Khóa luận Thiết kế anten metamaterial

g gian chỉ tồn tại ở nửa trên vì màn chắn kim loại đã ngăn không cho bức xạ xuống không gian phía dưới. Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn dẫn điện và phiến kim loại. Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn kim loại theo góc nhỏ hơn góc tới hạn. Sau khi phản xạ từ màn chắn, một bộ phận của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi – không khí, khiến cho một phần năng lượng rò ra khỏi lớp điện môi. Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt và bên trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn điện môi – không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong sợi cáp quang. Tính phân cực của anten mạch dải Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp. Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten mạch dải là trường phân cực thẳng. Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng. Hình 2.12 Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải [4] Hình 2.13 Đồ thì bức xạ 3 chiều [4] Để tạo được trường phân cực tròn ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh của anten hoặc từ một cổng ta chia ra thành 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là l/4 Hình 2.14 Tiếp điện bằng 2 đường mạch dải vào hai cạnh của anten.[4] Hình 2.15 Đồ thị bức xạ 3 chiều [4] Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào nó cũng có thể thu được một thành phần của tín hiệu. Điều đó là do sóng tới có góc quay biến đổi. Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ WLAN ở môi trường truyền sóng phức tạp. Băng thông của anten mạch dải Độ rộng băng thông của anten mạch dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Độ rộng băng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thực kinh nghiệm sau [1]: (2.4) Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi. Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp. Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.1l0 thì ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten. 2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là phượng pháp đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản, còn phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp được áp dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp. Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi anten mạch dải hình chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm mạch dải) và đặt song song cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ. Khi chọn L = ld/2 do vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian. Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử mạch dải nửa sóng.[1] Hiện nay ngoài các phương pháp trên còn có phương pháp FDTD, phương pháp này được công bố bởi Yee năm 1966 là phương pháp đơn giản nhưng hữu hiệu để rời rạc phương trình vi phân của hệ phương trình Maxwell.FDTD đặc biệt có thể mô phỏng những hiện tượng điện từ tác động ngẫu nhiên hay các tham số tác động lên anten.[2] Trong phần thiết kế để đơn giản ta xét mô hình tấm mạch dải hình chữ nhật được tiếp điện bằng cáp đồng trục. Trước tiên ta bắt đầu với ba thông số bắt buộc cơ bản đó là: tần số hoạt động (tần số cộng hưởng này có thể chọn tuỳ vào từng ứng dụng), hằng số điện môi, độ dày điện môi. Sau đây sẽ là các bước tính toán thiết kế Tính toán độ rộng W của tấm mạch dải theo công thức: (2.5) Tính toán hằng số điện môi hiệu dụng (2.6) Tính toán chiều dài hiệu dụng (2.7) Tính toán độ mở rộng của chiều dài (2.8) Tính toán chiều dài của tấm mạch dải (2.9) Tính toán chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng đất (2.10a) (2.10b) Tính toán vị trí tiếp điện. Vị trí của tiếp điện được tính theo công thức (2.1) và (2.2) 2.5 Nhược điểm của anten mạch dải và xu hướng phát triển Ngoài những ưu điểm của mạch dải thì cần phải kể đến những nhược điểm của loại anten này như: Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp Trên đây là một số những nhược điểm của anten mạch dải vì vậy xu hướng là cải thiện được những nhược điểm này. Anten vi dải có độ lợi thấp do đó cần phải sử dụng đến nhiều anten mạch dải để tăng độ lợi và ngoài ra hệ thống này có thể điều khiển được búp sóng (anten thông minh). Để cải thiện băng thông hẹp ta có thể thiết kế anten mạch dải nhiều band (multi band) đây chính là hướng đi trong những năm tới đáp ứng được nhiều dịch vụ di động. Vấn đề này được đề cập rõ hơn trong chương IV. Chương 3 TỔNG QUAN METAMATERIAL 3.1 Định nghĩa Metamaterials Metamaterials (theo tiếng Hy Lạp là “ beyond ”) là những loại vật liệu nhân tạo có những đặc tính khác biệt so với vật liệu thông thường có trong tự nhiên.[11] 3.2 Đặc điểm của Metamaterials Những vật liệu tự nhiên như gỗ, thuỷ tinh, kim cương …thông thường đều có hằng số điện môi, độ từ thẩm là dương (ε > 0 ,µ > 0) và chiết suất n > 0. Tuy nhiên vào năm 2000 nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và coworkers đã chứng minh là có thể chế tạo được vật liệu mới có chiết suất n < 0. Sự việc đó đã dần hiện thực hoá lý thuyết về vật liệu mới của nhà khoa học người Nga Veselago Victor Georgevick, ông đã ra đưa lý thuyết này vào năm 1968. [5] Ta có mối quan hệ giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm là: n = trong đó ε < 0 và µ < 0 (3.1) Điều này vẫn bảo đảm công thức trên là đúng nhưng câu hỏi đặt ra là nguyên lý động lực học của vật liệu có ε 0 và µ > 0). Có thể có 3 câu trả lời Không có sự khác biệt bởi vì nguyên lý động lực học không thay đổi nếu ε và µ cùng đổi dấu. Hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng giá trị âm là không thể bởi vì nó đối nghịch với các nguyên tắc cơ bản. Hằng số điện môi và độ từ thẩm cùng giá trị âm là có thể nhưng nguyên lý động lực học của những vật liệu này sẽ khác với các vật liệu có (ε > 0 và µ > 0) Có thể thấy câu trả lời thứ ba là đúng. Áp dụng phương trình Maxwell : (3.2) Ta có phương trình sau: (3.3) Từ các phương trình (3.2) và (3.3) có thể thấy được xác định theo quy tắc bàn tay phải đối với vật liệu có (ε > 0 và µ > 0) nhưng cũng có thể xác định được theo quy tắc bàn tay trái với vật liệu có (ε < 0 và µ < 0). Với lý do này mà có thể gọi những vật liệu mới này là “left-handed materials”. Ngoài ra cũng có tên gọi khác cho loại vật liệu này là “backward wave” để diễn tả rằng sóng sẽ truyền ngược với hướng của năng lượng điện từ trường. Còn vật liệu thông thường là right-handed media. Để ngắn gọn ta kí hiệu metamaterials là MTMs, left-handed là LH và vật liệu thông thường là RH Nhớ rằng vecto Pointing luôn được xác định theo quy tắc bàn tay phải với (3.4) Và hướng của vecto vận tốc pha trùng với hướng vecto sóng . Nhưng trong khi đó hướng của vecto vận tốc nhóm cùng hướng với vecto Pointing . Vì vậy mà vecto vận tốc pha và vecto vận tốc nhóm là ngược hướng nhau khi hằng số điện môi và độ từ thẩm là cùng âm (ε < 0 và µ < 0). Ngược lại khi mà vật liệu nào đó có vận tốc pha và vận tốc nhóm là ngược pha nhau thì ta nói vật liệu đó có đặc tính là có ε < 0 và µ < 0.  