Ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình một lớp băng rộng

Bài viết Ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình một lớp băng rộng đề xuất một ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình 16 x 16 phần tử. Ăng-ten có cấu trúc đơn giản, chỉ sử dụng một lớp chất nền. Pha 1 bit của các phần tử trong ăngten được điều khiển bởi các đi-ốt PIN. Kết quả mô phỏng cho thấy: ăng-ten có độ lợi lớn nhất đạt 22,7 dBi, băng thông 1-dB đạt 12 % và khả năng quét búp sóng trong phạm vi ± 50°. Với các tính năng đã đạt được, ăng-ten đề xuất có tiềm năng ứng dụng cho các hệ thống thông tin vệ tinh thế hệ mới, hệ thống ra-đa. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Ăng-ten Mảng Phản Xạ Tái Cấu Hình Một Lớp Băng Rộng Hồng Đăng Cường1, Nguyễn Xn Sơn1, Lê Minh Thùy2*, Hồng Đình Thuyên1, Nguyễn Quốc Định1, Nguyễn Hồng Minh3 Khoa Vô Tuyến Điện tử, Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 2, Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, BQP E-mail: cuongtdc2@gmail.com, thuy.leminh@hust.edu.vn, thuyenhd@mta.edu.vn, dinhnq@lqdtu.edu.vn, hongminh051003@gmail.com phần tử lượng tử hóa thành pha rời rạc chúng điều khiển để thay đổi trạng thái nhờ phần tử tích cực Ăng-ten MPXTCH sử dụng cho hệ thống thơng tin vô tuyến đại hệ hệ thống thông tin vệ tinh [6] phục vụ cho phương tiện di chuyển, hệ thống không dây hệ WiGig [7], ra-đa [8] mạng di động 5G [9] Gần đây, bề mặt phản xạ thông minh (IRIS hay RIS) đề xuất để ứng dụng cho mạng 6G [10, 11] Nguyên lý hoạt động bề mặt giống ăngten MPXTCH Tuy nhiên, khơng dùng ăng-ten loa làm nguồn cấp mà nhận tín hiệu từ trạm phát gốc Để tái cấu hình phần tử ăng-ten, người ta thường dùng linh kiện bán dẫn đi-ốt PIN, điốt biến dung vật liệu khác chuyển mạch MEMs (Micro-Electro-Mechanical systems), graphen tinh thể lỏng Trong đó, chuyển mạch MEMs, đi-ốt biến dung đi-ốt PIN sử dụng thường xuyên Chuyển mạch MEMs có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, hệ số suy hao thấp cơng suất tiêu hao nhỏ Mặc dù vậy, phần tử không phổ biến so với đi-ốt biến dung đi-ốt PIN có chi phí chế tạo cao số lượng nhà máy gia cơng chuyển mạch Đi-ốt biến dung linh kiện có sẵn thị trường tạo thay đổi pha mịn mạch điều khiển cho loại đi-ốt phức tạp chi phí cao Đi-ốt PIN linh kiện phổ biến để dịch pha phần tử chúng có giá thành rẻ, đa dạng, có sẵn thị trường mạch điều khiển chúng đơn giản Việc số hóa pha phản xạ làm băng thơng ăngten MPXTCH rộng ăng-ten MPX, độ lợi giảm mức búp sóng phụ tăng lên [12] Tuy nhiên, thực tế, băng thông ăng-ten MPXTCH không đạt lý thuyết bị ảnh hưởng hai thành phần: cấu trúc ăng-ten MPXTCH băng thông phần tử Giống ăng-ten MPX, băng thông ăng-ten bị ảnh hưởng hiệu ứng góc nghiên cấu trúc cấp nguồn ăng-ten loa tạo Vì đặc tính chất ăng-ten MPXTCH nên khó cải thiện Do đó, thơng thường, để cải thiện băng thông ăng-ten này, người ta thường cải tiến băng thông phần tử Nếu phần tử có băng thơng rộng trường hợp góc tới nghiêng Abstract— Trong báo này, tác giả đề xuất ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình 16 x 16 phần tử Ăng-ten có cấu trúc đơn giản, sử dụng lớp chất Pha bit phần tử ăngten điều khiển đi-ốt PIN Kết mơ cho thấy: ăng-ten có độ lợi lớn đạt 22,7 dBi, băng thông 1-dB đạt 12 % khả quét búp sóng phạm vi ± 50o Với tính đạt được, ăng-ten đề xuất có tiềm ứng dụng cho hệ thống thơng tin vệ tinh hệ mới, hệ thống ra-đa Keywords- ăng-ten mảng phản xạ, tái cấu hình, băng rộng, bit, đi-ốt PIN I GIỚI THIỆU Ăng-ten mảng phản xạ (MPX) xem kết hợp ăng-ten gương ăng-ten mảng pha cấu trúc hình học giống ăng-ten gương bề mặt gương lại thay nhiều phần tử phản xạ với giá trị pha khác Ăng-ten có nhiều ưu điểm vượt trội ăng-ten gương chi phí thấp, trọng lượng nhỏ, cấu trúc phẳng dễ chế tạo mảng ăng-ten làm từ mạch in So với ăng-ten mảng pha, có nhiều lợi thế, đặc biệt suy hao chi phí Kiểu cấp nguồn qua khơng khí có suy hao thấp so với mạng cấp nguồn mạch vi dải ăng-ten mảng pha Hơn nữa, ăng-ten không sử dụng khuếch đại, trộn tín hiệu tần số cao, chuyển đổi tương tự sang số chuyển đổi số sang tương tự Nhờ vậy, có cấu trúc đơn giản hơn, chi phí thấp có tiềm ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh [1], ra-đa [2], hệ thống vi ba 5G [3] Băng thông ăng-ten MPX khoảng % kế thừa đặc tính ăng-ten vi dải [4] Trong năm gần đây, tính nghiên cứu cải tiến nhiều nên băng thông 1-dB đạt đến 33,52 % [5] Ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình (MPXTCH) biến thể ăng-ten MPX Nó có khả điều hướng búp sóng (beamforming) cách thay đổi pha phần tử mảng Thông thường, pha ISBN 978-604-80-7468-5 66 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) ăng-ten MPXTCH đạt băng thơng rộng Tuy nhiên, phần tử tái cấu hình có cấu trúc phụ để lắp đặt linh kiện tích cực cấu trúc cấp nguồn nên chúng tạo nhiều tham số ký sinh suy hao Do vậy, băng thông phần tử bị giảm đáng kể khó cải thiện Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung cải thiện băng thông phần tử MPXTCH Nghiên cứu [16] thiết kế phần tử MPXTCH sử dụng phương pháp dây chêm hai đi-ốt PIN Phần tử đạt băng thông 10,5 %, từ 13,5 GHz đến 15,0 GHz cho dải pha 180o ± 20o Tuy nhiên, nghiên cứu không chế tạo mảng Một nghiên cứu khác đề xuất phần tử băng rộng sử dụng đi-ốt PIN để kết nối hai ăngten vi dải hình chữ nhật [13] Cấu trúc không sử dụng đường dây chêm mà xem đi-ốt PIN thành phần cộng hưởng Pha phần tử thay đổi 180o cách “tắt/mở” đi-ốt PIN để thay đổi tham số cộng hưởng phần tử Băng thông dịch pha 180o ± 20o phần tử đạt 12 % tần số GHz Ăngten mảng (12 x 12 phần tử) chế tạo từ phần tử có khả thay đổi búp sóng phạm vi ± 50o với độ lợi cực đại đạt 19,22 dBi băng thông -1 dB đạt 8,4 % Tài liệu [14] trình bày phần tử có cấu trúc phức tạp Phần tử sử dụng lớp đi-ốt PIN để chuyển đổi phân cực, cách ly DC (một chiều) phối hợp trở kháng Phần tử mở rộng băng thông đến gần 20 % tần số 13,25 GHz Mảng (10 x 10 phần tử) có khả quét búp sóng phạm vi ± 40o với độ lợi tốt đạt 16,5 dBi băng thông không công bố Gần đây, tài liệu [15] đề xuất phần tử, sử dụng cấu trúc kiểu “microstrip-slot-microstrip” hai đi-ốt PIN làm dịch pha Băng thông phần tử cải thiện đáng kể, đạt 20,8 %, từ 11,6 GHz đến 14,3 GHz Ăngten mảng (16 x 16 phần tử) có độ lợi cực đại đạt 20,5 dBi (hiệu suất đạt 15,4 %), băng thông 1-dB đạt 15,4 % khả quét phạm vi ± 50o Cho đến nay, băng thông ăng-ten