Luận án tiến sĩ về đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa đàn hồi ở tần số GHz

Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa đàn hồi trong dải tần GHz, ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Dương Thế Hà
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Khuyến
• Trường học: Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa Học và Công Nghệ
• Đề tài: Nghiên Cứu Hấp Thụ Sóng Điện Từ Của Vật Liệu Biến Hóa Đàn Hồi Tần Số GHz
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỨC VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐẤ THỊ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ VẬT LIỆU BIẾN HÓA
• 1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ mảnh sóng điện từ (MPA)
• 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của MPA
• 1.3. Phân loại MPA
• 1.4. Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của MPA trong vùng tần số GHz
• 1.5. Lý thuyết cộng hưởng bậc cao của MPA
• 1.6. Đặc trưng điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có cộng hưởng bậc cao (H-MPA)
• 1.7. Lý thuyết mạch tương đương cho cộng hưởng bậc cao
• 1.8. Đặc tính điện từ của mát số cấu trúc H-MPA
• 1.9. Cấu trúc đĩa tròn và vòng cộng hưởng hình tròn
• 1.10. Cấu trúc đĩa tròn bậc cắt
• 1.11. Cải tiến hoạt động của MPA dựa trên tính đàn hồi của vật liệu
• 1.12. MPA đàn hồi dựa trên lớp điện môi polyimide
• 1.13. MPA đàn hồi dựa trên lớp điện môi Polydimethylsiloxane (PDMS)
• 1.14. MPA đàn hồi có lớp điện môi làm từ giấy
• 1.15. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp mô phỏng tính chất điện từ của H-MPA đàn hồi
• 2.2. Mô hình tính toán các tham số hiệu dụng của H-MPA. Mô hình mạch điện LC
• 2.3. Tính toán trở kháng hiệu dụng
• 2.4. Phương pháp chế tạo H-MPA hoạt động trong vùng tần số GHz
• 2.5. Phương pháp thực nghiệm đánh giá đặc trưng điện từ của H-MPA
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐẶC TRƯNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA CỘNG HƯỞNG BẬC LẺ
• 3.1. Tối ưu cấu trúc H-MPA tích hợp tần điện hoạt động trong cả hai băng tần VHF (30 - 300 MHz) và S (2,0 – 4,0 GHz)
• 3.2. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA có cấu trúc cộng hưởng hình vuông, chưa được tích hợp tần điện
• 3.3. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA được tích hợp tần điện
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của tần điện đến tính chất hấp thụ của vật liệu
• 3.5. Ảnh hưởng của góc tới sóng điện từ lên đặc trưng hấp thụ của H-MPA
• 3.6. Tối ưu cấu trúc H-MPA đàn hồi hoạt động trong băng tần UHF (300 MHz – 1000 MHz) và băng tần L (1,0 – 2,0 GHz)
• 3.7. Thiết kế mô phỏng H-MPA đàn hồi
• 3.8. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA cộng hưởng từ bậc ba ở trạng thái phẳng
• 3.9. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA cộng hưởng từ bậc ba ở các trạng thái biến dạng khác nhau
• 3.10. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA đàn hồi trong vùng tần số THz
• 3.11. Thiết kế cấu trúc H-MPA đàn hồi hoạt động trong vùng THz
• 3.12. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA đàn hồi hoạt động trong vùng THz
• 3.13. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ĐẶC TRƯNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CÓ TÍNH NĂNG ĐÀN HỒI
• 4.1. Tối ưu cấu trúc của H-MPA cộng hưởng từ bậc hai có tính năng đàn hồi
• 4.2. Thiết kế cấu trúc H-MPA cộng hưởng từ bậc hai
• 4.3. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA cộng hưởng từ bậc hai ở trạng thái phẳng
• 4.4. Đặc trưng hấp thụ của H-MPA cộng hưởng từ bậc hai ở trạng thái uốn cong
• 4.5. Cộng hưởng từ bậc hai trong cấu trúc cộng hưởng dạng gấp khúc
• 4.6. Thiết kế và chế tạo vật liệu
• 4.7. Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc và sự phân cực sóng điện từ lên đặc trưng hấp thụ của vật liệu ở trạng thái phẳng
• 4.8. Cộng hưởng từ bậc hai khi sóng điện từ tới bề mặt cấu trúc theo hướng xiên góc
• 4.9. Cộng hưởng từ bậc hai khi cấu trúc bị uốn cong
• 4.10. Kết luận chương 4
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Vật liệu này có khả năng triệt tiêu sóng điện từ, giúp giảm thiểu sự phản xạ và truyền qua. Đặc biệt, trong bối cảnh phát triển công nghệ tần số cao, việc nghiên cứu các vật liệu biến hóa có tính năng đàn hồi ở vùng tần số GHz trở nên cần thiết. Các vật liệu này không chỉ có ứng dụng trong quân sự mà còn trong các lĩnh vực dân dụng như viễn thông và y tế. Đặc điểm của các vật liệu này là khả năng hấp thụ sóng điện từ mạnh mẽ, nhẹ và mỏng, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thực tiễn.

II. Tính chất vật liệu

Các tính chất vật liệu của vật liệu biến hóa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Đặc biệt, đàn hồi là một trong những tính chất quan trọng, cho phép vật liệu duy trì hình dạng và hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Nghiên cứu cho thấy rằng, các vật liệu như Polydimethylsiloxane (PDMS) và polyimide có khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt trong vùng tần số GHz. Các mô hình lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu có thể nâng cao hiệu suất hấp thụ. Đặc biệt, việc sử dụng các cấu trúc hình học phức tạp như vòng cáng hạng giúp tăng cường khả năng hấp thụ sóng điện từ.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá đặc trưng hấp thụ của vật liệu biến hóa. Mô hình tính toán sử dụng các kỹ thuật như mạch LC và mô phỏng CST để phân tích các tham số quan trọng. Các thí nghiệm thực nghiệm được thực hiện để xác định các đặc tính như trá kháng và phổ hấp thụ. Kết quả cho thấy rằng, việc thay đổi các tham số cấu trúc như độ dày lớp và hình dạng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hấp thụ. Các nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển vật liệu mới mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ tần số cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Các ứng dụng tần số cao của vật liệu biến hóa rất đa dạng. Trong lĩnh vực quân sự, vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị tàng hình, giúp giảm thiểu khả năng bị phát hiện. Trong lĩnh vực viễn thông, chúng có thể cải thiện hiệu suất của các thiết bị truyền dẫn và thu nhận tín hiệu. Ngoài ra, trong y tế, vật liệu này có thể được ứng dụng trong các thiết bị chẩn đoán hình ảnh, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự tiến bộ của công nghệ hiện đại.

