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

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình một lớp băng rộng

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Ăng-ten Mảng Phản Xạ Tái Cấu Hình Một Lớp Băng Rộng Hoàng Đăng Cường1, Nguyễn Xuân Sơn1, Lê Minh Thùy2*, Hoàng Đình Thuyên1, Nguyễn Quốc Định1, Nguyễn Hồng Minh3 1 Khoa Vô Tuyến Điện tử, Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn 2 Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội 3 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 Abstract— Trong bài báo này, tác giả đề xuất một của các phần tử được lượng tử hóa thành các pha rời ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình 16 x 16 phần rạc và chúng được điều khiển để thay đổi trạng thái tử. Ăng-ten có cấu trúc đơn giản, chỉ sử dụng một nhờ các phần tử tích cực. Ăng-ten MPXTCH có thể sử lớp chất nền. Pha 1 bit của các phần tử trong ăng- dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại thế ten được điều khiển bởi các đi-ốt PIN. Kết quả mô hệ mới như hệ thống thông tin vệ tinh [6] phục vụ cho phỏng cho thấy: ăng-ten có độ lợi lớn nhất đạt 22,7 các phương tiện di chuyển, hệ thống không dây thế hệ dBi, băng thông 1-dB đạt 12 % và khả năng quét mới WiGig [7], ra-đa [8] và mạng di động 5G [9]. Gần búp sóng trong phạm vi ± 50o. Với các tính năng đã đây, bề mặt phản xạ thông minh (IRIS hay RIS) đang đạt được, ăng-ten đề xuất có tiềm năng ứng dụng được đề xuất để ứng dụng cho mạng 6G [10, 11]. cho các hệ thống thông tin vệ tinh thế hệ mới, hệ Nguyên lý hoạt động của bề mặt này giống như ăng- thống ra-đa. ten MPXTCH. Tuy nhiên, nó không dùng ăng-ten loa làm nguồn cấp mà nhận tín hiệu từ các trạm phát gốc. Để tái cấu hình các phần tử ăng-ten, người ta Keywords- ăng-ten mảng phản xạ, tái cấu hình, băng thường dùng các linh kiện bán dẫn như đi-ốt PIN, đi- rộng, 1 bit, đi-ốt PIN. ốt biến dung và các vật liệu khác như chuyển mạch MEMs (Micro-Electro-Mechanical systems), graphen I. GIỚI THIỆU và tinh thể lỏng. Trong đó, chuyển mạch MEMs, đi-ốt Ăng-ten mảng phản xạ (MPX) có thể xem là sự kết biến dung và đi-ốt PIN được sử dụng thường xuyên hợp của ăng-ten gương và ăng-ten mảng pha vì cấu hơn. Chuyển mạch MEMs có rất nhiều ưu điểm như trúc hình học của nó giống như ăng-ten gương nhưng kích thước nhỏ, hệ số suy hao thấp và công suất tiêu bề mặt gương lại được thay thế bằng nhiều phần tử hao nhỏ. Mặc dù vậy, phần tử này không được phổ phản xạ với giá trị pha khác nhau. Ăng-ten này có biến so với đi-ốt biến dung và đi-ốt PIN vì nó có chi nhiều ưu điểm vượt trội hơn ăng-ten gương như chi phí phí chế tạo cao và số lượng nhà máy có thể gia công thấp, trọng lượng nhỏ, cấu trúc phẳng và dễ chế tạo do được chuyển mạch này cũng rất ít. Đi-ốt biến dung là mảng ăng-ten này được làm từ mạch in. So với các linh kiện có sẵn trên thị trường và có thể tạo ra sự thay ăng-ten mảng pha, nó cũng có nhiều lợi thế, đặc biệt là đổi pha mịn nhưng mạch điều khiển cho loại đi-ốt này về suy hao và chi phí. Kiểu cấp nguồn qua không khí rất phức tạp và chi phí cao. Đi-ốt PIN là linh kiện phổ của nó có suy hao rất thấp so với mạng cấp nguồn bằng biến nhất để dịch pha của phần tử vì chúng có giá thành mạch vi dải của ăng-ten mảng pha. Hơn nữa, ăng-ten rẻ, đa dạng, có sẵn trên thị trường và mạch điều khiển này không sử dụng các bộ khuếch đại, bộ trộn tín hiệu của chúng cũng rất đơn giản. tần số cao, bộ chuyển đổi tương tự sang số và bộ Việc số hóa pha phản xạ làm băng thông của ăng- chuyển đổi số sang tương tự. Nhờ vậy, nó có cấu trúc ten MPXTCH rộng hơn ăng-ten MPX, nhưng độ lợi đơn giản hơn, chi phí thấp và có tiềm năng ứng dụng giảm và mức búp sóng phụ tăng lên [12]. Tuy nhiên, trong các hệ thống thông tin vệ tinh [1], ra-đa [2], hệ trong thực tế, băng thông của ăng-ten MPXTCH không thống vi ba và 5G [3]. đạt được như lý thuyết vì nó bị ảnh hưởng bởi hai thành Băng thông của ăng-ten MPX chỉ khoảng 3 % vì phần: cấu trúc của ăng-ten MPXTCH và băng thông nó được kế thừa đặc tính của ăng-ten vi dải [4]. Trong của phần tử. Giống như ăng-ten MPX, băng thông của những năm gần đây, tính năng này đã được nghiên cứu ăng-ten này cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng góc và cải tiến rất nhiều nên băng thông 1-dB đã đạt đến nghiên do cấu trúc cấp nguồn của ăng-ten loa tạo ra. 33,52 % [5]. Vì đặc tính này là bản chất của ăng-ten MPXTCH nên Ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình (MPXTCH) là nó rất khó cải thiện. Do đó, thông thường, để cải thiện một biến thể của ăng-ten MPX. Nó có khả năng điều băng thông của ăng-ten này, người ta thường cải tiến hướng búp sóng (beamforming) bằng cách thay đổi băng thông của các phần tử. Nếu phần tử có băng thông pha của các phần tử trong mảng. Thông thường, pha rộng ngay cả trong các trường hợp góc tới nghiêng thì ISBN 978-604-80-7468-5 66
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) ăng-ten MPXTCH có thể đạt được băng thông rộng. ten chỉ sử dụng một lớp chất nền cùng đi-ốt PIN giá rẻ Tuy nhiên, vì các phần tử tái cấu hình có các cấu trúc để tiết kiệm chi phí và tăng độ ổn định của ăng-ten. phụ để lắp đặt linh kiện tích cực và các cấu trúc cấp Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: nguồn nên chúng tạo ra nhiều tham số ký sinh và suy Phần II trình bày nguyên lý hoạt động của ăng-ten hao. Do vậy, băng thông của các phần tử này bị giảm MPXTCH. Phần III trình bày cấu trúc của phần tử ăng- đáng kể và rất khó cải thiện. ten và các tính năng của nó. Phần IV là cấu trúc và các Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung cải thiện băng kết quả mô phỏng của toàn bộ ăng-ten bao gồm cả ăng- thông của phần tử MPXTCH. Nghiên cứu [16] đã thiết ten loa và mảng. Phần IV là các kết luận của bài báo. kế một phần tử MPXTCH sử dụng phương pháp dây chêm và hai đi-ốt PIN. Phần tử này đạt được băng II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĂNG-TEN MẢNG thông 10,5 %, từ 13,5 GHz đến 15,0 GHz cho dải pha PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH 180o ± 20o. Tuy nhiên, nghiên cứu này đã không chế Cấu trúc ăng-ten MPXTCH tương tự như ăng-ten tạo mảng. Một nghiên cứu khác đã đề xuất một phần MPX (Hình 1) gồm có: một ăng-ten cấp nguồn (thường tử băng rộng sử dụng một đi-ốt PIN để kết nối hai ăng- là ăng-ten loa) và một mảng phản xạ. Mảng phản xạ ten vi dải hình chữ nhật [13]. Cấu trúc này không sử (kích thước D) bao gồm rất nhiều phần tử phản xạ. Mỗi dụng đường dây chêm mà xem đi-ốt PIN như một phần tử nhận năng lượng trường điện từ của nguồn cấp, thành phần cộng hưởng. Pha của phần tử được thay đổi cộng hưởng với tín hiệu nhận được và phản xạ ngược 180o bằng cách “tắt/mở” đi-ốt PIN để thay đổi tham số lại với một giá trị pha và biên độ. cộng hưởng của phần tử. Băng thông dịch pha 180o ± Để tạo một búp sóng chính ở một hướng nào đó, pha 20o của phần tử này đạt 12 % tại tần số 5 GHz. Ăng- của các phần tử trong mảng cần tạo giá trị đồng pha tại ten mảng (12 x 12 phần tử) được chế tạo từ các phần hướng đó, tương tự như nguyên lý của ăng-ten mảng tử này có khả năng thay đổi búp sóng chính trong phạm pha. Cụ thể, để tạo ra được một búp sóng ở hướng (b, vi ± 50o với độ lợi cực đại đạt 19,22 dBi và băng thông b), pha của các phần tử trong mảng có giá trị như công -1 dB đạt 8,4 %. Tài liệu [14] đã trình bày một phần tử thức (1) [18]: có cấu trúc khá phức tạp. Phần tử này sử dụng 4 lớp và  ( xi , yi ) = k0 ( Ri − sin  b cos b xi − sin  b sin b yi ) + 0 (1) 4 đi-ốt PIN để chuyển đổi phân cực, cách ly DC (một chiều) và phối hợp trở kháng. Phần tử này đã mở rộng Trong đó  (xi, yi) là pha của phần tử thứ i tạo ra búp băng thông đến gần 20 % tại tần số 13,25 GHz. Mảng sóng ở hướng (b, b); k0 là số sóng tại tần số trung (10 x 10 phần tử) của nó có khả năng quét búp sóng tâm; Ri là khoảng cách từ tâm pha của ăng-ten loa đến chính trong phạm vi ± 40o với độ lợi tốt nhất đạt 16,5 phần tử thứ i; 0 là pha ban đầu. dBi nhưng băng thông không được công bố. Gần đây, Đối với ăng-ten MPX (chỉ phát xạ một hướng cố tài liệu [15] đã đề xuất một phần tử, sử dụng cấu trúc định), pha của các phần tử là cố định và được tạo ra kiểu “microstrip-slot-microstrip” và hai đi-ốt PIN làm bằng cách thay đổi kích thước phần tử hoặc thay đổi bộ dịch pha. Băng thông phần tử cũng được cải thiện độ dài dây chêm hoặc quay phần tử. đáng kể, đạt 20,8 %, từ 11,6 GHz đến 14,3 GHz. Ăng- Đối với ăng-ten MPXTCH, để tạo ra các búp sóng ten mảng (16 x 16 phần tử) có độ lợi cực đại đạt 20,5 ở các hướng khác nhau, pha của mỗi phần tử cũng khác dBi (hiệu suất đạt 15,4 %), băng thông 1-dB đạt 15,4 nhau. Tuy nhiên, để dễ thiết kế và điều khiển, pha của % và khả năng quét trong phạm vi ± 50o. Cho đến nay, phần tử thường được lượng tử hóa thành các trạng thái băng thông của các ăng-ten MPXTCH vẫn thấp hơn pha rời rạc. Trong hầu hết các nghiên cứu gần đây, số ăng-ten MPX, cụ thể, băng thông 1-dB nhỏ hơn 23 % pha của phần tử MPX đã được lượng tử hóa thành hai [16] so với khoảng 33,52 % [5]. Do đó, việc cải tiến (0o và 180o) hoặc bốn (0o, 90o, 180o và 270o) và chúng băng thông cho ăng-ten MPXTCH vẫn rất cần thiết, được điều khiển bởi 1 bit hoặc 2 bit tương ứng. Ví dụ, nhằm đáp ứng các nhu cầu về tốc độ dữ liệu của các hệ khi dùng 1 bit để điều khiển pha của phần tử, pha của thống mạng như 5G, 6G, hệ thống thông tin vệ tinh, hệ thống không dây trong nhà thế hệ mới. Mặc dù ăng-ten MPXTCH là ăng-ten rất tiềm năng Nguồn Tâm nhưng nhược điểm là chi phí chế tạo cao do thường sử cấp pha Hướng búp dụng PCB nhiều lớp và số lượng lớn đi-ốt PIN, cỡ từ sóng chính z vài trăm tới vài nghìn. Hầu hết các ăng-ten này đều sử dụng nhiều hơn hai lớp chất nền vì chúng cần ít nhất Ri một lớp để điều khiển phần tử tích cực. Cấu trúc mạch H y θb D x in được ghép từ nhiều chất nền khác nhau gây ra sự θ0 φb không đồng nhất trong cấu trúc PCB, suy hao và dịch pha không mong muốn. Hơn thế nữa, cấu trúc này (xi, yi) không bền theo thời gian vì các lớp chất nền khác nhau có hệ số giãn nở theo nhiệt độ khác nhau [17]. xh Trong bài báo này, tác giả đề xuất ăng-ten MPXTCH băng rộng một bit sử dụng đi-ốt PIN. Ăng- Hình 1. Cấu trúc và các tham số hình học của ăng-ten mảng phản xạ. ISBN 978-604-80-7468-5 67
