Nghiên cứu thiết kế anten cho hệ thống thông tin vô tuyến song công toàn phần

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu thiết kế anten cho hệ thống thơng tin vơ tuyến song cơng tồn phần LÊ NGỌC TIẾN Tien.LN211248M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Viễn thông Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Sơn Xuất Chữ ký GVHD Trường: Điện - Điện tử Hà Nội, 01/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lê Ngọc Tiến Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế anten cho hệ thống vơ tuyến song cơng tồn phần băng tần Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số học viên: 20211248M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 06/01/2023 với nội dung sau: • Bổ sung rõ đặc tính phân cực kép mục 2.1.1 • Thay đổi cách vẽ đồ thị xạ 2D hình 2.20, hình 2.21 • Thay đổi thuật ngữ "chuyển đổi xuống" thành "chuyển tần xuống" Ngày .tháng .năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Chủ tịch hội đồng ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên học viên: Lê Ngọc Tiến Mã số học viên: 20211248M Khóa: CH2021B Trường: Điện - Điện tử Ngành: Kỹ thuật viễn thông Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế anten cho hệ thống vơ tuyến song cơng tồn phần băng tần Họ tên cán hướng dẫn: TS Tạ Sơn Xuất Ngày giao đề tài luận văn: Ngày hoàn thành luận văn: Hà Nội, ngày .tháng .năm Cán hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) Học viên hoàn thành nộp luận văn ngày tháng năm Người duyệt Học viên (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học tập thể nghiên cứu, không chép nguyên từ cơng trình nghiên cứu hay luận văn tác giả khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Hà Nội, ngày .tháng .năm Học viên thực Lê Ngọc Tiến LỜI CẢM ƠN Trước hết xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS Tạ Sơn Xuất, người thầy hướng dẫn trực tiếp mặt khoa học, đồng thời hỗ trợ nhiều mặt để tơi hồn thành luận văn Qua đây, xin cảm ơn thầy cô Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu Tơi xin cảm ơn thành viên CRD Lab, phòng 902 thư viện Tạ Quang Bửu, Đại Học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tơi nhiệt tình thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, xin gửi lời yêu thương đến thành viên gia đình bạn bè bên Sự ủng hộ động viên họ động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận văn TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Các hệ thống thông tin vô tuyến hệ triển khai toàn cầu với yêu cầu kỹ thuật ngày cao khả truyền tải tốc độ cao hơn, độ tin cậy lớn hơn, độ trễ thấp hơn, trở nên ngày cấp thiết Theo đó, cơng nghệ vơ tuyến song cơng tồn phần băng tần (In-Band Full-Duplex – viết tắt IBFD) trở thành đề tài thu hút nhiều nhà nghiên cứu khả tăng gấp đôi hiệu suất sử dụng phổ tần so với hệ thống song công phân chia theo thời gian (TDD) song công phân chia theo tần số (FDD) Thách thức lớn hệ thống thu phát IBFD nhiễu nội (self-interferences), cụ thể phát (Tx) phát tín hiệu gây nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến thu (Rx) Để triệt tiêu hoàn toàn nhiễu, hệ thống IBFD thường yêu cầu hệ số cách ly luồng tín hiệu phát luồng tín hiệu thu phải ≥ 100 dB Để thỏa mãn yêu cầu này, phải kết hợp nhiều kỹ thuật triệt tiêu nhiễu nội (SIC) cải thiện hệ số cách ly khác tầng mạch số, tầng mạch tương tự, tầng anten Luận văn với tiêu đề “Nghiên cứu thiết kế anten cho hệ thống thông tin vô tuyến song cơng tồn phần” trình bày nghiên cứu thiết kế anten lọc phân cực kép hoạt động tốt hệ thống thông tin vô tuyến hệ dựa công nghệ IBFD Các kết mô chế tạo thực nghiệm chứng minh tính khả thi mơ hình anten IBFD thiết kế đáp ứng yêu cầu dải tần hoạt động, độ cách ly, độ định hướng khả chọn lọc tần số Nội dung luận văn bao gồm hai chương Chương trình bày tổng quan mơ hình đặc tính hệ thống IBFD, thách thức thiết kế hệ thống, phân loại anten IBFD số phương pháp để cải thiện đặc tính xạ anten hệ thống IBFD Tiếp theo, chương trình bày nghiên cứu thiết kế, mơ phỏng, chế tạo thực nghiệm mẫu anten IBFD sử dụng công nghệ mạch in với độ tăng ích khả chọn lọc tần số anten cải thiện kết hợp với bề mặt phản xạ phần (PRS) MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG SONG CƠNG TỒN PHẦN CÙNG BĂNG TẦN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tổng quan cơng nghệ song cơng tồn phần băng tần 1.2.1 Lịch sử phát triển 1.2.2 Tổng quan lý thuyết 1.2.3 Tổng quan hệ thống IBFD 1.2.4 Anten hệ thống IBFD 12 1.2.5 Một số kỹ thuật để cải thiện đặc tính xạ cho anten IBFD 14 