Anten là một thiết bị rất phổ biến trong cuộc sống, chỳng thường được chế tạo từ những vật liệu dẫn điện tốt, tựy thuộc mục đớch sử dụng và vựng tần số hoạt động mà chỳng được thiết kế theo những hỡnh dạng, kớch thước và cấu trỳc nhất định. Anten là một thiết bị điện hai chiều, dựng để truyền tớn hiệu dưới dạng năng lượng điện từ giữa mỏy phỏt và mỏy thu mà khụng cần đường dõy. Nú chuyển đổi tớn hiệu điện thành súng điện từ (anten phỏt) hoặc nhận súng điện từ và chuyển đổi thành cỏc tớn hiệu điện (anten thu). Anten siờu cao tần (GHz) là loại anten được dựng cho dải súng cú bước súng nhỏ (vài chục milimột). Nú được dựng trong cỏc thiết bị vụ tuyến điện siờu cao tần như: vụ tuyến truyền hỡnh, ra đa, điện thoại di động… Tựy theo yờu cầu cụ thể, mục đớch sử dụng mà cỏc anten siờu cao tần cú tớnh phương hướng rộng hay hẹp, cú cấu trỳc nhất định [96]. Để đỏp ứng được yờu cầu nhỏ gọn, phự hợp với cỏc thiết bị cầm tay như điện thoại di động, lại đảm bảo thu phỏt súng tốt, anten phẳng (anten mạch dải; anten mạch in) ra đời.
Cấu trỳc mạch dải lần đầu tiờn được đưa ra vào năm 1953 bởi Deschamps và dựa trờn cấu trỳc này, anten mạch dải được nghiờn cứu phỏt triển và đưa vào ứng dụng vào những năm 1970. Cấu tạo của mỗi phần tử anten mạch dải gồm cú phiến kim loại (điện cực), lớp đế điện mụi, màn chắn kim loại (mặt phẳng đất) và bộ phận tiếp điện (Hỡnh 1.30).
Hỡnh 1.30. Cấu tạo của một anten mạch dải đơn giản
Phiến kim loại được thiết kế cú thể là hỡnh vuụng, hỡnh chữ nhật, hỡnh trũn, hỡnh elip, hay hỡnh tam giỏc, hoặc hỡnh vũng nhẫn và cỏc hỡnh thự khỏc tựy mục đớch sử dụng và dải tần hoạt động. Súng điện từ ở bề mặt tấm kim loại sẽ bức xạ vào trong lớp điện mụi, sau đú phản xạ trờn mặt phẳng đất (màn chắn kim loại) và bức xạ vào khụng gian bờn trờn. Trường điện từ bức xạ xảy ra chủ yếu do khoảng khụng gian giữa tấm kim loại phẳng phớa trờn và mặt phẳng đất.
Để chế tạo một anten mạch dải phự hợp với mục đớch sử dụng, cần chỳ ý đến cỏc thụng số cấu trỳc cơ bản như chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện mụi . Trong đú, lớp điện mụi đúng vai trũ quyết định đến cỏc hoạt động của anten. Nú ảnh hưởng đến cỏc đặc tớnh trở khỏng, tần số cộng hưởng, băng thụng và hiệu suất của anten. Độ dày của lớp điện mụi tỉ lệ với độ rộng băng thụng của anten. Độ rộng băng thụng là khoảng tần số mà trờn đú anten phối hợp tốt với đường dõy tiếp điện trong một giới hạn xỏc định, cũng được hiểu là khoảng tần số mà anten hoạt động tốt (khả năng phản hồi). Khi độ dày của lớp điện mụi rất nhỏ so với bước súng hoạt động thỡ dải tần thường rất hẹp. Vớ dụ, độ rộng băng thụng với tỷ lệ súng đứng nhỏ hơn 2:1 cú thể tớnh toỏn theo cụng thức thực nghiệm (1.10):
2 4 1 / 32 h f f (1.10)
trong đú f là tần số hoạt động, h là độ dày lớp điện mụi.
