Cơ chế hấp thụ sóng radar

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ

1.2. Cơ chế hấp thụ sóng radar

Tùy vào từng đặc tính của từng loại vật liệu mà cơ chế hấp thụ sóng radar diễn ra theo các cơ chế khác nhau. Dựa trên những suy luận vật lý, vật liệu hấp thụ sóng radar có thể dựa trên một trong ba (hoặc cả ba) hiệu ứng sau [11, 35, 83]:

- Hiệu ứng phân cực điện môi trong điện từ trường của sóng radar.

- Hiệu ứng từ hóa của vật liệu từ trong điện từ trường của sóng radar.

- Hiệu ứng cảm ứng điện từ dẫn đến sự hình thành các dòng điện xoáy trong điện từ trường.

Cả ba hiệu ứng trên đều dẫn đến sự tiêu hao năng lượng sóng radar và chuyển năng lượng đó thành nhiệt. Do đó hiện nay các loại vật liệu hấp thụ sóng điện từ có thể phân thành ba loại chính, đó là vật liệu từ (là vật liệu mà sự hấp thụ sóng chủ yếu do sự tổn hao từ); vật liệu loại điện môi (là vật liệu mà sự hấp thụ sóng chủ yếu do tổn hao điện môi) và vật liệu loại cảm ứng (là vật liệu mà cơ chế hấp thụ sóng chủ yếu do sự hình thành các dòng điện xoáy trong điện sóng radar). Vật liệu hấp thụ loại cảm ứng, xét về nguyên tắc, có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều dải tần khác nhau, miễn là các thông số điện từ của vật liệu được tính toán, tối ưu hóa một cách phù hợp [25, 27].

1.2.1. Cơ chế tổn hao điện môi

Vật liệu điện môi dễ phân cực khi đặt trong điện trường và đây chính là nguồn gốc của tổn hao điện môi. Phân cực có thể xảy ra do sự quay lưỡng cực điện, dịch chuyển điện tử, ion hóa và các hiệu ứng nhiệt [24].

Quá trình quay của các lưỡng cực điện làm cho các nguyên tử và ion dao động, gây tổn hao và sinh nhiệt. Tuy nhiên, sự quay của lưỡng cực điện không phải thay đổi một cách tự do, mà nó cần phải thắng được lực ma sát, năng lượng sẽ bị tổn hao trong quá trình ma sát và va chạm giữa các phân tử. Nhiệt lượng tổng cộng được tạo ra bởi quá trình này liên quan trực tiếp đến khả năng liên kết của chính bản thân các phân tử và liên quan đến tần số của điện trường ngoài [50]. Ở vùng tần số rất cao, lưỡng cực không kịp định hướng theo điện trường bên ngoài, do đó hiệu ứng tổn hao và đốt nóng không xảy ra. Hằng số điện môi () được định nghĩa là tỉ số giữa cảm ứng điện (D) và cường độ điện trường (E): Hằng số điện môi chỉ ra khả năng phân cực của vật liệu theo cường độ điện trường.

DE (1.18)

Hằng số điện môi tỷ đối được định nghĩa:

r 0

 

  (1.19)

Hình 1.2: Hằng số điện môi phụ thuộc tần số [87].

Một trong những thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi phục () của các lưỡng cực điện. Hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi tần số biến đổi của điện trường ngoài bằng tần số hồi phục của lưỡng cực. Đối với chất điện môi đồng nhất, thời gian hồi phục bao gồm thời gian định hướng của lưỡng cực điện và đảo hướng lưỡng cực điện khi thay đổi hướng của điện trường ngoài [79].

