NGHIÊN cứu CHẾ tạo vật LIỆU META hấp THỤ HOÀN hảo dải tần số RỘNG VÙNG GHz DÙNG KHOANG CỘNG HƯỞNG điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
-----  -----

NGUYỄN THÚY HIỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU META HẤP THỤ
HOÀN HẢO DẢI TẦN SỐ RỘNG VÙNG GHz DÙNG KHOANG
CỘNG HƯỞNG ĐIỆN TỪ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÍ

HÀ NỘI, 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
-----  -----

NGUYỄN THÚY HIỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU META HẤP THỤ
HOÀN HẢO DẢI TẦN SỐ RỘNG VÙNG GHz DÙNG KHOANG
CỘNG HƯỞNG ĐIỆN TỪ

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
Mã số: 8.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Trần Mạnh Cường

HÀ NỘI, 2018


MỞ ĐẦU
Ngày nay, việc tìm ra được những vật liệu mới có tính chất tốt hơn so
với vật liệu tự nhiên đã thu hút được sự quan tâm và nghiên cứu của đông đảo
các nhà khoa học trên thế giới. Một trong những vật liệu có ý nghĩa to lớn trong
cuộc cách mạng vật liệu mới là vật liệu Meta. Với những tính chất đặc biệt và
khả năng ứng dụng thực tiễn đầy triển vọng vật liệu Meta đã nhận sự đầu tư rất
lớn về mặt kinh phí, số lượng các công trình công bố liên quan đến vật liệu này
đã tăng đột biến trong những năm qua. Vật liệu Meta có chiết suất âm là định
hướng nghiên cứu đầu tiên thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Tính
chất của vật liệu Meta chiết suất âm được tiên đoán về mặt lý thuyết bởi
Veselago từ năm 1968 [21]. Trên cơ sở lí thuyết của Veselago, Smith cùng với
các cộng sự đã chứng minh bằng thực nghiệm vào năm 2000 [20]. Một trong
những ứng dụng nổi bật của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi
Pendry vào năm 2000 và “áo choàng tàng hình” được đề xuất và chứng minh
tại vùng GHz bởi Schurig và các cộng sự năm 2006…..
Trong những năm gần đây một tính chất mới được phát hiện và nghiên
cứu của vật liệu Meta đó là Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (metamaterial
perfect absorber – MPA). Năm 2008, vật liệu MPA đã được đề xuất và kiểm
chứng bằng thực nghiệm bởi Landy và các cộng sự [9]. Loại vật liệu MPA
được nghiên cứu nhiều hiện nay là MPA có lớp kim loại làm bằng đồng và có
lớp thứ ba là tấm kim loại kín để độ truyền qua bằng không. Các cấu trúc đã
được chế tạo thành công như cấu trúc chữ I, vòng tròn, đĩa tròn…[3, 1]. Với
độ dày không đáng kể so với bước sóng hoạt động (nhỏ hơn λ/10) và có thể
điều chỉnh được trở kháng chúng ta có thể thiết kế và chế tạo vật liệu Meta
hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ chiếu tới (A~100%) hoạt động trên các dải tần

số mong muốn khác nhau từ vùng vi sóng đến vùng hồng ngoại và thậm chí
cả vùng ánh sáng nhìn thấy. Việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu Meta
1


sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp như chế tạo vi
nhiệt kế, các phòng chắn bức xạ công nghiệp, pin mặt trời hiệu suất cao… và
đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng giúp thay đổi hướng đi của sóng điện từ,
tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm….
Vật liệu Meta hoạt động dựa trên các cộng hưởng điện từ khi tương tác
với các thành phần điện

r
E

và thành phần từ

r
H

của sóng điện từ chiếu đến.

Dựa trên tính chất này chúng tôi xây dựng cấu trúc khoang cộng hưởng sâu
với các lớp kim loại và điện môi xen kẽ để tạo ra vật liệu MPA hấp thụ hoàn
hảo sóng điện từ theo một phương thức mới. Cách tiếp cận mới này giúp cho
cấu trúc có thể được khảo sát toàn diện hơn và các bài toán khác có thể đặt ra
như áp dụng khoang với kích thước khác nhau, sắp xếp khoang trong vật
liệu…sẽ có ảnh hưởng tới tính hấp thụ điện từ và cải thiện đặc tính của cấu
trúc. Hơn nữa, việc thiết kế và chế tạo vật liệu có tính chất thay đổi một cách
linh hoạt hay tối ưu hóa cấu trúc để giảm tổn hao điện từ của vật liệu khi hoạt

động cũng là vấn đề cần quan tâm. Với những lý do nêu trên, tôi đã lựa chọn
nội dung: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu meta hấp thụ hoàn hảo dải tần số
rộng vùng GHz dùng khoang cộng hưởng điện từ” làm đề tài luận văn.
Luận văn được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa mô hình hóa, tối ưu
cấu trúc, mô phỏng, chế tạo, đo đạc kiểm nghiệm:
Với các mục tiêu đó, luận văn chia thành 3 chương:
Chương I : Tổng quan vật liệu Meta
Chương II : Cấu trúc nghiên cứu và kết quả tối ưu
Chương III : Kết quả thực nghiệm

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU META
1.1 Khái niệm vật liệu Meta

Hình 1.1: Cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu Meta
Hình 1.1 là hình ảnh so sánh về cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và
vật liệu Meta: Vật liệu truyền thống được hình thành từ những phân tử,
nguyên tử, giữa là hạt nhân, xung quanh là các điện tử. Tính chất vật liệu
truyền thống chủ yếu được quyết định bởi lớp điện tử ngoài cùng và sự sắp
xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong khi đó vật liệu Meta được xây
dựng từ các ô cơ sở, mỗi ô cơ sở tương tự như một nguyên tử của vật liệu
truyền thống và gọi là “giả nguyên tử”. Tính chất của vật liệu Meta được
quyết định chủ yếu bởi hình dạng cấu trúc của “giả nguyên tử” và trật tự sắp
xếp của “giả nguyên tử”. Các cấu trúc "giả nguyên tử" này có thể là đối xứng
hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng, được làm từ kim loại
hoặc điện môi, có thể là chất phi từ hoặc sắt từ, và quan trọng nhất là có kích
thước nhỏ hơn từ 7-10 lần so với bước sóng hoạt động của vật liệu Meta.
Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng

3


bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm  và hằng số điện môi  . Sự lan truyền
của sóng điện từ trong vật liệu liên quan chặt chẽ tới hai đại lượng này.
Nguyên lý cơ bản của vật liệu Meta là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ từ
những cấu trúc "giả nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại
lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên. Sự truyền
sóng điện từ trong vật liệu Meta do đó cũng có thể dự đoán, thiết kế trước và
điều chỉnh theo ý muốn.
1.2 Phân loại Vật liệu Meta
Để phân loại vật liệu Meta có thể dựa vào hai đại lượng: độ điện thẩm
 và độ từ thẩm  . Đây là hai đại lượng cơ bản giúp xác định sự lan truyền

sóng điện từ trong vật liệu.

4


ε >0, � >0 (I)
ε <0, � >0 (II)

Tồn tại trong kim loại dưới tần số
plasma

Tồn tại trong hầu hết các vật liệu

ε >0, � <0 (IV)

ε <0, � <0 (III)

Không tồn tại trong tự nhiên nhưng
tồn tại trong vật liệu Meta

Tồn tại trong một số vật liệu từ ở
tần số thấp

Hình 1.2: Sơ đồ mối liên hệ giữa � và �
- 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.
Qua các nghiên cứu về vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ cho
thấy, cơ chế hấp thụ dựa trên cộng hưởng từ tạo ra độ từ thẩm âm. Do đó, vật
liệu hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ là vật liệu có độ từ thẩm âm.

5


1.3 Ứng dụng vật liệu Meta
Năm 2000, Pendry đã triển khai lý thuyết Veselago với bài viết
"Negative refraction gives a perfect lens"[16]. Năm 2004, siêu thấu kính đầu
tiên được chế tạo hoạt động ở vùng tần số vi-ba cho độ phân giải lớn hơn ba
lần so với giới hạn nhiễu xạ [7]. Chỉ một năm sau đó, năm 2005 Fang và các
cộng sự đã chế tạo thành công siêu thấu kính quang học sử dụng màng mỏng
bạc, phá vỡ các giới hạn nhiễu xạ cho hình ảnh phân giải cao (Hình 1.4).
Ứng dụng nổi bật khác của vật liệu Meta đó là “Áo choàng tàng
hình”.

Hình 1.6: Đường đi của sóng điện từ trong siêu vật liệu: (A) Biểu hiện hai

chiều, vật bị phủ là quả cầu tròn có bán kính R1 và lớp phủ có bề dày (R2-R1)
ánh sáng có thể bị bẻ cong làm vật thể được “tàng hình” và (B) Biểu hiện ba
chiều [17].
Khả năng “tàng hình” được đề xuất và chứng minh tại vùng GHz bởi
Schurig và các cộng sự năm 2006 [19]. Sau đó, Zhang và các cộng sự lần đầu
tiên tạo ra một thảm phủ (cloaking carpet) làm tàng hình một vật thể ở vùng
cận hồng ngoại (bước sóng 1,600 nm) (Hình 1.7). Những nghiên cứu về “áo
choàng tàng hình” của siêu vật liệu đã làm chấn động cộng đồng nghiên cứu
quang học và điện từ học nhất là giới nghiên cứu khoa học quân sự. Ngoài
những ứng dụng kể trên, vật liệu Meta còn có nhiều tiềm năng trong các
lĩnh vực khác như: cảm biến sinh học [10, 18], bộ lọc tần số [5, 8], bộ lọc

6


cộng hưởng [6, 15]…

Hình 1.7: Thứ tự từ trái sang phải. Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy.
Hình giữa: vật tròn được phủ kín bởi siêu vật liệu [25].
Bên cạnh những ứng dụng nổi bật của vật liệu Meta có chiết suất âm
thì vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (MPA) cũng đem lại những
tính chất thú vị cùng với khả năng ứng dụng cao thu hút sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu khoa học. Một trong những ứng dụng đầu tiên của vật liệu
hấp thụ là bộ phát nhiệt chọn lọc dựa theo nguyên tắc bức nhiệt của định luật
Kirchhoff [23]. Ngoài ra, MPA giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết
bị phân tích phổ và cảm biến trên các thang THz hay vùng vi sóng [24], giúp
xây dựng bộ dò plasmonic ở vùng hồng ngoại gần [13]…. Đặc biệt, cùng với
sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, khả năng chế tạo vật liệu MPA hấp
thụ ánh sáng mặt trời là một định hướng ứng dụng mới trong việc làm pin mặt
trời hiệu suất cao [22, 14].

1.4 Tổng quan vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
1.4.1 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu Meta
Ta có : A + R + T = 1 hay A= 1 – T – R
Trong đó : A là độ hấp thụ ; T là độ truyền qua; R là độ phản xạ.
Độ phản xạ và hệ số phản xạ trong các trường hợp của sóng phân
cực TE và TM:
RTE 

cos   r1 n 2  sin  2
cos    r1 n 2  sin  2

RTM 

7

 r cos   n 2  sin  2
 r cos   n 2  sin  2

(1.1)


Với  là góc tới và n  r  r là chiết suất của vật liệu. Trường hợp
chiếu sóng điện từ vuông góc với mẫu thì khi đó   0 ta có phương trình:
z  z0
R
z  z0

2

 n

 r
r  n

2

(1.2)

Với z    là trở kháng của MPA và z0  0  0 là trở kháng của
môi trường không khí. Nếu MPA có lớp thứ 3 là tấm kim loại thì độ truyền
qua T=0, ta có độ hấp thụ:
z  z0
A  1 R  1
z  z0

2

 n
 1 r
r  n

2

(1.3)

Như vậy, để tạo ra vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ là thông
qua trở kháng của vật liệu với không khí để triệt tiêu phản xạ. Đồng thời thiết
kế vật liệu có độ dày và độ tổn hao lớn để hấp thụ sóng điện từ trước khi phản
xạ ngược trở lại môi trường. Đó là cơ chế hấp thụ dựa trên sự phối trở kháng.
Ngoài ra còn có cơ chế hấp thụ dựa trên giao thoa triệt tiêu. Ở đó, hai lớp kim
loại trong vật liệu hấp thụ đóng vai trò như các mặt phản xạ sóng. Cần phải

lựa chọn vật liệu điện môi có bề dày và hằng số điện môi sao cho sóng phản
xạ từ lớp cấu trúc tuần hoàn bằng kim loại và sự chồng chập của nhiều phản
xạ giữa hai lớp kim loại ngược pha nhau từ đó dẫn đến phản xạ triệt tiêu hoàn
toàn. Tấm kim loại mặt sau đóng vai trò chặn sóng điện từ truyền đến do đó
độ truyền qua bằng không [4].
1.4.2 Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ
Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (MPA) là vật liệu có khả
năng hấp thụ gần như hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần
số hoạt động. Nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng vì MPA
được xây dựng trên cấu trúc cộng hưởng điện từ. Các nhà khoa học đã chứng
minh được rằng tại tần số xảy ra hấp thụ thì các đại lượng truyền qua, phản

8


xạ, tán xạ là không đáng kể. Hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ có thể được phân
chia thành hai loại: hấp thụ cộng hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có
băng thông rộng (broadband absorbers). Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự
tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách cộng hưởng tại tần số xác
định 0 , ở đây bước sóng điện từ tương ứng với tần số 0 là

