Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng Ghz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU . 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN. 6

1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng . 6

1.2. Lý thuyết môi trường hiệu dụng . 11

1.3. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa. 13

1.3.1. Cấu trúc cộng hưởng điện . 13

1.3.2. Cấu trúc cộng hưởng từ . 16

1.4. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu biến hóa với môi trường . 19

1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ. 21

1.6. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh và dải rộng. 30

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 37

2.1. Phương pháp quang khắc . 37

2.2. Phương pháp mô phỏng . 40

2.3. Phương pháp đo đạc. 41

2.4. Phương pháp tính toán các tham số điện từ hiệu dụng . 44

CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG

HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH . 46

3.1. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục. 46

3.2. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín. 53

3.3. Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đỉnh kép . 59

3.4. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu trúc hình chữ X. 66

3.5. Kết luận . 70

CHƯƠNG 4. MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ BẰNG CÁCH

TÍCH HỢP POLYMER DẪN. 71

4.1. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA dựa trên việc tích hợp vật liệu polymer

dẫn . 71

4.2. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA bằng cách thay thế hoàn toàn cấu trúc

kim loại bởi vật liệu polymer dẫn . 79

pdf108 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 03/03/2022 | Lượt xem: 131 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng Ghz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ể hiện ba đỉnh hấp thụ tại 4,6, 10,2 and 10,8 GHz tương ứng với độ hấp thụ đạt trên 94 %. Hình 1.21. Cấu trúc ô cơ sở của MPA 4 đỉnh (bên trái) và mẫu chế tạo bằng phương pháp quang khắc (bên phải) [78]. 33 Hình 1.22. (a) Kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm phổ hấp thụ bốn đỉnh của vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối theo sự phân cực sóng điện từ [78]. Hình 1.23. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ bốn đỉnh theo góc tới trong trường hợp (a) phân cực TE và (b) phân cực TM của sóng tới. (b) Phổ hấp thụ sóng điện từ thực nghiệm trong trường hợp phân cực TE của sóng điện từ [78]. Bên cạnh sự tăng số lượng đỉnh hấp thụ, Park và cộng sự [78] đã chứng minh được bằng lý thuyết và thực nghiệm sự không phụ thuộc phân cực sóng điện từ và 34 hấp thụ đa tần của vật liệu MPA có cấu trúc hai vòng tròn đồng trục [Hình 1.21]. Kết quả thực nghiệm thể hiện sự đa đỉnh hấp thụ ở tần số 6,5, 7,4, 9,2 và 11,0 GHz với độ hấp thụ tương ứng đạt 97, 97, 98 và 98% (Hình 1.22). Từ kết quả trên Hình 1.23, độ hấp thụ sóng điện từ trên 90% được duy trì dưới góc tới của sóng điện từ lên đến 45o. Hình 1.24. (bên trái) (a)-(b) Thiết kế cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo của MPA hình kim tự tháp. (bên phải) Phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm [80]. Cũng trong thời gian này, nhóm nghiên cứu của Ding đã công bố một kết quả ấn tượng về mô hình MPA đa lớp có dải hấp thụ rất rộng