Khi ở tần số cao, giá trị hệ số điện môi vượt qua giới hạn và gần như không thay đổi. Nguyên nhân là do các lưỡng cực điện rơi vào trạng thái đóng băng. Phần thực của hằng số điện môi phức ' đặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng, phần ảo " đặc trưng cho công suất tổn hao. Tổn hao điện môi cho biết công suất tổn hao của năng lượng dự trữ và được xác định bởi [24]:

e

"

tan '

 

  (1.20)

Tổn hao điện môi gây ra bởi các cơ chế: phân cực điện tử, phân cực nguyên tử, phân cực lưỡng cực và phân cực bề mặt (Hình 1.2).

 Phân cực điện tử

Nguyên tử gồm các điện tử quay xung quanh hạt nhân. Dưới tác dụng của một điện trường ngoài, mật độ điện tử có sự thay đổi tương đối so với hạt nhân, từ đó hình thành một lưỡng cực điện. Các nguyên tử có nhiều điện tử thì phân cực mạnh hơn các nguyên tử có ít điện tử. Hiệu ứng này diễn ra vô cùng nhanh, do đó chỉ xuất hiện trong vùng điện từ trường có tần số cao.

 Phân cực tự phát

Mômen lưỡng cực tự phát do các lưỡng cực định hướng tự phát trong điện trường ngoài. Sự thay đổi các mômen lưỡng cực tự phát này sẽ gây tổn hao điện môi trong vùng tần số sóng điện từ.

 Phân cực nguyên tử

Tương tự phân cực lưỡng cực, phân cực nguyên tử hình thành khi có điện trường ngoài; các nguyên tử liên kết với nhau bằng cách chia sẻ các điện tử của chúng. Trái ngược với phân cực tự phát, phân cực nguyên tử không có lưỡng cực vĩnh cửu. Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử có xu hướng dao động theo điện trường ngoài. Sự dao động này gây ra sự thay đổi vị trí tương đối của các nguyên tử, do đó các trung tâm điện tích dương và âm có thể lệch nhau. Cả hai phân cực điện tử và nguyên tử thường xảy ra rất nhanh và không thay đổi so với vùng sóng vi ba và đó là lý do tại sao nó ít hoạt động ở vùng tần số vi ba [50].

 Ion dẫn

Khi đặt vật liệu điện môi trong điện trường ngoài, sự thay đổi cục bộ của điện tích dẫn tới hiệu ứng dẫn ion. Trong khi lưỡng cực điện quay và định hướng theo điện trường, thì ion dẫn chỉ chuyển động. Trong quá trình chuyển động nó va chạm với các phân tử lân cận gây nên sự tổn dao do chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt năng [50]. Tuy cả hai trường hợp phân cực do lưỡng cực và dẫn ion đều sinh ra nhiệt, nhưng tổn hao ion dẫn chỉ ở mức tối thiểu so với tổn hao lưỡng cực điện. Ngoài ra, các tổn hao dẫn chiếm ưu thế ở các tần số thấp hơn 30 GHz, còn tổn hao do lưỡng cực chiếm ưu thế ở vùng tần số cao hơn.

1.2.2. Cơ chế tổn hao từ

Cơ chế tổn hao từ cũng tương tự như cơ chế tổn hao lưỡng cực điện.

Khi tác dụng một từ trường ngoài vào vật liệu từ tính, mômen từ có xu hướng quay và định hướng theo từ trường ngoài. Sự quay của các lưỡng

cực từ là nguồn gốc của tổn hao từ. Cảm ứng từ B của một vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) được thể hiện bởi biểu thức sau:

BH (1.21)

Trong đú à là độ từ thẩm của vật liệu. Độ từ thẩm tương đối àr được tính bởi:

r 0

 

  (1.22)

Tương tự tổn hao điện môi, tổn hao từ môi được xác định bởi:

m

"

tan '

 

  (1.23)

Vật liệu có tính sắt từ hoặc hoặc ferrite từ được sử dụng làm vật liệu hấp thụ, che chắn và chống nhiễu điện từ (EMI) [52]. Tổn hao từ bao gồm tổn hao từ trễ, tổn hao cộng hưởng sắt từ, và tổn hao hồi phục từ.