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) chúng được lượng tử thành hai trạng thái 0o và 180o số điện môi là 2,2 và độ dày 3,175 mm được sử dụng như công thức (2). để thiết kế phần tử. Kích thước chi tiết của cấu trúc  0o , −90o   ( xi , yi )  90o được trình bày trong Bảng 1. Phần tử gồm có hai lớp  ( xi , yi ) =  o o . (2) đồng ở trên và ở dưới. Lớp đồng ở trên bao gồm bốn 180 ,90   ( xi , yi )  270 o mạch vi dải hình chữ nhật được xẻ khe là thành phần cộng hưởng chính. Bốn đi-ốt PIN được đặt ở giữa để III. PHẦN TỬ PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH kết nối từng cặp mạch vi dải theo cả hai hướng x và y. Phần tử MPXTCH được thiết kế với bốn đi-ốt PIN Các đi-ốt này đóng vai trò là phần tử tích cực, dùng để từ hãng Skywork SMP1340-040. Đi-ốt này có ưu điểm tái cấu hình phần tử. Các đi-ốt này khi được “tắt/mở” là giá rẻ mặc dù chúng có suy hao lớn và phi tuyến hơn sẽ thay đổi tham số cộng hưởng của phần tử, tạo ra hai so với các đi-ốt PIN từ hãng MACOM. Mô hình của trạng thái pha phản xạ lệch nhau 180o. Trong thực tế, đi-ốt (Hình 2) được xác định bằng phương pháp TRL các đi-ốt này được “mở” khi được cấp một nguồn điện nhờ ống dẫn sóng [19] với các giá trị như sau: ROFF = áp khoảng 0,84 V (dòng điện khoảng 5 mA) và chúng 5 Ω, Cd = 0,125 pF, Ld = 122 pH và RON = 2,5 Ω. “tắt” khi cấp nguồn điện áp -12 V. Các khe giúp cố Cấu trúc của phần tử ăng-ten được trình bày trong định vị trí của các đi-ốt PIN, đồng thời chúng đóng vai Hình 3. Kích thước của phần tử là 12 mm x 12 mm, trò là các yếu tố cho phép thay đổi để đạt được băng nhỏ hơn một nửa bước sóng của tần số trung tâm (12 thông rộng như mong muốn. GHz). Chỉ một lớp chất nền Duroid RT5880 với hằng Lớp đất được xẻ rãnh xung quanh lỗ mạ (via), tạo ra bốn tấm mạch vi dải và chúng được hàn để kết nối với Bảng 1. Kích thước cụ thể của phần tử hai dây DC và hai dây GND để điều khiển bốn đi-ốt a l h ld lv g s w1 w2 12 7 3,175 0,95 0,85 0,12 0,15 0,6 0,3 PIN. Lớp đất là lớp phản xạ của phần tử nhưng do nó Đơn vị: mm bị xẻ rãnh nên lớp này không phản xạ hoàn toàn năng Cd Ld ROFF lượng điện từ trường. Vì thế, bốn tụ điện 27 pF kết nối (Tắt) các tấm ăng-ten vi dải này với khu vực còn lại để đóng đường tín hiệu RF (cao tần) đi qua để tạo thành một Ld RON lớp nền hoàn hảo. Ưu điểm của phương pháp cấp (Mở) nguồn DC này là tạo ra sự cách ly cao giữa tín hiệu DC và RF so với các cấu trúc khác [16]. Hình 2. Mạch tương đương của đi-ốt PIN. Để hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của phần tử, tác giả đã mô hình phần tử bằng hai mạch điện tương ld z Đi-ốt PIN đương với hai trạng thái “tắt” và “mở” như Hình 4. y x Lớp đồng trên cùng của phần tử ăng-ten có 4 ăng-ten a lv Đi-ốt PIN vi dải như đã trình bày ở trên. Mỗi ăng-ten vi dải này được mô hình hóa bằng một cuộn cảm Lp nối tiếp với h w2 tụ điện Cp. Mỗi ăng-ten vi dải đó cũng được kết nối với w1 l (b) g lớp đất bằng một lỗ mạ để điều khiển các đi-ốt PIN. Mỗi lỗ mạ được mô hình hóa như một cuộn cảm Lv, song song với mạch đã mô hình của một phần tử vi dải. Tụ Mỗi phần tử có hai cặp ăng-ten vi dải. Mỗi cặp ăng-ten GND DC vi dải này được liên kết với nhau bằng một đi-ốt PIN Mặt đất (a) theo cả hai hướng x và y. Do vậy, khi trạng thái s “tắt/mở” của các đi-ốt thay đổi, cấu trúc mạch cộng DC GND hưởng cũng bị thay đổi, làm tần số cộng hưởng và pha phản xạ của phần tử bị thay đổi tương ứng 180o. Vì hai (c) cặp ăng-ten vi dải giống nhau nên tác giả chỉ mô hình Hình 3. Mô hình phần tử: (a) Mô hình 3D; (b) Mặt trên; (c) mặt dưới. hóa một cặp. Mỗi cặp ăng-ten này được mô hình hóa Lp 5W Lp thành hai mạch điện như trong Hình 4a và 4b, tương 125 fF 122 pH ứng cho các trạng thái “tắt” và “mở”. Lưu ý, hai mạch Đi-ốt PIN (Tắt) này chỉ mô hình phần tử với trường điện từ tuyến tính Cp Lv Cp Lv với véc-tơ điện trường theo trục x như Hình 3. Do đó, (a) liên kết tương hỗ (mutual coupling) giữa hai ăng-ten vi Lp Lp dải theo hướng trục y là nhỏ nên có thể bỏ qua và không 122 pH 2.5 W được đưa vào mô hình hóa. Phần tử được mô phỏng bằng phương pháp chu kỳ Cp Lv Đi-ốt PIN (Mở) Cp Lv (periodic method) với nguồn kích thích là sóng phẳng (b) từ cổng Floquet. Các hệ số phản xạ, truyền qua và pha phản xạ của phần tử được vẽ trong Hình 5. Vì phần tử Hình 4. Mạch tương đương của phần tử: (a) Đi-ốt tắt; (b) Đi-ốt mở. được đề xuất có cấu trúc đối xứng nên phân cực theo ISBN 978-604-80-7468-5 68
