Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin vô tuyến

i
_______________________________________________________________________________

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là công
trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả trong luận án là trung thực và chưa được các
tác giả khác công bố. Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ, rõ ràng và trung
thực.
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Lan


ii
_______________________________________________________________________________

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới TS Lâm Hồng Thạch và PGS.TS Bernard Journet
đã hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.
TS Vũ Văn Yêm, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi về mặt khoa học cũng như đóng góp các
ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành luận án này.
Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử Viễn thông,
Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các thành viên trong RF Lab
đã đồng hành và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thương nhất đến gia đình, những người đã động

viên, giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện cho tôi. Đây chính là động lực to lớn giúp tôi vượt
qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Lan


iii
_______________________________________________________________________________

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................... II
MỤC LỤC ......................................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... XI
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin ..................................................... 1
2. Những vấn đề còn tồn tại .......................................................................................................... 2
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 4
4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án ............................................................. 5
5. Cấu trúc nội dung của luận án ................................................................................................ 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI
THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG ........................................................................ 7
1.1. Giới thiệu chương ..................................................................................................................... 7
1.2. Giới thiệu về anten vi dải......................................................................................................... 7
1.3. Các tham số cơ bản của anten................................................................................................ 8
1.3.1. Băng thông ....................................................................................................... 9

1.3.2. Hiệu suất .......................................................................................................... 9
1.3.3. Hệ số định hướng ........................................................................................... 10
1.3.4. Trở kháng đầu vào ......................................................................................... 10
1.3.5. Hệ số tăng ích ................................................................................................ 10
1.3.6. Phân cực......................................................................................................... 11
1.4. Lý thuyết anten mảng ............................................................................................................ 13
1.5. Một số phương pháp cải thiện tham số cho anten mảng ................................................ 15
1.5.1. Một số phương pháp cải thiện băng thông cho anten mảng ............................ 15
1.5.2. Một số phương pháp cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng........................ 27
1.6. Kết luận chương 1................................................................................................................... 34
CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN BĂNG THÔNG CHO ANTEN MẢNG ........ 36
2.1. Giới thiệu chương ................................................................................................................... 36
2.2. Cải thiện băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng cấu trúc siêu vật liệu .............. 36


iv
_______________________________________________________________________________

2.2.1. Cấu trúc siêu vật liệu đề xuất ......................................................................... 36
2.2.2. Phân tích và thiết kế anten mảng .................................................................... 39
2.2.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm ................................................................. 44
2.3. Cải thiện băng thông cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng EBG và nhiều tầng điện môi 49
2.3.1. Cấu trúc EBG đề xuất .................................................................................... 49
2.3.2. Phân tích thiết kế anten mảng ........................................................................ 50
2.3.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm ................................................................. 51
2.4. Kết luận chương 2................................................................................................................... 56
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN MẢNG .. 57
3.1. Giới thiệu chương ................................................................................................................... 57
3.2. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng dựa trên việc phân bố lại dòng ................... 57
3.2.1. Cấu trúc DSS đề xuất ..................................................................................... 57

3.2.2. Một số tính chất quan trọng của DSS ............................................................. 59
3.2.3. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 4 𝑥 4 bằng Defected Substrate Structure ... 61
3.2.4. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 2 𝑥 2 bằng cách sử dụng cấu trúc siêu
vật liệu ..................................................................................................................... 75
3.3. Cải thiện hệ số tăng ích cho anten mảng 𝟒 𝒙 𝟒 sử dụng bề mặt phản xạ.................... 81
3.3.1. Tính toán các tham số cho FSS ...................................................................... 81
3.3.2. Áp dụng cho anten mảng 4 𝑥 4....................................................................... 82
3.3.3. Các kết quả mô phỏng và đo kiểm ................................................................. 83
3.4. Kết luận chương 3................................................................................................................... 89
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 91
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 95


v
_______________________________________________________________________________

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AF

Array Factor

Hệ số mảng

AMC

Artificial Magnetic Conductor

Vật dẫn từ nhân tạo

AR

Axial Ratio

Tỉ số trục

BW

Bandwidth

Băng thông

CCW

CounterClockwise

Ngược chiều kim đồng hồ

CPW

Co-planar Waveguide

Ống dẫn sóng đồng phẳng

CRLH

Composite Right/Left Handed

Cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp

CW

Clockwise

Chiều kim đồng hồ

DGS

Defected Ground Structure

Mặt phẳng đế không hoàn hảo

DNG

Double Negative

Vật liệu có hằng số điện môi và độ từ
thẩm âm

DSS

Defected Substrate Structure

Cấu trúc tầng điện môi không hoàn hảo

EBG

Electromagnetic Band Gap

Dải chắn điện từ

ECC

Envelope Correlation Coefficient

Hệ số tương quan đường bao

ENG

Epsilon Negative

Hằng số điện môi âm

FSS

Frequency Selecting Surface

Bề mặt chọn lọc tần số

HIS

High Impedance Surface

Bề mặt trở kháng cao

IEEE

Institute

of

Electrical

and Viện các kỹ sư điện và điện tử

Electronics Engineers
LH

Left Handed

Vật liệu bàn tay trái


vi
_______________________________________________________________________________

LHM

Left Handed Material

Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MNG

Mu Negative

Độ từ thẩm âm

MRS

Metamaterial Reflective Surface

Bề mặt phản xạ

MTM

Metamaterial

Siêu vật liệu

NRI

Negative Reflective Index

Chỉ số khúc xạ âm

PLH

Purely Left Handed

Vật liệu thuần LH

PRH

Purely Right Handed

Vật liệu thuần RH

RCS

Radar Cross Section

Diện tích phản xạ hiệu dụng

RH

Right Handed

Vật liệu bàn tay phải

RHM

Right Handed Material

Vật liệu theo quy tắc bàn tay phải

SLL

Sidelobe Level

Mức búp sóng phụ

SNG

Single Negative

Vật liệu một chỉ số âm

TE

Transverse Electric

Điện trường ngang

TEM

Transverse Electromagnetic

Điện từ trường ngang

TL

Transmission Line

Đường truyền

TM

Transverse Magentic

Từ trường ngang

UP-

Uni-planar EBG

Cấu trúc EBG đồng phẳng

Voltage Standing Wave Ratio

Tỉ số sóng đứng điện áp

WLAN Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

EBG
VSWR


vii
_______________________________________________________________________________

