Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp xác định các tham số của vật liệu sử dụng sóng điện từ ở dải siêu cao tần

BỘ QUỐC PHỊNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ HỒ MẠNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU  PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ  CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG SĨNG ĐIỆN TỪ  Ở DẢI SIÊU CAO TẦN Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9.52.02.03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI  HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ ­ BỘ QUỐC  PHỊNG    Người hướng dẫn khoa học:  PGS. TS Vũ Văn m Phản biện 1:    Phản biện 2:  Phản biện 3:       Luận  án  được bảo vệ  tại  Hội  đồng đánh giá  luận án cấp Học viện theo quyết định số    / ……, ngày … tháng … năm …… của Giám đốc  Học viện Kỹ  thuật qn sự, họp tại Học viện  Kỹ thuật qn sự vào hồi   giờ   ngày   tháng  …. năm … Có thể tìm hiểu luận án tại:     ­ Thư viện Học viện Kỹ thuật qn sự    ­ Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Trong khi cơng nghệ quyết định cách sử dụng vật liệu điện  từ thì khoa học cố gắng để  giải mã sự tương tác của vật liệu với  trường điện từ. Các phản  ứng của vật liệu với trường  điện từ  được xác định chặt chẽ  bởi sự  dịch chuyển các điện tử  tự  do, bị  chặn của phản  ứng bằng các điện trường và sự  định hướng các  mơ­men ngun tử của phản  ứng bằng từ trường. Vật liệu có thể  được phân loại thành chất bán dẫn, chất dẫn, chất cách điện hoặc   vật liệu điện môi. Vật liệu điện môi được sử dụng rộng rãi trong   các mạch điện tử  làm việc   dải siêu cao tần như  các vật liệu  nền, các mạch cộng hưởng, các vật liệu hấp thụ hoặc các tụ điện   ở tần số cao v.v… Đặc biệt khi nghiên cứu phát triển, thiết kế các   mạch tích hợp ở dải siêu cao tần địi hỏi phải biết đầy đủ các đặc   tính của các loại vật liệu điện mơi được đưa vào sử  dụng trong   dải tần số này. Bởi vì hoạt động của tất cả các mạch ở tần số cao   phụ  thuộc vào tính chất điện mơi của vật liệu nền. Trong khi các  nhà sản xuất thường đưa ra một giá trị  điện mơi cho các vật liệu   nền ở tần số thấp hoặc một tần số nào đó, điều này khơng đủ  để  sử dụng ở tần số cao hoặc ở dải tần số rộng. Vì vậy, việc nghiên   cứu phương pháp xác định các tham số  của vật liệu là có ý nghĩa  quan trọng trong thực tiễn, đặc biệt khi thiết kế  các mạch   dải   siêu cao tần Đặc trưng cho đặc tính của vật liệu điện từ là tính chất điện  và từ  được thể  hiện bởi các tham số  điện mơi và từ  thẩm. Dựa   trên mối quan hệ  giữa tham số tán xạ  S  và tham số  của vật liệu  các nhà khoa học trên thế giới đã xây dựng nhiều kỹ thuật đo và đi  kèm theo đó là các thuật tốn biến đổi khác nhau để xác định điện  mơi và từ  thẩm của vật liệu điển hình như: cộng hưởng vịng vi  dải [23], [28], [46], [59]; hốc cổng hưởng [11], [15], [19]; đầu dị  đồng trục hở  mạch đầu cuối [3], [4], [10], [20], [31], [39], [50];   đường truyền vi dải [16], [24], [33], [42], [64];  ống d ẫn sóng [6],  [55], [63]; khơng gian tự do [1], [8], [21], [22], [45], [53] Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên cũng như mục tiêu nghiên   cứu phát triển phương pháp xác định tham số của vật liệu sử dụng  sóng điện từ ở dải siêu cao tần. Nội dung của luận án chủ yếu tập   trung vào nghiên cứu phương pháp sử dụng kỹ thuật đường truyền  vi dải và khơng gian tự  do để  xác định các tham số  của vật liệu  làm tiền đề cho nghiên cứu đề xuất mơ hình mới, thuật tốn mới Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu đề  xuất phương