Để tăng độ rộng băng thụng người ta cú thể tăng bề dày lớp điện mụi, với hằng số điện mụi thấp. Tuy nhiờn, trong thực tế khụng thể tăng độ dày lớp điện mụi
W
L
h
Phiến kim loại (điện cực)
Màn chắn kim loại (mặt phẳng
đất) Lớp đế điện mụi Bộ phận tiếp điện
quỏ nhiều, vỡ khi h > 0,1.0 thỡ hiệu suất của anten sẽ bị giảm đi do ảnh hưởng của súng bề mặt. Cỏc thụng số cấu trỳc của anten mạch dải được liờn hệ với tần số hoạt động thụng qua cỏc cụng thức (1.11, 1.12) W = 0 0 1 2fr 2 1 r = 2 2 r r 1 c f (1.11) εreff = 1 2 r + 1 2 r [1+12 h W ] -1/2 (1.12)
trong đú: W là chiều rộng của tấm kim loại; εr là hằng số điện mụi tương đối của đế; εreff là hằng số điện mụi hiệu dụng; ε0, à0 là hằng số điện, từ thẩm chõn khụng; c là vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng; fr là tần số hoạt động của anten, được xỏc định theo cụng thức [9,36]: 2 r r c f L (1.13)
trong đú L là kớch thước ụ kim loại. Anten mạch dải cú đặc điểm là kớch thước nhỏ, bề dày mỏng, dễ gắn lờn cỏc thiết bị khỏc nhau, lại cú chi phớ sản xuất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt, phự hợp cho nhiều ứng dụng. Tuy nhiờn, nhược điểm của nú là dải băng thụng hẹp, độ lợi thấp và khả năng tớch trữ cụng suất bộ. Anten mạch dải cú thể hoạt động trong dải tần từ 1 đến 6 GHz. Để hoạt động được ở tần số thấp thỡ anten này phải cú kớch thước khỏ lớn, do đú khú thực hiện được với mục đớch đề ra. Vỡ những lý do đú, cỏc nhà khoa học đó nghiờn cứu cỏc phương phỏp nhằm tăng khả năng phản hồi của anten bằng cỏch thay đổi hằng số điện mụi; thay đổi kớch thước, cấu trỳc, hỡnh dỏng của nú… Luận ỏn sẽ trỡnh bày phương phỏp thiết kế, chế tạo cỏc anten siờu cao tần với điện cực là cỏc màng mỏng Au để tỡm kiếm một hiệu suất hoạt động tốt hơn cho cỏc anten này dựa trờn hiện tượng SPR xuất hiện trờn màng mỏng vàng khi cú ỏnh sỏng nhỡn thấy chiếu vào.
Như đó trỡnh bày, dải tần số làm việc của một anten nhất định phụ thuộc vào cỏc tham số hỡnh học như kớch thước, hỡnh dạng, và cấu trỳc của nú. Trong dải ỏnh sỏng nhỡn thấy, tất cả cỏc nguồn phỏt ra ỏnh sỏng đều cú thể được coi là cỏc anten phỏt. Lý thuyết Maxwell đối với súng điện từ phỏt biểu rằng tất cả cỏc súng mà
anten nhận được và được truyền đi là khụng phụ thuộc vào nhau. Vỡ vậy, khụng cú sự tương tỏc giữa cỏc súng đú. Tuy nhiờn, khi vật liệu chế tạo anten ở kớch thước nano, cỏc hiệu ứng lượng tử chiếm ưu thế, thỡ sự độc lập của cỏc súng này cú thể sẽ khụng tồn tại nữa. Một anten siờu cao tần mà bề mặt của nú bao gồm cỏc vật liệu nano cú hiện tượng SPR sẽ hoạt động của như thế nào vẫn cũn là một cõu hỏi chưa cú cõu trả lời thỏa đỏng. Một anten mạch dải đơn cho khả năng phản hồi thụng thường là 8-9 dB và độ lợi đạt được khoảng 20 dB [9, 44, 85]. Bề mặt của anten GHz thường quỏ lớn để cú hiệu quả đối với hiện tượng plasmon xảy ra do bức xạ của ỏnh sỏng khả kiến. Do đú, trong điều kiện bỡnh thường, hầu như khụng cú thay đổi khả năng phản hồi của anten khi nú được tiếp xỳc với ỏnh sỏng. Điều này cú thể sẽ khỏc nếu bề mặt dẫn điện của nú được cấu tạo từ cỏc hạt kim loại nhỏ cú kớch thước nano, do xảy ra hiện tượng cộng hưởng plasmon khi được ỏnh sỏng chiếu vào. Đối với cỏc hạt nano kim loại, cỏc tớnh chất quang học được tạo ra bởi cỏc điện tử dẫn dao động tập thể ở tần số nhất định dưới tỏc dụng của trường bờn ngoài (ỏnh sỏng nhỡn thấy). Đỏm mõy điện tử cú hằng số điện mụi hiệu dụng õm đúng vai trũ như mụi trường dẫn điện. Ở đõy, chỳng tụi nghiờn cứu thiết kế, chế tạo một anten siờu cao tần mà bề mặt của nú được phủ bởi cỏc hạt nano kim loại phự hợp cho phộp xảy ra hiện tượng SPR. Anten này cú thể thể hiện khả năng phản hồi tốt hơn, hoặc phản ứng kộm hơn, dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng nhỡn thấy [9,36]. Việc xem xột này cú thể mang lại những vấn đề quan trọng như sự thay đổi hằng số điện mụi của đỏm mõy điện tử do hiện tượng plasmon và do đú sẽ tạo ra những khả năng phản hồi khỏc nhau của anten. Hiện tượng SPR cú thể ảnh hưởng đến đặc tớnh trở khỏng, tần số cộng hưởng, băng thụng và hiệu suất của anten [26, 36]. Do đú, việc thay đổi kớch thước hạt nano kim loại, thay đổi bề dày lớp kim loại điện cực cú thể ảnh hưởng khụng nhỏ tới khả năng phản hồi của anten.
CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO, PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU