Tuy nhiên, khi hướng tới những ứng dụng tại vùng tần số cao hơn, việc giảm bớt thành phần kim loại trong cấu trúc hấp thụ là rất quan trọng bởi những tổn hao do kim loại gây ra tại tần số cao là rất đáng kể. Trong phần này luận văn sẽ đề xuất vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc nhẫn tròn.
Hình 3.9 trình bày ô cơ sở và kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa có cấu trúc nhẫn tròn. Kết quả cho thấy, cấu trúc này có đỉnh hấp thụ (gần 90%) tại tần số f 8.6 GHz. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, giống như các cấu trúc trước đây, tính chất hấp thụ của cấu trúc này phụ thuộc rất mạnh vào tham số cấu trúc và cũng không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ.
(a) (b)
(c)
Hình 3.9. Cấu trúc nhẫn tròn, (a) Các tham số cấu trúc: a = 15 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm, td = 0.8 mm, tm = 0.036 mm; (b) Sơ đồ mạch điện tương
đương hiệu dụng của cấu trúc nhẫn tròn, (c) Kết quả mô phỏng.
Để tính tần số cộng hưởng từ, hình 3.9 chỉ ra mạch điện tương đương của cấu trúc nhẫn tròn khi tương tác với sóng điện từ. Độ tự cảm của cấu trúc được biểu
34 diễn bởi công thức:
(3.11)
Giá trị điện dung của cấu trúc nhẫn tròn được xác định thông qua phương trình: (3.12) Do đó: √ √ (3.13) Các thông số cấu trúc:
Ứng với hệ số ta dễ dàng tính được: 8.74 GHz. Kết quả tính toán khá phù hợp với mô phỏng như chỉ ra trên hình 3.9.
Ngoài ra kết quả cho thấy tần số hấp thụ cộng hưởng của cấu trúc nhẫn tròn thấp hơn tần số hấp thụ cộng hưởng của cấu trúc đĩa tròn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tần số hấp thụ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc và bản chất vật liệu đặc biệt là bán kính ngoài và bán kính trong của vật liệu. Sự thay đổi của bán kính ngoài và bán kính trong không chỉ trực tiếp làm thay đổi độ dịch chuyển tần số mà nó còn gián tiếp làm thay đổi tần số thông qua đại lượng . Nguyên nhân là do là khi Ri
tăng lên hoặc Ro giảm đi hay đơn giản là hiệu thay đổi thì từ công thức tính từ trường [ ⁄ ta dễ dàng thấy độ lớn từ trường sẽ tăng lên. Khi đó, lực Lorentz sẽ tăng lên làm cho các điện tích sẽ bị đẩy về gần 2 đầu của nhẫn hơn. Hệ quả dẫn đến vùng diện tích tập trung điện tích sẽ nhỏ đi và giá trị cũng từ đó mà giảm đi. Như vậy thì tần số hấp thụ cộng hưởng của cấu trúc nhẫn phụ thuộc rất mạnh vào .
3.2. Cấu trúc kết hợp ĩa-Nhẫn tròn (Dish-ring)
Để có thể đưa vật liệu biến hóa hấp thụ tiến gần đến ứng dụng rộng rãi hơn trong cuộc sống, một trong những điều kiện rất quan trọng đó vật liệu biến có dải tần số hấp thụ rộng. Những cấu trúc trình bày trên có độ hấp thụ gần tuyệt đối,
35
nhưng chỉ có khả năng hấp thụ trong một dải rất hẹp hoặc tại một tần số nhất định. Điều này hạn chế trong các ứng dụng thực tế. Chính vì vậy, việc thiết kế và tìm kiếm cấu trúc để thu được vật liệu biến hóa hấp thụ có độ hấp thụ cao trong dải tần số rộng đã thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. Dựa vào tính chất hấp thụ của mẫu phụ thuộc vào tham số cấu trúc và hằng số mạng như trình bày ở phần trên. Chúng tôi đã nghiên cứu tìm kiếm vật liệu có hấp thụ trên dải tần số rộng.
Với cấu trúc đĩa tròn như chúng tôi đã khảo sát ở trên chỉ thu được một dải hấp thụ hẹp. Chính vì vậy chúng tôi đề xuất cấu trúc Dish-ring là sự kết hợp của hai cấu trúc đĩa tròn và nhẫn tròn với mục đích để tạo ra hai đỉnh hấp thụ. Ô cơ sở mẫu chế tạo và phổ hấp thụ được trình bày trên hình 3.10.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.10. (a) Ô cơ sở của cấu trúc Dish-ring có các tham số cấu trúc a = 15 mm, R = 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm; (b) Mẫu chế tạo (c), (d) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc Dish-ring.