V. Kết luận

Nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa ở tần số GHz đã chỉ ra tiềm năng to lớn của các vật liệu này trong nhiều lĩnh vực. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất vật liệu có thể nâng cao hiệu suất hấp thụ. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong công nghệ hiện đại. Tương lai của vật liệu biến hóa hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong việc giải quyết các thách thức công nghệ hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa cộng hưởng bậc cao có tính năng đàn hồi ở vùng tần số GHz" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Dương Thị Hà, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Xuân Khuyến và GS. Vũ Đình Lãm. Luận án thuộc chuyên ngành Vật liệu điện tử (mã số: 9440123), bảo vệ tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào năm 2024. Công trình được tài trợ kinh phí nghiên cứu thông qua Học bổng tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (Mã số tài trợ: VINIF.092).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vật liệu hấp thụ sóng điện từ đóng vai trò quan trọng trong việc triệt tiêu hoặc suy giảm bức xạ điện từ phục vụ công nghệ kiểm soát phản xạ radar và các ứng dụng truyền thông dân dụng. Các thiết bị hấp thụ truyền thống (như màn hình Salisbury, bộ hấp thụ Jaumann, màn hình Dallenbach) hoạt động theo nguyên lý giao thoa với yêu cầu bề dày tối thiểu bằng một phần tư bước sóng ($\lambda/4$). Điều này dẫn đến sự cồng kềnh, khối lượng lớn khi hoạt động ở dải bước sóng dài (vùng vi sóng/GHz), không đáp ứng được yêu cầu tích hợp trong các hệ thống hiện đại như 5G/6G, Internet vạn vật (IoT), truyền thông đa đầu vào - đa đầu ra (MIMO) hay hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến (UHF-RFID).

Sự ra đời của vật liệu biến hóa hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorber - MPA) đã khắc phục được nhược điểm về độ dày nhờ kích thước ô cơ sở nhỏ hơn bước sóng hoạt động. Dù vậy, các phương pháp mở rộng dải tần truyền thống (như ghép đa lớp, xếp cấu trúc cộng hưởng đồng phẳng hoặc tích hợp linh kiện chủ động) thường làm tăng độ phức tạp trong chế tạo, tăng kích thước và khối lượng ô cơ sở. Để giải quyết vấn đề này, hướng tiếp cận sử dụng cộng hưởng bậc cao (High-order MPA / H-MPA) cho phép tạo đặc tính đa băng tần trên cấu trúc đơn giản, hoặc dịch chuyển hoạt động lên thang tần số cao hơn mà không cần thu nhỏ kích thước hình học đến giới hạn chế tạo.

Bên cạnh đó, đa số các MPA truyền thống được chế tạo trên nền đế rắn, dạng phẳng (như tấm mạch in FR-4), khiến chúng không thể uốn cong hay bọc phủ lên các bề mặt có độ cong phức tạp trong thực tế. Việc kết hợp tính năng đàn hồi cơ học vào MPA nhằm duy trì độ hấp thụ cao dưới các trạng thái biến dạng là yêu cầu kỹ thuật cần thiết. Luận án xác định ba khoảng trống khoa học chính chưa được làm rõ:

1. Cơ chế kích thích và điều khiển của các mode cộng hưởng từ bậc cao trong MPA.
2. Khả năng hoạt động ổn định và điều khiển chủ động của cộng hưởng bậc cao khi kết hợp linh kiện tập trung.
3. Đặc trưng điện từ và tương tác trường của các mode cộng hưởng bậc cao (cả bậc lẻ và bậc chẵn) khi vật liệu được tích hợp trên đế điện môi đàn hồi ở các trạng thái biến dạng cơ học (uốn cong) khác nhau.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án đặt ra 4 mục tiêu cụ thể:

1. Làm rõ cơ chế hoạt động của các MPA có hiệu ứng cộng hưởng bậc cao và có tính năng đàn hồi.
2. Thiết kế, chế tạo và khảo sát đặc tính hấp thụ của MPA đa băng tần sử dụng hiệu ứng cộng hưởng từ bậc lẻ, hoạt động trong vùng tần số thấp (từ 0,1 đến 4,0 GHz).
3. Tích hợp đế điện môi đàn hồi vào MPA, chế tạo và khảo sát đặc tính hấp thụ của MPA có tính năng đàn hồi, hấp thụ đa băng tần dựa trên hiệu ứng cộng hưởng từ bậc chẵn, hoạt động ở vùng tần số GHz.
4. Áp dụng các mô hình tối ưu để thiết kế MPA có tính năng đàn hồi hoạt động ở vùng tần số THz.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có hiệu ứng cộng hưởng bậc cao, có tính năng đàn hồi (H-MPA).
• Phạm vi không gian và tần số: Tập trung khảo sát trong dải tần số vô tuyến và vi sóng bao gồm các băng tần VHF (30 – 300 MHz), UHF (300 – 1000 MHz), L (1,0 – 2,0 GHz), S (2,0 – 4,0 GHz), C (4,0 – 8,0 GHz), X (8,0 – 12,0 GHz) và mở rộng tính toán lý thuyết tới vùng tần số bức xạ Terahertz (THz).
• Phạm vi trạng thái cơ học: Khảo sát vật liệu ở cấu hình phẳng và cấu hình biến dạng uốn cong với các bán kính cong khác nhau từ phẳng ($R = \infty$) đến bán kính uốn nhỏ ($R = 20\ \text{mm}$ trong vùng GHz và $R = 5\ \mu\text{m}$ trong vùng THz).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Lịch sử nghiên cứu siêu vật liệu bắt đầu từ dự đoán lý thuyết của Victor Veselago (1968) về môi trường có đồng thời độ điện thẩm ($\epsilon$) và độ từ thẩm ($\mu$) âm. Đến năm 1996 và 1999, nhóm nghiên cứu của John Pendry đã chứng minh thực nghiệm lưới dây kim loại tuần hoàn có $\epsilon < 0$ và cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (Split-Ring Resonator - SRR) có $\mu < 0$. Năm 2000, David R. Smith và các cộng sự đã kết hợp hai cấu trúc trên để chế tạo thành công vật liệu có chiết suất âm thực nghiệm đầu tiên.

Năm 2008, N. I. Landy cùng cộng sự đề xuất và đo đạc cấu trúc MPA đầu tiên dựa trên bộ cộng hưởng kim loại ba lớp: lớp trên là SRR kép bằng đồng, lớp giữa là điện môi FR-4 dày 0,65 mm, và mặt đáy là tấm kim loại liên tục. Kết quả thực nghiệm đạt độ hấp thụ cực đại 88% tại tần số 11,5 GHz với độ rộng ở nửa cực đại (FWHM) là 4%, trong khi mô phỏng đạt 96%. Tiếp sau Landy, hàng loạt các hướng nghiên cứu mở rộng được triển khai:

• Cải tiến cấu trúc hình học: Sử dụng đĩa tròn, vòng kín, thanh kim loại, cấu trúc chữ I hoặc cấu trúc đẳng hướng hai chiều không dùng mặt đáy kim loại, cùng các cấu trúc hoàn toàn điện môi để giảm tổn hao Ohmic.
• Ứng dụng cảm biến và suy giảm diện tích phản xạ radar (RCS): M. Bakir và cộng sự phát triển cảm biến vi sóng dựa trên MPA tích hợp các chất nền Arlon AD300, AD350, AD450, ghi nhận độ dịch chuyển tần số cộng hưởng 210 MHz khi hằng số điện môi thay đổi từ 3,0 lên 4,5. Li và cộng sự thiết kế cấu trúc MPA giảm RCS 6 dB trong dải rộng từ 5 đến 34 GHz với độ dày cấu trúc 2 mm.
• Mở rộng dải tần hấp thụ: Chen và cộng sự phát triển bộ hấp thụ dải hẹp tại 1,21 GHz (băng L) với FWHM 1,65%. J. Park và cộng sự ghép các vòng tròn đồng phẳng để thu được 3 đỉnh hấp thụ tại 6,51 GHz (98%), 7,0 GHz (98%) và 7,61 GHz (98%). C. Tran và cộng sự xếp chồng 4 lớp cộng hưởng tạo ra 9 đỉnh hấp thụ trong khoảng 5–9 GHz với độ hấp thụ trên 85%.
• Cộng hưởng bậc cao trong MPA: Cặp thanh kim loại cắt (Cut-Wire Pair - CWP) được nghiên cứu để phân tích các mode cộng hưởng từ bậc lẻ. Yoo và cộng sự khảo sát cấu trúc đĩa tròn và vòng nhẫn tròn, chỉ ra sự xuất hiện đồng thời của mode cơ bản và mode bậc ba (tại 6,22 GHz và 17,38 GHz đối với đĩa tròn; 5,1 GHz và 16,31 GHz đối với vòng nhẫn). Nghiên cứu của N. và cộng sự trên vòng tròn kín tối ưu hóa đã ghi nhận 3 đỉnh hấp thụ tại 4,71 GHz (mode cơ bản, 90%), 13,39 GHz (mode bậc ba, 100%) và 19,91 GHz (mode bậc năm, 99,33%).
• MPA đàn hồi: Sử dụng các đế nền mềm dẻo như màng mỏng Polyimide, Polydimethylsiloxane (PDMS) và giấy nhằm khảo sát sự biến đổi phổ hấp thụ dưới lực kéo dãn hoặc uốn cong.

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu (VAST) đã thực hiện nhiều công trình liên quan: Đỗ Thành Việt (2015) nghiên cứu mở rộng dải tần trong vùng vi sóng 2–20 GHz; Nguyễn Thị Hiền (2015) nghiên cứu vật liệu biến hóa lai hóa có chiết suất âm; Phạm Thị Trang (2017) mở rộng dải tần và tính đối xứng đẳng hướng; Đinh Hồng Tiếp nghiên cứu cơ chế dải rộng vùng GHz; Đặng Hồng Lưu nghiên cứu MPA vùng THz; Trần Văn Huỳnh (2022) kết hợp vật liệu biến hóa với màng Graphene. Ngoài ra còn có các nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Vinh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất và VinUni.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các nghiên cứu trước đây về cộng hưởng bậc cao chủ yếu dừng lại ở các cấu trúc kim loại cứng dạng phẳng và khảo sát mode bậc lẻ. Cơ chế hoạt động của cộng hưởng bậc cao khi kết hợp linh kiện tập trung để hạ tần số làm việc, cũng như sự kích hoạt của các mode cộng hưởng từ bậc chẵn khi cấu trúc đàn hồi bị phá vỡ tính đối xứng do biến dạng uốn cong, chưa được khảo sát đầy đủ. Luận án định vị trọng tâm vào việc giải quyết đồng thời hai yếu tố: cộng hưởng từ bậc cao và tính năng biến dạng đàn hồi trong các dải tần số từ vô tuyến, vi sóng đến terahertz.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình giải tích

Luận án dựa trên ba trụ cột lý thuyết điện từ học chính:

1. Lý thuyết phối hợp trở kháng: Độ hấp thụ $A(\omega)$ của vật liệu được xác định qua hệ số phản xạ $R(\omega)$ và hệ số truyền qua $T(\omega)$: $$A(\omega) = 1 - R(\omega) - T(\omega)$$ Nhờ lớp kim loại liên tục ở mặt đáy có độ dày lớn hơn độ sâu xuyên sâu biểu mặt (skin depth), sóng điện từ truyền qua bị triệt tiêu hoàn toàn ($T(\omega) = 0$). Hệ số phản xạ ở góc tới vuông góc phụ thuộc vào sự sai khác giữa trở kháng hiệu dụng của vật liệu $Z$ và trở kháng của không gian tự do $Z_0$: $$R(\omega) = \left| \frac{Z - Z_0}{Z + Z_0} \right|^2$$ Khi thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng ($Z = Z_0$), phản xạ bị triệt tiêu ($R(\omega) = 0$), toàn bộ năng lượng điện từ đi vào cấu trúc và bị tiêu tán dưới dạng nhiệt qua tổn hao điện môi $P_d$ và tổn hao Ohmic $P_m$: $$P_d = \frac{1}{2} \omega \epsilon'' \int_{V_d} |E|^2 dV = \frac{1}{2} \omega \epsilon \tan\delta \int_{V_d} |E|^2 dV$$ $$P_m = \frac{1}{2} \sqrt{\frac{\omega \mu}{2\sigma}} \int_{S_m} |H|^2 dS$$ Trong đó $\tan\delta$ là hệ số tổn hao điện môi, $\sigma$ là độ dẫn điện kim loại, $E$ và $H$ là cường độ điện trường và từ trường.

2. Lý thuyết giao thoa triệt tiêu: Mô hình xem lớp cấu trúc cộng hưởng tuần hoàn phía trước là bề mặt phản xạ và truyền qua một phần, còn lớp kim loại mặt sau là gương phản xạ toàn phần có độ trễ pha $180^\circ$. Hệ số phản xạ tổng hợp $R(\omega)$ là sự chồng chập của phản xạ trực tiếp từ mặt trước và các phản xạ đa lần bên trong lớp điện môi: $$R(\omega) = R_{12}(\omega) + \frac{T_{12}(\omega) T_{21}(\omega) e^{2i\tilde{\beta}}}{1 - R_{21}(\omega) e^{2i\tilde{\beta}}}$$ Với $\tilde{\beta} = \beta_1 + i\beta_2 = \sqrt{\epsilon_r \mu_r} k_0 d$. Khi độ dày điện môi $d$ đạt giá trị tới hạn, sóng phản xạ thứ cấp ngược pha ($\Delta\phi = \pi$) và có cùng biên độ với phản xạ ban đầu, tạo ra giao thoa triệt tiêu hoàn toàn trường phản xạ.

3. Lý thuyết mạch tương đương vi phân (Differential Equivalent-Circuit - DEC): Để giải thích các mode cộng hưởng bậc cao, cấu trúc CWP được chia thành $N$ phần tử vi phân dọc theo phương điện trường $E$. Mỗi phần tử gồm độ tự cảm vi phân $L_d = L/N$, điện dung vi phân $C_d = C/N$, hỗ cảm vi phân $M_d = M/N$ và điện dung ghép giữa các ô $C'$. Khi giải phương trình vi phân Kirchhoff với điều kiện biên tuần hoàn khi $N \to \infty$, nghiệm của mạch dẫn đến ba chế độ: cộng hưởng từ bậc lẻ, cộng hưởng từ bậc chẵn và cộng hưởng điện. Tần số của mode cộng hưởng từ bậc lẻ ($2n-1$) được xác định bởi: $$f_{2n-1} \approx \frac{(2n-1) c_0}{2 n_r l} \left( 1 - \frac{2 C'}{C} \right)$$ Mô hình DEC mở rộng có tính đến tổn hao Ohmic $R$ và tổn hao điện môi $\sigma$ cho phép tính toán trực tiếp trở kháng hiệu dụng phức $Z_{\text{eff}}$ và khớp chính xác với kết quả mô phỏng số.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng

• Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm CST Microwave Studio dựa trên kỹ thuật tích phân hữu hạn (Finite Integration Technique - FIT). Cấu hình mô phỏng thiết lập hệ thống lưới chính và lưới kép. Trạng thái phẳng sử dụng điều kiện biên tuần hoàn (Unit Cell) theo hai phương $x, y$ vuông góc và cổng ống dẫn sóng (Floquet Port / Waveguide Port) theo phương truyền sóng $z$. Trạng thái uốn cong được mô phỏng bằng cách uốn biến dạng hình học theo các bán kính $R$ xác định và thiết lập các điều kiện biên hấp thụ phù hợp.
• Phương pháp chế tạo mẫu:
  • Kỹ thuật quang khắc màng mỏng kết hợp ăn mòn hóa học tiêu chuẩn để chế tạo các cấu trúc mạch cộng hưởng bằng đồng trên nền cứng FR-4.
  • Kỹ thuật in lưới (screen printing) mực dẫn điện nano để tạo các cấu trúc kim loại trên các màng nền đàn hồi (PDMS, Polyimide).
  • Tích hợp linh kiện tụ điện dán bề mặt (chip capacitor SMD) bằng kỹ thuật hàn vi mạch để khảo sát sự biến đổi tần số.
• Phương pháp đo đạc thực nghiệm: Sử dụng máy phân tích mạng véc-tơ (Vector Network Analyzer - VNA) kết nối với các hệ anten loa băng rộng (horn antennas) phát và thu tín hiệu. Phép đo hệ số tán xạ phản xạ $S_{11}$ được thực hiện trong buồng đo không gian tự do với các góc tới thay đổi từ $5^\circ$ đến $55^\circ$, ở các chế độ phân cực điện trường ngang (TE) và từ trường ngang (TM), trên cả mẫu phẳng và mẫu gá trên dưỡng uốn có bán kính xác định.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ cộng hưởng bậc cao và đàn hồi

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm về MPA. Tác giả phân loại MPA theo băng tần hoạt động (đơn đỉnh, đa đỉnh, băng rộng) và làm rõ bản chất vật lý của quá trình suy giảm năng lượng dựa trên mô hình phối hợp trở kháng và giao thoa triệt tiêu.

Trọng tâm của chương là việc trình bày chi tiết lý thuyết mạch tương đương vi phân (DEC) áp dụng cho cấu trúc CWP. Tác giả chứng minh rằng đối với mode cộng hưởng từ bậc lẻ, dòng điện cảm ứng chạy trên hai bản kim loại đối diện luôn có chiều ngược nhau (dòng đối song) tạo thành các vòng xoáy từ trường khép kín. Luận án phân tích chi tiết phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn, vòng tròn đồng tâm và đĩa tròn bị cắt:

• Cấu trúc vòng tròn kín có kích thước tối ưu ($a = 18\ \text{mm}, t_s = 0,8\ \text{mm}, R_1 = 8,2\ \text{mm}, R_2 = 2\ \text{mm}$) kích hoạt đồng thời ba mode: mode cơ bản tại 4,71 GHz (hấp thụ 90%), mode bậc ba tại 13,39 GHz (hấp thụ 100%) và mode bậc năm tại 19,91 GHz (hấp thụ 99,33%).
• Phân bố dòng điện bề mặt xác nhận mode bậc nhất gồm 1 cặp dòng đối song, mode bậc ba chia thành 3 vùng dòng ngược chiều và mode bậc năm chia thành 5 vùng dòng tuần hoàn.
• Phần cuối chương tổng kết các đặc tính cơ lý của các chất nền đàn hồi triển vọng gồm Polyimide, PDMS và giấy, làm cơ sở lựa chọn vật liệu cho các chương thực nghiệm.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết các công cụ và quy trình kỹ thuật được áp dụng trong toàn bộ luận án:

• Thiết lập mô phỏng: Trình bày nguyên lý thuật toán FIT trên phần mềm CST, cách xây dựng lưới sai phân rời rạc hóa phương trình Maxwell, cách trích xuất ma trận tán xạ $S_{11}, S_{21}$ và tính toán trở kháng hiệu dụng phức $Z_{\text{eff}} = \sqrt{(1 + S_{11}) / (1 - S_{11})}$. Luận án làm rõ phương pháp thiết lập nguồn phát và điều kiện biên phức tạp khi vật liệu chuyển từ dạng phẳng sang dạng uốn cong với các bán kính uốn khác nhau.
• Quy trình chế tạo: Mô tả chi tiết hai quy trình công nghệ gồm (1) công nghệ quang khắc tạo mẫu vi dải kim loại trên tấm mạch in FR-4 có độ dày lớp đồng $0,035\ \text{mm}$ và (2) công nghệ in lưới sử dụng mực dẫn điện phủ lên màng điện môi đàn hồi PDMS/Polyimide.
• Hệ thống đo đạc: Sơ đồ bố trí thiết bị đo hệ số phản xạ với máy VNA, quy trình chuẩn hóa đường truyền (calibration) và kỹ thuật gá mẫu trên các bề mặt cong nhằm triệt tiêu nhiễu phản xạ từ môi trường xung quanh.

Chương 3: Đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa cộng hưởng từ bậc lẻ

Chương 3 giải quyết bài toán tối ưu hóa cấu trúc H-MPA khai thác các mode cộng hưởng từ bậc lẻ hoạt động ở vùng tần số thấp và vùng terahertz:

1. Cấu trúc H-MPA tích hợp tụ điện dán hoạt động ở dải VHF và dải S:
   • Cấu trúc cộng hưởng hình vuông ban đầu hoạt động ở tần số vi sóng. Khi tích hợp các tụ điện tập trung ($C_1, C_2$), tần số cộng hưởng bị kéo mạnh về vùng tần số rất thấp VHF (30 – 300 MHz) đồng thời vẫn duy trì các đỉnh hấp thụ bậc cao ở dải S (2,0 – 4,0 GHz).
   • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự xuất hiện của hai đỉnh hấp thụ dải VHF tại 106 MHz và 123,4 MHz. Phân bố tổn hao năng lượng chỉ ra năng lượng điện từ được tiêu tán tập trung chủ yếu trên các tụ điện tích hợp.
   • Khi thay đổi góc tới $\theta$ của sóng điện từ từ $5^\circ$ đến $55^\circ$ ở dải S, cấu trúc duy trì độ hấp thụ ổn định trên 90% tại các tần số 3,09 GHz và 3,55 GHz.

Góc tới ($\theta$)	Tần số đỉnh 1 (GHz)	Độ hấp thụ thực nghiệm (%)	Tần số đỉnh 2 (GHz)	Độ hấp thụ thực nghiệm (%)
$5^\circ$	3,09	94,5	3,55	93,2
$15^\circ$	3,09	94,1	3,55	92,8
$30^\circ$	3,09	93,6	3,55	91,5
$45^\circ$	3,10	92,0	3,56	90,4
$55^\circ$	3,11	90,8	3,57	90,1

2. Cấu trúc H-MPA đàn hồi trong băng tần UHF và băng tần L:

   • Thiết kế H-MPA trên đế điện môi đàn hồi khai thác mode cộng hưởng từ bậc ba.
   • Ở trạng thái phẳng, vật liệu thể hiện đỉnh hấp thụ cơ bản tại 450 MHz (băng UHF) và đỉnh bậc ba tại 1,47 GHz (băng L) với độ hấp thụ đạt 99%.
   • Khi uốn cong mẫu với bán kính uốn $R = 200\ \text{mm}$, phân bố dòng điện bề mặt và phổ hấp thụ của đỉnh bậc ba vẫn được duy trì ổn định, chứng minh khả năng bảo toàn cơ chế cộng hưởng từ bậc lẻ khi bị biến dạng hình học.

3. Mở rộng sang vùng tần số Terahertz (THz):

   • Mô phỏng cấu trúc H-MPA đàn hồi ở kích thước micro-mét. Ở trạng thái phẳng, vật liệu có hai đỉnh hấp thụ: mode cơ bản tại 34,9 THz (độ hấp thụ 96%) và mode bậc ba tại 97,2 THz (độ hấp thụ 99,2%).
   • Khi mô hình bị uốn cong với bán kính uốn cong cực nhỏ $R = 5\ \mu\text{m}$, tính đối xứng cục bộ bị phá vỡ, làm xuất hiện thêm mode cộng hưởng từ bậc hai tại tần số 54,5 THz với độ hấp thụ đạt xấp xỉ 80%.

Chương 4: Đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa cộng hưởng từ bậc chẵn có tính năng đàn hồi

Chương 4 tập trung vào việc nghiên cứu sự kích hoạt và duy trì của các mode cộng hưởng từ bậc chẵn (đặc biệt là mode bậc hai) trên cấu trúc H-MPA đàn hồi:

• Cơ chế kích hoạt mode bậc chẵn: Ở các cấu trúc phẳng đối xứng thông thường dưới sóng tới vuông góc, các mode cộng hưởng từ bậc chẵn bị triệt tiêu do sự phân bố dòng điện cảm ứng đối xứng khử lẫn nhau. Tuy nhiên, khi cấu trúc được uốn cong hoặc thiết kế dạng hình học gấp khúc (meander line), tính bất đối xứng được hình thành, cho phép từ trường ngoài ghép nối hiệu quả và kích thích mode cộng hưởng từ bậc hai.
• Kết quả khảo sát trong dải C (4,0 – 8,0 GHz) và dải X (8,0 – 12,0 GHz):
  • Chế tạo mẫu thực nghiệm H-MPA trên đế đàn hồi với màng kim loại dạng gấp khúc.
  • Ở trạng thái phẳng, vật liệu cộng hưởng tại tần số 4,3 GHz (phân cực TE và TM). Khi uốn cong cấu trúc với bán kính uốn thay đổi từ $R = \infty$ xuống $R = 100\ \text{mm}, 50\ \text{mm}$ và $20\ \text{mm}$, mode cộng hưởng từ bậc hai xuất hiện rõ nét tại vùng tần số 8,6 – 8,7 GHz với độ hấp thụ thực nghiệm duy trì trên 90%.
  • Phân bố dòng điện bề mặt tại tần số 8,6 GHz (phân cực TE) và 8,7 GHz (phân cực TM) khi uốn cong ($R = 100\ \text{mm}$) chỉ ra sự hình thành của hai vòng dòng điện xoáy ngược chiều đặc trưng cho mode bậc hai.

Bán kính uốn cong ($R$)	Tần số mode cơ bản (GHz)	Độ hấp thụ (%)	Tần số mode bậc hai (GHz)	Độ hấp thụ (%)
Phẳng ($R = \infty$)	4,30	98,2	Không xuất hiện	-
$R = 100\ \text{mm}$	4,31	97,5	8,65	92,4
$R = 50\ \text{mm}$	4,32	96,1	8,68	91,8
$R = 20\ \text{mm}$	4,34	94,8	8,70	90,5

• Kết quả kiểm chứng sự phụ thuộc vào góc tới và góc phân cực cho thấy cấu trúc dạng gấp khúc có khả năng làm việc ổn định dưới các góc tới xiên góc lên tới $60^\circ$ và duy trì tính chất hấp thụ tốt cho cả hai trạng thái phân cực TE và TM.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Luận án đã đạt được 4 đóng góp khoa học mới:

1. Làm rõ cơ chế và chế tạo H-MPA tích hợp tụ điện dải VHF và dải S: Đã giải thích rõ cơ chế vật lý và chế tạo thành công mẫu H-MPA tích hợp tụ điện dán bề mặt, kích hoạt hiệu ứng cộng hưởng từ bậc năm. Cấu trúc hấp thụ đa đỉnh trong băng tần VHF (30 – 300 MHz) và băng tần S (2,0 – 4,0 GHz) với độ hấp thụ đều vượt trên 90%.
2. Tối ưu H-MPA đàn hồi cộng hưởng từ bậc ba dải UHF và dải L: Đã làm rõ cơ chế hấp thụ và tối ưu hóa cấu trúc H-MPA trên đế điện môi đàn hồi, thể hiện cộng hưởng từ bậc ba hoạt động trong băng tần UHF (300 – 1000 MHz) và băng tần L (1,0 – 2,0 GHz) với độ hấp thụ đạt 99%. Đặc tính hấp thụ của đỉnh bậc cao được bảo toàn trong cả cấu hình phẳng lẫn cấu hình uốn cong.
3. Kích hoạt thành công cộng hưởng từ bậc hai bằng biến dạng uốn cong: Đã làm rõ quy luật hình thành mode bậc chẵn và chế tạo thành công mẫu H-MPA trên đế đàn hồi hoạt động trong băng tần C (4,0 – 8,0 GHz) và X (8,0 – 12,0 GHz), chứng minh sự xuất hiện và duy trì ổn định của cộng hưởng từ bậc hai khi cấu trúc bị uốn cong.
4. Mở rộng nghiên cứu H-MPA đàn hồi sang vùng Terahertz: Đã mô phỏng và xác nhận quy luật phụ thuộc phổ hấp thụ vào trạng thái biến dạng cơ học ở vùng THz. Ở trạng thái phẳng, vật liệu có đỉnh cơ bản tại 34,9 THz (độ hấp thụ 96%) và đỉnh bậc ba tại 97,2 THz (độ hấp thụ 99,2%). Khi bị uốn cong với bán kính $R = 5\ \mu\text{m}$, cấu trúc kích hoạt thêm đỉnh cộng hưởng bậc hai tại 54,5 THz với độ hấp thụ đạt khoảng 80%.

Kiến nghị và khả năng ứng dụng thực tế

Dựa trên các kết quả đạt được, luận án đề xuất các hướng ứng dụng thực tế:

• Ngụy trang và kiểm soát tín hiệu radar (RCS): Tích hợp màng bọc H-MPA đàn hồi lên các bề mặt cong của khí tài quân sự (thân máy bay, vỏ tàu thuyền, xe cơ giới) để giảm diện tích phản xạ radar trên các băng tần radar C, X và S mà không bị suy giảm hiệu suất do uốn cong bề mặt.
• Truyền thông vô tuyến và thiết bị IoT: Ứng dụng cấu trúc tích hợp tụ điện hoạt động ở dải VHF/UHF cho các thiết bị thông tin liên lạc không dây cỡ nhỏ, thiết bị RFID và các đầu thu phát sóng cần khử nhiễu điện từ trường gần.
• Cảm biến và thiết bị quang điện tử vùng THz: Định hướng áp dụng nguyên lý kích hoạt mode bậc chẵn dưới biến dạng uốn cong để chế tạo các cảm biến biến dạng cơ học (strain sensor) hoặc các bộ chuyển mạch quang học hoạt động ở dải tần số siêu cao.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình

Từ các dữ liệu và phạm vi trình bày trong văn bản, luận án còn một số điểm hạn chế:

• Các khảo sát biến dạng cơ học của vật liệu đàn hồi chủ yếu tập trung vào trạng thái uốn cong một chiều (uốn hình trụ với các bán kính xác định), chưa khảo sát các trạng thái biến dạng cơ học phức tạp hơn như kéo dãn đa trục, xoắn vặn hoặc uốn cong dạng bề mặt cầu hai chiều.
• Cấu trúc H-MPA ở dải tần số Terahertz mới dừng lại ở các kết quả tính toán và mô phỏng số, chưa được chế tạo và kiểm chứng thực nghiệm do những rào cản về công nghệ quang khắc nano trên đế polymer mềm dẻo.
• Kỹ thuật tích hợp tụ điện dán tập trung ở dải VHF đòi hỏi quy trình hàn thủ công các linh kiện SMD, điều này có thể tạo ra sai số chế tạo và hạn chế tính đồng nhất trên các diện tích vật liệu lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng khảo sát thực nghiệm đối với các dạng biến dạng cơ học khác như kéo dãn cơ học (stretching) trên màng PDMS và đo đạc đặc tính tán xạ dưới các góc uốn phức hợp.
• Phát triển công nghệ chế tạo màng H-MPA đàn hồi diện tích lớn bằng kỹ thuật in cuộn (roll-to-roll) hoặc in phun vật liệu dẫn điện nano.
• Nghiên cứu chế tạo thực nghiệm các mẫu H-MPA đàn hồi ở dải tần THz khi điều kiện công nghệ quang khắc chùm điện tử (E-beam lithography) trên màng mỏng polymer cho phép.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị trong các lĩnh vực Vật liệu học, Vật lý chất rắn, Kỹ thuật vi sóng và Viễn thông:

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học: Luận án cung cấp cơ sở phương pháp luận hoàn chỉnh từ mô hình lý thuyết vi phân (mạch DEC), quy trình thiết lập điều kiện biên mô phỏng số trên phần mềm CST cho các cấu trúc tuần hoàn bị uốn cong, đến kỹ thuật trích xuất tham số điện từ hiệu dụng.
• Đối với giảng viên và các nhà nghiên cứu: Chương 1 và Chương 2 là tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết cộng hưởng bậc cao, phân bố dòng điện bề mặt và quy trình chế tạo vật liệu biến hóa bằng phương pháp in lưới trên đế polymer đàn hồi.
• Đối với kỹ sư thiết kế phần cứng viễn thông và radar: Các bảng số liệu hình học tối ưu, giá trị điện dung tích hợp và bán kính uốn cong tại các băng tần VHF, UHF, S, C và X cung cấp thông số kỹ thuật hữu ích cho việc thiết kế các tấm phủ hấp thụ sóng, giảm tiết diện phản xạ radar và triệt tiêu can nhiễu điện từ trường trong thực tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế cộng hưởng từ bậc cao trong luận án được giải thích và mô hình hóa bằng lý thuyết nào?

Cơ chế cộng hưởng từ bậc cao được luận án giải thích thông qua Lý thuyết mạch tương đương vi phân (Differential Equivalent-Circuit - DEC). Mô hình này chia cấu trúc cộng hưởng (như cặp thanh kim loại CWP) thành $N$ phần tử vi phân gồm các độ tự cảm $L_d$, điện dung $C_d$, hỗ cảm $M_d$ và điện dung ghép ngoài $C'$. Khi $N \to \infty$, việc giải hệ phương trình Kirchhoff cho phép xác định chính xác các tần số cộng hưởng từ bậc lẻ $f_{2n-1}$, cộng hưởng từ bậc chẵn và cộng hưởng điện, đồng thời giải thích sự hình thành các cặp dòng điện đối song tuần hoàn trên bề mặt kim loại.

2. Tác giả đã sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để đưa tần số hấp thụ của H-MPA xuống dải tần thấp VHF (30–300 MHz)?

Tác giả đã sử dụng giải pháp tích hợp các linh kiện tụ điện dán bề mặt (chip capacitor SMD $C_1, C_2$) lên trên các vị trí khe hở của cấu trúc cộng hưởng kim loại hình vuông trên đế FR-4. Việc bổ sung điện dung tập trung giúp tăng mạnh điện dung hiệu dụng tổng thể ($C_{\text{eff}}$), từ đó kéo tần số cộng hưởng theo công thức $f \approx 1 / (2\pi \sqrt{L_{\text{eff}} C_{\text{eff}}})$ xuống dải VHF (đạt hai đỉnh hấp thụ tại 106 MHz và 123,4 MHz với độ hấp thụ trên 90%) mà không phải tăng kích thước hình học của ô cơ sở.

3. Tại sao mode cộng hưởng từ bậc chẵn (bậc hai) lại xuất hiện khi vật liệu H-MPA ở trạng thái uốn cong?

Ở trạng thái phẳng đối xứng dưới sóng tới vuông góc, từ trường của sóng điện từ ngoài không thể ghép nối với mode bậc chẵn do sự phân bố dòng điện cảm ứng có tính đối xứng tự triệt tiêu. Khi vật liệu được uốn cong với bán kính uốn xác định hoặc cấu trúc được thiết kế dạng gấp khúc, tính đối xứng không gian bị phá vỡ. Sự bất đối xứng này cho phép sóng tới kích thích hiệu quả các vòng dòng điện xoáy ngược chiều đặc trưng của mode bậc hai, tạo ra đỉnh hấp thụ mới tại dải tần số 8,6 – 8,7 GHz (băng X).

4. Ở dải tần Terahertz (THz), đặc trưng hấp thụ của H-MPA thay đổi như thế nào giữa trạng thái phẳng và uốn cong?

Ở trạng thái phẳng, H-MPA thể hiện hai đỉnh hấp thụ gồm đỉnh cơ bản tại 34,9 THz (độ hấp thụ 96%) và đỉnh cộng hưởng từ bậc ba tại 97,2 THz (độ hấp thụ 99,2%). Khi bị uốn cong với bán kính uốn cực nhỏ $R = 5\ \mu\text{m}$, sự phá vỡ tính đối xứng làm xuất hiện thêm một đỉnh cộng hưởng từ bậc hai tại tần số 54,5 THz với độ hấp thụ đạt xấp xỉ 80%.