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình anten vi dải [7] .................................................................................. 7
Hình 1.2: Phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải [7]....................................... 8
Hình 1.3: Việc quay của vector E (a) và phân cực elip (b)[7] ...................................... 12
Hình 1.4: Mô hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z [29] ............... 14
Hình 1.5: Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái: vật liệu thông thường
(RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) ............................................................................... 16
Hình 1.6: Phân loại vật liệu theo ɛ và µ [20]................................................................. 17
Hình 1.7: Khúc xạ trong giữa hai môi trường: (a) RHM-RHM; (b) RHM-LHM ......... 19
Hình 1.8: Cấu trúc EBG ba chiều: (a) cấu trúc điện môi đống gỗ [26]; mảng tấm kim
loại ba cạnh nhiều tầng [11] ................................................................................................. 21

Hình 1.9: Cấu trúc EBG hai chiều: (a) cấu trúc hình nấm [62]; (b) cấu trúc đồng phẳng
(không sử dụng cột nối kim loại) [92] ................................................................................. 21
Hình 1.10: Mô hình sơ đồ tương đương của một tế bào đường truyền [74] ................. 22
Hình 1.11: Mô hình hộp cộng hưởng chữ nhật ............................................................. 23
Hình 1.12: Anten đa băng dựa trên cơ sở sử dụng nhiều mode [74]............................. 25
Hình 1.13: Mở rộng băng thông bằng cách tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp [83]. 26
Hình 1.14: Độ rộng chùm Gauss w(z) là một hàm của khoảng cách z [110] ............... 29
Hình 1.15: Phân loại FSS theo đáp ứng tần số: (a) thông thấp, (b) thông cao, (c) thông
dải, (d) chắn dải [72] ............................................................................................................ 32
Hình 1.16: Mô hình anten vi dải với FSS dựa trên HIS (a); mô hình của Jerusalem cross
FSS [72] ............................................................................................................................... 33
Hình 1.17: Sơ đồ tương đương: anten vi dải (a); Jerusalem cross FSS (b) [72] ........... 33
Hình 2.1: Mô hình của những cấu trúc siêu vật liệu đề xuất và sơ đồ tương đương (mầu
tối là lớp đồng, màu sáng là vật liệu điện môi) .................................................................... 37
Hình 2.2: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng (b) ........ 38
Hình 2.3: Mô hình anten mảng: mặt trên (a); mặt dưới (b)........................................... 40
Hình 2.4: Mô hình của một phần tử anten..................................................................... 41
Hình 2.5: Mô hình bộ chia công suất (a) và các tham số S của nó (b).......................... 42
Hình 2.6: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc siêu vật liệu .................... 44
Hình 2.7: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có siêu vật liệu, (b) có siêu
vật liệu tại tần số trung tâm 8.15 GHz ................................................................................. 45
Hình 2.8: Hiệu suất và hệ số tăng ích của anten ........................................................... 45


viii
_______________________________________________________________________________

Hình 2.9: Đồ thị 2D của anten đề xuất tại tần số trung tâm 8.15 GHz ......................... 46
Hình 2.10: Phân bố dòng của anten: (a) không có MTM; (b) có MTM tại tần số 8.15
GHz ...................................................................................................................................... 46

Hình 2.11: Hình ảnh anten được chế tạo với Roger4350B ........................................... 47
Hình 2.12: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất ............... 47
Hình 2.13: Mô hình cấu trúc EBG: (a) Mô hình đề xuất và sơ đồ tương đương; (b) Cấu
trúc bù của EBG và sơ đồ tương đương............................................................................... 49
Hình 2.14: Mô hình của anten sử dụng nhiều tầng điện môi ........................................ 51
Hình 2.15: Mô hình của anten mảng đề xuất: (a) mặt trên, (b) mặt dưới ..................... 51
Hình 2.16: Mô hình lớp đất của anten với cấu trúc UP-EBG ....................................... 52
Hình 2.17: So sánh các tham số của anten khi sử dụng cấu trúc EBG đề xuất và UPEBG: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất .................................................... 52
Hình 2.18: So sánh các tham số của anten: (a) S11, (b) hệ số tăng ích, (c) hiệu suất ... 53
Hình 2.19: Các tham số của anten đề xuất: (a) hệ số phản xạ, (b) hệ số tăng ích và hiệu
suất ....................................................................................................................................... 53
Hình 2.20: Đồ thị bức xạ của anten: (a) 3D, (b) 2D tại tần số 11 GHz ......................... 54
Hình 2.21: Phân bố dòng của anten trong các trường hợp: (a) 1 tầng điện môi, (b) 2 tầng
điện môi, (c) 2 tầng điện môi với EBG tại tần số 11 GHz ................................................... 54
Hình 2.22: Mô hình của anten được chế tạo: (a) mặt trên, (b) mặt dưới....................... 55
Hình 2.23: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten ............................ 55
Hình 3.1: Mô hình DSS đề xuất: (a) mô hình; (b) sơ đồ tương đương của một đơn vị cấu
trúc ....................................................................................................................................... 58
Hình 3.2: Mô hình đường truyền vi dải thông thường (a); mô hình đường truyền vi dải
với DSS (b) .......................................................................................................................... 59
Hình 3.3: Mô hình của anten đề xuất với DSS.............................................................. 62
Hình 3.4: Mô hình của anten đề xuất: anten mảng và lớp điện môi thứ nhất (a); lớp điện
môi thứ hai với DSS và lớp đất (b) ...................................................................................... 62
Hình 3.5: (a) Mô hình của một phần tử lưỡng cực; (b) Mô hình của bộ chia công suất
............................................................................................................................................. 63
Hình 3.6: Hệ số phản xạ của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện
môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS ....................................................................... 64
Hình 3.7: Hệ số tăng ích của anten trong 3 trường hợp: hai tầng điện môi, hai tầng điện
môi với DGS, và hai tầng điện môi với DSS ....................................................................... 65

ix
_______________________________________________________________________________