từ 8 đến 14 GHz [80]. Phương pháp xây dựng MPA hình kim tự tháp đa tầng (điện môi-kim loại) đã tỏ rõ ưu điểm về độ “bằng phẳng” đạt được trong phổ hấp thụ so với phương pháp của Lee, như quan sát trong Hình 1.24. Gần đây, Kim và cộng sự đã đề xuất một mô hình MPA khác nhằm hấp thụ sóng điện từ dải rộng từ 1 – 4 GHz, như trình bày trên Hình 1.25 [82]. Mô hình này dựa trên thiết kế ô cơ sở bao gồm các cấu trúc cộng hưởng hình vuông có kích thước khác nhau, và được liên kết bằng các chip điện trở (150, 75, 22 và 19 kΩ). Hệ quả là, độ hấp thụ sóng điện từ trên 97% đạt được trong vùng tần số từ 0,99–3,03 GHz đối với mô phỏng, và trong vùng tần số từ 0,88–3,15 GHz đối với thực nghiệm. Các kết quả này có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực viễn thông. 35 Hình 1.25. Cấu trúc ô cơ sở của MPA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau khi tích hợp điện trở ngoại vi. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm [82]. Hình 1.26. Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ [22,93-95]. Dựa trên các kết quả đạt được, hiện tại, các nhóm nghiên cứu mạnh trên thế giới đang tập trung phát triển MPAs cho nhiều thiết bị phức tạp và hữu ích như: vi nhiệt kế, chụp ảnh nhiệt, nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID tags), Camera có độ phân giải cao và cảm biến sinh học, hoặc các ứng dụng trong quân sự, như trình bày trên Hình 1.26 và Hình 1.27 [22,93-95]. Hơn nữa, các MPAs sẽ là thế hệ vật liệu tiên tiến 36 mới và tiềm năng hứa hẹn cho các ứng dụng tương lai về vấn đề chăm sóc sức khỏe vì chúng có thể hấp thụ các bức xạ có hại phát ra liên tục từ điện thoại thông minh hay thiết bị gia dụng đang hoạt động dựa trên công nghệ LTE và WiFi [96]. Hình 1.27. Mô hình ứng dụng của MPA có tính năng đàn hồi và hoạt động trong dải tần số rộng, có thể được tận dụng trong mục tiêu quân sự. Nếu toàn bộ tàu chiến (hoặc xe tăng, máy bay chiến đấu) được bọc bởi MPA thì sự tồn tại của chúng sẽ không thể bị phát hiện bởi các máy dò sóng tần số thấp (rađa hoặc vệ tinh) [96]. 37 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. Sơ đồ nghiên cứu được trình bày trên Hình 2.1. Ý tưởng về các mô hình vật lý trong luận án xuất phát trên nền tảng kế thừa các thành tựu đã đã được nhóm nghiên cứu và đặt trong sự so sánh với những kết quả đã được công bố của các nhóm nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, phần mềm mô phỏng tính chất điện từ CST (có bản quyền tại Viện Khoa học vật liệu) là công cụ hỗ trợ chính trong việc khảo sát cơ chế hoạt động và dự đoán tính chất điện từ của các mô hình MPA đề xuất. Đồng thời, chúng tôi sử dụng lý thuyết mạch điện tương đương LC để củng cố thêm kết quả tính toán tần số hoạt động đối với các cấu trúc đề xuất. Dựa trên hai công cụ trên, một số mô hình đề xuất phù hợp với điều kiện thực nghiệm sẽ được chế tạo và đo đạc để so sánh với các kết quả tính toán và mô phỏng. Thông qua sự kết hợp chặt chẽ của ba phương pháp này, chúng tôi có thể hiểu rõ hơn bản chất của vật liệu cũng như có thể phát hiện thêm các hiệu ứng thú vị trong quá trình nghiên cứu/tìm hiểu MPAs đa đỉnh và dải rộng trong vùng tần số GHz. Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ. 