I. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Vật liệu biến hóa là môi trường nhân tạo sở hữu các tính chất điện từ đặc biệt. Các tính chất này không xuất hiện trong vật liệu tự nhiên. Cấu trúc của chúng gồm các ô cơ sở tuần hoàn siêu nhỏ. Kích thước mỗi ô cơ sở nhỏ hơn nhiều so với bước sóng tới. Nhờ vậy, vật liệu tương tác đồng nhất với sóng điện từ. Nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên năm 2021 tập trung phát triển bộ hấp thụ đa đỉnh. Thiết kế này hoạt động hiệu quả trong vùng tần số gigahertz. Bộ hấp thụ sóng điện từ truyền thống thường cồng kềnh và nặng nề. Vật liệu biến hóa giải quyết triệt để nhược điểm này. Cấu trúc sandwich ba lớp kim loại - điện môi - kim loại giúp tối ưu độ dày. Lớp đáy kim loại liên tục ngăn cản hoàn toàn sóng truyền qua. Lớp bề mặt kim loại định hình tạo ra cộng hưởng điện từ mạnh mẽ. Lớp điện môi ở giữa đóng vai trò tiêu tán năng lượng sóng. Khi trở kháng bề mặt cân bằng với trở kháng không gian tự do, sóng điện từ đi thẳng vào vật liệu mà không bị phản xạ. Toàn bộ năng lượng điện từ sau đó chuyển hóa thành nhiệt năng.
1.1. Nguyên lý phối hợp trở kháng và triệt tiêu phản xạ
Sự hấp thụ hoàn hảo phụ thuộc trực tiếp vào việc phối hợp trở kháng. Trở kháng sóng của vật liệu được xác định bởi độ từ thẩm và độ điện thẩm hiệu dụng. Khi hai thông số này bằng nhau, trở kháng vật liệu sẽ cân bằng với trở kháng không gian tự do. Hiện tượng phản xạ bề mặt bị triệt tiêu hoàn toàn tại tần số cộng hưởng. Sóng điện từ truyền sâu vào bên trong cấu trúc mà không bị dội ngược lại môi trường. Mặt đáy kim loại đóng vai trò như một gương phản xạ lý tưởng. Thành phần sóng truyền qua bị chặn hoàn toàn. Do đó, hệ số hấp thụ đạt giá trị cực đại xấp xỉ một trăm phần trăm.
1.2. Cơ chế tiêu tán năng lượng trong vật liệu biến hóa
Năng lượng sóng điện từ bị suy hao thông qua hai cơ chế chính. Cơ chế thứ nhất là tổn hao điện môi bên trong lớp cách điện. Điện trường xoay chiều mạnh làm dao động các phân tử phân cực. Quá trình này sinh nhiệt và làm tiêu hao năng lượng điện trường. Cơ chế thứ hai là tổn hao ohmic trên bề mặt các cấu trúc dẫn điện. Dòng điện cảm ứng bề mặt xuất hiện khi sóng kích thích cộng hưởng từ. Điện trở thuần của kim loại chuyển hóa dòng điện này thành nhiệt năng. Sự kết hợp đồng thời của hai cơ chế giúp bẫy sóng hiệu quả. Toàn bộ năng lượng bức xạ bị triệt tiêu ngay trong lớp vật liệu mỏng.
II. Phân tích vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh
Các bộ hấp thụ sóng điện từ ban đầu chỉ hoạt động ở một tần số đơn lẻ. Phạm vi làm việc hẹp này tạo ra rào cản kỹ thuật rất lớn. Thực tế ứng dụng đòi hỏi thiết bị phải xử lý được nhiều dải tần cùng lúc. Các hệ thống radar và liên lạc hiện đại đều phát sóng trên nhiều băng tần khác nhau. Việc ghép nối nhiều ô cơ sở có kích thước khác nhau trên cùng một mặt phẳng thường làm tăng diện tích và gây tán xạ phức tạp. Ngoài ra, phương pháp xếp chồng nhiều lớp điện môi làm tăng độ dày và trọng lượng của tấm hấp thụ. Một thách thức lớn khác nằm ở độ nhạy phân cực của sóng tới. Nhiều cấu trúc bất đối xứng chỉ hấp thụ hiệu quả ở một hướng điện trường nhất định. Khi góc phân cực thay đổi, hiệu suất hấp thụ suy giảm nghiêm trọng. Sóng phản xạ dội ngược lại làm lộ mục tiêu radar hoặc gây nhiễu tín hiệu. Do đó, việc nghiên cứu cơ chế đa đỉnh trên một cấu trúc đối xứng duy nhất là yêu cầu cấp thiết. Điều này giúp tối giản kích thước thiết bị mà vẫn đảm bảo tính ổn định phân cực.
