Luận án tiến sĩ: 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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. HOÀNG PHƯƠNG CHI 2. ĐÀO NGỌC CHIẾN Hà Nội – 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

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. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô-đun siêu cao tần. Những vấn đề còn tồn tại. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án.

Cấu trúc nội dung của luận án. xix CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ. Giới thiệu chương.

Siêu vật liệu điện từ. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH TL. Những đặc tính cơ bản của đường truyền siêu vật liệu. Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng.

Mạng LC bậc thang. Đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL. Lý thuyết bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ. Các phần tử cộng hưởng siêu vật liệu điện từ.

Bộ cộng hưởng vòng hở (SRR). Bộ cộng hưởng vòng hở mở (OSRR). Hiệu ứng viền của siêu vật liệu. Tính chất cơ bản của hiệu ứng viền.

20 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iv 1. Ảnh hưởng của hiệu ứng viền đến khả năng cộng hưởng của miền diện tích bất kỳ. Ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong thiết kế mô-đun siêu cao tần. Bộ lọc thông dải.

Anten vi dải. Bộ chia công suất. Tổng kết chương. 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.

Giới thiệu chương. Bộ lọc thông dải băng rộng sử dụng cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở mở. Phần tử siêu vật liệu CRLH dựa trên vòng cộng hưởng hở. Thiết kế bộ lọc thông dải sử dụng bộ cộng hưởng vòng hở OSRR.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Anten siêu vật liệu tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng ứng dụng cho hệ thống WLAN. Thiết kế anten siêu vật liệu dựa trên cấu trúc CRLH phẳng. Kết quả và thảo luận.

Bộ chia công suất Bagley Polygon phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL 51 2. Bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 thông thường. Thiết kế bộ chia công suất Bagley Polygon 1:3 phẳng nhỏ gọn sử dụng cấu trúc CRLH TL. Kết quả mô phỏng và thảo luận.

Tổng kết chương. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ ANTEN ĐA BĂNG TẦN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG VIỀN CỦA SIÊU VẬT LIỆU. Giới thiệu chương. Bộ lọc thông dải đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu.

Mô hình bộ lọc ba băng tần. Tính toán lý thuyết. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. So sánh với một số bộ lọc thông dải ba băng tần đã công bố.

72 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật v 3. Anten đa băng tần sử dụng hiệu ứng viền của siêu vật liệu. Phân tích và tính toán hiệu ứng viền trong anten đa băng tần. Kết quả và thảo luận.

Anten hai băng tần dải rộng có kích thước nhỏ gọn sử dụng hiệu ứng viền kết hợp với cấu trúc CRLH TL. Mô hình anten đề xuất. Tính toán lý thuyết. Kết quả và thảo luận.

Tổng kết chương. 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 102 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 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. Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách. Mô hình vật liệu plasma điện [84]. Các cấu trúc LH thực nghiệm đầu tiên [14].

Mô hình vật liệu plasma từ [85]. Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục. Sơ đồ mạch tương đương cấu trúc CRLH TL thông thường không tổn hao [14]. 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].

Trở kháng đặc tính của CRLH trong trường hợp > [14]. Cấu trúc CRLH TL cộng hưởng cân bằng (a) Sơ đồ mạch tương đương, (b) Đường cong tán sắc [14]. Một phần tử đơn vị của đường truyền CRLH ở dạng mạch LC (a) Dạng tổng quát (Không cân bằng), (b) Cân bằng ( ) [14]. Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ [14].

Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng [14]. Sơ đồ mạch tương đương của cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp đối ngẫu D-CRLH TL [11]. Sơ đồ tương đương của một phần tử đơn vị đường truyền CRLH TL thông thường. 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].

Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng của SRR vào độ rộng của SRR [109]. Phần tử vòng cộng hưởng hở mở OSRR và sơ đồ mạch tương đương [76]. Hiệu ứng viền của siêu vật liệu. (a) Miền diện tích chưa được cộng hưởng, (b) Miền diện tích đã được cộng hưởng.

Mô hình của một phần tử đơn vị cộng hưởng dựa trên cấu trúc CSRR [77]. 23 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật ix Hình 1. Mô hình anten lưỡng cực với tải MTM dạng vòng cộng hưởng hở bổ sung mở (OCSRR) [44]. Anten siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH: (a) Mô hình anten đề xuất, (b) Sơ đồ mạch LC tương đương [82].

Bộ chia công suất khớp nối chữ T: (a) Cấu trúc thông thường, (b) Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất [95]. 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]. 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]. Mô hình các cấu trúc siêu vật liệu điện từ: (a) Cộng hưởng vòng hở, (b) Cộng hưởng vòng hở mở.

Mô hình một phần tử MTM và sơ đồ tương đương của nó. Mô hình đề xuất của cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp dựa trên sự kết hợp một chuỗi các OSRR.