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

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-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong cải thiện đặc tính ăng-ten Fabry-PerotNghiên 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HỮU TRƯỞNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HỮU TRƯỞNG

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

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024 Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh

TS Tạ Sơn Xuất TS Nguyễn Khắc Kiểm Lê Hữu Trưởng

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Tạ Sơn Xuất và TS Nguyễn Khắc Kiểm

đã hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này

Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Trường Điện - Điện tử, Cơ quan quản lý nghiên cứu sinh, Đại học Bách Khoa Hà Nội, đơn vị nơi tôi công tác, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu Tôi xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị/em sinh viên, nghiên cứu sinh, và thành viên trong Lab CRD đã tận tình hỗ trợ, trao đổi, và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này

Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình

Sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

Nghiên cứu sinh

Lê Hữu Trưởng

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ĐIỂN HÌNH X DANH MỤC HÌNH VẼ XII DANH MỤC BẢNG BIỂU XVI

MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu về siêu vật điện từ điều khiển tán xạ và ứng dụng 1

2 Những vấn đề còn tồn tại và tính cấp thiết 2

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 7

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án 8

5 Cấu trúc nội dụng của luận án 9

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 11

1.1 SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ 11

1.1.1 Định nghĩa siêu vật liệu điện từ 11

1.1.2 Suy đoán lý thuyết của Viktor Veselago 12

1.1.3 Thực nghiệm minh họa vật liệu LH 13

1.1.4 Siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ 18

1.1.5 Siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ 20

1.2 NGUYÊN LÝ MẶT PHẲNG PHẢN XẠ MỘT PHẦN [35] 22

1.2.1 Mô hình nguyên lý 22

1.2.2 Điều kiện biên độ hệ số phản xạ 25

1.2.3 Điều kiện pha hệ số phản xạ 26

1.3 ĂNG-TEN SỬ DỤNG SIÊU BỀ MẶT ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN TÁN XẠ 27

1.3.1 Ăng-ten mảng phản xạ 27

iv

1.3.2 Ăng-ten thấu kính phẳng 27

1.3.3 Ăng-ten giảm nhỏ diện tích phản xạ hiệu dụng 29

1.4 ĂNG-TEN HỐC CỘNG HƯỞNG FABRY-PEROT 30

1.5 BỘ LỌC VÀ ĂNG-TEN KẾT HỢP BỘ LỌC THÔNG DẢI 32

1.5.1 Định nghĩa về bộ lọc 32

1.5.2 Phân chia bộ lọc 32

1.5.3 Bộ lọc thông dải 33

1.5.4 Ăng-ten kết hợp bộ lọc thông dải 35

1.6 DIỆN TÍCH PHẢN XẠ HIỆU DỤNG 37

1.6.1 Phương trình ra-đa 37

1.6.2 Định nghĩa diện tích phản xạ hiệu dụng 38

1.6.3 Diện tích phản xạ hiệu dụng của một vật thể 39

1.6.4 Phương pháp tối ưu RCS của vật thể 40

1.7 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUỐC PHÒNG NỔI BẬT GẦN ĐÂY 42 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 44

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 46

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2 46

2.2 CẤU TRÚC ĂNG-TEN 48

2.3 CẤU TRÚC PHẦN TỬ ĐƠN CHO MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN BĂNG RỘNG 50

2.4 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ĂNG-TEN 51

2.5 THIẾT KẾ MẠCH TIẾP ĐIỆN VI SAI KÉP 55

2.5.1 Sơ đồ đường truyền cao tần 55

2.5.2 Mô phỏng ba-lun 57

2.5.3 Mô phỏng mạch tiếp điện sử dụng ANSYS Electronics Desktop 58

2.6 CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 61

2.7 SO SÁNH ĂNG TEN ĐỀ XUẤT VỚI CÁC CÔNG BỐ GẦN ĐÂY 65

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 67

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

v

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 70

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3 70

3.2 MỤC TIÊU THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT 71

3.3 MẶT PHẢN XẠ MỘT PHẦN TÍCH HỢP SIÊU BỀ MẶT ĐIỆN TỪ SẮP XẾP HÌNH BÀN CỜ 72

3.4 CẤU TRÚC ĂNG-TEN 75

3.4.1 Cấu trúc 75

3.4.2 Ăng-ten mạch in sử dụng tiếp điện hình-T 76

3.5 ĐẶC TÍNH CỦA ĂNG-TEN TRONG CÁC MÔ HÌNH KHÁC NHAU 76

3.6 CẤU TRÚC BÀN CỜ VỚI SỐ PHẦN TỬ ĐƠN VỊ KHÁC NHAU 79

3.7 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH TÁN XẠ VỚI SÓNG TỚI ĐA DẠNG PHÂN CỰC 81

3.8 CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 81

3.8.1 Mẫu chế tạo 81

3.8.2 Kết quả đo đặc tính bức xạ 82

3.8.3 Kết quả đo đặc tính tán xạ 84

3.9 SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 85

3.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 87

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu/

Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

02 3GPP Third Generation Partnership

04 6G 6th Generation of Mobile Network Mạng thông tin di động thế hệ thứ 6

05 ADS Advanced Design System Phần mềm ADS của nhà sản

xuất Keysight

06 AESA Active Electronically Scanned

Array

Mảng quét điện tử chủ động

07 AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo

08 AS Absorbing structure Cấu trúc hấp thụ

10 BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

11 CAMS Chessboard Arrangement MetaSurface Siêu bề mặt điện từ sắp xếp theo ô bàn cờ

13 CPW CoPlanar Waveguide Ống dẫn sóng phẳng

14 CRLH Composite Right-Left Hand Tay phải – trái phức hợp

16 EBG Electromagnetic Band Gap Bề mặt khoảng trống điện từ

vii

STT Ký hiệu/

Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

17 FIR Fintite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn

18 FMCW Frequency Modulated

Continuous Wave

Sóng điều tần liên tục

19 FPA Fabry-Perot Antenna Ăng ten Fabry-Perot

20 FPGA Field Programmable Gate

Arrays

Mảng khả trình công nghệ trường

21 FSS Frequency Selective Surface Bề mặt chọn lọc tần số

23 HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao

25 HPRS Hybrid Partially Refelecting

Surface

Siêu bề mặt điện từ lai phản xạ một phần

27 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện Kỹ sư Điện và Điện tử

28 IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung vô hạn

29 ISI Institute for Scientific

Information

Viện thông tin khoa học

31 LHCP Left Hand Circular

Polarization

Phân cực tròn trái

33 LTCC Low Temperature Co-Fired Ceramics Gốm nung đồng thời ở nhiệt độ thấp

34 MCU Micro-Controller Unit Vi điều khiển

viii

STT Ký hiệu/

Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

36 NRI Negative Refractive Index Chỉ số khúc xạ âm

37 PBC Periodic Boundary Condition Điều kiện biên chu kỳ tuần hoàn

38 PCB Printed Circuit Board Mạch in

39 PCM Polarization Conversion Metasurface Siêu bề mặt điện từ chuyển đổi phân cực

40 PCS Polarization Conversion

Surface

Siêu bề mặt điện từ chuyển đổi phân cực

41 PEC Perfect Electrical Conductor Vật dẫn điện lý tưởng

42 PFA Fabry-Perot Antenna Ăng-ten Fabry-Perot

43 PIN Positive - Intrinsic - Negative Cấu trúc bán dẫn PIN

44 PML Perfectly Matched Layer Lớp phối hợp trở kháng lý

tưởng

45 PRS Partially Reflecting Surface Bề mặt phản xạ một phần

46 PSS Phase-Shifting Surface Bề mặt dịch pha

47 RADAR RAdio Detection And

Ranging

Ra-đa

48 RCS Radar Cross Section Tiết diện ra-đa, hoặc diện tích

phản xạ hiệu dụng trong ra-đa

49 RCSR Radar Cross Section

Reduction

Độ suy giảm diện tích phản xạ hiệu dụng trong ra-đa

52 RHCP Right Hand Circular

Polarization

Phân cực tròn phải

ix

STT Ký hiệu/

Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

53 RIS Reactive Impedance Surface Bề mặt trở kháng phản ứng

54 SAR Synthetic Aperture Radar Radar khẩu độ tổng hợp

55 SAW Surface Accoustic Wave Sóng âm bề mặt

56 SMA Sub-Miniature version A Đầu nối cao tần chuẩn SMA

57 SNR Signal To Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

58 SRR Split Ring Resonator Vòng xuyến hở

59 TPG Transverse Permitivity

Gradient

Độ điện thẩm ngang biến thiên liên tục

61 TW-SRR Thin Wire-Split Ring Resonator Dây mảnh-Vòng xuyến hở

62 UAV Unmanned Aerial Vehicle Máy bay không người lái

63 UCAV Unmanned Combat Aerial

Khoảng trống quang tử phẳng

65 UCSD University of California San

Diego

Đại học California San Diego

66 VNA Vector Network Analyzer Máy phân tích mạng véc-tơ

67 VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp

68 WLAN Wireless Local Area Network Mạng giao tiếp không dây cục bộ

03 a Bán kính của sợi dây dẫn mảnh

04 A Diện tích mặt cắt ngang của vật thể (Aperture)

05 B Băng thông

06 c Hằng số vận tốc ánh sáng; c = 2,99792458.108 (m/s)

07 E Thành phần cường độ điện trường

08 0 Độ điện thẩm trong không gian tự do; 0 = 8,854,10-12 (F/m)

