MỞ ĐẦU 1. Siêu vật liệu điện từ và ứng dụng trong thiết kế mô- đun siêu cao tần Trong những năm gần đây, kỹ thuật siêu cao tần đã có những tiến bộ vượt bậc và vẫn đang không ngừng được phát triển. Công nghệ vi dải in trên đế điện môi ra đời đã giải quyết được vấn đề thu nhỏ kích thước của anten, đồng thời cũng mở ra một xu hướng thiết kế các mô-đun siêu cao tần khác như bộ lọc cao tần thụ động, bộ chia công suất, bộ ghép định hướng,. nhằm nâng cao khả năng tích hợp mô-đun siêu cao tần vào các thiết bị của hệ thống truyền thông vô tuyến.
Nhiều mô hình mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất in trên đế điện môi đã được thiết kế và chế tạo thành công. Tuy nhiên, trong thiết kế mô-đun siêu cao tần sử dụng công nghệ mạch dải, chẳng hạn anten vi dải thì thông thường là kích thước của anten phải lớn hơn hoặc xấp xỉ một phần tư bước sóng (λ/4) ở dải tần hoạt động. Điều này có vẻ như không phù hợp khi kích thước λ/4 vẫn còn khá lớn so với kích thước ngày càng nhỏ gọn của thiết bị. Năm 2000, nhóm nghiên cứu gồm có Smith, Schultz và các đồng nghiệp đã chứng minh được rằng có thể tạo ra loại vật liệu mới có chiết suất âm (n<0) – gọi là siêu vật liệu điện từ (MTM) [107].
Sự phát hiện này không chỉ mở ra nhiều cơ hội chế tạo các thiết bị mới với những đặc tính khác biệt mà c n đưa ra một hướng thiết kế mới trong việc thu nhỏ kích thước mô-đun siêu cao tần nhờ vào đặc tính ưu việt của cấu trúc MTM. Cấu trúc siêu vật liệu điện từ, mà đặc trưng là cấu trúc đường truyền dẫn nhân tạo kết hợp giữa đường truyền vật liệu thông thường (RH TL) và đường truyền siêu vật liệu (LH TL) để hình thành đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL). Đặc tính của cấu trúc CRLH TL dạng thông thường là có thể tạo ra mode cộng hưởng có dải tần hoạt động thấp hơn mode cộng hưởng cơ bản của mô-đun siêu cao tần [14], do vậy, phần tử có thể hoạt động ở một dải tần số thấp hơn mà vẫn giữ nguyên kích thước. Điều này giúp mô-đun siêu cao tần có kích thước rất nhỏ gọn, bên cạnh đó là khả năng hoạt động ở đa băng tần tùy theo việc sử dụng CRLH TL vào thiết kế.
Với những ưu điểm trên, cấu trúc CRLH TL đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun siêu cao tần như anten vi dải, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất. Vì vậy, cấu trúc đường truyền CRLH TL và các ứng dụng của nó trong kỹ thuật thiết kế mô-đun siêu cao tần đã trở thành một hướng nghiên cứu mới thu hút được sự quan tâm của Luận án tiến sĩ Kĩ thuật xv rất nhiều các nhà khoa học cũng như các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu, phát triển các mô hình mô- đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải và bộ chia công suất, .v dựa trên nguyên lý của siêu vật liệu điện từ: Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH TL) thông thường [3, 9, 72, 89, 91, 121, 123, 124]. Cấu trúc CRLH TL là một đường truyền dẫn nhân tạo có thể tạo ra quá trình truyền sóng ngược ở dải tần số thấp (LH TL) và sóng thuận ở dải tần số cao (RH TL).
Vì vậy, các mô-đun siêu cao tần được thiết kế với tải là các phần tử đơn vị CRLH TL hoặc toàn bộ mô hình thiết kế có thể biểu diễn bằng một sơ đồ mạch tương đương của một phần tử CRLH TL. Khi đó, mô hình đề xuất sẽ cộng hưởng theo tính chất của cấu trúc CRLH TL thông thường, nghĩa là, mode cộng hưởng mới sẽ được tạo ra ở dải tần số thấp bên cạnh mode cộng hưởng cơ bản ở dải tần số cao tạo bởi phần tử anten thông thường. Đây chính là cơ sở để thu nhỏ kích thước linh kiện, đồng thời tạo ra cộng hưởng đa băng tần cho thiết bị. Trong các thiết kế mô-đun siêu cao tần, anten mạch dải đa băng tần thường được thiết kế với tải siêu vật liệu điện từ (MTM).
Khi đó, các cấu trúc răng lược [124] hoặc cấu trúc vòng cộng hưởng dạng siêu vật liệu [43-45, 79] được khoét trên bề mặt tấm bức xạ của anten để tạo ra mode cộng hưởng mới hoạt động ở dải tần thấp. Một số nghiên cứu khác biến đổi anten vi dải truyền thống thành anten siêu vật liệu bằng cách tạo ra các thành phần điện dung và điện cảm LH trên mô hình anten vi dải để hình thành cấu trúc phức hợp CRLH [82]. Khi đó, mô hình anten được biểu diễn tương đương như một phần tử đơn vị của cấu trúc CRLH TL thông thường. Trong các thiết kế này, điện dung LH thường được tạo ra bằng khe hở ghép giữa đường tiếp điện và tấm bức xạ c n điện cảm LH được tạo bởi các cột nối từ tấm bức xạ xuống mặt đế [59, 82].
