3.1.1. MA hoạt động trong vùng GHz (5 – 10 GHz)
Trong mục này, vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đề xuất có cấu trúc gồm 3 lớp và được ký hiệu là MA1:
- Lớp thứ nhất là lớp kim loại đồng có cấu trúc cộng hưởng và các tham số như được biểu diễn trong hình vẽ với độ dày 0,035 mm.
- Lớp điện môi ở giữa là FR-4 dày 1,6 mm.
- Lớp kim loại đồng liên tục phía sau dày 0,035 mm.
Thành phần điện môi FR-4 có độ điện thẩm 𝜀 = 4,3 và hệ số tổn hao là 0,025. Lớp đồng (Cu) có độ dẫn điện 𝜎 = 5,96 × 107(S m⁄ ).
Hình 3.1 trình bày cấu trúc ô cơ sở của MA với sự phân cực và hướng của sóng điện từ chiếu tới. Các tham số cấu trúc của vật liệu được liệt kê trong Bảng 1 dưới đây:
Bảng 1. Tham số cấu trúc của MA1.
Tham số cấu trúc Giá trị (mm)
a 22
d 1
l 11 r1 7 r2 1 s 0,5 td 1,6 tm 0,035 w 2
Hình 3.1. Cấu trúc ô cơ sở của MA1. (a) Cấu trúc dấu cộng, (b) cấu trúc vòng cộng hưởng và (c) cấu trúc MA1 kết hợp từ2 cấu trúc trên.
Hình 3.2. Độ hấp thụ của MA có cấu trúc (a) dấu cộng, (b) vòng cộng hưởng và (c) kết hợp cả 2 cấu trúc trên (MA1).
Hình 3.2 trình bày độ hấp thụ của cấu trúc dấu cộng, vòng cộng hưởng và cấu trúc kết hợp. Kết quả cho thấy với cấu trúc dấu cộng, độ hấp thụ đạt 98,4% tại tần số 6,9 GHz. Đối với cấu trúc vòng cộng hưởng, độ hấp thụ đạt 82,2% tại tần số 8,5 GHz. Dù mỗi cấu trúc riêng lẻ chỉ cho 1 đỉnh hấp thụ duy nhất nhưng khi kết hợp hai cấu trúc lại, phổ hấp thụ thu được là 1 đỉnh hấp thụ tại tần số 6,85 GHz với độ hấp thụ 92,2% và 2 đỉnh hấp thụ gần nhau tại 8,4 GHz và 8,6 GHz với độ hấp thụ 98% và 99,8% tương ứng. Hai đỉnh hấp thụ này cũng tạo thành một dải hấp thụ từ 8,3 – 8,75 GHz với độ hấp thụ trên 80%. Kết quả quan sát cho thấy, bên cạnh các cộng hưởng riêng của cấu trúc dấu cộng và cấu trúc vòng cộng hưởng, tương tác giữa hai cấu trúc này cũng góp phần sinh ra một đỉnh cộng hưởng mới từ đó hình thành nên phổ hấp thụ đa đỉnh của MA1.
Hình 3.3. Sự thay đổi độ hấp thụ của MA1 khi thay đổi khoảng cách 𝑑.
Ảnh hưởng của khoảng cách d giữa cấu trúc dấu cộng và vòng cộng hưởng lên tính chất hấp thụ của MA1 được nghiên cứu và thể hiện trong Hình 3.3. Kết quả cho thấy, khi d giảm từ 1 xuống 0,5 mm, độ hấp thụ của đỉnh thứ nhất gần như không có sự thay đổi mà chỉ dịch chuyển từ 6,85 GHz sang 6,77 GHz. Trong khi đó, hai đỉnh hấp thụ gần nhau có sự thay đổi dễ nhận thấy hơn. Đỉnh thứ hai có độ hấp thụ tăng lên 99,4% và đỉnh thứ ba có độ hấp thụ bị giảm nhẹ còn 93,3%. Bên cạnh đó, khoảng cách về tần số giữa đỉnh hấp thụ thứ hai và thứ ba trở nên xa hơn. Điều này cho thấy tham số d đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tương tác của hai cấu trúc cộng hưởng. Khi cấu trúc dấu cộng và cấu trúc vòng cộng hưởng nằm gần nhau, tương tác giữa hai cấu trúc mạnh hơn, khiến cho khoảng cách giữa tần số cộng hưởng của đỉnh hấp thụ thứ hai và thứ ba lớn hơn. Hiện tượng quan sát thấy phù hợp với một số kết quả đã được công bố về hiệu ứng tương tác trường gần giữa các cấu trúc cộng hưởng trong vật liệu biến hóa
[57]. Kết quả trên cho thấy, bằng cách điều khiển tham số cấu trúc d, khoảng cách tần số giữa hai đỉnh hấp thụ có thể được thay đổi. Nhờ đó, vùng hấp thụ có thể được chuyển đổi giữa dải rộng (khi hai tần số cộng hưởng gần nhau) và đa đỉnh (khi hai tần số cộng hưởng xa nhau).
Hình 3.4. Phân bố dòng bề mặt trên cấu trúc MA1 tại tần số (a) 6,8 GHz; (b) 8,4 GHz và (c) 8,8 GHz.
Để làm rõ cơ chế vật lý của MA1, phân bố dòng điện bề mặt trên cấu trúc MA1 tại các tần số hấp thụ đã được mô phỏng. Hình 3.4 thể hiện sự phân bố dòng điện trên bề mặt cấu trúc MA1. Tất cả các cộng hưởng này đều là cộng hưởng từ gây ra bởi các dòng điện cảm ứng bề mặt đối song trong các lớp kim loại. Tại tần số 6,8 GHz, dòng điện cảm ứng được tăng cường chủ yếu xung quanh cấu trúc dấu cộng. Trong khi đó, ở tần số 8,4 GHz và 8,8 GHz, dòng điện cảm ứng tập trung chủ yếu ở các cạnh bên ngoài của các vòng cộng hưởng. Điều này chỉ ra rằng cộng hưởng ở 6,8 GHz là do phản ứng từ gây ra bởi cấu trúc dấu cộng riêng biệt còn dải hấp thụ từ 8,3 – 8,75 GHz là kết quả khi kết hợp các cấu trúc với nhau.
Hình 3.5 mô tả sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc tới của sóng điện từ θ khi d = 1 mm. Kết quả cho thấy, độ hấp thụ tương đối ổn định và ít bị ảnh hưởng bởi góc tới. Độ hấp thụ tại cả 3 đỉnh vẫn giữ được trên 80% khi góc tới tăng đến
60°.
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào góc tới(khi d = 1 mm).
Tuy nhiên, khi góc tới tăng đến 75°, độ hấp thụ của đỉnh thứ nhất và thứ hai giảm còn 83,6% và 78% tương ứng. Trong khi đỉnh hấp thụ thứ ba chỉ còn 56,6%. Ngoài ra, có thể quan sát thấy, khi góc tới của sóng điện từ tăng, tần số của đỉnh hấp thụ thứ nhất gần như không đổi. Tuy nhiên, các đỉnh hấp thụ thứ hai và thứ ba có xu hướng dịch xa ra nhau hơn và tách thành 2 đỉnh riêng biệt một
cách rõ rệt. Điều này có thể được giải thích dựa trên ảnh hưởng của sự bất đối xứng lên tương tác trường gần giữa các cấu trúc cộng hưởng [58]. Cấu trúc của MA1 cơ bản là đối xứng về mặt hình học.
Hình 3.6. Sự biến đổi của phổ hấp thụ khi (d = 0,5 mm) góc tới thay đổi.
Tuy nhiên, khi sóng điện từ được chiếu tới vật liệu với θ ≠ 0, vật liệu được coi là bất đối xứng đối với sóng điện từ chiếu tới. Sự bất đối xứng này cũng đóng góp vào tương tác trường gần giữa cấu trúc dấu cộng và cấu trúc vòng cộng hưởng. Khi góc tới của sóng điện từ càng lớn, sự bất đối xứng càng tăng khiến cho tương tác giữa hai cấu trúc càng mạnh hơn. Hệ quả là, tần số cộng hưởng của hai đỉnh sinh ra càng xa nhau hơn.
So với trường hợp d = 1 mm (Hình 3.5), phổ hấp thụ bị ảnh hưởng bởi góc tới của sóng điện từ nhiều hơn khi khoảng cách d = 0,5 mm. Qua đồ thị trên Hình 3.6, ta có thể thấy, khi θ thay đổi từ 0° đến 75°, đỉnh hấp thụ đầu tiên gần như vẫn không có sự thay đổi cả về độ hấp thụ lẫn tần số đỉnh cộng hưởng. Trong khi đó, đỉnh hấp thụ thứ hai và thứ ba chỉ giữ được độ hấp thụ đến khi góc tới đạt 45°. Khi góc tới tăng đến hơn 60°, đỉnh hấp thụ thứ hai bắt đầu bị ảnh hưởng và đỉnh thứ ba thay đổi đáng kể, giảm chỉ còn gần 50% khi góc tới tăng đến 75°.