NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ ỨNG DỤNG TRONG CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH ĂNG-TEN FABRY-PEROT

• Tác giả: Lê Hữu Trưởng
• Người hướng dẫn: TS. Tạ Sơn Xuất
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-Perot
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ VÀ ĂNG-TEN SỬ DỤNG SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ
• 1.1. SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ
• 1.2. NGUYÊN LÝ MẶT PHẲNG PHẢN XẠ MỘT PHẦN
• 1.3. ĂNG-TEN SỬ DỤNG SIÊU BỀ MẶT ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ
• 1.4. BỘ LỌC VÀ ĂNG-TEN KẾT HỢP BỘ LỌC THÔNG DẢI
• 1.5. DIỆN TÍCH PHẢN XẠ HIỆU DỤNG
• 1.6. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUỐC PHÒNG NỔI BẬT GẦN ĐÂY
• 1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN TRONG THIẾT KẾ ĂNG-TEN FABRY-PEROT PHÂN CỰC KÉP NHẰM CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH VÀ ĐẶC TÍNH LỌC
• 2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2
• 2.2. CẤU TRÚC ĂNG-TEN
• 2.3. CẤU TRÚC PHẦN TỬ ĐƠN CHO MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN BĂNG RỘNG
• 2.4. CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ĂNG-TEN
• 2.4.1. THIẾT KẾ MẠCH TIẾP ĐIỆN VI SAI KÉP
• 2.4.2. Sơ đồ đường truyền cao tần
• 2.4.3. Mô phỏng ba-lun
• 2.4.4. Mô phỏng mạch tiếp điện sử dụng ANSYS Electronics Desktop
• 2.5. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM
• 2.6. SO SÁNH ĂNG TEN ĐỀ XUẤT VỚI CÁC CÔNG BỐ GẦN ĐÂY
• 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ SỬ DỤNG MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN TÍCH HỢP SIÊU BỀ MẶT ĐIỆN TỪ SẮP XẾP HÌNH BÀN CỜ TRONG THIẾT KẾ ĂNG-TEN FABRY-PEROT CÓ ĐẶC TÍNH LỌC VÀ GIẢM THIỂU DIỆN TÍCH PHẢN XẠ HIỆU DỤNG
• 3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3
• 3.2. MỤC TIÊU THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT
• 3.3. MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN TÍCH HỢP SIÊU BỀ MẶT ĐIỆN TỪ SẮP XẾP HÌNH BÀN CỜ
• 3.4. CẤU TRÚC ĂNG-TEN
• 3.5. ĐẶC TÍNH CỦA ĂNG-TEN TRONG CÁC MÔ HÌNH KHÁC NHAU
• 3.6. CẤU TRÚC BÀN CỜ VỚI SỐ PHẦN TỬ ĐƠN VỊ KHÁC NHAU
• 3.7. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH TÁN XẠ VỚI SÓNG TỚI ĐA DẠNG PHÂN CỰC
• 3.8. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM
• 3.8.1. Mẫu chế tạo
• 3.8.2. Kết quả đo đặc tính bức xạ
• 3.8.3. Kết quả đo đặc tính tán xạ
• 3.9. SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ
• 3.10. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Siêu Vật Liệu Điện Từ Ứng Dụng và Triển Vọng

Ngày nay, siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ khoa học kỹ thuật đến quân sự và y tế. Đây là loại vật liệu nhân tạo với đặc tính điện từ vượt trội, không có trong tự nhiên. Đặc tính của chúng không chỉ phụ thuộc vào vật liệu cấu thành mà còn được quyết định bởi cấu trúc. Vì vậy, khả năng tán xạ điện từ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cấu trúc phần tử đơn (unit-cell). Khả năng kiểm soát linh hoạt tán xạ sóng điện từ đã thu hút sự quan tâm lớn. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm tàng hình vật thể trước sóng ra-đa, cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-Perot (tăng cường đặc tính lọc, giảm diện tích phản xạ hiệu dụng), và mở rộng vùng phủ sóng cho mạng thông tin di động.