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN LỌC FABRY-PEROT PHÂN CỰC KÉP CHO ỨNG DỤNG SONG CƠNG TỒN PHẦN CÙNG BĂNG TẦN 28 2.1 Mơ hình thiết kế anten 28 2.1.1 Cấu trúc anten 28 2.1.2 Phân tích cấu trúc PRS 29 2.1.3 Cơ chế hoạt động anten 33 2.1.4 Ảnh hưởng kích thước PRS 36 2.2 Mạng tiếp điện vi sai kép anten 37 2.3 Chế tạo đo đạc 46 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 60 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Từ cụ thể ADC Analog-to-Digital Converter ADS Anten AM Advanced Design System Antenna Amplitude Modulation Balun Balanced-to-unbalanced BFN BPF CANC CW Beam-forming Networks Band-pass Filter Cancelator Continuous Wave Nghĩa tiếng Việt DAC Digital-to-Analog Converter DBS Direct Broadcast Satellite DGS DP DR Defected Ground Stucture Direct Path Dynamic Range Digital Self-interference Cancellation Digital Signal Processing Electromagnetic Band-gap Electronic Warfare Frequency-division Duplex Frequency Modulation Filtering Microstrip Antenna Fabry-Perot Antenna Fabry-Perot Cavity Ground Global Positioning Satellite High Impedance Surface In-band Full-duplex Institute of Electrical and Electronics Engineers Low Noise Amplifier Low-pass Filter DSIC DSP EBG EW FDD FM FMA FPA FPC GND GPS HIS IBFD IEEE LNA LPF i Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số Phần mềm mô ADS Ăng-ten Điều chế biên độ Thiết bị chuyển đổi tín hiệu cấu trúc mạch khơng cân cấu trúc mạch cân Mạng định dạng búp sóng Bộ lọc thơng dải Bộ triệt tiêu nhiễu Sóng liên tục Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự Dịch vụ truyền hình vệ tinh phát sóng trực tiếp Mặt phẳng đất khơng hồn hảo Đường dẫn trực tiếp Dải động Triệt tiêu nhiễu nội miền kỹ thuật số Bộ xử lý tín hiệu Cấu trúc chắn dải điện từ Tác chiến điện tử Song công phân chia theo tần số Điều chế tần số Ăng-ten lọc mạch in Ăng-ten Fabry-Perot Hốc cộng hưởng Fabry-Perot Mặt phẳng đất Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu Bề mặt trở kháng cao Song cơng tồn phần băng tần Hội Kỹ sư Điện Điện tử Bộ khuếch đại tạp âm thấp Bộ lọc thông thấp LS PA PBC PEC PML PRS Radar RE RF RFID RP Rx SFFD SI SIC SINR SIR SMA SNR STAR TDD Tx WLAN Least Squares Power Amplifier Periodic Boundary Conditions Perfect Electric Conductor Perfectly Matched Layer Partial Reflecting Surface Radio detection and ranging Radiation Efficiency Radio Frequency Radio Frequency Identification Reflection Path Receiver Same-frequency Full-duplex Self-interferences Self-interference Cancellation Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio Stepped Impedance Resonator SubMiniature version A Signal-to-Noise Ratio Simultaneous Transmit and Receive Time-division Duplex Transmitter Wireless Local Area Networks ii Bình phương nhỏ Bộ khuếch đại cơng suất Điều kiện biên tuần hoàn Mặt dẫn điện hoàn hảo Lớp hấp thụ hoàn hảo Bề mặt phản xạ phần Dị tìm định vị sóng vơ tuyến Hiệu suất xạ Tần số vô tuyến Hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến Đường dẫn phản xạ Bộ thu Song cơng tồn phần tần số Nhiễu nội Triệt tiêu nhiễu nội Tỷ lệ tín hiệu nhiễu cộng tạp âm Bộ cộng hưởng trở kháng bậc Đầu nối phiên A Tỉ lệ tín hiệu nhiễu Truyền nhận đồng thời Song công phân chia theo thời gian Bộ phát Mạng cục không dây DANH MỤC KÝ HIỆU CÔNG THỨC Ký hiệu A B Cba Cx D f eed DFPA DPRS NF G ΦGND ΦPRS Pn Pt RoR TSIC XP Y Zair Zsub Định nghĩa Ma trận truyền dẫn điện nạp Tương hỗ cổng đầu vào hai phần tử xạ a b Tương hỗ chéo hai phần tử xạ Hệ số định hướng anten sơ cấp Hệ số định hướng anten Fabry-Perot Sự cải thiện hệ số định hướng anten sơ cấp sau thêm PRS Hệ số tạp âm Điện dẫn Pha phản xạ GND Pha phản xạ PRS Công suất nhiễu Công suất phát Độ dốc đáp ứng lọc vùng chuyển tiếp dải thông dải dừng Hệ số cách ly tổng Mức phân cực chéo Dẫn nạp Trở kháng sóng khơng gian tự Trở kháng sóng mơi trường điện mơi iii Đơn vị S dB dB dBi dBi dB dB S (°) (°) dBm dBm dB/GHz dB dB S Ω Ω Hình 2.17 Layout mạch in PCB Anten đề xuất phần mềm Altium Mạng tiếp điện vi sai kép anten đề xuất sau tích hợp thêm LPF đầu chia công suất băng rộng biểu diễn hình 2.16(a) Vị trí LPF phải tối ưu để đảm bảo tính đối xứng cấu trúc, qua giữ độ cách ly cao cho anten Do cấu hình nhỏ gọn đơn giản, LPF không làm tăng độ phức tạp chi phí chế tạo mạng tiếp điện anten Đồ thị tham số tán xạ độ lệch pha tín hiệu hai cổng đầu mạng tiếp điện thể hình 2.16(b) Quan sát thấy mạng tiếp điện mang lại tín hiệu vi sai gần hồn hảo đầu lọc thông thấp hoạt động tốt với tần số cắt 6,0 GHz Băng thông hệ số phản xạ < -15 dB hai tiếp