 Tổn hao từ trễ

Sự mất mát năng lượng điện từ do sự định hướng của các mômen từ chủ yếu tại các vách đômen và năng lượng dị hướng từ là nguyên nhân gây ra tổn hao từ trễ. Năng lượng tổn hao từ trễ được tính theo diện tích chu trình từ trễ là W   BdH. Công suất tổn hao từ được tính bởi công thức P f . BdH với f là tần số của sóng tới.

Tuy nhiên, trong từ trường rất thấp (H << Hc), đối với vật liệu có tính sắt từ hoặc hoặc ferrite từ tổn hao từ trễ thường rất bé nên nó không đóng vai trò quan trọng.

 Tổn hao cộng hưởng sắt từ

Cộng hưởng sắt từ (cộng hưởng tự nhiên) xảy ra khi tần số sóng kích thích bằng tần số của mômen spin dao động quanh trục dị hướng. Với tần số cộng hưởng là một hàm tỉ lệ thuận với trường dị hướng HA:

0

CH A

1 e

f g H

2 2m



  (1.24)

Trong đó g  2 là hệ số hồi chuyển từ cơ, e và m là điện tích và khối lượng của điện tử. Trở ngại đáng kể nhất của cơ chế này là điều kiện giới hạn Snoek:

0 s

CH

e M

f g

6 m

 

  (1.25)

Tại một tần số cộng hưởng fCH cố định, độ lớn của độ từ thẩm à bị hạn chế bởi giá trị từ độ bão hòa Ms. Do cộng hưởng sắt từ cũng nằm trong vùng sóng vi ba, hầu hết các tác giả đều cho rằng đây là cơ chế hấp thụ chính trong các vật liệu từ tín hấp thụ sóng radar (RAM).

 Tổn hao hồi phục từ

Cơ chế tổn hao hồi phục từ gây ra do sự trễ pha giữa tín hiệu từ hóa và mômen từ của hạt nano liên quan đến năng lượng dị hướng KuV (Ku là hằng số dị hướng, V là thể tích hạt nano). Theo định luật Neel, thời gian hồi phục từ của hệ là:

u B

K V k T

N 0 e

   (1.26)

Công suất tổn hao từ được tính như sau:

  0   2

P f ,H  '' f H f (1.27) Trong đó  

0 NN2

'' f f

1 f

  

 

 là phần ảo của độ cảm từ xoay chiều và

2

0 s

0

B

M V k T

   .

Hấp thụ sẽ đạt giá trị cực đại tại tần số cộng hưởng f = 1/ τN. Ở điều kiện nhiệt độ phòng, Ku thường có giá trị nhỏ và với các hạt nano có kích thước bé, thì kBT >> KuV; khi đó τN  τ0và nằm trong vùng ~10-9 - 10-10s.

Đây là điều kiện lý tưởng để vật liệu có hấp thụ cộng hưởng trong vùng tần số GHz. Ngoài ra, do τN phụ thuộc vào cả các tham số như Ku, V, hay tương tác giữa các hạt nano, chúng ta có thể khống chế vùng cộng hưởng thông qua các điều chỉnh các tham số vật liệu như nồng độ và kích thước của các hạt từ. Công suất tổn hao cũng có thể được tăng cường trong các vật liệu có từ độ bão hòa Ms cao.

1.2.3. Cơ chế tổn hao xoáy

Khi từ trường ngoài đặt vào một vật liệu dẫn điện thay đổi có thể gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ. Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu dẫn điện xuất hiện khi làm thay đổi từ trường hay thay đổi thành phần từ của sóng điện từ truyền tới vật liệu [65]. Do hầu hết các vật liệu dẫn đều có một độ dẫn hữu hạn, dòng cảm ứng vì thế sẽ bị hấp thụ bởi điện trở của vật liệu và gây tổn hao do quá trình sinh nhiệt.