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%