2.1. Phương pháp quang khắc Để chế tạo các mẫu MPAs hoạt động ở dải tần số từ 2 đến 18 GHz, chúng tôi sử dụng phương pháp quang khắc. Vật liệu ban đầu là các tấm mạch in - PCB đã được phủ kim loại đồng (Cu). Hình 2.2 trình bày hệ chế tạo mẫu theo phương pháp này đã được lắp đặt tại phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 38 Hệ thiết bị được chia làm 4 phần chính: 1-Hệ phơi sáng và hút chân không Exposure); 2-3- Hệ thống ăn mòn (Etching); 4- Bộ phận hiển thị cấu trúc (Developer). Hình 2.2. Hệ thiết bị quang khắc dung trong chế tạo vật liệu biến hóa trong vùng tần số GHz tại Viện khoa học vật liệu. Ngoài ra, để thời gian hiển thị cấu trúc và ăn mòn ngắn hơn, hệ gia nhiệt (Heating system) và giá đặt mẫu (Sample holder) sẽ được sử dụng đồng thời với quá trình ăn mòn và hiển thị cấu trúc. Ưu điểm của hệ thiết bị chế tạo PCB: Có thể chế tạo vật liệu metamaterials có cấu trúc bất kỳ; Có độ chính xác ± 0.01 mm; Có độ lặp lại cao và giá thành rẻ. Quy trình chế tạo mẫu Vật liệu ban đầu là mạch in PCB gồm lớp điện môi có hằng số điện môi  xấp xỉ 4,3 và độ dày lớp điện môi có thể thay đổi từ t = 0,4 đến 1,6 mm được phủ một lớp kim loại đồng (Cu - có độ dày khoảng 0,036 mm) trên cả hai bề mặt. Quy trình chế tạo vật liệu được trình bày cụ thể trên Hình 2.3 theo 04 bước chính: Bước 1: Chiếu sáng sử dụng nguồn ánh sáng là đèn Halogel (hoặc ánh sáng trắng) công suất 45W - Mặt nạ được đặt sát bề mặt tấm PCB đã được phủ lớp cản quang với sự hỗ trợ của hệ hút chân không. - Để sự chiếu sáng hiệu quả, khoảng cách từ nguồn chiếu sáng đến mặt nạ được điều chỉnh tại 15 cm. - Thời gian chiếu sáng tối ưu trong khoảng 10 phút. Bước 2: Hiện hình cấu trúc - Thời gian tẩy rửa lớp cản quang được thực hiện trong vòng 2 phút 39 - Hệ dung dịch tẩy rửa được gia nhiệt phù hợp tại 40-50 0C Bước 3: Ăn mòn để tạo cấu trúc - Thời gian ăn mòn tối ưu từ 10-15 phút, nếu quá lâu sẽ dẫn tới các khuyết tật do biên của các cấu trúc bị ăn mòn quá nhiều. - Hệ dung dịch ăn mòn được gia nhiệt phù hợp tại 30-40 0C Bước 4: Tẩy rửa lớp cảm quang - Sau khi ăn mòn xong, mẫu được chiếu sáng không cần mặt nạ trong thời gian tối ưu 10 phút - Thời gian tẩy rửa lớp cản quan còn lại trên bề mặt cấu trúc trong 2 phút Hình 2.3. Quy trình chế tạo vật liệu MMs hoạt động ở vùng GHz. Hình 2.4. Một số mẫu vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại được chế tạo theo phương pháp quang khắc. Bằng công nghệ này, chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu MMs có các 40 cấu trúc mong muốn khác nhau. Những mẫu điển hình được trình bày trên Hình 2.4. Có thể nhận xét rằng, bên cạnh ưu điểm về tính đơn giản và giá thành rẻ, công nghệ chế tạo này còn có thể được áp dụng để chế tạo các MPA có tính năng đàn hồi khi tấm điện môi FR-4 truyền thống được thay thế bằng vật liệu Teflon hay Polyimide. 2.2. Phương pháp mô phỏng Dựa trên kỹ thuật tích phân hữu hạn (finite integration technique - FIT) của Weiland trong chương trình CST, chúng ta có thể mô phỏng trực quan các tương tác giữa trường điện từ với vật liệu [97,98]. Kỹ thuật FIT biến đổi không gian liên tục trong hệ phương trình Maxwell và các phương trình tán sắc cho vật liệu thành không gian rời rạc thông qua việc đặt áp điện trên cạnh của một lưới và áp từ trên cạnh của một lưới kép. Từ đó, FIT tạo ra hệ phương trình lưới Maxwell (Maxwell’s Grid equations) để đảm bảo các tính chất vật lý của trường được duy trì trong không gian rời rạc. Nghiệm duy nhất của hệ phương trình Maxwell trong kỹ thuật FIT sẽ được giải dưới dạng tích phân (các phương pháp tính toán khác thường giải dưới dạng vi phân) như sau: ∮ �⃗⃗� ∙ 𝒅𝒍 = −∫ 𝝏�⃗⃗� 𝝏𝒕 . 