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
Hồng Đăng Cường1, Nguyễn Xn Sơn1, Lê Minh Thùy2*, Hồng Đình Thun1, 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: , , , ,

của các phần tử được lượng tử hóa thành các pha rời
rạc và chúng được điều khiển để thay đổi trạng thái
nhờ các phần tử tích cực. Ăng-ten MPXTCH có thể sử
dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại thế
hệ mới như hệ thống thông tin vệ tinh [6] phục vụ cho
các phương tiện di chuyển, hệ thống không dây thế hệ
mới WiGig [7], ra-đa [8] và mạng di động 5G [9]. Gần
đây, bề mặt phản xạ thông minh (IRIS hay RIS) đang
được đề xuất để ứng dụng cho mạng 6G [10, 11].
Nguyên lý hoạt động của bề mặt này giống như ăngten MPXTCH. Tuy nhiên, nó khơng 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
thường dùng các linh kiện bán dẫn như đi-ốt PIN, điốt biến dung và các vật liệu khác như chuyển mạch
MEMs (Micro-Electro-Mechanical systems), graphen
và tinh thể lỏng. Trong đó, chuyển mạch MEMs, đi-ốt
biến dung và đi-ốt PIN được sử dụng thường xuyên
hơn. Chuyển mạch MEMs có rất nhiều ưu điểm như

kích thước nhỏ, hệ số suy hao thấp và cơng suất tiêu
hao nhỏ. Mặc dù vậy, phần tử này không được phổ
biến so với đi-ốt biến dung và đi-ốt PIN vì nó có chi
phí chế tạo cao và số lượng nhà máy có thể gia cơng
được chuyển mạch này cũng rất ít. Đi-ốt biến dung là
linh kiện có sẵn trên thị trường và có thể tạo ra sự thay
đổi pha mịn nhưng mạch điều khiển cho loại đi-ốt này
rất phức tạp và chi phí cao. Đi-ốt PIN là linh kiện phổ
biến nhất để dịch pha của phần tử vì chúng có giá thành
rẻ, đa dạng, có sẵn trên thị trường và mạch điều khiển
của chúng cũng rất đơn giản.
Việc số hóa pha phản xạ làm băng thơng của ăngten MPXTCH rộng hơn ăng-ten MPX, nhưng độ lợi
giảm và mức búp sóng phụ tăng lên [12]. Tuy nhiên,
trong thực tế, băng thơng của ăng-ten MPXTCH khơng
đạt được như lý thuyết vì nó bị ảnh hưởng bởi hai thành
phần: cấu trúc của ăng-ten MPXTCH và băng thông
của phần tử. Giống như ăng-ten MPX, băng thông của
ăng-ten này cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng góc
nghiên do cấu trúc cấp nguồn của ăng-ten loa tạo ra.
Vì đặc tính này là bản chất của ăng-ten MPXTCH nên
nó rất khó cải thiện. Do đó, thơng thường, để cải thiện
băng thông của ăng-ten này, người ta thường cải tiến
băng thông của các phần tử. Nếu phần tử có băng thơng
rộng ngay cả trong các trường hợp góc tới nghiêng thì

Abstract— Trong bài báo này, tác giả 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 mơ

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 ± 50o. 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.
Keywords- ăng-ten mảng phản xạ, tái cấu hình, băng
rộng, 1 bit, đi-ốt PIN.

I.

GIỚI THIỆU

Ăng-ten mảng phản xạ (MPX) có thể xem là sự kết
hợp của ăng-ten gương và ăng-ten mảng pha vì cấu
trúc hình học của nó giống như ăng-ten gương nhưng
bề mặt gương lại được thay thế bằng nhiều phần tử
phản xạ với giá trị pha khác nhau. Ăng-ten này có
nhiều ưu điểm vượt trội hơn ăng-ten gương như chi phí
thấp, trọng lượng nhỏ, cấu trúc phẳng và dễ chế tạo do
mảng ăng-ten này được làm từ mạch in. So với các
ăng-ten mảng pha, nó cũng có nhiều lợi thế, đặc biệt là
về suy hao và chi phí. Kiểu cấp nguồn qua khơng khí
của nó có suy hao rất thấp so với mạng cấp nguồn bằng
mạch vi dải của ăng-ten mảng pha. Hơn nữa, ăng-ten
này không sử dụng các bộ khuếch đại, bộ trộn tín hiệu
tần số cao, bộ chuyển đổi tương tự sang số và bộ
chuyển đổi số sang tương tự. Nhờ vậy, nó có cấu trúc
đơn giản hơn, chi phí thấp và có tiềm năng ứng dụng
trong các hệ thống thơng tin vệ tinh [1], ra-đa [2], hệ

thống vi ba và 5G [3].
Băng thơng của ăng-ten MPX chỉ khoảng 3 % vì
nó được kế thừa đặc tính của ăng-ten vi dải [4]. Trong
những năm gần đây, tính năng này đã được nghiên cứu
và cải tiến rất nhiều nên băng thông 1-dB đã đạt đến
33,52 % [5].
Ăng-ten mảng phản xạ tái cấu hình (MPXTCH) là
một biến thể của ăng-ten MPX. Nó có khả năng điều
hướng búp sóng (beamforming) bằng cách thay đổi
pha của các phần tử trong mảng. Thông thường, pha

ISBN 978-604-80-7468-5

66


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

ăng-ten MPXTCH có thể đạt được băng thơng rộng.
Tuy nhiên, vì các phần tử tái cấu hình có các cấu trúc
phụ để lắp đặt linh kiện tích cực và các cấu trúc cấp
nguồn nên chúng tạo ra nhiều tham số ký sinh và suy
hao. Do vậy, băng thông của các phần tử này bị giảm
đáng kể và rất khó cải thiện.
Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung cải thiện băng
thông của phần tử MPXTCH. Nghiên cứu [16] đã thiết
kế một phần tử MPXTCH sử dụng phương pháp dây
chêm và hai đi-ốt PIN. Phần tử này đạt được băng
thông 10,5 %, từ 13,5 GHz đến 15,0 GHz cho dải pha
180o ± 20o. Tuy nhiên, nghiên cứu này đã không chế

tạo mảng. Một nghiên cứu khác đã đề xuất một phần
tử băng rộng sử dụng một đi-ốt PIN để kết nối hai ăngten vi dải hình chữ nhật [13]. Cấu trúc này khơng sử
dụng đường dây chêm mà xem đi-ốt PIN như một
thành phần cộng hưởng. Pha của phần tử được thay đổi
180o bằng cách “tắt/mở” đi-ốt PIN để thay đổi tham số
cộng hưởng của phần tử. Băng thông dịch pha 180o ±
20o của phần tử này đạt 12 % tại tần số 5 GHz. Ăngten mảng (12 x 12 phần tử) được chế tạo từ các phần
tử này có khả năng thay đổi búp sóng chính trong phạm
vi ± 50o với độ lợi cực đại đạt 19,22 dBi và băng thông
-1 dB đạt 8,4 %. Tài liệu [14] đã trình bày một phần tử
có cấu trúc khá phức tạp. Phần tử này sử dụng 4 lớp và
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
băng thông đến gần 20 % tại tần số 13,25 GHz. Mảng
(10 x 10 phần tử) của nó có khả năng qt búp sóng
chính trong phạm vi ± 40o với độ lợi tốt nhất đạt 16,5
dBi nhưng băng thông không được công bố. Gần đây,
tài liệu [15] đã đề xuất một phần tử, sử dụng cấu trúc
kiểu “microstrip-slot-microstrip” và hai đi-ốt PIN làm
bộ dịch pha. Băng thông phần tử cũng được 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
% và khả năng quét trong phạm vi ± 50o. Cho đến nay,
băng thông của các ăng-ten MPXTCH vẫn thấp hơn
ăng-ten MPX, cụ thể, băng thông 1-dB nhỏ hơn 23 %
[16] so với khoảng 33,52 % [5]. Do đó, việc cải tiến
băng thông cho ăng-ten MPXTCH vẫn rất cần thiết,
nhằm đáp ứng các nhu cầu về tốc độ dữ liệu của các hệ
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
nhưng nhược điểm là chi phí chế tạo cao do thường sử
dụng PCB nhiều lớp và số lượng lớn đi-ốt PIN, cỡ từ
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
một lớp để điều khiển phần tử tích cực. Cấu trúc mạch
in được ghép từ nhiều chất nền khác nhau gây ra sự
không đồng nhất trong cấu trúc PCB, suy hao và dịch
pha không mong muốn. Hơn thế nữa, cấu trúc này
khơng bền theo thời gian vì các lớp chất nền khác nhau
có hệ số giãn nở theo nhiệt độ khác nhau [17].
Trong bài báo này, tác giả đề xuất ăng-ten
MPXTCH băng rộng một bit sử dụng đi-ốt PIN. Ăng-

ISBN 978-604-80-7468-5

ten chỉ sử dụng một lớp chất nền cùng đi-ốt PIN giá rẻ
để tiết kiệm chi phí và tăng độ ổn định của ăng-ten.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau:
Phần II trình bày nguyên lý hoạt động của ăng-ten
MPXTCH. Phần III trình bày cấu trúc của phần tử ăngten và các tính năng của nó. Phần IV là cấu trúc và các
kết quả mơ phỏng của toàn bộ ăng-ten bao gồm cả ăngten loa và mảng. Phần IV là các kết luận của bài báo.
II.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĂNG-TEN MẢNG
PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH

Cấu trúc ăng-ten MPXTCH tương tự như ăng-ten
MPX (Hình 1) gồm có: một ăng-ten cấp nguồn (thường
là ăng-ten loa) và một mảng phản xạ. Mảng phản xạ

(kích thước D) bao gồm rất nhiều phần tử phản xạ. Mỗi
phần tử nhận năng lượng trường điện từ của nguồn cấp,
cộng hưởng với tín hiệu nhận được và phản xạ ngược
lại với một giá trị pha và biên độ.
Để tạo một búp sóng chính ở một hướng nào đó, pha
của các phần tử trong mảng cần tạo giá trị đồng pha tại
hướng đó, tương tự như nguyên lý của ăng-ten mảng
pha. Cụ thể, để tạo ra được một búp sóng ở hướng (b,
b), pha của các phần tử trong mảng có giá trị như công
thức (1) [18]:
 ( xi , yi ) = k0 ( Ri − sin  b cos b xi − sin  b sin b yi ) + 0 (1)
Trong đó  (xi, yi) là pha của phần tử thứ i tạo ra búp
sóng ở hướng (b, b); k0 là số sóng tại tần số trung
tâm; Ri là khoảng cách từ tâm pha của ăng-ten loa đến
phần tử thứ i; 0 là pha ban đầu.
Đối với ăng-ten MPX (chỉ phát xạ một hướng cố
định), pha của các phần tử là cố định và được tạo ra
bằng cách thay đổi kích thước phần tử hoặc thay đổi
độ dài dây chêm hoặc quay phần tử.
Đối với ăng-ten MPXTCH, để tạo ra các búp sóng
ở các hướng khác nhau, pha của mỗi phần tử cũng khác
nhau. Tuy nhiên, để dễ thiết kế và điều khiển, pha của
phần tử thường được lượng tử hóa thành các trạng thái
pha rời rạc. Trong hầu hết các nghiên cứu gần đây, số
pha của phần tử MPX đã được lượng tử hóa thành hai
(0o và 180o) hoặc bốn (0o, 90o, 180o và 270o) và chúng
được điều khiển bởi 1 bit hoặc 2 bit tương ứng. Ví dụ,
khi dùng 1 bit để điều khiển pha của phần tử, pha của

Nguồn

cấp

Tâm
pha

Hướng búp
sóng chính

z
Ri

H

y

D

θb
θ0

x

φb

(xi, yi)
xh

Hình 1. Cấu trúc và các tham số hình học của ăng-ten mảng phản xạ.

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
như công thức (2).
 0o , −90o   ( xi , yi )  90o
(2)
 ( xi , yi ) =  o o
.
o
180 ,90   ( xi , yi )  270
III.

số điện môi là 2,2 và độ dày 3,175 mm được sử dụng
để thiết kế phần tử. Kích thước chi tiết của cấu trúc
được trình bày trong Bảng 1. Phần tử gồm có hai lớp
đồng ở trên và ở dưới. Lớp đồng ở trên bao gồm bốn
mạch vi dải hình chữ nhật được xẻ khe là thành phần
cộng hưởng chính. Bốn đi-ốt PIN được đặt ở giữa để
kết nối từng cặp mạch vi dải theo cả hai hướng x và y.
Các đi-ốt này đóng vai trị là phần tử tích cực, dùng để
tái cấu hình phần tử. Các đi-ốt này khi được “tắt/mở”
sẽ thay đổi tham số cộng hưởng của phần tử, tạo ra hai
trạng thái pha phản xạ lệch nhau 180o. Trong thực tế,
các đi-ốt này được “mở” khi được cấp một nguồn điện
áp khoảng 0,84 V (dòng điện khoảng 5 mA) và chúng
“tắt” khi cấp nguồn điện áp -12 V. Các khe giúp cố
định vị trí của các đi-ốt PIN, đồng thời chúng đóng vai
trị là các yếu tố cho phép thay đổi để đạt được băng

thông rộng như mong muốn.
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
hai dây DC và hai dây GND để điều khiển bốn đi-ốt
PIN. Lớp đất là lớp phản xạ của phần tử nhưng do nó
bị xẻ rãnh nên lớp này khơng phản xạ hồn tồn năng
lượng điện từ trường. Vì thế, bốn tụ điện 27 pF kết nối
các tấm ăng-ten vi dải này với khu vực cịn lại để đóng
đường tín hiệu RF (cao tần) đi qua để tạo thành một
lớp nền hoàn hảo. Ưu điểm của phương pháp cấp
nguồn DC này là tạo ra sự cách ly cao giữa tín hiệu DC
và RF so với các cấu trúc khác [16].
Để hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của phần tử, tác
giả đã mơ hình phần tử bằng hai mạch điện tương
đương với hai trạng thái “tắt” và “mở” như Hình 4.
Lớp đồng trên cùng của phần tử ăng-ten có 4 ăng-ten
vi dải như đã trình bày ở trên. Mỗi ăng-ten vi dải này
được mơ hình hóa bằng một cuộn cảm Lp nối tiếp với
tụ điện Cp. Mỗi ăng-ten vi dải đó cũng được kết nối với
lớp đất bằng một lỗ mạ để điều khiển các đi-ốt PIN.
Mỗi lỗ mạ được mơ hình hóa như một cuộn cảm Lv,
song song với mạch đã mơ hình của một phần tử vi dải.
Mỗi phần tử có hai cặp ăng-ten vi dải. Mỗi cặp ăng-ten
vi dải này được liên kết với nhau bằng một đi-ốt PIN
theo cả hai hướng x và y. Do vậy, khi trạng thái
“tắt/mở” của các đi-ốt thay đổi, cấu trúc mạch cộng
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
cặp ăng-ten vi dải giống nhau nên tác giả chỉ mơ hình
hóa một cặp. Mỗi cặp ăng-ten này được mơ hình hóa

thành hai mạch điện như trong Hình 4a và 4b, tương
ứng cho các trạng thái “tắt” và “mở”. Lưu ý, hai mạch
này chỉ mơ hình phần tử với trường điện từ tuyến tính
với véc-tơ điện trường theo trục x như Hình 3. Do đó,
liên kết tương hỗ (mutual coupling) giữa hai ăng-ten vi
dải theo hướng trục y là nhỏ nên có thể bỏ qua và khơng
được đưa vào mơ hình hóa.
Phần tử được mơ phỏng bằng phương pháp chu kỳ
(periodic method) với nguồn kích thích là sóng phẳng
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
được đề xuất có cấu trúc đối xứng nên phân cực theo

PHẦN TỬ PHẢN XẠ TÁI CẤU HÌNH

Phần tử MPXTCH được thiết kế với bốn đi-ốt PIN
từ hãng Skywork SMP1340-040. Đi-ốt này có ưu điểm
là giá rẻ mặc dù chúng có suy hao lớn và phi tuyến hơn
so với các đi-ốt PIN từ hãng MACOM. Mơ hình của
đi-ốt (Hình 2) được xác định bằng phương pháp TRL
nhờ ống dẫn sóng [19] với các giá trị như sau: ROFF =
5 Ω, Cd = 0,125 pF, Ld = 122 pH và RON = 2,5 Ω.
Cấu trúc của phần tử ăng-ten được trình bày trong
Hình 3. Kích thước của phần tử là 12 mm x 12 mm,
nhỏ hơn một nửa bước sóng của tần số trung tâm (12
GHz). Chỉ một lớp chất nền Duroid RT5880 với hằng
a
12