1.1. Định nghĩa và Đặc điểm của Siêu Vật Liệu Điện Từ

Siêu vật liệu điện từ là vật liệu nhân tạo có các tính chất điện từ đặc biệt, không tìm thấy trong tự nhiên. Những tính chất này đến từ cấu trúc định kỳ của chúng, thường nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng mà chúng tương tác. Cấu trúc này cho phép siêu vật liệu có chỉ số khúc xạ âm, từ thẩm và điện môi có thể được thiết kế theo yêu cầu. Chúng mở ra khả năng kiểm soát sóng điện từ một cách chưa từng có.

1.2. Các Ứng Dụng Tiềm Năng của Siêu Vật Liệu Điện Từ

Các ứng dụng tiềm năng của siêu vật liệu rất đa dạng, bao gồm tàng hình, ăng-ten hiệu suất cao, bộ cảm biến, thiết bị quang học và nhiều hơn nữa. Trong lĩnh vực viễn thông, siêu vật liệu có thể được sử dụng để tạo ra ăng-ten nhỏ hơn, hiệu quả hơn và có khả năng điều chỉnh chùm tia. Khả năng kiểm soát sóng điện từ của siêu vật liệu mở ra những cơ hội mới cho thiết kế và phát triển các thiết bị điện tử.

II. Thách Thức và Giới Hạn Nghiên Cứu Siêu Vật Liệu Điện Từ Hiện Nay

Mặc dù ưu việt của siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ đã được chứng minh, lý thuyết về chúng vẫn chưa hoàn thiện và thống nhất. Tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu trong các thiết bị cao tần là rất lớn, nhưng việc thiếu một hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh dẫn đến các nghiên cứu chủ yếu xoay quanh thiết kế phần tử đơn và sắp xếp cấu trúc, mô phỏng tính toán để tìm đặc tính mới. Công nghệ siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ có thể cung cấp mức độ tự do cao hơn trong thiết kế, nhưng luôn có những hiện tượng bất ngờ xuất hiện. Thách thức lớn là làm sao loại trừ các đặc tính ảnh hưởng xấu, nhưng lại phát huy các đặc tính tốt.

2.1. Tính Nhất Quán của Lý Thuyết và Thực Tiễn

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu siêu vật liệu là sự thiếu hụt giữa lý thuyết và thực tiễn. Các mô hình lý thuyết thường đơn giản hóa cấu trúc và vật liệu, dẫn đến sự khác biệt so với kết quả thực nghiệm. Cần có những mô hình chính xác hơn để dự đoán hành vi của siêu vật liệu trong các ứng dụng thực tế. Do đó cần đầu tư và nghiên cứu các công thức, phương trình, rồi tiến tới mô phỏng tính toán, chế tạo, đo đạc, kiểm nghiệm thực tiễn.

2.2. Hạn Chế về Chế Tạo và Chi Phí

Việc chế tạo siêu vật liệu với độ chính xác cao là một thách thức kỹ thuật. Các cấu trúc thường có kích thước rất nhỏ, đòi hỏi các kỹ thuật chế tạo tiên tiến như khắc nano và lắng đọng màng mỏng. Chi phí chế tạo cao là một rào cản đối với việc thương mại hóa siêu vật liệu. Cần có những phương pháp chế tạo hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

III. Cách Siêu Vật Liệu Cải Thiện Ăng Ten Fabry Perot Hướng Dẫn Chi Tiết

Siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ gần đây được nghiên cứu sử dụng trong các ăng-ten mảng phản xạ và thấu kính phẳng, giúp thu nhỏ kích thước ăng-ten, định dạng búp sóng, chọn lọc phân cực và tần số. Siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ có thể được thiết kế dưới dạng các cấu trúc là các bề mặt phản xạ một phần (partially reflecting surface - PRS) trong các ăng-ten hốc cộng hưởng Fabry-Perot, giúp tăng hệ số tăng ích, chuyển đổi phân cực và mở rộng băng thông. Trong nhiều nghiên cứu, siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ được tích hợp vào ăng-ten nhằm tăng cường đặc tính lọc tín hiệu hoặc giảm diện tích phản xạ hiệu dụng ra-đa (RCS) của vật thể.

3.1. Tăng Cường Hệ Số Tăng Ích Ăng Ten Fabry Perot

Bằng cách sử dụng siêu vật liệu như bề mặt phản xạ một phần (PRS), có thể tạo ra một hốc cộng hưởng trong ăng-ten Fabry-Perot. Điều này giúp tập trung năng lượng sóng điện từ và tăng cường hệ số tăng ích của ăng-ten. Việc thiết kế cẩn thận cấu trúc siêu vật liệu là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Do đó, sự phù hợp của vật liệu và khoảng cách giữa các lớp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả.

3.2. Mở Rộng Băng Thông Hoạt Động của Ăng Ten

Siêu vật liệu có thể được sử dụng để mở rộng băng thông hoạt động của ăng-ten Fabry-Perot bằng cách tạo ra nhiều chế độ cộng hưởng. Điều này cho phép ăng-ten hoạt động hiệu quả trên một dải tần số rộng hơn. Cấu trúc phức tạp của siêu vật liệu cho phép điều chỉnh các đặc tính điện từ để đạt được băng thông mong muốn.

3.3. Điều Khiển Phân Cực Sóng Điện Từ

Một ưu điểm khác của siêu vật liệu là khả năng điều khiển phân cực sóng điện từ. Điều này có thể được sử dụng để tạo ra ăng-ten có khả năng chuyển đổi phân cực hoặc tạo ra các mẫu bức xạ đặc biệt. Khả năng kiểm soát phân cực rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như thông tin liên lạc vệ tinh.

IV. Thiết Kế Cấu Trúc Siêu Vật Liệu Cho Ăng Ten Phương Pháp Tối Ưu Nhất

Để thiết kế siêu vật liệu điện từ cho ăng-ten Fabry-Perot, cần phải xem xét nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu, cấu trúc, kích thước và tần số hoạt động. Các phương pháp thiết kế thường bao gồm mô phỏng điện từ bằng phần mềm chuyên dụng như COMSOL, HFSS, CST Microwave Studio để tối ưu hóa hiệu suất. Cần phải có sự hiểu biết sâu sắc về tính chất điện từ của vật liệu và các nguyên tắc hoạt động của ăng-ten Fabry-Perot. Việc kết hợp mô phỏng và thực nghiệm là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất.

4.1. Lựa Chọn Vật Liệu và Cấu Trúc Siêu Vật Liệu Phù Hợp

Việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc siêu vật liệu phù hợp là bước quan trọng trong quá trình thiết kế. Các vật liệu phổ biến bao gồm kim loại, điện môi và vật liệu composite. Cấu trúc có thể là dây kim loại, vòng xuyến hở, hoặc các cấu trúc phức tạp hơn. Sự lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, chẳng hạn như tần số hoạt động, băng thông và hệ số tăng ích.

4.2. Mô Phỏng và Tối Ưu Hóa bằng Phần Mềm Chuyên Dụng

Phần mềm mô phỏng điện từ như COMSOL, HFSS và CST Microwave Studio là công cụ không thể thiếu trong thiết kế siêu vật liệu. Các phần mềm này cho phép mô phỏng hành vi của sóng điện từ trong siêu vật liệu và tối ưu hóa cấu trúc để đạt được hiệu suất mong muốn. Mô phỏng cũng giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm.

4.3. Kiểm Chứng Bằng Thực Nghiệm và Đo Đạc

Sau khi thiết kế và mô phỏng, cần phải chế tạo và đo đạc siêu vật liệu để kiểm chứng kết quả. Các phép đo bao gồm hệ số phản xạ, hệ số truyền qua và mẫu bức xạ. So sánh kết quả đo đạc với kết quả mô phỏng giúp xác định tính chính xác của mô hình và điều chỉnh thiết kế nếu cần thiết. Việc kiểm chứng thực nghiệm là bước cuối cùng để đảm bảo hiệu suất của siêu vật liệu.

V. Ứng Dụng Thực Tế Ăng Ten Fabry Perot Siêu Vật Liệu Trong 5G Quốc Phòng

Ăng-ten Fabry-Perot sử dụng siêu vật liệu điện từ có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong thông tin di động 5G, chúng có thể được sử dụng để tạo ra ăng-ten nhỏ gọn và hiệu quả cao, đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng. Trong lĩnh vực quốc phòng, chúng có thể được sử dụng để giảm diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của các phương tiện, giúp chúng khó bị phát hiện bởi ra-đa. Các ứng dụng khác bao gồm cảm biến, hình ảnh y tế và năng lượng mặt trời.