09 r Độ điện thẩm tương đối

15 n Chiết suất của môi trường

16 p Kích thước phần tử đơn (Unit Cell)

17 P t Công suất phát xạ trong phương trình ra đa

18 Q Hệ số chất lượng

19 R Trở kháng

20 R max Khoảng cách cực đại tới mục tiêu trong phương trình ra đa

xii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ quan hệ điện thẩm – từ thẩm (ε - μ) và chỉ số khúc xạ (n) [15] 12

Hình 1.2 Minh họa cấu trúc siêu vật liệu điện từ đầu tiên với: (a) Cấu trúc mảng dây dẫn mảnh có các hệ số -ε/+μ; và (b) Cấu trúc mảng vòng kim loại xẻ khe có +ε/-μ [15]. 14

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc siêu vật liệu điện từ kết hợp TW-SRR [15] 16

Hình 1.4 Minh họa cấu trúc siêu vật liệu điện từ kết hợp TW-SRR xếp 3D [15] 16

Hình 1.5 Minh họa mô hình kiểm tra thực nghiệm tính chất LH của cấu trúc siêu vật liệu điện từ kết hợp TW-SRR xếp 3D quanh khoảng 5GHz [15] 17

Hình 1.6 Áo choàng điện từ hoạt động ở tần số 10 GHz [19] 18

Hình 1.7 Áo choàng điện từ phủ trên mặt phẳng đất [20] 18

Hình 1.8 Áo choàng điện từ tàng hình 3-chiều [23] 19

Hình 1.9 Hố đen điện từ [24] 19

Hình 1.10 Các cấu trúc khác nhau của siêu bề mặt điện từ: (a) mảng các phần tử kim loại tán xạ, (b) mảng các phần tử hình cầu [25], và (c) mảng các ăng-ten quang học hình chữ V [26] 20

Hình 1.11 Các cấu trúc khác nhau của siêu bề mặt điện từ: (a) bề mặt trở kháng cao (HIS) hoặc bề mặt khoảng trống điện từ (EBG) [27], (b) khoảng trống quang tử phẳng (UC-PBC) [28], (c) bề mặt trở kháng phản ứng (RIS) [29] hay bề mặt dẫn từ nhân tạo (AMC) [30] 20

Hình 1.12 Áo choàng dạng thảm định hướng sử dụng siêu bề mặt điện từ [31] 21

Hình 1.13 (a) Cấu trúc của siêu bề mặt điện từ mã hóa 1 bit, (b) Hai siêu bề mặt được mã hóa với thao tác với các chùm tán xạ [33] 21

Hình 1.14 Sự phát triển của siêu bề mặt điện từ [34] 22

Hình 1.15 Minh họa cấu trúc truyền sóng trong mặt phẳng phản xạ một phần [35] 23

Hình 1.16 Minh họa hàm biên độ công suất bức xạ tại hướng α = 0 25

Hình 1.17 Cơ chế hoạt động của ăng-ten mảng phản xạ [36] 27

Hình 1.18 (a) Ăng-ten thấu kính điện môi truyền thống và (b) ăng-ten thấu kính phẳng sử dụng siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ [39] 28

Hình 1.19 Cơ chế hoạt động của ăng-ten thấu kính phẳng (Transmit array Antenna) [40] 29

xiii

Hình 1.20 Ăng-ten giảm RCS sử dụng vật liệu hấp thụ sóng điện từ [41] 30

Hình 1.21 Cấu trúc phân bố bàn cờ giúp triệt tiêu sóng tán xạ [48] 30

Hình 1.22 Cấu trúc cơ bản của ăng-ten hốc cộng hưởng Fabry-Perot [35] 31

Hình 1.23 Đáp ứng pha của PRS trong ăng-ten Fabry-Perot 32

Hình 1.24 Đáp ứng pha của PRS trong ăng-ten Fabry-Perot băng thông rộng 32

Hình 1.25 Minh họa một bộ lọc thông dải đơn giản sử dụng linh kiện L-C [63] 34

Hình 1.26 Đáp ứng phổ tần số - biên độ đặc trưng của một bộ lọc thông dải [63] 35

Hình 1.27 Sơ đồ khối hệ thống (a) phát và (b) thu sóng điện từ 36

Hình 1.28 Hoạt động cơ bản của hệ thống ra-đa: (a) hệ thống ra-đa mono-static và (b) hệ thống ra-đa bi-static 37

Hình 1.29 RCS của một quả cầu kim loại lý tưởng [91] 39

Hình 1.30 Mô hình ngụy trang cao su bơm hơi của Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng (a) – Mô hình máy bay Su-30; (b) – Mô hình xe tăng; (c) – Mô hình tên lửa S300; (d) – Mô hình ra-đa; (Nguồn: Kienthuc.net.vn; BaoNgheAn; BaoMoi) 43

Hình 2.1 Cấu trúc của FPA lọc được đề xuất: (a) mặt cắt dọc, (b) ăng-ten nguồn sơ cấp, và (c) phần tử đơn vị của mặt phản xạ một phần PRS 49

Hình 2.2 (a) Mô hình phần tử đơn vị PRS trong phần mềm Ansys Electronic Desktop và (b) các đặc tính phản xạ của nó 50

Hình 2.3 Các bước thiết kế ăng-ten lọc Fabry-Perot 51

Hình 2.4 So sánh kết quả mô phỏng của các bước thiết kế 52

Hình 2.5 So sánh kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của các kích thước PRS 54

Hình 2.6 So sánh kết quả mô phỏng hệ số tăng ích của các kích thước PRS 55

Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ chia công suất dịch pha 180° băng rộng [96] 56

Hình 2.8 Mô hình đường truyền cao tần của ba-lun trên phần mềm ADS 56

Hình 2.9 Tham số tán xạ và độ lệch pha của bộ chia công suất dịch pha 180° băng rộng trên phần mềm ADS 57

Hình 2.10 Bộ chia công suất Wilkinson và kết quả mô phỏng tham số tán xạ trên phần mềm ANSYS Electronics Desktop 58

xiv

Hình 2.11 Bộ dịch pha 180° băng rộng và kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS Electronics Desktop 59 Hình 2.12 (a) Mô hình mô phỏng dùng ANSYS Electronics Desktop; Đồ thị tham số tán xạ và độ lệch pha của mạng tiếp vi sai kép: (b) cổng 01; (c) cổng 02 60 Hình 2.13 Mẫu chế tạo ăng-ten lọc Fabry-Perot phân cực kép: (a) – góc nhìn 03 chiều; (b) – lớp ăng-ten; (c) – Bộ tiếp điện vi sai kép 61 Hình 2.14 Sơ đồ đo kiểm ăng-ten trong buồng đo không dội 62 Hình 2.15 Kết quả mô phỏng và đo đạc (a) tham số tán xạ và (b) hệ số tăng ích của mẫu ăng-ten 63 Hình 2.16 Đồ thị bức xạ của mẫu ăng-ten khi P1 kích thích 64 Hình 2.17 Đồ thị bức xạ của mẫu ăng-ten khi P2 kích thích 65 Hình 3.1 Cơ chế hoạt động của ăng-ten Fabry-Perot sử dụng PRS tích hợp CAMS nhằm giảm RCS: (a) đặc tính bức xạ và (b) đặc tính tán xạ 72

Hình 3.2 (a) Cấu trúc PRS tích hợp CAMS: P = 13 mm, W d = 2 mm, L d = 12 mm, H sub

= 4 mm, W s = 3,6 mm, L s = 12 mm; (b) mô hình mô phỏng trong phần mềm ANSYS Electronic Desktop 73 Hình 3.3 Các bước thiết kế mặt phản xạ một phần PRS tích hợp CAMS 73 Hình 3.4 So sánh đặc tính tán xạ của các bước thiết kế PRS tích hợp CAMS: (a) Biên

độ S11, (b) Pha S11, (c) Biên độ S22, (d) Pha S22, (e) Biên độ S21, (f) độ khác pha 74 Hình 3.5 Cấu trúc ăng-ten lọc Fabry-Perot giảm nhỏ RCS: (a) hình chiếu đứng, (b) hình chiếu cạnh, (c) nguồn sơ cấp (Hc = 24,5 mm, Hsub = 4 mm, hs1 = 1,5748 mm, Wp = 15

mm, dv = 1,5 mm, Lr = 9,5 mm, Sr = 2 mm, Wf = 4,85 mm, Lf = 7 mm) 75 Hình 3.6 So sánh đặc tính của các cấu hình ăng-ten khác nhau: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ

số tăng ích, và (c) diện tích phản xạ hiệu dụng mono-static RCS 77 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng đồ thị trường tán xạ 3D của các cấu trúc ăng-ten khác nhau 78 Hình 3.8 Các cấu trúc bàn cờ khác nhau của PRS tích hợp CAMS 79 Hình 3.9 So sánh hoạt động của ăng-ten lọc Fabry-Perot với các cấu trúc bàn cờ khác nhau: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích, và (c) diện tích phản xạ hiệu dụng mono-static RCS 80 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng mono-static RCS khi sóng tới có các phân cực khác nhau 81

xv

Hình 3.11 Mẫu chế tạo ăng-ten lọc Fabry-Perot giảm nhỏ diện tích phản xạ hiệu dụng: (a) chụp toàn cảnh, (b) hình chiếu cạnh, (c) ăng-ten nguồn sơ cấp, và (d) mặt sau của PRS tích hợp CAMS 82 Hình 3.12 Đo hệ số phản xạ sử dụng máy phân tích mạng và so sánh với kết quả mô phỏng 82 Hình 3.13 Đo hệ số tăng của ăng-ten sử dụng phòng câm và so sánh với kết quả mô phỏng 83 Hình 3.14 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của ăng-ten tại 6 GHz 84 Hình 3.15 Đo kiểm diện tích phản xạ hiệu dụng RCS trong phòng thí nghiệm 84 Hình 3.16 Kết quả đo và mô phỏng sự giảm nhỏ diện tích phản xạ hiệu dụng của ăng-ten đề xuất 85

xvi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Công thức tính xấp xỉ RCS của một số vật thể cơ bản [91] 40

Bảng 1.2 RCS của một số máy bay chiến đấu [93] 41

Bảng 1.3 RCS của một số vật thể cơ bản [93] 42

Bảng 2.1 Các tham số kích thước của ăng-ten đề xuất (đơn vị: mm) 49

Bảng 2.2 So sánh thiết kế đề xuất và các cấu trúc liên quan 66

Bảng 3.1 So sánh thiết kế đề xuất và các FPA sử dụng PRS tích hợp CAMS 86

1

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu về siêu vật điện từ điều khiển tán xạ và ứng dụng

Ngày nay, siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ được nghiên cứu, phát triển, và sử dụng rộng rãi trong vật lý ứng dụng, khoa học kỹ thuật, công nghiệp, quân sự, y tế, mạng thông tin di động, thông tin vệ tinh Siêu vật liệu điện từ là loại vật liệu có cấu trúc nhân tạo với các đặc tính điện từ ưu việt không có trong tự nhiên Đặc tính của siêu vật liệu điện từ không chỉ liên quan đến vật liệu cấu thành mà còn được quyết định bởi các cấu trúc của chúng Do đó, các đặc tính tán xạ điện từ của loại vật liệu này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cấu trúc của các phần tử đơn (unit-cell) Các tính chất vật lý đặc biệt và khả năng kiểm soát linh hoạt tán xạ sóng điện từ của vật liệu này

đã nhận được sự quan tâm sâu rộng

Một số ứng dụng tiêu biểu của siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ có thể kể đến như sau: dùng để tàng hình vật thể trước sóng ra-đa, cải thiện đặc tính cho các loại ăng-ten như tăng cường đặc tính lọc, làm giảm diện tích phản xạ hiệu dụng (radar cross section - RCS), mở rộng vùng phủ sóng của cho mạng thông tin di động Để tàng hình vật thể, nhiều các thiết bị đã được nghiên cứu và chứng minh thực nghiệm như: áo choàng tàng hình, ảo ảnh ra-đa, lỗ đen điện từ, áo choàng thảm, áo choàng một chiều, siêu bề mặt điện từ được mã hóa, cấu trúc đa lớp dựa trên tối ưu hóa Các thiết bị này có cấu trúc ba chiều thường cồng kềnh, băng tần hoạt động hẹp, và khó triển khai, đặc biệt

là trong sản xuất với quy mô công nghiệp Để giải quyết vấn đề này, cấu trúc siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ hay còn được biết là nhánh siêu vật liệu điện từ hai chiều (2D electromagnetic metamaterials) với cấu trúc phẳng, băng thông rộng, dễ dàng chế tạo và triển khai, đã và đang được phát triển cho các ứng dụng che phủ và ngụy trang các vật thể cố định, cải thiện các đặc tính của ăng ten và nhiều lĩnh vực khác

Trong lĩnh vực cải thiện các đặc tính của ăng ten, 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

2

2 Những vấn đề còn tồn tại và tính cấp thiết

Mặc dù tính ưu việt của các siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ đã được chứng minh qua các công bố trong nhiều công trình khoa học, nhưng lý thuyết về siêu vật liệu điện từ vẫn chưa hoàn thiện và thống nhất Trong khi tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu điện từ trong các thiết bị hoặc hệ thống cao tần là cực kỳ rộng mở, việc chưa hoàn thiện và thống nhất một hệ thống lý thuyết dẫn tới các nghiên cứu chủ yếu xoay quanh việc thiết kế các phần tử đơn và phương pháp sắp xếp cấu trúc, mô phỏng tính toán để tìm ra các đặc tính mới thay vì có thể tiến hành một cách bài bản đi từ lý thuyết, mô hình hóa bằng toán học, công thức, phương trình, rồi tới mô phỏng tính toán và chế tạo, đo đạc, kiểm nghiệm thực tiễn Công nghệ siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ mặc dù

có thể cung cấp mức độ tự do cao hơn trong nghiên cứu thiết kế, nhưng luôn có những hiện tượng bất ngờ ngoài tiên đoán xuất hiện trong quá trình nghiên cứu, tính toán, mô phỏng Do đó, thách thức rất lớn cho giới nghiên cứu lĩnh vực này là làm sao có thể loại trừ các đặc tính ảnh hưởng xấu tới đối tượng nghiên cứu, thiết kế, nhưng lại đồng thời

có thể sử dụng, phát huy các đặc tính tốt, các hiện tượng, tính năng siêu việt mới của vật liệu trên đối tượng nghiên cứu và trong các ứng dụng mong muốn

Phương pháp toán học hóa, tìm ra một hệ thống lý thuyết cơ bản và thống nhất cho siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ không chỉ đơn thuần là một thách thức, mà còn là sự mong mỏi và nỗ lực không ngừng nghỉ của số lượng lớn các nhà khoa học trên thế giới trong suốt nhiều thập kỷ qua Có rất nhiều các kết quả đáng khích lệ đã đạt được, như những suy đoán có tầm nhìn về sự tồn tại của “các chất có giá trị âm đồng thời của

ε và μ” của nhà vật lý người Nga Viktor Veselago, các nghiên cứu về vật liệu có hệ số khúc xạ âm, tuy nhiên, đó vẫn chưa phải là một hệ thống lý thuyết cuối cùng, thống nhất,

cơ bản và thông suốt để có thể trở thành một nền tảng lý thuyết có thể giải quyết được nguyên lý căn cơ cũng như sử dụng rộng rãi trong toàn giới khoa học

Thứ hai, phần tử đơn là thành phần cốt lõi của tất cả các siêu bề mặt điện từ Đặc tính của các phần tử đơn và cấu trúc sắp xếp phần tử đơn hình thành siêu bề mặt điện từ quyết định trực tiếp đến hoạt động của toàn bộ siêu bề mặt điện từ về chức năng và hiệu suất Mặc dù nhiều thiết kế đã được đề xuất trong khoảng ba thập kỷ qua, nhưng có khá

ít các nghiên cứu với các vật liệu cơ sở được phát triển mới hoàn toàn, với cấu trúc mềm dẻo, đặc tính trong suốt, biến nhiệt hoặc các đặc tính vật lý mới,… Do việc nghiên cứu

đi sâu vào chất liệu cơ sở mới, vật liệu cơ sở mới nhằm tạo ra các siêu vật liệu điện từ mới, các phần tử đơn mới cấu thành từ các vật liệu cơ sở mới đó cho siêu vật liệu điện

từ điều khiển tán xạ đòi hỏi một nền tảng nghiên cứu đồng bộ với cơ sở hạ tầng, máy móc, đội ngũ và cả nền công nghiệp vật liệu, bán dẫn, hóa học… phụ trợ mạnh hỗ trợ theo suốt một quá trình song song với nguồn kinh phí nghiên cứu khoa học cơ bản vô

3

cùng lớn Đó là điều ít có trên thế giới và không sẵn có ở Việt Nam Từ đó cho thấy, cho

dù chỉ là một trong hai vấn đề đã nêu, rất khó có thể trở thành kỳ tích nghiên cứu đối với một chương trình nghiên cứu sau đại học ở quy mô cá nhân và trở thành hướng tiếp cận phù hợp cho nghiên cứu sinh theo đuổi trong ngắn hạn ở quy mô nhỏ

Thứ ba, trong những thập kỷ vừa qua, rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến mới

ra đời với đòi hỏi cao hơn về chất lượng dịch vụ, tốc độ đường truyền đi kèm là băng thông tức thời rộng, kích thước nhỏ, tích hợp nhiều chức năng – phần tử trên một thiết

kế, và phải tối ưu chi phí triển khai Các hệ thống này đòi hỏi ngày càng cao các đặc tính riêng biệt đối với ăng-ten, như phải có băng thông tức thời rộng hàng trăm MHz,

có hệ số tăng ích cao, bổ sung đặc tính lọc để giảm tải, giảm yêu cầu cho các bộ lọc hốc cộng hưởng (cavity filter) đi kèm nhưng vẫn đảm bảo các tiêu chuẩn bức xạ, có hệ số cách ly cao giữa các phân cực, phù hợp cho các ứng dụng như trạm thông tin BTS, giảm RCS cho các ứng dụng như ra-đa AESA trong các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ Những đòi hỏi này thúc đẩy việc thiết kế và giới thiệu các ăng-ten mới với các tính năng vượt trội, mở ra cơ hội cho các nghiên cứu về cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ ứng dụng trong thiết kế ăng-ten, nhằm ứng dụng tốt trong thực tiễn và đạt được những tính chất không phải là vốn có trong các thiết kế ăng-ten thông thường Có rất nhiều các nghiên cứu ở quy mô nhỏ và sản phẩm của nó xoay quanh, tập trung vào các cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ với cấu trúc đơn, phẳng, hoặc tuần hoàn, sử dụng các công nghệ chế tạo đơn giản như công nghệ PCB hoặc tương đương

áp dụng trong thiết kế ăng-ten đã được triển khai và báo cáo Trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu kéo dài 03 năm và nguồn kinh phí nghiên cứu tự chủ, lựa chọn và giải quyết tập trung vấn đề nêu trên trở thành một bài toán vừa sức, phù hợp hơn cho bất kỳ nghiên cứu sinh nào theo đuổi lĩnh vực về nghiên cứu phát triển cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ

Những nghiên cứu theo hướng này có xu hướng ứng dụng thực tiễn sát hơn, dễ dàng cụ thể hóa thành sản phẩm, thậm chỉ hoàn toàn có thể nghĩ đến khả năng thương mại hóa trên thực tế khi mà trong vài năm gần đây, sự nở rộ của công nghệ 5G, sắp tới

là 6G trong lĩnh vực dân sự; sự nở rộ về các công nghệ ngụy trang, thiết kế ra-đa mảng pha, ra-đa mảng pha AESA cho các ứng dụng mặt đất, UAV trinh sát, vệ tinh, thông tin quân sự, tác chiến điện tử, trong lĩnh vực quân sự, những ứng dụng này đòi hỏi ngày càng khắt khe về những yêu cầu đối với tính tích hợp cao: ăng-ten kèm lọc, ăng-ten có hiệu năng cao, ăng-ten đa phân cực hoặc ăng-ten có RCS nhỏ nhằm giảm thiểu khả năng bị phát hiện bởi các thiết bị trinh sát vô tuyến của đối phương Những đòi hỏi này

đã tiến tới thậm chí vượt qua giới hạn của các thiết kế ăng-ten truyền thống và đặt ra vấn đề cấp thiết của việc cần mở ra những nghiên cứu mới, tiệm cận được một phần,

4

hoặc một phần quan trọng các yêu cầu kỹ thuật nêu trên trong thiết kế sản phẩm sử dụng các siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ Trong số những xu hướng nghiên cứu và những công trình đã công bố, nổi bật lên và trở thành chủ đề nóng những năm qua là các công trình nghiên cứu thiết kế các cấu trúc siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS áp dụng trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot nhằm cải thiện các đặc tính của ăng-ten

và tạo ra những đặc tính mới so với thiết kế ăng-ten truyền thống

Trong xu thế đó, ở nghiên cứu [1], nhóm tác giả đã giới thiệu công trình nghiên cứu áp dụng siêu bề mặt điện từ PRS trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot hai phân cực ở băng tần Ku Với thiết kế nhờ sử dụng ăng-ten nguồn kích thích là một mảng 2x2 phần tử kết hợp PRS, kết quả đã cải thiện hệ số tương hỗ giữa các phần tử ăng-ten, và tăng hệ

số tăng ích của ăng-ten lên 19 dBi Ở nghiên cứu [2], trên dải tần Ka, nhóm tác giả cũng giới thiệu một thiết kế áp dụng siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS áp dụng cải thiện đặc tính của ăng-ten Fabry-Perot hai phân cực So với [1], băng thông và hệ số tăng ích của thiết kế đều được cải thiện tốt hơn, ở mức 7,1% và 16,1 dBi tương ứng Một nghiên cứu khác của các tác giả công bố tại công trình [3] dấn sâu hơn việc áp dụng siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot hai phân cực ở băng tần C, bằng cách sử dụng 02 bề mặt PRS cách nhau 2mm, gấp đôi số lượng

so với các công trình khác Tuy nhiên, kết quả cải thiện băng thông, hệ số tăng ích của công trình cũng nằm ở mức 10% và 15,5 dBi tương ứng, trong khi hệ số cách ly tương

tự cũng chỉ đạt được ở mức trên 30 dB Với một cách tiếp cận khác và đặt mục tiêu chính cho việc giảm búp sóng phụ, cải thiện băng thông, nhóm tác giả tại [4] thiết kế một siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS theo cấu trúc hình đĩa tròn, qua đó, tận dụng được hiệu ứng sóng rò (leaky wave) khi thiết kế để cải thiện ăng-ten Fabry-Perot hai phân cực, giúp cho ăng-ten cải thiện băng thông lên 42% ở dải tần Ku, đạt độ lợi 18,6 dBi, giảm được búp sóng phụ xuống còn -21,3 dB so với mức -13 dB nếu thiết kế truyền thống Dù vậy, độ cách ly của ăng-ten đạt được chỉ ở ngưỡng 19 dB, rất thấp so với các công trình đã nêu Một nghiên cứu khác [5] ở băng tần D cũng sử dụng siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS nhằm cải thiện các tham số cho ăng-ten Fabry-Perot hai phân cực Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng một bề mặt dịch pha (PSS)

có độ điện thẩm ngang biến thiên liên tục (TPG), đóng vai trò là siêu bề mặt phản xạ một phần PRS, được chế tạo theo công nghệ gốm đồng-nung nhiệt độ thấp (LTCC) Ăng-ten thiết kế đạt được độ lợi cực đại ở mức 17,5 dBi, băng thông đạt 10,4% và hệ số cách ly đạt 32 dB Các nghiên cứu trên đều cho thấy việc sử dụng siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS có thể dễ dàng cải thiện hệ số tăng ích, một số công trình có thể đạt được sự cải thiện về băng thông trên mức 10%, một số thì không Tương tự, một số công trình có thể đạt được mức độ cách ly giữa các phân cực được tới 30 dB, thỏa mãn

5

yêu cầu tối thiểu theo tiêu chuẩn IEEE 802.16cc-99/21 R1 [6], nhưng một số công trình thì chưa đạt được mức này Trong khi đó, các công trình nghiên cứu cơ bản chưa thể hiện được đặc tính lọc của ăng-ten Theo 3GPP TS 36.141 tại [7], các tín hiệu phát của các trạm thu phát gốc, cần có độ lọc kênh lân cận ở mức tối thiểu 44,2dB Vì vậy, trong thiết kế trạm thu phát gốc, người ta thường sử dụng các bộ lọc hốc cộng hưởng được chế tạo từ các khối nhôm phay có kích thước lớn, khối lượng nặng đặt giữa các bộ khuếch đại công suất và ăng-ten để giúp cho trạm đạt được các tiêu chuẩn phát xạ này Các bộ lọc hốc cộng hưởng trên thường được thiết kế với độ chọn lọc vài chục dB, dẫn tới cần nhiều mắt lọc làm tăng kích thước và khối lượng của trạm Nếu có một thiết kế ăng-ten có đặc tính chọn lọc tín hiệu, với độ chọn lọc tín hiệu ngoài dải từ 20 dB trở lên,

có thể giúp đơn giản hóa yêu cầu kỹ thuật cho thiết kế bộ lọc chỉ còn một nửa, giúp cho một bộ lọc hốc cộng hưởng 5÷7 mắt lọc, có thể chỉ còn từ 3÷4 mắt lọc, và giảm được một nửa kích thước, trọng lượng của bộ phận này Từ đó cho thấy, nếu một sản phẩm của một công trình nghiên cứu muốn được ứng dụng rộng rãi cho các trạm thu phát gốc

di động nói riêng, hay các ứng dụng tương tự như ra-đa hai phân cực, hệ thống thông tin phân tập phân cực, hệ thống chế áp điện tử,… nói chung, nó cần phải có thêm các đặc tính hỗ trợ thiết kế hệ thống một cách đầy đủ, như: hai phân cực với độ cách ly cao, vượt qua ngưỡng tối thiểu 30 dB đảm bảo tính dự phòng thiết kế; hệ số tăng ích cao, băng thông rộng, và có tính lọc với độ chọn lọc ngoài dải từ 20 dB trở lên

Trong phạm vi luận án này, để giải quyết các vấn đề nêu trên, tác giả báo cáo chương trình nghiên cứu với đề xuất cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ sử dụng siêu bề mặt phản xạ một phần PRS trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép có băng thông rộng 17,1% – hoạt động trong dải tần số từ 5,02 GHz đến 5,96 GHz,

hệ số tăng ích cao đạt 13 dBi, hệ số cách ly cao trên 45 dB, vượt xa yêu cầu tối thiểu 30

dB giảm thiểu xuyên nhiễu phân cực và khả năng mang đặc tính lọc với hệ số lọc ngoài dải cực đại trên 20 dB giúp tối ưu hóa và đơn giản hóa yêu cầu kỹ thuật, kích thước, khối lượng bộ lọc trong thiết kế cho các hệ thống thông tin vô tuyến Công trình đã được tạp chí Q1 IEEE Access chấp thuận và công bố vào tháng 09 năm 2022

Như đã trình bày bên trên, ngoài các ứng dụng cho thiết bị mạng lưới như BTS, hay các hệ thống thông tin vô tuyến khác, trong một số ứng dụng chuyên biệt của lĩnh vực quốc phòng, an ninh: như ăng-ten cho ra-đa AESA, ăng-ten trinh sát điện tử, ăng-ten chế áp điện tử, ăng-ten của hệ thống thông tin liên lạc tốc độ cao gắn trên các vật thể bay của lĩnh vực quân sự, với xu thế “tàng hình” trong tác chiến hiện đại ngày nay, ăng-ten thông thường với khẩu độ lớn - hệ số diện tích phản xạ hiệu dụng ra-đa RCS lớn và luôn phải phơi ra ngay trước mặt kẻ thù trở thành điểm yếu chết người cho bất cứ phương tiện bay, bất cứ khí tài đắt giá nào Thực tế đòi hỏi trong khi các nhà thiết kế phải nỗ lực