Bảng 1. Kích thước cụ thể của phần tử

h
ld
lv
g
s
w1
3,175
0,95
0,85
0,12
0,15
0,6

l
7

Ld

Cd

w2
0,3

Đơn vị: mm

ROFF

(Tắt)
Ld

RON
(Mở)

Hình 2. Mạch tương đương của 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 3. Mơ hình phần tử: (a) Mơ hình 3D; (b) Mặt trên; (c) mặt dưới.
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 4. Mạch tương đương của phần tử: (a) Đi-ốt tắt; (b) Đi-ốt mở.

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

(a)

-2

Co-Pol (0)
Co-Pol (1)
Co-Pol_Trans (0)
Co-Pol_Trans (1)

-2.5
-3

9

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)

9

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]

0

Pha phản xạ [°]

Pha phản xạ [°]

-80

Độ lệch pha

0

-400

-70

-40

||(X-Pol), |T|(Co-Pol) [dB]

-60

-1.5

0

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

0

120

-480

105
11
12
13
14
9
10
11
12
13
14
15
Tần số (GHz)
Tần số [GHz]
Hình 5. Kết quả mơ 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”.

9

10

192 mm. Ăng-ten được cấp nguồn bởi một ăng-ten loa
có độ lợi khoảng 14 dBi tại 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 được đặt
tại tọa độ (xh; y; H) = (-120; 0; 156,6). Trục của ăngten loa đến gốc tọa độ tạo với trục z một góc θo = 28°.
Trong nghiên cứu này, tác giả chỉ sử dụng 1 bit để
tái cấu hình các phần tử nên để điều hướng búp sóng

của ăng-ten, pha của từng phần tử trong mảng phản xạ
được điều khiển bằng cách “tắt” hoặc “mở” đồng thời
bốn đi-ốt PIN của mỗi một phần tử, tương ứng với hai
trạng thái pha “0°” hoặc “180°”. Phân bố pha của các
phần tử trong ăng-ten này được tính tốn theo cơng
thức (1) và chúng được lượng tử hóa thành hai pha hai
trạng thái pha như cơng thức (2). Hình 6 là một ví dụ
về phân bố pha của mảng phản xạ khi búp sóng chính
được điều khiển để tạo búp sóng chính tại tại hướng
(b, b) = (0°, 10°).
Sau khi thiết kế, ăng-ten được mô phỏng để xác
định các đặc trưng bức xạ. Đồ thị bức xạ khi thiết lập
búp sóng chính tại hướng (b, b) = (90°, 0°) tại tần
số 12 GHz được minh họa trong Hình 7. Độ lợi lớn
nhất ở tần số trung tâm (12 GHz) là 22,5 dBi. Do ảnh
hưởng của hiệu ứng che khuất của ăng-ten loa cấp

hướng x và y không khác nhau nhiều và vì thế, tác giả
chỉ trình bày các kết quả mơ phỏng đối với phân cực
trịn bên trái (LHCP) và phân cực y đại diện cho phân
cực tròn và phân cực tuyến tính. Các kết quả mơ phỏng
của phân cực y được trình bày trong Hình 5a và 5b,
trong khi kết quả đối với phân cực LHCP được trình
bày trong Hình 5c và 5d. Hình 5 cho thấy: phần tử có
tính năng phản xạ rất tốt đối với cả hai phân cực này.
Cụ thể, băng thông theo độ dịch pha 180o ± 20o của
phân cực tuyến tính là 40,6 % (từ 9,2 GHz đến 13,9
GHz) và 33,8 % đối với phân cực LHCP (từ 9,26 GHz
đến 13,03 GHz). Trong các băng tần đó, hệ số phản xạ
đối với phân cực y và phân cực LHCP là lần lượt lớn

