Luận án tiến sĩ về phát triển ăng ten mảng phẳng với siêu vật liệu và lưỡng cực điện từ ở dải sóng milimét

• Tác giả: Đặng Thị Từ Mỹ
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Hương
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Khoa Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ăng Ten Mảng Phẳng Sử Dụng Siêu Vật Liệu Cho Sóng Milimét
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN MẢNG VÀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ
• 1.1. Giới thiệu chương
• 1.2. Lý thuyết chung về ăng-ten
• 1.3. Các tham số cơ bản của ăng-ten
• 1.4. Siêu vật liệu điện từ. Lý thuyết về vật liệu LHMs. Vật liệu có hằng số điện môi âm ENG
• 1.5. Ứng dụng siêu vật liệu điện từ trong thiết kế ăng-ten
• 1.6. Ăng-ten lưỡng cực điện từ
• 1.7. Cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ
• 1.8. Tổng kết chương
• 2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĂNG-TEN
• 2.1. Giới thiệu chương
• 2.2. Quy trình phân tích và thiết kế ăng-ten mảng
• 2.3. Quy trình phân tích
• 2.4. Quy trình tổng quát thiết kế ăng-ten
• 2.5. Lựa chọn vật liệu điện môi và tiếp điện cho ăng-ten
• 2.5.1. Vật liệu sử dụng cho ăng-ten ở dải sóng Milimét
• 2.5.2. Phương pháp tiếp điện
• 2.6. Bộ chia công suất chữ T sử dụng cho mạng tiếp điện của ăng-ten mảng
• 2.7. Phương pháp tính toán, mô phỏng ăng-ten
• 2.8. Tổng kết chương
• 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG PHẲNG ĐỘ LỢI LỚN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
• 3.1. Giới thiệu chương
• 3.2. Thiết kế ăng-ten vi dải đơn sử dụng cấu trúc siêu vật liệu
• 3.3. Yêu cầu thiết kế
• 3.4. Mô hình đề xuất
• 3.5. Mô phỏng tối ưu
• 3.6. Thiết kế ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử
• 3.7. Thiết kế mạng tiếp điện
• 3.8. Ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử
• 3.9. Ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử
• 3.10. So sánh mảng ăng-ten đề xuất với các công trình đã công bố
• 3.11. Kiểm chứng thực nghiệm
• 3.12. Tổng kết chương
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG LƯỠNG CỰC ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MILIMÉT
• 4.1. Giới thiệu chương
• 4.2. Thiết kế ăng-ten lưỡng cực điện từ
• 4.3. Yêu cầu thiết kế
• 4.4. Mô hình đề xuất
• 4.5. Mô phỏng tối ưu
• 4.6. Thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ
• 4.7. Thiết kế mạng tiếp điện phẳng
• 4.8. Thiết kế ăng-ten mảng
• 4.9. So sánh mảng ăng-ten đề xuất với các công trình đã công bố
• 4.10. Tổng kết chương
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về ăng ten mảng phẳng và siêu vật liệu điện từ

Trong bối cảnh phát triển công nghệ thông tin, ăng-ten mảng phẳng đã trở thành một phần không thể thiếu trong các hệ thống truyền thông hiện đại, đặc biệt là trong các ứng dụng sóng milimét. Siêu vật liệu điện từ, với khả năng điều chỉnh các đặc tính điện từ, đã mở ra những hướng đi mới trong thiết kế ăng-ten. Việc sử dụng vật liệu điện từ có hằng số điện môi âm (ENG) cho phép thu nhỏ kích thước của ăng-ten mà vẫn duy trì hiệu suất bức xạ cao. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng siêu vật liệu không chỉ giúp giảm kích thước mà còn cải thiện độ lợi và băng thông của ăng-ten. Theo đó, các mô hình ăng-ten sử dụng siêu vật liệu đã được đề xuất và chứng minh hiệu quả trong việc tối ưu hóa các tham số thiết kế.

1.1. Lý thuyết về siêu vật liệu điện từ

Siêu vật liệu điện từ (MTM) là loại vật liệu nhân tạo có khả năng điều chỉnh các đặc tính điện từ theo ý muốn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng siêu vật liệu có thể tạo ra các mode cộng hưởng mới, cho phép ăng-ten hoạt động ở tần số thấp hơn mà không làm tăng kích thước. Cấu trúc CRLH TL (Composite Right/Left-Handed Transmission Line) là một ví dụ điển hình cho việc kết hợp giữa vật liệu thông thường và vật liệu có chiết suất âm. Điều này không chỉ giúp thu nhỏ kích thước ăng-ten mà còn tạo ra khả năng hoạt động đa băng tần, mở rộng khả năng ứng dụng trong các hệ thống thông tin hiện đại.

II. Quy trình thiết kế và mô phỏng ăng ten mảng

Quy trình thiết kế ăng-ten mảng bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn vật liệu điện môi đến việc xác định cấu trúc và mô phỏng. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của ăng-ten. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu siêu dày có thể cải thiện đáng kể độ lợi và băng thông của ăng-ten. Mô phỏng bằng phần mềm như HFSS giúp kiểm tra và tối ưu hóa các tham số thiết kế trước khi chế tạo thực nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng ăng-ten mảng có thể đạt được độ lợi lớn và hiệu suất bức xạ cao, đáp ứng yêu cầu của các hệ thống thông tin sóng milimét.

2.1. Phương pháp mô phỏng ăng ten

Phương pháp mô phỏng ăng-ten sử dụng phần mềm HFSS cho phép phân tích các đặc tính điện từ của ăng-ten trong môi trường thực tế. Các tham số như hệ số phản xạ S11, đồ thị bức xạ và phân bố dòng điện được xác định để đánh giá hiệu suất của ăng-ten. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng ăng-ten mảng có thể đạt được hiệu suất bức xạ gần 80% và độ lợi lên đến 32 dBi, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động 5G.

III. Nghiên cứu thiết kế ăng ten mảng lưỡng cực điện từ

Nghiên cứu thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ đã chỉ ra rằng việc kết hợp giữa ăng-ten vi dải và ăng-ten lưỡng cực có thể tạo ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống thông tin sóng milimét. Các yêu cầu thiết kế bao gồm băng thông rộng và độ lợi lớn, điều này có thể đạt được thông qua việc sử dụng siêu vật liệu trong cấu trúc ăng-ten. Mô phỏng cho thấy rằng ăng-ten lưỡng cực có thể hoạt động hiệu quả ở tần số cao, đồng thời duy trì kích thước nhỏ gọn, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ hiện đại.

3.1. Thiết kế và mô phỏng ăng ten lưỡng cực

Thiết kế ăng-ten lưỡng cực yêu cầu sự cân nhắc kỹ lưỡng về cấu trúc và vật liệu. Việc sử dụng vật liệu siêu dày trong thiết kế giúp cải thiện độ lợi và băng thông. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng ăng-ten lưỡng cực có thể đạt được độ lợi lên đến 12,7 dBi tại tần số 28 GHz, cho thấy khả năng ứng dụng cao trong các hệ thống thông tin di động. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu để nâng cao hiệu suất bức xạ của ăng-ten.