5. Luận án đã sử dụng những công cụ mô phỏng và thiết bị đo đạc thực nghiệm nào?

Luận án sử dụng phần mềm CST Microwave Studio với thuật toán Kỹ thuật tích phân hữu hạn (FIT) trên hệ lưới chính/kép để mô phỏng số học. Về mặt thực nghiệm, tác giả sử dụng Máy phân tích mạng véc-tơ (Vector Network Analyzer - VNA) kết nối với các hệ anten loa băng rộng đặt trong buồng đo không gian tự do để thu nhận hệ số phản xạ $S_{11}$ ở các góc tới, trạng thái phân cực và bán kính uốn cong khác nhau.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Dương Thị Hà là công trình nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số và giải tích lý thuyết về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ cộng hưởng bậc cao có tính năng đàn hồi. Luận án đã làm rõ cơ chế vật lý của các mode cộng hưởng từ bậc lẻ và bậc chẵn, chứng minh khả năng kiểm soát dải tần từ VHF, UHF, vi sóng (S, C, X) đến terahertz bằng giải pháp tích hợp tụ điện và biến dạng uốn cong. Các kết quả chế tạo thực nghiệm trên đế cứng FR-4 và đế đàn hồi PDMS/Polyimide đã khẳng định tính khả thi của việc duy trì hiệu suất hấp thụ sóng trên 90% dưới các góc tới xiên và trạng thái uốn cong cơ học. Công trình cung cấp hệ thống dữ liệu khoa học có độ tin cậy cao, đóng góp cơ sở lý luận và thực tiễn cho việc ứng dụng vật liệu biến hóa trong công nghệ kiểm soát diện tích phản xạ radar và các hệ thống truyền thông không dây hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O VIàN HÀN LÂM KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HàC VIàN KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà D°¢ng Thß Hà NGHIÊN CĄU Đ¾C TR¯NG HÂP THĀ SÓNG ĐIàN TĆ CĂA VÀT LIàU BI¾N HÓA CÞNG H¯âNG BÀC CAO CÓ TÍNH NNG ĐÀN HâI â VÙNG TÄN Sà GHz LUÀN ÁN TI¾N S) VÀT LIàU ĐIàN TĈ Hà Nội - 2024 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O VIàN HÀN LÂM KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HàC VIàN KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà D°¢ng Thß Hà NGHIÊN CĄU Đ¾C TR¯NG HÂP THĀ SÓNG ĐIàN TĆ CĂA VÀT LIàU BI¾N HÓA CÞNG H¯âNG BÀC CAO CÓ TÍNH NNG ĐÀN HâI â VÙNG TÄN Sà GHz LUÀN ÁN TI¾N S) VÀT LIàU ĐIàN TĈ Mã sá: 9440123 Xác nhÁn căa Hác vián Ng°ái h°ßng d¿n 1 Ng°ái h°ßng d¿n 2 Khoa hác và Công nghá (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TS. Bùi Xuân Khuy¿n GS. Vũ Đình Lãm Hà Nội - 2024 LàI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án: <Nghiên cứu đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa cộng hưởng bậc cao có tính năng đàn hồi ở vùng tần số GHz” là công trình nghiên cāu cÿa chính mình d°ới sự h°ớng dẫn khoa hác cÿa tập thể h°ớng dẫn. Luận án sử dāng thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khÁo khác nhau và các thông tin trích dẫn đ°ÿc ghi rõ nguồn gốc.

Các kết quÁ nghiên cāu cÿa tôi đ°ÿc công bố chung với các tác giÁ khác đã đ°ÿc sự nhất trí cÿa đồng tác giÁ khi đ°a vào luận án. Các số liáu, kết quÁ đ°ÿc trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và ch°a từng đ°ÿc công bố trong bất kỳ mát công trình nào khác ngoài các công trình công bố cÿa tác giÁ. Luận án đ°ÿc hoàn thành trong thßi gian tôi làm nghiên cāu sinh t¿i Hác vián Khoa hác và Công nghá, Vián Hàn lâm Khoa hác và Công nghá Viát Nam. Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2024 Tác giÁ luÁn án (Ký và ghi rõ họ tên) D°¢ng Thß Hà LàI CÀM ¡N Lßi đầu tiên, tôi xin đ°ÿc gửi lßi cÁm ¡n chân thành và sâu sắc nhất tới GS.

Vũ Đình Lãm và TS. Bùi Xuân Khuyến, hai thầy đã luôn tận tình h°ớng dẫn, đßnh h°ớng kßp thßi và t¿o điều kián thuận lÿi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cÁm ¡n Ban Lãnh đ¿o cùng các Phòng chāc năng cÿa Hác vián Khoa hác và Công nghá, Ban Lãnh đ¿o Vián Khoa hác vật liáu đã t¿o điều kián về môi tr°ßng hác tập-nghiên cāu chuyên nghiáp-hián đ¿i trong suốt quá trình tôi thực hián các kết quÁ cÿa luận án. Tôi xin chân thành cÁm ¡n TS.

Bùi S¡n Tùng, các Thầy-Cô, anh chß đồng nghiáp t¿i Phòng Vật liáu biến hóa và āng dāng và Phòng Vật lý Vật liáu từ và siêu dẫn - Vián Khoa hác vật liáu đã hß trÿ về triển khai các ý t°áng/nhiám vā khoa hác, t¿o điều kián cho tôi về c¡ sá vật chất trong quá trình thực hián luận án. Tôi xin chân thành cÁm ¡n Thầy-Cô giáo cùng đồng nghiáp t¿i Khoa Vật lý, Ban lãnh đ¿o và các Phòng chāc năng cÿa Tr°ßng Đ¿i hác S° ph¿m (Đ¿i hác Thái Nguyên), n¡i tôi đang công tác đã giúp đỡ tôi về sắp xếp công viác chuyên môn t¿i c¡ quan giúp tôi đÁm bÁo tiến đá thực hián luận án. Tôi xin cÁm ¡n Quỹ Đổi mới sáng t¿o Vingroup (VINIF), Vián Nghiên cāu Dữ liáu lớn đã tài trÿ Hác bổng tiến sĩ trong n°ớc (Mã số VINIF.092) cho tôi trong quá trình tôi thực hián luận án. Cuối cùng, tôi xin cÁm ¡n gia đình và đồng nghiáp đã luôn truyền đáng lực, t¿o mái điều kián thuận lÿi để tôi hoàn thành luận án này.

Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2024 Tác giÁ luÁn án (Ký và ghi rõ họ tên) D°¢ng Thß Hà MĀC LĀC DANH MĀC CÁC KÍ HIàU, CHĊ VI¾T TÂT. ii DANH MĀC HÌNH VẼ, Đâ THÞ. TäNG QUAN VÀ VÀT LIàU BI¾N HÓA. Tổng quan về vật liáu biến hóa hấp thā m¿nh sóng đián từ (MPA).

Lßch sử hình thành và phát triển cÿa MPA. Phân lo¿i MPA. C¡ chế hấp thā sóng đián từ cÿa MPA trong vùng tần số GHz. Lý thuyết cáng h°áng bậc cao cÿa MPA.

Đặc tr°ng đián từ cÿa vật liáu biến hóa hấp thā sóng đián từ có cáng h°áng bậc cao (H-MPA). Lý thuyết m¿ch t°¡ng đ°¡ng cho cáng h°áng bậc cao. Đặc tính đián từ cÿa mát số cấu trúc H-MPA. Cấu trúc đĩa tròn và vòng cáng h°áng hình tròn.

Cấu trúc đĩa tròn bß cắt. CÁi tiến ho¿t đáng cÿa MPA dựa trên tính đàn hồi cÿa vật liáu. MPA đàn hồi dựa trên lớp đián môi polyimide. MPA đàn hồi dựa trên lớp đián môi Polydimethylsiloxane (PDMS).

MPA đàn hồi có lớp đián môi làm từ giấy. Kết luận ch°¡ng. PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CĄU. Ph°¡ng pháp mô phỏng tính chất đián từ cÿa H-MPA đàn hồi.

Mô hình tính toán các tham số hiáu dāng cÿa H-MPA. Mô hình m¿ch đián LC. Tính toán trá kháng hiáu dāng. Ph°¡ng pháp chế t¿o H-MPA ho¿t đáng trong vùng tần số GHz.