hơn -1,7 dB và -1,4 dB cho cả hai trạng thái “tắt” và
“mở”. Hệ số phản xạ trung bình cho cả trạng thái “tắt”
và “mở” là từ -0,6 dB đến -1 dB cho cả hai phân cực.
Từ các kết quả mô phỏng này, có thể ước tính rằng hiệu
suất bức xạ trung bình của phần tử đạt khoảng 90 %
cho cả trạng thái “tắt” và “mở”. Độ lệch của hệ số phản
xạ trung bình ở trong các băng tần này chỉ khoảng 0,4
dB. Với kết quả này, phần tử đề xuất có thể được sử
dụng để thiết kế ăng-ten MPXTCH băng thông rộng.
Hơn nữa, hệ số phản xạ của phân cực chéo và hệ số
truyền qua nhỏ hơn -40 dB đối với cả hai phân cực.
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
lên đến 13,9 GHz.
IV.

0o

180o

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
(16 x 16 phần tử) với kích thước mặt mở 192 mm x

ISBN 978-604-80-7468-5

Hình 6. Trạng thái pha của các phần tử trong mảng khi hướng

búp sóng chính được thiết lập tại (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

0

20
Theta [o]

40

60

80

15
5
10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5
Tần số (GHz)
Hình 9. Độ lợi của ăng-ten tại góc cố định (φ = 90o, θ = 0o) và
hiệu suất mặt mở theo tần số.

100

Hình 7. Đồ thị phát xạ của ăng-ten khi thiết lập hướng búp sóng
chính tại góc (φ = 90o, θ = 0o) của tần số trung tâm 12 GHz.
25

25
20
15

25
20

20

15

17,5

10
Độ lợi tốt nhất

10

Độ lợi [dBi]

22,5

Hiệu suất mặt mở [%]

H. suất M. mở

Độ lợi [dB]

25
H. suất M. mở

5
0
-5

-20
-25
-100 -80

-60

-40

-20

0
20
Theta [o]

40

60

80

100

Hình 10. Giản đồ phát xạ tại các góc trong mặt phẳng YOZ.
Bảng 2. Đặc tính của các búp sóng tại 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
0
-20
21,5
-15,5
-23,3
0
-10
22,1
-18,3
-27,9
0
0

22,5
-17,3
-27,0
0
10
22,2
-18,7
-27,7
0
20
21,9
-15,7
-24,4
0,5
30
20,8
-17,8
-21,2
0
40
20,4
-15,2
-19,3
0,6
50
19,4
-14,5
-19,9
0,4

nguồn và sai pha do số hóa nên mức búp sóng phụ chỉ
nhỏ hơn -17 dB. Mức phân cực chéo tại tần số này đạt
được khá tốt, nhỏ hơn -27 dB, do phần tử có hệ số cách
ly phân cực tốt như trong phần III.
Độ lợi và hiệu suất mặt mở cực đại của ăng-ten tại
các tần số trong băng tần được trình bày trên Hình 8.
Kết quả này cho thấy ăng-ten có độ lợi tốt nhất đạt
22,7 dBi tại tần số 14 GHz và hiệu suất cực đại đạt 24
% tại 12 GHz. Độ lợi của ăng-ten rất đồng đều với độ
lệch nhỏ hơn 2,5 dB. Băng thông 1-dB theo độ lợi tốt
nhất đạt 16 %, từ 12 GHz đến 14,5 GHz, băng thông
3-dB theo độ lợi tốt nhất đạt 32 %, từ 10,5 GHz đến
14,5 GHz.
Hiệu suất mặt mở của ăng-ten được tính theo cơng
thức (3) [21]:

hơn 0,8o, mức phân cực chéo cũng rất tốt, ln nhỏ
hơn -18,8 dB. Độ lợi giữa các góc chênh lệch khoảng
3,1 dB. Mức búp sóng phụ ln thấp hơn -14 dB. Đây
là một kết quả tốt đối với một ăng-ten mảng phản xạ
tái cấu hình 1 bit.
Bảng 3 trình bày sự so sánh giữa ăng-ten đề xuất
với các kết quả nghiên cứu gần đây sử dụng đi-ốt PIN.
Kết quả cho thấy ăng-ten này đã có sự cải tiến đáng
kể về băng thông so với các nghiên cứu [13, 22]. Tuy
nhiên, băng thông 1-dB thấp hơn nghiên cứu vừa công
bố trong năm 2021 [15] và 2022 [16]. Bù lại, độ lợi
của ăng-ten đạt cao nhất và hiệu suất mặt mở chỉ thấp
hơn nghiên cứu [16]. Đây là kết quả khá tốt đối với
một ăng-ten MPXTCH sử dụng các đi-ốt PIN

