1.2.4. Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải
a. Ưu điểm
Trọng lƣợng nhẹ, kích thƣớc nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo. Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng.
Dễ dàng đƣợc gắn lên các đối tƣợng khác.
Có thể tạo ra các phân cực trịn, tuyến tính chỉ đơn giản bằng cách thay đổi phƣơng pháp tiếp điện.
Dễ dàng chế tạo các anten có thể hoạt động với nhiều dải tần.
Mạng phối hợp trở kháng và đƣờng tiếp điện có thể đƣợc in cùng với cấu trúc anten.
b. Nhược điểm
Băng thông hẹp, gain bức xạ thấp
Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten. Có bức xạ thừa từ đƣờng truyền và các mối nối.
Hiệu suất năng lƣợng có thể sử dụng đƣợc thấp.
Trên đây là mơ ̣t số nhƣợ c điểm của anten ma ̣ch dải vì vâ ̣y xu hƣớng là cải thiê ̣n đƣơ ̣c nhƣ̃ng nhƣợc điểm này . Nhƣợc điểm lớn nhất của anten mạch dải là gain bức xạ thấp, để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta có thể dùng anten mảng hoặc dùng bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface ) để giảm bức xạ thƣ̀a, mở rô ̣ng băng thông , gain bƣ́c xa ̣ cũng nhƣ đă ̣c tính phƣơng hƣớng của anten có thể tăng lên nhiều lần. Vấn đề này đƣợc đề câ ̣p rõ hơn trong chƣơng II.
CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL 2.1. LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS 2.1. LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS
2.1.1. Giới thiệu chung về metamaterials
Ý tƣởng về sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm đƣợc đề xuất vào năm 1968 bởi Veselago [29], dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (µ <
0) và độ điện thẩm âm (ε < 0). Tuy nhiên, sau hơn 30 năm kể từ đề xuất của
Veselago, năm 1999 J. B. Pendry đã đƣa ra mơ hình vật liệu có chiết suất âm đầu tiên dựa trên cấu trúc vịng cộng hƣởng có rãnh (split-ring resonator) [24]. Sau đó năm 2000, D. R. Smith và cộng sự lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của vật liệu chiết suất âm (n < 0)[27].
Vật liệu chiết suất âm thƣờng là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, đƣợc hình thành từ các cấu trúc cơ bản, đóng vai trị nhƣ những “ngun tử” trong vật liệu. Những “nguyên tử” này đƣợc sắp xếp với nhau một cách tuần hồn hoặc khơng tuần hồn, gồm hai thành phần chính đó là thành phần điện và thành phần từ. Thành phần điện (electric metamaterial), có vai trị tạo ra độ điện thẩm âm (ε < 0). Thành phần từ (magnetic metamaterial), có vai trị tạo ra độ từ thẩm âm (µ < 0). Các cấu trúc này có thể đƣợc thiết kế để tạo ra những tƣơng tác mong muốn với trƣờng ngoài. Dựa trên ý tƣởng ban đầu, vật liệu chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ tạo nên vật liệu, đồng thời có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm (μ
< 0, ε < 0) trên cùng một dải tần số. Từ đó dẫn đến những tính chất điện từ và
quang học bất thƣờng, trong đó có sự nghịch đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, hay sự nghịch đảo của phát xạ Cherenkov [15]. Một trong những tính chất thú vị nữa của vật liệu có chiết suất âm là 3 vectơ của sóng điện từ E H k
,
, tuân theo quy tắc bàn tay trái (left-handed set). Do vậy, vật liệu có chiết suất âm cịn đƣợc gọi là vật liệu left-handed metamaterials (LHMs). LHMs có thể đƣợc thiết kế và chế tạo để hoạt động trên các dải tần số mong muốn khác nhau, từ vùng vi sóng (xem hình 2.1) tới vùng hồng ngoại xa, thậm chí tới gần vùng ánh sáng nhìn thấy (xem hình 2.2)
Hình 2. 1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ phản xạ
và truyền qua của vật liệu.
Tính chất chiết suất âm (n < 0) của vật liệu thể hiện ở vùng tần số 4.7 đến 5.2 GHz [27].
Hình 2. 2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc ở gần vùng ánh sáng nhìn thấy;
(b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu [4].
