L ỜI CAM ĐOAN
3.1. Điều khiển biên độ và tần số hấp thụ dựa trên hiệu ứng chuyển đổ
phân cực
Trong phần này, chúng tôi đưa ra một cấu trúc của vật liệu biến hóa (MM) đa chức năng có thể hoạt động như một cấu trúc hấp thụ tuyệt đối (PA) hoặc bộ chuyển đổi phân cực (PC) bằng cách điều khiển diot biến dung. Với chế độ PC, MM cho thấy khả năng chuyển đổi phân cực ở vùng tần số từ 2.0 đến 7.0 GHz với độ chuyển đổi phân cực lên tới 100%. Trong khi ở chế độ PA, MM đạt được dải hấp thụ ba đỉnh với độ hấp thụ cao. Thêm vào đó, bằng cách giảm kích thước của ô cơ sở đã đưa ra từ trước, chúng tôi đã nghiên cứu mô phỏng các chế độ PA và PC tại vùng tần số THz với mục đích phát triển các phương pháp tiên tiến cho vùng tần số này. Nghiên cứu của chúng tôi được kì vọng sẽ đóng góp vào việc chế tạo các thiết bị đa chức năng dựa trên vật liệu biến hóa hoạt động tại vùng tần số GHz hoặc cao hơn trong tương lai.
Cho đến nay, các bộ chuyển đổi phân cực (PC) và PA khác nhau dựa trên MM đã được đề xuất mạnh mẽ để có thể đạt được đơn/đa đỉnh và băng tần rộng. Tuy nhiên, các thiết bị dựa trên MM này bị giới hạn ở một chế độ hoạt động duy nhất chỉ cho phép hấp thụ hoặc chuyển đổi phân cực, chứ không phải cả hai. Để xây dựng chức năng chuyển đổi giữa hai trạng thái này, chúng tôi đề xuất cấu trúc MM lai hóa bằng cách tích hợp diode varactor trên các mẫu hình nhẫn và hình vuông, có thể điều khiển bằng điện áp giữa hấp thụ ba đỉnh (đối với môi trường có độ bất đẳng hướng thấp) và chuyển đổi phân cực 900 (đối với môi trường có độ bất đẳng hướng cao).
Sơ đồ cấu trúc MM lai hóa và ô đơn vị được tối ưu hóa của cấu trúc này được thể hiện trong Hình 3.1 (a). Mô hình này bao gồm ba lớp, trong đó hai lớp kim loại được ngăn cách bởi vật liệu điện môi FR-4 có độ dày t. Trong mô phỏng, độ điện thẩm tương đối của FR-4 được chọn là 4.3 với loss tangent là
0.025. Đồng (độ dẫn điện là S / m) được chọn cho cả lớp kim loại ở mặt trên và dưới. Trong trường hợp này, mặt dưới được phủ hoàn toàn bằng đồng trong khi bề mặt meta-surface trên cùng được khắc theo hình dạng mong muốn, trên đó các điốt biến dung được tích hợp trong khe bên phải..
Hình 3.1. Thiết kế ba chiều của ô đơn vị với các thông số cấu trúc được tối ưu hóa: L = 24,5, a = 22, b = 11, d = 1,2, g = 4, m = 0,5, n = 0,5, t = 1,6 và tm = 0,035 mm. (b) Mô hình tương đương đơn giản hóa của diode SMV2019-079LF. (c) Mẫu
chế tạo tích hợp với các tụ điện.
Để tạo ra một thiết bị MM có thể điều chỉnh giữa các trạng thái, các điốt biến dung được ưu tiên vì điện dung của nó có thể thay đổi trong một khoảng giá trị rộng bằng cách đặt điện áp phân cực DC, phương pháp này có thể ứng dụng trong cả vùng tần số cao. Với lý do này, diode biến dung SMV2019- 079LF (sản xuất bởi Skywork) đã được chọn. Điện dung của diode này có thể thay đổi từ 2.31 đến 0.24 pF khi một điện áp ngược được đặt vào nó thông qua các đường cấp với giá trị thay đổi từ 0 đến -19V [80]. Mô hình mạch tương đương của diode được thể hiện trong Hình 3.1(b), với các giá trị hiệu dụng tương ứng (R, L và C) được thể hiện trong Bảng 3.1. Trong mô phỏng, nhằm mục đích đơn giản hóa, các diode biến dung được mô hình hóa như một mạch RLC mắc nối tiếp.
Bảng 3.1. Thông số mạch hiệu dụng của diode varactor SMV2019-079LF. VR (V) C (pF) R (Ω) L (nH) 0 2.31 4.51 0.7 -4 0.84 4.04 0.7 -7 0.55 3.66 0.7 -11 0.38 3.18 0.7 -14 0.31 2.86 0.7 -16 0.27 2.65 0.7 -19 0.24 2.38 0.7
Trong mô phỏng, chế độ Frequency domain solver được sử dụng với dải tần từ 2.0 đến 7.0 GHz. Các ô đơn vị với các điều kiện biên tuần hoàn được sử dụng cho các hướng x(H) và y(E). Cần lưu ý rằng vectơ điện trường của sóng điện từ tới được định hướng dọc theo trục u nghiêng so với trục y một
góc 0
45
, như thể hiện trong Hình 3.1 (a). Ma trận phản xạ (R), mô tả biên độ phản xạ của sóng điện từ bức xạ từ cấu trúc, có thể được biểu thị bằng [40]:
. (3.1) Hệ số được định nghĩa là hệ số phản xạ của sóng phản xạ phân cực theo phương l, với sóng điện từ tới là sóng phân cực theo phương m. Trong trường hợp của chúng tôi, sóng điện từ tới chỉ có trạng thái phân cực u
nên chỉ cần xét đến hai đại lượng quan trọng là hệ số phản xạ đồng phân cực (Ruu) và hệ số phân cực chéo (Rvu). Đặc biệt, để đánh giá hiệu quả chuyển đổi phân cực, hệ số chuyển đổi phân cực (PCR) được định nghĩa là [81]: