BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐẶNG NHƯ ĐỊNH

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2017


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI
2. PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN

Phản biện 1:………………………………………………
Phản biện 2:………………………………………………
Phản biện 3:………………………………………………

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi ….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……….

dạng phức hợp (CRLH TL) thông thường. 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.
 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.
 Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu (DCRLH 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
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
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

1


phần tử đơn vị đường truyền thông thường được thay thế bằng các đường mạch dải đồng phẳng.
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. Các mô hình này cấu trúc đơn giản dễ chế tạo tuy
nhiên lại có kích thước khá lớn.
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 hoặc cầu nối kim loại. 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

dụng cao trong hệ thống anten có cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.
 Tập trung vào các thiết kế mô-đun siêu cao tần thụ động dạng đồng phẳng kích thước nhỏ
gọn có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng

2


 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 thụ động 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 thụ động.
 Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ở dải tần số siêu cao.
4. Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án bao gồm ba chương. Phần giới thiệu tổng quan và cơ sơ phân tích lý
thuyết về cấu trúc siêu vật liệu được trình bày ở chương 1. Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án
thể hiện ở các nội dung đề xuất và thực hiện trong chương 2, và chương 3.
Đầu tiên, chương 1 tập trung giới thiệu các đặc tính cơ bản của siêu vật liệu điện từ và cơ sở
lý thuyết phân tích thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng nguyên lý siêu vật liệu. Cuối chương là
phần giới thiệu các mô hình mô-đun siêu cao tần thụ động đã được thiết kế sử dụng cấu trúc CRLH
TL và một số cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu.
Chương 2 đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn sử dụng
đường truyền CRLH TL và cấu trúc cộng hưởng vòng dạng siêu vật liệu. Cụ thể, ba mô hình được
đề xuất bao gồm bộ lọc thông dải băng tần rộng được thiết kế từ các vòng cộng hưởng hở mở kết
hợp với cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW); anten CPW kích thước nhỏ gọn dạng đồng
phẳng sử dụng đường truyền CRLH TL dạng biến đổi và bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 sử
dụng CRLH TL dạng răng lược với mặt phẳng đế ảo đặt đồng phẳng với bộ chia nhằm giảm kích
thước cấu trúc. Các kết quả phân tích, mô phỏng và đo đạc mô hình thực nghiệm của các mô-đun

và > 0). Áp dụng phương trình Maxwell [14]:
(1.2)
Ta có phương trình sau:
(1.3)
Từ các phương trình (1.2) và (1.3) có thể thấy , ,
được xác định theo quy tắc bàn tay
phải đối với vật liệu có > 0 và > 0 nhưng cũng có thể xác định được theo quy tắc bàn tay trái với
vật liệu có < 0 và < 0. Với lý do này mà có thể gọi những vật liệu mới này là “left-handed
materials”. Ngoài ra cũng có tên gọi khác cho loại vật liệu này là “backward wave” để diễn tả rằng
sóng sẽ truyền ngược với hướng của năng lượng điện từ trường. Còn vật liệu thông thường là
“right-handed materials”. Để ngắn gọn ta kí hiệu metamaterials là MTM, left-handed là LH và vật
liệu thông thường là RH.
Vectơ Poynting luôn được xác định theo quy tắc bàn tay phải với , :
(1.4)
Và hướng của vectơ vận tốc pha
trùng với hướng vectơ sóng . Nhưng trong khi đó hướng
của vectơ vận tốc nhóm

cùng hướng với vectơ Poynting . Vì vậy mà vectơ vận tốc pha và vectơ

vận tốc nhóm là ngược hướng nhau khi hằng số điện môi và độ từ thẩm là cùng âm ( < 0 và < 0).
Ngược lại khi mà vật liệu nào đó có vận tốc pha và vận tốc nhóm là ngược pha nhau thì ta nói vật
liệu đó có đặc tính là có < 0 và < 0.
Từ đây ta sẽ có các cặp dấu của ( , ) tạo thành bốn miền trong hệ toạ độ của , .
 Trong miền I ( > 0 và > 0) đây chính là vật liệu thông thường.
 Trong miền thứ II ( < 0 và > 0) được biết đến như là vật liệu plasma. Vật liệu này có
thể làm từ một hệ dây kim loại được sắp xếp tuần hoàn khi tần số hoạt động nhỏ hơn tần
số plasma và được kích thích bởi sóng có vectơ điện trường dọc theo trục .
 Trong miền thứ III ( < 0 và < 0) đây chính là MTM hay left-handed materials. Có thể
tạo được vật liệu này khi kết hợp 2 tính chất của vật liệu plasma điện và plasma từ.

Cấu trúc CRLH TL không tổn hao được thể hiện trong hình 1.8. Nếu như thành phần LH bằng
⁄(
)
⁄(
)
không,
hay
và
hay
thì chỉ còn có thành
phần
và
là khác không và mô hình ở hình 1.8 sẽ rút gọn thành mô hình đường truyền RH
thông thường. Ngược lại nếu các thành phần RH bằng không (
và
) thì ta thu được
cấu trúc của đường truyền LH.
Và tần số cộng hưởng nối tiếp và song song được xác định
√
√

rad/s

(1.13a)

rad/s

(1.13b)

Ở trong hình 1.9 biểu diễn sự biến đổi của

)
(1.22b)
min(
max(
)
(1.22c)
max(
(RH thông dải)
Ngược lại, trong trường hợp cân bằng (
), khe hở bị đóng lại như mô tả ở hình
1.11(b) và trở kháng đặc tính không phụ thuộc vào tần số
(1.23)
Điều này có nghĩa là điều kiện cân bằng cho phép phối hợp trở kháng ở mọi dải tần.
1.3.3. Mạng LC bậc thang
p
p
p
Cấu trúc CRLH TL là không sẵn có
trong tự nhiên, nhưng một cấu trúc CRLH
TL đồng nhất hiệu dụng hoạt động ở dải tần
giới hạn thì có thể thiết kế dưới dạng một
2
1
N
mạng
bậc thang. Với tần số cộng hưởng
nối tiếp và song song được định nghĩa tương
l = Np
tự như trường hợp đồng nhất lý tưởng ở
phương trình (1.13). Dãy

hai tần số mà ở đó có
và tại hai điểm này hỗ trợ bước sóng vô hạn. Bằng cách xếp tầng các
phần tử đơn vị của CRLH TL lần ta được CRLH TL dạng cầu thang có chiều dài
như
mô tả ở hình 1.14, với điều kiện cộng hưởng:
(1.35)
Với là số mode cộng hưởng có thể là nguyên dương, nguyên âm và thậm chí là bằng không.
Trong trường hợp = 0 thì bước sóng vô hạn được hỗ trợ và điều kiện cộng hưởng không phụ
thuộc vào chiều dài của CRLH TL.
1.4. Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ
Ngoài các cấu trúc siêu vật liệu sử dụng phương pháp đường truyền, còn có một loại cấu trúc
siêu vật liệu dựa trên bộ cộng hưởng bước sóng thành phần, chủ yếu sử dụng bộ cộng hưởng vòng
hở (SRR). Mô hình gốc lần đầu tiên được đề xuất bởi Pendry. Một số phương pháp thiết kế phần tử
cộng hưởng dựa trên SRR đã được phát triển và áp dụng cho một số ứng dụng siêu cao tần.

6


1.4.1. Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR)
Một cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở SRR ghép cạnh đơn giản được hình thành bởi hai vòng
kim loại hở đồng tâm như mô tả trong hình 1.18.
t

L
d
c
Độ rộng

e


xây dựng như biểu diễn ở hình 1.20. Giá trị
điện dung của bộ cộng hưởng OSRR cũng
c
d
CS
LS
chính là giá trị điện dụng của bộ cộng hưởng
xoắn SR và gấp 2 lần giá trị điện dung của bộ
Hình 1.20. Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR
cộng hưởng SRR, trong khi giá trị điện cảm
và sơ đồ mạch tương đương.
của OSRR tương tự như của SRR.
Vì vậy, tần số cộng hưởng của OSRR bằng một nửa so với tần số cộng hưởng của phần tử
SRR hay phần tử này có chiều dài điện nhỏ hơn so với SRR hai lần. Đặc tính này góp phần nâng
cao khả năng ứng dụng của OSRR vào trong thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động có kích
thước nhỏ gọn. Cụ thể, cấu trúc vòng cộng hưởng hở mở OSRR sẽ được lựa chọn để thiết kế bộ lọc
thông dải băng rộng có kích thước nhỏ gọn trong chương 2 của luận án này.
1.5. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu
1.5.1. Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền
Mô hình biểu diễn hiệu ứng viền của
L
t
siêu vật liệu được trình bày ở hình 1.21. Một
cách đơn giản hóa, hiệu ứng viền được tạo ra
er
h
do sự phân bố dòng điện tích tại các mép ngoài
Mặt phẳng đế
của mặt dẫn trong điện môi, làm cho chiều dài
Hình 1.21. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu.

1.5.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ.
Hình 1.22 biểu diễn mô hình tượng trưng cho mối quan hệ của hiệu ứng viền đến khả năng
cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ, trong đó
là độ dài gia tăng ở công thức (1.41), còn là
khoảng cách giữa miền kích thích và miền diện tích bất kỳ. Quan sát ở hình 1.22(a), khi độ gia tăng
chiều dài của miền kích thích nhỏ hơn khoảng cách giữa hai miền (
) thì hiệu ứng viền chưa
xảy ra, nghĩa là miền diện tích bất kỳ đặt gần miền kích thích chưa được cộng hưởng. Ngược lại,
khi
thì hiệu ứng viền xảy ra, trong trường hợp này miền diện tích kéo dài của miền kích
thích đã tiếp xúc hoặc kéo sang phủ miền diện tích bất kỳ và làm cho miền này cộng hưởng như mô
tả ở hình 1.22(b). Như vậy, tùy thuộc vào chiều dài của miền diện tích gia tăng có tiếp xúc hoặc bao
phủ miền diện tích bất kỳ mà hiệu ứng viền sẽ xảy ra và miền diện tích sẽ được cộng hưởng.
Vì vậy, điều kiện để hiệu ứng viền xảy ra là:
(1.42)
Miền gia tăng chiều
dài kích thích

Miền gia tăng chiều
dài kích thích

Miền
chưa
cộng
hưởng

Miền
kích
thích


1.6.2. Anten vi dải
Đối với các thiết kế anten siêu vật liệu, phương pháp điển hình thường được sử dụng là thiết
kế anten dưới dạng một đường truyền ATL, trong đó cấu trúc anten gồm một hoặc nhiều phần tử
đơn vị CRLH mắc nối tầng với nhau hoặc sử dụng cấu trúc đường truyền như một tải MTM của
anten. Khi đó, bề mặt bức xạ của cấu trúc anten sẽ được khoét mô hình dạng như cấu trúc vòng
cộng hưởng hở bổ sung CSRR, cấu trúc răng lược.
1.6.3. Bộ chia công suất
Tương tự như trong các thiết kế bộ lọc thông dải và anten đa băng tần, cấu đường truyền siêu
vật liệu phức hợp CRLH TL được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kế các bộ chia công suất có
kích thước nhỏ gọn.
1.7. Tổng kết chương
Chương này đã trình bày lý thuyết tổng quan về siêu vật liệu điện từ. Đây là một loại vật liệu
có thể tạo ra hiện tượng truyền sóng ngược do có hệ số điện môi và từ thẩm đều âm (Vật liệu LH).
Cấu trúc CRLH đặc trưng nhất là dạng đường truyền CRLH TL thông thường, có thể truyền sóng
ngược ở dải tần số thấp (LH TL) và truyền sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL). Khi đó, các đường
truyền CRLH sẽ giúp tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần số thấp hơn so với mode
cộng hưởng cơ bản, vốn tạo bởi thành phần RH TL. Vì vậy, các đường truyền CRLH TL được ứng
dụng để thiết kế các mô-đun siêu cao tần thụ động có kích thước nhỏ gọn, hoạt động ở đa băng tần.
Đây cũng chính là cơ sở lý thuyết quan trọng cho các nghiên cứu được đề xuất trong chương tiếp
theo của luận án.

CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI,
ANTEN, BỘ CHIA CÔNG SUẤT PHẲNG SỬ DỤNG ĐƯỜNG
TRUYỀN PHỨC HỢP VÀ VÒNG CỘNG HƯỞNG SIÊU VẬT LIỆU
2.1. Giới thiệu chương
Chương này đề xuất các thiết kế bộ lọc thông dải băng rộng, anten và bộ chia công suất
bagley Polygon 1:3 cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn sử dụng cấu trúc đường truyền siêu vật liệu
điện từ phức hợp (CRLH TL) dạng thông thường và cấu trúc vòng cộng hưởng.
2.2. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở
Trong nghiên cứu này, luận án đề xuất việc kết hợp giữa vòng cộng hưởng hở mở (OSRR) và


d
e
wf

Hình 2.2. Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ
tương đương của nó.