MPXTCH thấp ăng-ten MPX, cụ thể, băng thông 1-dB nhỏ 23 % [16] so với khoảng 33,52 % [5] Do đó, việc cải tiến băng thơng cho ăng-ten MPXTCH cần thiết, nhằm đáp ứng nhu cầu tốc độ liệu hệ thống mạng 5G, 6G, hệ thống thông tin vệ tinh, hệ thống không dây nhà hệ Mặc dù ăng-ten MPXTCH ăng-ten tiềm nhược điểm chi phí chế tạo cao thường sử dụng PCB nhiều lớp số lượng lớn đi-ốt PIN, cỡ từ vài trăm tới vài nghìn Hầu hết ăng-ten sử dụng nhiều hai lớp chất chúng cần lớp để điều khiển phần tử tích cực Cấu trúc mạch in ghép từ nhiều chất khác gây không đồng cấu trúc PCB, suy hao dịch pha không mong muốn Hơn nữa, cấu trúc khơng bền theo thời gian lớp chất khác có hệ số giãn nở theo nhiệt độ khác [17] Trong báo này, tác giả đề xuất ăng-ten MPXTCH băng rộng bit sử dụng đi-ốt PIN Ăng- ISBN 978-604-80-7468-5 ten sử dụng lớp chất đi-ốt PIN giá rẻ để tiết kiệm chi phí tăng độ ổn định ăng-ten Phần lại báo tổ chức sau: Phần II trình bày nguyên lý hoạt động ăng-ten MPXTCH Phần III trình bày cấu trúc phần tử ăngten tính Phần IV cấu trúc kết mơ tồn ăng-ten bao gồm ăngten loa mảng Phần IV kết luận báo II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĂNG-TEN MẢNG PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH Cấu trúc ăng-ten MPXTCH tương tự ăng-ten MPX (Hình 1) gồm có: ăng-ten cấp nguồn (thường ăng-ten loa) mảng phản xạ Mảng phản xạ (kích thước D) bao gồm nhiều phần tử phản xạ Mỗi phần tử nhận lượng trường điện từ nguồn cấp, cộng hưởng với tín hiệu nhận phản xạ ngược lại với giá trị pha biên độ Để tạo búp sóng hướng đó, pha phần tử mảng cần tạo giá trị đồng pha hướng đó, tương tự nguyên lý ăng-ten mảng pha Cụ thể, để tạo búp sóng hướng (b, b), pha phần tử mảng có giá trị công thức (1) [18]:  ( xi , yi ) = k0 ( Ri − sin  b cos b xi − sin  b sin b yi ) + 0 (1) Trong  (xi, yi) pha phần tử thứ i tạo búp sóng hướng (b, b); k0 số sóng tần số trung tâm; Ri khoảng cách từ tâm pha ăng-ten loa đến phần tử thứ i; 0 pha ban đầu Đối với ăng-ten MPX (chỉ phát xạ hướng cố định), pha phần tử cố định tạo cách thay đổi kích thước phần tử thay đổi độ dài dây chêm quay phần tử Đối với ăng-ten MPXTCH, để tạo búp sóng hướng khác nhau, pha phần tử khác Tuy nhiên, để dễ thiết kế điều khiển, pha phần tử thường lượng tử hóa thành trạng thái pha rời rạc Trong hầu hết nghiên cứu gần đây, số pha phần tử MPX lượng tử hóa thành hai (0o 180o) bốn (0o, 90o, 180o 270o) chúng điều khiển bit bit tương ứng Ví dụ, dùng bit để điều khiển pha phần tử, pha Nguồn cấp Tâm pha Hướng búp sóng z Ri H y D θb θ0 x φb (xi, yi) xh Hình Cấu trúc tham số hình học ăng-ten mảng phản xạ 67 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) chúng lượng tử thành hai trạng thái 0o 180o công thức (2)  0o , −90o   ( xi , yi )  90o (2)  ( xi , yi ) =  o o o 180 ,90   ( xi , yi )  270 III số điện môi 2,2 độ dày 3,175 mm sử dụng để thiết kế phần tử Kích thước chi tiết cấu trúc trình bày Bảng Phần tử gồm có hai lớp đồng Lớp đồng bao gồm bốn mạch vi dải hình chữ nhật xẻ khe thành phần cộng hưởng Bốn đi-ốt PIN đặt để kết nối cặp mạch vi dải theo hai hướng x y Các đi-ốt đóng vai trị phần tử tích cực, dùng để tái cấu hình phần tử Các đi-ốt “tắt/mở” thay đổi tham số cộng