Ứng dụng cấu trúc dải chắn điện từ EBG cho thiết kế anten trong truyền thông không dây băng rộng (P2)

Các ứng dụng của EBG trong kỹ thuật anten

Cấu trúc EBG mới và đa dạng ngày càng thể hiện những đặc tính của nó mà vật liệu tự nhiên không sẵn có. Những ứng dụng của nó nhanh chóng trải dài từ những hệ thống truyền thông vô tuyến tiên tiến cho đến công nghệ chế tạo. Một số lượng lớn các ứng dụng cơ bản nằm trong lĩnh vực sóng milimet và viba, ví dụ như mảng pha quét điện từ,
GPS độ chính xác cao, Bluetooth, điện thoại di động, ống dẫn sóng, anten, các bộ lọc tích hợp... Trong lĩnh vực anten, EBG được ứng dụng để:

-Ngăn chặn sóng bề mặt

Truyền lan sóng điện từ trực tiếp bằng sóng mặt đất thay vì sóng vô tuyến trong không gian tự do làm giảm hiệu suất anten và hệ số khuếch đại của nó. Sự nhiễu xạ của sóng bề mặt tăng sự bức xạ của những búp sau. Điều này có thể làm giảm tỉ số tín hiệu của các hệ thống truyền thông không dây như các thiết bị thu GPS. Sóng bề mặt cũng làm tăng mức độ ghép nối tương hỗ trong các thiết bị mảng, góc quét nhìn không rõ trong hệ thống mảng pha.

Cấu trúc EBG được ứng dụng để ngăn chặn sóng bề mặt trong các thiết kế anten. Ví dụ cấu trúc EBG được lắp xung quanh anten không dây băng nhỏ để tăng hệ số khuếch đại và giảm búp sau hay EBG được sử dụng để thay thế các vòng bướm gió phần tư bước sóng trong các thiết kế anten GPS. Rất nhiều anten mảng cũng tích hợp các cấu trúc EBG để giảm mức độ ghép nối tương hỗ.

-Thiết kế anten không dây, kích thước nhỏ, hiệu suất cao

Một ứng dụng khác của EBG là thiết kế ra một anten không dây, kích thước nhỏ, hiệu suất cao. Đó là yêu cầu của các hệ thống truyền thông không dây hiện đại.

Bảng 1 so sánh hai vật liệu EBG và PEC trong thiết kế anten dây. Khi dòng điện thẳng (vertical) đứng tới mặt phẳng PEC, thì dòng bản sao của nó có phương và độ tăng cường bức xạ tương tự với dòng gốc. Do đó, anten này có hiệu suất bức xạ cao nhưng phải chịu một kích thước anten lớn tương ứng, vì sự phân bố thẳng đứng của dòng. Bề mặt EBG có thể cung cấp dòng ảo trong phạm vi băng tần nào đó với hiệu suất bức xạ cao.

Những anten dây khác nhau có thể được thiết kế trên mặt phẳng EBG như: anten lưỡng cực, anten đơn cực, anten xoắn ốc. Các bề mặt EBG cũng có thể được tối ưu để có khả năng thực thi cao hơn như các thiết kế băng rộng và đa băng.

-Bề mặt phát/phản xạ cho anten hệ số tăng ích cao

Cấu trúc EBG được thiết kế cho anten có hệ số tăng ích khoảng 20dBi. Thông thường, anten parabol hoặc mảng anten lớn mới có hệ số tăng ích cao. Tuy nhiên, bề mặt cong của anten parabol khó thích hợp với dàn di động trong khi mảng anten lớp luôn bị mất mạng cung cấp. Bề mặt EBG phẳng có thể giải quyết vấn đề này. Ví dụ Hình 4 sử dụng anten cộng hưởng hệ số tăng ích cao. Sau khi tối ưu hóa cấu trúc EBG ba chiều dạng gỗ xếp, ta có thể tạo ra một anten có độ tăng ích 19dBi.