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) PHÂN CỰC Y LHCP 0 0 -40 -40 ||(X-Pol), |T|(Co-Pol) [dB] -0.5 ||(X-Pol), |T|(Co-Pol) [dB] -0.4 -60 -50 || (Co-Pol) [dB] || (Co-Pol) [dB] -1 -0.8 -80 -60 -1.5 (c) (a) -1.2 -100 -70 -2 Co-Pol (0) -1.6 X-Pol (0) -120 Co-Pol (1) -80 X-Pol (1) -2.5 Co-Pol_Trans (0) X-Pol (0) -2 -140 -90 Co-Pol (0) Co_Pol_Trans.(0) Co-Pol_Trans (1) X-Pol (1) Co-Pol (1) Co_Pol_Trans.(1) -3 -2.4 -160 9 10 11 12 13 14 15 9 10 11 12 13 14 15 Tần số [GHz] Tần số [GHz] 80 200 80 210 Độ lệch pha Độ lệch pha 0 0 195 180 Pha phản xạ [°] Độ lệch pha [°] Pha phản xạ [°] Độ lệch pha [°] -80 -80 180 -160 160 -160 165 (b) (d) -240 150 -240 140 -320 135 -320 Pha (0) Pha (0) Pha (1) -400 Pha (1) 120 -400 120 105 -480 11 9 12 1013 14 15 9 10 11 12 13 14 15 Tần số (GHz) Tần số [GHz] Hình 5. Kết quả mô phỏng phần tử đối với nguồn kích thích là sóng phẳng: Hệ số phản xạ, hệ số truyền qua (trans) (a), pha phản xạ (b) của phân cực hướng y; Hệ số phản xạ, hệ số truyền qua (trans) (c), pha phản xạ (d) của phân cực LHCP. 0: Đi-ốt PIN “tắt”; 1: Đi-ốt PIN “mở”. hướng x và y không khác nhau nhiều và vì thế, tác giả 192 mm. Ăng-ten được cấp nguồn bởi một ăng-ten loa chỉ trình bày các kết quả mô phỏng đối với phân cực có độ lợi khoảng 14 dBi tại tần số trung tâm (12 GHz). tròn bên trái (LHCP) và phân cực y đại diện cho phân Ăng-ten MPXTCH sử dụng kiểu cấp nguồn lệch trục cực tròn và phân cực tuyến tính. Các kết quả mô phỏng để tránh hiệu ứng che khuất [20]. Ăng-ten loa được đặt của phân cực y được trình bày trong Hình 5a và 5b, tại tọa độ (xh; y; H) = (-120; 0; 156,6). Trục của ăng- trong khi kết quả đối với phân cực LHCP được trình ten loa đến gốc tọa độ tạo với trục z một góc θo = 28°. bày trong Hình 5c và 5d. Hình 5 cho thấy: phần tử có Trong nghiên cứu này, tác giả chỉ sử dụng 1 bit để tính năng phản xạ rất tốt đối với cả hai phân cực này. tái cấu hình các phần tử nên để điều hướng búp sóng Cụ thể, băng thông theo độ dịch pha 180o ± 20o của của ăng-ten, pha của từng phần tử trong mảng phản xạ phân cực tuyến tính là 40,6 % (từ 9,2 GHz đến 13,9 được điều khiển bằng cách “tắt” hoặc “mở” đồng thời GHz) và 33,8 % đối với phân cực LHCP (từ 9,26 GHz bốn đi-ốt PIN của mỗi một phần tử, tương ứng với hai đến 13,03 GHz). Trong các băng tần đó, hệ số phản xạ trạng thái pha “0°” hoặc “180°”. Phân bố pha của các đối với phân cực y và phân cực LHCP là lần lượt lớn phần tử trong ăng-ten này được tính toán theo công hơn -1,7 dB và -1,4 dB cho cả hai trạng thái “tắt” và thức (1) và chúng được lượng tử hóa thành hai pha hai “mở”. Hệ số phản xạ trung bình cho cả trạng thái “tắt” trạng thái pha như công thức (2). Hình 6 là một ví dụ và “mở” là từ -0,6 dB đến -1 dB cho cả hai phân cực. về phân bố pha của mảng phản xạ khi búp sóng chính Từ các kết quả mô phỏng này, có thể ước tính rằng hiệu được điều khiển để tạo búp sóng chính tại tại hướng suất bức xạ trung bình của phần tử đạt khoảng 90 % (b, b) = (0°, 10°). cho cả trạng thái “tắt” và “mở”. Độ lệch của hệ số phản Sau khi thiết kế, ăng-ten được mô phỏng để xác xạ trung bình ở trong các băng tần này chỉ khoảng 0,4 định các đặc trưng bức