điện vi sai đơn đạt từ 4,8 – 5,8 GHz Trong dải tần số này, công suất tín hiệu đầu xấp xỉ với độ lệch pha 180º ± 1,5º 2.3 Chế tạo đo đạc Để xác minh, FPA đề xuất bao gồm mạng tiếp điện chế tạo đo đạc thực tế Sau layout phần mềm thiết kế mạch Altium Designer mạng tiếp điện, xạ PRS chế tạo thực tế theo công nghệ bảng mạch in (PCB) đế điện mơi Các cọc vít nhựa sử dụng để cố định vị trí điện mơi mẫu thiết kế cuối thể hình 2.18 Mẫu anten chế tạo có kích thước tổng thể 120 × 120 × 29,3 mm3 (1, 96λmin × 1, 96λmin × 0, 48λmin ), λmin bước sóng khơng gian tự tần số hoạt động thấp Hai đầu nối phiên A (SMA) chuẩn 3,5 mm sử dụng làm chuyển đổi tín hiệu từ đường truyền mạch in đến dây cáp nguồn Các tham số tán xạ anten đo máy phân tích mạng cao tần Keysight N5244 PNA-X Hình 2.19(a) minh họa tham số tán xạ mô đo đạc 46 P1 P2 Hình 2.18 Ảnh chụp nguyên mẫu chế tạo thực tế Anten đề xuất nguyên mẫu anten Quan sát đồ thị thấy kết mơ đo đạc tương đối giống Các phép đo cho thấy băng thông chồng chéo |S11 |, |S22 | < -10 dB đạt 21,5% (4,91 – 6,09 GHz), giá trị mô 20,9% (4,87 – 6,02 GHz) Ngồi ra, băng thơng trở kháng, hệ số cách ly đo hai cổng tốt 40 dB giá trị mô đạt 45 dB Các phép đo đặc tính xạ anten thực phịng đo khơng phản xạ cơng ty TNHH ACE có trụ sở đặt tỉnh Hà Nam, Việt Nam Hệ số tăng ích thực anten thể hình 2.19(b) Các phép đo đạc cho kết tương đồng với mơ Kết đo hệ số tăng ích cho thấy anten đạt băng thơng tăng ích dB 18% (5,11 – 6,12 GHz) với giá trị tăng ích đỉnh 13,7 dBi, băng thông hệ số tăng ích dB mơ 20,5% (4,94 – 6,07 GHz) với giá trị lớn 13,9 dBi Hơn nữa, kết mô đo đạc Anten đề xuất có chức lọc thơng dải tốt với mức triệt tiêu ngồi băng tần đạt ≥ 27 dB Giá trị hiệu suất xạ (RE) anten tính tốn phần mềm mô tốt 75% Tuy nhiên, giới hạn buồng đo không phản xạ, giá trị RE thực tế anten thực đo đạc Mặc dù vậy, tương quan tốt hệ số tăng ích đo đạc mơ giúp giá trị RE thực tế xấp xỉ xung quanh giá trị mơ Hình 2.20 2.21 minh họa đồ thị xạ chuẩn hóa nguyên mẫu anten tương ứng cổng cổng kích thích Cả phép đo mô cho thấy rằng, FPA đề xuất đạt xạ phân cực kép tốt hướng xạ anten Các mức phân cực chéo đo cao giá trị mô dung sai thực phép đo, cụ thể tác động thiết bị bên 47 Tham số tán xạ (dB) -10 -20 Đo Đo Đo -30 Mô |S11| Mô |S22| Mô |S21| -40 -50 -60 Tần số (GHz) (a) 90 60 27 dB -15 -30 30 Đo Đo Mô cổng Mô cổng Tần số (GHz) Hiệu suất xạ (%) Hệ số tăng ích (dBi) 15 (b) Hình 2.19 Kết mơ đo đạc nguyên mẫu Anten đề xuất: (a) tham số tán xạ, (b) hệ số tăng ích hiệu suất xạ chất lượng buồng đo không phản xạ phép đo trường xa Theo đó, kết thu cho thấy anten đạt mức phân cực chéo ≤ -27 dB, mức búp sóng phụ ≤ -18 dB tỷ lệ trước-sau (F-B) ≥ 25 dB So sánh thiết kế anten đề xuất số cấu trúc công bố khoa học gần đưa Bảng 2.5 So với mảng anten lọc phân cực kép cấp nguồn vi sai trước [60, 61], Anten đề xuất cung cấp cấu hình đơn giản hơn, độ cách ly cao mức triệt tiêu tín hiệu ngồi băng tần tốt So với FPA lọc gần [62], nhờ xạ với khe chéo cọc nối đất với mạng tiếp điện, FPA đề xuất đạt đặc tính lọc tốt đáng kể, với mức triệt tiêu băng cao hệ số tăng ích cao Liên quan đến cấu trúc FPC phân cực kép sau tham chiếu kết công bố khoa học [71] [76–78], Anten đề xuất có lợi kích thước nhỏ, băng thơng rộng hơn, độ cách ly cao hơn, đặc biệt khả chọn lọc tần số 48 Đồ thị xạ (dB) Đo Mp x-z Đo Mô Eφ Mp y-z 5.2 GHz -20 -40 -60 -180 Đồ thị xạ (dB) Mô Eθ -90 90 Theta (º) 180 -180 Mp x-z -90 90 Theta (º) Mp y-z 180 5.8 GHz -20 -40 -60 -180 -90 90 Theta (º) 180 -180 -90 90 Theta (º) 180 Hình 2.20 Đồ thị xạ 2D mô đo đạc nguyên mẫu FPA đề xuất cổng kích thích Đồ thị xạ (dB) Đo Mp x-z Đo Mô Eφ Mp y-z 5.2 GHz -20 -40 -60 -180 Đồ thị xạ (dB) Mô Eθ -90 90 Theta (º) 180 -180 Mp x-z -90 Mp y-z 90 Theta (º) 180 5.8 GHz -20 -40 -60 -180 -90 90 Theta (º) 180 -180 -90 90 Theta (º) 180 Hình 2.21 Đồ thị xạ 2D mô đo đạc nguyên mẫu FPA đề xuất cổng kích thích 49 [61] [60] Anten 2, 00 × 2, 00 × 0, 49 2, 83 × 2, 83 × 0, 15 0, 62 × 2, 48 × 0, 12 ) Kích thước tổng thể (λmin 19,1 7,1 16,5 10,4 21, 17,1 19,5 Băng thông |S11 | < -10 dB (%) 22,2 43 30 30 33 40 45 30 35,2 Hệ số cách ly (dB) 14,2 16,1 15,5 17,5 13, 13,0 12,7 13,4 Mức tăng ích (dBi) FPC FPC FPC FPC FPC FPC Mảng Phương pháp cải thiện độ tăng ích Mảng N/A N/A N/A N/A 27 20 24 17,1 Bảng 2.5 So sánh đặc tính xạ Anten đề xuất với số công bố khoa học gần [62] 1, 90 × 1, 90 × 0, 48 3, 03 × 3, 03 × 0, 67 1, 90 × 1, 90 × 0, 56 9, 30 × 9, 30 × 2, 65 1, 96 × 1, 96 × 0, 48 Mức triệt tiêu (dB) [71] [76] [77] [78] Đề xuất Phương pháp lọc