Thạc Sĩ Ứng dụng phương pháp moment trong bài toán phân tích các kết cấu điện từ phẳng được kích thích bởi s

Trích yếu luận án

- Tên luận án: ứng dụng phương pháp moment trong bài toán phân tích các kết
cấu điện từ phẳng được kích thích bởi sóng chạy.
- Ngành khoa học của luận án: Thông tin vô tuyến, phát thanh và vô tuyến truyền
hình. Mã số chuyên ngành: 2.07.02
- Tên cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

a) Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Trong những thập kỷ 80 - 90 của thế kỷ XX, thế giới đã được chứng kiến những
ứng dụng của vi mạch tích hợp trong các thiết bị điện tử, thông tin liên lạc phục vụ an
ninh quốc phòng và đời sống hàng ngày. Việc sử dụng các vi mạch tích hợp (kết cấu
mạch dải và khe dải là các thành phần cơ bản) có ưu điểm dễ dàng và linh hoạt trong
thiết kế mạch và nâng cao tính khai thác của kết cấu.

Một ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực siêu cao tần đó là các kết cấu truyền dẫn
sóng chu kỳ (còn gọi là "kết cấu chu kỳ"). Sự quan tâm đến các kết cấu dẫn sóng loại
này nhờ hai tính chất cơ bản của chúng là: (i) các đặc tính lọc thông băng và chặn băng
tần; (ii) hỗ trợ các sóng có vận tốc pha nhỏ hơn vận tốc ánh sáng (sóng chậm).
Luận án này đi sâu vào hướng nghiên cứu tổng hợp và phân tích tính chất thứ hai
của kết cấu chu kỳ đó là tính chất hỗ trợ các sóng chậm sử dụng các kết cấu mạch dải
phẳng và kết cấu sóng rò phẳng được kích thích bởi sóng chạy.

b) Mục đích nghiên cứu:
- Trên thực tế để tạo ra các đồ thị phương hướng (sóng thứ cấp) theo yêu cầu, bề
mặt kết cấu thường có dạng hết sức phức tạp. Do vậy việc phân tích các kết cấu này
gặp rất nhiều khó khăn đặc biệt phải tính toán đối với các phương trình đường cong
hình học rất phức tạp. Nhiều nhà khoa học như Aizenberg G. Z.; Yampolski V. G.;
Cheriosin O. N.; Tereshin O. N.; Sedov V. M. và Chaplin A. F. trong các nghiên cứu
của mình cũng đã rất cố gắng để giải quyết bài toán tổng hợp để tìm ra mô hình đường
cong của kết cấu có hình dạng bất kỳ được kích thích bởi sóng chạy. Tuy nhiên không
phải là đối với bài toán nào cũng ra được nghiệm vì sử dụng phương pháp tính nghiệm
là phương pháp bình phương nhỏ nhất chỉ cho phép tính toán đối với các phép toán giải
tích và nhiều khi phương trình tích phân lại có dạng không khả tích.

- Các phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method),
phương pháp sai phân hữu hạn (Finite difference method) chưa phát huy được hiệu quả.
Luận án đã giải quyết bài toán tổng hợp, phân tích và mô phỏng các kết cấu có hình
dạng bất kỳ được kích thích bởi sóng chạy thành các kết cấu phẳng (kết cấu mạch dải
và sóng rò) sử dụng phương pháp số cho phép nhận được kết quả chính xác với thời
gian ngắn.

c) Các kết quả chính và kết luận:

Luận án đã giải quyết được một số điểm đột phá như sau:
- Thực hiện bài toán tổng hợp nhằm đưa một kết cấu có hình dạng bất kỳ có trở
kháng bề mặt là đại lượng ảo chuyển thành một kết cấu phẳng có trở kháng bề mặt là
đại lượng phức bảo đảm được mọi tính chất điện từ trường của kết cấu ban đầu.
- Thực hiện bài toán phân tích kết cấu phẳng có trở kháng bề mặt là đại lượng phức
để đánh giá kết quả khi chuyển kết cấu có hình dạng bất kỳ thành kết cấu phẳng.
- Sử dụng phương pháp moment (MoM) với hàm cơ sở miền con để phân tích kết
cấu. Đây là phương pháp tính toán sử dụng lý thuyết rời rạc để làm giảm nhẹ đáng kể
bài toán về mối tương quan của các đại lượng vật lý trong môi trường tự do được biểu
diễn qua các phương trình Maxwell và các điều kiện bờ, để biến đổi thành các phương
trình tích phân có miền được giới hạn và đủ nhỏ. Kích thước nhỏ của miền là vô cùng
quan trọng vì phù hợp với kích cỡ RAM của máy tính luôn không phải là một nguồn tài
nguyên dồi dào. Đây chính là ưu điểm của MoM so với các phương pháp số khác. Đặc
biệt MoM rất thuận tiện khi khảo sát các kết cấu phẳng. Những kết quả này cho phép
mở rộng phạm vi ứng dụng của bài toán tới phạm vi rộng rãi hơn.
- Nghiên cứu hai dạng bài toán đặc biệt chưa được nghiên cứu trong thực tế đó là:
+ Kết cấu có dạng như kết cấu sóng rò được kích thích bởi sóng chạy dưới góc
tới θi
bất kỳ trên bề mặt kết cấu.
+ Kết cấu có dạng như kết cấu sóng mặt (kiểu kết cấu mạch dải) được kích thích
liên tục bởi sóng chạy dưới góc tới
bất kỳ.
- Các chương trình Matlab và Fortran được sử dụng để thực hiện bài toán mô phỏng
bằng MoM. Thời gian mô phỏng trên máy tính nhanh hơn so với các kết quả nghiên
cứu trước kia.
- Với những kết quả đã đạt được, có thể nhận thấy rằng khả năng mô phỏng bằng
phương pháp số đối với kết cấu mạch dải và sóng rò là khá chính xác.
d) ứng dụng của hai dạng bài toán và kết cấu nghiên cứu
- Giảm nhẹ kích thưước các cấu tử nhờ áp dụng những kết cấu mới như kết cấu mạch
dải và sóng rò một cách phù hợp.
- Dễ dàng được sản xuất với chi phí thấp nhờ công nghệ cấy hàng ngàn các cấu tử
siêu cao tần sóng được đưa vào cùng một quá trình.
- Các kết cấu nghiên cứu rất mỏng và nhẹ. Việc gắn chúng lên thân các thiết bị
không gây ảnh hưởng đến bề mặt của thiết bị.
- Kết hợp các kết cấu sóng chậm này với các phần tử hay mạch tích cực để có anten
tích cực.

Mục lục

Lời cam đoan .2
mục lục 3
danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .5
danh mục các hình vẽ 7
mở đầu 9

chương 1: kết cấu điện từ được kích thích bởi sóng chạy 12
1.1. Giới thiệu về các kết cấu được kích thích bởi sóng chạy 12
1.1.1. Kết cấu sóng rò 12
1.1.2. Kết cấu sóng mặt 17
1.1.3. Các quan điểm phân tích kết cấu điện từ được kích thích bởi sóng chạy: .20
1.1.4. Những hạn chế trong bài toán phân tích các kết cấu được kích thích bởi sóng chạy
và phương hướng giải quyết .24
1.2. Bài toán tổng hợp kết cấu sóng chạy (kết cấu impedance) 26
1.2.1. Xác định hàm số mặt cong của bề mặt kết cấu impedance và phân bố trở kháng bề
mặt .26
1.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng kết cấu impedance có hình dạng bất kỳ .28
1.3. Bài toán phân tích kết cấu sóng chạy (kết cấu impedance) có hình dạng mặt cắt
(Profile) bất kỳ 32
1.3.1. Phương trình tích phân đối với các bề mặt trở kháng có mặt cắt biến đổi ít. .32
1.3.2. Bài toán phân tích .34
1.3.3. Đánh giá sai số của phương pháp tổng hợp 37
1.4. Xây dựng kết cấu phẳng được kích thích bởi sóng chạy sử dụng kết cấu mạch dải
và kết cấu khe trên hốc cộng hưởng .41
1.4.1. Đặt vấn đề 41
1.4.2. Tính chất điện từ của cấu trúc răng lược và cấu trúc gấp khúc 42
1.4.3. Các kết cấu được nghiên cứu .45
1.5. Kết luận 46