SMP1340-040 từ hãng skywork với chi phí thấp và
phi tuyến hơn so với đi-ốt PIN MADP-0090714020 từ
hãng MACOM.
Các kết quả này đạt được là nhờ phần tử ăng-ten
có độ dày lớn. Điều này giúp phần tử tạo ra được pha

(3)

Trong đó G là độ lợi ăng-ten, λ là bước sóng, A là
diện tích mặt mở.
Tại góc cố định, do hiện tượng sai pha theo tần số
cũng như hiệu ứng che khuất, dẫn đến thay đổi góc
búp sóng chính theo tần số và làm giảm băng thơng tại
một góc cố định như Hình 9. Cụ thể, băng thơng độ
lợi 3-dB tại góc (φ = 90o, θ = 0o) của ăng-ten này đạt
16 % (11, 5 GHz đến 13,5 GHz). Băng thông 1-dB đạt
khoảng 12 % từ 11,5 GHz đến 13 GHz giảm 4 % đáng
kể so với băng thông theo độ lợi cực đại.
Ăng-ten này có khả năng điều chỉnh hướng búp
sóng chính trong phạm vi ± 50o trong mặt phẳng YOZ
như Hình 10. Kết quả cụ thể của đồ thị phát xạ tại các
góc (Bảng 2) cho thấy ăng-ten có sai số góc chỉ nhỏ

ISBN 978-604-80-7468-5

=0
 = 10
 = 20
 = 30
 = 40

 = 50

-15

Hình 8: Độ lợi và hiệu suất mặt mở tốt nhất.

G 2
4 A

 = − 50
 = − 40
 = − 30
 = − 20
 = −10

-10

15
5
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
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-100 -80

Độ lợi [dB]

Độ lợi [dBi]

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

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
Tần số (GHz)
Số lớp chất nền
Loại đi-ốt PIN
Độ dày (mm)
Số phần tử
Độ lợi cực đại (dBi)

Hiệu suất mặt mở (%)
1-dB BW (%)
Góc qt (o)

[22]/2016
12,5
2
MADP-0090714020
2,08
10 x 10
17,5
17,9
Khơng công bố
± 50o

[13]/2019
5,0
2
SMP-1340-040
2,7
16 x 16
19,22
15,26
8,4
± 50o

[15]/2021
12,5
3
MADP-0090714020

3,357
16 x 16
20,5
15,4
15,4
± 50o

phản xạ tuyến tính. Hơn thế nữa, các cấu trúc phần tử
cộng hưởng chính, các cấu trúc gắn đi-ốt, cấp nguồn,
cách ly và điều khiển được thiết kế hợp lý đã tạo được
phần tử có độ dịch pha 180o và hệ số phản xạ tốt trong
một băng tần rộng. Ngoài ra, cấu trúc sử dụng một
lớp chất nền cũng góp phần làm giảm suy hao, giúp
ăng-ten đạt độ lợi tốt hơn.

[8]

[9]

[10]

V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất một phần tử
ăng-ten MPXTCH chỉ sử dụng một lớp chất nền và
bốn đi-ốt PIN giá rẻ. Phần tử đã đạt được băng thông
dịch pha 180o ± 20o đến 40,6 %. Một mảng ăng-ten
(16 x16) sử dụng phần tử này đã được thiết kế và mơ
phỏng. Kết quả cho thấy ăng-ten có độ lợi đạt 22,7 dbi
tại 13 GHz và băng thông 1-dB đạt 12 %. Ăng-ten này
có khả năng quét búp sóng trong phạm vi ± 50o với sai

số góc nhỏ hơn 0,8o. Với kết quả như vậy, ăng-ten có
thể sử dụng cho các 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
3
MADP-0090714020
2,54
16 x 16
21,6
25
22,5
± 60o

Nghiên cứu này
12,0
1
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 1 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.