Một ứng dụng khác của cấu trúc EBG là thiết kế anten holographic dựa trên khái niệm "toàn ảnh quang học“. Pha của mỗi cell EBG riêng lẻ được điều chỉnh để thu hẹp chùm hệ số tăng ích cao theo phương đặc biệt. Sử dụng các diode điện dung để cấu hình lại các đặc tính bề mặt. Hệ thống lái chùm tia điện cũng được áp dụng.

Bên cạnh các ứng dụng anten, cấu trúc EBG cũng được ứng dụng nhiều trong các thiết kế mạch sóng vi ba. Ví dụ như các thiết kế bộ lọc sóng ngắn loại bỏ thành công các hài bậc cao trong mạch.

ỨNG DỤNG EBG CHO THIẾT KẾ ANTEN KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG

Thiết kế

Hình 5 chỉ ra một thiết kế anten UWB nhìn từ trên xuống (Hình 5.a) và dưới lên (Hình 5.b) với các thông số h = 0,8mm, chất nền R04003 có hằng số điện môi £_r = 3,55, suy hao tanỗ = 0,002. Bức xạ của anten được cấp bởi một đường microtrip 50Q. Kết quả được chỉ ra trong Hình 7 cho ta thấy anten đạt được trở kháng tốt, phù hợp trong dải rộng, thích hợp cho công nghệ UWB.

Một hốc cộng hưởng được tạo ra bởi vật liệu EBG được thêm vào trên anten UWB để tăng độ lợi.

Hình 6 chỉ ra cấu trúc EBG được sử dụng cho anten UWB thiết kế trong Hình 5. Cấu trúc này bao gồm 3 lớp chất nền eposy FR4 có hằng số điện môi tương ứng £_r = 4.4. Nhìn vào kết quả Hình 7 ta thấy anten có thể hoạt động trên toàn bộ dải băng tần UWB (3.1 GHz đến 10.6 GHz) cho truyền thông vô tuyến.

Hơn thế nữa, độ lợi thu được của anten EBG tăng lên đáng kể so với anten UWB thông thường ở cùng tần số (Hình 8) trong khoảng từ 3.88 đến 8.21 GHz với dải tần hoạt động cho cả hai anten như nhau từ 2.9 đến 11.7 GHz. Đặc biệt, độ lợi thu được từ anten UWB - EBG hơn tới 16,58 dBi so với anten UWB tại tần số 4.9 Ghz.

KẾT LUẬN

Bài báo giới thiệu về thiết kế anten UWB đơn giản trên nền cấu trúc EBG. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự cải thiện đáng kể độ lợi, độ tăng ích của anten trong khoảng từ 3.88 đến 8.12 GHz, là ứng cử viên sáng giá cho truyền thông băng rộng.

Cũng chính vì thế, vật liệu cấu trúc dải chắn điện từ không ngừng thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu, nhà sáng chế trong những năm gần đây cho các ứng dụng trong thực tế, bao gồm cả truy nhập không dây băng rộng.

Tài lieu tham khào

[1].FAN YANG & YAHYA RAHMAT- SAMII, “Electromagnetic Band Gap Structure in Antenna Engineering” , Cambridge University Press, 2009.
[2].MD. SHAHIDUL ALAM & NORBAHIAH MISRAN
&BAHARUDIN YATIM & MOHAMMAD TARIQUL ISLAM, “Development of Electromagnetic Band Gap Structure in the Perspective of MicrostripAntenna Design”, Hindawi Publishing, International Journal of Antennas and Propagation, March 2013.
[3].A. KAABAL & S. AHYOUD & A. ASSELMAN & A.FAIZE, “Design of high gain ultra wide-band antenna for wireless communication usingEBG structure”, European Scientific Journal, October 2013.
[4].AKHILESH KUMAR GUPTA & P.K. SINGHAL, “Micrstrip antenna parameters improvement using EBG Structure”, Impact Journals, August 2013.

ThS. Dương Thị Thanh Tú

(TCTTTT Kỳ 1/3/2014)