1. Anten băng S cho vệ tinh Micro
1.1 Mẫu 1: Anten vi dải sử dụng siêu bề mặt điện từ
Mẫu chế tạo của ăng-ten băng S sử dụng siêu bề mặt điện từ được đưa ra trong Hình 1. Ăng-ten bao gồm một tấm bức xạ được kẹp giữa lớp đất và lớp siêu bề mặt điện từ và hai lớp điện môi. Tấm bức xạ được in lên mặt trên của lớp điện môi 1, là một tấm bức xạ hình vuông xoay 45° kết hợp với một khe trống để tạo bức xạ phân cực tròn. Một đường vi dải được thêm vào tấm bức xạ để cải thiện phối hợp trở kháng cho ăng-ten. Ăng-ten được tiếp điện trực tiếp bằng đầu nối SMA 50-Ω, phần bên ngoài của đầu nối tiếp kết nối trực tiếp với lớp đất (thiếc hàn), lõi trong của đầu nối kết nối với đường dải mở rộng của tấm bức xạ. Siêu bề mặt điện từ là một lưới 4 × 4 các tấm kim loại được in lên lớp điện môi 2. Sóng bề mặt trên siêu bề mặt điện từ được kích thích để tạo ra cộng hưởng và bức xạ phân cực tròn cho ăng-ten; kết hợp với cộng hưởng và bức xạ CP từ tấm bức xạ để đạt được đặc tính băng thông rộng.

Hình 1. Anten vi dải kết hợp siêu bề mặt điện từ

Đặc tính kỹ thuật của anten như sau:
- Băng tần hoạt động: 1940 – 2260 MHz
- Kích thước: 98 × 98 × 4 mm3
- Bức xạ định hướng
- Phân cực tròn phải
- Hệ số tăng ích 5.6 – 6.7 dBic trong băng tần hoạt động
- Hiệu suất bức xạ > 92 %
- Phối hợp trở kháng 50-Ω, giao tiếp chuẩn SMA 3.5-mm
1.2 Mẫu 2: Anten vi dải sử dụng siêu bề mặt điện từ kết hợp với tấm bức xạ ký sinh
Mẫu ăng-ten thể hiện trong hình 2 bao gồm tấm bức xạ, 8 tấm bức xạ ký sinh, 3 lớp điện môi, lớp siêu bề mặt điện từ và lớp đất. Tấm bức xạ là một vòng vuông cắt góc được kích thích nguồn bằng một cấu trúc vòng lặp. Tám tấm bức xạ ký sinh được sắp xếp xung quanh tấm bức xạ. Mặt bức xạ sẽ được in ở mặt trên của lớp điện môi 1, siêu bề mặt điện từ ở mặt trên của lớp điện môi 2, mặt phẳng đất ở mặt dưới lớp điện môi 3. Vật liệu chế tạo Ăng-ten là: Rogers RT/duroid®5880 Laminates, có hằng số điện môi ε = 2.2, hệ số tổn hao điện môi tanδ = 0.0009 và chiều dày lớp điện môi h = 1.575 mm. Ăng-ten được cấp nguồn trực tiếp bằng đầu nối SMA 50 Ω; phần bên ngoài của SMA được hàn trực tiếp với lớp đất, phần bên trong của nó xuyên qua 3 lớp điện môi rồi hàn với tấm bức xạ vòng lặp.

Hình 2: Mẫu chế tạo của ăng-ten vi dải sử dụng siêu bề mặt điện từ kết hợp với các tấm ký sinh sử dụng đế Rogers RT/duroid®5880 Laminates trong quá trình đo với máy phân tích mạng Keysight N5244A PNA-X.

Đặc tính kỹ thuật của anten như sau:
- Băng tần hoạt động: 1960 – 2380 MHz
- Kích thước: 100 × 100 × 4.725 mm3, chế tạo theo công nghệ vi dải
- Bức xạ định hướng
- Phân cực tròn phải
- Hệ số tăng ích 7.95 – 9.14 dBic trong băng tần hoạt động
- Hiệu suất bức xạ > 95 %
- Phối hợp trở kháng 50-Ω, giao tiếp chuẩn SMA 3.5-mm
2 Anten băng X cho vệ tinh Micro
2.1 Mẫu 1: Ăng-ten mảng 4×4 sử dụng mạch tiếp điện xoay pha tuần tự hai tầng
Anten mảng được được thể hiện trong Hình 3 với cấu hình phẳng trên mạch in diện tích 98 mm × 98 mm tương thích với bất kỳ cấu trúc chuẩn CubeSat nào. Nó bao gồm 4 × 4 ăng-ten siêu bề mặt điện từ, mỗi ăng-ten này gồm một tấm bức xạ có dạng hình vuông cắt vát hai góc để tạo bức xạ phân cực tròn và một mảng 4 × 4 siêu bề mặt điện từ hình vuông xếp chồng lên để cải thiện các đặc tính bức xạ. Mạch tiếp điện hình thành từ hai tầng mạch xoay pha tuần tự gồm 5 mạch tiếp điện xoay pha tuần tự tất cả.

(a)	(b)

 Hình 3: Nguyên mẫu chế tạo ăng-ten mảng tiếp điện xoay pha tuần tự 2 tầng: (a) Mảng 4 × 4, (b) Siêu bề mặt điện từ.

Đặc tính kỹ thuật của anten như sau:
- Băng tần hoạt động: 7680 – 8600 MHz
- Kích thước: 98 × 98 × 2 mm3
- Bức xạ định hướng
- Phân cực tròn phải
- Hệ số tăng ích 15 – 17 dBic trong băng tần hoạt động
- Hiệu suất bức xạ > 82%
- Phối hợp trở kháng 50-Ω, giao tiếp chuẩn SMA 3.5-mm
2.2 Mẫu 2: Ăng-ten mảng giảm nhỏ búp sóng phụ

Hình 4: Anten mảng giảm nhỏ búp sóng phụ

Hình 4 mô tả cấu trúc của ăng-ten với 4 × 4 phần tử ăng-ten đơn vi dải có cấu trúc xếp chồng, một mạng tiếp điện, một đầu tiếp điện SMA 50-Ω, mặt đất, 2 tấm điện môi và 1 tấm xốp định hình. Các miếng bức xạ chính và mạng tiếp điện được in lên mặt trên của tấm điện môi Sub.1, trong khi đó các phần tử ký sinh được in lên mặt dưới của tấm điện môi Sub. 2. Phần vỏ của đầu nối SMA được tiếp xúc với mặt đất, còn phần lõi đâm xuyên qua tấm điện môi Sub.1 và tiếp xúc với mạng tiếp điện. Hai lớp điện môi (Sub. 1 and Sub. 2) sử dụng vật liệu Rogers RT/DuroidTM 5880 (εr = 2.2, μr = 1, tanδ = 0.009, và hs1 = hs2 = 0.508 mm). Để định hình cấu trúc 3 lớp, một tấm xốp cứng từ nhà sản xuất Rohacell® (εr = 1.07, μr = 1, tanδ = 0.0006, và Hf = 2 mm) được đặt ở giữa 2 tấm điện môi. Mạng tiếp điện được cấu tạo từ 4 bộ chia không đồng đều đặt liên tiếp nhau giúp cho ăng-ten mảng có được năng lượng kích thích đầu vào ở các phần tử đơn là không đồng đều. Phần tử đơn sử dụng đường vi dải để tiếp điện cho phần tử bức xạ chính và một phần tử ký sinh giúp mở rộng băng thông. Để ăng-ten đạt phân cực tròn, chúng tôi sử dụng kỹ thuật cắt vát 2 đỉnh chéo và cắt slot ở phần tử bức xạ. Để giảm thiểu búp sóng phụ đến mức tối thiểu, một mạng tiếp điện không đồng nhất với các hệ số năng lượng tuân theo phân bố Delph-Chebyshev. Để đạt được phân bố năng lượng và phối hợp trở kháng như mong muốn, các đoạn đường truyền lambda/4 được sử dụng một cách linh hoạt. Các phần tử ngoại biên của mạng tiếp điện thực tế đã được thiết kế để có thể chậm pha 360° so với phần tử trung tâm, giúp cho tất cả các phần tử đều đồng pha.
Đặc tính kỹ thuật của anten như sau:
- Băng tần hoạt động: 7630 – 8600 MHz
- Kích thước: 100 × 100 × 3.016 mm3
- Bức xạ định hướng
- Phân cực tròn phải
- Hệ số tăng ích 17.8 – 19.2 dBic trong băng tần hoạt động
- Hiệu suất bức xạ > 95%
- Phối hợp trở kháng 50-Ω, giao tiếp chuẩn SMA 3.5-mm
3 Bộ thu phát băng S cho vệ tinh Micro
Sau quá trình nghiên cứu và tối ưu thiết kế, bộ thu phát băng S có kiến trúc đề xuất được trình bày trên hình 5. Để đảm bảo các bo mạch hoạt động ổn định tỏng môi trường vũ trụ, một số linh kiện quan trọng của mạch thu phát được lựa chọn như sau: đối với mạch thu băng S: mạch giới hạn công suất sửa dụng IC RLM-33+, mạch lọc sử dụng IC lọc (SXBP-2150+, TA0880A, LC filter), mạch đổi tần sử dụng IC SYM-30DLHW+, mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng 2 IC QPL9057, và mạch khuếch đại dung ADL5602; đối với mạch phát băng S: mạch tiền khuếch đại sử dụng IC MMG30271BT1, mạch khuếch đại công suất sửa dụng 1 IC PTFC270101M, và mạch giám sát công suất tuyến phát sử dụng IC trích mẫu LTC5564. Các mạch thu phát này được tối ưu tích hợp trên cùng một bo mạch như trong hình 6.

(a)

(b)
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý bộ thu/phát băng S: (a) Mạch thu và (b) Mạch phát

Hình 6: Mạch thu phát băng S hoàn chỉnh.

Đặc tính kỹ thuật của bộ thu phát băng S:
- Độ nhạy thu -80 dBm
- Công suất phát RF (4.05 – 4.19) W
- Tốc độ dữ liệu 96 Kbps
- Điều chế BPSK, QPSK
- Nguồn 18 VDC
- Giao tiếp cao tần SMA 50-Ω
- Giao tiếp dữ liệu SPI/RS422
- Kích thước 100  100  40 mm3 tương thích chuẩn CubeSat PC/104
4 Bộ phát băng X cho vệ tinh Micro

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý bộ phát băng X.

(a)	(b)

Hình 8: (a) Layout và (b) Bo mạch sau khi chế tạo của mạch phát băng X.

Sơ đồ khối tổng thể của bộ phát băng X được trình bày trong Hình 7. Bộ phát băng X bao gồm các khối chính như: khối khuếch đại trung tần 1, bộ nâng tần 1, bộ tạo dao động 1, bộ lọc IF2, khuếch đại trung tần 2, bộ nâng tần 2, bộ tạo dao động 2, bộ lọc cao tần, khối tiền khuếch đại, và khối khuếch đại công suất. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng IC khuếch đại công suất áp dụng công nghệ GaN cho phép linh kiện hoạt động ở băng thông rộng, hiệu suất cao, giới hạn chịu đựng nhiệt độ lớn. Quá trình cấp nguồn cho IC GaN phải theo 1 trình tự nhất định để tránh làm cháy, hỏng IC. IC khuếch đại băng X sử dụng IC GaN TGA3042-SM của hãng Qorvo.
Mạch phát băng X được chế tạo bằng công nghệ mạch in và được hàn lắp linh kiện để hoàn thiện. Hàn lắp lần lượt IC và các linh kiện tụ, trở, cảm, đầu nối. Chú ý đối với việc hàn lắp IC, đảm bảo các chân đều được hàn dính, bao gồm cả các chân đất ở gầm các IC. Layout và bo mạch sau khi chế tạo và hàn gắn linh kiện của bộ phát băng X được thể hiện trong Hình 8.
Đặc tính kỹ thuật của bộ phát băng X:
- Công suất phát RF (4.03 – 4.07) W
- Tốc độ dữ liệu 40Mbps
- Điều chế OQPSK, QPSK, 8PSK
- Mã hóa TCM/ Convolution
- Nguồn 24 VDC
- Giao tiếp cao tần SMA 50Ω
- Giao tiếp dữ liệu SPI/RS422
- Kích thước 100 x 100 x 40 mm3 tương thích chuẩn CubeSat PC/104

5 Quy trình thử nghiệm và đánh giá kết quả thử nghiệm phân hệ cao tần cho vệ tinh Micro trong môi trường vũ trụ

Hình 9: Quy trình thử nghiệm phân hệ cao tần cho vệ tinh Micro.

Một trình tự thử nghiệm điển hình được thiết lập bằng cách xem xét rằng thử nghiệm có khả năng gây ra sự phân tách của vệ tinh nhỏ để nếu một sự cố xảy ra. Thử nghiệm môi trường được thực hiện cuối cùng và làm theo trình tự của các môi trường mà các vệ tinh nhỏ sẽ trải nghiệm trong suốt chuyến bay vào quỹ đạo. Trình tự này bao gồm trên thực hiện các bài thử nghiệm về môi trường theo trình tự sau: rung, sóng âm và thử nghiệm nhiệt chân không. Trình tự này cũng giúp xác định độ rung và/hoặc các vấn đề sóng âm mà chỉ biết được sau khi chịu ứng suất nhiệt. Dựa vào đó, nhóm nghiên cứu đưa ra quy trình thử nghiệm cho phân hệ cao tần như trong Hình 9.
Chức năng của phân hệ cao tần được thử nghiệm tại Trung tâm kỹ thuật – Cục tần số vô tuyến điện Việt Nam và Viện Ra đa – Viện KH&CN quân sự. Thử nghiệm cấu trúc và nhiệt được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Viện Độ bền nhiệt đới - Trung tâm nhiệt đới Việt – Nga và Trung tâm Kiểm thử vệ tinh Nano, Viện công nghệ Kyushu, Nhật Bản. Các kết quả đo đạc chỉ ra rằng; các sản phẩm vượt qua được các bài đo. Về mặt chức năng, các sản phẩm của đề tài đạt được các yêu cầu kỹ thuật như trong thuyết minh đã được duyệt. Về thử nghiệm nhiệt và cấu trúc, các sản phẩm không thay đổi về mặt cảm quan và hoạt động bình thường sau thử nghiệm.

6. Bài báo và sách chuyên khảo đã công bố
6.1. Bài báo trên các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI/Scopus:
1) Son Xuat Ta, Van Du Le, Khac Kiem Nguyen, and Chien Dao-Ngoc, “Planar circularly polarized X-band array antenna with low-sidelobe and high aperture-efficiency for small satellites,” Int. J. RF Microw Comput. Aided Eng., vol. 29, no. 10, 2019; e21914.
2) Son Xuat Ta, Van Cuong Nguyen, Khac Kiem Nguyen, and Chien Dao-Ngoc, “Single-feed slotted-patch antenna loaded with metasurface for CubeSat applications,” Int. J. RF Microw Comput. Aided Eng., vol. 31, 2021; DOI: 10.1002/MMCE.22560
3) Son Xuat Ta, Khac Kiem Nguyen, and Chien Dao-Ngoc, “A planar wideband two-level sequentially rotated array antenna for X-band CubeSat,” Progress In Electromagnetics Research C, vol. 97, pp. 57–67, 2019.
6.2. Các bài báo tham gia Hội nghị Khoa học trong nước và quốc tế
1) Son Xuat Ta and Ikmo Park, “A circularly polarized antenna integrated with a solar cell metasurface for CubeSat,” 2018 Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 696 – 698, Kyoto, Japan, Nov. 2018.
2) Nguyen Khac Kiem et. al, "A Design of Circularly Polarized Array Antenna for X-Band CubeSat Satellite Communication," 2018 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Ho Chi Minh city, Vietnam, pp. 53 – 56, Oct. 2018.
3) Hoang Ha Bui, Van Du Le, Son Xuat Ta, Khac Kiem Nguyen, and Chien Dao-Ngoc, “Minimization of circularly polarized patch antenna using metasurface,” 2018 IEEE Seventh International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pp. 236 – 240, Hue, Vietnam, Jul. 2018.
7. Phát minh sáng chế
- Tạ Sơn Xuất, Nguyễn Khắc Kiểm, “Mảng anten phẳng phân cực tròn băng X với búp sóng phụ thấp và hiệu suất khẩu độ cao cho các vệ tinh cỡ nhỏ,” Công bố sở hữu công nghiệp số 377 tập A – Quyển 1 (08.2019)
8. Kết quả tham gia đào tạo
8.1. Hỗ trợ đào tạo 01 Tiến sỹ:
NCS: Lê Thị Cẩm Hà (Thành viên thực hiện đề tài)
GVHD: TS. Tạ Sơn Xuất (Chủ nhiệmđề tài)
8.2 Đào tạo 02 Thạc sỹ:
1) Học viên: Nguyễn Văn Cương
GVHD: TS. Tạ Sơn Xuất (Chủ nhiệm đề tài)
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết anten cho các vệ tinh cỡ nhỏ sử dụng siêu bề mặt điện từ
2) Họ viên: Bùi Nguyên Bảo
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Khang (Thành viên chính thực hiện đề tài)
Tên đề tài: Phân tích và thiết kế bộ phát tín hiệu băng S cho vệ tinh cấu trúc CubeSat