hưởng phần tử, tạo hai trạng thái pha phản xạ lệch 180o Trong thực tế, đi-ốt “mở” cấp nguồn điện áp khoảng 0,84 V (dòng điện khoảng mA) chúng “tắt” cấp nguồn điện áp -12 V Các khe giúp cố định vị trí đi-ốt PIN, đồng thời chúng đóng vai trò yếu tố cho phép thay đổi để đạt băng thông rộng mong muốn Lớp đất xẻ rãnh xung quanh lỗ mạ (via), tạo bốn mạch vi dải chúng hàn để kết nối với hai dây DC hai dây GND để điều khiển bốn đi-ốt PIN Lớp đất lớp phản xạ phần tử bị xẻ rãnh nên lớp khơng phản xạ hồn tồn lượng điện từ trường Vì thế, bốn tụ điện 27 pF kết nối ăng-ten vi dải với khu vực cịn lại để đóng đường tín hiệu RF (cao tần) qua để tạo thành lớp hoàn hảo Ưu điểm phương pháp cấp nguồn DC tạo cách ly cao tín hiệu DC RF so với cấu trúc khác [16] Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động phần tử, tác giả mơ hình phần tử hai mạch điện tương đương với hai trạng thái “tắt” “mở” Hình Lớp đồng phần tử ăng-ten có ăng-ten vi dải trình bày Mỗi ăng-ten vi dải mơ hình hóa cuộn cảm Lp nối tiếp với tụ điện Cp Mỗi ăng-ten vi dải kết nối với lớp đất lỗ mạ để điều khiển đi-ốt PIN Mỗi lỗ mạ mơ hình hóa cuộn cảm Lv, song song với mạch mơ hình phần tử vi dải Mỗi phần tử có hai cặp ăng-ten vi dải Mỗi cặp ăng-ten vi dải liên kết với đi-ốt PIN theo hai hướng x y Do vậy, trạng thái “tắt/mở” đi-ốt thay đổi, cấu trúc mạch cộng hưởng bị thay đổi, làm tần số cộng hưởng pha phản xạ phần tử bị thay đổi tương ứng 180o Vì hai cặp ăng-ten vi dải giống nên tác giả mơ hình hóa cặp Mỗi cặp ăng-ten mơ hình hóa thành hai mạch điện Hình 4a 4b, tương ứng cho trạng thái “tắt” “mở” Lưu ý, hai mạch mơ hình phần tử với trường điện từ tuyến tính với véc-tơ điện trường theo trục x Hình Do đó, liên kết tương hỗ (mutual coupling) hai ăng-ten vi dải theo hướng trục y nhỏ nên bỏ qua khơng đưa vào mơ hình hóa Phần tử mơ phương pháp chu kỳ (periodic method) với nguồn kích thích sóng phẳng từ cổng Floquet Các hệ số phản xạ, truyền qua pha phản xạ phần tử vẽ Hình Vì phần tử đề xuất có cấu trúc đối xứng nên phân cực theo PHẦN TỬ PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH Phần tử MPXTCH thiết kế với bốn đi-ốt PIN từ hãng Skywork SMP1340-040 Đi-ốt có ưu điểm giá rẻ chúng có suy hao lớn phi tuyến so với đi-ốt PIN từ hãng MACOM Mơ hình đi-ốt (Hình 2) xác định phương pháp TRL nhờ ống dẫn sóng [19] với giá trị sau: ROFF = Ω, Cd = 0,125 pF, Ld = 122 pH RON = 2,5 Ω Cấu trúc phần tử ăng-ten trình bày Hình Kích thước phần tử 12 mm x 12 mm, nhỏ nửa bước sóng tần số trung tâm (12 GHz) Chỉ lớp chất Duroid RT5880 với a 12 Bảng Kích thước cụ thể phần tử h ld lv g s w1 3,175 0,95 0,85 0,12 0,15 0,6 l Ld Cd w2 0,3 Đơn vị: mm ROFF (Tắt) Ld RON (Mở) Hình Mạch tương đương đi-ốt PIN y z ld Đi-ốt PIN x lv a Đi-ốt PIN h l w2 w1 (b) g Tụ DC GND Mặt đất (a) s DC GND (c) Hình Mơ hình phần tử: (a) Mơ hình 3D; (b) Mặt trên; (c) mặt Lp 125 fF 122 pH Cp Lp 5W Đi-ốt PIN (Tắt) Lv Lv Cp (a) Lp Cp 122 pH Lv Lp 2.5 W Đi-ốt PIN (Mở) Cp Lv (b) Hình Mạch tương đương phần tử: (a) Đi-ốt tắt; (b) Đi-ốt mở ISBN 978-604-80-7468-5 68 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) PHÂN CỰC Y (a) -2 Co-Pol (0) Co-Pol (1) Co-Pol_Trans (0) Co-Pol_Trans (1) -2.5 -3 10 80 11 12 13 Tần số [GHz] X-Pol (0) X-Pol (1) 14 -90 -80 -160 (b) 200 -240 -320 Pha (0) Pha (1) 160 140 -60 -0.8 -80 (c) -1.2 -1.6 -2.4 15 180 -0.4 -2 Co-Pol (0) Co-Pol (1) 10 80 -120 Co_Pol_Trans.(0) Co_Pol_Trans.(1) -140 -160 15 14 210 Độ lệch pha -80 165 (d) -240 -320 195 180 -160 -400 120 15 -100 X-Pol (0) X-Pol (1) 11 12 13 Tần số [GHz] Pha phản xạ [°] Pha phản xạ [°] -80 Độ lệch pha -400 -70 -40 ||(X-Pol), |T|(Co-Pol) [dB] -60 -1.5 150 135 Pha (0) Pha (1) Độ lệch pha [°] -50 -1 Độ lệch pha [°] || (Co-Pol) [dB] -0.5 || (Co-Pol) [dB] -40 ||(X-Pol), |T|(Co-Pol) [dB] LHCP 120 -480 105 11 12 13 14 10 11 12 13 14 15 Tần số (GHz) Tần số [GHz] Hình Kết mô phần tử nguồn kích thích sóng phẳng: Hệ số phản xạ, hệ số truyền qua (trans) (a), pha phản xạ (b) phân cực hướng y; Hệ số phản xạ, hệ số truyền qua (trans) (c), pha phản xạ (d) phân cực LHCP 0: Đi-ốt PIN “tắt”; 1: Đi-ốt PIN “mở” 10 192 mm Ăng-ten cấp nguồn ăng-ten loa có độ lợi khoảng 14 dBi tần số trung tâm (12 GHz) Ăng-ten MPXTCH sử dụng kiểu cấp nguồn lệch trục để tránh hiệu ứng che khuất [20] Ăng-ten loa đặt tọa độ (xh; y; H) = (-120; 0; 156,6) Trục ăngten loa đến gốc tọa độ tạo với trục z góc θo = 28° Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng bit để tái cấu hình phần tử nên để điều hướng búp sóng ăng-ten, pha phần tử mảng phản xạ điều khiển cách “tắt” “mở” đồng thời bốn đi-ốt PIN phần tử, tương ứng với hai trạng thái pha “0°” “180°” Phân bố pha phần tử ăng-ten tính tốn theo cơng thức (1) chúng lượng tử hóa thành hai pha hai trạng thái pha cơng thức (2) Hình ví dụ phân bố pha mảng phản xạ búp sóng điều khiển để tạo búp sóng tại hướng (b, b) = (0°, 10°) Sau thiết kế, ăng-ten mô để xác định đặc trưng xạ Đồ thị xạ thiết lập búp sóng hướng (b, b) = (90°, 0°) tần số 12 GHz minh họa Hình Độ lợi lớn tần số trung tâm (12 GHz) 22,5 dBi Do ảnh hưởng hiệu ứng che khuất ăng-ten loa cấp hướng x y không khác nhiều thế, tác giả trình bày kết mơ phân cực trịn bên trái (LHCP) phân cực y đại diện cho phân cực trịn phân cực tuyến tính Các kết mơ phân cực y trình bày Hình 5a 5b, kết phân cực LHCP trình bày Hình 5c 5d Hình cho thấy: phần tử có tính phản xạ tốt hai phân cực Cụ thể, băng thông theo độ dịch pha 180o ± 20o phân cực tuyến tính 40,6 % (từ 9,2 GHz đến 13,9 GHz) 33,8 % phân cực LHCP (từ 9,26 GHz đến 13,03 GHz) Trong băng tần đó, hệ số phản xạ phân cực y phân cực LHCP lớn -1,7 dB -1,4 dB cho hai trạng thái “tắt” “mở” Hệ số phản xạ trung bình cho trạng thái “tắt” “mở” từ -0,6 dB đến -1 dB cho hai phân cực Từ kết mơ này, ước tính hiệu suất xạ trung bình phần tử đạt khoảng 90 % cho trạng thái “tắt” “mở” Độ lệch hệ số phản xạ trung bình băng tần khoảng 0,4 dB Với kết này, phần tử đề xuất sử dụng để thiết kế ăng-ten MPXTCH băng thông rộng Hơn nữa, hệ số phản xạ phân cực chéo hệ số truyền qua nhỏ -40 dB hai phân cực Đây kết tốt phần tử sử dụng loại đi-ốt PIN giá rẻ cấu trúc lớp với chi phí chế tạo thấp so với cấu trúc nhiều lớp dải tần số hoạt động lên đến 13,9 GHz IV 0o 180o ĂNG-TEN MẢNG PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH Dựa cấu trúc ăng-ten Hình 1, tác giả sử dụng phần tử đề xuất để thiết kế ăng-ten MPXTCH (16 x 16 phần tử) với kích