2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials
Hằng số điện môi ε và độ từ thẩm µ là hai đại lƣợng đặc trƣng cơ bản để xác
định sự lan truyền sóng điện từ trong vật liệu. Đây là hai tham số đặc trƣng của vật liệu trong phƣơng trình tán sắc:
(a) (b) (b) Phản xạ Truyền qua Tần số (GHz) Tr uy ền qua ( dB ) (a)
2 2 1 2 2 ij ij k ij k k 0 c (2.1)
Phƣơng trình (1.1) thể hiện mối quan hệ giữa tần số ω của sóng ánh sáng đơn sắc và vectơ sóng k
của nó. Đối với các vật liệu đẳng hƣớng thì phƣơng trình tán sắc ánh sáng (1.1) có thể đƣợc viết lại dƣới dạng đơn giản sau:
2 2 2 2 k n c (2.2) với: n2 = εμ (2.3)
Từ phƣơng trình (2.2) và (2.3) ta có thể thấy rằng với sự thay đổi một cách đồng thời dấu của ε và μ sẽ không ảnh hƣởng đến mối tƣơng quan giữa n2
và k2. Tuy nhiên trong trƣờng hợp vật liệu có giá trị ε và μ cùng âm, khi đó sẽ dẫn đến
những tính chất vật lý kỳ diệu. Những tính chất này hồn tồn khác biệt với tính chất của các vật liệu thông thƣờng khi ε và μ cùng dƣơng.
Để hiểu rõ hiệu ứng của loại vật liệu này, thì chúng ta sẽ phân tích bắt đầu từ phƣơng trình Maxwell: t B c E 1 t D c H 1 (2.4) Với: H B (2.5) E D
Ở đây ε và μ xuất hiện một cách độc lập khác với ở trong các phƣơng trình
(2.1), (2.2) và (2.3) khi ε và μ xuất hiện đồng thời trong một thể tích. Đối với sóng phẳng đơn sắc, các đại lƣợng B và D tỉ lệ với ei(kz-ωt) và do vậy phƣơng trình (2.4) và
(2.5) có thể đƣợc rút gọn thành: E c H k (2.6)
H c E k
Biểu thức (2.6) rất quan trọng, nó giúp chúng ta hiểu rõ bản chất của vật liệu có chiết suất âm. Nếu cả ε và μ cùng dƣơng, khi đó ba vectơ E H k
,
, tạo thành một tam diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải). Trong trƣờng hợp ε và μ đồng thời âm, khi đó ba vectơ E H k
,
, sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay trái). Cùng lúc đó, hƣớng của dịng năng lƣợng đƣợc xác định bởi vectơ Poynting S
phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ε và μ:
H E c S 4 (2.7) Vectơ Poynting S
ln hƣớng ra ngồi nguồn phát xạ. Đối với vật liệu có ε và
μ cùng dƣơng, vectơ sóng k
hƣớng ra từ nguồn phát xạ (tức là hai vectơ S
và k
song song với nhau). Tuy nhiên trong trƣờng hợp vật liệu có ε và μ cùng âm, khi đó vectơ sóng k
hƣớng vào nguồn phát xạ (hai vectơ S
và k
đối xong). Đây là một trong những điểm khác biệt chính giữa trƣờng hợp vật liệu có ε và μ cùng âm với
trƣờng hợp vật liệu có hai giá trị ε và μ cùng dƣơng.
Hình 2. 3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n <
0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3.
Hình 2.3 biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ. Các vật liệu điện môi thơng thƣờng có ε > 0 và μ > 0 cho phép sóng điện từ có thể lan truyền đƣợc trong vật liệu. Khi một trong hai giá trị từ thẩm hoặc điện thẩm âm và giá trị còn lại dƣơng nhƣ ở trong
miền khơng gian góc phần tƣ thứ hai và thứ tƣ, khi đó sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt và khơng thể lan truyền trong môi trƣờng. Trong trƣờng hợp cả ε và μ cùng âm nhƣng tích của chúng mang giá trị dƣơng (góc phần tƣ thứ 3), khi đó sóng điện từ vẫn có thể lan truyền bên trong vật liệu. Mơi trƣờng này đƣợc gọi là vật liệu chiết suất âm (left-handed metamaterial).
Dựa trên giản đồ biểu diễn trên hình 2.3 vật liệu MMs có thể đƣợc phân ra thành 3 loại chính:
Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ε < 0; Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): μ < 0; Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < 0.
2.1.3. Ứng dụng của metamaterials
Vật liệu MMs thƣờng là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ mà khơng xuất hiện trong những vật liệu tồn tại sẵn có trong tự nhiên. Chính vì vậy việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của vật liệu này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, cảm ứng, các thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu MMs nằm ở khả năng điều khiển sóng điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính đƣợc đề xuất bởi Pendry nhƣ hình 2.4 [23]. Sau đó, năm 2005 siêu thấu kính quang học đã đƣợc Zhang và các cộng sự chế tạo thành công.