. 221 Mô hình mạch LC ứng với cấu trúc cặp đĩa
2.3. Phương pháp mô phỏng
phỏng thương mại CST Microwave Studio (Computer Simulation Technology) vì tính hiệu quả và độ chính xác đã được chứng minh bởi nhiều kết quả được công bố [17, 18, 19]. CST cung cấp cho người sử dụng cả hai phương pháp theo miền thời gian và miền tần số nhằm mục đích đa dạng hóa trong mô phỏng. Cụ thể, theo miền tần số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn chuyển đổi phương trình vi phân từng phần thành một tập hợp các phương trình đại số tuyến tính để thu được các lời giải gần đúng thỏa mãn các điều kiện biên (chọn nghiệm phù hợp với ý nghĩa vật lý). Trong khi đó, việc giải theo miền thời gian bằng cách sử dụng kỹ thuật tích phân hữu hạn (finite integration technique - FIT) biến đổi các phương trình Maxwell và các phương trình tán sắc của vật liệu từ không gian liên tục đến không gian rời rạc bằng cách đặt áp điện trên cạnh của một lưới và áp từ trên cạnh của một lưới kép. FIT tạo ra hệ phương trình lưới Maxwell (Maxwell’s Grid equations) từ các phương trình Maxwell, từ đó đảm bảo các tính chất vật lý của trường được duy trì trong không gian rời rạc, và dẫn đến một nghiệm duy nhất. Tuy nhiên, phương pháp miền tần số thích hợp hơn với bài toán xảy ra trong vùng tần số hẹp, cấu trúc nhỏ có tính tuần hoàn trong khi phương pháp miền thời gian thường sử dụng cho vật liệu có kích thước lớn, khảo sát trong vùng tần số rộng. Trong luận văn, các kết quả mô phỏng chủ yếu sử dụng phương pháp theo miền tần số vì những thuận tiện của nó phù hợp với các bài toán nghiên cứu.Trong các nghiên cứu của luận văn sử dụng CST, một hệ thống mô phỏng được thiết kế để thu được các thông số phản xạ S11, truyền qua S21 và các pha của sóng điện từ khi đi qua cấu trúc vật liệu biến hóa. Sau khi mô phỏng, các tham số tán xạ S gồm cả cường độ và pha sẽ được sử dụng để tính toán các thông số độ từ thẩm và độ điện thẩm dựa trên thuật toán của Chen.
Hình 2.8. Giao diện mô phỏng CST
(a) (b)
Hình 2.9. Mô phỏng: (a) phân bố dòng điện mặt bên, (b) dòng mặt trước, dòng mặt sau năng lượng trên đĩa tròn, tại tần số fm =13.93 GHz.
Hình 2.9 là một trong các mô phỏng phân bố dòng bằng phần mềm CST. Hình 2.9 cho thấy phần mềm mô phỏng CST giúp ta quan sát một số đặc tính rất khó kiểm chứng. Ví dụ, phân bố điện và từ trường bên trong và bên ngoài vật liệu biến hóa chiết suất âm sẽ cho biết trường điện từ của sóng tới tương tác với cấu trúc như thế nào. Từ đó cung cấp thông tin về các cơ chế chính trong vật liệu biến hóa chiết suất âm.
Trong luận văn sử dụng phần mềm CST phiên bản năm 2017, do công ty CST - Computer Simulation Technology cung cấp (có bản quyền). Các tham
Mặt sau Mặt trước
số đầu vào trong chương trình CST để thực hiện các nghiên cứu trong luận văn gồm có: 1. các tính chất của vật liệu như FR4 (gồm có độ tổn hao, hằng số điện môi, mô hình tán sắc), đồng (gồm có độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt). 2. Hình dạng và các độ lớn của các tham số cấu trúc của các cấu trúc nghiên cứu. 3. Chế độ phân cực, chế độ đặt ăngten. 4. Các chế độ xem các thông tin như phân bố dòng, phân bố điện từ trường.
Với chương trình CST có ưu điểm là dễ sử dụng, có hình ảnh đồ họa 3D rất trực quan, cho kết quả có độ tin cậy cao (đã được chứng minh bởi nhiều công trình công bố trên tạp chí uy tín như đã trình bày ở trên). Tuy nhiên có nhược điểm so với các chương trình tự lập trình là không can thiệp được vào quá trình tính toán kết quả, đòi hỏi máy tính phải có cấu hình cao...
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nhìn chung, dải tần thể hiện chiết suất âm của vật liệu biến hóa thường rất hẹp vì dựa trên tính chất cộng hưởng của vật liệu. Để có thể ứng dụng vật liệu biến hóa có chiết suất âm một cách rộng rãi trong thực tế, việc nghiên cứu mở rộng vùng tần số hoạt động đóng vai trò rất quan trọng. Để mở rộng dải tần số làm việc của vật liệu, một trong những cách hiệu quả đó là kết hợp vùng từ thẩm âm rộng với vùng điện thẩm âm rộng trên cùng một dải tần số. Vùng điện thẩm âm rộng dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng tần số plasma thấp của môi trường gồm các lưới dây kim loại. Trong khi đó vùng từ thẩm âm rộng được xây dựng chủ yếu bằng cách tích hợp các cấu trúc cộng hưởng đơn lẻ trong một ô cơ sở, từ đó sẽ thu được vùng cộng hưởng từ riêng kế tiếp nhau [20- 21].Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là phá vỡ tính đối xứng trong cấu trúc, sự tương tác mạnh mẽ giữa các cộng hưởng liền kề và đòi hỏi sự điều chỉnh khá khắt khe về các tham số cấu trúc nên rất khó chế tạo mẫu hoạt động ở vùng tần số cao. Hơn nữa, do sự tích hợp của nhiều yếu tố cộng hưởng trên một ô cơ sở nên kích thước lớn, các điều kiện để đảm bảo lý thuyết môi trường hiệu dụng có thể bị vi phạm và các hiệu ứng này sẽ rất khó để đánh giá, kiểm nghiệm tính xác thực của nó. Gần đây, một hiệu ứng thú vị được các nhà nghiên cứu tìm thấy trong vật liệu biến hóa là sự lai hóa plasmon. Sự lai hóa plasmon có thể áp dụng để thiết kế và chế tạo Meta có tần số làm việc rộng và có thể khắc phục các hạn chế vừa nêu. Trong các kết quả nghiên cứu trước [6], giản đồ lai hóa bậc một, bậc hai áp dụng cho cấu trúc CWP một lớp, hai lớp để mở rộng vùng cộng hưởng từ cho vùng có độ từ thẩm âm rộng đã được nghiên cứu. Sau đó, kết hợp kết quả mở rộng vùng từ thẩm âm với vùng điện thẩm âm nằm dưới tần số plasma của lưới dây kim loại để mở rộng vùng chiết suất âm. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu này còn hạn chế khi đưa vào ứng dụng do phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ, độ truyền qua cũng như độ mở rộng còn chưa cao.
Các nghiên cứu tiếp theo của luận văn trình bày dưới đây nhằm khắc phục hạn chế này khi thay thế cấu trúc cặp dây bị cắt (CWP) bằng cấu trúc cặp đĩa và lưới đĩa.