(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu hiệu ứng chuyển đổi trạng thái phân cực của sóng điện từ dựa trên vật liệu biến hóa trong vùng tấn số ghz

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÙI XUÂN SƠN HẢI NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRONG VÙNG TẦN SỐ GHz LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÙI XUÂN SƠN HẢI NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRONG VÙNG TẦN SỐ GHz Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN TRÌNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS VŨ ĐÌNH LÃM PGS.TS BÙI NGUYÊN QUỐC Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu tơi dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn GS.TS Vũ Đình Lãm PGS.TS Bùi Ngun Quốc Trình Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chƣa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn chịu trách nhiệm HỌC VIÊN BÙI XUÂN SƠN HẢI LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy GS.TS Vũ Đình Lãm thầy PGS.TS Bùi Nguyên Quốc Trình TS Bùi Sơn Tùng, TS Bùi Xuân Khuyến dành thời gian, tâm huyết, ln tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng kịp thời tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô cán Học viện Khoa học Công nghệ giảng dạy, trang bị kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cơ, anh, chị nhóm nghiên cứu Metagroup – IMS GS TS Vũ Đình Lãm nhóm nghiên cứu VJU Lab PGS.TS Bùi Nguyên Quốc Trình hết lịng giúp đỡ, chia sẻ khó khăn trình nghiên cứu động viên tinh thần suốt thời gian làm luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, ngƣời than bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn HỌC VIÊN BÙI XUÂN SƠN HẢI MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA 1.1.1 Lịch sử hình thành 1.1.2 Khái niệm 1.1.3 Một số hƣớng nghiên cứu vật liệu biến hóa .12 1.2 HIỆU ỨNG CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ TRÊN VẬT LIỆU BIẾN HÓA 19 1.2.1 Tính thực tiễn vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực .19 1.2.2 Cơ chế trình chuyển đổi phân cực vật liệu biến hóa 19 1.3 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 21 1.3.1 Ứng dụng cơng nghệ tàng hình 22 1.3.2 Ứng dụng ăng ten 23 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 24 2.2 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN 27 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 ĐIỀU CHỈNH ĐẶC TÍNH CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC BẰNG THAM SỐ CẤU TRÚC 30 3.1.1 Cấu trúc đề xuất 30 3.1.2 Kết khảo sát mô 31 3.2 ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC BẰNG ĐIỆN ÁP NGỒI 41 3.2.1 Cấu trúc đề xuất 41 3.2.2 Khảo sát chuyển đổi đặc tính chuyển đổi phân cực đặc tính hấp thụ tuyệt đối cấu trúc đề xuất thay đổi điện áp 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 50 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Chữ viết tắt/ Tiếng Việt Ký hiệu Absorption Computer Simulation A Độ hấp thụ CST Công nghệ mô Technology Split ring resonator máy tính SRR Vịng cộng hƣởng có rãnh E Điện trƣờng PA Hấp thụ tuyệt đối LHM Vật liệu biến hóa chiết suất Electric field Perfect absorption Left Handed Metamaterials âm Finite Intergrate Technique FIT Kỹ thuật tích phân hữu hạn Frequency Domain Solver FDS Giải theo miền tần số Polarization conversion ratio PCR Tỷ lệ chuyển đổi phân cực Impedance Z Trở kháng Magnetic field H Từ trƣờng Metamaterials MMs Vật liệu biến hóa PC Chuyển đổi phân cực µ Độ từ thẩm Polarization conversion Permeability Permittivity Độ điện thẩm ɛ Wave vector k Vector truyền sóng Reflection R Độ phản xạ Transient Solver TS Giải theo miền thời gian Transmission T Độ truyền qua RCS Tiết diện Radar Radar Cross Section DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng tham số cấu trúc vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực sóng điện từ phân cực sóng điện từ tới Bảng Bảng tham số cấu trúc đề xuất vật liệu biến hóa chuyển đổi chủ động chế độ chuyển đổi phân cực sóng điện từ chế độ hấp thụ tuyệt đối 42 31 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ [38-40] 10 Hình Hình ảnh so sánh cấu trúc vật liệu truyền thống vật liệu biến hóa Vật liệu truyền thống đƣợc cấu tạo từ nguyên tử vật liệu biến hóa cấu tạo từ sở có vai trị giống nhƣ nguyên tử 12 Hình Mẫu chế tạo vật liệu biến hóa có chiết suất âm phổ truyền qua đo đƣợc thực nghiệm vùng tần số GHz 13 Hình (Từ trái qua phải) Hình ảnh siêu thấu kính thực tế chế tạo vật liệu biến hóa chiết suất âm giản đồ mô tả tƣơng tác sóng điện từ siêu thấu kính LHM làm từ vật liệu biến hóa [45] 14 Hình (a) Hình ảnh mơ hình cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (b) phổ hấp thụ [46] 15 Hình Cơ chế lọc phân cực sóng truyền qua, sóng tới đƣợc chuyển đổi từ trạng thái phân cực thẳng thành phân cực elip [54] 17 Hình (a) Phổ tham số phản xạ đồng trục vng góc (b) pha độ lệch pha tƣơng ứng hai tham số phản xạ (c) mơ hình cấu trúc chuyển đổi phân cực dải tần rộng [57] 18 Hình (a) Nguyên lý làm việc chuyển đổi phân cực (b) Ô sở cấu trúc vật liệu Meta chuyển đổi phân cực[63] 20 Hình (a)Cấu trúc (b)phổ PCR mơ hình vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực sóng phản xạ dải tần rộng [67] 21 Hình 10 Sóng phản xạ đƣợc chuyển đổi từ (b)phân cực vng góc thành (a)phân cực trịn PIN diode đƣợc bật từ trạng thái OFF qua trạng thái ON [70] 21 Hình 11 Hình ảnh (a)góc nhìn từ xuống (b)mặt cắt ngang (c)ô sở cấu trúc bề mặt chuyển đổi phân cực có hiệu ứng chuyển đổi phân cực dải tần rộng ứng dụng ăng ten thu nhỏ với hệ số RCS thấp [76] 22 Hình 12 a) Sơ đồ thành phần cấu trúc b) hình ảnh thiết kế thơng số chi tiết bề mặt vật liệu biến hóa ăng ten đƣợc đề xuất [94] 23 Hình Giao diện phần mềm mơ CST……………………………… 24 Hình 2 Giao diện làm việc phần mềm CST……………………………… 26 Hình Cơ chế chuyển đổi phân cực sóng phản xạ vật liệu biến hóa 28 Hình Mơ hình cấu trúc sở vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực sóng điện từ vùng tần số GHz đƣợc đề xuất 30 Hình Phổ (a) độ phản xạ (b) PCR cấu trúc chuyển đổi phân cực với tham số đề xuất 32 Hình 3 (a) Sơ đồ mơ tả chế chuyển đổi phân cực (b) Độ lớn hệ số phản xạ thành phần Pha độ lệch pha (c) sóng phản xạ đồng trục (d) sóng phản xạ vng góc tƣơng ứng với trục x y sóng điện từ tới có thành phần điện trƣờng phân cực theo trục u 33 Hình Phổ (a) Rvu (b) Ruu mơ (nét đứt) tính tốn (nét liền) 33 Hình Hình ảnh mơ phân bố điện trƣờng mặt trƣớc sau cấu trúc tần số cộng hƣởng (a) 3.16 GHz, (b) 3,775 GHz (c) 4,975 GHz 34 Hình Sự phụ thuộc (a) hệ số phản xạ vng góc (Rvu) (b) tỷ lệ chuyển đổi phân cực (PCR) vào độ rộng d vành SRR 35 Hình Sự phụ thuộc (a) hệ số phản xạ vng góc (Rvu) (b) tỷ lệ chuyển đổi phân cực (PCR) vào độ rộng a vòng SRR 36 Hình Sự phụ thuộc (a) hệ số phản xạ vng góc (Rvu) (b) tỷ lệ chuyển đổi phân cực (PCR) vào kích thƣớc sở 37 Hình Sự phụ thuộc (a) hệ số phản xạ vng góc (Rvu) (b) tỷ lệ chuyển đổi phân cực (PCR) vào độ dày lớp điện mơi 38 Hình 10 Sự phụ thuộc (a) hệ số phản xạ vng góc (R vu) (b) tỷ lệ chuyển đổi phân cực (PCR) vào độ rộng rãnh vịng cộng hƣởng SRR39 Hình 11 Sự phụ thuộc (a) hệ số phản xạ vng góc (R vu) (b) tỷ lệ chuyển đổi phân cực (PCR) vào vị trí rãnh vịng cộng hƣởng SRR 40 Hình 12 Phổ PCR (phóng to) cấu trúc khảo sát giá trị vị trí rãnh khác 40 Hình 13 Mơ hình đề xuất cấu trúc vật liệu biến hóa chuyển đổi chế độ chuyển đổi phân cực hấp thụ tuyệt đối 41 Hình 14 Đƣờng đặc trƣng C-U diode SMV 2019-079 LF sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng [102] 42 Hình 15 Hình ảnh (a) phổ tham số phản xạ đồng trục vng góc (b) PCR cấu trúc khảo sát điện áp U=0V (c);(d) tham số tƣơng ứng cấu trúc vật liệu biến hóa tƣơng đƣơng có rãnh vịng cộng hƣởng43 Hình 16 Hình ảnh (a) phổ tham số phản xạ đồng trục vng góc (b) PCR cấu trúc khảo sát điện áp U=-5,2V (c)(d) tham số tƣơng ứng cấu trúc vật liệu biến hóa tƣơng đƣơng có rãnh vịng cộng hƣởng44 Hình 17 Hình ảnh mô phân bố điện trƣờng bề mặt dƣới cấu trúc tần số cộng hƣởng f = 3,48 GHz f = 3,6305 GHz điện áp đặt vào diode tƣơng ứng (a-c) U=0V (b-d) U=-5,2V Hình 18 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ PCR theo điện áp cấp vào diode 46 45