xạ. Đồ thị bức xạ khi thiết lập dB. Với kết quả này, phần tử đề xuất có thể được sử búp sóng chính tại hướng (b, b) = (90°, 0°) tại tần dụng để thiết kế ăng-ten MPXTCH băng thông rộng. số 12 GHz được minh họa trong Hình 7. Độ lợi lớn Hơn nữa, hệ số phản xạ của phân cực chéo và hệ số nhất ở tần số trung tâm (12 GHz) là 22,5 dBi. Do ảnh truyền qua nhỏ hơn -40 dB đối với cả hai phân cực. hưởng của hiệu ứng che khuất của ăng-ten loa cấp Đây là một kết quả tốt của phần tử sử dụng loại đi-ốt PIN giá rẻ và cấu trúc một lớp với chi phí chế tạo thấp so với cấu trúc nhiều lớp mặc dù dải tần số hoạt động 0o 180o lên đến 13,9 GHz. IV. ĂNG-TEN MẢNG PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH Dựa trên cấu trúc ăng-ten ở Hình 1, tác giả đã sử dụng phần tử đã đề xuất để thiết kế ăng-ten MPXTCH Hình 6. Trạng thái pha của các phần tử trong mảng khi hướng (16 x 16 phần tử) với kích thước mặt mở 192 mm x búp sóng chính được thiết lập tại (b, b) = (90°, 10°). ISBN 978-604-80-7468-5 69
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) 25 25 25 co-pol 20 x-pol H. suất M. mở Hiệu suất mặt mở [%] 15 22,5 20 10 Độ lợi [dB] 5 Độ lợi [dBi] 0 20 15 -5 -10 17,5 10 -15 -20 Độ lợi (YOZ, theta=0) -25 15 5 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 -30 -35 Tần số (GHz) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Theta [o] Hình 9. Độ lợi của ăng-ten tại góc cố định (φ = 90o, θ = 0o) và hiệu suất mặt mở theo tần số. Hình 7. Đồ thị phát xạ của ăng-ten khi thiết lập hướng búp sóng 25 chính tại góc (φ = 90o, θ = 0o) của tần số trung tâm 12 GHz.  = − 50 =0 20  = − 40  = 10  = − 30  = 20 25 25 15  = − 20  = 30  = −10 H. suất M. mở 10  = 40 Hiệu suất mặt mở [%]  = 50 Độ lợi [dBi] 22,5 20 5 Độ lợi [dB] 0 20 15 -5 -10 17,5 10 -15 Độ lợi tốt nhất 15 5 -20 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 Tần số [GHz] -25 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Theta [o] Hình 8: Độ lợi và hiệu suất mặt mở tốt nhất. Hình 10. Giản đồ phát xạ tại các góc trong mặt phẳng YOZ. nguồn và sai pha do số hóa nên mức búp sóng phụ chỉ Bảng 2. Đặc tính của các búp sóng tại tần số 12 GHz nhỏ hơn -17 dB. Mức phân cực chéo tại tần số này đạt Mức búp Mức phân Sai Theta Độ lợi sóng phụ cực chéo số góc được khá tốt, nhỏ hơn -27 dB, do phần tử có hệ số cách (°) (dBi) (dB) (dB) (°) ly phân cực tốt như trong phần III. -50 19,5 -14,0 -20,0 0,8 Độ lợi và hiệu suất mặt mở cực đại của ăng-ten tại -40 20,5 -15,2 -18,8 0,6 các tần số trong băng tần được trình bày trên Hình 8. -30 21,3 -16,6 -21,8 0 -20 21,5 -15,5 -23,3 0 Kết quả này cho thấy ăng-ten có độ lợi tốt nhất đạt -10 22,1 -18,3 -27,9 0 22,7 dBi tại tần số 14 GHz và hiệu suất cực đại đạt 24 0 22,5 -17,3 -27,0 0 % tại 12 GHz. Độ lợi của ăng-ten rất đồng đều với độ 10 22,2 -18,7 -27,7 0 lệch nhỏ hơn 2,5 dB. Băng thông 1-dB theo độ lợi tốt 20 21,9 -15,7 -24,4 0,5 30 20,8 -17,8 -21,2 0 nhất đạt 16 %, từ 12 GHz đến 14,5 GHz, băng thông 40 20,4 -15,2 -19,3 0,6 3-dB theo độ lợi tốt nhất đạt 32 %, từ 10,5 GHz đến 50 19,4 -14,5 -19,9 0,4 14,5 GHz. hơn 0,8o, mức phân cực chéo cũng rất tốt, luôn nhỏ Hiệu suất mặt mở của ăng-ten được tính theo công hơn -18,8 dB. Độ lợi giữa các góc chênh lệch khoảng thức (3) [21]: 3,1 dB. Mức búp sóng phụ luôn thấp hơn -14 dB. Đây G 2 (3) a = là một kết quả tốt đối với một ăng-ten mảng phản xạ 4 A tái cấu hình 1 bit. Trong đó G là độ lợi ăng-ten, λ là bước sóng, A là Bảng 3 trình bày sự so sánh giữa ăng-ten đề xuất diện tích mặt mở. với các kết quả nghiên cứu gần đây sử dụng đi-ốt PIN. Tại góc cố