Ở một số nghiên cứu khác [66, 70, 97], cấu trúc CRLH TL đồng phẳng được thay thế cho cấu trúc CRLH thông thường, khi đó cột nối kim loại được thay thế bằng các đường vi dải đặt đồng phẳng với tấm bức xạ ở mặt trên ở anten. Nghiên cứu phát triển các mô-đun siêu cao tần sử dụng cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu. Ở xu hướng thiết kế này các vòng cộng hưởng kim loại được sử dụng bao gồm vòng cộng hưởng hở (SRR), vòng cộng hưởng hở mở (OSRR), vòng cộng hưởng hở bổ sung (CSRR) và một biến thể của các cấu trúc SRR. Trong các nghiên cứu này, cấu trúc của mô-đun siêu cao tần được thiết kế có dạng vòng cộng hưởng siêu vật liệu [5, 38] hoặc khoét các mô hình vòng cộng hưởng này lên bề mặt bức xạ [44, 45] hoặc mặt phẳng đế của cấu trúc đề xuất [40, 41].
Luận án tiến sĩ Kĩ thuật xvi Nghiên cứu ứng dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp dạng đối ngẫu (D-CRLH TL) để phát triển các mô-đun siêu cao tần. Đây là loại đường truyền có tính chất đối ngược với cấu trúc CRLH TL thông thường khi thể hiện đặc tính đường truyền LH ở dải tần số cao và đường truyền RH ở dải tần số thấp [11]. Dạng đường truyền siêu vật liệu này thường được sử dụng để thiết kế các anten vi dải đa băng tần có kích thước thu gọn [1, 2, 64, 89, 94], anten sóng rò (LWA) [12, 33, 68] hoặc bộ lọc chắn dải [68]. Nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng bậc không (ZOR) dạng CRLH để thiết kế các mô-đun siêu cao tần có kích thước nhỏ gọn [51, 52, 69, 97] và ứng dụng đường truyền dẫn siêu vật liệu vào một số thiết kế anten sóng rò LWA [18, 42, 71, 119].
Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ vào thiết kế mô- đun siêu cao tần đều hướng tới khả năng hoạt động ở đa băng tần, băng thông rộng, và đặc biệt, với kích thước rất nhỏ gọn, cấu hình đơn giản và dễ chế tạo. Những vấn đề còn tồn tại Vai trò của siêu vật liệu điện từ là rất quan trọng trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun siêu cao tần. Việc nghiên cứu và ứng dụng siêu vật liệu luôn là đề tài mang tính thời sự cao với mục tiêu tăng khả năng tích hợp các mô-đun siêu cao tần như anten, bộ lọc thông dải và các thiết bị có kích thước ngày càng thu gọn. Do đó, việc thiết kế các mô-đun siêu cao tần bên cạnh yêu cầu hoạt động ở đa băng tần hoặc dải tần rộng, cần phải hướng tới hai tiêu chí đó là kích thước nhỏ gọn và cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo.
Một số nghiên cứu đề xuất mô hình mô-đun siêu cao tần dạng siêu vật liệu sử dụng đường truyền CRLH phẳng thay cho đường truyền CRLH thông thường. Cụ thể, các cột nối kim loại ở phần tử đơn vị đường truyền thông thường được thay thế bằng các đường mạch dải đồng phẳng [66, 70, 72, 124]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng và không sử dụng cột nối kim loại để xây dựng mô hình anten siêu vật liệu phẳng [40, 41, 70]. Các mô hình này cấu trúc đơn giản dễ chế tạo tuy nhiên lại có kích thước khá lớn [40, 70, 72, 124].
Một số nghiên cứu khác đề xuất mô hình anten siêu vật liệu với kích thước rất nhỏ gọn. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, mô hình siêu vật liệu (điển hình là CRLH TL) được tạo ra bằng cách sử dụng các cột nối [38, 52, 82, 91, 95] hoặc cầu nối kim loại [123]. Điều này dẫn đến sự phức tạp của mô hình thiết kế, khó khăn trong chế tạo thực nghiệm và ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả đo do các mối hàn tạo nên. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác sử dụng phần tử tập trung để tạo ra cấu trúc CRLH TL thay vì sử dụng mạch dải [27, 32].
Các giá trị của phần tử tập trung thường được chọn với giá trị gần đúng, Luận án tiến sĩ Kĩ thuật xvii tùy theo các giá trị thực tế của cuộn cảm hoặc tụ điện, sẽ dẫn đến sự sai lệch so với kết quả thiết kế tối ưu. Đây cũng là một hạn chế của các nghiên cứu sử dụng phần tử tập trung trong thiết kế mô-đun siêu cao tần siêu vật liệu. Vì vậy, việc áp dụng cấu trúc siêu vật liệu để thiết kế các mô-đun siêu cao tần vừa có kích thước nhỏ vừa có cấu trúc phẳng chính là động lực cho các nghiên cứu đề xuất trình bày trong luận án. Ở một khía cạnh khác, các nghiên cứu cấu trúc đa băng tần được phát triển trên cơ sở sử dụng các phương pháp điển hình đã được đề xuất, chẳng hạn các thiết kế anten đa băng tần thường sử dụng phương pháp khoét khe trên bề mặt bức xạ hoặc mặt đế của cấu trúc để tạo các mode cộng hưởng mới [21, 25, 35, 48, 78, 80].
Một số nghiên cứu khác sử dụng nhiều phần tử ký sinh để cộng hưởng ở các tần số khác nhau [7, 54], hoặc sử dụng kỹ thuật loại bỏ băng tần từ cấu trúc băng thông rộng để tạo cộng hưởng đa băng tần, trong trường hợp này các cấu trúc khe khoét thường được sử dụng để loại bỏ các băng tần không mong muốn [55, 56].