Chương 2: phân tích kết cấu sóng rò được kích thích bởi sóng
chạy bằng phương pháp moment .48
2.1. Phương trình tích phân cho kết cấu khe có hình dạng bất kỳ trên hốc cộng hưởng
được kích thích bởi sóng chạy .48
2.1.1. Xác định phương trình điều kiện biên 48
2.1.2. Xác định trường bức xạ trong miền I .49
2.1.3. Xác định trường bức xạ trong miền II 51
2.2. Giải quyết bài toán bằng phương pháp moment 52
2.2.1. Nghiên cứu cấu trúc .52
2.2.2. Chọn hàm cơ sở và thiết lập phương trình ma trận .52
2.2.3. Xác định trường bức xạ 57
2.3. Kết quả mô phỏng .59
2.4. Kết luận 67

Chương 3: phân tích kết cấu sóng mặt (kết cấu mạch dải) kích
thích bởi sóng chạy bằng phương pháp moment .68
3.1. Giới thiệu kết cấu mạch dải 68
3.2. Bài toán tổng quát phân tích kết cấu mạch dải có hình dạng bất kỳ sử dụng
phương pháp moment 70
3.2.1. Xác định phương trình điều kiện biên và các thành phần của hàm Green 70
3.2.2. Xác định sự phân bố dòng trên bề mặt cấu trúc 71
3.2.3. Xác định phương trình ma trận và ma trận trở kháng 73
3.2.4. Xác định trường tán xạ và mặt cắt tán xạ ngược .74
3.2.5. Các kết quả mô phỏng .75
3.3. Phân tích kết cấu mạch dải hẹp hình dạng bất kỳ được kích thích bởi sóng chạy
bằng phương pháp moment .79
3.3.1. Những căn cứ xây dựng kết cấu mạch dải hẹp có hình dạng bất kỳ 79
3.3.2. Xác định phương trình điều kiện biên 79
3.3.3. Xác định sự phân bố dòng trên bề mặt kết cấu 80
3.3.4. Chọn hàm cơ sở và xác định phương trình ma trận 81
3.3.5. Xác định ma trận trở kháng 83
3.3.6. Xác định các tích phân Sommerfeld 87
3.3.7. Các kết quả mô phỏng 92
3.4. Kết luận 97

chương 4: kết luận .98
4.1. Nhận xét các kết quả đạt được .98
4.2. ứng dụng của kết cấu điện từ được kích thích bởi sóng chạy .99
4.3. Hướng nghiên cứu trong tương lai .101

danh mục công trình của tác giả .102
tài liệu tham khảo .103

phụ lục 1: giới thiệu phương pháp moment 105

Phụ lục 2: hàm số biểu diễn mặt cong z0(y) của kết cấu 115

Phụ lục 3: phân bố trở kháng trên bề mặt của kết cấu 116

Phụ lục 4: Dạng hình học của kết cấu được nghiên cứu .117

Phụ lục 5: Chương trình Matlab tính toán cấu trúc sóng rò kiểu
khe hẹp có hình dạng bất kỳ trên hốc cộng hưởng được kích
thích bởi sóng chạy .119

Phụ lục 6: phân tích hàm green, mặt cắt bức xạ và Hiệu ứng biên
của kết cấu mạch dải .126

Phụ lục 7: xác định tích phân Sommerfeld đoạn cuối 134

Phụ lục 8: Chương trình fortran tính toán kết cấu mạch dải tổng
quát được kích thích bởi sóng chạy .136

Phụ lục 9: Chương trình fortran tính toán kết cấu mạch dải hẹp
hình dạng bất kỳ kích thích bởi sóng chạy .150