thước mặt mở 192 mm x ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Trạng thái pha phần tử mảng hướng búp sóng thiết lập (b, b) = (90°, 10°) 69 25 co-pol x-pol 22,5 20 20 15 17,5 10 Độ lợi (YOZ, theta=0) -60 -40 -20 20 Theta [o] 40 60 80 15 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 Tần số (GHz) Hình Độ lợi ăng-ten góc cố định (φ = 90o, θ = 0o) hiệu suất mặt mở theo tần số 100 Hình Đồ thị phát xạ ăng-ten thiết lập hướng búp sóng góc (φ = 90o, θ = 0o) tần số trung tâm 12 GHz 25 25 20 15 25 20 20 15 17,5 10 Độ lợi tốt 10 Độ lợi [dBi] 22,5 Hiệu suất mặt mở [%] H suất M mở Độ lợi [dB] 25 H suất M mở -5 -20 -25 -100 -80 -60 -40 -20 20 Theta [o] 40 60 80 100 Hình 10 Giản đồ phát xạ góc mặt phẳng YOZ Bảng Đặc tính búp sóng tần số 12 GHz Mức búp Mức phân Sai Theta Độ lợi sóng phụ cực chéo số góc (°) (dBi) (dB) (dB) (°) -50 19,5 -14,0 -20,0 0,8 -40 20,5 -15,2 -18,8 0,6 -30 21,3 -16,6 -21,8 -20 21,5 -15,5 -23,3 -10 22,1 -18,3 -27,9 0 22,5 -17,3 -27,0 10 22,2 -18,7 -27,7 20 21,9 -15,7 -24,4 0,5 30 20,8 -17,8 -21,2 40 20,4 -15,2 -19,3 0,6 50 19,4 -14,5 -19,9 0,4 nguồn sai pha số hóa nên mức búp sóng phụ nhỏ -17 dB Mức phân cực chéo tần số đạt tốt, nhỏ -27 dB, phần tử có hệ số cách ly phân cực tốt phần III Độ lợi hiệu suất mặt mở cực đại ăng-ten tần số băng tần trình bày Hình Kết cho thấy ăng-ten có độ lợi tốt đạt 22,7 dBi tần số 14 GHz hiệu suất cực đại đạt 24 % 12 GHz Độ lợi ăng-ten đồng với độ lệch nhỏ 2,5 dB Băng thông 1-dB theo độ lợi tốt đạt 16 %, từ 12 GHz đến 14,5 GHz, băng thông 3-dB theo độ lợi tốt đạt 32 %, từ 10,5 GHz đến 14,5 GHz Hiệu suất mặt mở ăng-ten tính theo công thức (3) [21]: 0,8o, mức phân cực chéo tốt, nhỏ -18,8 dB Độ lợi góc chênh lệch khoảng 3,1 dB Mức búp sóng phụ ln thấp -14 dB Đây kết tốt ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình bit Bảng trình bày so sánh ăng-ten đề xuất với kết nghiên cứu gần sử dụng đi-ốt PIN Kết cho thấy ăng-ten có cải tiến đáng kể băng thông so với nghiên cứu [13, 22] Tuy nhiên, băng thông 1-dB thấp nghiên cứu vừa công bố năm 2021 [15] 2022 [16] Bù lại, độ lợi ăng-ten đạt cao hiệu suất mặt mở thấp nghiên cứu [16] Đây kết tốt ăng-ten MPXTCH sử dụng đi-ốt PIN SMP1340-040 từ hãng skywork với chi phí thấp phi tuyến so với đi-ốt PIN MADP-0090714020 từ hãng MACOM Các kết đạt nhờ phần tử ăng-ten có độ dày lớn Điều giúp phần tử tạo pha (3) Trong G độ lợi ăng-ten, λ bước sóng, A diện tích mặt mở Tại góc cố định, tượng sai pha theo tần số hiệu ứng che khuất, dẫn đến thay đổi góc búp sóng theo tần số làm giảm băng thơng góc cố định Hình Cụ thể, băng thơng độ lợi 3-dB góc (φ = 90o, θ = 0o) ăng-ten đạt 16 % (11, GHz đến 13,5 GHz) Băng thông 1-dB đạt khoảng 12 % từ 11,5 GHz đến 13 GHz giảm % đáng kể so với băng thông theo độ lợi cực đại Ăng-ten có khả điều chỉnh hướng búp sóng phạm vi ± 50o mặt phẳng YOZ Hình 10 Kết cụ thể đồ thị phát xạ góc (Bảng 2) cho thấy ăng-ten có sai số góc nhỏ ISBN 978-604-80-7468-5 =0  = 10  = 20  = 30  = 40  = 50 -15 Hình 8: Độ lợi hiệu suất mặt mở tốt G 4 A  = − 50  = − 40  = − 30  = − 20  = −10 -10 15 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 Tần số [GHz] a = Hiệu suất mặt mở [%] 25 20 15 10 