36
Kết quả cho thấy xuất hiện hai đỉnh hấp thụ tại hai tần số khác nhau 8.9 GHz và 15.8 GHz. Có thể thấy rằng kết quả thực nghiệm khá trùng khớp với kết quả mô phỏng. Tuy nhiên ở đây có sự khác nhau không đáng kể giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Sự khác nhau có thể được giải thích là do trong quá trình mô phỏng tất cả các điều kiện đo, cấu trúc thiết kế là lý tưởng, trong khi đó phần thực nghiệm có sự không chính xác về các tham số cấu trúc trong quá trình chế tạo mẫu hay nhiễu trong khi đo đạc.
Để xác định sự đóng góp của từng thành phần đĩa tròn hay nhẫn tròn lên tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa có cấu trúc kết hợp. Chúng tôi đã tiến hành khảo sát sự phân bố dòng điện tại hai đỉnh hấp thụ ở tần số 8.9 GHz và 15.8 GHz. Kết quả được trình bày trên hình 3.11 và 3.12.
Kết quả cho thấy tại tần số 8.9 GHz, dòng điện ở mặt trước và mặt sau có tính đối song, tập trung chủ yếu tại khu vực phần nhẫn tròn, do vậy cộng hưởng này là cộng hưởng từ của thành phần nhẫn tròn gây nên.
(a) (b)
Hình 3.11. Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc Dish-ring tại 8.9 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-ring
37
Bên cạnh đó kết quả phân bố dòng tại tần số 15.8 GHz trên hình 3.12 cho thấy dòng điện ở mặt trước và mặt sau của cấu trúc cũng có tính đối song nhưng tập trung chủ yếu tại khu vực phần đĩa, vậy cộng hưởng này là cộng hưởng từ của thành phần đĩa gây nên. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(a) (b)
Hình 3.12. Sự phân bố dòng điện của cấu trúc Dish-ring tại 15.8 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-ring
Vậy từ các kết quả phân bố dòng chúng ta có thể kết luận rằng, đỉnh hấp thụ tại tần số 8.9 GHz là do cấu trúc đĩa tròn gây nên, trong khi đó đỉnh hấp thụ ở tần số 15.8 GHz là do cấu trúc nhẫn tròn gây nên. Cả hai đỉnh hấp thụ này là do cộng hưởng từ của cấu trúc sinh ra.
3.3. Cấu trúc ĩa-Nhẫn tròn có rãnh (Dish-split ring)
Như đã trình bày ở trên, cấu trúc Dish-ring thu được hai đỉnh hấp thụ ở hai vùng tần số cách xa nhau. Do đó, để thu được một dải hấp thụ rộng chúng tôi đã tiến hành khảo sát bằng cách điều chỉnh cho 2 đỉnh hấp thụ này lại gần nhau. Với mục đích đó chúng tôi đã cắt một đoạn vòng nhẫn trên cấu trúc khi đó trở thành nhẫn tròn có rãnh.
38
Khi cắt đi một đoạn nhẫn sẽ tạo ra 3 cặp lưỡng cực điện, làm cho giá trị độ tự cảm hiệu dụng của cấu trúc này giảm dẫn. Do vậy, tần số hấp thụ tương ứng của nhẫn dịch chuyển lại gần đỉnh hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn [24].
(a) (b) (c)
Hình 3.13. (a), Ô cơ sở của cấu trúc Dish-split ring với các tham số a = 15 mm, R = 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm,g=0.8 mm, (b) Mẫu chế tao,
(c) Sơ đồ mạch điện tương đương hiệu dụng của cấu trúc Dish- Split ring, (d) kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc Dish-Split ring.
Kết quả trình bày trên hình 3.13 cho thấy, tương tự như cấu trúc dish-ring cấu trúc Dish-split ring cũng xuất hiện hai đỉnh hấp thụ tại hai vùng tần số khác nhau 13.04 GHz và 15.9 GHz. Tuy nhiên hai đỉnh hấp thụ này có sự dịch chuyển lại gần nhau. Điều này được giải thích ảnh hưởng do khe cắt của vòng xuyến đã tạo ra.
39
Cấu trúc Dish-split ring được trình bày như trên hình 3.13 với thành phần nhẫn bị cắt một khoảng g = 0.8 mm.Với cấu trúc này chúng tôi thu được 1 phổ hấp thụ mới, ta thấy đỉnh hấp thụ thứ 1 bị dịch chuyển từ tần số 8.9 GHz đến 13.04 GHz, còn đỉnh hấp thụ thứ 2 hầu như không thay đổi. Điều này cho thấy, sự thay đổi của thành phần cấu trúc nhẫn bên ngoài làm cho đỉnh cộng hưởng thứ nhất tương ứng với nó bị dịch chuyển với một khoảng tần số đáng kể.