tần số Ngắn/hở mạch Vòng vng + đường dải hở mạch Bộ cộng hưởng hình T + PRS Không Không Không Không Khe + chốt + PRS + LPF với λmin : bước sóng không gian tự tần số hoạt động thấp nhất; N/A:không đề cập; FPC: hốc cộng hưởng Fabry-Perot 50 Kết luận chương Chương trình bày nghiên cứu thiết kế anten lọc phân cực kép với hệ số tăng ích độ chọn lọc tần số cao Thiết kế đề xuất tận dụng lợi anten xạ mạch in cấp nguồn vi sai kép với khe xạ đối xứng bốn cọc nối đất thêm vào để thực tính lọc mở rộng băng thông Để cải thiện thêm độ tăng ích tính chọn lọc tần số, xạ kết hợp với cấu trúc PRS băng thông rộng Hai chia công suất lệch pha tích hợp thêm LPF đơn giản để kích thích cho bốn cổng vi sai anten, đồng thời cải thiện mức triệt tiêu dải tần số cao Nguyên mẫu cuối với kích thước tổng thể 1, 96λmin × 1, 96λmin × 0, 48λmin đạt băng thông tổn hao ngược 10-dB 21,5% (4,91 – 6,09 GHz), hệ số cách ly ≥ 40 dB, băng thơng hệ số tăng ích 3-dB từ 5,11 – 6,12 GHz với mức tăng ích cực đại 13,7 dBi, mức phân cực chéo ≤ -27 dB, mức búp sóng phụ ≤ -18 dB tỷ lệ trước-sau (F-B) ≥ 25 dB mức triệt tiêu dải ≥ 27 dB Các tính làm cho FPA đề xuất trở thành ứng cử viên tốt cho ứng dụng IBFD hệ thống thông tin vô tuyến hệ Sau hoàn thành nghiên cứu chương 2, kết nghiên cứu tổng hợp thành báo khoa học chấp nhận xuất tạp chí Journal of electromagnetic engineering and science ngày 05/12/2022 Nội dung báo khoa học trình bày phần PHỤ LỤC cùa luận văn 51 KẾT LUẬN Trên đây, luận văn trình bày tổng quan đặc điểm hệ thống IBFD, tập trung phân tích đặc điểm kênh truyền vô tuyến, thông số thách thức thiết kế hệ thống IBFD Về bản, ảnh hưởng SIC yếu tố định đến khả hoạt động hệ thống Với xu hướng tích hợp phần cứng thụ động giảm thiểu kích thước hệ thống thơng tin vơ tuyến hệ vấn đề trở nên cấp bách Đồng thời, luận văn phân tích chi tiết giải pháp để giảm thiểu SIC nâng cao đặc tính xạ cho anten hệ thống IBFD độ tăng ích, khả chọn lọc tần số Đây sở khoa học để đưa đề xuất thực nghiên cứu thiết kế anten IBFD cho hệ thống thông tin vô tuyến hệ luận văn Mẫu anten lọc Fabry-Perot cho ứng dụng IBFD thiết kế với cấu tạo đơn giản tương thích với nhiều loại vật liệu điện môi chế tạo thực nghiệm Cấu hình anten đề xuất bao gồm anten xạ khe kết hợp với cấu trúc FPC tạo thành cách đặt PRS cách GND khoảng λ /2 (với λ bước sóng khơng gian tự tần số hoạt động) Anten chế tạo thực nghiệm với kích thước tổng thể 120 × 120 × 29,3 mm3 (1, 96λmin × 1, 96λmin × 0, 48λmin ; với λmin bước sóng không gian tự tần số hoạt động thấp nhất) vật liệu Roger RT/Duroid 5880 (εr = 2,2; tanδ = 0,0009; dày 0,7874 mm) Các kết đo đạc nguyên mẫu cuối anten cho thấy băng thông chồng chéo |S11 |, |S22 | < -10 dB đạt 21,5% (4,91 – 6,09 GHz), băng thông hệ số tăng ích dB 18% (5,11 – 6,12 GHz), hệ số cách ly ≥ 40 dB, mức phân cực chéo ≤ -27 dB, mức búp sóng phụ ≤ -18 dB, tỷ lệ trước-sau (F-B) ≥ 25 dB hiệu xuất xạ > 75% Các kết mơ thực nghiệm chứng minh tính khả thi mơ hình anten IBFD thiết kế đáp ứng yêu cầu dải tần hoạt động, độ cách ly, độ định hướng khả chọn lọc tần số Với đặc tính xạ vậy, mơ hình anten luận văn có khả ứng dụng thiết bị thông tin vô tuyến hệ Trong tương lai, hướng phát triển luận văn bao gồm nghiên cứu thêm kỹ thuật cải thiện cách ly ứng dụng thiết kế anten IBFD; bên cạnh thực nghiên cứu cấu trúc PRS tái cấu hình đồ thị xạ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I C Dima, M Teodorescu, and D Gifu, “New communication approaches vs traditional communication,” International Letters of Social and Humanistic Sciences, vol 31, pp 46–55, 2014 [2] P A Loubere, A History of Communication Technology Routledge, 2021 [3] C E Shannon, “A mathematical theory of communication,” The Bell system technical journal, vol 27, no 3, pp 379–423, 1948 [4] B Paulu, British Broadcasting: Radio and Television in the United Kingdom University of Minnesota Press, 1956 [5] D M Pozar, Microwave engineering John wiley & sons, 2011 [6] A Sabharwal, P Schniter, D Guo, D W Bliss, S Rangarajan, and R Wichman, “In-band full-duplex wireless: Challenges and opportunities,” IEEE Journal on selected areas in communications, vol 32, no 9, pp 1637–1652, 2014 [7] S Hong, J Brand, J I Choi, M Jain, J Mehlman, S Katti, and P Levis, “Applications of self-interference cancellation in 5g and beyond,” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 2, pp 114–121, 2014 [8] K E Kolodziej, In-Band Full-Duplex Wireless Systems Handbook House, 2021 [9] M B Steer, Microwave and RF design: a systems approach 2010 Artech SciTech