Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường của một số vật liệu meta vùng 10 GHz

Bài báo này trình bày về cấu trúc dải cấm điện từ (EBG- electromagnetic bandgap, là các tổ hợp của cấu trúc kim loại và điện môi sắp xếp tuần hoàn) thuộc phân lớp vật liệu meta. Một trong những tính chất quan trọng của EBG là ngăn cản sự lan truyền của sóng điện từ bề mặt trong một khoảng tần số cụ thể tùy ứng dụng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường của một số vật liệu meta vùng 10 GHz JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 91-97 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG VÙNG CẤM ĐIỆN TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU META VÙNG 10 GHz Trần Mạnh Cường1 , Nguyễn Thị Mến1 , Vương Văn Cường1 , Hồ Tuấn Hùng1 Nguyễn Thị Thúy1 , Phương Thúy Hằng1 , Phạm Thị Minh Nguyệt2 1 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Trường Cao đẳng Điện tử - Điện lạnh Hà Nội Tóm tắt. Bài báo này trình bày về cấu trúc dải cấm điện từ (EBG- electromagnetic bandgap, là các tổ hợp của cấu trúc kim loại và điện môi sắp xếp tuần hoàn) thuộc phân lớp vật liệu meta. Một trong những tính chất quan trọng của EBG là ngăn cản sự lan truyền của sóng điện từ bề mặt trong một khoảng tần số cụ thể tùy ứng dụng. Cấu trúc thực tế EBG đối với các nghiên cứu truyền thống cần có các dây nối đất (vias) để đảm bảo tồn tại vùng cấm điện từ. Vấn đề này có thể được xem trong các nghiên cứu khảo sát về cấu trúc dạng nấm, hoặc một số cấu trúc EBG như uniplanar compact-like (UC-PBG) và Fork- like EBG trong một số nghiên cứu khác. Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày một số cấu trúc EBG có hình dạng mới, đơn giản trong sản xuất và có thể cho dải cấm tần số lớn hơn, cao nhất tăng 5,7% ở lân cận vùng tần số làm việc 10 GHz. Từ khóa: Cấu trúc dải cấm điện từ (EBG), vật liệu meta, vùng cấm điện từ, cộng hưởng, BW.1. Mở đầu Những nghiên cứu đầu tiên về vật liệu meta có vùng cấm điện từ được khảo sátbởi nhóm Sievenpiper với những vật liệu bề mặt trở kháng cao (HIS -High ImpedanceSurface) như minh họa trong Hình 1. Đây là những cấu trúc dạng miếng kim loại tuầnhoàn trên một đế điện môi, cấu trúc này tạo ra một kiểu vật liệu với hai tính chất vật líđặc biệt. Thứ nhất là sóng điện từ phản xạ từ bề mặt của cấu trúc sẽ cùng pha sóng tới,ngoài ra cấu trúc tồn tại một dải cấm điện từ, trong dải cấm đó sóng điện từ không thể lantruyền trên vật liệu. Hai tính chất này đã giúp các vật liệu này thu hút nhiều nghiên cứu vàcó nhiều ứng dụng khác thường của vật liệu trong lĩnh vực viễn thông [1-6].Tác giả liên lạc: Trần Mạnh Cường, địa chỉ E-mail: tmcuong@hnue.edu.vn 91 T.M. Cường, N.T. Mến, V.V. Cường, H.T. Hùng, N.T. Thúy, P.T. Hằng, P.T.M. Nguyệt Hình 1. Minh họa cấu trúc EBG trong thực tế [6] Ban đầu, cấu trúc EBG được chế tạo dưới dạng các đơn vị kim loại phẳng kết nốivới nhau (UC-Uniplanar Compact) có thể có hoặc không có vias. Áp dụng thực tế cấu trúcnày thường có nhiều bất cập trong