𝒅�⃗� , 𝑺 𝑳 (Maxwell– Faraday) (2.1) ∮ �⃗⃗⃗� ∙ 𝒅𝒍 = ∫ ( 𝝏�⃗⃗� 𝝏𝒕 + 𝑱 ) ∙ 𝒅�⃗� 𝑺 𝑳 , (Maxwell– Ampère ) (2.2) ∮ �⃗⃗� ∙ 𝒅�⃗� = 𝑸, 𝑺 (Gauss) (2.3) ∮ �⃗⃗� ∙ 𝒅�⃗� = 𝟎 . 𝑺 (Gauss) (2.4) Chi tiết việc chia hình dạng cũng như số lượng của các lưới và hai cách giải [Transient Solver (T) và Frequency Domain Solver (F)] được trình bày cụ thể trong phần mềm CST tại thư mục Online Help/Advanced. Thông qua CST, ưu điểm dễ dàng nhận thấy đó là các đặc tính rất khó kiểm chứng và quan sát bằng thực nghiệm đối với vật liệu biến hóa có thể được quan sát trực quan. Ví dụ, phân bố năng lượng điện trường và từ trường cảm ứng bên trong và bên ngoài MMs, từ đó cung cấp dữ liệu để tìm hiểu các cơ chế chính cùng các hiện tượng thú vị xảy ra bên trong vật liệu MMs. Ngoài ra, sự phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt kim loại (hay điện môi) của MMs cũng là một tham số quan trọng để đánh giá. Trong lĩnh vực nghiên cứu sự hấp thụ sóng điện từ của vật liệu MMs, mô phỏng 41 còn cho phép nghiên cứu và đánh giá sự phân bố và chuyển hóa của năng lượng tiêu tán. Cả thông tin về cấu trúc 2D và 3D có thể được tính toán và số liệu có thể được xuất ra cho các phân tích sâu hơn. Đặc biệt, vật liệu được thiết kế sẵn trong thư viện của CST có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số để phù hợp với các kết quả thực nghiệm. Ví dụ, độ hấp thụ có thể được nghiên cứu thông qua đặc tính mất mát của các loại vật liệu điện môi (tan𝛿) [99]. Một vài ví dụ về theo dõi trường điện, trường từ, dòng bề mặt và phân bố mất mát được trình bày trong Hình 2.5. Các tính năng này sẽ góp phần tiết kiệm thời gian tối ưu cho các mô hình đề xuất và giúp chúng ta lựa chọn được các mô hình khả thi cho chế tạo để ứng dụng. Hình 2.5. Sự phân bố điện – từ trường và dòng điện cảm ứng trên bề mặt của vật liệu biến hóa tại tần số cộng hưởng được quan sát bởi CST. 2.3. Phương pháp đo đạc Để nghiên cứu thực nghiệm tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa, thông số phản xạ và truyền qua là hai thông số chính cần được đo đạc. Các phép đo trong vùng tần số GHz thường được thực hiện trong buồng tiêu âm “Anechoic Chamber” (Hình 2.6). Các bước đo đạc chính theo thứ tự sau: (B1): Thiết lập hai ăng-ten dạng loa đảm nhiệm vai trò phát sóng và thu nhận tín hiệu 42 sóng phản xạ (hoặc truyền qua) trong không gian tự do (free-space) [Hình 2.7(a)] và qua vật liệu biến hóa [Hình 2.7(b)]. (B2): Tối ưu vị trí đặt phù hợp của mẫu vật liệu biến hóa và chuẩn hóa tín hiệu giữa hai ăng-ten. Việc chuẩn hóa phép đo phản xạ được thực hiện bằng cách sử dụng một tấm kim loại cùng kích thước với mẫu làm chuẩn. Để chuẩn hóa khảo sát đặc tính truyền qua, một cửa sổ được đặt trước mẫu, và phép đo được chia bởi độ truyền qua của cùng cửa sổ mở trường hợp có mẫu so với trường hợp chuẩn hóa không có mẫu [100]. (B3): Tính toán độ lớn của năng lượng sóng điện từ bị hấp thụ bởi vật liệu biến hóa thông qua công thức: A = 1 – Độ phản xạ (R) - Độ truyền qua (T). Hình 2.6. (Từ trái sang phải) Hệ thiết bị Vector Network Analyzer tại Trung tâm Radar – Hàn Quốc và Viện Khoa học vật liệu. Lưu ý rằng, kích thước và vị trí đặt mẫu trong phép đo phản xạ và truyền qua là hai vấn đề chính cần quan tâm. Tại vị trí đặt mẫu đã tối ưu, kích thước của mẫu cũng phải đủ lớn để có thể nhận được toàn bộ năng lượng trong búp sóng chính của ăng-ten phát xạ (main beam). Sơ đồ bố trí hai điều kiện trên được trình bày trong Hình 2.7. Trong điều kiện cụ thể đo phổ phản xạ và truyền qua của các mẫu trên hệ đo Vector Network Analyzer (VNA), chúng tôi tiến hành các bước như sau: Góc mở giữa hai ăng-ten và khoảng cách từ điểm giữa của hai ăng-ten đến vị trí đặt mẫu sẽ được điều chỉnh nhằm thay đổi góc tới của sóng điện từ chiếu tới mẫu trong thang từ 43 5o đến 80o. Để phép đo được chính xác, hai ăng-ten được đặt ở vị trí cách mẫu đo ở khoảng cách xấp xỉ 100 lần bước sóng hoạt động của vật liệu biến hoá. Khoảng cách này là đủ thỏa mãn điều kiện trường xa nhằm triệt tiêu hiệu ứng tương tác trường gần (tạo ra nhiễu). Hiện tại, thiết bị VNA mới được đầu tư tại Viện Khoa học vật liệu nên quá trình đo đạc này sẽ được thực hiện ngay tại Viện với phương pháp đã trình bày như trên. Hình 2.7. Minh họa sơ đồ bố trí hệ đo phổ phản xạ và truyền qua trong vùng tần số từ 2-18 GHz. Trên Hình 2.8 là ví dụ về kết quả phổ hấp thụ tính toán từ phổ phản xạ thực nghiệm mà chúng tôi đã thực hiện trên hệ VNA cho cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ trong vùng tần số GHz, dưới các góc phát xạ khác nhau của sóng điện từ. Kết quả thu được từ các phép đo là các phổ truyền qua, phản xạ và pha. Kết quả này được so sánh với các kết quả thu được từ phương pháp mô phỏng. Để tính toán các tham số của vật liệu như µ, , n và Z chúng tôi sử dụng phương pháp của X.D. Chen và cộng sự [101]. Tuy nhiên, hầu hết các cấu trúc vật liệu MMs rất phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ. Trong quá trình đo đạc nếu chỉ đặt ở một vị trí thì sai số do lệch góc rất lớn. Để hạn chế điều này, chúng tôi tiến hành nhiều phép đo dịch chuyển mẫu xung quanh vị trí gần vị trí chính giữa hai ăng ten. Kết quả cuối cùng được tính toán từ việc trung bình các kết quả ở trên. 44 Hình 2.8. Minh họa phổ thực nghiệm (đường màu đỏ) so sánh với mô phỏng (đường màu đen) của một mẫu MPA hoạt động tại vùng tần số từ 2-4 GHz, dưới góc tới khác nhau (5o, 15o, 45o và 50o) của sóng điện từ. 2.4. Phương pháp tính toán các tham số điện từ hiệu dụng Do việc đo đạc trực tiếp các tham số hiệu dụng của vật liệu như độ từ thẩm, độ điện thẩm, trở kháng và chiết suất của vật liệu biến hóa là một công việc rất phức tạp và khó khăn. Vì vậy, phương pháp tính toán của Nicolson – Ross – Weir thường được sử dụng để tính toán các thông số (chiết suất, trở kháng, hệ số điện môi và độ từ thẩm) của một vật liệu dưới dạng phức thông qua dữ liệu phản xạ và truyền qua đo được [102]. Trên cơ sở đó, Chen đã đề xuất phát triển một phương pháp hiệu quả để tính được các thông số hiệu dụng áp dụng của vật liệu biến hóa vào năm 2004 [101]. Khi sử dụng kỹ thuật tính toán này, trước tiên chúng ta định nghĩa hai thông số tán xạ S11 và S21 đặc trưng cho sự phản xạ và truyền qua của MMs. Hai đại lượng này liên hệ với chiết suất n và trở kháng Z bởi các công thức: 0 0 2 01 11 22 01 (1 ) 1 i nk d i nk d R e S R e    (2.5) 45 0 0 2 01 21 22 01 (1 ) 1 ink d i nk d R e S R e    (2.6) trong đó: 01 ( 1) / ( 1)R Z Z   . Từ đó, ta tính được: 2 2 11 21 2 2 11 21 (1 ) (1 ) S S Z S S       (2.7) 0 21 ink d e X i X   (2.8) với 2 2 21 11 211/ 2 (1 ).X S S S   Khi áp dụng điều kiện thực tế cho sự truyền và tiêu tán năng lượng trong môi trường thụ động, dấu của phương trình (2.7) và (2.8) được xác định bởi điều kiện sau: ' 0Z  (2.9) " 0n  (2.10) ở đó, Z’ và n” tương ứng là ký hiệu phần thực và phần ảo tương ứng với trở kháng và chiết suất. Hệ quả là giá trị của chiết suất n được tính từ điều kiện (2.10) có dạng:  0 0" ' 0 1 ln( ) 2 ln( ) , ink d ink d n e m i e k d             (2.11) với m là số nguyên liên quan đến chỉ số nhánh của n’. Chi tiết về cách tính toán cho sai số n và Z, phương pháp xác định chỉ số nhánh m của vật liệu MMs và điều kiện biên của môi trường hiệu dụng khi giải các phương trình trên được trình bày cụ thể trong tài liệu tham khảo [101]. 46 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH Mặc dù những tính chất vật lý thú vị và tiềm năng to lớn của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đã rõ ràng. Tuy nhiên vẫn còn nhiều tính chất cần phải nghiên cứu và cải tiến để đến gần hơn tới những ứng dụng trong thực tiễn. Một trong số đó là tăng số vùng hay mở rộng vùng hoạt động của vật liệu này. Về mặt bản chất, dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa thường rất hẹp vì dựa trên tính chất cộng hưởng của cấu trúc. Như đã trình bày trong Chương 1, để mở rộng dải tần số làm việc của vật liệu phương pháp chủ yếu hiện nay là tích hợp nhiều cấu trúc cộng hưởng đơn lẻ trong một ô cơ sở, từ đó chúng ta sẽ thu được nhiều vùng cộng hưởng xen kẽ nhau. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng kích thước của ô cơ sở dẫn tới điều kiện áp dụng lý thuyết EMT dễ bị vi phạm. Do đó, phương pháp phá vỡ tính đối xứng và lợi dụng sự tương tác mạnh giữa các cộng hưởng liền kề trong cấu trúc MPAs đang được coi là một giải pháp hữu ích để giải quyết vấn đề trên. Đồng thời, chủ đề này cũng đang đặt ra nhiều thách thức mới cần phải vượt qua để đạt được độ hấp thụ tuyệt đối đa đỉnh do sự đòi hỏi khắt khe trong việc điều chỉnh các tham số cấu trúc và vật liệu. Trong phần này, luận án sẽ trình bày kết quả nghiên cứu về sự tối ưu một số cấu trúc MPA (đẳng hướng và bất đẳng hướng) đỉnh kép và hấp thụ đa dải tần dựa trên sự phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc cộng hưởng. Đây cũng sẽ là cơ sở để tiến tới việc tạo ra vật liệu biến hóa thế hệ mới có cấu trúc đơn giản và có thể áp dụng được cho các ứng dụng hấp thụ dải tần số rộng và có thể hoạt động ở tần số cao hơn. 3.1. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục Trong vùng tần số từ 8-18 GHz, chúng tôi đề xuất một mô hình MPA bất đẳng hướng (lớp kim loại mặt sau là liên tục) hấp thụ đỉnh kép theo thiết kế như trong Hình 3.1. Ưu điểm trong thiết kế này đó là sự “xếp chặt” các cấu trúc cộng hưởng nhằm giảm kích thước ô cơ sở. Hằng số mạng được lựa chọn là a =10 mm và cấu trúc cộng hưởng bao gồm ba lớp vật liệu: kim loại – điện môi – kim loại. Lớp điện môi (FR-4, chiều dày td=0.,8mm) có hằng số điện môi là 4,3 và độ tổn hao 0,025. Hai mặt kim loại được lựa chọn là Đồng (Cu) với độ dày tm=0,036 mm và có độ dẫn là 5,8x107 S/m. Do lớp kim loại liên tục phía sau ngăn cản sóng truyền qua trong vùng tần số hoạt động nên độ hấp thụ được tính toán theo công thức: A = 1 - R(𝜔) =1 -│S11(𝜔)│2. 