Cửa sổ chắn sóng Wi-Fi dựa trên bộ lọc chắn dải công nghệ vật liệu meta

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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: thuy.leminh@hust.edu.vn Abstract –Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một cửa sổ cấu trúc tuần hoàn gồm nhiều phần tử đơn vị. Cấu trúc của chắn sóng Wi-Fi dựa trên bộ lọc chắn dải công nghệ vật liệu mỗi phần tử đơn vị được đề xuất trên Hình 1a. Hai đĩa FTO 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 tròn trên mỗi lớp tạo thành một cấu trúc vât liệu meta. Khi sáng nhìn thấy, đồng thời cho phép các tần số sóng vô tuyến sóng tới chiếu đến lớp vật liệu meta này, từ trường đâm truyền qua đáng kể, trong khi hoàn toàn chặn hết sóng Wi-Fi. xuyên qua khoảng trống giữa hai đĩa sẽ gây ra một dòng điện Với tính năng đó, cửa sổ này có thể được sử dụng trong những đối song bên trên hai đĩa, trong khi điện trường thì tập trung ứng dụng cần đảm bảo bảo mật, an toàn thông tin. chủ yếu ở rìa ngoài của hai đĩa như trên Hình 1b [3-4]. Mỗi Keywords—FTO, vật liệu meta, bộ lọc chắn dải, cửa sổ chặn một phần tử đơn vị có thể coi tương đương với một mạch Wi-Fi. 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. I. GIỚI THIỆU Từ sự tương đương đó, ta có thể rút ra tần số cộng hưởng của Trong một số ứng dụng đặc biệt về an ninh và bảo mật mạch LC và đồng thời cũng là của cấu trúc vật liệu meta như thông tin, yêu cầu truyền thông không dây truyền đi cần phải sau: được giới hạn trong một phạm vi địa lí nhất định như trong (1) một phòng họp hoặc một tòa nhà, nhà máy, tuy nhiên thông tin không được phép lọt ra bên ngoài khu vực này. Thông Ở tần số cộng hưởng, phần năng lượng truyền được qua lớp thường, khi xây dựng các tòa nhà và phòng họp cần chặn vật liệu meta là nhỏ nhất [6]. Hai cấu trúc vật liệu meta được sóng các bức tường đã được gia cố để đảm bảo việc chặn thiết kế để cộng hưởng cao nhất ở tần số trung tâm 2.45 GHz, sóng. Ngoài ra, các lớp vải hoặc phim trong suốt chắn sóng từ đó chặn sóng Wi-Fi đến tối đa. cũng sẽ được sử dụng để dán trên cửa sổ xung quanh khu Mô hình hóa một phần tử đơn vị (unit cell) với điều kiện vực giới hạn nói trên [1-2]. Tuy nhiên các giải pháp này sẽ biên là cấu trúc lặp lại trên phần mềm chuyên dụng CST để đồng thời chặn toàn bộ tín hiệu điện từ ở các tần số và do đó khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc cửa sổ theo các tham số khiến cho việc liên lạc viễn thông bị gián đoạn, trong khi nhu kích thước. Các thông số này bao gồm bán kính a của đĩa, độ cầu thực tế chỉ cần chặn tín hiệu điện từ tại một dải tần số dày h của lớp thủy tinh và khoảng cách hgap giữa hai lớp. nhất định như dải tần viễn thông (2G/3G/4G) hoặc chỉ dải Hình 2 biểu diễn mối quan hệ giữa bán kính a của đĩa tới tần ISM (Wi-Fi/Zigbee/Bluetooth). Một ví dụ điển hình là tần số cộng hưởng của mạch, mối quan hệ giữa độ dày h của nhu cầu truyền tin không dây trong công nghiệp mặc dù cao lớp thủy tinh và tỉ lệ công suất truyền qua nhỏ nhất, khoảng nhưng do yêu cầu đảm bảo bảo mật thông tin và hạn chế tấn cách hgap giữa hai lớp với độ rộng dải chắn của cấu trúc. Với công mạng khiến cho truyền tin không dây không được sử cấu trúc vật liệu meta dạng đĩa, tần số cộng hưởng phụ thuộc dụng nhiều. chủ yếu vào bán kính, bán kính càng lớn thì tần số cộng Để đáp ứng nhu cầu về một thiết bị chắn sóng vô tuyến có hưởng càng giảm. Điều này là do điện dung và độ tự cảm chọn lọc tần số như đã nêu trên, trong nghiên cứu này, chúng tương đương của hai đĩa tròn đặt song song đều tỉ lệ thuận tôi đề xuất một thiết kế ứng cửa sổ chặn sóng chọn lọc tần số. với bán kính của đĩa, do đó tần số cộng hưởng sẽ tỉ lệ nghịch Cấu tạo không chỉ từ thủy tinh như những cửa sổ thông với a. Thông số này được lựa chọn a = 15 mm để tần số cộng thường khác, mà còn từ FTO được ăn mòn và tạo hình để tạo hưởng rơi vào đúng 2.45 GHz. nên một bộ lọc chắn dải dựa trên nguyên lý của vật liệu meta Khi bán kính của đĩa đã được cố định, lần lượt p và h được trong suốt, cửa sổ này có thể chặn sóng Wi-Fi ở dải tần số nghiên cứu để lựa chọn. Tần số cộng hưởng không bị thay 2.4 GHz đến 2.5 GHz trong khi vẫn cho tín hiệu sóng điện từ đổi nhiều khi hai thông số này thay đổi, tuy nhiên tỉ lệ công ở các tần số khác truyền qua. 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 II. THIẾT KẾ CỬA SỔ CHẮN SÓNG WI-FI điện và điện cảm tương đương, cho nên giá trị của h có ảnh Cửa sổ chắn sóng dựa trên công nghệ vật liệu meta được hưởng đến trở kháng. Còn thông số p là khoảng cách giữa cấu tạo từ hai lớp thủy tinh, ngăn cách với nhau bởi một lớp các đĩa liền kề, p không ảnh hưởng tới điện cảm và điện không khí giống như những loại cửa sổ cách nhiệt thường dung tương đương của cấu trúc đĩa nhưng tỷ lệ nghịch với thấy. Mỗi lớp thủy tinh được phủ FTO, tạo hình thành các điện cảm và điện dung tương hỗ giữa hai đĩa liền kề. Khi p 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO rất ổn định, trong khi ở các tần số bên ngoài, độ truyền qua có sự thay đổi, tăng lên ở mode TM và giảm đi ở mode TE. [1] RF film windows product, Signals Defense LLC, USA Điều này cho thấy cửa sổ vẫn có thể chặn sóng Wi-Fi rất tốt https://www.signalsdefense.com/ với các góc tới khác nhau tương ứng với thực tế. [2] Window Film Blocks Radio Frequency (RF) Radiation Products, Scottish Window Tinting Company, https://www.scottishwindowtinting.com/ [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. (a) Lievens, and V. D. Lam, ‘Broadband Negative 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