Bài báo này trình bày về cấu trúc dải cấm điện từ (EBG- electromagnetic bandgap, là các tổ hợp của cấu trúc kim loại và điện môi sắp xếp tuần hoàn) thuộc phân lớp vật liệu meta. Một trong những tính chất quan trọng của EBG là ngăn cản sự lan truyền của sóng điện từ bề mặt trong một khoảng tần số cụ thể tùy ứng dụng.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol 59, No 1A, pp 91-97 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG VÙNG CẤM ĐIỆN TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU META VÙNG 10 GHz Trần Mạnh Cường1 , Nguyễn Thị Mến1 , Vương Văn Cường1 , Hồ Tuấn Hùng1 Nguyễn Thị Thúy1 , Phương Thúy Hằng1 , Phạm Thị Minh Nguyệt2 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Trường Cao đẳng Điện tử - Điện lạnh Hà Nội Tóm tắt Bài báo trình bày cấu trúc dải cấm điện từ (EBG- electromagnetic bandgap, tổ hợp cấu trúc kim loại điện môi xếp tuần hoàn) thuộc phân lớp vật liệu meta Một tính chất quan trọng EBG ngăn cản lan truyền sóng điện từ bề mặt khoảng tần số cụ thể tùy ứng dụng Cấu trúc thực tế EBG nghiên cứu truyền thống cần có dây nối đất (vias) để đảm bảo tồn vùng cấm điện từ Vấn đề xem nghiên cứu khảo sát cấu trúc dạng nấm, số cấu trúc EBG uniplanar compact-like (UC-PBG) Fork- like EBG số nghiên cứu khác Trong nghiên cứu trình bày số cấu trúc EBG có hình dạng mới, đơn giản sản xuất cho dải cấm tần số lớn hơn, cao tăng 5,7% lân cận vùng tần số làm việc 10 GHz Từ khóa: Cấu trúc dải cấm điện từ (EBG), vật liệu meta, vùng cấm điện từ, cộng hưởng, BW Mở đầu Những nghiên cứu vật liệu meta có vùng cấm điện từ khảo sát nhóm Sievenpiper với vật liệu bề mặt trở kháng cao (HIS -High Impedance Surface) minh họa Hình Đây cấu trúc dạng miếng kim loại tuần hồn đế điện mơi, cấu trúc tạo kiểu vật liệu với hai tính chất vật lí đặc biệt Thứ sóng điện từ phản xạ từ bề mặt cấu trúc pha sóng tới, ngồi cấu trúc tồn dải cấm điện từ, dải cấm sóng điện từ khơng thể lan truyền vật liệu Hai tính chất giúp vật liệu thu hút nhiều nghiên cứu có nhiều ứng dụng khác thường vật liệu lĩnh vực viễn thông [1-6] Tác giả liên lạc: Trần Mạnh Cường, địa E-mail: tmcuong@hnue.edu.vn 91 T.M Cường, N.T Mến, V.V Cường, H.T Hùng, N.T Thúy, P.T Hằng, P.T.M Nguyệt Hình Minh họa cấu trúc EBG thực tế [6] Ban đầu, cấu trúc EBG chế tạo dạng đơn vị kim loại phẳng kết nối với (UC-Uniplanar Compact) có khơng có vias Áp dụng thực tế cấu trúc thường có nhiều bất cập việc đáp ứng kích thước vật lí chúng Bởi vì, vùng tần số vùng cấm thấp, kích thước EBG cần phải lớn, làm tăng kích thước cấu trúc tăng giá thành chế tạo Vấn đề khắc phục phần Sievenpiper đưa cấu trúc dạng nấm [6] Sau số cấu trúc EBG nấm khác có thay đổi hình dạng miếng kim loại Fork- like EBG [8], circal spiral - like EBG [9-10] Những cấu trúc nấm có số lợi kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp Tuy nhiên, tính chất cộng hưởng chúng, cấu trúc EBG cho dải tần làm việc hẹp, hạn chế sử dụng băng thơng rộng,ngồi ra, cấu trúc nấm gây khó khăn định sản xuất Nghiên cứu đề cập đến cấu trúc photonic [13,14] Trong báo giới thiệu số cấu trúc EBG với dạng thù hình khác nhau, khơng có vias, kết mơ cho thấy dải tần làm việc mở rộng so với cấu trúc truyền thống khác Nội dung