patch, lớp bên ngoài nối với mặt phẳng đất.
Hình 1.10:
Tiếp điện
bằng cáp
đồng trục[2]
Đây

là

phương
pháp thông
dụng

nhất

có ưu điểm

22


xạ E và H
của anten
mạch dải[2]
Sóng trong cấu trúc mạch dải phụ thuộc vào từng dạng của cấu trúc. Có bốn loại
sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng đó là: Sóng không gian, sóng mặt, sóng rò (leaky
wave) và sóng trong ống dẫn sóng (guided wave). Nếu cấu trúc được sử dụng như

24


anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng không gian. Đối với cấu trúc
dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn sóng. Còn hai loại sóng còn
lại: sóng mặt và sóng rò về cơ bản đều là sóng hao không mong muốn.

Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳng[2]
Sóng trong ống dẫn sóng (tia A trong hình 2.13 ), đó là sóng tồn tại trong lớp
đế điện môi giữa màn chắn dẫn điện và tấm kim loại.
Sóng không gian (nhóm tia B trong hình 2.13 ) được phát xạ lên phía trên bề
mặt phiến kim loại, những sóng này có thể bức xạ đi xa, biên độ trường giảm nhanh
theo khoảng cách với tỷ lệ 1/r. Đặc tính khác nhau của mỗi cấu trúc sẽ dẫn đến các
tính chất khác nhau của sóng không gian. Tuy nhiên, đối với đường truyền mạch
dải, sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa không gian phía trên vì màn chắn kim loại đã
ngăn cản việc bức xạ xuống nửa không gian phía dưới.
Sóng rò (tia C trên hình) phát sinh khi sóng truyền trong lớp điên môi tới màn
chắn theo góc tới nhỏ hơn góc tới hạn θth = arcsin(1/Error: Reference source not
found). Sau khi phản xạ từ màn chắn, một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt
giới hạn điện môi - không khí khiến cho một phần năng lượng rò ra khỏi lớp điện
môi.
Sóng mặt (nhóm tia D trên hình) là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu
trên bề mặt và bên trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới