Cửa sổ chắn sóng Wi-Fi dựa trên bộ lọc chắn dải công nghệ vật liệu meta
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
Cửa sổ chắn sóng Wi-Fi dựa trên bộ lọc chắn dải
công nghệ vật liệu meta
Đinh Quang Minh, Trần Văn Tuấn, Lê Minh Thùy*
Bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội
*email: [email protected]
Abstract –Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một cửa sổ
chắn sóng Wi-Fi dựa trên bộ lọc chắn dải công nghệ vật liệu
meta. Được cấu tạo từ thủy tinh và hợp chất ô-xít thiếc pha tạp
Flo (FTO), cửa sổ này hầu như trong suốt hoàn toàn với ánh
sáng nhìn thấy, đồng thời cho phép các tần số sóng vô tuyến
truyền qua đáng kể, trong khi hoàn toàn chặn hết sóng Wi-Fi.
Với tính năng đó, cửa sổ này có thể được sử dụng trong những
ứng dụng cần đảm bảo bảo mật, an toàn thông tin.
cấu trúc tuần hoàn gồm nhiều phần tử đơn vị. Cấu trúc của
mỗi phần tử đơn vị được đề xuất trên Hình 1a. Hai đĩa FTO
tròn trên mỗi lớp tạo thành một cấu trúc vât liệu meta. Khi
sóng tới chiếu đến lớp vật liệu meta này, từ trường đâm
xuyên qua khoảng trống giữa hai đĩa sẽ gây ra một dòng điện
đối song bên trên hai đĩa, trong khi điện trường thì tập trung
chủ yếu ở rìa ngoài của hai đĩa như trên Hình 1b [3-4]. Mỗi
một phần tử đơn vị có thể coi tương đương với một mạch
dao động LC mắc song song nhau [5-6]. Hai mạch LC,
tương ứng với hai lớp, được đặt trên một đường dây dài (TL)
tương đương với không khí, có trở kháng đặc trưng là 377 Ω.
Từ sự tương đương đó, ta có thể rút ra tần số cộng hưởng của
mạch LC và đồng thời cũng là của cấu trúc vật liệu meta như
sau:
Keywords—FTO, vật liệu meta, bộ lọc chắn dải, cửa sổ chặn
Wi-Fi.
I.
GIỚI THIỆU
Trong một số ứng dụng đặc biệt về an ninh và bảo mật
thông tin, yêu cầu truyền thông không dây truyền đi cần phải
được giới hạn trong một phạm vi địa lí nhất định như trong
một phòng họp hoặc một tòa nhà, nhà máy, tuy nhiên thông
tin không được phép lọt ra bên ngoài khu vực này. Thông
thường, khi xây dựng các tòa nhà và phòng họp cần chặn
sóng các bức tường đã được gia cố để đảm bảo việc chặn
sóng. Ngoài ra, các lớp vải hoặc phim trong suốt chắn sóng
cũng sẽ được sử dụng để dán trên cửa sổ xung quanh khu
vực giới hạn nói trên [1-2]. Tuy nhiên các giải pháp này sẽ
đồng thời chặn toàn bộ tín hiệu điện từ ở các tần số và do đó
khiến cho việc liên lạc viễn thông bị gián đoạn, trong khi nhu
cầu thực tế chỉ cần chặn tín hiệu điện từ tại một dải tần số
nhất định như dải tần viễn thông (2G/3G/4G) hoặc chỉ dải
tần ISM (Wi-Fi/Zigbee/Bluetooth). Một ví dụ điển hình là
nhu cầu truyền tin không dây trong công nghiệp mặc dù cao
nhưng do yêu cầu đảm bảo bảo mật thông tin và hạn chế tấn
công mạng khiến cho truyền tin không dây không được sử
dụng nhiều.
Để đáp ứng nhu cầu về một thiết bị chắn sóng vô tuyến có
chọn lọc tần số như đã nêu trên, trong nghiên cứu này, chúng
tôi đề xuất một thiết kế ứng cửa sổ chặn sóng chọn lọc tần số.
Cấu tạo không chỉ từ thủy tinh như những cửa sổ thông
thường khác, mà còn từ FTO được ăn mòn và tạo hình để tạo
nên một bộ lọc chắn dải dựa trên nguyên lý của vật liệu meta
trong suốt, cửa sổ này có thể chặn sóng Wi-Fi ở dải tần số
2.4 GHz đến 2.5 GHz trong khi vẫn cho tín hiệu sóng điện từ
ở các tần số khác truyền qua.
(1)
Ở tần số cộng hưởng, phần năng lượng truyền được qua lớp
vật liệu meta là nhỏ nhất [6]. Hai cấu trúc vật liệu meta được
thiết kế để cộng hưởng cao nhất ở tần số trung tâm 2.45 GHz,
từ đó chặn sóng Wi-Fi đến tối đa.
Mô hình hóa một phần tử đơn vị (unit cell) với điều kiện
biên là cấu trúc lặp lại trên phần mềm chuyên dụng CST để
khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc cửa sổ theo các tham số
kích thước. Các thông số này bao gồm bán kính a của đĩa, độ
dày h của lớp thủy tinh và khoảng cách hgap giữa hai lớp.
Hình 2 biểu diễn mối quan hệ giữa bán kính a của đĩa tới
tần số cộng hưởng của mạch, mối quan hệ giữa độ dày h của
lớp thủy tinh và tỉ lệ công suất truyền qua nhỏ nhất, khoảng
cách hgap giữa hai lớp với độ rộng dải chắn của cấu trúc. Với
cấu trúc vật liệu meta dạng đĩa, tần số cộng hưởng phụ thuộc
chủ yếu vào bán kính, bán kính càng lớn thì tần số cộng
hưởng càng giảm. Điều này là do điện dung và độ tự cảm
tương đương của hai đĩa tròn đặt song song đều tỉ lệ thuận
với bán kính của đĩa, do đó tần số cộng hưởng sẽ tỉ lệ nghịch
với a. Thông số này được lựa chọn a = 15 mm để tần số cộng
hưởng rơi vào đúng 2.45 GHz.
Khi bán kính của đĩa đã được cố định, lần lượt p và h được
nghiên cứu để lựa chọn. Tần số cộng hưởng không bị thay
đổi nhiều khi hai thông số này thay đổi, tuy nhiên tỉ lệ công
suất truyền qua bị thay đổi nhiều. Điều này là do hai thông số
p và h trên quyết định đến trở kháng của mạch điện tương
đương (Hình 1c). Dễ thấy, do h quyết định đến độ lớn của tụ
điện và điện cảm tương đương, cho nên giá trị của h có ảnh
hưởng đến trở kháng. Còn thông số p là khoảng cách giữa
các đĩa liền kề, p không ảnh hưởng tới điện cảm và điện
dung tương đương của cấu trúc đĩa nhưng tỷ lệ nghịch với
điện cảm và điện dung tương hỗ giữa hai đĩa liền kề. Khi p
II. THIẾT KẾ CỬA SỔ CHẮN SÓNG WI-FI
Cửa sổ chắn sóng dựa trên công nghệ vật liệu meta được
cấu tạo từ hai lớp thủy tinh, ngăn cách với nhau bởi một lớp
không khí giống như những loại cửa sổ cách nhiệt thường
thấy. Mỗi lớp thủy tinh được phủ FTO, tạo hình thành các
ISBN: 978-604-80-5076-4
316
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
quá nhỏ, đồng nghĩa với việc các đĩa tròn của các phần tử
đơn vị liền kề được đặt rất sát nhau, điện cảm tương hỗ tăng
dẫn tới trở kháng tương đương của mạch tăng. Vì vậy, p
được chọn là 40 mm, đủ xa để không xảy ra hiện tượng này,
còn h được chọn là 3 mm.
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
Hình 2. Ảnh hưởng của các thông số a, h và hgap lên cấu trúc
Hình 1. (a) Cấu trúc một phần tử đơn vị của cửa sổ; (b) mạch
cửa số vật liệu meta.
điện tương đương của một phần tử và của toàn bộ cửa sổ (c).
Khoảng cách giữa hai lớp thủy tinh hgap có vai trò rất quan
trọng trong việc quyết định độ rộng của dải chắn. Thực tế,
khi xếp hai cấu trúc vật liệu meta lại gần nhau, chúng sẽ
tương tác, tạo nên một mạch dao động liên kết với hai tần số.
Dẫn tới việc, ngoài tần số cộng hưởng mong muốn ở 2.45
GHz, sẽ xuất hiện thêm một tần số cộng hưởng khác ở lân
cận, giúp mở rộng dải chắn. Việc tương tác giữa hai cấu trúc
mạnh hay yếu phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng. Khi
đặt quá gần nhau, tương tác mạnh dẫn tới dải chắn có thể trở
nên rất rộng, ảnh hưởng đến cả những tần số bên ngoài, cần
được truyền qua; trong khi nếu đặt chúng quá xa, thì hệ sẽ
tương đương với hai cấu trúc vật liệu meta độc lập, không có
tương tác và do đó chỉ có một tần số cộng hưởng, với dải
chắn hẹp. Cuối cùng, để thỏa mãn đồng thời điều kiện về độ
rộng dải chắn, và tỉ lệ truyền qua ở bên ngoài dải đó, hgap
được chọn bằng 12 mm.
Kết quả mô phỏng được trình bày trên Hình 3. Cửa sổ hầu
(a)
như chặn đứng toàn bộ sóng Wi-Fi, với dải tần số từ 2.4 GHz
đến 2.48 GHz. Dải chắn, được định nghĩa là dải tần số mà tỉ
lệ truyền qua nhỏ hơn 0.1, kéo dài từ 2.38 GHz đến 2.52
GHz, dải tần số này rộng hơn so với các cấu trúc vật liệu
ISBN: 978-604-80-5076-4
317
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
meta thông thường do sử dụng sự tương tác lẫn nhau giữa hai GHz một cách hiệu quả với các góc tới khác nhau, trong khi
cấu trúc, ứng với hai lớp [7]. Ngược lại, các tần số khác nằm vẫn cho phép các tần số vô tuyến khác truyền qua. Ý tưởng
ngoài dải chắn được truyền qua lớn. Ví dụ, độ truyền qua ở thiết kế này hoàn toàn có thể thực hiện được cho bất cứ tần
900 MHz, 1.8 GHz, 2.1 GHz và 2.6 GHz lần lượt là 0.64, số mong muốn nào tùy vào ứng dụng.
0.82, 0.98 và 0.9.
Khi góc tới θ của sóng tăng lên từ 0o đến 80o, dải chắn vẫn
rất ổn định, trong khi ở các tần số bên ngoài, độ truyền qua
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] RF film windows product, Signals Defense LLC, USA
[2] Window Film Blocks Radio Frequency (RF) Radiation
Products, Scottish Window Tinting Company,
có sự thay đổi, tăng lên ở mode TM và giảm đi ở mode TE.
Điều này cho thấy cửa sổ vẫn có thể chặn sóng Wi-Fi rất tốt
với các góc tới khác nhau tương ứng với thực tế.
[3] D. A. Powell, I. V. Shadrivov, and Y. S. Kivshar, ‘Cut-
wire-pair structures as two-dimensional magnetic
metamaterial’, Opt. Express, vol. 16, no. 19, p. 15185,
Sep. 2008.
[4] U. T. D. Thuy, N. T. Thuy, N. T. Tung, E. Janssens, and
N. Q. Liem, ‘Large-area cost-effective lithography-free
infrared metasurface absorbers for molecular detection’,
APL Mater., vol. 7, no. 7, p. 071102, Jul. 2019.
[5] L. Fu, H. Schweizer, H. Guo, N. Liu, and H. Giessen,
‘Synthesis of transmission line models for metamaterial
slabs at optical frequencies’, Phys. Rev. B, vol. 78, no.
11, p. 115110, Sep. 2008.
[6] P. T. Trang, B. H. Nguyen, D. H. Tiep, L. M. Thuy, V.
D. Lam, and N. T. Tung, ‘Symmetry-Breaking
metamaterial
Enabling
Broadband
Negative
Permeability’, J. Electron. Mater., vol. 45, no. 5, pp.
2547–2552, May 2016.
[7] N. T. Tung, D. T. Viet, B. S. Tung, N. V. Hieu, P.
Lievens, and V. D. Lam, ‘Broadband Negative
(a)
Permeability
by
Hybridized
Cut-Wire
Pair
metamaterial’, Appl. Phys. Express, vol. 5, no. 11, p.
112001, Oct. 2012.
(b)
Hình 3. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của cửa sổ dưới
các góc tới khác nhau ở mode TE (a) và TM (b).
III. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đề xuất một cửa sổ
chắn sóng Wi-Fi dựa trên kỹ thuật vật liệu meta. Cửa sổ làm
từ hai lớp thủy tinh được phủ FTO, có thể chặn sóng 2.45
ISBN: 978-604-80-5076-4
318
3 trang
13540
Free
Bạn đang xem tài liệu "Cửa sổ chắn sóng Wi-Fi dựa trên bộ lọc chắn dải công nghệ vật liệu meta", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- cua_so_chan_song_wi_fi_dua_tren_bo_loc_chan_dai_cong_nghe_va.pdf