pháp, thuật tốn, mơ hình để  xác định các tham số của vật liệu sử dụng kỹ thuật đường truyền  vi dải và khơng gian tự do ở dải siêu cao tần Đối tượng nghiên cứu: Tính chất điện mơi và từ  thẩm của vật liệu điện từ; đường   truyền vi dải và khơng gian tự do; thuật tốn độ phân giải cao Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp sử dụng đường truyền vi dải để xác định tham   số  của vật liệu   dải siêu cao tần; phương pháp sử  dụng sóng  điện từ trong khơng gian tự do để xác định tham số của vật liệu ở  băng tần X Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mơ hình, đề  xuất, cải tiến   các thuật tốn kết hợp giữa mơ phỏng và thực nghiệm đo đạc Cấu trúc của luận án:   Luận án bao gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3; kết luận và  hướng nghiên cứu tiếp theo. Cuối cùng là các cơng trình khoa học   đã cơng bố và tài liệu tham khảo. Tổng số 102 trang, 7 bảng biểu,   63 hình vẽ và đồ thị (khơng kể phần phụ lục) Những đóng góp của luận án:            1) Đề  xuất mơ hình một đường truyền và hai đường truyền  cho phương pháp sử  dụng kỹ  thuật đường truyền vi dải để  xác  định các tham số của vật liệu ở dải siêu cao tần 2) Đề  xuất mơ hình hai đường truyền và thuật tốn độ  phân  giải   cao   cho   phương   pháp   sử   dụng   truyền   sóng   điện   từ   trong  khơng gian tự  do để   ước lượng các tham số  của vật liệu   băng  tần X, cho phép cải thiện độ chính xác của ước lượng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ  CỦA VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC  THAM SỐ CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG SĨNG ĐIỆN TỪ 1.1. Tổng quan về tính chất điện từ của vật liệu 1.1.1. Khái niệm về tính chất điện từ của vật liệu Dựa vào tính chất điện từ  của từng loại vật liệu mà người   ta chia thành chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn [14].  Tính chất điện từ của vật liệu được biểu diễn thơng qua hai  tham số phức là điện mơi () và từ thẩm () được định nghĩa:   Equation   Section   1\* MERGEFORMAT (.)   \* MERGEFORMAT (.) Trường điện từ  tương tác với vật liệu theo hai dạng năng  lượng tích trữ  và tiêu hao. Năng lượng tích trữ  bao gồm các tham  số ,  mơ tả một phần mất mát năng lượng trong q trình trao đổi   giữa trường điện từ  với vật liệu. Tiêu hao năng lượng bao gồm  các tham số  ,    xảy ra khi năng lượng điện từ  bị  hấp thụ  bởi vật   liệu [14] 7 1.1.2. Tính chất điện mơi của vật liệu Điện mơi của vật liệu khơng phải là một hằng số mà là một  hàm phụ  thuộc vào tần số  [41]. Điện mơi của vật liệu liên quan   đến một loạt các hiện tượng vật lí như  sự  dẫn điện tích, sự  phân   cực lưỡng cực, sự phân cực ngun tử và điện tử [36], [37], [44] 1.1.3. Tính chất từ thẩm của vật liệu Sự phụ thuộc tần số của các vật liệu từ tính là khá phức tạp  và một số cơ chế góp phần vào tính chất từ thẩm của một vật liệu  vẫn chưa được xem xét đầy đủ. Tuy nhiên,   dải siêu cao tần từ  thẩm của vật liệu có liên quan đến các hiện tượng vật lí như sự từ  hóa và vịng từ trễ, từ thẩm vơ hướng [27], [44], [49] 1.2. Tổng quan về phương pháp xác định các tham số  của vật  liệu 1.2.1. Giới thiệu Phương pháp xác định các tham số  của vật liệu sử  dụng   sóng điện từ  có thể  chia làm hai loại là các phương pháp khơng   cộng hưởng và cộng hưởng. Trong mỗi loại phương pháp lại chia   ra thành các phương pháp tương ứng với từng kỹ thuật cụ thể.  1.2.2. Phương pháp sử dụng kỹ thuật đường truyền vi dải Hình 1.5 thể  hiện một  mạch vi dải  bao gồm một  đường  truyền vi dải với chiều rộng  w, chiều dày lớp