Hình 3.8: Phân bố dòng anten với vật liệu Roger4350B trong ba trường hợp: 2 tầng điện
môi (a); 2 tầng điện môi với DGS (b); 2 tầng điện môi với DSS (c) tại tần số 10 GHz ...... 65
Hình 3.9: Sự khác biệt về đồ thị của anten trong ba trường hợp: (a) hai tầng điện môi,
(b) không có DSS, (c) DSS tại tần số 10 GHz ..................................................................... 66
Hình 3.10: Hiệu suất của anten trong các trường hợp mô phỏng.................................. 67
Hình 3.11: Mô hình của DSS với tấm điện môi FR4 .................................................... 68
Hình 3.12: Mô hình của anten với FR4: (a) anten mảng và lớp điện môi thứ nhất; (b) lớp
điện môi thứ hai với DSS và lớp đất .................................................................................... 69
Hình 3.13: Sự khác nhau về hệ số phản xạ của anten khi anten sử dụng FR4 và
Roger4350B ......................................................................................................................... 69
Hình 3.14: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích khi anten sử dụng Roger4350 và FR4 . 70
Hình 3.15: Sự khác nhau về đồ thị bức xa khi anten sử dụng (a) FR4 và (b) Roger 4350B
tại tần số 10 GHz ................................................................................................................. 70
Hình 3.16: So sánh hiệu suất của anten khi sử dụng Roger4350B và FR4 ................... 71
Hình 3.17: Các mặt phẳng xz, yz của anten với: Roger4350B (a); FR4 (b) tại 10 GHz
............................................................................................................................................. 71
Hình 3.18: Phân bố dòng của anten với vật liệu FR4 trong các trường hợp: (a) 2 tầng
điện môi; (b) 2 tầng điện môi với DGS; (c) 2 tầng điện môi với DSS tại tần số 10 GHz ... 72
Hình 3.19: Mô hình anten được chế tạo với Roger4350B: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô
hình tổng thể ........................................................................................................................ 73
Hình 3.20: Mô hình anten được chế tạo với FR4: (a) mặt trên, (b) DSS, (c) mô hình
tổng thể ........................................................................................................................... 73
Hình 3.21: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với Roger4350B 74
Hình 3.22: Kết quả mô phỏng và đo lường của hệ số phản xạ anten với FR4 .............. 74
Hình 3.23: Mô hình cấu trúc siêu vật liệu: cấu trúc đề xuất (a) và cấu trúc bù của nó (b) . 76
Hình 3.24: Mô hình mô phỏng và các tham số S (a) và các kết quả mô phỏng của cấu

trúc đề xuất (b) ..................................................................................................................... 77
Hình 3.25: Mô hình tổng thể của anten đề xuất ............................................................ 77
Hình 3.26: Mô hình chi tiết của anten đề xuất: (a) tầng bức xạ; (b) lớp đất ................. 78
Hình 3.27: Hệ số phản xạ của anten mảng .................................................................... 78
Hình 3.28: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất ................................... 79
Hình 3.29: Phân bố dòng của anten mảng 2 x 2 với cấu trúc siêu vật liệu đề xuất tại tần
số 5.8 GHz ........................................................................................................................... 79


x
_______________________________________________________________________________

Hình 3.30: Đồ thị bức xạ của anten mảng đề xuất: (a) 3D; (b) đồ thị 2D; (c) mặt phẳng
xz và yz tại tần số 5.8 GHz .................................................................................................. 79
Hình 3.31: Hình ảnh anten được chế tạo: (a) mặt trên; (b) mặt dưới ............................ 80
Hình 3.32: Kết quả mô phỏng và đo lường về hệ số phản xạ của anten mảng đề xuất 80
Hình 3.33: (a) Mô hình bề mặt phản xạ với FSS và (b) sơ đồ tương đương................. 82
Hình 3.34: Mô hình của một phần tử anten................................................................... 83
Hình 3.35: Mô hình anten mảng: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c), mô hình
tổng thể (d) ........................................................................................................................... 83
Hình 3.36: Hệ số phản xạ của anten có và không có cấu trúc siêu vật liệu .................. 84
Hình 3.37: Sự khác nhau trong hệ số tăng ích của anten: (a) không có bề mặt phản xạ,
(b) có bề mặt phản xạ ........................................................................................................... 85
Hình 3.38: Mô hình một tế bào ..................................................................................... 86
Hình 3.39: Các tham số của anten với một tế bào: hệ số phản xạ (a), hiệu suất và hệ số
tăng ích (b) ........................................................................................................................... 86
Hình 3.40: Hệ số phản xạ của anten (a), đồ thị bức xạ 3D (b) và đồ thị 2D (c) tại tần số
8.15 GHz .............................................................................................................................. 86
Hình 3.41: Hệ số tăng ích và hiệu suất của anten mảng đề xuất ................................... 87
Hình 3.42: Phân bố dòng của anten: (a) không có bề mặt phản xạ; (b) có bề mặt phản xạ

tại tần số 8.15 GHz .............................................................................................................. 87
Hình 3.43: Sự khác nhau về đồ thị bức xạ của anten: (a) không có bề mặt phản xạ, (b)
có bề mặt phản xạ tại tần số 8.15 GHz ................................................................................ 88
Hình 3.44: Mô hình anten được chế tạo: mặt trên (a), mặt dưới (b), bề mặt phản xạ (c),
mô hình tổng thể (d)............................................................................................................. 89
Hình 3.45: Kết quả mô phỏng và đo lường hệ số phản xạ của anten đề xuất ............... 89


xi
_______________________________________________________________________________

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các tham số của một phần tử anten .............................................................. 42
Bảng 2.2: Một số tham số của cấu trúc siêu vật liệu ..................................................... 44
Bảng 2.3: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố ............................. 48
Bảng 2.4: Các tham số của cấu trúc EBG ..................................................................... 50
Bảng 3.1: Các tham số của DSS.................................................................................... 59
Bảng 3.2: Các tham số của bộ chia công suất ............................................................... 63
Bảng 3.3: Các tham số của một phần tử dipole ............................................................. 63
Bảng 3.4: Các tham số của DSS với FR4 ..................................................................... 68
Bảng 3.5: Các tham số của một phần tử trong mảng với FR4 ...................................... 68
Bảng 3.6: So sánh kết quả đạt được với một số kết quả đã công bố ............................. 75
Bảng 3.7: Các tham số của cấu trúc đề xuất.................................................................. 77
Bảng 3.8: Các tham số của anten đề xuất ...................................................................... 78
Bảng 3.9: So sánh kết quả đạt được với một số công bố gần đầy ................................. 81
Bảng 3.10:Các tham số của FSS ................................................................................... 82
Bảng 3.11: Các tham số của một phần tử anten ............................................................ 83
Bảng 3.12: Các tham số của mô hình một tế bào .......................................................... 86

1
_______________________________________________________________________________