định, do hiện tượng sai pha theo tần số Kết quả cho thấy ăng-ten này đã có sự cải tiến đáng cũng như hiệu ứng che khuất, dẫn đến thay đổi góc kể về băng thông so với các nghiên cứu [13, 22]. Tuy búp sóng chính theo tần số và làm giảm băng thông tại nhiên, băng thông 1-dB thấp hơn nghiên cứu vừa công một góc cố định như Hình 9. Cụ thể, băng thông độ bố trong năm 2021 [15] và 2022 [16]. Bù lại, độ lợi lợi 3-dB tại góc (φ = 90o, θ = 0o) của ăng-ten này đạt của ăng-ten đạt cao nhất và hiệu suất mặt mở chỉ thấp 16 % (11, 5 GHz đến 13,5 GHz). Băng thông 1-dB đạt hơn nghiên cứu [16]. Đây là kết quả khá tốt đối với khoảng 12 % từ 11,5 GHz đến 13 GHz giảm 4 % đáng một ăng-ten MPXTCH sử dụng các đi-ốt PIN kể so với băng thông theo độ lợi cực đại. SMP1340-040 từ hãng skywork với chi phí thấp và Ăng-ten này có khả năng điều chỉnh hướng búp phi tuyến hơn so với đi-ốt PIN MADP-0090714020 từ sóng chính trong phạm vi ± 50o trong mặt phẳng YOZ hãng MACOM. như Hình 10. Kết quả cụ thể của đồ thị phát xạ tại các Các kết quả này đạt được là nhờ phần tử ăng-ten góc (Bảng 2) cho thấy ăng-ten có sai số góc chỉ nhỏ có độ dày lớn. Điều này giúp phần tử tạo ra được pha ISBN 978-604-80-7468-5 70
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Bảng 3. So sánh ăng-ten đề xuất với các nghiên cứu liên quan sử dụng đi-ốt PIN Tài liệu/năm [22]/2016 [13]/2019 [15]/2021 [16]/2022 Nghiên cứu này Tần số (GHz) 12,5 5,0 12,5 15,0 12,0 Số lớp chất nền 2 2 3 3 1 Loại đi-ốt PIN MADP-0090714020 SMP-1340-040 MADP-0090714020 MADP-0090714020 SMP-1340-040 Độ dày (mm) 2,08 2,7 3,357 2,54 3,175 Số phần tử 10 x 10 16 x 16 16 x 16 16 x 16 16 x 16 Độ lợi cực đại (dBi) 17,5 19,22 20,5 21,6 22,7 Hiệu suất mặt mở (%) 17,9 15,26 15,4 25 24 1-dB BW (%) Không công bố 8,4 15,4 22,5 12 Góc quét (o) ± 50o ± 50o ± 50o ± 60o ± 50o phản xạ tuyến tính. Hơn thế nữa, các cấu trúc phần tử reconfigurable large reflectarray using single-bit phase shifters," vol. 59, no. 7, pp. 2524-2531, 2011. cộng hưởng chính, các cấu trúc gắn đi-ốt, cấp nguồn, [8] S.-G. Lee, Y.-H. Nam, Y. Kim, J. Kim, and J.-H. Lee, "A cách ly và điều khiển được thiết kế hợp lý đã tạo được Wide-Angle and High-Efficiency Reconfigurable phần tử có độ dịch pha 180o và hệ số phản xạ tốt trong Reflectarray Antenna Based on a Miniaturized Radiating một băng tần rộng. Ngoài ra, cấu trúc sử dụng một Element," IEEE Access, vol. 10, pp. 103223-103229, 2022. [9] L. Dai et al., "Reconfigurable intelligent surface-based lớp chất nền cũng góp phần làm giảm suy hao, giúp wireless communications: Antenna design, prototyping, and ăng-ten đạt độ lợi tốt hơn. experimental results," IEEE Access, vol. 8, pp. 45913-45923, 2020. [10] Y. Liu et al., "Evolution of NOMA Toward Next Generation V. KẾT LUẬN Multiple Access (NGMA) for 6G," IEEE Journal on Selected Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất một phần tử Areas in Communications, vol. 40, pp. 1037-1071, 2022. [11] Z. Zhang et al., "Active RIS vs. passive RIS: Which will ăng-ten MPXTCH chỉ sử dụng một lớp chất nền và prevail in 6G?," arXiv preprint arXiv:2103.15154, 2021. bốn đi-ốt PIN giá rẻ. Phần tử đã đạt được băng thông [12] D. Pozar, "Bandwidth of reflectarrays," Electronics Letters, dịch pha 180o ± 20o đến 40,6 %. Một mảng ăng-ten vol. 39, no. 21, pp. 1490-1491, 2003. (16 x16) sử dụng phần tử này đã được thiết kế và mô [13] J. Han, L. Li, G. Liu, Z. Wu, Y. J. I. A. Shi, and W. P. Letters, "A wideband 1 bit 12× 12 reconfigurable beam-scanning phỏng. Kết quả cho thấy ăng-ten có độ lợi đạt 22,7 dbi reflectarray: design, fabrication, and measurement," vol. 18, tại 13 GHz và băng thông 1-dB đạt 12 %. Ăng-ten này no. 6, pp. 1268-1272, 2019. có khả năng quét búp sóng trong phạm vi ± 50o với sai [14] M.-T. Zhang et al., "Design of novel reconfigurable số góc nhỏ hơn 0,8o. Với kết quả như vậy, ăng-ten có reflectarrays with single-bit phase resolution for Ku-band satellite antenna applications," IEEE Transactions on thể sử dụng cho các hệ thống ra-đa, thông tin vệ tinh Antennas and Propagation, vol. 64, no. 5, pp. 1634-1641, tiên tiến, có yêu cầu quét búp sóng. 2016. [15] B. Xi, Y. Xiao, K. Zhu, Y. Liu, H. Sun, and Z. Chen, "1-Bit TÀI LIỆU THAM KHẢO Wideband Reconfigurable Reflectarray Design in Ku-Band," [1] J. H. Yoon, Y. J. Yoon, W.-s. Lee, and J.-h. So, "Square ring IEEE Access, vol. 10, pp. 4340-4348, 2021. element reflectarrays with improved radiation characteristics [16] S.-G. Zhou et al., "A Wideband 1-Bit Reconfigurable by reducing reflection phase sensitivity," IEEE Transactions Reflectarray Antenna at Ku Band," IEEE Antennas and on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 2, pp. 814-818, Wireless Propagation Letters, 2021. 2014. [17] R. R. Hornung and J. C. Frankosky, "Microwave laminate [2] C. Waldschmidt, J. Hasch, and W. J. I. J. o. M. Menzel, material considerations for multilayer applications," in 2007 "Automotive radar—From first efforts to future systems," European Microwave Conference, 2007, pp. 1425-1428: vol. 1, no. 1, pp. 135-148, 2021. IEEE. [3] S. Costanzo, F. Venneri, A. Borgia, and G. Di Massa, "A [18] H. D. Cuong, M.-T. Le, and N. Q. Dinh, "A Reflectarray Single-Layer Dual-Band Reflectarray Cell for 5G Antenna Using Crosses and Square Rings for 5G Millimeter- Communication Systems," International Journal of Wave Application," in 2020 International Conference on Antennas and Propagation, vol. 2019, p. 9479010, 2019. Advanced Technologies for Communications (ATC), 2020, [4] J. Huang, "Bandwidth study of microstrip reflectarray and a pp. 126-130: IEEE. novel phased reflectarray concept," in IEEE Antennas and [19] V. Niculae and U. Pisani, "TRL calibration kit for Propagation Society International Symposium. 1995 Digest, characterizing waveguide-embedded microstrip circuits at vol. 1, pp. 582-585. millimeter-wave frequencies," in IMTC/2002. Proceedings [5] J. H. Yoon, Y. J. Yoon, W.-s. Lee, and J.-h. So, "Broadband of the 19th IEEE Instrumentation and Measurement microstrip reflectarray with five parallel dipole elements," Technology Conference (IEEE Cat. No. 00CH37276), 2002, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 14, vol. 2, pp. 1349-1354: IEEE. pp. 1109-1112, 2015. [20] P. Nayeri, F. Yang, and A. Z. Elsherbeni, "Reflectarray [6] F. Wu, R. Lu, J. Wang, Z. H. Jiang, W. Hong, and K.-M. Luk, antennas: theory, designs, and applications," 2018. "A Circularly Polarized 1-Bit Electronically Reconfigurable [21] B. Xi, Y. Xiao, K. Zhu, Y. Liu, H. Sun, and Z. J. I. A. Chen, Reflectarray Based on Electromagnetic Element Rotation," "1-Bit wideband reconfigurable reflectarray design in ku- IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pp. 5585- band," vol. 10, pp. 4340-4348, 2021. 5595, 2021. [22] H. Yang et al., "A 1-Bit 10 x10 Reconfigurable Reflectarray [7] H. Kamoda, T. Iwasaki, J. Tsumochi, T. Kuki, O. J. I. T. o. Antenna: Design, Optimization, and Experiment," IEEE A. Hashimoto, and Propagation, "60-GHz electronically Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 6, pp. 2246-2254, 2016. ISBN 978-604-80-7468-5 71