Hình 2.3. Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện
từ phức hợp dựa tr n sự k t hợp một chu i các SRR.

2.2.2. Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR
2.2.2.1. Thi t k ban đầu
Với trở kháng đặc tính
50 , chúng ta thiết lập tần số chuyển tiếp
3 Hz
1,7 Hz và
3,4 Hz. Tần số chuyển tiếp sẽ được tạo ra bởi các bộ cộng hưởng nối tiếp hoặc
song song, các bộ cộng hưởng này buộc phải giống hệt nhau để cân bằng kết cấu, cụ thể,
(2.3)
√
√
Mô hình cấu trúc bộ lọc băng rộng đề xuất ở trong hình 2.4 bao gồm cấu trúc bốn phần tử
OSRR ở hình 2.3 kết hợp với cấu trúc tiếp điện CPW. Quá trình cộng hưởng giữa vòng trong và
ngoài trong một phần tử OSRR tạo nên các đặc tính của đường truyền phức hợp CRLH, chứ không
phải từ phần tử OSRR này lên phần tử OSRR khác. ộ lọc đề xuất được in lên một lớp nền RO3010
với độ dày 1,27 mm và hằng số điện môi là 10,2 với hệ số tổn hao là 0,0023.
wf
rext
ro

W

Hình 2.4. Thi t k ban đầu của bộ lọc được đề uất dựa
tr n việc k t hợp một chu i các SRR th hiện trong
hình 2.3.

Hình . . Thi t k hoàn thiện bộ lọc thông dải
băng rộng dựa tr n SRR với các nhánh d
chêm.

2.2.2.2. Thi t k tối ưu
Để đạt được dải thông băng rộng cho băng tần S, cấu trúc CRLH được thiết kế với đoạn dây
chêm chữ T để cải thiện đặc tính lọc của cấu trúc lọc. Mô hình của bộ lọc đề xuất và quá trình thực
hiện dây chêm chữ T được biểu diễn tương ứng ở hình 2.5 và 2.6. Dây chêm hở mạch chữ T được
xây dựng theo 3 bước. Đầu tiên, một dây chêm thẳng đứng được thêm vào giữa đường nối các phần

10


Beta-p (deg)

tử siêu vật liệu. ước tiếp theo, một cặp dây chêm ngang được thêm vào theo hướng vuông góc với
dây chêm ban đầu. Cuối cùng, cặp dây chêm nằm ngang được thay bằng dây chêm hình tam giác.
2.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
2.2.3.1. Thi t k ban đầu
200
Hình 2.7 trình bày kết quả mô phỏng
đồ thị tán sắc của cấu trúc MTM trong hình
150
2.3. Đồ thị tán sắc phản ánh sự chuyển tiếp

S21

-20
-30

S11

-40

Mô phỏng
Thực nghiệm

-50
-60

0

1

2
3
Tần số (GHz)

4

5

Hình 2.14. Mẫu ch tạo bộ lọc thông dải đề xuất Hình 2.15. K t quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham
với dây chêm.
số S của bộ lọc đề xuất khi có dây chêm.

bức xạ của anten và mặt phẳng đế sẽ cùng nằm trên một mặt phẳng. Các phần tử LH và RH sẽ xây
dựng trên mô hình anten thông thường này để tạo nên cấu trúc anten CRLH phẳng. Để dễ dàng
chuyển đổi sang mô hình CRLH phẳng, tấm bức xạ của anten vi dải ban đầu dạng hình chữ nhật
được lựa chọn. Mô hình hai anten CRLH phẳng đề xuất được mô tả trong hình 2.19.
W_s

W_step

W_p

G2

L_p

W2

G2

L_p
G1

W_step

L_s

L_s

W2

W_p

Y

L_gnd

D2

L_step

L_f

D1

W_f

(a)
(b)
Hình 2.19. Mô hình anten đề xuất: (a) Anten_1, (b) Anten_2.