6

hết sức để có thể giảm RCS của khí tài bằng mọi cách: biên dạng đặc biệt, sơn hấp thụ sóng vô tuyến,… thì việc giảm RCS cho ăng-ten của sản phẩm trở thành một yêu cầu cấp thiết, trong khi chúng vẫn phải giữ được các đặc tính tốt sẵn có như băng thông rộng, hệ số tăng ích cao, hệ số cách ly tốt (nếu đa phân cực), có tính chọn lọc tần số để

hỗ trợ tối ưu thiết kế hệ thống và giảm giá thành Những năm gần đây, cũng đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu áp dụng các phương pháp khác nhau nhằm giảm thiểu RCS của ăng-ten, trong đó, có một xu thế nghiên cứu không thể không nhắc tới là sử dụng siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ trong thiết kế, tối ưu và giảm thiểu RCS cho ăng-ten Fabry-Perot

Nghiên cứu đầu tiên của các đồng nghiệp quốc tế cần nhắc tới là công trình [8], các tác giả đã giới thiệu một ăng-ten có độ lợi cao giảm RCS trong một khoảng băng thông rộng sử dụng siêu bề mặt điện từ chuyển đổi phân cực (PCM) kết hợp với siêu bề mặt điện từ phản xạ một phần PRS Nhờ cấu trúc sắp xếp đối xứng ngược của bề mặt PCM, công trình đạt được độ suy giảm RCS của ăng-ten trong một băng thông rộng ở

cả hai phân cực theo chiều x và y Kết quả cho thấy, ăng-ten đạt được độ suy giảm RCS trong dải rộng từ 9 GHz đến 20 GHz, và cải thiện hệ số tăng ích lên thêm 7 dBi Kết quả suy giảm RCS rất đáng khích lệ, tuy nhiên, cấu trúc và nghiên cứu này chưa cho thấy ăng-ten có đặc tính lọc Ở nghiên các cứu [9, 10], và [11] các nhóm tác giả công bố nghiên cứu siêu bề mặt điện từ chuyển đổi phân cực ô bàn cờ (CPCM) gồm nhiều lớp trên công nghệ PCB áp dụng cho thiết kế ăng-ten Fabry-Perot Nhờ có các lớp bề mặt CPCM, ăng-ten Fabry-Perot đạt được độ tăng ích ăng-ten tăng thêm 3 dB trong khoảng

từ 8,5 GHz đến 9,5 GHz, đạt cực đại 11,2 dBi và giảm RCS trong dải tần từ 6 GHz đến

14 GHz [9] Trong nghiên cứu [10], ăng-ten Fabry-Perot được cải thiện hệ số tăng ích 2,5 dB trong khoảng băng thông tăng ích 11,6% tại băng tần X và suy giảm RCS đạt được trong một dải tần rộng từ 6 GHz đến 13 GHz Nghiên cứu [11] đạt được băng thông 3dB tăng ích 25,5% trong khoảng 8,9 ÷ 11,5 GHz và khoảng suy giảm RCS đạt được trong một băng thông rộng từ 8 ÷ 26 GHz Không sử dụng các siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ CPCM như các nghiên cứu đã nêu, ở các công trình [12, 13], các nhóm tác giả đề xuất nghiên cứu về cấu trúc siêu bề mặt điện từ chọn lọc tần số (FSS) trong cải thiện các tham số, hiệu suất của ăng-ten Fabry-Perot Nghiên cứu [12] chỉ ra rằng, nhờ áp dụng FSS trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot, ăng-ten được cải thiện hệ số tăng ích ít nhất 7 dB ở dải tần làm việc và đạt cực đại 20 dBi ở 28,5 GHz, trong khi giúp giảm RCS trong một dải tần rộng từ 28 ÷ 48 GHz, tương đương 52% băng thông Trong khi

đó, [13] nhờ sự kết hợp giữa FSS và siêu bề mặt điện từ lai phản xạ một phần HPRS, ăng-ten Fabry-Perot được cải thiện về hệ số tăng ích với băng thông tăng ích mức -3dB đạt 25,4% từ 8,6 ÷ 11,1 GHz và hệ số giảm RCS đạt từ 8,6 ÷ 14 GHz Một công trình

7

khác lại tập trung vào nghiên cứu và đề xuất kết hợp siêu bề mặt điện từ chọn lọc tần số FSS với siêu bề mặt điện từ sắp xếp theo ô bàn cờ (CAMS) trong cải thiện hiệu suất cho ăng-ten Fabry-Perot tại [14], giúp cho ăng-ten được cải thiện hệ số tăng ích đạt 4,9 dB tại 10 GHz, với băng thông tăng ích đạt 16,58% từ 9,4 ÷ 11,1 GHz và giảm RCS trong khoảng dải tần từ 9,6 ÷ 16,9 GHz đạt 55,09% Các nghiên cứu nói trên đã áp dụng và

đề xuất khá nhiều mô hình siêu bề mặt điện từ khác nhau như: PCM kết hợp PRS, CPCM, FSS, FSS kết hợp với HPRS hay FSS kết hợp CAMS, đạt được những kết quả xuất sắc trong cải thiện hệ số tăng ích và giảm RCS cho ăng-ten Fabry-Perot Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào giải quyết đồng thời được vấn đề các đặc tính cho ăng-ten Fabry-Perot như có băng thông rộng, hệ số tăng ích cao, giảm RCS trong dải tần rộng và đặc biệt phải có đặc tính lọc

Tiếp cận và giải quyết vấn đề đó, trong phạm vi luận án này, tác giả báo cáo chương trình nghiên cứu với đề xuất cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ sử dụng siêu bề mặt điện từ gồm hai mặt, với bề mặt phản xạ một phần PRS ở mặt dưới và tích hợp bề mặt CAMS ở mặt trên sử dụng trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot Cấu trúc cho phép cải thiện hệ số tăng ích của ăng-ten Fabry-Perot, cải thiện đặc tính chọn lọc tần số và giảm thiểu diện tích phản xạ hiệu dụng RCS của ăng-ten trên một dải tần số rộng Ăng-ten có băng thông tại hệ số phản xạ < -10 dB từ 5,73 ÷ 6,23 GHz và băng thông hệ số tăng ích tại ngưỡng -3 dB là 5,76 ÷ 6,17 GHz với hệ số tăng ích cực đại là 14,63 dBi Ăng-ten có diện tích phản xạ hiệu dụng ra-đa RCS giảm trung bình 6 dB trong khoảng dải rộng từ 4,0 ÷ 9,0 GHz, trong khi ở băng tần hoạt động của ăng-ten, RCS cũng nhỏ hơn 2 dB so với tấm đồng tham chiếu và thêm vào đó, hệ số lọc ngoài dải cũng đạt được trên 20 dB Công trình được tạp chí Q1 IEEE Access chấp thuận và đăng tải tháng 12 năm 2023

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Trong phạm vi giới hạn bởi khuôn khổ của chương trình nghiên cứu sinh và với nguồn kinh phí tự chủ, luận án tập trung vào nghiên cứu phát triển một số cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ với cấu trúc phẳng, dựa trên công nghệ chế tạo PCB

do mô hình này phù hợp với điều kiện nghiên cứu và cơ sở hạ tầng, sản xuất, công nghiệp phụ trợ và tình hình hạ tầng đo kiểm trên thực tế

• Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ giúp cải thiện đặc tính bức xạ và đặc tính lọc của ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép;

8

- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ trong thiết kế ăng-ten Fabry-Perot nhằm cải thiện đặc tính lọc và giảm thiểu diện tích phản xạ hiệu dụng ra-đa RCS

• Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm:

- Các cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ dùng công nghệ mạch in;

- Các ăng-ten dựa trên công nghệ mạch in, dễ chế tạo, giá thành rẻ;

- Các ăng-ten hốc cộng hưởng Fabry-Perot, các ăng-ten lọc, và các ăng-ten có tính năng giảm thiểu diện tích phản xạ hiệu dụng RCS

• Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau:

- Nghiên cứu các cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ;

- Nghiên cứu ăng-ten sử dụng siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ;

- Nghiên cứu các ăng-ten cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới như: thông tin di động, thông tin vệ tinh, ra-đa khẩu độ tổng hợp, ra-đa mảng pha tích cực, các hệ thống thu/ phát vô tuyến tốc độ cao

• Phương pháp nghiên cứu:

- Luận án thực hiện dựa trên phương pháp khảo sát các công trình công bố, tài liệu

kỹ thuật về siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ, các nghiên cứu cải tiến liên quan để phân tích mô hình lý thuyết, các tồn tại, hạn chế

- Thực hiện nghiên cứu, phân tích các giải pháp kỹ thuật sử dụng siêu bề mặt điện

từ điều khiển tán xạ, cấu trúc mặt phản xạ một phần để lựa chọn giải pháp phù hợp cho thiết kế