Pub., [10] A G Stove, “Linear fmcw radar techniques,” in IEE Proceedings F (Radar and Signal Processing), vol 139, no IET, 1992, pp 343–350 [11] M R Kelley, “The spectrum auction: Big money and lots of unanswered questions,” IEEE internet computing, vol 12, no 1, pp 66–70, 2008 [12] Z Zhang, X Chai, K Long, A V Vasilakos, and L Hanzo, “Full duplex techniques for 5g networks: self-interference cancellation, protocol design, and relay selection,” IEEE Communications Magazine, vol 53, no 5, pp 128–137, 2015 [13] T Riihonen, D Korpi, O Rantula, H Rantanen, T Saarelainen, and M Valkama, “Inband full-duplex radio transceivers: A paradigm shift in tactical communications and electronic warfare?” IEEE Communications Magazine, vol 55, no 10, pp 30–36, 2017 53 [14] J I Choi, M Jain, K Srinivasan, P Levis, and S Katti, “Achieving single channel, full duplex wireless communication,” in Proceedings of the sixteenth annual international conference on Mobile computing and networking, 2010, pp 1–12 [15] M Duarte and A Sabharwal, “Full-duplex wireless communications using off-the-shelf radios: Feasibility and first results,” in 2010 Conference Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers IEEE, 2010, pp 1558–1562 [16] M E Knox, “Single antenna full duplex communications using a common carrier,” in WAMICON 2012 IEEE Wireless & Microwave Technology Conference IEEE, 2012, pp 1–6 [17] D Korpi, T Riihonen, V Syrjăalăa, L Anttila, M Valkama, and R Wichman, “Full-duplex transceiver system calculations: Analysis of adc and linearity challenges,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 13, no 7, pp 3821–3836, 2014 [18] D Bharadia, E McMilin, and S Katti, “Full duplex radios,” in Proceedings of the ACM SIGCOMM 2013 conference on SIGCOMM, 2013, pp 375–386 [19] E Everett, M Duarte, C Dick, and A Sabharwal, “Empowering full-duplex wireless communication by exploiting directional diversity,” in 2011 Conference Record of the Forty Fifth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (ASILOMAR) IEEE, 2011, pp 2002–2006 [20] G Wainwright and C.-C Chen, “Low-profile broadband reflector antenna designed for low mutual coupling,” in 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) IEEE, 2016, pp 1–5 [21] H Zhuang, J Li, W Geng, and X Dai, “Duplexer design for full-duplex based wireless communications,” China Communications, vol 13, no 11, pp 1–13, 2016 [22] P V Prasannakumar, M A Elmansouri, and D S Filipovic, “Wideband decoupling techniques for dual-polarized bi-static simultaneous transmit and receive antenna subsystem,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 65, no 10, pp 4991–5001, 2017 [23] E Everett, C Shepard, L Zhong, and A Sabharwal, “Softnull: Many-antenna full-duplex wireless via digital beamforming,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 15, no 12, pp 8077–8092, 2016 [24] K Kolodziej, J Doane, and B Perry, “Single antenna in-band full-duplex isolation-improvement techniques,” in 2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI) IEEE, 2016, pp 1661–1662 54 [25] H Nawaz and I Tekin, “Dual-polarized, differential fed microstrip patch antennas with very high interport isolation for full-duplex communication,” IEEE transactions on antennas and propagation, vol 65, no 12, pp 7355– 7360, 2017 [26] ——, “Double-differential-fed, dual-polarized patch antenna with 90 db interport rf isolation for a 2.4 ghz in-band full-duplex transceiver,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 17, no 2, pp 287–290, 2017 ¨ ¨ G¨urb¨uz, and I Tekin, “A low[27] M S Amjad, H Nawaz, K Ozsoy, O complexity full-duplex radio implementation with a single antenna,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 67, no 3, pp 2206–2218, 2017 [28] H Nawaz and I Tekin, “Three dual polarized 2.4 ghz microstrip patch antennas for active antenna and in-band full duplex applications,” in 2016 16th Mediterranean Microwave Symposium (MMS) IEEE, 2016, pp 1–4 [29] E Ahmed, A M Eltawil, and A Sabharwal, “Self-interference cancellation with nonlinear distortion suppression for full-duplex systems,” in 2013 Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers IEEE, 2013, pp 1199– 1203 [30] Z Wang, T Liang, and Y Dong, “Compact in-band full duplexing antenna for sub-6 ghz 5g applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 20, no 5, pp 683–687, 2021 [31] A Batgerel and S Y Eom, “High-isolation microstrip patch array antenna for single channel full duplex communications,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol 9, no 11, pp 1113–1119, 2015 [32] Y.-M Zhang and J.-L Li, “A dual-polarized antenna array with enhanced interport isolation for far-field wireless data and power transfer,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 67, no 11, pp 10 258–10 267, 2018 [33] ——, “Differential-series-fed dual-polarized traveling-wave array for fullduplex applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 68, no 5, pp 4097–4102, 2019 [34] D Wójcik, M Surma, A Noga, and M Magnuski, “High port-to-port isolation dual-polarized antenna array dedicated for full-duplex base stations,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 19, no 7, pp 1098– 1102, 2020 [35] M Amjadi and K Sarabandi, “Ultra-wideband, compact, and high-gain twoport antenna system for full-duplex applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 69, no 11, pp 7173–7182, 2021 55 [36] M V Kuznetcov, S K Podilchak, A J McDermott, and M Sellathurai, “Dual-polarized antenna with dual-differential integrated feeding for wideband full-duplex systems,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 69, no 11, pp 7192–7201, 2021 [37] M Heino, S N Venkatasubramanian, C Icheln, and K Haneda, “Design of wavetraps for isolation improvement in compact in-band full-duplex relay antennas,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 64, no 3, pp 1061–1070, 2015 [38] G Makar, N Tran, and T Karacolak, “A high-isolation monopole array with ring hybrid feeding structure for in-band full-duplex systems,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 356–359, 2016 [39] X Wang, W Che, W Yang, W Feng, and L Gu, “Self-interference cancellation antenna using auxiliary port reflection for full-duplex application,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 2873–2876, 2017 [40] K Iwamoto, M Heino, K Haneda, and H Morikawa, “Design of an antenna decoupling structure for an inband full-duplex collinear dipole array,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 66, no 7, pp 3763–3768, 2018 [41] S X Ta, N Nguyen-Trong, V C Nguyen, K K Nguyen, and C Dao-Ngoc, “Broadband dual-polarized antenna using metasurface for full-duplex applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 20, no 2, pp 254–258, 2020 [42] T H Vu, S X Ta, T N Le, K K Nguyen, C Dao-Ngoc, and N NguyenTrong, “A wideband full-duplex dual-polarized antenna with conical radiation pattern,” in 2021 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) IEEE, 2021, pp 227–231 [43] S X Ta and N Nguyen-Trong, “Analysis and design of an ultrawideband dual-polarized antenna for ibfd applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 70, no 11, pp 11 121–11 126, 2022 [44] W Eisenstadt, R Stengel, and B Thompson, Microwave differential circuit design using mixed mode s-parameters Artech, 2006 [45] P P Shome, T Khan, S K Koul, and Y M Antar, “Filtenna designs for radiofrequency front-end systems: A structural-oriented review,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol 63, no 5, pp 72–84, 2020 [46] C X Mao, Y Zhang, X Y Zhang, P Xiao, Y Wang, and S Gao, “Filtering antennas: Design methods and recent developments,” IEEE Microwave Magazine, vol 22, no 11, pp 52–63, 2021 56 [47] Y Yusuf, H Cheng, and X Gong, “A seamless integration of 3-d vertical filters with highly efficient slot antennas,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 59, no 11, pp 4016–4022, 2011 [48] J Deng, S Hou, L Zhao, and L Guo, “Wideband-to-narrowband tunable monopole antenna with integrated bandpass filters for uwb/wlan applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 2734– 2737, 2017 [49] M.-C Tang, T Shi, and R W Ziolkowski, “Planar ultrawideband antennas with improved realized gain performance,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 64, no 1, pp 61–69, 2015 [50] C.-T Chuang and S.-J Chung, “New printed filtering antenna with selectivity enhancement,” in 2009 European Microwave Conference (EuMC) IEEE, 2009, pp 747–750 [51] C.-K Lin and S.-J Chung, “A compact filtering microstrip antenna with quasi-elliptic broadside antenna gain response,” IEEE Antennas and wireless propagation letters, vol 10, pp 381–384, 2011 [52] X Y Zhang, Y Zhang, Y.-M Pan, and W Duan, “Low-profile dual-band filtering patch antenna and its application to lte mimo system,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 65, no 1, pp 103–113, 2016 [53] J Y Jin, S Liao, and Q Xue, “Design of filtering-radiating patch antennas with tunable radiation nulls for high selectivity,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 66, no 4, pp 2125–2130, 2018 [54] X Y Zhang, W Duan, and Y.