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -100 -80 Độ lợi [dB] Độ lợi [dBi] Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) 70 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Bảng So sánh ăng-ten đề xuất với nghiên cứu liên quan sử dụng đi-ốt PIN Tài liệu/năm Tần số (GHz) Số lớp chất Loại đi-ốt PIN Độ dày (mm) Số phần tử Độ lợi cực đại (dBi) Hiệu suất mặt mở (%) 1-dB BW (%) Góc quét (o) [22]/2016 12,5 MADP-0090714020 2,08 10 x 10 17,5 17,9 Không công bố ± 50o [13]/2019 5,0 SMP-1340-040 2,7 16 x 16 19,22 15,26 8,4 ± 50o [15]/2021 12,5 MADP-0090714020 3,357 16 x 16 20,5 15,4 15,4 ± 50o phản xạ tuyến tính Hơn nữa, cấu trúc phần tử cộng hưởng chính, cấu trúc gắn đi-ốt, cấp nguồn, cách ly điều khiển thiết kế hợp lý tạo phần tử có độ dịch pha 180o hệ số phản xạ tốt băng tần rộng Ngoài ra, cấu trúc sử dụng lớp chất góp phần làm giảm suy hao, giúp ăng-ten đạt độ lợi tốt [8] [9] [10] V KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả đề xuất phần tử ăng-ten MPXTCH sử dụng lớp chất bốn đi-ốt PIN giá rẻ Phần tử đạt băng thông dịch pha 180o ± 20o đến 40,6 % Một mảng ăng-ten (16 x16) sử dụng phần tử thiết kế mô Kết cho thấy ăng-ten có độ lợi đạt 22,7 dbi 13 GHz băng thông 1-dB đạt 12 % Ăng-ten có khả quét búp sóng phạm vi ± 50o với sai số góc nhỏ 0,8o Với kết vậy, ăng-ten sử dụng cho hệ thống ra-đa, thông tin vệ tinh tiên tiến, có yêu cầu quét búp sóng [11] [12] [13] [14] [15] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] J H Yoon, Y J Yoon, W.-s Lee, and J.-h So, "Square ring element reflectarrays with improved radiation characteristics by reducing reflection phase sensitivity," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 63, no 2, pp 814-818, 2014 C Waldschmidt, J Hasch, and W J I J o M Menzel, "Automotive radar—From first efforts to future systems," vol 1, no 1, pp 135-148, 2021 S Costanzo, F Venneri, A Borgia, and G Di Massa, "A Single-Layer Dual-Band Reflectarray Cell for 5G Communication Systems," International Journal of Antennas and Propagation, vol 2019, p 9479010, 2019 J Huang, "Bandwidth study of microstrip reflectarray and a novel phased reflectarray concept," in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1995 Digest, vol 1, pp 582-585 J H Yoon, Y J Yoon, W.-s Lee, and J.-h So, "Broadband microstrip reflectarray with five parallel dipole elements," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 14, pp 1109-1112, 2015 F Wu, R Lu, J Wang, Z H Jiang, W Hong, and K.-M Luk, "A Circularly Polarized 1-Bit Electronically Reconfigurable Reflectarray Based on Electromagnetic Element Rotation," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pp 55855595, 2021 H Kamoda, T Iwasaki, J Tsumochi, T Kuki, O J I T o A Hashimoto, and Propagation, "60-GHz electronically ISBN 978-604-80-7468-5 [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] 71 [16]/2022 15,0 MADP-0090714020 2,54 16 x 16 21,6 25 22,5 ± 60o Nghiên cứu 12,0 SMP-1340-040 3,175 16 x 16 22,7 24 12 ± 50o reconfigurable large reflectarray using single-bit phase shifters," vol 59, no 7, pp 2524-2531, 2011 S.-G Lee, Y.-H Nam, Y Kim, J Kim, and J.