đồng t và một mặt  phẳng đất được ngăn cách nhau bởi một chất nền điện mơi với   chiều dày h và được chế tạo bằng công nghệ mạch in PCB εr x w εr t h y Hình 1.5: Mơ hình của một mạch vi dải [14] Trong thiết kế kỹ thuật, người ta coi sóng truyền trên đường  vi dải có mode sóng tựa TEM và sử dụng phương pháp bán tĩnh để  tính tốn điện dung phân bố; sau đó tính tốn hằng số truyền sóng,  trở kháng đặc tính của đường vi dải [24], [25], [26] 1.2.3. Phương pháp sử dụng kỹ thuật khơng gian tự do Mơ hình truyền sóng điện từ trong khơng gian tự do thì ăng­ ten đóng vai trị quan trọng trong việc bức xạ  sóng điện từ  [7],   [12], [61], [65]. Các mẫu ăng­ten được sử dụng trong phương pháp  này chủ yếu là các mẫu ăng­ten như hình 1.8 (a) (b) (c) Hình 1.8: Các mẫu ăng­ten điển hình: (a) ống dẫn sóng chữ nhật,   (b) loa tháp, (c) loa nón [7] Một ống dẫn sóng chữ nhật như hình 1.8a có thể được dùng   làm ăng­ten để  đo đặc tính của vật liệu bằng phương pháp phản  xạ. Trong khi, các loại ăng­ten loa tháp và nón như  hình 1.8b và   1.8c     sử   dụng     việc   đo   đặc   tính     vật   liệu     phương pháp truyền/phản xạ trong không gian tự do 1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu Nghiên   cứu   đề   xuất   mơ   hình     đường   truyền     hai  đường truyền cho phương pháp sử  dụng kỹ  thuật vi dải để  xác  định các tham số của vật liệu ở dải siêu cao tần 9 Nghiên cứu đề xuất mơ hình hóa, mơ hình hai đường truyền   và thuật tốn độ phân giải cao cho phương pháp sử dụng sóng điện  từ trong khơng gian tự do để xác định tham số của vật liệu ở băng  tần X 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan về  tính chất điện từ  của   vật liệu, kỹ thuật đường truyền vi dải, kỹ thuật không gian tự  do  và cuối cùng là đặt vấn đề  nghiên cứu cho các chương tiếp theo  của luận án.   CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN  VI DẢI ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA VẬT LIỆU Ở  DẢI SIÊU CAO TẦN 2.1. Đề  xuất dụng mơ hình một đường truyền vi dải để  xác   định các tham số của vật liệu  2.1.1. Mơ hình thuật tốn một đường truyền vi dải Hình 2.1 thể hiện mẫu mạch điện với một đường truyền vi  dải với chiều rộng w, chiều dài L và đặc tính trở kháng Z w Cổng Cổng L Hình 2.1: Sơ đồ mạch điện với một đường vi dải Từ mơ hình trên có thể xác định ma trận tán xạ  S [14]. Theo  [34], [63] hằng số truyền sóng phức γ và trở kháng đặc tính Z của  đường truyền vi dải được xác định thơng qua ma trận tán xạ  S.  Điện   môi   hiệu   dụng   phức     chất       tính   tốn     phương trình sau: 10                 Equation Section 2.13Equation Chapter (Next) Section 1Equation Section 2.13(2.13) Theo [29] quan hệ  giữa  điện mơi hiệu dụng và điện mơi  tương đối của chất nền cho bởi phương trình sau:                          Equation Section 2.13Equation Chapter (Next) Section 1Equation Section 2.13(2.14)  2.1.2. Kết quả mô phỏng Đề xuất đã sử dụng phần mềm CST để thiết kế, mô phỏng  cho mẫu mạch vi dải với chất nền RO­4350B   dải tần (0,5 –   12,5)GHz.  Bảng 2.1 Kí hiệu Giá trị L 6,5mm h 0,254mm w 0,5mm h t 18µm ' εr 3,65 (tại 10GHz) tanδe 0,0037 (tại 10GHz) w t L t Hình 2.2: Mạch một đường truyền vi dải thiết kế bằng CST Kết quả xác định điện mơi phức của vật liệu nền như sau: Lý thuyết ầ th n h P cự đ ệ m in i p ô h Mô Tần số [GHz] Hình 2.3: Phần thực điện môi tương đối phức của RO­4350B Hình 2.3 cho thấy phần thực điện môi phức của mẫu khá ổn   định; tỉ  lệ  sai số  giữa mơ phỏng và lý thuyết nhỏ  nhất là 0,98%,   lớn nhất là 2,92% và trung bình là 1,7%