Ph°¡ng pháp thực nghiám đánh giá đặc tr°ng đián từ cÿa H-MPA. Kết luận ch°¡ng. Đ¾C TR¯NG HÂP THĀ SÓNG ĐIàN TĆ CĂA VÀT LIàU BI¾N HÓA CÞNG H¯âNG TĆ BÀC LẺ. Tối °u cấu trúc H-MPA tích hÿp tā đián ho¿t đáng trong cÁ hai băng tần VHF (30 - 300 MHz) và S (2,0 – 4,0 GHz).

Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA có cấu trúc cáng h°áng hình vuông, ch°a đ°ÿc tích hÿp tā đián. Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA đ°ÿc tích hÿp tā đián. KhÁo sát Ánh h°áng cÿa tā đián đến tính chất hấp thā cÿa vật liáu. Ành h°áng cÿa góc tới sóng đián từ lên đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA.

Tối °u cấu trúc H-MPA đàn hồi ho¿t đáng trong băng tần UHF (300 MHz – 1000 MHz) và băng tần L (1,0 – 2,0 GHz). Thiết kế mô phỏng H-MPA đàn hồi. Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA cáng h°áng từ bậc ba á tr¿ng thái phẳng. Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA cáng h°áng từ bậc ba á các tr¿ng thái biến d¿ng khác nhau.

Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA đàn hồi trong vùng tần số THz. Thiết kế cấu trúc H-MPA đàn hồi ho¿t đáng trong vùng THz. Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA đàn hồi ho¿t đáng trong vùng THz. Kết luận ch°¡ng.

Đ¾C TR¯NG HÂP THĀ SÓNG ĐIàN TĆ CÓ TÍNH NNG ĐÀN HâI. Tối °u cấu trúc cÿa H-MPA cáng h°áng từ bậc hai có tính năng đàn hồi. Thiết kế cấu trúc H-MPA cáng h°áng từ bậc hai. Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA cáng h°áng từ bậc hai á tr¿ng thái phẳng.

Đặc tr°ng hấp thā cÿa H-MPA cáng h°áng từ bậc hai á tr¿ng thái uốn cong. Cáng h°áng từ bậc hai trong cấu trúc cáng h°áng d¿ng gấp khúc. Thiết kế và chế t¿o vật liáu. Ành h°áng cÿa các tham số cấu trúc và sự phân cực sóng đián từ lên đặc tr°ng hấp thā cÿa vật liáu á tr¿ng thái phẳng.

Cáng h°áng từ bậc hai khi sóng đián từ tới bề mặt cấu trúc theo h°ớng xiên góc. Cáng h°áng từ bậc hai khi cấu trúc bß uốn cong. Kết luận ch°¡ng. 124 DANH MĀC TÀI LIàU THAM KHÀO.

137 i DANH MĀC CÁC KÍ HIàU, CHĊ VI¾T TÂT Chċ vi¿t tÃt/ Ti¿ng Anh Ti¿ng Viát Kí hiáu A Absorption Đá hấp thā C C band Vùng tần số từ 4,0 đến 8,0 GHz CST Computer Simulation Công nghá mô phỏng bằng Technology máy tính CW Cut Wire Thanh kim lo¿i CWP Cut – Wire Pair Cặp thanh kim lo¿i DEC Differential Equivalent-Circuit M¿ch t°¡ng đ°¡ng cho cáng h°áng bậc cao EM Electromagnetic Đián từ FWHM Full Width at Half Maximum Đá ráng á nửa cực đ¿i FBW Fractional Banwidth Đá ráng tỉ đối FR-4 Fire Retardant Vật liáu đián môi FR-4 FIT Finite Integration Technique Kĩ thuật tích phân hữu h¿n H-MPA High-order Metamaterial Vật liáu biến hóa hấp thā sóng perfect absorber đián từ cáng h°áng bậc cao L L band Vùng tần số từ 1,0 đến 2,0 GHz MMs Metamaterials Vật liáu biến hóa MPA Metamaterial perfect absorber Vật liáu biến hóa hấp thā m¿nh sóng đián từ NIR Near Infrared Hồng ngo¿i gần PDMS Polydimethylsiloxane Vật liáu Polydimethylsiloxane PCB Printed Circuit Board BÁng m¿ch in S S band Vùng tần số từ 2,0 đến 4,0 GHz SRR Split-Ring Resonator Vòng cáng h°áng có rãnh RCS Radar cross section Tiết dián radar R Reflection Đá phÁn x¿ TE Transverse Electric Đián tr°ßng ngang TM Transverse Magnetic Từ tr°ßng ngang T Transmittance Đá truyền qua UV Ultraviolet Cực tím UHF Ultra high frequency Vùng tần số từ 300 MHz đến 1000 MHz VNA Vector Network Analyzer Há phân tích m¿ng véc t¡ VHF Very high frequency Vùng tần số từ 30 MHz đến 300 MHz X X band Vùng tần số từ 8,0 đến 12,0 GHz ii DANH MĀC BÀNG BÁng 3. Số liáu phổ hấp thā mô phỏng cÿa cấu trúc MPA đ°ÿc đề xuất khi td thay đổi. Số liáu phổ hấp thā mô phỏng trong băng tần VHF cÿa H-MPA đ°ÿc đề xuất khi đián dung C1 thay đổi. Số liáu phổ hấp thā mô phỏng trong băng tần VHF cÿa H-MPA đ°ÿc đề xuất khi đián dung C2 thay đổi.

Các thông số hình hác tối °u cÿa H-MPA. Số liáu phổ hấp thā mô phỏng và thực nghiám trong băng tần S cÿa H- MPA khi góc tới thay đổi.95 iii DANH MĀC HÌNH VẼ, Đâ THÞ Hình 1. Các hián t°ÿng trực quan đối với siêu vật liáu: (a) đßnh luật khúc x¿ Snell ng°ÿc, (b) hiáu āng Doppler ng°ÿc và (c) bāc x¿ Čerenkov ng°ÿc. Cấu trúc và phổ hấp thā cÿa (a) MPA đầu tiên đ°ÿc đề xuất, (b) MPA có cấu trúc cáng h°áng d¿ng chữ I, (c) MPA đẳng h°ớng hai chiều (d) MPA đián môi 10 Hình 1.

Cấu trúc MPA đ°ÿc đề xuất cho các āng dāng (a) cÁm biến (b) RCS. a) Cấu trúc vật liáu MPA hấp thā siêu hẹp; b) Phổ hấp thā/phÁn x¿ cÿa vật liáu. (a) Minh háa ô c¡ sá cÿa MPA đa dÁi tần ho¿t đáng trong vùng GHz, mẫu MPA chế t¿o với 2 (b) và 3 (c) vòng cáng h°áng kích th°ớc khác nhau, (d) phổ hấp thā cÿa mẫu MPA. a) MPA có cấu trúc đa lớp (b) phổ hấp thā cÿa MPA đề xuất khi số lớp thay đổi.

Phổ hấp thā mô phỏng cÿa MPA có cấu trúc gồm (a) 4 lớp cáng h°áng giống nhau, (b) 4 lớp cáng h°áng có kích th°ớc khác nhau, c) kích th°ớc cÿa 4 cấu trúc cáng h°áng. Mát số MPA hấp thā băng tần ráng: (a) cấu trúc cáng h°áng đ°ÿc sắp xếp đồng phẳng; (b) các cấu trúc cáng h°áng xếp chồng lên nhau. Mô hình phÁn x¿ và giao thoa cÿa MPA.