a) b) Hình 3.1 a) biểu diễn chiều của vecto Pointing S và vecto song k của vật liệu thông thường. b) biểu diễn chiều của vecto Pointing S và vecto song k của loại vật liệu mới. c) Hình 3.1c) mô tả hướng của vecto Pointing S và vecto song k trong cả 2 vật liệu [5] Sự không cùng hướng của vecto vận tốc pha và vecto vận tốc nhóm có một số ảnh hưởng đến hiện tượng vật lý vẫn thường gặp. Vấn đề này sẽ được nói rõ ở phần sau, sau đây chỉ là một trong những ảnh hưởng cơ bản nhất của nó để chỉ ra rằng chiết suất cũng có thể là một số âm. Như đã biết thông thường một tia sáng đến gặp bờ phân cách giữa 2 môi trường khác nhau tia sáng sẽ bị khúc xạ theo đường 1-4 như trên hình vẽ: Hình 3.2 Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách [5] Tuy nhiên khi vận tốc pha và vận tốc nhóm không cùng hướng thì điều lạ lùng xảy ra là tia sẽ bị lệch đi theo hướng 1-3. Vì vậy nếu muốn giữ nguyên công thức về hiện tuợng khúc xạ (Định luật Snellius): (3.5) Thì n < 0 vì sinΦ < 0. Mà theo công thức ta có n = do đó cần phải điều chỉnh lại cách viết như sau Dấu “+” khi vật liệu là thông thường có ε > 0 và µ >0 và dấu “-“ khi vật liệu có ε < 0 và µ < 0. Hay có thể viết lại cho gọn là (3.6) với s là hàm dấu s =1 khi là vật liệu RH s = -1 khi là vật liệu LH Từ đây ta sẽ có các cặp dấu của (ε ,µ) tạo thành bốn miền trong hệ toạ độ của ε, µ Hình 3.3 Hệ toạ độ (ε, µ ) [5] Nhìn vào hệ trên có thể thấy rằng trong miền I (ε > 0 và µ >0) đây chính là vật liệu thông thường. Trong miền thứ II (ε 0) được biết đến như là vật liệu plasma. Vật liệu này có thể làm từ một hệ dây kim loại được sắp xếp tuần hoàn khi tần số hoạt động nhỏ hơn tần số plasma và được kích thích bởi sóng có vecto điện trường dọc theo trục z. Hình 3.4a Mô hình vật liệu plasma điện [5] (3.7) Với a là bán kính của sợi dây khi mà Nếu thì khi Trong miền thứ IV (ε > 0 và µ < 0) đây là loại vật liệu mà từ trước đó rất khó làm ra từ những chất đồng nhất. Đến nay đã có một số cấu trúc được đề xuất như: vòng từ cộng hưởng có khe hẹp, cấu trúc hình chữ S, W, cấu trúc 2 thanh ngắn đặt song song và ngăn cách bởi lớp điện môi. Xét cấu trúc vòng từ cộng hưởng có khe hẹp được kích thích bởi sóng có vecto từ trường vuông góc với trục y : Hình 3.4b Mô hình vật liệu plasma từ [5] (3.8) Với a là bán kính trong d là bề rộng của vòng tròn δ là bán kính của khoảng cách giữa các vòng tròn R’ là điện trở trên một đơn vị độ dài ς = 0 khi R’= 0 tức là không có mất mát vì vậy khi là tần số plasma từ. Trong miền thứ III (ε < 0 và µ < 0) đây chính là metamaterials hay left-handed media. Có thể tạo được vật liệu này khi kết hợp 2 tính chất của vật liệu plasma điện và plasma từ. Từ đó ta có cấu hình sau Hình 3.4c Mô hình tổ hợp của vật liệu plasma điện và từ [5] Có thể thấy vật liệu này là loại không đồng nhất có vecto E dọc theo trục z và vecto H vuông góc với trục y. Dưới đây sẽ là một số tích chất khác biệt của Metamaterials 3.2.1 Điều kiện Entropy Như đã biết năng lượng của trường điện từ: (3.9) Tuy nhiên nếu dùng công thức trên sẽ không đúng nữa nếu tồn tại tần số nào đó mà μ và ε < 0 vì ta biết rằng cả μ và ε đều là hàm của tần số. Khi đó để cho đúng với điều kiện Entropy thì công thức trên phải viết lại thành (3.10) Công thức này đúng cho cả μ và ε cùng âm hoặc cùng dương. Và nếu như không có sự phát tán tức là không tồn tại tần số đặc biệt nào đó thì công thức lại trở về như công thức ban đầu.