0 

2 c
0 với c là

vận tốc ánh sáng trong chân không. Hấp thụ băng thông rộng dựa trên vật liệu
có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số và do đó có thể hấp thụ sóng
điện từ trên một dải rộng lớn. Một trong những tính chất hết sức thú vị của
MPA là có khả năng điều chỉnh đưuợc vùng tần số hoạt động mong

muốn thông qua thay đổi kích thước và lợi thế độ dày nhỏ như đã được
chứng minh là 0 40 [11], 0 69 [12].
Tuy nhiên một trong những nhược điểm của vật liệu MPA khi đưa vào
ứng dụng đó là tần số hấp thụ không thể thay đổi sau khi chế tạo. Các thiết bị
sử dụng vật liệu MPA sẽ trở nên linh hoạt hơn khi tần số hấp thụ có thể điều
khiển bằng các yếu tố ngoại vi như từ trường, điện trường. Đồng thời việc
thiết kế chế tạo vật liệu với rất nhiều lớp gây khó khăn trong kỹ thuật chế tạo
mẫu gây ra sai số lớn, đặc biệt là với những điều kiện về các thiết bị chế tạo
mẫu vẫn còn hạn chế tại nước ta. Chính vì vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng
điện từ có các tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng thực tế, luận văn đã lựa
chọn vật liệu này làm đối tượng nghiên cứu chính.
1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Trong luận văn, chúng tôi tập trung giải quyết 2 vấn đề:
Một là, xây dựng được cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng
điện từ dùng khoang cộng hưởng đa lớp với cấu trúc đơn giản, hợp lý, tối ưu
hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ ở dải tần số rộng
vùng GHz. Quá trình tối ưu hóa cấu trúc được tiến hành một cách hệ thống,

9


thông qua các cấu trúc trung gian. Sự hình thành và cơ chế hấp thụ ở mỗi
bước tối ưu hóa được giải thích bằng phương pháp mô phỏng.
Hai là, trên cơ sở tối ưu hóa bằng mô phỏng, chế tạo thành công vật
liệu Meta hấp thụ hoàn hảo dải tần số rộng vùng GHz dùng khoang cộng
hưởng điện từ so sánh, kiểm chứng với kết quả mô phỏng.

10

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ TỐI ƯU
2.1 Quy trình nghiên cứu vật liệu Meta
MÔ HÌNH VẬT LÍ

Điều kiện đầu vào:
Tham số vật liệu
Tham số cấu trúc
Điều kiện biên

MÔ PHỎNG

Các đặc tính điện
từ
Tối ưu

KẾT LUẬN

So sánh

ĐO ĐẠC
KIỂM CHỨNG

CHẾ TẠO VẬT
LIỆU

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz
dựa trên sự kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm.
2.2 Phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta
Phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta trong luận văn thực hiện dựa
trên sự kết hợp của mô hình vật lí, mô phỏng thiết kế cấu trúc, chế tạo mẫu và

kiểm chứng bằng thực nghiệm. Mô hình vật lí dựa trên mô hình lớp cộng
hưởng. Dựa trên mô hình này các tần số cộng hưởng điện và cộng hưởng từ
có thể được tính toán dựa theo các tham số cấu trúc.
Lựa chọn vật liệu để chế tạo: Trong luận văn nghiên cứu chế tạo vật
liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz, lớp kim loại sử dụng là đồng (Cu) và
lớp điện môi thường sử dụng là vật liệu FR-4. Lớp kim loại được chọn là Cu
vì trong vùng GHz ảnh hưởng của các kim loại khác nhau lên tính chất điện từ
của vật liệu Meta không đáng kể và Cu là kim loại rẻ so với các kim loại quý
hiếm khác. Điện môi FR-4 tuy tổn hao khá lớn nhưng nó vẫn đáp ứng được

11


hầu hết các điều kiện nghiên cứu trong vùng GHz và giá thành rẻ.
2.2.1 Phương pháp mô phỏng vật lí
Trong các phần mềm mô phỏng thương mại, phần mềm CST
Microwave studio là chương trình phổ biến và có độ chính xác cao được sử
dụng rộng rãi hiện nay. Nhờ độ chính xác cao từ các kĩ thuật mô phỏng kết
quả mô phỏng sẽ hỗ trợ tích cực cho việc tiến hành thực nghiệm. Qua đó giúp
cho việc giải thích các hiện tượng, tính chất vật liệu dễ dàng hơn. Chính vì thế
luận văn sử dụng phần mềm CST để nghiên cứu mô phỏng.
Đối với vật liệu MPA, thông số quan trọng nhất là độ hấp thụ, nó
biểu thị tỉ lệ phần trăm năng lượng của sóng điện từ chiếu tới bị hấp thụ bởi
vật liệu. Độ hấp thụ được tính A(ω) = 1 – R(ω) – T(ω). Trong đó: R(ω) là độ
phản xạ, T(ω) là độ truyền qua của vật liệu. Độ phản xạ và độ truyền qua thu
được bằng cách thiết lập điều kiện và nguồn sóng thích hợp. Việc thiết lập các
tham số đầu vào bao gồm: Vật liệu (được lấy từ ngân hàng vật liệu có sẵn
hoặc đưa các thông số của vật liệu mới không có sẵn trong chương trình mô
phỏng), hình dạng, kích thước và các tham số cấu trúc của ô cơ sở, điều kiện
biên cùng môi trường xung quanh vật liệu. Các tham số đầu ra thu được bao

gồm: các tham số tán xạ dưới dạng phức như hệ số truyền qua S 21, hệ số phản
xạ S11, qua đó độ phản xạ R(ω)và truyền qua T(ω) có thể thu được là R(ω) =
S11

2

và T(ω) =

S 21

2

. Vì thế việc khảo sát về vật liệu MPA thì hệ số phản xạ

S11 và hệ số truyền qua S21 là hai thông số được sử dụng nhiều nhất.
Bên cạnh đó, việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp chúng ta quan sát
được một số tính chất của vật liệu Meta rất khó kiểm chứng và quan sát bằng
thực nghiệm. Ví dụ: Phân bố điện trường và từ trường bên trong vật liệu Meta
cho thấy sự tương tác giữa sóng điện từ chiếu tới cấu trúc như thế nào qua đó
có thể cung cấp thông tin về cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu Meta.

12


Ngoài ra, một thông số khác được quan tâm đó là dòng bề mặt, có thể được
dùng để chỉ ra đặc tính cộng hưởng của phần kim loại trong cấu trúc vật liệu.
Mô phỏng cũng cho phép nghiên cứu và đánh giá sự phân bố mật độ tiêu tán
năng lượng trong vật liệu Meta. Thông tin 2D và 3D có thể đưa ra các dữ liệu
để tính toán và phân tích sâu hơn.
2.2.2 Phương pháp thực nghiệm

Trong vùng GHz, khảo sát đặc tính thường được thực hiện trong
buồng hấp thụ vi sóng, ở đó các ăng ten dạng loa, được nối với một hệ
phân tích mạng véc tơ, đo sóng phản xạ và truyền qua mẫu. Để đo phản xạ từ
MPA, một loa vi sóng tập trung chùm vi sóng vào mẫu đóng vai trò là đầu
phát, còn loa còn lại được dùng như đầu thu. Hai loa được đặt đối xứng qua
mặt phẳng pháp tuyến với bề mặt mẫu. Để đo truyền qua, loa nguồn được đặt
trước mẫu còn loa thu được đặt phía đối diện của mẫu. Việc chuẩn hóa phép
đo phản xạ được thực hiện bằng cách sử dụng một tấm kim loại cùng kích
thước với mẫu làm chuẩn [3].
2.3 Cấu trúc nghiên cứu và kết quả mô phỏng
- Khoang có cấu tạo gồm 4 lớp và một đế, mỗi lớp gồm 2 phần:
+ Phía trên là lớp đồng (độ dẫn điện 

 5.8 �107

Sm-1) và có độ dày td =

0.03 mm là một bản đồng rỗng với các tham số cấu trúc mặt trước a, b, c.
Trong đó: a hằng số mạng, b,c là kích thước bản đồng rỗng phía trên.
+ Phía dưới là lớp điện môi FR-4 (hằng số điện môi   4.3 , tổn hao ),
có độ dày tm = 1.6 mm.
- Mặt đế dưới cùng là lớp đồng phủ kín toàn bộ mặt sau của cấu trúc có
độ dày td = 0.03mm (độ dẫn điện 

 5.8 �107

13

Sm-1).