Hai anten đề xuất là anten siêu vật liệu dạng đường
CL1 LR /2 CL2 CL2 LR /2
truyền CRLH TL thông thường và được biểu diễn tương
đương bởi sơ đồ mạch
ở hình 2.20. Từ cấu trúc có sử
LL1
dụng cột nối kim loại, mô hình cấu trúc CRLH sử dụng
LL2
CR
trong anten đề xuất đã chuyển sang dạng đồng phẳng và
phần tử cộng hưởng của anten đề xuất chính là đường vi
dải gấp khúc mà không phải là tấm bức xạ hình chữ nhật Hình 2.20. Sơ đồ mạch LC tương đương

-30

Anten không tải
Antenna_2

-20

-30
Anten không tải Anten_1

-40

1

2

3
4
5
Tần số (GHz)

6

Anten không tải Antenna_2

-40
1

7


thông thường lần lượt là 80% và 76%, trong khi đó độ giảm kích thước tương ứng của Anten_2 là
85% and 93%.
0

S11 (dB)

-5
-10
-15
-20

-30

Anten_1
Anten_2
Anten tham khảo

-35
2.2

2.3

-25

2.4

2.5

2.6


2

1

l/2

3

Zh/2

Zq

Z0/2

Z0

(a)
(b)
Hình 2.29. Bộ chia Bagle Pol gon 1:3 thông thường: a) Sơ đồ ngu n lý, (b) Sơ đồ mạch tương đương.

Trong mô hình bộ chia công suất này, trở kháng đặc tính của các đường truyền
,
và
các cổng của bộ chia tương ứng là ,
và . Do tính đối xứng của mạch, trở kháng đoạn nối tại
cổng 2 là
2 và trở kháng vào tại cổng 2 là
3. Trở kháng nhìn vào cổng 1 phối hợp trở kháng
là


dl
dw
fw
Cổng 1

Hình 2.30. Mô hình bộ chia BPD được đề xuất.

14

dh
cs


Thit k ca b chia cụng sut PD c biu din trong hỡnh 2.30. B chia c in trờn mt
tm in mụi FR4 vi hng s in mụi l 4.4 v kớch thc l 35,5 ì 29 ì 1,6 mm3. Mt trờn
ca b chia nh mụ t trong hỡnh 2.30, trong khi mt di ca b chia cụng sut l mt phng t.
B chia c thit k hot ng di tn ca h thng thụng tin di ng 3G (1,92 2,17 GHz)
v 4G (2,50 2,69 GHz).
LR CL
S mch tng ng ca mt mt xớch ng
truyn ny c biu din hỡnh 2.31. õy l ng
truyn cng hng bc khụng (ZOR), trong ú ng ni
LL
CR
trc tip ca phn in cm
xung t trong cu trỳc
Cg
thụng thng c thay th bi t ghộp thụng qua mt t
Hỡnh 2.31. Mụ hỡnh mch tng ng
o cú giỏ tr t in ln , giỏ tr ny cú c t phn kim

Hỡnh 2.32. Tham s tỏn x ca b chia BPD.
Cú th thy t mụ hỡnh c xut ca b chia BPD trong hỡnh 2.30, di ca on ng
truyn gia cng vo v cỏc cng ra lõn cn ch xp x 15 mm, tng ng vi khong di in l
/8 tn s 2,275 GHz. iu ny th hin mt u im trong gim thiu kớch thc ca b chia
c xut. Thờm vo ú, di thụng hot ng ca b chia l 850 MHz, di tn ny c tng lờn
khỏ nhiu so vi s dng ng truyn /4 hoc mng phi hp.
2.5. Tng kt chng
Chng ny ó thit k thnh cụng b lc thụng di bng rng, anten vi di v b chia cụng
sut Bagley Polygon 1:3 s dng cu trỳc ng truyn CRLH TL thụng thng. Kt qu o thc
nghim hai mu anten thit k ti u cho thy hai anten xut hot ng di tn s ỏp ng
c di tn ca h thng WLAN vi tng kớch thc gim nh 80% v 85% so vi anten vi di
thụng thng. Vi vic s dng CRLH TL dng phng, b chia cụng sut ó thc hin gim nh
kớch thc so vi b chia Bagley Polygon 3 cng ra thụng thng.