5.1. Ứng Dụng Trong Mạng Thông Tin Di Động 5G

Trong mạng 5G, nhu cầu về băng thông và tốc độ truyền dữ liệu tăng lên đáng kể. Ăng-ten Fabry-Perot sử dụng siêu vật liệu có thể đáp ứng nhu cầu này bằng cách cung cấp hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn. Chúng cũng có thể được sử dụng để tạo ra các hệ thống ăng-ten đa người dùng (MU-MIMO) để tăng dung lượng mạng.

5.2. Giảm Diện Tích Phản Xạ Hiệu Dụng RCS Cho Mục Đích Quân Sự

Trong lĩnh vực quân sự, việc giảm RCS của các phương tiện là rất quan trọng để tránh bị phát hiện bởi ra-đa. Siêu vật liệu có thể được sử dụng để hấp thụ hoặc chuyển hướng sóng ra-đa, làm giảm đáng kể RCS của vật thể. Điều này có thể được sử dụng để tạo ra các phương tiện tàng hình hoặc cải thiện khả năng sống sót của các phương tiện hiện có.

5.3. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Khác trong Cảm Biến và Y Tế

Siêu vật liệu cũng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác. Trong cảm biến, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến nhạy hơn và chính xác hơn. Trong hình ảnh y tế, chúng có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh và giảm liều lượng bức xạ. Siêu vật liệu cũng có thể được sử dụng trong năng lượng mặt trời để tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Siêu Vật Liệu Điện Từ Hướng Phát Triển Mới

Nghiên cứu về siêu vật liệu điện từ đang phát triển nhanh chóng, với nhiều hướng nghiên cứu mới hứa hẹn. Một trong những hướng đi là phát triển siêu vật liệu có khả năng điều chỉnh linh hoạt, cho phép thay đổi tính chất điện từ theo thời gian hoặc không gian. Một hướng khác là nghiên cứu các vật liệu mới, chẳng hạn như vật liệu hai chiều (2D) và nano vật liệu, để tạo ra siêu vật liệu có hiệu suất cao hơn. Cuối cùng, việc tích hợp siêu vật liệu vào các thiết bị thực tế là một thách thức lớn, đòi hỏi sự hợp tác giữa các nhà khoa học và kỹ sư.

6.1. Phát Triển Siêu Vật Liệu Có Khả Năng Điều Chỉnh Linh Hoạt

Siêu vật liệu có khả năng điều chỉnh linh hoạt cho phép thay đổi tính chất điện từ của chúng theo yêu cầu. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu có thể thay đổi trạng thái, chẳng hạn như chất lỏng tinh thể hoặc vật liệu áp điện. Điều chỉnh linh hoạt mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng như ăng-ten có thể tái cấu hình và thiết bị tàng hình.

6.2. Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Cho Siêu Vật Liệu

Nghiên cứu về các vật liệu mới, chẳng hạn như vật liệu hai chiều (2D) và nano vật liệu, có thể dẫn đến sự phát triển của siêu vật liệu có hiệu suất cao hơn. Các vật liệu này có những tính chất điện từ độc đáo và có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc siêu vật liệu phức tạp hơn. Việc khám phá các vật liệu mới là rất quan trọng để thúc đẩy sự tiến bộ của lĩnh vực siêu vật liệu.

6.3. Tích Hợp Siêu Vật Liệu Vào Các Thiết Bị Thực Tế

Tích hợp siêu vật liệu vào các thiết bị thực tế là một thách thức lớn, đòi hỏi sự hợp tác giữa các nhà khoa học và kỹ sư. Cần phải phát triển các quy trình chế tạo hiệu quả và đáng tin cậy để sản xuất siêu vật liệu với số lượng lớn. Đồng thời, cần phải thiết kế các thiết bị có thể tận dụng tối đa các ưu điểm của siêu vật liệu.