MỞ ĐẦU

1. Anten mảng và ứng dụng trong các hệ thống thông tin
Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ
khác nhau như thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar, ... Trong những hệ thống này, anten
là một thành phần không thể thiếu và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng
dịch vụ. Bên cạnh đó, những hệ thống này cũng luôn yêu cầu anten phải có kích thước nhỏ
và trọng lượng nhẹ trong khi các tham số vẫn phải được cải thiện. Vì vậy, công nghệ vi dải
là sự lựa chọn tốt nhất để đáp ứng cho các yêu cầu trên. Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên
được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953 [25]. Phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên
mới được chế tạo. Những chiếc anten vi dải đầu tiên được phát triển bởi Howell [24] và
Munson [72]. Với những ưu điểm như kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ dàng chế tạo và
chi phí thấp, anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, anten vi dải cũng tồn
tại một số nhược điểm như: băng thông hẹp, hiệu suất và hệ số tăng ích thấp, công suất nhỏ.
Ngoài ra, trong một số ứng dụng đặc biệt, việc sử dụng anten đơn đã không đảm bảo được
yêu cầu về chất lượng hệ thống cũng như độ định hướng, hệ số tăng ích hay băng thông. Hơn
nữa, anten định hướng cao là cần thiết để bù lại sự suy giảm tín hiệu do việc truyền sóng ở
tầng khí quyển gây ra. Thêm vào đó, băng thông của anten trong những hệ thống này luôn
yêu cầu từ vài trăm MHz trở lên. Vì vậy, anten mảng đã ra đời để đáp ứng các yêu cầu trên.
Anten mảng là một tập hợp gồm ít nhất từ hai phần tử trở lên. Với những ưu điểm như băng
thông rộng, hệ số tăng ích và độ định hướng cao, anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như: thông tin vệ tinh [13], [32], [106], thông tin di động [62],
[103], [108], radar [38], [58], y tế [81], [97],...
Một đặc tính quan trọng khác của anten mảng mà không thể không nhắc tới đó là việc có
thể thay đổi và điều khiển đồ thị bức xạ [86], [39]. Không giống như anten đơn với đồ thị
bức xạ là cố định, việc có thể thay đổi và điều khiển đồ thị bức xạ đã mở ra những hướng
nghiên cứu mới trong việc xử lý tín hiệu để điều khiển búp sóng cho anten. Ngoài ra, thông

qua việc sử dụng anten mảng và kỹ thuật phân tập, có thể hạn chế ảnh hưởng của fading
cũng như tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng
thông. Điều này được thể hiện qua một số ứng dụng thông tin di động [96], đường sắt cao
tốc [94], …


2
_______________________________________________________________________________

Rõ ràng là anten mảng có một vị trí đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Để
nâng cao chất lượng của các hệ thống này, việc cải thiện các tham số cho anten mảng là rất
cần thiết. Hiện nay, có nhiều phương pháp đã được đề xuất để cải thiện các tham số cho
anten như: siêu vật liệu [46], [82], dải chắn điện từ (Electromagnetic Band Gap - EBG) [52],
[107], nhiều tầng điện môi [5], [18], cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (Defected Ground
Structure - DGS) [78], [102], bề mặt phản xạ [14], [69]. Mỗi phương pháp đều có những đặc
tính riêng. Vì vậy, cần lựa chọn và áp dụng đúng đắn các phương pháp vào từng trường hợp
cụ thể. Nếu như việc cải thiện băng thông cho anten bằng cách sử dụng nhiều tầng điện môi
dựa trên nguyên lý tăng chiều dày của tầng điện môi [36], thì việc cải thiện hệ số tăng ích
cho anten bằng việc sử dụng bề mặt phản xạ dựa trên đặc tính phản xạ để giảm thiểu búp
sóng phụ và búp sóng sau. Trong khi đó, phương pháp như DGS cải thiện tăng ích cho anten
bằng cách phân bố lại dòng cho anten. Chúng ta biết rằng việc bức xạ của anten vi dải được
xác định từ phân bố trường giữa phần tử bức xạ và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố
dòng điện trên bề mặt phần tử bức xạ [34]. Do đó, việc thay đổi hình dạng, kích thước và
chiều dày của mặt phẳng đất hay phần tử bức xạ sẽ dẫn đến việc thay đổi phân bố dòng của
anten. Điều này đã mở ra một cơ hội cho việc cải thiện một số tham số của anten.

2. Những vấn đề còn tồn tại
Công nghệ vi dải đang phát triển mạnh mẽ. Trong thời gian gần đây, công nghệ vi dải đã
và đang được ứng dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, trong đó có anten. Tuy nhiên, để đáp
ứng được sự đòi hỏi ngày càng khắt khe của khách hàng về chất lượng dịch vụ, việc cải thiện

các tham số cho anten là rất cần thiết và điều này đã đặt ra rất nhiều thách thức cho các nhà
nghiên cứu trong và ngoài nước. Điều này được thể hiện qua một số công trình được công
bố như sau:
Đã có nhiều đề xuất về anten mảng với các tham số được cải thiện trong các công trình
[20], [32], [51], [60], [90]. Tuy nhiên, còn nhiều hạn chế trong những công trình này. Cụ thể
như trong [32], mặc dù anten gồm 144 phần tử và được thiết kế tại băng X nhưng hiệu suất
của anten chỉ là trên 50%. Hiệu suất này là chưa cao, và do đó nó không đáp ứng được cho
ứng dụng vệ tinh ở băng X. Và hạn chế này cũng xảy ra ở trong kết quả nghiên cứu [60] khi
hiệu suất của anten chỉ là dưới 50% khi anten được thiết kế tại tần số trung tâm là 60 GHz.
Trong [51] mặc dù anten gồm 256 phần tử và được thiết kế tại 60 GHz nhưng phần trăm
băng thông của anten chỉ là 6.5%. Khi nhu cầu truyền thông băng siêu rộng ngày càng cao
thì với tỉ lệ băng thông chỉ là 6.5% sẽ không thể đáp ứng đủ cho các ứng dụng, đặc biệt là