CHNG 3. GII PHP THIT K B LC THễNG DI V ANTEN
A BNG TN S DNG HIU NG VIN CA SIấU VT LIU
3.1. Gii thiu chng
Chng ny a ra gii phỏp thit k mụ-un siờu cao tn da trờn hiu ng vin ca siờu vt
liu. õy l hiu ng to nờn do s bin thiờn ca vect cng in trng t min vt dn cú

15


dòng kích thích (miền tích cực) đến miền diện tích cần được kích thích hoặc cộng hưởng. Khi đó
chiều dài điện của miền kích thích sẽ được gia tăng thêm một đoạn chiều dài, đồng nghĩa với việc
diện tích miền kích thích sẽ được mở rộng. Khi độ gia tăng chiều dài của miền tích cực lớn hơn
hoặc bằng khoảng cách giữa miền này và miền diện tích cần kích thích thì hiệu ứng viền sẽ xảy ra
và làm cho miền diện tích cần kích thích được cộng hưởng. Để chứng minh cho phương pháp thiết
kế đề xuất, chương này tập trung vào các thiết kế bộ lọc thông dải và anten hoạt động ở đa băng tần.
3.2. Bộ lọc thông dải đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu


lS3 lS2

Lớp trên
Cổng 1

d2

wS1
W

wf

d1
ST1

Kích
thích

a2

Lớp dưới

Cổng 2

lf

lS

ST2


(3.3)

Kết hợp với hiệu ứng viền ta được,
nếu
;
nếu
Trong đó,
là sai số diện tích do hiệu ứng viền không bao phủ hoàn toàn diện tích cộng
hưởng
.
(

)(

(

)
)(

(3.4)

)

Với là số nửa bước sóng tương ứng với mode tần số cộng hưởng
.
Dựa vào sự thay đổi giá trị gia tăng khoảng cách của hiệu ứng viền ở mỗi tần số, ta có thể sử
dụng như một biến diện tích theo tần số. Vì vậy việc tạo nên cấu trúc đa băng sẽ rất đơn giản.
3.2.2. Tính toán lý thuyết
Cấu trúc bộ lọc ba băng tần đề xuất trong luận án này được xây dựng dựa trên mô hình phân

mm. Vì
nên diện tích
,
được cộng hưởng.
Tần số cộng hưởng của bộ lọc được xác định như sau:
(

(

)

)

(

)

Với
là số bó sóng phân bố theo chiều ngang và chiều dọc (
Khi đó :
(mm2)
Vì
(
) nên ta coi
, và
mm (chọn
sóng
).
Tương tự với hai tần số còn lại, ta có
(

(

mm2

) , ta có

)

(

)

(mm2), cho điều kiện tồn tại mode sóng
(

), ta có:

mm2 hay
mm2
3.2.3. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm
Với hiệu ứng viền của siêu vật liệu, sẽ xảy ra 3 trường hợp tại ba băng tần số. Tại băng tần
2,45 GHz, theo kết quả tính tốn lý thuyết khoảng cách
nên trường bức xạ từ vòng
kích thích khơng gây nên cộng hưởng trên các diện tích
và
. Điều này được thể hiện ở kết
quả mơ phỏng ở hình 3.6(a). Tại băng tần 3,5 GHz, với
, diện tích
được cộng hưởng,
trong khi phần diện tích

là 26,4 d , 17,7 d và 19,6 d . Trong khi đó, tổn
hao chèn tại các tần số trên, (bao gồm suy hao từ hai
cổng nối SMA) là 0,63 dB, 1,34 dB và 1,76 dB.
Các kết quả so sánh với một số bộ lọc thơng
dải ba băng tần đã được cơng bố trước đây cho thấy
rằng bộ lọc đề xuất có kích thước nhỏ gọn với các hệ
số tổn hao ngược và tổn hao ch n tương đối tốt.

-15
-20
-25
-30
-35
-40
2.0

Mô phỏng
Thực nghiệm

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

DS1

wS1
V1 ~

w1

Z01

wS1

Si® (i-1)

wS2
V3 ~

(i-1)

i

w3

Z03

Si® (i+1)

wS2

l3
Vn ~

(

()

)

(

) và (

) được mô tả ở

)+

(3.18)

∑

Công suất truyền lan trong điện môi
(
)
Với là hiệu suất bức xạ của bước sóng cộng hưởng
Xét trong khoảng rất nhỏ, coi như không có sự biến đổi về pha của dòng điện
(

Điều kiện
Trong đó,
Gọi

(

miền diện tích ảnh hưởng gây lên trên mode sẽ là:
⋃(
Xét sự ảnh hưởng của hiệu ứng
viền gây bởi mode (
) và (
) lên
mode như mô tả ở hình 3.11 bao gồm
công suất truyền
từ mode (
) lên
mode và công suất truyền
từ mode
(
) lên mode , hai thành phần công
suất này khác nhau về pha và biên độ.
Công suất sóng trong vùng có độ rộng
là:

)

(3.24)

(i-1)
S(i-1)® i

wsi-1

x
wik



l1

m
m

g1

l1

w1
w2

g3

w3

d1

g2

0,5 mm

d1

11 mm

d2 l1
L



Qua phân tích các kết quả mơ phỏng hệ số S11 với các giá trị g1, g2 và g3 ta thấy rằng, sự thay
đổi của các khoảng hở đã dẫn đến sự thay đổi của tần số cộng hưởng và các kết quả mơ phỏng S11
hồn tồn phù hợp mật độ phân bố dòng tại các tần số đã khảo sát.
0

S11 (dB)

-5
-10
-15
-20
-25

Hình 3.19. Mẫu ch tạo anten đề xuất.

Mô phỏng
1

2

Thực nghiệm

3
Tần số (GHz)

4

5


lsi
lss

la

l2

ls1
160

wc

L

wa

dx

ws1

wk
lk01

lk02
l1

lk3

lk6
lk4

k
vi dải gấp khúc sẽ tương đương với điện cảm
Cin
Lin
Lrad1
Crad2 Lrad2
Crad2
đối với dải tần cộng hưởng thấp và tương
đương như một điện cảm
khi anten hoạt
động ở dải tần cao. Điều này xảy ra do ảnh
Hình 3.22. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc
hưởng của hiệu ứng viền tác động lên.
anten đề xuất.
3.4.2. Tính toán lý thuyết
3.4.2.1. Tại tần số 2,45 GHz
Trong mô hình tương đương thể hiện trong hình 3.22, giá trị cảm kháng
không tồn tại
trong dải tần số dưới, tương ứng với khóa k ở vị trí 1 trong mạch sơ đồ tương đương hình 3.22. Khi
tần số càng tăng, độ gia tăng chiều dài làm cho kích thước vật lý của
tăng so với kích thước ban
đầu của nó. Dòng từ thành phần này một phần sẽ lan truyền qua khe hẹp
sang các đoạn gấp khúc
hình thành lên dòng ảnh trên đó. Điều kiện biên xảy ra hiệu ứng này được xác định theo công
thức (1.42), khi
.
Tuy nhiên trong trường hợp này giá trị độ gia tăng chiều dài
tính được ở tần số 2,45 GHz
là 0,2 mm. Ta thấy rằng
, khi đó hiệu ứng viền đã xảy ra nhưng không xuất hiện dòng ảnh

, khi đó dòng ảnh
xuất hiện trên đường gấp khúc
và biến nó thành cuộn cảm có điện dung
, tương ứng với
khóa k ở vị trí 2 trong sơ đồ hình 3.22. Tần số cộng hưởng tại dải tần cao được xác định như sau:

Thành phần
thức bên dưới,

(3.54)

√
được xác định như biểu thức (3.46), còn
(

được xác định theo biểu

)

(3.56)

Luận án cũng tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ dày đế điện môi đến hiệu ứng viền của
anten đề xuất. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi độ dày đế là 1,6 mm hiệu ứng viền vẫn có thể xảy ra
tương tự như trường hợp đế điện môi dày 0,8 mm nếu ta chọn giá trị
và
phù hợp để đảm bảo
trở kháng vào của anten không đổi.
3.4.3. Kết quả và thảo luận
Mẫu anten chế tạo thực nghiệm được trình bày ở hình 3.28, và các kết quả đo hệ số phản xạ
S11 của mẫu anten được biểu diễn ở đồ thị hình 3.29. Dải tần số cộng hưởng của anten được xác

3

4

5

6

7

8

9

10

Tần số (GHz)

Hình 3.30. Mẫu anten ch tạo thực nghiệm: Mặt Hình 3.31. K t quả đo thực nghiệm hệ số S11 của
trước và mặt sau.
mẫu anten.

3.5. Tổng kết chương
Chương này đã đề xuất và thực hiện giải pháp thiết kế thành công bộ lọc thông dải và anten
hoạt động ở đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu dựa trên việc phân tích và tính toán
độ gia tăng chiều dài của miền kích thích (miền được tiếp điện) để xác định khả năng bao phủ của
miền này tới các miền diện tích bất kỳ đặt xung quanh nó. Các mô hình đề xuất được mô hình theo
sơ đồ tương đương, tính toán lý thuyết, kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm.
23