2.1. Hạn chế của vật liệu hấp thụ đơn đỉnh truyền thống
Vật liệu hấp thụ đơn đỉnh chỉ tạo ra một vùng suy hao hẹp. Khi tần số sóng tới lệch khỏi điểm cộng hưởng, khả năng hấp thụ biến mất hoàn toàn. Nhược điểm này khiến thiết bị dễ bị vô hiệu hóa trong môi trường tác chiến điện tử đa kênh. Để tạo ra phổ hấp thụ rộng hơn, nhiều giải pháp đã tích hợp nhiều bộ cộng hưởng kích thước khác nhau. Tuy nhiên, cách bố trí này làm tăng kích thước ô mạng cơ sở. Hiện tượng giao thoa điện từ giữa các phần tử liền kề cũng làm giảm độ sâu của đỉnh hấp thụ. Hiệu suất tổng thể vì thế không đạt được mức tối ưu mong muốn.
2.2. Vấn đề phụ thuộc phân cực và góc tới của sóng
Sóng điện từ trong môi trường thực tế luôn biến đổi phân cực và góc truyền. Các thiết bị quân sự hoặc viễn thông phải đối mặt với sóng phân cực TE, TM và phân cực tròn. Khi cấu trúc vi mô thiếu tính đối xứng tròn hoặc quay bậc bốn, phân cực sóng sẽ làm lệch cộng hưởng. Tỷ lệ phản xạ tăng vọt tại các góc phân cực xiên. Điều này khiến bề mặt hấp thụ mất tác dụng ngụy trang hoặc khử nhiễu. Bên cạnh đó, sóng tới với góc nghiêng lớn thường phá vỡ điều kiện phối hợp trở kháng. Việc tạo ra cấu trúc bền vững trước mọi góc phân cực và góc tới là bài toán kỹ thuật phức tạp.
III. Thiết kế vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh
Nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên năm 2021 đề xuất giải pháp cấu trúc hình vành khuyên kim loại. Cấu trúc này đặt trên nền điện môi với mặt đáy phủ kim loại hoàn toàn. Thiết kế hình vành khuyên sở hữu tính đối xứng quay bốn phương hoàn hảo. Tính chất này đảm bảo cấu trúc phản ứng đồng nhất dưới mọi góc phân cực sóng điện từ. Thay vì ghép nhiều phần tử, cấu trúc tạo ra nhiều đỉnh hấp thụ nhờ kích hoạt các cộng hưởng từ bậc cao. Các mode cộng hưởng bậc một, bậc ba và bậc năm cùng xuất hiện trong dải gigahertz. Quy trình nghiên cứu kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo. Mô hình mạch điện tương đương LC giúp xác định chính xác công thức tần số cộng hưởng. Các phép đo thực nghiệm khẳng định độ trùng khớp cao với kết quả tính toán lý thuyết. Độ dày lớp điện môi và lớp kim loại hầu như không làm biến đổi vị trí đỉnh hấp thụ. Ngược lại, việc tinh chỉnh bán kính trong và bán kính ngoài của vành khuyên cho phép kiểm soát linh hoạt các tần số cộng hưởng. Hằng số mạng ô cơ sở chỉ ảnh hưởng đáng kể đến cộng hưởng bậc năm.
3.1. Cơ chế cộng hưởng từ bậc cao trên cấu trúc vành khuyên
Cấu trúc vành khuyên kích thích các mode cộng hưởng từ đa bậc dưới tác động của từ trường sóng tới. Ở mode cơ bản bậc một, dòng điện cảm ứng chạy ngược chiều giữa đĩa vành khuyên và mặt đáy kim loại. Dòng điện này tạo ra một vòng lặp từ tính khép kín cực mạnh. Khi tần số tăng lên, các mode bậc ba và bậc năm tiếp tục hình thành dọc theo chu vi vành khuyên. Mỗi mode tạo ra một đỉnh hấp thụ riêng biệt với hiệu suất vượt trên 90%. Cơ chế này cho phép hấp thụ đa dải tần mà không cần mở rộng kích thước hình học của ô cơ sở. Mật độ năng lượng tập trung mạnh mẽ trong lớp điện môi.
3.2. Mô hình hóa mạch tương đương LC và thực nghiệm GHz
Mô hình mạch LC tương đương cung cấp công cụ phân tích giải tích trực quan. Vành kim loại đóng vai trò như điện cảm L, trong khi khe hở giữa các lớp vật liệu đóng vai trò tụ điện C. Tần số cộng hưởng được tính toán chính xác dựa trên các tham số hình học. Mẫu vật liệu được chế tạo bằng công nghệ mạch in chuẩn trên tấm nền FR4. Quá trình đo đạc thực nghiệm trong buồng đo vi sóng kiểm chứng phổ phản xạ và hấp thụ. Kết quả đo thực tế ở vùng gigahertz hoàn toàn trùng khớp với mô phỏng số. Thiết kế duy trì khả năng hấp thụ ổn định khi thay đổi góc phân cực từ 0 đến 90 độ.
IV. Ứng dụng của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Vật liệu biến hóa hấp thụ đa đỉnh mang lại tiềm năng ứng dụng to lớn trong kỹ thuật hiện đại. Khả năng triệt tiêu sóng điện từ độc lập với phân cực mở ra giải pháp đột phá cho công nghệ tàng hình quân sự. Lớp phủ bề mặt làm suy giảm mạnh diện tích phản xạ hiệu dụng radar đối phương. Máy bay và tàu chiến trang bị vật liệu này có thể lẩn tránh các hệ thống radar trinh sát đa băng tần. Độ dày siêu mỏng và trọng lượng nhẹ giúp tối ưu tải trọng phương tiện tác chiến. Bên cạnh lĩnh vực quốc phòng, cấu trúc còn ứng dụng rộng rãi trong đời sống dân dụng. Vật liệu đóng vai trò như tấm chắn bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi nhiễu điện từ trường. Các đỉnh hấp thụ có hệ số phẩm chất cao biến cấu trúc thành cảm biến đo chiết suất môi trường cực nhạy. Bất kỳ thay đổi nhỏ của môi trường xung quanh đều làm dịch chuyển tần số cộng hưởng rõ rệt. Ngoài ra, thiết bị hỗ trợ thu gom năng lượng sóng điện từ không dây để sạc cho cảm biến vi mô. Công trình nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các thiết bị điện từ thế hệ mới.
4.1. Công nghệ tàng hình radar và giảm thiểu tương phản điện từ
Khả năng hấp thụ đa đỉnh đóng vai trò cốt lõi trong kỹ thuật tàng hình hiện đại. Radar quân sự thường quét trên nhiều tần số vi sóng khác nhau để phát hiện mục tiêu. Cấu trúc vành khuyên hấp thụ đồng thời tại các đỉnh cộng hưởng, triệt tiêu tín hiệu phản xạ về máy thu. Tính độc lập phân cực giúp bề mặt duy trì hiệu quả tàng hình ngay cả khi máy bay cơ động đổi hướng. Sóng phân cực đứng hay ngang đều bị tiêu tán hoàn toàn thành nhiệt năng. Lớp vật liệu mỏng nhẹ này dễ dàng dán lên vỏ khí tài, giúp nâng cao khả năng sống sót trong tác chiến hiện đại.
4.2. Cảm biến chiết suất và thu gom năng lượng điện từ vi sóng
Các đỉnh cộng hưởng có độ rộng phổ hẹp tạo điều kiện lý tưởng cho cảm biến chiết suất. Khi môi trường bao quanh thay đổi chất lỏng hoặc khí, tần số cộng hưởng dịch chuyển tức thì. Thiết bị có thể nhận biết nồng độ hóa chất hoặc mầm bệnh sinh học với độ chính xác cao. Ngoài ra, việc thu gom năng lượng điện từ tán xạ trong môi trường là hướng phát triển giàu tiềm năng. Cấu trúc chuyển đổi bức xạ vi sóng thu được thành dòng điện vi mô. Nguồn năng lượng này cấp điện liên tục cho các cảm biến không dây tự hành, mở ra giải pháp xanh cho mạng lưới thiết bị kết nối vạn vật.