(a)

(b)

Hình 2.4: (a) Ô cơ sở của cấu trúc khoang 4 lớp. (b) Tham số cấu trúc ô cơ
sở.
Trước tiên, xét cấu trúc khoang 1 lớp với hằng số mạng a = 25 mm.
Lớp kim loại được chọn là đồng (độ dẫn điện Sm -1) và có độ dày td = 0.03
mm. Lớp điện môi FR-4 (hằng số điện môi , tổn hao ) có độ dày t m = 1.6 mm.
Lớp kim loại phía trên có kích thước bản đồng vuông rỗng là b 1 = c1 =16 mm.
Lớp kim loại phía dưới phủ kín toàn bộ cấu trúc có độ dày t d = 0.03 mm (độ
dẫn điện Sm-1).
Sử dụng phần mềm CST chạy mô phỏng cấu trúc chúng tôi thu được
kết quả như sau:

Hình 2.5: (a) Ô cơ sở khoang 1 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 1 lớp.
Từ đồ thị kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khoang 1 lớp Hình 2.5(b)

14


chúng tôi nhận thấy xuất hiện hai đỉnh hấp thụ tại hai tần số f = 6.15 GHz với
độ hấp thụ A �72.3% và f = 8.36 GHz với độ hấp thụ A �100%. Như vậy
khoảng tần số hấp thụ với cấu trúc khoang một lớp xây dựng là 2.21 GHz.
Để biết thêm về cơ chế về độ hấp thụ của cấu trúc khoang 1 lớp
chúng tôi quan sát mật độ điện trường, từ trường của cấu trúc khoang 1 lớp tại
hai tần số f = 6.15 GHz và f = 8.36 GHz. Mật độ điện trường, từ trường của
cấu trúc khoang 1 lớp được biểu diễn trên các hình sau:

f = 6.15 GHz

f = 8.36 GHz

Hình 2.6: Mật độ điện trường của cấu trúc khoang 1 lớp tại tần số f = 6.15
GHz và f = 8.36 GHz.

f = 6.15 GHz

f=

8.36 GHz
Hình 2.7: Mật độ từ trường của cấu trúc khoang 1 lớp tại tần số f = 6.15
GHz và f = 8.36 GHz.
Ở đây cấu trúc xây dựng giống như một khoang cộng hưởng hình chữ
nhật hình thành sóng đứng ở tần số cộng hưởng giam giữ năng lượng bên
trong nó tạo ra đỉnh hấp thụ bậc cao cho cấu trúc. Như vậy, để tạo ra vật liệu
Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ là thông qua trở kháng của vật liệu với
không khí để triệt tiêu phản xạ. Đồng thời thiết kế vật liệu có độ dày và độ tổn

15


hao lớn để hấp thụ sóng điện từ trước khi phản xạ ngược trở lại môi trường.
Đó là cơ chế hấp thụ dựa trên sự phối trở kháng.
Xét cấu trúc khoang 2 lớp với hằng số mạng a = 25 mm. Lớp kim loại
được chọn là đồng (độ dẫn điện Sm-1) và có độ dày td = 0.03 mm. Lớp điện
môi FR-4 (hằng số điện môi , tổn hao ) có độ dày t m = 1.6 mm. Hai lớp kim
loại phía trên có kích thước bản đồng vuông rỗng là b 1 = c1= 16 mm (lớp 1), b2

= c2= 16 mm (lớp 2). Lớp kim loại phía dưới cùng phủ kín toàn bộ cấu trúc
có độ dày td = 0.03 mm (độ dẫn điện Sm-1).
Sử dụng phần mềm mô phỏng CST chúng tôi thu được kết quả sau:

Hình 2.8: (a) Ô cơ sở khoang 2 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 2 lớp.
Do đó, khi tăng thêm số lớp kim loại – điện môi chúng tôi thu được
thêm đỉnh hấp thụ và mở rộng phổ hấp thụ làm tăng khoảng tần số của phổ
hấp thụ.
Xét cấu trúc lớp 3 lớp vật liệu với hằng số mạng a = 25 mm. Lớp kim
loại được chọn là đồng (độ dẫn Sm -1) và có độ dày td = 0.03 mm. Lớp điện
môi FR-4 (hằng số điện môi , tổn hao ) có độ dày t m = 1.6 mm. Ba lớp kim
loại phía trên có kích thước bản đồng vuông rỗng là b 1 = c1 = 16 mm, b2 = c2 =
16 mm, b3 = c3 = 16 mm. Lớp kim loại phía dưới cùng phủ kín toàn bộ cấu
trúc có độ dày td = 0.03 mm (độ dẫn điện Sm-1).

16


17


Sử dụng phần mềm mô phỏng CST chúng tôi thu được kết quả sau:

Hình 2.9: (a) Ô cơ sở khoang 3 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 3 lớp.
Nhằm thu được số đỉnh hấp thụ nhiều hơn với độ hấp thụ cao thuận lợi
trong việc chế tạo và nghiên cứu, chúng tôi xây dựng cấu trúc khoang gồm 4
lớp vật liệu điện môi - kim loại xen kẽ tạo nên một ô cở sở với cấu trúc
khoang cộng hưởng 4 lớp với hằng số mạng a = 25 mm, kích thước các bản

đồng rỗng ở trên của các lớp đều bằng nhau b = c = 16 mm, độ dày các lớp
điện môi tm = 1.6 mm, độ dày các lớp đồng td = 0.03 mm.
Sử dụng phần mềm mô phỏng CST chúng tôi thu được kết quả sau:

Hình 2.10: (a) Ô cơ sở khoang 4 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 4 lớp.

