Ứng dụng cấu trúc dải chắn điện từ EBG cho thiết kế anten trong truyền thông không dây băng rộng (P1)

GIỚI THIỆU CHUNG 

Trong truyền thông không dây, các thiết bị phải có khả năng tập trung năng lượng bức xạ theo một hướng nhất định để đạt được độ lợi cao cũng như khả năng kết nối trực tiếp. Hơn thế nữa, với những công nghệ truyền thông không dây băng rộng phổ biến hiện nay như WLAN, WMAN hay HiperLAN, các thiết bị này lại thêm yêu cầu kích thước ngày càng phải nhỏ gọn. Để giải quyết khó khăn này trong thiết kế anten băng rộng, người ta đưa ra giải pháp sử dụng chất nền EBG bởi một số đặc tính thú vị không có trong bất kỳ vật liệu tự nhiên nào.

Hai đặc tính quan trọng của cấu trúc EBG là thiết lập một dải băng tần ngăn chặn các sóng bề mặt và cho pha phản xạ với sóng phẳng biến thiên liên tục từ180^o đến 180^o.

Với các anten vi dải nói chung, sóng bề mặt là một vấn đề rất quan trọng, nó làm giảm hiệu suất và độ tăng ích của anten, giới hạn băng tần, gia tăng bức xạ cùng hướng, tăng mức phân cực ngang cũng như gây suy hao và gây méo dạng lên đồ thị phương hướng bức xạ của anten. Với đặc tính triệt sóng bề mặt, người ta sử dụng chất nền EBG để giảm bức xạ gây ra do sóng bề mặt (tại tiếp giáp giữa mặt phẳng đất và không khí) qua đó làm giảm bức xạ đuôi của anten (là thành phần không mong muốn) và tăng độ tăng ích cũng như hiệu suất bức xạ ở trong một dải tần xác định.

Còn đặc tính pha phản xạ với mặt phản xạ sẽ tác động khả năng bức xạ của anten. Với mặt phẳng kim loại, nó sẽ cho pha phản xạ bằng 180^o. Khi đó, nếu anten đặt quá sát với mặt phẳng đất bằng kim loại, bức xạ của anten phần lớn sẽ bị triệt tiêu bởi sóng phản xạ, làm xấu đồ thị phương hướng cũng như giảm đáng kể độ tăng ích. Để khắc phục điều này về mặt lý thuyết phải đặt bề mặt bức xạ của anten cách mặt phản xạ khoảng λ/4  để sóng phản xạ, vốn đã lệch pha 180 độ so với sóng tới, khi đi qua khoảng cách 2λ/4 sẽ trở nên đồng pha. Tuy nhiên, điều này thông thường sẽ tăng kích thước anten lên một cách đáng kể, không áp dụng được với truyền thông băng rộng. Với đặc tính pha phản xạ của cấu trúc EBG, người ta có thể ứng dụng chúng để làm mặt phản xạ cho anten, thay cho mặt phẳng dẫn điện kim loại. Qua đó giảm thiểu khoảng cách từ mặt anten đến mặt phản xạ, giảm thiểu kích thước của anten. Hơn thế nữa, nếu mở rộng băng thông của cấu trúc EBG, nó có thể cải thiện hoạt động của anten trên một băng tần rất rộng.

Có rất nhiều cấu trúc EBG được ứng dụng trong truyền thông băng rộng. Tuy nhiên, cấu trúc EBG hình nấm là cấu trúc được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Chính vì vậy, nội dung bài báo này cũng sử dụng cấu trúc EBG hình nấm để đưa ra ví dụ minh họa cho trường hợp sử dụng anten UWB với vật liệu EBG để đạt được độ tăng ích cao hơn anten UBG thông thường trong dải tần 2,9 đến 11,7 GHz, vùng băng tần hữu dụng cho các truy nhập băng rộng không dây như Wimax, WiFi outdoor, WLAN, Hiperlan,...

CẨU TRÚC DẢI CHẮN ĐIỆN TỪ EBG

Cấu trúc dải chắn điện từ hay "Cấu trúc vật liệu vi dải điện từ" hay "cấu trúc khe hở băng tần điện từ" được định nghĩa là: "những cấu trúc tuần hoàn nhân tạo mà có đặc tính ngăn cản hoặc cho phép sự lan truyền của sóng điện từ trong một dải băng tần xác đính ứng với mọi góc tới và mọi trạng thái phân cực của sóng'.

Có thể nhận ra cấu trúc EBG qua sự sắp xếp một cách tuần hoàn những vật liệu điện môi và kim loại. Dựa vào cấu trúc hình học ta có thể chia EBG ra làm 3 loại chính (Hình 1):

-Cấu trúc hình khối ba chiều.

-Cấu trúc phẳng hai chiều. 

- Cấu trúc đường truyền một chiều.

Cấu trúc EBG

Cấu trúc EBG phẳng hai chiều được quan tâm nhiều nhất có một vài đặc tính điện từ thú vị khi tương tác với sóng tới:

-Nếu sóng tới là sóng mặt (k_x² ky²<= k0², k_z  thuần ảo), cấu trúc EBG sẽ cho một dải tần số mà  trong đó sóng bề mặt không thể lan truyền với mọi góc tới và trạng thái phân cực (Hình 2a).

-Nếu sóng tới là sóng phẳng (k_x² ky²<= k0², k_z có giá trị thực) thì pha phản xạ sóng điện từ trên EBG sẽ thay đổi theo tần số. Có một tần số mà pha phản xạ bằng 0⁰, đây là đặc tính của chất dẫn từ lý tưởng không tồn tại trong tự nhiên (Hình 2b).

Trong đó: k_x, ky  là hệ số sóng theo hai trục trên mặt phẳng nằm ngang, ko là hệ số sóng theo phương thẳng đứng và ko là hệ số sóng không gian tự do.

Cấu trúc EBG phẳng phổ biến nhất và mang tính cơ bản nhất là cấu trúc EBG hình nấm (Hình 1b), bao gồm bốn phần chính: Đế điện môi, những miếng kim loại tuần hoàn theo trục x và y của mặt phẳng nằm ngang, mặt phẳng đất, các thanh via nối từ tấm kim loại xuống mặt phẳng đất. Các tham số của cấu trúc này được thể hiện trên Hình 3, sẽ quyết định đặc tính điện từ của nó, bao gồm:

-Kích thước mỗi phiến kim loại hình vuông: W.

-Khoảng cách giữa các phiến: g.

-Bán kính hình trụ nối đất: r.

-Thông số điện môi: độ dày h, hằng số điện môi tương đối £_‑r.

ThS. Dương Thị Thanh Tú

(còn nữa )

(TCTTTT Kỳ 1/3/2014)