IH
TRƢ

QUỐ GI H N I
Ọ

Ọ T

-----------------------

NGUYỄN THỊ THÚY

Ả

ƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT
ỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL

U

V

T

S

ăm 2013

1

Ọ



: 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 ................................................................... 11
Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc ............................. 17
Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tr n ...................................................... 18
Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải .......................................................................... 21
Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm ......................................................................... 22
Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực ........................................................................ 22
Hình 1.7: Anten khe mạch dải ................................................................................... 23
Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy ........................................................................ 23
Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải ............................................................... 24
Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục ................................................................. 24
Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe ................................................................ 25

Hình 2.11:

ột cặp im loại cách nhau bởi một hoảng cách ................................. 43

Hình 2.12: Tụ điện trong bề mặt trở háng cao ....................................................... 44
Hình 2.13: Một tấm điện môi được chia thành các lớp nhỏ ..................................... 45
Hình 2.14: hững tấm im loại tụ điện đặt trong tấm điện mô ................................ 45
Hình 2.15:

ột d ng điện của cuộn dây im loại tính toán cho điện cảm tấm ........ 47

Hình 2.16: Trở háng của một mạch cộng hưởng tương đương .............................. 48
Hình 2.17: Tính toán pha phản xạ sử dụng mô hình mạch cộng hưởng .................. 49
Hình 2.18:

ột diện tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở háng .................. 50

Hình 2.19: S ng mặt truyền trên một bề mặt trở háng bất ì ................................. 50
Hình 2.20: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao ............... 53
Hình 2.21: Giá trị S11 cho các anten miếng trên 2 mặt phẳng đất khác nhau.......... 53
Hình 2.22: Đồ thị bức xạ - E của 2 anten miếng ..................................................... 54
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 .............................................................. 56
Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten ............................................................................. 57
Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) đã
chế tạo ....................................................................................................................... 58
Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer ................................................... 50
Hình 4.1: Mô hình anten mạch dải ........................................................................... 59
Hình 4.2: Kết quả mô phỏng anten mạch dải ........................................................... 60
Hình 4.3a: Mô hình HIS ............................................................................................ 61

MỞ ẦU .................................................................................................................... 1
ƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN ............................................................. 11
1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC X SÓNG IỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG
SỐ Ơ BẢN CỦA ANTEN ......................................................................................... 11

1.1.1.Khái niệm anten ............................................................................................... 11
1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.................................................... 11
1.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell. .............................................................................. 12
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten ........................................................................ 14
1.2. ANTEN M CH DẢI ............................................................................................ 20

1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải ....................... 21
1.2.2. Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải .......................................................... 27
1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải .................................................................... 29
1.2.4. Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải ................................................................ 33
ƢƠ

2:

TE MET M TER

.......................................................... 35

2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS ................................................................... 35

2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials .................................................................. 35
2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials ....................................................................... 36
2.1.3. Ứng dụng của metamaterials........................................................................... 39
2.2. ANTEN METAMATERIAL ................................................................................. 41


4.3. MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL ............................................................. 63

4.3.1.Thiết kế anten metamaterial ............................................................................. 63
4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial ........................................................... 64
4.3.3. Thảo luận......................................................................................................... 64
4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT IỆN
TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL ......................................................................... 65

4.4.1.Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và
độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial ...................................................... 65
4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của
anten metamaterial .................................................................................................... 68
4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ô cơ sở của cấu
trúc HIS bằng nhau và khác nhau. ............................................................................ 70
4.5. KẾT QUẢ O ...................................................................................................... 64

4.5.1. Kết quả ............................................................................................................ 64
4.5.2 Thảo luận.......................................................................................................... 65
KẾT LU N .............................................................................................................. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 75

8


MỞ ẦU
Truyền thông không dây đ phát triển rất nhanh chóng trong nh ng n m gần
đây theo đó các thiết bị di động đang trở n n ng y c ng nhỏ gọn hơn. ể thỏa m n
nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động anten g n tr n các thiết bị đầu cuối c ng phải
đƣợc thu nhỏ kích thƣớc.



trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây Wireless
Local

rea Network WL N trong các dải tần 2.4GHz 2400 – 2484 MHz v 5.2

GHz (5150 – 5350MHz).
nten mạch dải vốn đ có b ng thông h p và hiệu suất thấp nên việc nghiên
cứu để mở rộng b ng thông v t ng hiệu suất anten thƣờng l nhu cầu cần thiết đối
với các ứng dụng thực tế hiện nay. Có nhiều cách để mở rộng b ng thông v t ng
hiệu suất của Anten mạch dải nhƣ 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 phƣơng pháp mới rất hiệu quả v đƣợc nhiều nhóm
nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong nh ng n m gần đây.
Metamaterials là vật liệu nhân tạo có cấu trúc đ ng nhất hiệu dụng với các
tính chất vật lí không có trong vật liệu thông thƣờng. Metamaterials đƣợc hiểu là