[5] 3.2.2 Đảo ngược hiệu ứng Doppler Giả sử có một nguồn phát sóng vô hướng S, tần số phát ω chuyển động dọc theo trục z với vận tốc[5] Hình 3.5 a) Hiệu ứng Doppler (Δω > 0) b) Hiệu ứng Doppler ngược (Δω < 0) Ở khu xa trường của nguồn phát S, trường có dạng với Trong đó r là khoảng cách từ nguồn đến nơi thu, β là hằng số sóng Giả sử rằng sóng phát đi theo hướng dọc trục z (θ = 0). Nếu nguồn sóng S chuyển động theo chiều dương của trục z khi đó Ở nơi thu sẽ có sự lệch pha: (3.11) Với vp là vận tốc pha, Tần số thu được là ωdoppler = ω - Δω (3.12) Đối với vật liệu thông thường thì s = 1 nên Δω > 0 vì vậy ωdoppler ω. Như vậy hiện tượng Doppler bị đảo ngược. 3.2.3 Đảo ngược hiện tượng khúc xạ Một trong những điểm đặc biệt của LH media là có chiết suất n < 0 được nói ở phần trên. Trong phần này sẽ chỉ ra ảnh hưởng của n < 0 khi mà hai loại vật liệu LH và RH được đặt tiếp xúc với nhau. Thông thường sóng đến gặp bề mặt của vật liệu 1, một phần sóng bị phản xạ và một phần bị khúc xạ sang vật liệu 2 . Điều kiện bờ đòi hỏi rằng các thành phần tiếp tuyến của phải liên tục tại z = 0 với mọi x và y. Hình 3.6 Đường đi của các tia khi đi qua bờ phân cách 2 vật liệu [5] Gọi biên độ của thành phần tiếp tuyến của sóng đến, phản xạ và khúc xạ là theo đó trong mọi trường hợp đều phải thoả mãn phương trình sau (3.13) Để thoả mãn với mọi x và y thì phải có do đó mà (3.14a) (3.14b) Điều này chỉ ra rằng các thành phần tiếp tuyến của hằng số sóng: là liên tục tại bề mặt giữa 2 vật liệu hay hằng số sóng tiếp tuyến của vật liêu l và 2 bằng nhau (3.15) Đây chính là kết quả do sự liên tục của các thành phần tiếp tuyến E và H. Và điều này vẫn còn đúng khi bờ là tiếp xúc bởi vật liệu thông thường với left-handed media. Các thành phần tiếp tuyến của hằng số sóng có thể biểu diễn dưới dạng góc như sau (3.16) Với và (3.17) Áp dụng công thức (3.14) và (3.16) ta được (3.18) Kết hợp công thức (3.17) suy ra: Điều này không bị thay đổi ở bờ giữa vật liệu RH và LH media bởi vì tia phản xạ và tia tới cùng nằm trong một vật liệu. Cũng từ công thức (3.14),(3.16) và (3.17) suy ra (3.19a) Đây là công thức trong hiện tượng khúc xạ (Định luật Snell) miêu tả đường đi của tia giữa hai vật liệu khác nhau. Vì vậy nếu một vật liệu là RH và một vật liệu là LH thì có thể viết lại thành công thức tổng quát như sau: (3.19b) Nếu và cùng dấu tức là cùng vật liệu thông thường hay cùng là LH media thì hiện tượng khúc xạ sẽ không có gì thay đổi nhưng nếu và là ngược dấu tức là một vật liệu là RH và một vật liệu là LH thì hiện tượng khúc xạ sẽ khác. Thật vậy giả sử sóng tới từ vật liệu thông thường và sẽ khúc xạ ở vật liệu LH tức là = 1 và= -1 từ đó suy ra là góc khúc xạ bây giờ không còn là θ2 nữa mà là (– θ2 ). Có thể thấy rõ hơn điều này qua hình vẽ dưới [5] Hình 3.7 a) Cả 2 vật liệu là RH [5] b) Vật liệu 1 là RH và vật liệu 2 là LH [5] 3.2.4 Ảnh hưởng đến các hệ số Fresnel Trong phần này sẽ chỉ ra sự thay đổi như thế nào đến các hệ số Fresnel (hệ số phản xạ R và hệ số truyền T) ở bờ giữa hai vật liệu mà một trong số đó là LH media. Hệ số phản xạ R và hệ số truyền T đều có 2 loại tương ứng với 2 kiểu phân cực là phân cực ngang (vecto E // mặt phẳng tới hay TMz) và phân cực dọc (vecto E mặt phẳng tới hay còn gọi là TEz) (3.20a) (3.20b) Trong đó ηi là trở kháng đặc tính của vật liệu (i = 1,2) (3.21) Với các thông số được thiết lập như sau: Có thể thấy rằng biên độ của các hệ số Fresnel của vật liệu RH/RH bằng với biên độ các hệ số Frenesl của vật liệu RH/ LH. Bởi vì biên độ của các hệ số này chỉ phụ thuộc vào các thành phần tiếp tuyến ngay cả vật liệu đó là LH đi chăng nữa thật vậy theo điều kiện bờ Hình 3.8 Điều kiện bờ giữa vật liệu thường và LH media [8] (3.22) Thông thì pha của các hệ số Fresnel của vật liệu RH/RH cùng pha với các hệ số Fresnel của vật liệu RH/ LH. Tuy nhiên pha của hệ số truyền T// của 2 loại vật liệu là ngược pha nhau. 3.2.5 Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen Hiệu ứng Goos-Hanchen là sự dịch chuyển vị trí một lượng d của chùm sáng hay sóng điện từ khi va đập vào mặt của bờ phân cách vật liệu điện môi chắn quang với môi trường. Hiện tượng này được Newton dự đoán từ trước và mãi sau này được 2 nhà khoa học Goos và Hanchen chứng minh: Hình 3.9a Hiệu ứng Goos-Hanchen ở 2 vật liệu RH [5] Trong hiệu ứng Goos-Hanchen thì vật liệu 1 có chiết suất lớn hơn vật liệu 2 () và góc tới phải lớn hơn góc của tinh thể vật liệu 2 () do vậy mà toàn bộ sóng bị phản xạ. Trong trường hợp này thì các thành phần pháp tuyến của vật liệu 1 là thực còn của vật liệu 2 là ảo (3.33) Trong đó x thay đổi dọc trên bờ phân cách, p1 là thực và p1 > 0, vật liệu 1 là RH để chắc chắn sóng phát đi từ nguồn, q2 là thực và q2 > 0 để khẳng định sự suy giảm theo hàm mũ từ nguồn. Với những mối quan hệ này thì hệ số phản xạ có thể được viết dưới dạng cực như sau: với (3.34a) với (3.34b) Sự dịch Goos-Hanchen là (3.35a) (3.35b) Theo (3.33) ta có (3.36) Nếu như cả 2 vật liệu là RH thì tỉ sổ p1/q2 > 1 vì n1 > n2 > 0 do đó mà là những số dương điều này tạo nên sự dịch vị trí dương như hình 3.9a. Tuy nhiên vật liệu thứ 2 là LH thì sẽ khác, dấu của là “-“. Chính điều này làm cho hiệu ứng Goos-Hanchen bị đảo ngược tức là sự dịch vị trí âm xảy ra ở bề mặt 2 vật liệu do cùng là số âm Hình 3.9b Hiệu ứng Goos-Hanchen bị đảo ngược ở vật liệu RH/LH [5] Một điều chú ý nữa là vật liệu 2 trong phân cực // thì không nhất thiết là vật liệu LH mà vật liệu đó chỉ cần có thông số ε < 0 hoặc μ < 0 là được. 3.2.6 Đảo ngược sự hội tụ và phân kỳ trong thấu kính lồi và lõm Hiện tượng nhiễu xạ sẽ xuất Như đã biết ảnh hưởng của LH media đến Định luật Snell (định luật khúc xạ) ở phần trên. Như vậy nó sẽ ảnh hưởng đến đường đi của tia sáng khi đi qua thấu kính làm bằng vật liệu này vì nguyên lý đường đi của tia sáng cũng dựa trên định luật đó. Có thể thấy được ảnh hưởng của nó trên hình vẽ [5] Hình 3.10 a) Thấu kính LH lồi là phân kỳ thì thấu kính RH lồi là hội tụ b) Thấu kính LH lõm là hội tụ thì thấu kính RH lõm là phân kỳ. Trên hình vẽ nếu thấu kính làm bằng vật liệu RH thì ánh sáng song song khi đi qua thấu kính lồi nó sẽ hội tụ nhưng nếu làm bằng vật liệu LH thì ánh sáng song song khi đi qua nó sẽ phân kỳ. Và điều tương tự cũng xảy ra với thấu kính là lõm. Ta xét một ví dụ như sau: Tiêu cự của thấu kính mỏng có công thức: (3.37) Với R là bán kính của thấu kính. Từ đây nếu thấu kính làm bằng vật liệu LH có chiết suất n = -1 thì cũng tương đương như một thấu kính làm bằng RH có chiết suất n = 3 có cùng bán kính.Nhưng nếu thấu kính làm bằng RH mà có cùng độ lớn chiết suất (n = 1) với thấu kính LH thì nó sẽ khác. Thấu kính LH nó sẽ tiêu cự ngắn f= R/2 hơn còn thấu kính RH thì nó có tiêu cự là vô cùng nên không hội tụ được tia sáng. Một điều chú ý là tia sáng bao gồm một dải tần số nên nếu với cấu trúc của thấu kính có độ dài đơn vị là p (unit cell) sẽ làm cho đường đi của tia sáng không còn như bình thường. Thật vậy nếu p/ mà lớn thì hiện tượng nhiễu xạ không thể bỏ qua nên đường đi của tia sáng sẽ khác. Nhưng nếu p/ << 1 thì hiện tượng nhiễu xạ có thể bỏ qua. 3.3 Hướng phát triển của Metamaterial Trước đây nhiều đã có nhiều nghiên cứu về cấu trúc vật liệu như vật liệu nhân tạo RH, vật liệu có cấu trúc không đồng nhất, vật liệu có cấu trúc chu kỳ… Tuy nhiên MTMs thực sự mới bắt đầu vào năm 2000 và đây chính là hướng đi mới cho các nhà khoa học trong những năm tới. Trong phần này sẽ giới thiệu một số hướng đi mới trong việc phát triển MTMs. 3.3.1 Những vật liệu “nhân tạo thực sự” Như đã nói ở phần trên nếu p/ không đủ nhỏ thì hiện tượng nhiễu xạ/ tán xạ xảy ra và sự khúc xạ không còn là chính xác nữa. Trên thực tế thì tỉ số này vẫn còn cao cỡ 1/5 …1/15 do đó sự khúc xạ vẫn trội hơn nhưng vẫn chịu ảnh hưởng của nhiễu xạ/ tán xạ và kéo theo đó là làm giảm hệ số truyền T. Để giải quyết vấn đề này thì MTMs phải đồng nhất hoá. Nếu thoả mãn được sự đồng nhất này thì MTMs như là vật liệu “nhân tạo thực sự”. Để đạt được tỉ số p/nhỏ thì p phải nhỏ dần đến cỡ kích thước của nguyên tử của vật liệu trong tự nhiên. Vật liệu trong tự nhiên như không khí chẳng hạn thì p cỡ angstrom và trong dải tần số cao thì ta có p/cỡ điều này đã chắc chắn đáp ứng là vật liệu đồng nhất hoàn hảo với sóng điện từ. Tuy nhiên câu hỏi đặt ra là có thể làm vật liệu mà có p cỡ kích thước nguyên tử thì câu trả lời là có thể làm được vì hiện nay công nghệ nano đã đang được phát triển mạnh trên thế giới. 3.3.2 Thấu kính và các thiết bị quang có chiết suất âm. Thấu kính dải tần vi sóng làm bằng LH media là khái niệm mới mở đường cho sự nghiên sự nghiên cứu về cấu hình và đặc tính thú vị của nó. Thấu kính LH media có bề mặt cong là một phần của hình conic. Áp dụng quang trình để thể hiện đường đi của tia sáng: Tổng quang trình từ điểm O đến P và đến Q bằng quang trình từ điểm O đến L như hình vẽ Hình 3.11a Thấu kính có bề mặt là cong.[5] Nếu điều kiện trên được thoả mãn thì sóng phát ra từ O đến những điểm trên mặt phẳng x = f là đồng pha và ngược lại mọi sóng phát đi từ những điểm trên mặt x = f thì tới O là đồng pha ( tụ lại ở điểm O). Ta có quang trình sau: (3.38) Hay (3.39) Với Δn = n2 / n1 Có thể thấy rằng mặt của thấu kính phụ thuộc vào Δn . Δn = 0 mặt là cầu -1Δn0 mặt là ellipse Δn = -1 mặt là parabol Δn -1 mặt là hypebol Hình 3.11b Mô phỏng với thấu kính mặt cầu, mặt ellip và mặt hyperbol Từ đó có thể thấy nếu 2 vật liệu là khác nhau như RH/LH thì có r lớn hơn RH/RH hoặc LH/LH chính vì vậy mà nó làm giảm được quang sai hơn so với 2 vật liệu RH/RH và LH/LH. Nếu là vật liệu RH/LH có cùng độ lớn chiết suất thì là mặt parabol có khúc xạ hoàn hảo hay toàn bộ được ánh sáng được khúc xạ và không có phản xạ. Có thể thấy điều này qua hình mô phỏng [5]: Hình 3.12 Mô phỏng truyền sóng của vật liệu RH/LH có cùng độ lớn chiết suất 3.3.3 Thiết bị bảo vệ anten và bề mặt chọn lựa tần số. MTMs có thể làm thiết bị bảo vệ anten hoặc làm bề mặt chọn lựa tần số để điều khiển hướng phát hoặc bức xạ của nguồn. Một trong những thách thức chính là phải phát triển cấu trúc MTMs đẳng hướng bởi vì sự bức xạ của thành phần nguồn nhỏ là bức xạ vô hướng. Ví dụ như thấu kính có khúc xạ parabol như phần 3.3.2 có thể sử dụng như là bề mặt của anten định hướng cao. Ngoài ra còn là thấu kính có khối lượng nhẹ, giảm quang sai, tập trung ánh sáng tốt hơn so với thấu kính thường. Ziolkowski đã chứng minh rằng là có thể tăng được gain của anten bằng cách bao quanh nó bằng vỏ hình cầu LH media. Vỏ LH đóng vai trò là thành phần matching giữa phần bức xạ của anten với không gian tự do. Ý tưởng này đã được kiểm nghiệm và theo đó một anten dipole nhỏ ở bên trong vật liệu RH thể hiện tính dung kháng (nghĩa là không matching với không gian tự do) còn vẫn anten dipole nhỏ đó ở bên trong vật liệu LH thể hiện tính cảm kháng. Tác giả đã kiểm tra phân tích và thực nghiệm hoán chuyển để thu được matching hoàn hảo của dipole nhỏ với cái vỏ bức xạ bao quanh. Mặc dù vỏ LH vẫn chưa thực sự sẵn sàng trong thực tế nhưng cấu trúc 3D MTMs mới sẽ là hướng đi mới cho các nhà khoa học trong tương lai. 3.3.4 MTMs linh hoạt Trong tương lai thì MTMs sẽ bộc lộ khả năng linh hoạt của mình trong nhiều ứng dụng ví dụ như những vật liệu MTMs sẽ có thể hoạt động được trong dải tần vi sóng rộng hơn và còn được ứng dụng trong các thiết bị quang. Ngoài ra với khả năng điều khiển dặc tính bức xạ, cải thiện độ tăng ích, băng thông và còn làm khuếch đại công suất MTMs sẽ trở thành một phần tích hợp trong mạch siêu cao tần. Cuối cùng với sự phát triển của công nghệ trong tương lai như công nghệ nano thì cấu trúc MTMs sẽ được ứng dụng một cách hiệu quả để khắc phục những nhược điểm đang tồn tại của nhiều cấu trúc vật liệu hiện tại. Và với khả năng linh hoạt của mình MTMs sẽ được tích hợp một cách thông minh với nhiều dạng khác nhau vào nhiều hệ thống hoạt động như công nghệ bán dẫn, công nghệ sinh học ….Khả năng ứng dụng của MTMs chỉ bị giới hạn bởi ý tưởng của chúng ta mà thôi. 3.4 Lý thuyết anten metamaterial Ngoài những ứng dụng của metamaterial như là “siêu thấu kính” có thể tăng cường độ phân giải để theo dõi tế bào ung thư mà loại thấu kính thường không làm được, nó còn ứng dụng làm anten. Dưới đây là những điều cơ bản khi xét đến loại anten ứng dụng những nguyên lý của metamaterial. MTMs là những cấu trúc đồng nhất hiệu dụng, chúng có thể dưới dạng đường truyền dẫn (1D) hoặc có cấu trúc 2D. Trong phần này sẽ làm rõ cấu trúc 1D qua 3 phần bắt đầu với dạng TL lý tưởng, tiếp sau đó là thiết kế mạng LC lý tưởng và cuối cùng là xây dựng cấu trúc CRLH 1D thực tế [5] 3.4.1 Cấu trúc CRLH TLs đồng nhất lý tưởng. Dạng đường truyền lý tưởng là TLs không thay đổi dọc theo hướng truyền. Hình 3.13 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục z Nếu nó có thể truyền các tín hiệu ở mọi tần số từ 0 đến vô cùng thì gọi là dạng đồng nhất lý tưởng. Ta đã biết cấu trúc đường truyền của vật liệu RH là đồng nhất như dạng đường truyền mạch dải nhưng cấu trúc đường truyền của LH hay CRLH thì không thể xem là đồng nhất. Tuy nhiên có thể coi chúng có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng vì nó giống với TLs lý tưởng trong dải tần giới hạn. Cho dù không tồn tại cấu trúc đồng nhất lý tưởng của LH hay CRLH TLs nhưng phân tích cấu trúc đường truyền sẽ cho ta thấy được diện mạo cơ bản và những điều liên quan của CRLH MTMs bởi nó mô tả thực sự những đặc tính cơ bản của MTMs. Sự khác biệt giữa TLs đồng nhất lý tưởng với TLs đồng nhất lý tưởng hiệu dụng