nghiên cứu 2.1 Kết mô thực nghiệm Để tính tốn bề rộng vùng cấm điện từ, dùng phần mềm CST MWS, cấu trúc mô dựa việc khảo sát ô sở, sóng điện từ quét bề mặt dựa điều kiện biên cách sử dụng sở minh họa Hình 2, khảo sát đặc tính vùng cấm điện từ dải tần số làm việc đặt điều kiện biên thích hợp cho vùng Brillouin thứ này, cấu trúc ô sở cấu trúc dạng miếng khảo sát Phần chúng tơi trình bày số cấu trúc dạng miếng, khơng sử dụng vias để nối với mặt phẳng đất kết vùng cấm chúng Các cấu trúc nghiên cứu nhóm vật liệu meta có dải cấm thường cho băng tần làm việc hẹp, cấu trúc đề xuất phạm vi báo đưa vùng làm việc cải thiện đáng kể so với cấu trúc thông dụng Chúng tơi giới thiệu hai nhóm cấu trúc nhóm gồm cấu trúc miếng vng, xoắn ốc trịn thơng dụng khơng có vias tính tới bề dầy miếng, nhóm nhóm kiểu mảng UC tích hợp bề mặt đế, dạng mảng tuần hoàn, nhiên khác với cấu trúc cũ, nhóm bề dầy miếng kim loại tính đến chiều dầy ảnh hưởng đáng kể đến khả ngăn sóng điện từ lan truyền cấu trúc Ở nhóm hình dạng không cần mối nối (vias), bề 92 Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường số vật liệu meta vùng 10 GHz Hình Điều kiện biên đơn vị sở khảo sát mô rộng vùng cấm cải thiện cấu trúc Sau chúng tơi giới thiệu kích thước sở cấu trúc kết bề rộng vùng cấm tương ứng, lưu ý q trình tính tốn vùng cấm thu kết mảng tuần hồn vơ hạn sở có kích thước vừa nêu Nhóm 1: Các sở cấu trúc miếng Cấu trúc vng Cấu trúc có kích thước sở độ rộng vùng cấm tính tốn đưa Hình Hình a) Mơ hình cấu trúc EBG dạng chữ nhật, thơng số ε=10, h=1mm, a=b=6 mm; w = l = mm, = 0,5 mm b) Đồ thị mô vùng cấm điện từ cấu trúc độ rộng vùng cấm (bandwidth) BW = 3,16 Ghz từ 8,52 Ghz - 11,68 Ghz, 31% tần số trung tâm Cấu trúc xoắn ốc Cấu trúc có kích thước sở độ rộng vùng cấm tính tốn đưa Hình Cấu trúc đĩa trịn Cấu trúc có kích thước sở độ rộng vùng cấm tính tốn đưa Hình 93 T.M Cường, N.T Mến, V.V Cường, H.T Hùng, N.T Thúy, P.T Hằng, P.T.M Nguyệt Hình a) Mơ hình EBG xoắn ốc, thơng số cấu trúc: đế có số điện mơi 10, h=1 mm; =0,5 mm, r=0,3 mm, e=0,3 mm, g=0,1 mm b) Tần số vùng cấm EBG xoắn ốc, độ rộng vùng cấm BW=3,53 Ghz từ 9,48 Ghz - 13,01 Ghz, 31% tần số trung tâm Hình a) Mơ hình cấu trúc EBG dạng đĩa tròn, ε=10, h=1 mm, a=b=6 mm; = 0,5 mm, r=1,5 mm b) Đồ thị tần số vùng cấm EBG đĩa tròn, độ rộng vùng cấm BW = 3,64 GHz từ 8,81Ghz - 12,45 GHz, 34% tần số trung tâm Hình Cấu trúc EBG chế tạo mạch Hình cấu trúc thực tế sản xuất mạch Các kết đạt khảo sát cấu trúc EBG dạng miếng cho thấy độ rộng vùng cấm lớn nhiều so với cấu trúc thông thường (đối với cấu trúc truyền thống thường 10%), điều giải thích ảnh hưởng bề dầy miếng kim loại tăng đáng kể bề mặt, khả ngăn lan truyền sóng nâng cao Cấu trúc cho thấy dễ dàng lựa chọn dải tần hoạt động cách thay đổi tham số cấu trúc, khơng có vias nên cấu trúc giúp đơn giản hóa q trình chế tạo cấu trúc Nhóm 2: Các ô sở cấu trúc UC PBG Trong phần này, cách tiếp cận từ mơ hình miếng kim loại cấu trúc UC - PBG Fei-Ran Yang [8], đề xuất cấu trúc UC mới, dạng nĩa kết hợp trường hợp khảo sát sau hình 7, cấu trúc sản xuất thực nghiệm hình Khi khảo sát cấu trúc này, cho thấy độ rộng dải cấm mở rộng tỉ lệ độ rộng dải cấm tần số cộng hưởng lớn 94 Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường số vật liệu meta vùng 10 GHz Hình Các cấu trúc UC PBG dạng phẳng nghiên cứu đồ thị vùng cấm điện từ tương ứng a) Độ rộng dải cấm cấm từ 15,18 Ghz - 17,62 Ghz, BW = 2,44 Ghz 15% tần số trung tâm b) Độ rộng dải cấm cấm từ 15,33 Ghz - 18,06 Ghz, BW = 2,73 Ghz 16,3 % tần số trung tâm c) Độ rộng dải cấm cấm từ 15,70Ghz - 18,74Ghz, BW = 3,04 Ghz 17,7% tần số trung tâm Hình Cấu trúc UC PBG chế tạo mạch Dưới Bảng so sánh kết bề rộng vùng làm việc cấu trúc UC khảo sát cấu trúc UC Fei-Ran Yang [8] Bảng So sánh băng thông cấu trúc Cấu trúc F R Yang UC - nhánh UC - nĩa UC - nhánh Bandwidth (BW-GHz) 1,96 2,44 2,73 3,04 BW(%) 12,0 15,0 16,3 17,7 Từ bảng thấy thay đổi hình dạng miếng kim loại, cấu trúc thu có dải cấm lớn từ 3% đến 5,7 % so với cấu trúc công bố Fei-Ran Yang Tuy nhiên cấu trúc UC có đặc điểm với hình dạng miếng kim loại định, cho độ rộng dải cấm đáng kể vùng tần số xác định, việc thiết lập vùng làm việc vùng làm việc khác băng tần X hay lân cận 10 GHz cần khảo sát thêm Khi tăng kích thước cấu trúc để giảm vùng tần số hoạt động UC - PBG bề rộng dải cấm giảm đáng kể tượng cộng hưởng nhanh chóng bị dập tắt 95 T.M Cường, N.T Mến, V.V Cường, H.T Hùng, N.T Thúy, P.T Hằng, P.T.M Nguyệt Các ưu điểm cấu trúc UC chế tạo theo phương pháp mạch in thông thường, khả tích hợp với thiết bị truyền thơng tốt, điều chỉnh giá trị cộng hưởng dễ dàng hứa hẹn tốt cho ứng dụng vật liệu meta lĩnh vực viễn thông [11,12] Kết luận Trong phạm vi báo giới thiệu số mơ hình cấu trúc EBG, cấu trúc có thù hình vật lí khác ảnh hưởng tới khả ngăn chặn sóng điện từ lan truyền bề mặt Độ rộng vùng cấm điện từ khảo sát so sánh với số cấu trúc khác báo, cấu trúc dạng UC PBG cho thấy bề rộng vùng cấm nâng cao từ 3-6% so với cấu trúc truyền thống Các cấu trúc trịn dầy ô vuông dầy cho thấy bề rộng vùng cấm lớn so với thông thường, tăng từ 10-15%, nhiên kích thước dầy miếng kim loại, độ cồng kềnh cấu trúc yếu tố cần xem xét kỹ nghiên cứu khác Các cải thiện độ rộng băng thông cho phép nâng cao đáng kể khả làm việc cấu trúc vật liệu meta có vùng cấm điện từ Lời cảm ơn : Bài viết tài trợ Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Việt Nam (NAFOSTED), mã đề tài 103.99-2011.02 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Xinyong, P Shum, N.Q Nqo et al, 2004 A bandwidth-tunable FBG filter with fixed center wavelength Microwave Opt Technol Lett 41, 22-24 [2] C.S Sobrinho, J.L.S Lima, and A.S.B, 2002 Sombra, Interchannel crosstalk on the acousto-optic tunable filter (AOTF) for network applications Microwave Opt Technol Lett 35, 230-235 [3] J Minowa and Y Fujii, 1984 High performance band pass filter for WDM transmission Appl Opt 23, 193-194 [4] Yang Chunliang and Lee Sanliang, 2002 Wavelength monitoring of tun-able DWDM sources using a FP etanlon and a FP laser diode OFC 70, 393-395 [5] Christophe Caloz, Tatsuo Itoh, 2005 Electromagnetic metamaterial: Transmission line theory and microwave applications John Wiley & Son, INC [6] Dan Sievenpiper, Lijun Zhang, Romulo F Jimenez Broas, Nicholas G Alex’ opolous, and Eli Yablonovitch, 1999 High Impedence Electromagnetic Surface with forbiddenfrequency band IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, Vol 47, No.11 [7] Pendry J B, 2000 Negative Refraction Makes a Perfect Lens Phys.Rev.Lett.85, 3966 [8] Fei-Ran Yang, Student Member, IEEE, Kuang-Ping Ma, Yongxi Qian, Member, IEEE, and Tatsuo Itoh, Life Fellow, IEEE, August 1999 A Uniplanar Compact Photonic-Bandgap (UC-PBG) Structure and Its Applications for Microwave Circuits IEEE transactions on microwave theory and techniques, vol 47, no 96 Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường số vật liệu meta vùng 10 GHz [9] Li Yang, Mingyan Fan, and Zhenghe Feng, 2005 A Spiral Electromagnetic Bandgap (EBG) structure and is Application in Microstrip Antenna Arrays IEEE Asia-Pacific Conf Proc., Microwave Conf., Proc., Vol 3, pp [10] “Microwave and optical technology letters”, August 2008 Lei Zhu, “A brief intro to metamaterial”, IEEE Potentials, Vol 50, No [11] Cuong, T M., Hafdallah-Ouslimani, H., Zhou, L., Priou A C., Teillet H., Daden, J Y., and Ourir, A., 2010 High impedance surfaces based antennas for high data rate communications at 40 ghz, Progress In Electromagnetics Research C, pp 217-229 [12] Cuong, T M., Ouslimani, H., Guida, G., Priou, A., Teillet, H and Daden J P., 2008 Metamaterial structure for compact millimeter wave antenna applications PIERS [13] Jolly Jose, 2013 Third-harmonic generation in resonant-metamaterial-based photonic-band-gap materials Phys Rev A 88, 043849 - Published 31 October 2013 [14] W Ji-JiangPhotonic, 2013 Bandgap properties of one-dimensional superconducting photonic crystals containing metamaterials Acta Phys Sin ABSTRACT Study of broadband working frequency of metamaterial at around 10 GHz One of the important properties of EBG (Electronic bandgap) metamaterial structures is to prevent the propagation of surface waves within the forbidden bandgap Practical applications of EBG structures are often difficult, particularly with high frequencies, because of the EBG period have to reach about half a wavelength at the working frequency band This problem was solved either by using mushroom structures in a study done by Sievenpiper or by using uniplanar compact EBG structures (UC-EBG) and Fork-like EBG structures These material structures have the advantage of compact size and low loss However, due to their configuration, most EBG structures have a limited working frequency bandgap The challenge now is to produce an EBG with a broadband working frequency In this to study we present electromagnetic bandgap structures with an extended working frequency range at around 10 GHz (band X) 97 ... mở rộng vùng cấm điện từ trường số vật liệu meta vùng 10 GHz Hình Các cấu trúc UC PBG dạng phẳng nghiên cứu đồ thị vùng cấm điện từ tương ứng a) Độ rộng dải cấm cấm từ 15,18 Ghz - 17,62 Ghz, BW... đáng kể đến khả ngăn sóng điện từ lan truyền cấu trúc Ở nhóm hình dạng không cần mối nối (vias), bề 92 Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường số vật liệu meta vùng 10 GHz Hình Điều kiện biên... 2,44 Ghz 15% tần số trung tâm b) Độ rộng dải cấm cấm từ 15,33 Ghz - 18,06 Ghz, BW = 2,73 Ghz 16,3 % tần số trung tâm c) Độ rộng dải cấm cấm từ 15,7 0Ghz - 18,7 4Ghz, BW = 3,04 Ghz 17,7% tần số trung