3
_______________________________________________________________________________

trong các ứng dụng ở dải sóng milimet. Một anten mảng được thiết kế tại tần số 24 GHz
nhưng hệ số tăng ích của anten chỉ hơn 11 dBi. Thêm vào đó, băng thông của anten cũng
chỉ là 660 MHz [90]. Ngoài ra, trong tất cả các kết quả nghiên cứu ở trên, độ phức tạp của
anten là rất cao. Điều này dẫn đến khó khăn cũng như tăng chi phí sản xuất.
Trong một số nghiên cứu khác [19], [55], [74], [104], [109], cũng còn tồn tại nhiều tham
số của anten chưa được tối ưu. Ví dụ như trong [19], một mảng anten gồm 16 phần tử và
được thiết kế tại băng X. Tuy nhiên, hiệu suất của anten chỉ là 65%. Và điều này cũng xảy
ra tương tự với công trình [104] khi hiệu suất của anten là 41%. Hơn nữa, tỉ lệ phần trăm
băng thông của anten lần lượt chỉ là 4.37% và 4% trong các công bố [109] và [55] khi anten
được thiết kế tại các tần số trung tâm là 24 GHz và 9 GHz. Trong khi đó, một anten gồm 16
phần tử và được thiết kế ở tần số 12 GHz nhưng hệ số tăng ích chỉ là 11.1 dBi [74]. Rõ ràng
là với các tham số như ở trên thì anten không thể đáp ứng được cho các ứng dụng ngày nay.
Trong một nhóm những công trình khác [59], [101], [33], [68], [77], [88], [61], hầu hết

băng thông của anten còn rất hạn chế (tỉ lệ phần trăm băng thông dưới 10%). Ngoài ra, hiệu
suất của các anten ở những công trình này là rất thấp, thường dưới 60%. Cụ thể như, trong
[59], anten gồm 16 phần tử và được thiết kế tại tần số 60 GHz, nhưng tỉ lệ phần trăm băng
thông và hiệu suất của anten lần lượt là 14.4% (tại −6 dB) và 45.3%. Bên cạnh đó, một số
những nghiên cứu khác [68], [77] cũng tồn tại những hạn chế trên.
Hơn nữa, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten cũng là một vấn đề tồn tại trong các công
trình công bố [65], [100], [44]. Chẳng hạn như, trong [65], mặc dù anten gồm 16 phần tử và
được thiết kế tại tần số lớn hơn 11 GHz, nhưng hệ số tăng ích chỉ là 8.1 dBi. Hay với [44],
hệ số tăng ích của anten là 10.3 dBi khi anten được thiết thế tại tần số 10.5 GHz.
Rõ ràng là việc cải thiện tham số cho anten còn rất nhiều vấn đề và điều này có thể thấy
qua một số những công trình công bố được chỉ ra ở trên hay trong một số các nghiên cứu
[66], [98]. Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến, chúng ta không còn cách
nào khác là phải cải thiện các tham số cho mỗi thành phần trong chúng. Đối với anten cũng
không có sự ngoại lệ. Hơn nữa, trong các công trình công bố nói trên, anten được thiết kế sử
dụng các công nghệ như hốc cộng hưởng (cavity), ống dẫn sóng. Điều này đẫn dến việc tăng
chi phí sản xuất cũng như độ phức tạp của sản phẩm.
Nhìn chung, việc thiết kế tối ưu đồng thời nhiều tham số anten như băng thông, hiệu suất,


4
_______________________________________________________________________________

độ định hướng, hệ số tăng ích để đảm chất lượng dịch vụ với chi phí thấp, dễ dàng chế tạo
vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay.
Trong khi đó, điểm qua một số những luận án trong thời gian gần đây, nghiên cứu sinh
thấy như sau:
Năm 2014, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã
bảo vệ luận án với đề tài “Nghiên cứu phát triển cấu trúc EBG ứng dụng cho các hệ thống
thông tin vô tuyến thế hệ mới” [2]. Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ lọc đa băng, anten
đa băng và anten đơn MIMO.

Năm 2016 đã có một số luận án nghiên cứu về anten MIMO cho thiết bị đầu cuối di động
của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm (Đại học Bách khoa Hà Nội) [4] cũng như luận án nghiên
cứu về anten UWB của tác giả Lệ Trọng Trung (Học viện Kỹ thuật Quân sự) [3]. Đối tượng
nghiên cứu những luận án này đều là anten đơn và mục tiêu nghiên cứu của luận án này là
giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten.
Năm 2017, ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả Đặng Như Định đã bảo vệ luận
án với đề tài “Nghiên cứu, phát triển bộ lọc thông dải, bộ chia công suất, anten sử dụng
đường truyền phức hợp, vòng cộng hưởng và hiệu ứng viền của siêu vật liệu” [1]. Luận án
đã tập trung nghiên cứu một số cấu trúc như CRLH, SRR để thiết kế bộ lọc thông dải, bộ
chia công suất và các anten đơn. Do đó, chưa hề có bất kì việc nghiên cứu nào về việc sử
dụng các phương pháp để cải thiện tham số cho anten mảng.
Hiện nay, tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội có hai luận án tiến sĩ của các
tác giả Tống Văn Luyên và Tăng Thế Toan lần lượt nghiên cứu về đề tài “Nghiên cứu các
phương pháp định dạng và điều khiển búp sóng của mảng anten tích hợp trên mặt trụ” và
“Nghiên cứu phát triển anten mảng có độ lợi cao và mức búp sóng phụ thấp”. Trong khi đề
tài đầu tiên tập trung nghiên cứu thuật toán cho việc định dạng và điều khiển búp sóng thì
đề tài thứ hai nghiên cứu giải pháp giảm thiểu mức búp sóng phụ (SLL) của anten bằng cách
áp dụng phân bố Chebyshev.
Tất cả các nghiên cứu ở trên đã cho thấy rằng chưa có bất kì công trình nghiên cứu nào
nghiên cứu cải thiện đồng thời cũng như việc phân tích và tổng hợp cơ chế để cải thiện các
tham số như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng cho anten mảng. Điều này cho thấy
rằng việc nghiên cứu cải thiện các tham số cho anten mảng là rất cấp thiết.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
•

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:


5

_______________________________________________________________________________

- Nghiên cứu, đề xuất phương pháp mới để cải thiện đồng thời một số tham số cho
anten mảng như băng thông, hệ số tăng ích, độ định hướng...
- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc siêu vật liệu mới để cải thiện tham số cho anten
mảng.
- Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc EBG mới để cải thiện tham số cho anten mảng
•

Đối tượng nghiên cứu trong luận án bao gồm:

- Anten mảng vi dải có giá thành rẻ, chi phí thấp và dễ dàng chế tạo dựa trên công
nghệ anten phẳng (planar).
- Anten mảng lưỡng cực (dipole) sử dụng công nghệ vi dải.
•

Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu cải thiện một số tham số cho anten mảng hoạt động ở băng C hoặc
băng X (từ 11 GHz trở xuống) như băng thông, độ định hướng, hệ số tăng ích,
hiệu suất. Các công việc bao gồm: phân tích, tính toán, thiết kế và áp dụng vào
anten.

4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án
Việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện một số tham số cho anten trong luận án có ý
nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:
•
-

Ý nghĩa khoa học:

Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp để cải thiện một
số tham số cho anten mảng với cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo với chi phí thấp.

-

Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp vào hiểu biết chung cho các nghiên cứu
tiếp theo trong việc phân tích và thiết kế anten mảng sử dụng công nghệ vi dải.
•

-

Ý nghĩa thực tiễn:

Các giải pháp cải thiện một số tham số cho anten nhằm nâng cao chất lượng của anten
và là cơ sở để các nhà sản xuất chế tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn trong
tương lai.

-

Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết kế
anten mảng nói riêng và anten nói chung. Từ đó nhằm cải thiện các tham số của anten
để có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ.

Những đóng góp khoa học của luận án:
-

Một phương pháp DSS (Defected Substrate Structure) được đề xuất để cải thiện đồng
thời một số tham số cho anten dựa trên cơ sở phân bố lại dòng bề mặt và hốc cộng

6
_______________________________________________________________________________

hưởng được đề xuất. Đồng thời, phương pháp được mô hình hóa và tính toán theo sơ
đồ mạch tương đương LC.
-

Đề xuất cấu trúc siêu vật liệu để cải thiện một số tham số cho anten mảng và phân
tích, tính toán theo sơ đồ tương đương LC của cấu trúc.

-

Đề xuất cấu trúc EBG để cải thiện tham số cho anten mảng và phân tích, tính toán
theo sơ đồ tương đương LC.

5. Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án bao gồm ba chương.
Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về anten mảng và nguyên lý hoạt động của anten
vi dải; những ưu nhược điểm của anten vi dải và các giải pháp để cải thiện tham số cho anten
cũng được trình bày trong chương này. Cụ thể là, những nguyên lý mở rộng băng thông và
cải thiện hệ số tăng ích cho anten dựa trên một số phương pháp như sử dụng cấu trúc siêu
vật liệu, bề mặt phản xạ và phân bố lại dòng cũng được trình bày trong chương này. Đây là
những nguyên lý quan trọng và là cơ sở để phát triển các phương pháp cũng như việc phân
tích, thiết kế anten được trình bày trong các chương tiếp theo.
Giải pháp cải thiện băng thông cho anten bằng cách áp dụng các nguyên lý ở chương 1
được đề xuất và thực hiện trong chương 2. Những cấu trúc siêu vật liệu mới được đề xuất và
áp dụng để cải thiện băng thông cho anten mảng 4 𝑥 4. Cấu trúc đề xuất có ưu điểm nhỏ gọn
và đồng phẳng. Vì vậy, nó dễ dàng cho việc chế tạo cũng như sản xuất với chi phí thấp. Hơn
nữa, để kiểm chứng sự ảnh hưởng của cấu trúc đề xuất tới các tham số của anten, luận án đã
mô phỏng và so sánh anten trong các trường hợp khác nhau.

Chương 3 đề xuất và thực hiện các giải pháp để cải thiện hệ số tăng ích cho anten. Dựa
trên nguyên lý phân bố lại dòng, luận án đã đề xuất một phương pháp mới là DSS để cải
thiện hệ số tăng ích cho anten. Thêm vào đó, việc cải thiện hệ số tăng ích cho anten thông
qua việc sử dụng bề mặt phản xạ cũng được trình bày trong chương này. Ngoài ra, luận án
còn phát triển một cấu trúc siêu vật liệu mới và nó được áp dụng để cải thiện tham số cho
anten mảng 2 𝑥 2. Các phương pháp đều được phân tích, tính toán lý thuyết, mô phỏng tối
ưu kết hợp với chế tạo và đo kiểm thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp đề
xuất.


7
_______________________________________________________________________________

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN THAM SỐ CHO ANTEN MẢNG

1.1. Giới thiệu chương
Chương này trình bày tổng quan về một số nội dung như: giới thiệu về anten vi dải, một
số tham số cơ bản của anten và lý thuyết anten mảng. Việc anten vi dải có một số hạn chế
như băng thông hẹp, tăng ích và hiệu suất thấp đã ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng dịch
vụ của các hệ thống vô tuyến. Vì vậy, những phương pháp cải thiện các tham số cho anten
cũng được trình bày trong phần này. Ở đây, nghiên cứu sinh tập trung vào các phương pháp
cải thiện băng thông và tăng ích cho anten. Đây chính là cơ sở để đưa ra những đề xuất cải
thiện các tham số cho anten ở trong các Chương 2 và 3.

1.2. Giới thiệu về anten vi dải
Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên được đưa ra bởi Deschamps vào năm 1953 [25]. Tuy
nhiên, phải mất 20 năm sau, anten vi dải đầu tiên mới được chế tạo. Cấu trúc của anten vi
dải gồm ba lớp: bức xạ, điện môi và lớp đất như được hiển thị trong Hình 1.1.

Hình 1.1: Mô hình anten vi dải [7]

Khi được cấp nguồn, việc phát xạ của một anten vi dải có thể được xác định bằng phân
bố trường giữa tấm phát xạ và mặt phẳng đất. Khi đó, lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu
trên tấm phát xạ làm chuyển dịch một số điện tích từ mặt dưới lên mặt trên của tấm bức xạ.
Sự dịch chuyển này đã tạo ra vector mật độ dòng ở mặt dưới Jb và vector mật độ dòng ở
mặt trên J t . Lực hút giữa các điện tích là chiếm ưu thế và hầu hết sự tập trung điện tích,
dòng vẫn tồn tại bên dưới khi tỉ số giữa chiều dày h của lớp điện môi và chiều rộng W của
tấm phát xạ là rất nhỏ. Như vậy, chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ vùng biên của


8
_______________________________________________________________________________

tấm bức xạ lên mặt trên của tấm bức xạ làm hình thành một trường từ nhỏ có chiều tiếp tuyến
với các vùng biên của tấm bức xạ.

Hình 1.2: Phân bố điện tích và dòng điện trên anten vi dải [7]

Kể từ khi ra đời, anten vi dải có nhiều ưu thế so với một số loại anten truyền thống khác
bởi một số ưu điểm như:
✓ Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ
✓ Dễ dàng chế tạo với chi phí thấp
✓ Dễ dàng tích hợp với các mạch tích hợp khác
✓ Có thể phân cực tuyến tính và phân cực tròn bằng việc cấp nguồn đơn giản
✓ Dễ dàng chế tạo anten hoạt động với nhiều dải tần khác nhau
Tuy nhiên, anten vi dải cũng tồn tại một số nhược điểm như:
✓ Băng thông hẹp
✓ Hệ số tăng ích thấp
✓ Công suất nhỏ

✓ Anten vi dải hầu hết chỉ bức xạ một nửa không gian phía trên
✓ Hiệu suất bức xạ thấp
Hiện nay, anten mảng sử dụng công nghệ vi dải được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực, chẳng hạn như thông tin vệ tinh [32], [106]; thông tin di động [62], [108]; radar [38];
y tế [81], … Để đáp ứng tốt cho các ứng dụng trên, việc cải thiện các tham số cho anten là
rất cần thiết. Để làm được việc này, luận án cần tìm hiểu chi tiết về các tham số của anten.
Sau đây, luận án sẽ lần lượt giới thiệu một số tham số của anten.

1.3. Các tham số cơ bản của anten
Anten có nhiều tham số khác nhau, tuy nhiên trong luận án này chỉ trình bày một số tham
số quan trọng của anten. Các tham số khác được trình bày trong [7], [30], [8].


9
_______________________________________________________________________________

1.3.1. Băng thông
Theo định nghĩa của IEEE, băng thông của anten được định nghĩa là dải tần mà hiệu suất
của anten với một số đặc tính là phù hợp với tiêu chuẩn quy định. Thông thường, băng thông
là khoảng tần số ở hai bên của tần số trung tâm mà ở đó các tham số như trở kháng vào, hệ
số tăng ích, hiệu suất bức xạ, phân cực… nằm trong khoảng chấp nhận được, tương tự như
tần số trung tâm. Vì vậy, để đạt được các tiêu chuẩn trên, băng thông thường được tính là
nơi mà tỉ số sóng đứng – VSWR nhỏ hơn 2.
Với anten băng thông rộng, băng thông có thể được miêu tả bằng tỉ số giữa tần số cực
đại và tần số cực tiểu, trong đó chất lượng anten có thể chấp nhận được:
𝑓

𝐵𝑊 = 𝑓𝑚𝑎𝑥

(1.1)

𝑚𝑖𝑛

Trong khi đó, với anten băng hẹp thì băng thông được miêu tả là tỉ lệ phần trăm giữa sự
sai khác tần số (nơi mà VSWR nhỏ hơn 2) so với tần số trung tâm:
𝐵𝑊 =

𝑓𝑚𝑎𝑥 −𝑓𝑚𝑖𝑛
𝑓0

× 100%

(1.2)

1.3.2. Hiệu suất
Hiệu suất có thể được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được bức xạ từ anten và công
suất mà anten nhận được [7]:
𝑃

𝜂 = 𝑃𝑟

𝑖𝑛

(1.3)

Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của anten mà có thể kể đến ở đây như: suy hao
của lớp điện môi, suy hao vật dẫn, công suất phản xạ, …
Bên cạnh đó, hiệu suất tổng của anten được định nghĩa là tích của hiệu suất phản xạ, hiệu
suất dẫn (conduction efficiency) và hiệu suất điện môi:
𝑒0 = 𝑒𝑟 𝑒𝑐 𝑒𝑑

(1.4)

trong đó: 𝑒0 : hiệu suất tổng, 𝑒𝑟 : hiệu suất phản xạ = 1 − |𝛤 2 | với 𝛤 là hệ số phản xạ, 𝑒𝑐 :
hiệu suất dẫn, và 𝑒𝑑 : hiệu suất điện môi.


10
_______________________________________________________________________________

1.3.3. Hệ số định hướng
Hệ số định hướng của anten được định nghĩa là tỉ số giữa cường độ bức xạ ở một hướng
khảo sát với cường độ bức xạ trung bình theo tất cả các hướng. Trong đó, cường độ bức xạ
trung bình của anten được tính bằng công suất phát xạ tổng của anten chia cho 4π. Do đó,
độ định hướng được cho bởi:
𝑈

4𝜋𝑈

0

𝑟𝑎𝑑

𝐷=𝑈 =𝑃

(1.5)

trong đó: 𝐷: độ định hướng; 𝑈: cường độ bức xạ; 𝑈0 : cường độ bức xạ của anten đẳng
hướng; 𝑃𝑟𝑎𝑑 : công suất bức xạ tổng.
Trong trường hợp hướng không được quy định trước thì nó chính là hướng mà cường độ

bức xạ đạt giá trị lớn nhất (hướng cực đại):
𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐷0

𝑈|𝑚𝑎𝑥
𝑈0

=

𝑈𝑚𝑎𝑥
𝑈0

=

4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥
𝑃𝑟𝑎𝑑

(1.6)

trong đó: 𝐷𝑚𝑎𝑥 : độ định hướng cực đại, 𝐷0 : hướng cực đại, 𝑈𝑚𝑎𝑥 : cường độ bức xạ cực
đại.
1.3.4. Trở kháng đầu vào
Trở kháng đầu vào của anten được định nghĩa là trở kháng tại điểm ngõ vào của nó hay
chính là tỉ số giữa điện áp và dòng điện ở đầu cuối ngõ vào. Tỉ số giữa điện áp và dòng điện
tại đầu cuối khi không có tải được định nghĩa là trở kháng của anten:
𝑍𝐴 = 𝑅𝐴 + 𝑗𝑋𝐴

(1.7)

trong đó: 𝑍𝐴 : trở kháng của anten (Ohms), 𝑅𝐴 : điện trở của anten (Ohms), 𝑋𝐴 : điện kháng
của anten (Ohms). Trong đó, 𝑅𝐴 được cho bởi:

𝑅𝐴 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝐿

(1.8)

Ở đây, 𝑅𝑟 là điện trở bức xạ của anten, 𝑅𝐿 là điện trở suy hao của anten. Ở đây, phần thực
của trở kháng lối vào được chỉ định như là điện trở bức xạ. Thông qua cơ chế của điện trở
bức xạ mà công suất được truyền từ sóng dẫn tới sóng không gian tự do.
1.3.5. Hệ số tăng ích
Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ ở một hướng khảo sát với cường


11
_______________________________________________________________________________

độ bức xạ của anten chuẩn thường là đẳng hướng khi công suất của hai anten là như nhau và
hiệu suất của anten chuẩn là 1. Vì vậy, cường độ bức xạ tương ứng với công suất bức xạ có
thể được tính bằng công suất lối vào của anten chia cho 4𝜋. Do đó, hệ số tăng ích của anten
được cho bởi biểu thức:
𝐺 = 4𝜋