Để thấy rõ được nguyên của sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ thứ nhất, chúng tôi tiến hành khảo sát mật độ dòng. Hình 3.14 trình bày mật độ phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau tương ứng tại tần số 13.04 GHz. Ở đây xuất hiện hiện tượng tách dòng từ 2 dòng thành 3 dòng, lúc này dòng điện ban đầu ứng với phần nhẫn bị cắt bị tách ra làm 2 dòng nối tiếp nhau và gây ra sự giảm về chiều dài của thành phần cuộn cảm.
(a) (b)
Hình 3.14. Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc Dish-split ring tại 13.04 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-split ring
Để khẳng định điều này, chúng tôi tiếp tục khảo sát điện trường của cấu trúc Dish-split ring. Kết quả cho thấy phần điện trường tập trung nhiều tại phần bị cắt của nhẫn, tạo ra tạo ra 3 cặp lưỡng cực gây ra hiện tượng dịch đỉnh của cấu trúc.
40
Hình 3.15. Sự phân bố điện trường của cấu trúc Dish-split ring tại 13.04 GHz
Theo Zhang [24], khi vòng nhẫn bị cắt, điện trường và từ trường của nhẫn được phân bố lại và hình thành ba lưỡng cực tương ứng với ba cộng hưởng. Do vậy thay vì tính tần số cộng hưởng trên cả cấu trúc, luận văn sẽ chỉ tính tần số cộng hưởng ứng với 1/3 cấu trúc nhẫn tròn. Sơ đồ mạch điện tương đương của cấu trúc dish-split ring được trình bày trong hình 3.13(c).
Độ tự cảm của 1/3 nhẫn được xác định dựa trên độ tự cảm của cả nhẫn mà luận văn đề cấp ở phần cấu trúc hình tròn:
(3.14)
Trong đó là bán kính ngoài và bán kính trong của nhẫn.
Giá trị điện dung của tụ ứng với 1/3 nhẫn cũng được xác định qua công thức:
(3.15)
Ở đây, giá trị c1 phải nhỏ hơn giá trị c1 khi tính toán điện dung ứng với cả nhẫn là 2/3 lần. Vì vậy 0.05<c1<0.1
41
⁄ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(3.16)
Với d là chiều dài phần bị cắt.
Khi đó, tần số cộng hưởng thu được là:
√ √
(3.17)
Thay các giá trị Lm, Cm ta được:
√
√
(3.18)
Với các tham số cấu trúc, giá trị độ điện thẩm, từ thẩm đã biết ta dễ dàng tính được: GHz, ứng với giá trị: 9
Như vậy việc cắt một phần nhẫn tròn không chỉ đẩy tần số hấp thụ lên vùng tần số cao hơn mà còn giữ nguyên tính đối xứng của cấu trúc được chỉ ra ở hình 3.15. Giống như cấu trúc nhẫn tròn đề cập ở trên, tần số cộng hưởng phụ thuộc rất nhiều vào bán kính trong và bán kính ngoài của nhẫn. Ngoài ra, tần số hấp thụ cộng hưởng của cấu trúc nhẫn bị cắt phụ thuộc đáng kể vào khoảng cách khe bị cắt (g) được trình bày trên hình 3.16. Kết quả cho thấy khi tăng khoảng cách khe (g), tần số cộng hưởng thứ nhất dịch về phía tần số cao, tiến gần tới tần số cộng hưởng thứ hai. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm, sự dịch chuyển này có thể được giải thích là do khi tăng khoảng cách (g), giá trị của 1/3 nhẫn sẽ giảm đi dẫn đến sự tăng lên của tần số hấp thụ thứ nhất.
42
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.16. (a), Ô cơ sở của cấu trúc Dish-split ring, (b) Mẫu chế tạo,
(c), (d) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ khi khoảng cách (g) thay đổi từ 0.2 đến 1.4 mm.
3.4. Hấp thụ dải rộng
Việc mở rộng dải tần hấp thụ đã và đang là một hướng nghiên cứu được nhiều người quan tâm. Với ý tưởng ban đầu xuất phát từ một công bố gần đây về việc tạo ra một vật liệu MA gồm các siêu ô cơ sở, trong mỗi ô cơ sở gồm nhiều cấu trúc MPA với kích thước khác nhau. Cấu trúc đầu tiên chúng tôi nghiên cứu gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn có bán kính khác nhau được bố trí trong cùng một ô cơ sở. Cấu trúc siêu ô cơ sở và mẫu chế tạo được trình bày trong hình 3.17.