việc đáp ứng các kích thước vật lí của chúng. Bởi vì,ở vùng tần số vùng cấm thấp, kích thước EBG cần phải lớn, làm tăng kích thước cấu trúcvà tăng giá thành chế tạo. Vấn đề này được khắc phục một phần khi Sievenpiper đưa racấu trúc dạng nấm [6]. Sau đó là một số cấu trúc EBG nấm khác có sự thay đổi hình dạngmiếng kim loại như Fork- like EBG [8], circal spiral - like EBG [9-10]... Những cấu trúcnấm này có một số lợi thế là kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp. Tuy nhiên, do tính chấtcộng hưởng của chúng, những cấu trúc EBG cho dải tần làm việc hẹp, hạn chế sử dụngtrong băng thông rộng,ngoài ra, cấu trúc nấm cũng gây khó khăn nhất định trong sản xuất.Nghiên cứu mới cũng đề cập đến các cấu trúc photonic mới [13,14]. Trong bài báo nàychúng tôi giới thiệu một số cấu trúc EBG với các dạng thù hình khác nhau, không có vias,kết quả mô phỏng cho thấy dải tần làm việc được mở rộng so với những cấu trúc truyềnthống khác.2. Nội dung nghiên cứu2.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Để tính toán bề rộng vùng cấm điện từ, chúng tôi dùng phần mềm CST MWS, mỗicấu trúc sẽ được mô phỏng dựa trên việc khảo sát một ô cơ sở, sóng điện từ được quéttrên bề mặt dựa trên điều kiện biên bằng cách sử dụng một ô cơ sở như minh họa Hình2, chúng ta có thể khảo sát được đặc tính vùng cấm điện từ trong một dải tần số làm việcnếu đặt điều kiện biên thích hợp cho vùng Brillouin thứ nhất này, cấu trúc ô cơ sở là cáccấu trúc dạng miếng được khảo sát. Phần tiếp theo chúng tôi trình bày một số cấu trúc dạng miếng, không sử dụng cácvias để nối với mặt phẳng đất và kết quả vùng cấm của chúng. Các cấu trúc trong cácnghiên cứu của các nhóm về vật liệu meta có dải cấm thường cho băng tần làm việc hẹp,các cấu trúc đề xuất trong phạm vi bài báo này đưa ra vùng làm việc được cải thiện đángkể so với các cấu trúc thông dụng. Chúng tôi giới thiệu hai nhóm cấu trúc chính là nhóm 1gồm cấu trúc miếng vuông, xoắn ốc và tròn thông dụng nhưng không có vias và được tínhtới bề dầy của miếng, nhóm 2 là nhóm kiểu mảng UC tích hợp trên bề mặt đế, dạng mảngtuần hoàn, tuy nhiên khác với cấu trúc cũ, ở đây trong nhóm 1 bề dầy của miếng kim loạiđược tính đến và chiều dầy này ảnh hưởng đáng kể đến khả năng ngăn sóng điện từ lantruyền của cấu trúc. Ở nhóm 2 là các hình dạng mới và không cần các mối nối (vias), bề92 Nghiên cứu mở rộng vùng cấm điện từ trường của một số vật liệu meta vùng 10 GHz Hình 2. Điều kiện biên của một đơn vị cơ sở khảo sát khi mô phỏngrộng vùng cấm cũng được cải thiện đối với các cấu trúc mới này. Sau đây chúng tôi giớithiệu các kích thước ô cơ sở của cấu trúc và kết quả bề rộng vùng cấm tương ứng, lưu ýlà trong quá trình tính toán các vùng cấm thu được là kết quả của mảng tuần hoàn vô hạncác ô cơ sở có kích thước vừa nêu. Nhóm 1: Các ô cơ sở của cấu trúc miếng Cấu trúc ô vuông Cấu trúc này có kích thước ô cơ sở và độ rộng vùng cấm tính toán được đưa ra nhưHình 3.Hình 3. a) Mô hình cấu trúc EBG dạng chữ nhật, thông s ...