- Tính toán, thiết kế mô hình, phân tích cấu trúc và mô phỏng trên phần mềm 3D chuyên dùng kết hợp chế tạo và đo đạc kiểm chứng thực tế, so sánh với các thiết

kế liên quan, đánh giá kết quả đạt được

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án

Việc nghiên cứu đề xuất các cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ cho ứng dụng trong thiết kế ăng-ten của luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:

• Ý nghĩa khoa học:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết

kế ăng-ten với hệ số tăng ích cao, đặc tính chọn lọc tần số tốt, giảm thiểu RCS với cấu hình đơn giản, chi phí thấp

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc phân tích và thiết kế ăng-ten sử dụng siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ

• Ý nghĩa thực tiễn:

9

- Các giải pháp và kỹ thuật sử dụng trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong các ăng-ten đòi hỏi hệ số tăng ích cao, giảm thiểu RCS, và có đặc tính chọn lọc tần số tốt

• Những đóng góp khoa học của luận án:

- Giải pháp sử dụng siêu bề mặt điện từ cấu trúc mặt phản xạ một phần PRS băng rộng trong cải thiện đặc tính của ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép, cho hệ số tăng ích cao và đặc tính lọc

- Giải pháp sử dụng siêu bề mặt điện từ cấu trúc mặt phản xạ một phần PRS kết hợp với bề mặt điện từ sắp xếp hình bàn cờ trong giảm thiểu RCS và cải thiện đặc tính lọc của ăng-ten Fabry-Perot

5 Cấu trúc nội dụng của luận án

Chương 1 của luận án trình bày tổng quan về siêu vật liệu điện từ điều khiển tán

xạ, siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ Chương 1 cũng trình bày về nguyên lý cấu trúc siêu bề mặt phản xạ một phần (PRS), là loại siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ được đề xuất, nghiên cứu và ứng dụng xuyên suốt trong các chương, các công trình sau này liên quan đến thiết kế, cải thiện đặc tính ăng-ten Chương dành ra 03 phần để giới thiệu về các loại ăng-ten sử dụng siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ, như ăng-ten mảng phản xạ, ăng-ten thấu kính phẳng và ăng-ten được thiết kế nhằm giảm thiểu diện tích phản xạ hiệu dụng RCS Một phần khác của chương được dành để giới thiệu sơ bộ một số thông tin tổng quan về bộ lọc cũng như ăng-ten kết hợp bộ lọc thông dải, một trong những xu hướng thiết kế ngày nay nhằm hỗ trợ khả năng lọc tín hiệu của các hệ thống thông tin vô tuyến Một phần khác cũng rất quan trọng của Chương 1 được sử dụng để trình bày về vấn đề phương trình ra-đa, diện tích phản xạ hiệu dụng và những phương pháp tối ưu RCS của vật thể cũng được đưa ra thảo luận sơ bộ trong chương này Cuối cùng, chương dành ra một phần nhỏ giới thiệu một số thành tựu về khoa học,

kỹ thuật trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng gần đây, nơi đã và đang đặt ra những nhu cầu cấp thiết về việc phát triển, thiết kế các loại ăng-ten hiệu năng cao và có những đặc tính bức xạ vượt qua khuôn khổ của các thiết kế ăng-ten truyền thống

Chương 2 trình bày cấu trúc siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ là một mặt

phản xạ một phần PRS, sử dụng kết hợp với một ăng-ten Fabry-Perot phân cực kép cho băng thông rộng, với hệ số tăng ích cao, hệ số cách ly cao và có tính lọc Nguồn bức xạ

sơ cấp của nó là một tấm bức xạ được cấp nguồn vi sai kép với các bộ cộng hưởng hình chữ T nhằm đạt được đặc tính lọc cơ sở, độ cách ly cao và băng thông rộng PRS được sử dụng bao gồm hai lớp siêu bề mặt điện từ bù nhau giúp mở rộng băng thông hoạt động Việc sử dụng PRS không chỉ cải thiện hệ số tăng ích mà còn tăng cường đặc tính

chọn lọc tần số của ăng-ten Ăng-ten có kích thước tổng thể là 2,0λ min × 2,0λ min × 0,49λmin

10

đạt được băng thông là 17,1% (5,02 ÷ 5,96 GHz), độ cách ly lớn hơn 45 dB, hệ số tăng ích cực đại 13,0 dBi, mức phân cực chéo nhỏ hơn -25 dB, và mức triệt tiêu ngoài dải lớn hơn 20 dB Với những ưu điểm trên, PRS đã cải thiện được đặc tính của ăng-ten FPA và có thể được đề xuất để sử dụng rộng rãi cho nhiều hệ thống truyền thông vô tuyến như WLAN, thông tin di động, thông tin vệ tinh, ra-đa, bao gồm cả các ứng dụng trong tương lai như hệ thống thông tin vô tuyến song công toàn phần cùng băng tần

Chương 3 đề xuất cấu trúc siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ, là bề mặt phản

xạ một phần PRS tích hợp CAMS trong thiết kế với ăng-ten Fabry-Perot cho hệ số tăng ích cao, có tính lọc và giảm thiểu RCS trong dải tần rộng Ăng-ten được thiết kế để đạt được 3 chức năng cùng lúc:

(1) Đảm bảo hệ số phản xạ cao để cải thiện hệ số tăng ích cho FPA;

(2) Giảm thiểu RCS trên một dải tần rộng;

(3) Cải thiện đặc tính chọn lọc tần số

Ăng-ten có kích thước tổng thể 3,2λ × 3,2λ × 0,57λ ở tần số 6 GHz đạt được băng thông cho hệ số phản xạ < -10 dB từ 5,73 ÷ 6,23 GHz và băng thông của hệ số tăng ích tại ngưỡng 3 dB là 5,76 ÷ 6,17 GHz với hệ số tăng ích đỉnh là 14,63 dBi Ngoài ra, ăng-ten đề xuất thiết kế với PRS tích hợp CAMS còn giúp giảm diện tích phản xạ hiệu dụng trong khoảng tần số từ 4,0 ÷ 9,0 GHz Trong khi ở băng tần hoạt động của ăng-ten, diện tích phản xạ hiệu dụng của ăng-ten vẫn nhỏ hơn 2 dB so với tấm đồng có cùng kích thước khẩu độ Với tất cả ưu điểm kể trên, ăng-ten FPA thiết kế với siêu bề mặt điện từ PRS tích hợp CAMS có thể được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống ra-đa AESA mặt đất, trên các vệ tinh, máy bay cũng như các phương tiện bay không người lái

Cuối cùng là kết luận chung và hướng phát triển của luận án

11

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

1.1.1 Định nghĩa siêu vật liệu điện từ

Siêu vật liệu điện từ (Metamaterials) được định nghĩa rộng rãi là cấu trúc nhân tạo đồng nhất hiệu dụng với các đặc tính điện từ khác thường không sẵn có trong tự nhiên [15] Trong đó, cấu trúc đồng nhất hiệu dụng là cấu trúc có kích thước trung bình

của phần tử đơn (Unitcell) p nhỏ hơn nhiều so với bước sóng công tác g Do đó, kích

thước trung bình của phần tử đơn này ít nhất phải nhỏ hơn ¼ bước sóng công tác, p <

g/4 Ta gọi điều kiện p < g/4 là giới hạn đồng nhất hiệu dụng hoặc điều kiện đồng nhất hiệu dụng để đảm bảo rằng hiện tượng khúc xạ sẽ lấn át hiện tượng tán xạ/ nhiễu xạ khi sóng truyền bên trong môi trường siêu vật liệu điện từ Nếu điều kiện đồng nhất hiệu dụng được thỏa mãn, thì cấu trúc hoạt động như một vật liệu thực theo ý nghĩa là sóng điện từ về cơ bản là cận thị (myopic) đối với các lát cắt (lattice) và chỉ thăm dò các tham

số cấu thành trung bình, hiệu dụng, hoặc vĩ mô và được xác định rõ phụ thuộc vào bản chất của phần tử đơn vị; do đó cấu trúc sẽ là đồng nhất (uniform) về mặt điện từ dọc

theo hướng truyền Các tham số cấu thành siêu vật liệu điện từ là độ điện thẩm ε và độ

từ thẩm μ, có quan hệ với hệ số chiết suất n của môi trường bởi công thức:

Bốn tổ hợp dấu có thể có trong cặp (ε, μ) là (+,+), (+,−), (-,+), và (-,-), như minh

họa trên giản đồ ε − μ của Hình 2.1 Trong khi ba sự kết hợp đầu tiên được biết đến rộng

rãi trong các vật liệu thông thường (vật liệu thuận phải – RH/right hand), hoặc plasma, hoặc ferrite, thì sự kết hợp cuối cùng [(-,-)], với độ điện thẩm và độ từ thẩm âm đồng thời, tương ứng với loại vật liệu thuận trái (LH/ left hand) Vật liệu LH, như một hệ quả của các tham số âm kép của hệ số điện thẩm và từ thẩm, được đặc trưng bởi vận tốc

Plasma Kim loại tại tần số quang học sóng phù du

Điện môi đẳng hướng tay phải (RH) / Sóng truyền thuận

Vật liệu Veselago (LH) / Sóng truyền nghịch

Phe rít Vật liệu sắt từ sóng phù du

Hình 1.1 Biểu đồ quan hệ điện thẩm – từ thẩm (ε - μ) và chỉ số khúc xạ (n) [15]