47 Hình 3.1. Ô cơ sở của vật liệu biến hóa sử dụng cấu trúc (a) đĩa tròn, (b) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng kín (RD) và (c) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng có rãnh (SRD). Hình 3.2. (a) Mẫu chế tao và (b) kết quả mô phỏng cùng kết quả thực nghiệm của cấu trúc RD. Thông số cấu trúc tương ứng: Sự phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt cấu trúc RD tại tần số (c) 8,6 GHz và (d) 15,6 GHz. Hình 3.2(a) là ảnh của mẫu chế tạo cho vật liệu MPA có cấu trúc RD. Hình 48 3.2(b) trình bày kết quả so sánh giữa phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm tương ứng. Dễ thấy, cả hai trường hợp đều tồn tại hai đỉnh hấp thụ tại 8,6 và 15,6 GHz. Kết quả này cho thấy sự phù hợp tốt giữa mô phỏng và thực nghiệm. Sự sai khác nhỏ trong kết quả xảy ra tại vị trí đỉnh thứ hai được dự đoán là do sai số trong chế tạo và đo đạc. Để tìm hiểu cơ chế hấp thụ tại hai đỉnh này, chúng tôi tiến hành mô phỏng sự phân bố mật độ dòng điện cảm ứng tại 8,6 và 15,6 GHz, như quan sát trên Hình 3.2(c) và 3.2(d). Kết quả chỉ ra rằng dòng điện cảm ứng tại mặt trên và lớp kim loại liên tục mặt dưới là đối song. Nói cách khác, hai đỉnh hấp thụ có bản chất đều là cộng hưởng từ, tương tự như các cấu trúc của vật liệu biến hóa thông thường [16,67]. Trong trường hợp này, dòng điện cảm ứng tại đỉnh thứ nhất và thứ hai tập trung ứng với vị trí của vòng cộng hưởng kín và đĩa tròn. Đặc điểm này thể hiện vai trò rất quan trọng của lớp kim loại mặt trước trong tính chất “chọn lọc” tần số hoạt động của vật liệu biến hóa. Cụ thể, đĩa tròn và vòng cộng hưởng đồng trục đóng vai trò chính tạo ra hai đỉnh hấp thụ thứ nhất và thứ hai. Khảo sát cụ thể trong từng trường hợp riêng lẻ (cấu trúc chỉ có đĩa tròn hay vòng cộng hưởng kín) đã được trình bày trong các báo cáo trước đây của chúng tôi [103,104]. Để kiểm chứng lại kết quả trên, chúng tôi đã tiến hành xây dựng mô hình mạch điện dao động LC cho cấu trúc đề xuất ở trên [mô hình mạch điện được trình bày trên Hình 3.3]. Mục đích của tính toán này không những kiểm chứng lại kết quả mà còn là cơ sở để thiết kế cũng như tối ưu sự hoạt động của cấu trúc đề xuất trong các vùng tần số cao hơn - THz (hoặc thấp hơn – MHz). Xét trong trường hợp tổng quát, điện dung hiệu dụng tạo bởi cấu trúc vòng kín (hoặc đĩa tròn) được xác định theo công thức: (3.1) ở đây, c1 là hệ số tính toán liên hệ với sự phân bố điện tích cảm ứng trên diện tích bề mặt hiệu dụng (Se) so với trên toàn bộ diện tích bề mặt kim loại của vòng kín hoặc đĩa tròn (S0). td và ε (ε0) tương ứng với độ dày và hằng số điện môi của FR-4 (không khí). Độ tự cảm hiệu dụng tương ứng của hai cấu trúc sẽ thu được thông qua phương trình Faraday và định luật Ampere như sau: 49 (3.2) trong đó, N = 1 (số vòng kim loại trong cấu trúc), S là diện tích mặt cắt mà tại đó có đường sức từ (B) xuyên qua. Do đó, tần số cộng hưởng từ thu được theo công thức: (3.3) Từ phương trình tổng quát (3.3), tần số cộng hưởng tương ứng với cấu trúc vòng kín (fr) và đĩa tròn (fd) được tính toán theo công thức: (3.4) (3.5) ở đây, c, μ và ε lần lượt là vận tốc ánh sáng, độ từ thẩm của Đồng và độ điện thẩm của điện môi. Hệ số c1 nằm trong khoảng từ 0,05 đến 0,3 [67]. Hình 3.3. (a) Mạch điện cộng hưởng LC tổng quát và (b) mạch