-M Pan, “High-gain filtering patch antenna without extra circuit,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 63, no 12, pp 5883–5888, 2015 [55] J.-F Li, Z N Chen, D.-L Wu, G Zhang, and Y.-J Wu, “Dual-beam filtering patch antennas for wireless communication application,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 66, no 7, pp 3730–3734, 2018 [56] J.-S G Hong and M J Lancaster, Microstrip filters for RF/microwave applications John Wiley & Sons, 2004 [57] H Tang, C Tong, and J.-X Chen, “Differential dual-polarized filtering dielectric resonator antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 66, no 8, pp 4298–4302, 2018 [58] W Yang, M Xun, W Che, W Feng, Y Zhang, and Q Xue, “Novel compact high-gain differential-fed dual-polarized filtering patch antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 67, no 12, pp 7261–7271, 2019 57 [59] Y Q Sun, Z J Zhai, F Lin, X Y Zhang, H J Sun et al., “High-gain low cross-polarized dual-polarized filtering patch antenna without extra circuits,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 21, no 7, pp 1368– 1372, 2022 [60] Y Li, Z Zhao, Z Tang, and Y Yin, “Differentially-fed, wideband dualpolarized filtering antenna with novel feeding structure for 5g sub-6 ghz base station applications,” IEEE Access, vol 7, pp 184 718–184 725, 2019 [61] Y Zhang, W Yang, Q Xue, J Huang, and W Che, “Broadband dualpolarized differential-fed filtering antenna array for 5g millimeter-wave applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 70, no 3, pp 1989–1998, 2021 [62] T Le-Huu, S X Ta, K K Nguyen, C Dao-Ngoc, and N Nguyen-Trong, “Differential-fed dual-polarized filtering fabry-perot antenna with high isolation,” IEEE Access, vol 10, pp 94 616–94 623, 2022 [63] S.-W Qu and K B Ng, “Wideband millimeter-wave cavity-backed bowtie antenna,” Progress In Electromagnetics Research, vol 133, pp 477–493, 2013 [64] N Wang, Q Liu, C Wu, L Talbi, Q Zeng, and J Xu, “Wideband fabry-perot resonator antenna with two complementary fss layers,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 62, no 5, pp 2463–2471, 2014 [65] L Leger, C Serier, R Chantalat, M Thevenot, T Monedière, and B Jecko, “1d dielectric electromagnetic band gap (ebg) resonator antenna design,” in Annales des télécommunications, vol 59, no Springer, 2004, pp 242– 260 [66] G V Trentini, “Partially reflecting sheet arrays,” IRE Transactions on antennas and propagation, vol 4, no 4, pp 666–671, 1956 [67] A P Feresidis and J Vardaxoglou, “High gain planar antenna using optimised partially reflective surfaces,” IEE Proceedings-Microwaves, Antennas and Propagation, vol 148, no 6, pp 345–350, 2001 [68] N Nguyen-Trong, H H Tran, T K Nguyen, and A M Abbosh, “Wideband fabry–perot antennas employing multilayer of closely spaced thin dielectric slabs,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 17, no 7, pp 1354–1358, 2018 [69] M W Niaz, Y Yin, R A Bhatti, Y.-M Cai, and J Chen, “Wideband fabry– perot resonator antenna employing multilayer partially reflective surface,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 69, no 4, pp 2404– 2409, 2020 58 [70] Y Guan, Y.-C Jiao, Y.-D Yan, Y Feng, Z Weng, and J Tian, “Wideband and compact fabry–perot resonator antenna using partially reflective surfaces with regular hexagonal unit,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 20, no 6, pp 1048–1052, 2021 [71] S X Ta and N Nguyen-Trong, “Broadband dual-polarized fabry–pérot antenna with simple feed for full-duplex applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 21, no 10, pp 2095–2099, 2022 [72] F.-C Chen, R.-S Li, J.-M Qiu, and Q.-X Chu, “Sharp-rejection wideband bandstop filter using stepped impedance resonators,” IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol 7, no 3, pp 444–449, 2017 [73] Z.-Y Zhang, Y.-X Guo, L C Ong, and M Chia, “A new wide-band planar balun on a single-layer pcb,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 15, no 6, pp 416–418, 2005 [74] L.-H Hsieh and K Chang, “Compact elliptic-function low-pass filters using microstrip stepped-impedance hairpin resonators,” IEEE Transactions on microwave Theory and Techniques, vol 51, no 1, pp 193–199, 2003 [75] J Zhang, R Yang, and C Zhang, “High-performance low-pass filter using stepped impedance resonator and defected ground structure,” Electronics, vol 8, no 4, p 403, 2019 [76] G.