18


Như vậy đỉnh hấp thụ tại tần số f = 6.15 GHz (lớp 1) ban đầu được dịch
chuyển dần về phía tần số thấp hơn f = 5.89 GHz (lớp 2), 5.71 GHz (lớp 3),
5.57 (lớp 4) mở rộng khoảng tần số phổ hấp thụ thêm khoảng gần 1 GHz.
Việc tăng thêm số lượng lớp cộng hưởng góp phần mở rộng dải đỉnh hấp thụ
trong khoảng tần số hoạt động qua đó giúp tối ưu cấu trúc để thu được kết quả
tốt nhất.
2.4 Tối ưu hóa cấu trúc khoang cộng hưởng
Qua việc khảo sát thay đổi nhiều tham số cấu trúc bản đồng rỗng bên
trong các lớp của khoang chúng tôi thực hiện giữ nguyên kích thước b = c =
16 mm của lớp 1, 2, 3 thay đổi cấu trúc lớp 4 từ kích thước b 4 = 16 mm, c4 =
16 mm sang cấu trúc b4 = 18 mm, c4 = 16 mm và b4 = 23 mm, c4 = 16 mm ta có
cấu trúc khoang với kích thước bản đồng rỗng tại các lớp như sau:
+ Lớp 1: b1 = c1 = 16 mm

+ Lớp 1: b1 = c1 =16 mm

+ Lớp 2: b2 = c2 = 16 mm

+ Lớp 2: b2 = c2 = 16 mm

+ Lớp 3: b3 = c3 = 16 mm

+ Lớp 3: b3 = c3 = 16 mm

+ Lớp 4: b4 = 18 mm, c4 =16 mm
+ Lớp 4: b4 = 23mm, c4 = 16mm
Sử dụng phần mềm mô phỏng CST chúng tôi thu được kết quả sau:

Hình 2.11: Kích thước bản đồng rỗng lớp 4 với b4 =16 mm, c4 = 16 mm; b4 =
18 mm, c4 =16 mm; b4 = 11.5mm, c4 = 16 mm.

19


Hình 2.12: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 4 với b4 =
18 mm, b4 = 23 mm.
Nhận xét: Khi làm thay đổi kích thước bản đồng rỗng lớp 4 với b4 = 18
mm, b4 = 23 mm thu được 7 đỉnh hấp thụ: f = 5.57 GHz với độ hấp thụ A �
89%, f = 5.98 GHz với độ hấp thụ A �69%, f = 6.48 GHz với độ hấp thu A
�96%, f = 7.07 với độ hấp thụ A �87.8%, f = 7.92 GHz với độ hấp thụ A �
86%, f = 8.36 GHz với độ hấp thụ A �91%, f = 8.8 GHz với độ hấp thụ A �
92.2%. Nhận thấy độ hấp thụ tại 7 đỉnh đều tăng so với cấu trúc 4 lớp ban đầu
với các kích thước các bản đồng rỗng b = c = 16 mm. Đặc biệt 1 đỉnh hấp thụ
có sự dịch chuyển từ tần số 6.08 GHz độ hấp thụ 52.2% lên tần số 6.48 GHz
độ hấp thụ 95.6% mở rộng 0.4 GHz. Qua đó, ta thấy khi b 4 tăng dần lên đến
gần bằng hằng số mạng a = 25 mm làm dịch chuyển đỉnh hấp thụ và tăng độ
hấp thụ tại các đỉnh.
Tiếp đó giảm kích thước bản đồng rỗng lớp 2 từ b2 = c2 = 16 mm xuống
b2 = c2 = 14 mm ta có cấu trúc khoang với kích thước bản đồng rỗng tại các
lớp như sau:

+ Lớp 1: b1 = 16 mm, c1 = 16 mm
+ Lớp 2: b2 = 14 mm, c2 = 14 mm

20


+ Lớp 3: b3 = 16 mm, c3 = 16 mm
+ Lớp 4: b4 = 23 mm, c4 = 16 mm
Sử dụng phần mềm mô phỏng CST chúng tôi thu được kết quả sau:

Hình 2.13: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 2 với b2 =
c2 =14 mm
Nhận xét: Khi giảm kích thước của bản đồng vuông rỗng ở lớp 2 từ b2 =
c2 = 16 mm xuống b2 = c2 =14 mm thu được 7 đỉnh hấp thụ: f = 5.48 GHz với
độ hấp thụ A �98%, f = 5.9 GHz với độ hấp thụ A �95%, f = 6.48 GHz với
độ hấp thụ A �96.7%, f =7.18 với độ hấp thụ A �86.8%, f = 7.96 GHz với
độ hấp thụ A �92%, f = 8.36 GHz với độ hấp thụ A �91.8%, f = 8.8 GHz
với độ hấp thụ A �90%. So với cấu trúc mà b2 = c2 = 16 mm vị trí các đỉnh
không có thay đổi nhiều tuy nhiên độ hấp thụ của các đỉnh đều thay đổi đáng
kể. Đặc biệt độ hấp thụ tại tần số f = 5.9 GHz ở cấu trúc có b2 = c2 = 16 mm
tăng mạnh từ 68% lên 95%.
Tiếp tục giảm kích thước của bản đồng vuông rỗng ở lớp 1 từ kích
thước b1 = c1 = 16 mm xuống b1 = c1 = 12 mm ta có cấu trúc lớp với kích
thước bản đồng rỗng tại các lớp như sau:
+ Lớp 1: b1 = 12 mm, c1 = 12 mm
+ Lớp 2: b2 = 14 mm, c2 = 14 mm
+ Lớp 3: b3 = 16 mm, c3 = 16 mm

21

+ Lớp 4: b4 = 23 mm, c4 = 16 mm

Hình 2.14: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 1 với b1 =
c1 = 12 mm.

Nhận xét: Khi giảm kích thước của bản đồng vuông rỗng ở lớp 1 từ b1 =
c1 = 16 mm xuống b1 = c1 = 12 mm thu được 8 đỉnh hấp thụ: f = 5.39 GHz với
độ hấp thụ A �95.7%, f = 5.61 GHz với độ hấp thụ A �97%, f = 5.9 GHz
với độ hấp thụ A �93.4%, f = 6.48 GHz với độ hấp thụ A �97%, f = 7.22
với độ hấp thụ A �86.3%, f = 7.89 GHz với độ hấp thụ A �90.1%, f = 8.36
GHz với độ hấp thụ A �90,1%, f = 8.8 GHz với độ hấp thụ A �88.6%. Dễ
dàng nhận thấy thu được thêm một đỉnh hấp thụ tại tần số f = 5.61 GHz với
độ hấp thụ xấp xỉ 97.2%.
Sau đó, chuyển cấu trúc từ bản đồng vuông rỗng của lớp 2 (b 2 = c2 = 14
mm) sang cấu trúc hình chữ nhật (b2 = 20 mm, c2 = 7 mm) ta có cấu trúc lớp
với kích thước bản đồng rỗng tại các lớp:
+ Lớp 1: b1 = 12 mm, c1 = 12 mm
+ Lớp 2: b2 = 20 mm, c2 = 14 mm
+ Lớp 3: b3 = 16 mm, c3 = 16 mm

22


+ Lớp 4: b4 = 23 mm, c4 = 16 mm

Hình 2.15: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 2 với b2 =
20 mm, c2 = 14 mm
Nhận xét: Khi thay đổi kích thước bản đồng rỗng ở lớp 2 từ b2 = 20
mm, c2 = 14 mm, b2 = 20 mm, c2 = 14 mm thu được 9 đỉnh hấp thụ: f = 5.32

GHz với độ hấp thụ A �100%, f = 5.56 GHz với độ hấp thụ A �88%, f = 5.9
GHz với độ hấp thụ A �91.6%, f = 6.48 GHz với độ hấp thụ A �96.5%, f =
7.18 với độ hấp thụ A �90.4%, f = 7.64 GHz với độ hấp thụ A �86.7%, f =
7.8 GHz với độ hấp thụ A �94,6%, f = 8.36 GHz với độ hấp thụ A �88.6%,
f = 8.75 GHz với độ hấp thụ A �90.6%. Dễ dàng nhận thấy xuất hiện thêm
một đỉnh hấp thụ mới tại tần số 7.64 GHz với độ hấp thụ đạt xấp xỉ 86.7%.
Tuy nhiên một đỉnh hấp thụ bị dịch chuyển tần số từ f = 5.61 GHz xuống tần
số f = 5.56 GHz và độ hấp thụ giảm từ 97.2% xuống 88%.
Tiếp tục, chúng tôi thay đổi kích thước bản đồng vuông rỗng của lớp 1
từ b1 = c1 = 12 mm xuống b1 = c1 = 11 mm. Bằng việc thay đổi này làm cho

23