9


vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông
thƣờng nhƣ:

ảo ngƣợc điều kiện khúc xạ [4] đảo ngƣợc hiệu ứng Dopler [4] đảo

ngƣợc định luật Snell [4],

ảo ngƣợc hiệu ứng Goos-Hanchen [4]

V một tính


1: TỔ

QU

VỀ

1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC X

TE
SÓ

ỆN TỪ VÀ CÁC

THÔNG SỐ Ơ 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 l nh vực thông tin ra đa điều khiển

c ng

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 trƣờng hợp tổng quát, anten cần đƣợc hiểu là một tổ hợp bao g m nhiều
hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân
phối n ng lƣợng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau trƣờng hợp
anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu trƣờng hợp anten thu).

Hệ thống

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả n ng tạo ra điện trƣờng hoặc
từ trƣờng biến thi n đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ
chỉ xảy ra trong nh ng điều kiện nhất định.

11


ể ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thƣớc rất nhỏ so
với bƣớc sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian
của tụ s phát sinh điện trƣờng biến thi n nhƣng điện từ trƣờng này hầu nhƣ không
bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển
qua tụ điện theo đƣờng ng n nhất trong khoảng không gian gi a hai má tụ điện nên
n ng lƣợng trƣờng bị giới hạn trong khoảng không gian ấy.

òn n ng lƣợng từ

trƣờng tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. N ng lƣợng
của cả hệ thống s đƣợc bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây d n và
điện môi của mạch.
Nếu mở rộng kích thƣớc của tụ điện thì dòng dịch s lan toả ra càng nhiều và
tạo ra điện trƣờng biến thiên với bi n độ lớn hơn trong khoảng không gian bên
ngo i.

iện trƣờng biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng

cách khá xa so với ngu n chúng s thoát khỏi sự ràng buộc với ngu n ngh a l
các đƣờng sức điện s không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ n a mà
chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trƣờng xoáy.
Theo qui luật của điện trƣờng biến thi n thì điện trƣờng xoáy s tạo ra một từ
trƣờng biến đổi từ trƣờng biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trƣờng xoáy hình thành


(1.2)
(1.3)

rotE  iH
divE 




(1.4)
e

divH  0

(1.5)

E l bi n độ phức của vecto cƣờng độ điện trƣờng: (V/m)
H l bi n độ phức của vecto cƣờng độ từ trƣờng: (A/m)

Hệ số điện thẩm phức của môi trƣờng đƣợc tính theo công thức:



 p   1  i

 

 


rotE  iH  J m

(1.8)

m
divE 

divH  

(1.9)

e

(1.10)

Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E và H. Trong phƣơng trình
nghiệm đó cho chúng ta biết ngu n gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten
Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hƣớng v độ t ng ích.
-

thị phƣơng hƣớng.

- Công suất bức xạ đ ng hƣớng tƣơng đƣơng.
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
a. Trở kháng vào của anten

gi a đầu ra máy phát v đầu vào của anten.
b. Hiệu suất của anten
nten đƣợc xem nhƣ l thiết bị chuyển đổi n ng lƣợng do đó một thông số
quan trọng đặc trƣng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten  A chính là tỷ số gi a
công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đƣa v o anten Pvào hay PA:

A 

(1.13)

Pbx
PA

Hiệu suất của anten đặc trƣng cho mức tổn hao công suất trong anten.

ối với

anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó  A < 1.Gọi công suất tổn hao là Pth

PA  Pbx  Pth

(1.14)

ại lƣợng công suất bức xạ và công suất tổn hao đƣợc xác định bởi giá trị điện
trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:
2
2
Rbx  Rth 
PA  I Ae
.RA  I Ae

D(1 , 1 ) 

Pbx (0)
E 2 (0)

(1.17)

Trong đó:
D( 1 , 1 ) là hệ số định hƣớng của anten có hƣớng ứng với phƣơng 1 , 1 );
Pbx( 1 , 1 ) và Pbx(0) là công suất bức xạ của anten có hƣớng tính ứng với
hƣớng ( 1 , 1 ) và công suất bức xạ của anten vô hƣớng tại cùng điểm xét.
E( 1 , 1 E 0 l cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng.
iều n y có ngh a l phải t ng l n D 1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten
vô hƣớng để có đƣợc trƣờng bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E( 1 , 1 ).
Hệ số t ng ích của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải t ng công suất dựa
vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hƣớng sang một anten vô hƣớng để sao
cho v n gi nguy n cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đ xác định (,):
G( ,  )   A D( ,  )

(1.18)

Hệ số t ng ích l một khái niệm đầy đủ hơn nó đặc trƣng cho anten cả đặc tính
bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.18) có thể thấy hệ số t ng ích luôn nhỏ hơn hệ
số định hƣớng. Nếu ta biết t ng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính
đƣợc Pbx theo công thức sau:
Pbx  PA .G A

(1.19)

16


Trong trƣờng hợp tổng quát tr n đƣờng truyền lan của sóng, các vector E , H có
bi n độ và pha biến đổi. Theo quy ƣớc, sự phân cực của sóng đƣợc đánh giá v xem xét
theo sự biến đổi của vector điện trƣờng. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút điểm
cực đại) của vector điện trƣờng trong một chu kỳ lên mặt ph ng vuông góc với phƣơng
truyền lan của sóng s 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 đƣờng th ng thì là phân cực th ng. Trong trƣờng
hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực th ng và tròn chỉ là
trƣờng hợp riêng

Hình 1.3: Phân cực tuyến tính và phân cực tr n 1

18


Tùy vào ứng dụng m ngƣời ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan hoặc
thu sóng mặt đất thƣờng sử dụng anten phân cực th ng đứng bởi vì tổn hao thành
phần th ng đứng của điện trƣờng trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm
ngang. Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thƣờng sử dụng anten phân
cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trƣờng bé hơn nhiều so với
thành phần đứng.
f. Dải tần của anten
Dải tần của anten là khoảng tần số m trong đó các thông số tính toán của
anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó đƣợc quy định là mức
nửa công suất. Ngh a là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch
chuẩn đó l m giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của
anten thƣờng gọi là tần số công tác.
Thƣờng dải tần đƣợc phân làm 4 nhóm
- Anten dải tần h p (anten tiêu chuẩn):

anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải
trong các thiết bị di động.
19


 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 ƣớc về các dải tần số:
Ứng dụng

Dải tần số

Tên, ký hiệu

3-3 KHz

Very low Freq (VLF)

30-300 KHz

Low Freq (LF)

ạo h ng định vị.
Pha vô tuyến cho mục
đích đạo hàng
Phát thanh AM, hàng hải,

300-3000 KHz

Hàng không, vi ba, thông

3-30 GHz

Super High Freq (SHF)

tin di động, vệ tinh.

30-300 GHz

Extremly High Freq (EHF)

Radar, nghiên cứu khoa
học

1.2. ANTEN M CH DẢI
Lí thuyết về anten mạch dải đ ra đời từ nh ng n m 1950 xong con ngƣời mới
thực sự nghiên cứu về nó từ nh ng n m 1970.

ến nay nó đƣợc ứng dụng rộng rãi

trong các thiết bị di động nhƣ: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại máy tính
máy bay, tên lửa, vệ tinh

Với các ƣu điểm l kích thƣớc nhỏ gọn (có thể đạt đƣợc
20


kích thƣớc cỡ bƣớc sóng ánh sáng micromet độ bền cao và giá thành rẻ


hình vuông, hình ch nhật hình tam giác

Thông thƣờng ngƣời ta dùng hình

ch nhật và hình tròn

Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm[2]
 Anten mạch dải lƣỡng cực (microstrip dipole antenna) g m hai tấm d n điện
g n 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): g m các khe h p trên mặt ph ng
của đế điện môi, khe này có thể có hình dạng bất kì.

22


Hình 1.7: Anten khe mạch dải[2]


ƣờng kết nối với ngu n đƣợc kh c ở mặt sau và kí hiệu bằng đƣờng nét

đứt.
 Anten mạch dải song chạy (microstrip travelling – wave antenna): G m các
đoạn dãy xích hay dây d n điện nối tiếp nhau trên bề mặt đế điện môi.

Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy[2]
 Anten mạch dải dạng mảng:

Các phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải

kế, bức xạ nhi u thấp.
Nhƣợc điểm: Khó chế tạo do khó tạo đƣợc chất điện môi nhiều lớp, bề dày của
anten t ng l n b ng thông h p.
 Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận: Với phƣơng pháp n y tấm bức xạ và
đƣờng d n mạch dải nằm cùng một phía so với mặt ph ng đất.
Ƣu điểm: B ng thông rộng nhất (có thể đạt tới 13%), d thiết kế và bức xạ nhi u thấp.
Nhƣợc điểm: Khó chế tạo, bề dày anten lớn.

Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận[2]

25