-N Tan, X Yang, H.-G Xue, and Z Lu, “A dual-polarized fabry-perot cavity antenna at ka band with broadband and high gain,” Progress In Electromagnetics Research C, vol 60, pp 179–186, 2015 [77] P.-Y Qin, L.-Y Ji, S.-L Chen, and Y J Guo, “Dual-polarized wideband fabry–pérot antenna with quad-layer partially reflective surface,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 17, no 4, pp 551–554, 2018 [78] Q.-Y Guo and H Wong, “155 ghz dual-polarized fabry–perot cavity antenna using ltcc-based feeding source and phase-shifting surface,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 69, no 4, pp 2347–2352, 2020 59 PHỤ LỤC JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE, VOL 0, NO 0, 0-0, DEC 0000 http://doi.org/10.26866/JEES.000.00.0.0 ISSN 2671-7263 (online) ∙ ISSN 2671-7255 (Print) Gain and Frequency-Selectivity Enhancement of Dual-Polarized Filtering IBFD Antenna Using PRS Ngoc Tien Le1, Truong Le-Huu1, Ngoc An Nguyen2, Son Xuat Ta1, *, Khac Kiem Nguyen1, and Nghia Nguyen-Trong3 School of Electrical and Electronic Engineering, Hanoi University of Science and Technology, Ha Noi 100000, Viet Nam Faculty of Electronics and Telecommunication, University of Engineering and Technology, Vietnam National University, Hanoi 100000, Vietnam School of EEE, The University of Adelaide, Adelaide, SA, 5000, Australia *Corresponding Author: Son Xuat Ta (e-mail: xuat.tason@hust.edu.vn) Abstract A dual-polarized filtering Fabry-Perot antenna (FPA) with high selectivity and high isolation is proposed for in-band full-duplex (IBFD) applications The proposed antenna utilizes a square patch as the feeding element, which is fed by double differential-fed scheme for the dual-polarized radiation with high isolation The patch is loaded with a symmetrical cross-slot and four shorting pins for a broad passband filtering feature To enhance the broadside gain across a wide frequency range, the patch is incorporated with a partially reflecting surface (PRS), which is composed of two complementary cross-slot and patch arrays Moreover, the frequency selectivity of PRS is exploited to improve the filtering characteristic The double differential-feeds are realized based on out-of-phase power dividers, which are combined with simple low-pass filters to further improve the out-of-band suppression The final design has been fabricated and measured The measurement results show an excellent result with 10-dB return loss bandwidth of 21.5% (4.91 – 6.09 GHz), isolation of greater than 40 dB, peak gain of 13.7 dBi, out-of-band suppression level of better than 27 dB, and crosspolarization level of less than –27 dB Key Words: Patch antenna, differential-feed, dual-polarization, filtering, Fabry-Perot cavity, high-gain, infinite isolation, frequency-selectivity ช INTRODUCTION Recently, the dual-polarized antennas have regained significant interests from antenna researchers with the aim of achieving extremely high isolation This high isolation (more than 40 dB), if achieved, will greatly assist the interference reduction between the transmitter and receiver which enables the in-band full-duplex (IBFD) technology where the spectral efficiency can be doubled [1] Obtaining this required high isolation is challenging While several unconventional or specialized techniques such as wavetraps [2], coupler [3], auxiliary port [4], and decoupling structures [5] have been proposed, the mainstream method is still the use of differential-fed scheme [6-10] This is not a surprising trend since differential feeds provide a simple mean to cancel out the coupling The basic configuration of this antenna type is illustrated in Fig 1, which could consist of either single or double differential feeds For the schematic in Fig 1(a), using the differential-fed scheme for Ports 2+ and 2–, i.e., named as Port d, its Sparameters are calculated as below [10]: (1a) ܵௗௗ  ൌ  ሺܵଶାଶା Ȃܵଶାଶି Ȃܵଶିଶା ൅  ܵଶିଶି ሻȀʹ (1b) ܵଵௗ  ൌ  ሺܵଶାଵ Ȃ ܵଶିଵሻȀξʹ To obtain an infinite isolation (ܵଵௗ ൌ Ͳ), the antenna needs to be perfectly symmetrical across Ports 2+ and 2–, i.e., ܵଶାଵ ൌ ܵଶିଵ For the double differential-fed antenna in Fig 1(b), the isolation among differential ports is calculated as below: (2) ܵௗௗଶଵ  ൌ  ሺܵଶାଵା Ȃ ܵଶିଵା Ȃܵଶାଵି ൅  ܵଶିଵି ሻȀʹ In this case, the antenna needs to be perfectly symmetrical across two planes, i.e., ܵଶାଵା ൌ ܵଶାଵି , and ܵଶିଵି ൌ ܵଶିଵା As clearly seen from (1b) and (2), ‫ ף‬Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science All Rights Reserved 60