1.1.2 Suy đoán lý thuyết của Viktor Veselago

Lịch sử của siêu vật liệu điện từ bắt đầu vào năm 1967 với suy đoán có tầm nhìn

về sự tồn tại của “các chất có giá trị âm đồng thời của ε và μ” (góc phần tư thứ ba trong

Hình 1.1) của nhà vật lý người Nga Viktor Veselago [16] Trong bài báo của mình, Veselago gọi những “chất” LH này để thể hiện thực tế là chúng sẽ cho phép truyền sóng điện từ bằng điện trường, từ trường và các véc-tơ hằng số pha tạo nên một bộ ba theo chiều thuận trái (quy tắc bàn tay trái), so với các vật liệu thông thường mà bộ ba này được biết đến là theo chiều thuận phải (quy tắc bàn tay phải)

Một số hiện tượng cơ bản xảy ra bên trong hoặc liên quan đến môi trường LH đã được Veselago dự đoán như sau:

1 Sự phân tán tần số cần thiết của các tham số cấu thành;

13

2 Sự đảo ngược hiệu ứng Doppler;

3 Sự đảo ngược bức xạ Vavilov-Cerenkov;

4 Sự đảo ngược các điều kiện biên liên quan đến các thành phần bình thường của điện trường và từ trường tại giao diện giữa môi trường thuận phải (RH) và môi trường thuận trái (LH);

5 Sự đảo ngược định luật Snell;

6 Khúc xạ âm nối tiếp tại bề mặt phân cách giữa môi trường RH và môi trường LH;

7 Biến đổi nguồn điểm thành ảnh điểm bằng tấm LH;

8 Trao đổi hiệu ứng hội tụ và phân kỳ tương ứng ở thấu kính lồi và thấu kính lõm khi chế tạo thấu kính LH;

9 Biểu thức plasmonic của các tham số cấu thành trong môi trường LH loại cộng hưởng

Veselago kết luận bài viết của mình bằng cách thảo luận về các “chất” thực sự (tự nhiên) tiềm năng có thể biểu hiện thuận tay trái Ông cho rằng “các chất hồi chuyển

có đặc tính plasma và từ tính” (“kim loại sắt từ hoặc chất bán dẫn tinh khiết”), “trong

đó cả ε và μ đều là tensor” (cấu trúc dị hướng), có thể là LH Tuy nhiên, ông nhận ra,

“Thật không may, chúng tôi không biết ngay cả một chất duy nhất có thể đẳng hướng

và có μ < 0,” từ đó chỉ ra rằng việc nhận ra cấu trúc LH thực tế khó khăn đến mức nào

Thực sự không có vật liệu LH nào được phát hiện vào thời điểm đó

1.1.3 Thực nghiệm minh họa vật liệu LH

Sau bài báo của Veselago hơn 30 năm, vật liệu LH đầu tiên mới được hình thành

và chứng minh bằng thực nghiệm Vật liệu LH này không phải là một chất tự nhiên như Veselago mong đợi mà là một cấu trúc nhân tạo đồng nhất hiệu dụng (tức là siêu vật liệu điện từ), được đề xuất bởi Smith và các đồng nghiệp tại Đại học California, San Diego (UCSD) Cấu trúc được lấy cảm hứng từ những công trình tiên phong của Pendry

tại Imperial College, London Pendry đã giới thiệu các cấu trúc -ε/+μ và +ε/-μ loại

plasmonic như trong Hình 1.2, có thể được thiết kế để có tần số plasmonic của chúng trong phạm vi dải sóng vô tuyến Cả hai cấu trúc này đều có một phần tử tế bào (unit

cell) trung bình kích thước p nhỏ hơn nhiều so với bước sóng dẫn hướng λ g (p << λ g) và

do đó là các cấu trúc đồng nhất hiệu dụng, hay siêu vật liệu điện từ (MTM)

14

Hình 1.2 Minh họa cấu trúc siêu vật liệu điện từ đầu tiên với: (a) Cấu trúc mảng dây dẫn mảnh

có các hệ số -ε/+μ; và (b) Cấu trúc mảng vòng kim loại xẻ khe có +ε/-μ [15]

Siêu vật liệu điện từ -ε/+μ là cấu trúc mảng dây dẫn kim loại mảnh (TW – Thin

Wires) như trong Hình 1.2(a) Nếu điện trường kích thích E song song với trục của dây dẫn (E || z), để tạo ra một dòng điện dọc theo chúng và tạo ra mô men lưỡng cực điện tương đương, thì siêu vật liệu điện từ này thể hiện hàm tần số điện thẩm kiểu plasmonic

có dạng:

𝜀𝑟(𝜔) = 1 − 𝜔𝑝𝑒2

𝜔 2 +𝜉 2+ 𝑗 𝜉.𝜔𝑝𝑒2

𝜔.(𝜔 2 +𝜉 2 ) (1.4) Trong đó:

𝜔𝑝𝑒 = √2𝜋𝑐2/[𝑝2ln (𝑝

𝑎)] là tần số plasma điện có thể hiệu chỉnh được trong dải GHz;

c là vận tốc ánh sáng, và

a là bán kính của sợi dây dẫn mảnh;

𝜉 = 𝜀0(𝑝 𝜔𝑝𝑒/𝑎)2/𝜋𝜎 là hệ số giảm dao động, với

σ là độ dẫn điện của vật liệu

Từ (2.4) cho thấy, phần thực của r < 0 khi mà:

𝜔𝑝𝑒2 > 𝜔2+ 𝜉2 hay 𝜔2 < 𝜔𝑝𝑒2 − 𝜉2 (1.5)

Và khi mà 𝜉 = 0, ta thấy điều kiện r < 0 với 𝜔 < 𝜔𝑝𝑒

Mặt khác, độ từ thẩm chỉ đơn giản là μ = μ 0, vì không có vật liệu từ tính nào hiện diện và không tạo ra mô men lưỡng cực từ Lưu ý rằng các dây dẫn mảnh được giả thiết

có chiều dài lớn hơn nhiều so với bước sóng (về mặt lý thuyết là vô hạn), có nghĩa là các dây bị kích thích ở các tần số nằm thấp hơn nhiều so với tần số cộng hưởng đầu tiên của chúng (first resonance)

15

Siêu vật liệu điện từ +ε/-μ là cấu trúc mảng cộng hưởng vòng kim loại xẻ khe

(SRR – Splitted Ring Resonator) như trong Hình 1.2(b) Nếu từ trường kích thích H vuông góc với mặt phẳng của các vòng (H⊥y), để tạo ra dòng điện cộng hưởng trong vòng dây và tạo ra mô men lưỡng cực từ tương đương, thì siêu vật liệu điện từ này thể hiện hàm tần số thấm kiểu plasmonic có dạng:

𝜇𝑟(𝜔) = 1 − 𝐹𝜔2(𝜔2−𝜔0𝑚2 )

(𝜔2−𝜔0𝑚2 )2+(𝜔𝜉)2+ 𝑗 𝐹𝜔2𝜉

(𝜔2−𝜔0𝑚2 )2+(𝜔𝜉)2 (1.6) Trong đó:

F = π(a/p) 2 , với a là đường kính trong của vòng kim loại nhỏ;

𝜔0𝑚 = 𝑐√𝜋.𝑙𝑛(2𝑤𝑎3𝑝 3/𝛿) là tần số cộng hưởng từ có thể điều chỉnh được trong dải GHz;

w là độ rộng của vòng kim loại;

δ là khoảng cách giữa hai vòng kim loại

Lưu ý rằng cấu trúc SRR có đáp ứng từ tính mặc dù thực tế là nó không bao gồm các vật liệu dẫn từ do sự hiện diện của mô men lưỡng cực từ nhân tạo được cung cấp bởi các bộ cộng hưởng vòng kim loại xẻ khe

Phương trình (1.6) cho thấy rằng có thể tồn tại một dải tần số trong đó phần thực

của μ r < 0 với (𝜉 ≠ 0) Trong trường hợp không tổn hao (𝜉 ≠ 0), nó có dạng:

μ r < 0, khi ω 0m < ω < ω pm , trong đó, ω pm gọi là tần số plasma từ

Khi Smith và cộng sự trong bài báo [17] đã kết hợp cấu trúc TW và SRR của Pendry thành cấu trúc hỗn hợp được thể hiện trong Hình 1.3, thể hiện nguyên mẫu siêu vật liệu điện từ LH thử nghiệm đầu tiên Các đối số trong thử nghiệm bao gồm:

1 Thiết kế cấu trúc TW và cấu trúc SRR với các dải tần số chồng lấn của

trong dải này trên cơ sở thực tế là hệ số truyền β = n.k 0 = ±√(εrμr) phải luôn là số thực trong dải thông

16

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc siêu vật liệu điện từ kết hợp TW-SRR [15]

Mặc dù khám phá của nhóm tác giả trong bài báo [17] vẫn còn nhiều điều cần đánh dấu chấm hỏi, bởi vì nó bỏ qua thực tế là việc ghép nối hai cấu trúc thành phần sẽ tồn tại các tương tác ghép nối, hoàn toàn có thể mang lại các đặc tính hoàn toàn khác so với việc cơ học thực hiện phép cộng chồng chất các đặc tính của từng cấu trúc khi được xét riêng lẻ Một ví dụ minh họa thực nghiệm sống động về bản chất LH của TW-SRR được cung cấp trong bài báo [18]

Hình 1.4 Minh họa cấu trúc siêu vật liệu điện từ kết hợp TW-SRR xếp 3D [15]

Nhóm tác giả R A Shelby, D R Smith, và S Schultz đã cắt một mảnh cấu trúc TW-SRR của Hình 1.4 thành một mảnh siêu vật liệu điện từ MTM hình nêm và lắp vào thiết bị thí nghiệm được mô tả trong Hình 1.5

17

Vật liệu hấp thụ sóng điện từ

Bộ tách sóng

Vật mẫu

Hình 1.5 Minh họa mô hình kiểm tra thực nghiệm tính chất LH của cấu trúc siêu vật liệu điện từ

kết hợp TW-SRR xếp 3D quanh khoảng 5GHz [15]

Tính thuận trái LH của cấu trúc TW-SRR được chứng minh bằng thực tế là hệ số truyền tối đa trong Hình 1.5 được đo ở góc âm (dưới mức bình thường trong hình) đối với giao diện của miếng nêm, trong khi mức tối đa ở góc dương (trên mức bình thường)

đã được đo thấy như kỳ vọng, khi miếng nêm siêu vật liệu điện từ được thay thế bằng một miếng Teflon thông thường có hình dạng nêm giống hệt nhau Kết quả được báo cáo phù hợp về mặt định tính và định lượng với định luật Snell, trong đó có nội dung:

Cấu trúc được hiển thị trong Hình 1.3 là cấu trúc LH đơn chiều, vì chỉ cho phép

một hướng đối với cặp đôi vec tơ (E, H); Chúng ta có ε xx (ω < ω pe ) < 0 và ε yy = ε zz > 0,

μ xx (ω 0m < ω < ω pm ) < 0 và μ yy = μ zz > 0 Cấu trúc thể hiện trong Hình 1.4 là cấu trúc vật

18

liệu LH hai chiều bởi vì, mặc dù E phải được định hướng dọc theo trục của dây, H có thể

có hai hướng; thì [ε] không thay đổi, nhưng μ xx , μ yy < 0 với ω 0m < ω < ω pm và μ zz > 0

1.1.4 Siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ

Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật ra-đa, kỹ thuật ăng-ten, siêu cao tần và trinh sát điện tử ngày nay, sự nghiên cứu và phát triển các thiết bị miễn nhiễm tín hiệu ra-đa ngày càng gia tăng nhanh chóng Việc miễn nhiễm tín hiệu ra-đa trong thực tế chủ yếu dựa vào việc điều khiển tán xạ của vật thể; tức là làm thay đổi đặc tính của sóng tán

xạ từ vật thể đó (giảm diện tích phản xạ hiệu dụng σ, giảm công suất tán xạ Ps, hoặc làm

lệch hướng sóng tán xạ, …), và qua đó, ngụy trang vật thể trước tín hiệu ra-đa thành không có gì hoặc thành vật thể khác Các phương pháp điều khiển tán xạ truyền thống thường sử dụng hình dạng kỳ lạ, bề mặt dị thường, và sơn phủ có tính năng hấp thụ sóng ra-đa Các phương pháp này bắt buộc phải thay đổi cấu trúc của vật thể, trong khi các lớp sơn phủ phải thường xuyên bảo trì bổ sung, vì vậy đòi hỏi chi phí cao

Hình 1.6 Áo choàng điện từ hoạt động ở tần số 10 GHz [19]

Hình 1.7 Áo choàng điện từ phủ trên mặt phẳng đất [20]

19

Trong những năm gần đây, các phương pháp mới dựa trên công nghệ siêu vật liệu điện từ đã được đề xuất để điều khiển các đặc tính của sóng tán xạ từ một vật thể [21] Cấu trúc siêu vật liệu điện từ đầu tiên đã được đề xuất cách đây hơn 50 năm [22], nhưng công nghệ siêu vật liệu điện từ chỉ thực sự bùng nổ trong khoảng ba thập kỷ gần đây Đây là loại vật liệu có cấu trúc nhân tạo với các đặc tính điện từ ưu việt không có trong tự nhiên Đặc tính của siêu vật liệu điện từ không chỉ liên quan đến vật liệu cấu thành mà còn được quyết định bởi các cấu trúc của chúng Do đó, các đặc tính điện từ của loại vật liệu này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cấu trúc của các phần tử đơn (unit-cell) Các tính chất vật lý đặc biệt và khả năng kiểm soát linh hoạt tán xạ sóng điện từ của vật liệu này đã nhận được sự quan tâm sâu rộng trong hơn 30 năm qua

Hình 1.8 Áo choàng điện từ tàng hình 3-chiều [23]

Hình 1.9 Hố đen điện từ [24]

Một số thiết bị sử dụng siêu vật liệu điện từ điều khiển tán xạ được thể hiện trong các Hình 1.6 ÷ 1.9, bao gồm: áo choàng tàng hình [19], áo choàng thảm [20], áo choàng điện từ tàng hình 3-chiều [23], lỗ đen điện từ [24] Các thiết bị này đòi hỏi cấu trúc ba chiều cồng kềnh, băng tần hoạt động hẹp, và khó triển khai, đặc biệt là trong sản xuất với quy mô công nghiệp Để giải quyết vấn đề, siêu bề mặt điện từ [25], [26], hay còn được biết là nhánh siêu vật liệu điện từ hai chiều (2D electromagnetic metamaterials) với cấu trúc phẳng, băng thông rộng, dễ dàng chế tạo và triển khai, đã và đang được phát triển cho các ứng dụng che phủ và ngụy trang các vật thể cố định

20

1.1.5 Siêu bề mặt điện từ điều khiển tán xạ

Siêu bề mặt điện từ là một loại vật liệu tấm được cấu thành bởi các cấu trúc nhân tạo để tạo ra những đặc tính điện từ khác thường hoặc khó đạt được trong tự nhiên Vật liệu này có phạm vi ứng dụng to lớn trong trường điện từ (từ dải sóng điện từ tần số thấp đến tần số ánh sáng) [25], [26] Tuy nhiên, cho đến nay, MS thường được đặt tên dựa vào đặc tính được khai thác cho các ứng dụng cụ thể mà chưa có một định nghĩa chung chính thức cho loại vật liệu này Có nhiều loại cấu trúc siêu bề mặt điện từ khác nhau, chẳng hạn như trong Hình 1.10 và 1.11, bao gồm: mảng các phần tử kim loại tán xạ và phần tử hình cầu [25], mảng các ăng-ten quang học [26], bề mặt trở kháng cao (HIS) hoặc bề mặt khoảng trống điện từ (EBG) [27], khoảng trống quang tử phẳng (UC-PBC) [28], bề mặt trở kháng phản ứng (RIS) [29] hay bề mặt dẫn từ nhân tạo (AMC) [30]

Hình 1.10 Các cấu trúc khác nhau của siêu bề mặt điện từ: (a) mảng các phần tử kim loại tán xạ, (b) mảng các phần tử hình cầu [25], và (c) mảng các ăng-ten quang học hình chữ V [26]

(a) (b) (c)

Hình 1.11 Các cấu trúc khác nhau của siêu bề mặt điện từ: (a) bề mặt trở kháng cao (HIS) hoặc bề mặt khoảng trống điện từ (EBG) [27], (b) khoảng trống quang tử phẳng (UC-PBC) [28], (c) bề

mặt trở kháng phản ứng (RIS) [29] hay bề mặt dẫn từ nhân tạo (AMC) [30]

Hình 1.12 Áo choàng dạng thảm định hướng sử dụng siêu bề mặt điện từ [31]

Siêu bề mặt điện từ đã và đang được phát triển mạnh mẽ cho ứng dụng điều khiển tán xạ Hình 1.12 mô tả ứng dụng một áo choàng thảm dựa trên siêu bề mặt điện từ [31] Cấu trúc này có dạng giống như một chiếc lều được làm bằng siêu bề mặt điện từ Khi sóng tới chiếu từ trên xuống, sóng phản xạ sẽ truyền theo hướng sóng tới giống như khi sóng tới chiếu trên một mặt phẳng đất Để đạt được đặc tính này, các pha phản xạ của từng phần tử đơn phải được điều chỉnh cực kỳ tỉ mỉ Tuy nhiên, đây vẫn là một thiết bị thụ động, chỉ có tác dụng duy nhất với hướng sóng tới chiếu vuông góc xuống mặt đất

Siêu bề mặt điện từ tái cấu hình thông minh [32] gần đây đã nổi lên như một công nghệ mới cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới nhằm đạt được các kênh hoặc môi trường truyền sóng thông minh Hướng tới các thiết bị thông minh, khái niệm về siêu bề mặt điện từ mã hóa được đề xuất để điều khiển tán xạ của sóng điện từ bằng cách sử dụng các phần tử số [33]

Hình 1.13 (a) Cấu trúc của siêu bề mặt điện từ mã hóa 1 bit, (b) Hai siêu bề mặt được mã hóa với

thao tác với các chùm tán xạ [33]

Các siêu bề mặt điện từ mã hóa là mảng các phần tử đơn tuần hoàn, mỗi phần tử

có thể thực hiện việc điều khiển biên độ và/hoặc pha của sóng tán xạ, qua đó sóng tán

xạ được thay đổi linh hoạt bằng cách điển khiển biên độ và/hoặc pha của từng phần tử đơn Hình 1.13(b) là cấu trúc siêu bề mặt điện từ mã hóa 1-bit, được tạo bởi mảng tuần