43
(a) (b)
Hình 3.17. Cấu trúc có 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn: (a) cấu trúc ô cơ sở, (b) mẫu chế tạo
Ô cơ sở gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn có bán kính khác nhau, R1=2.2 mm,
R01=3.1 mm, Ri1=2.8 mm, R2=2.45 mm, R02=3.4 mm, Ri2=3.1 mm, R3=2.3 mm,
R03=3.2 mm, Ri3=2.9 mm, R4=2.1 mm, R04=3 mm, Ri4=2.7 mm và hằng số mạng a = 15 mm. Phổ hấp thụ của vật liệu có cấu trúc này được trình bày trên hình 3.18. Kết quả cho thấy xuất hiện 8 đỉnh hấp thụ tại các tần số 12.32 GHz, 13.12 GHz, 13.8 GHz, 14.68 GHz, 15.16 GHz, 16 GHz, 17 GHz và 17.84 GHz. Để xác định nguyên nhân tạo ra các đỉnh hấp thụ này, chúng tôi đã mô phỏng phân bố từ trường cảm ứng sinh ra khi mẫu tương tác với sóng điện từ tại các tần số trên, kết quả thu được trình bày trong hình 3.19.
44
f1 f2 f3 f4
f5 f6 f7 f8
Hình 3.19. Từ trường cảm ứng tại các tần số cộng hưởng (f1=12.32 GHz, f2=13.12 GHz, f3=13.8 GHz, f4=14.68 GHz, f5=15.16 GHz, f6=16 GHz, f7=17
GHz và f8=17.84).
Kết quả cho thấy các đĩa tròn và nhẫn tròn có bán kính R1=2.2 mm, R01=3.1 mm, Ri1=2.8 mm, R2=2.45 mm, R02=3.4 mm, Ri2=3.1 mm, R3=2.3 mm, R03=3.2 mm, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ri3=2.9 mm, R4=2.1 mm, R04=3 mm, Ri4=2.7 mm tương ứng tạo ra các đỉnh hấp thụ ở các tần số f1=12.32 GHz, f2=13.12 GHz, f3=13.8 GHz, f4=14.68 GHz, f5=15.16 GHz, f6=16 GHz, f7=17 GHz và f8=17.84 GHz. Bán kính đĩa tròn tăng, tần số đỉnh hấp thụ tăng và ngược lại. Ngoài ra ta có thể nhận thấy cường độ hấp thụ tại mỗi đỉnh là không đồng đều.
Từ kết quả trên, sau khi xác định được vị trí và nguyên nhân gây ra các đỉnh hấp thụ, luận văn tiếp tục đi sâu nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc để thu được vật liệu hấp thụ có dải rộng. Một trong những vấn đề quan trọng là phải dịch chuyển các tần số hấp thụ lại gần nhau đến khi các đỉnh này gối lên nhau. Do vậy để các đỉnh hấp thụ sát lại gần nhau tạo thành một dải liên tục, chúng tôi đã tiến hành điều chỉnh kích thước của các đĩa tròn sao cho chúng sai khác nhau đủ nhỏ. Bằng phương pháp này, chúng tôi đã thu được cấu trúc hấp thụ dải rộng có tham số cấu trúc: R1=2.45;
Ri1=2.95; Ro1=3.15; R2=2.6; Ri2=3.35; Ro2=3.5, R3=2.55; Ri3=2.9; Ro3=3.25, R4=2.4;
45
Hình 3.20. Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn.
Hình 3.21. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn.
46
Kết quả cho thấy đối với cấu trúc 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn, độ rộng dải đạt được là 3.7 GHz với độ hấp thụ trên 80%. Độ hấp thụ lớn nhất đạt được trong dải này là 98% tại tần số 15.1 GHz.
Như vậy trong phần này, chúng tôi đã nghiên cứu cải thiện tính năng hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng cách đề xuất sử dụng những siêu ô cơ sở hấp thụ. Những siêu ô cơ sở này gồm nhiều cấu trúc hấp thụ đơn lẻ có kích thước hình học khác nhau để tạo ra những đỉnh hấp thụ liên tiếp ở những tần số được tính toán trước. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy khi sử dụng siêu ô cơ sở gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn, ta có thể mở rộng vùng hấp thụ tới ~ 80% (3,7 GHz) tại tần số 15.1 GHz. Kết quả này sẽ mở đường cho việc triển khai áp dụng trong việc điều biến vật