-H Lee, "A Wide-Angle and High-Efficiency Reconfigurable Reflectarray Antenna Based on a Miniaturized Radiating Element," IEEE Access, vol 10, pp 103223-103229, 2022 L Dai et al., "Reconfigurable intelligent surface-based wireless communications: Antenna design, prototyping, and experimental results," IEEE Access, vol 8, pp 45913-45923, 2020 Y Liu et al., "Evolution of NOMA Toward Next Generation Multiple Access (NGMA) for 6G," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 40, pp 1037-1071, 2022 Z Zhang et al., "Active RIS vs passive RIS: Which will prevail in 6G?," arXiv preprint arXiv:2103.15154, 2021 D Pozar, "Bandwidth of reflectarrays," Electronics Letters, vol 39, no 21, pp 1490-1491, 2003 J Han, L Li, G Liu, Z Wu, Y J I A Shi, and W P Letters, "A wideband bit 12× 12 reconfigurable beam-scanning reflectarray: design, fabrication, and measurement," vol 18, no 6, pp 1268-1272, 2019 M.-T Zhang et al., "Design of novel reconfigurable reflectarrays with single-bit phase resolution for Ku-band satellite antenna applications," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 64, no 5, pp 1634-1641, 2016 B Xi, Y Xiao, K Zhu, Y Liu, H Sun, and Z Chen, "1-Bit Wideband Reconfigurable Reflectarray Design in Ku-Band," IEEE Access, vol 10, pp 4340-4348, 2021 S.-G Zhou et al., "A Wideband 1-Bit Reconfigurable Reflectarray Antenna at Ku Band," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2021 R R Hornung and J C Frankosky, "Microwave laminate material considerations for multilayer applications," in 2007 European Microwave Conference, 2007, pp 1425-1428: IEEE H D Cuong, M.-T Le, and N Q Dinh, "A Reflectarray Antenna Using Crosses and Square Rings for 5G MillimeterWave Application," in 2020 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2020, pp 126-130: IEEE V Niculae and U Pisani, "TRL calibration kit for characterizing waveguide-embedded microstrip circuits at millimeter-wave frequencies," in IMTC/2002 Proceedings of the 19th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference (IEEE Cat No 00CH37276), 2002, vol 2, pp 1349-1354: IEEE P Nayeri, F Yang, and A Z Elsherbeni, "Reflectarray antennas: theory, designs, and applications," 2018 B Xi, Y Xiao, K Zhu, Y Liu, H Sun, and Z J I A Chen, "1-Bit wideband reconfigurable reflectarray design in kuband," vol 10, pp 4340-4348, 2021 H Yang et al., "A 1-Bit 10 x10 Reconfigurable Reflectarray Antenna: Design, Optimization, and Experiment," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 64, no 6, pp 2246-2254, 2016  ... PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH Cấu trúc ăng-ten MPXTCH tương tự ăng-ten MPX (Hình 1) gồm có: ăng-ten cấp nguồn (thường ăng-ten loa) mảng phản xạ Mảng phản xạ (kích thước D) bao gồm nhiều phần tử phản xạ Mỗi... cấu trúc nhiều lớp dải tần số hoạt động lên đến 13,9 GHz IV 0o 180o ĂNG-TEN MẢNG PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH Dựa cấu trúc ăng-ten Hình 1, tác giả sử dụng phần tử đề xuất để thiết kế ăng-ten MPXTCH (16... -14 dB Đây kết tốt ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình bit Bảng trình bày so sánh ăng-ten đề xuất với kết nghiên cứu gần sử dụng đi-ốt PIN Kết cho thấy ăng-ten có cải tiến đáng kể băng thơng so với