điện thu gọn của cấu trúc SR. Lm và Cm tương ứng là độ tự cảm hiệu dụng (sinh ra do hình dạng của cấu trúc) và điện dung hiệu dụng (sinh ra do tương tác của hai lớp kim loại mặt trước và mặt sau) của cấu trúc SR. Lưu ý rằng, hệ số tính toán c1 đối với cấu trúc vòng kín [công thức (3.4)] và cấu trúc đĩa tròn [công thức (3.5)] nhận các giá trị khác nhau, phụ thuộc vào diện tích bề mặt (S0) của mỗi cấu trúc. Từ hai phương trình trên, tần số cộng hưởng của cấu trúc 50 đã được tính toán. Kết quả cho thấy tần số hấp thụ ứng với cấu trúc vòng kín là fr = 8,8 GHz (c1 = 0,15) và cấu trúc đĩa tròn là fd = 15,6 GHz (c1 = 0,20). Kết quả này phù hợp với kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Để có thể điều khiển được tần số cộng hưởng trong cấu trúc RD và tiến tới ứng dụng để chế tạo vật liệu MPA có dải tần số làm việc rộng, chúng tôi tiếp tục cải tiến cấu trúc cơ sở trên Hình 3.1(b) bằng cách tạo ra “khe hở - g” trên vòng cộng hưởng kín. Do đó, cấu trúc mới sẽ là sự kết hợp giữa cấu trúc đĩa tròn và vòng cộng hưởng có rãnh (SRD), như trình bày trong Hình 3.1(c). Hay nói cách khác, cấu trúc SRD là trường hợp bất đối xứng của cấu trúc RD. Hình 3.4(a) là mẫu chế tạo trong trường hợp g = 0,3 mm trong khi các thông số khác được giữ không đổi. Hình 3.4(b) là phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm đo đạc trong vùng tần số 12-18 GHz. Dễ thấy, so với cấu trúc RD, phổ hấp thụ vẫn tồn tại hai đỉnh hấp thụ tại 14,0 và 16,2 GHz. Tuy nhiên, đối với cấu trúc SRD, độ dịch đỉnh được quan sát tại đỉnh tần số thấp (5,4 GHz) và tần số cao (0,6 GHz) so với cấu trúc RD. Hiện tượng này đã được dự đoán trước là do việc tạo ra khe hở sẽ ảnh hưởng chủ yếu đến đỉnh hấp thụ thứ nhất, tương tự như kết quả trong công trình đã công bố trước đây của Zhang và cộng sự [105]. Tuy nhiên, Zhang đã không giải thích cụ thể cơ chế vật lý về sự dịch tần số cộng hưởng cũng như làm cách nào để điều khiển được sự dịch này dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh. Để làm rõ điều này, chúng tôi tiến hành quan sát vị trí lưỡng cực điện được cảm ứng trong cấu trúc tại tần số 14,0 GHz. Dễ thấy, điện tích cảm ứng trong trường hợp cấu trúc SRD tập trung tại bốn vị trí trên cấu trúc như quan sát trên Hình 3.4(c) gây ra sự phân bố từ trường cảm ứng trong Hình 3.4(d). Dựa trên phân bố điện trường và từ trường, chúng tôi kiểm chứng kết quả dựa trên mạch điện dạo động LC từ Hình 3.3(a). Trong trường hợp cấu trúc chỉ có vòng cộng hưởng có rãnh (SR), tụ điện Ce được tạo ra bởi khe hẹp (g) được tính toán theo công thức: (3.6) Tuy nhiên, theo tính toán từ công thức (2.6), giá trị của Ce rất nhỏ và có thể bỏ qua để đơn giản mạch tính toán, như Hình 3.3(b). Từ phương trình (3.1)-(3.2), chúng ta xác định được giá trị của độ tự cảm hiệu dụng và điện dung hiệu dụng trong mạch phụ thuộc theo các tham số cấu trúc dưới dạng sau: 51 (3.7) (3.8) Do đó, tần số cộng hưởng được xác định gần đúng theo phương trình: (3.9) Hình 3.4. (a) Mẫu chế tạo và (b) kết quả mô phỏng cùng kết quả thực nghiệm của cấu trúc SRD. Phân bố của (c) điện trường cảm ứng và (d) từ trường cảm ứng trên bề mặt tại đỉnh cộng hưởng thứ nhất. Tương tự như trường hợp cấu trúc RD, hệ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_che_tao_vat_lieu_hap_thu_bang_tan_rong_vu.pdf
Tài liệu liên quan