𝑈(𝜃,𝜙)

(1.9)

𝑃𝑖𝑛

Trong khi đó, trong hầu hết mọi trường hợp, hệ số tăng ích tương đối được định nghĩa là
tỉ số giữa hệ số tăng ích công suất theo một hướng khảo sát với hệ số tăng ích công suất của
anten tham chiếu trong hướng đó khi công suất lối vào của hai anten là như nhau. Anten
tham chiếu thường là anten lưỡng cực (dipole), anten loa (horn) hoặc bất kì loại anten nào

mà hệ số tăng ích có thể tính được hoặc đã biết. Tuy nhiên, với hầu hết mọi trường hợp,
anten tham chiếu là một nguồn đẳng hướng không suy hao. Khi đó:
𝐺=𝑃

4𝜋𝑈(𝜃,𝜙)
𝑖𝑛 (𝑛𝑔𝑢ồ𝑛 đẳ𝑛𝑔 ℎướ𝑛𝑔 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑠𝑢𝑦

ℎ𝑎𝑜)

(1.10)

Khi hướng là không được quy định trước, thì tăng ích công suất thường được tính theo
hướng bức xạ cực đại.
Bên cạnh đó, chúng ta biết rằng công suất bức xạ tổng được cho bởi:
𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝑒𝑐𝑑 𝑃𝑖𝑛

(1.11)

trong đó 𝑒𝑐𝑑 là hiệu suất bức xạ của anten. Khi đó, ta có mối quan hệ giữa hệ số tăng ích
và hệ số định hướng của anten:
𝐺(𝜃, 𝜙) = 𝑒𝑐𝑑 𝐷(𝜃, 𝜙)

(1.12)

Tương tự như vậy, hệ số tăng ích cực đại được biểu diễn thông qua hệ số định hướng cực
đại:
𝐺0 = 𝐺(𝜃, 𝜙)|𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑐𝑑 𝐷(𝜃, 𝜙)|𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑐𝑑 𝐷0

(1.13)

1.3.6. Phân cực
Phân cực của anten trong một hướng cho trước được định nghĩa là sự phân cực của sóng
được phát bởi anten. Trong đó, sự phân cực của sóng là thuộc tính của sóng điện từ miêu tả
sự biến đổi hướng và độ lớn của vector điện trường theo thời gian. Cụ thể, nó là hình ảnh
của đầu mút của vector điện trường khi quan sát tại một điểm dọc theo hướng truyền sóng.


12
_______________________________________________________________________________

Có nhiều loại phân cực khác nhau như phân cực tròn, phân cực elip, phân cực tuyến tính.
Nếu vector điện trường tại một điểm trong không gian là hàm của thời gian và luôn hướng
theo một đường thẳng thì được gọi là phân cực tuyến tính. Trong khi, hình ảnh của vector
điện trường quét được là một hình elip, khi đó chúng ta thu được phân cực elip. Phân cực
tuyến tính và phân cực tròn là hai trường hợp đặc biệt của elip.
Chúng ta biết rằng, trường tức thời của một sóng phẳng chạy theo hướng z âm có thể được
viết như sau:

̂𝐶
̂𝐶
𝑪(𝑧, 𝑡 ) = 𝒂
𝑥 𝑥 (𝑧; 𝑡 ) + 𝒂
𝑦 𝑦 (𝑧; 𝑡 )

(1.14)

Theo (1.14), các thành phần tức thời liên quan đến đối số phức của chúng:
𝐶𝑥 (𝑧; 𝑡) = 𝑅𝑒[𝐸𝑥− 𝑒 𝑗(𝜔𝑡+𝑘𝑧) ] = 𝑅𝑒[𝐸𝑥𝑜 𝑒 𝑗(𝜔𝑡+𝑘𝑧+𝜙𝑥 ) ]
= 𝐸𝑥𝑜 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝑘𝑧 + 𝜙𝑥 )

(1.15)

𝐶𝑦 (𝑧; 𝑡) = 𝑅𝑒[𝐸𝑦− 𝑒 𝑗(𝜔𝑡+𝑘𝑧) ] = 𝑅𝑒[𝐸𝑦𝑜 𝑒 𝑗(𝜔𝑡+𝑘𝑧+𝜙𝑦 ) ]
= 𝐸𝑦𝑜 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝑘𝑧 + 𝜙𝑦 )

a)

(1.16)

b)

Hình 1.3: Việc quay của vector E (a) và phân cực elip (b)[7]

Ở đây, 𝐸𝑥𝑜 và 𝐸𝑥𝑜 lần lượt là độ lớn cực đại của các thành phần 𝑥 và 𝑦.
Với phân cực tuyến tính, sự khác pha giữa hai thành phần 𝑥 và 𝑦 phải là:
∆𝜙 = 𝜙𝑦 − 𝜙𝑥 = 𝑛𝑥,

𝑛 = 0,1,2,3 ⋯

(1.17)


13
_______________________________________________________________________________
1

∆𝜙 = 𝜙𝑦 − 𝜙𝑥 = {

+ (2 + 2𝑛) 𝜋, 𝑛 = 0,1,2 ⋯ 𝑥𝑢ô𝑖 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑘𝑖𝑚 đồ𝑛𝑔 ℎồ
1

− (2 + 2𝑛) 𝜋, 𝑛 = 0,1,2 ⋯ 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑘𝑖𝑚 đồ𝑛𝑔 ℎồ

(1.18)

Nếu hướng của truyền sóng bị đảo ngược (tức là hướng +𝑧), thì các pha trong phương
trình (1.18) cho xuôi chiều kim đồng hồ (𝐶𝑊) và ngược chiều kim đồng hồ (𝐶𝐶𝑊) sẽ được
hoán đổi.
Phân cực elip được định nghĩa thông qua tỉ số trục (𝐴𝑅). Ở đây, tỉ số giữa trục lớn và trục
bé được định nghĩa như sau:
𝐴𝑅 =

𝑡𝑟ụ𝑐 𝑙ớ𝑛
𝑡𝑟ụ𝑐 𝑏é

𝑂𝐴

= 𝑂𝐵

1 ≤ 𝐴𝑅 ≤ ∞

(1.19)

ở đây
1

1/2

1

1/2

2
2
4
4
2 2
𝑂𝐴 = [2 {𝐸𝑥𝑜
+ 𝐸𝑦𝑜
+ [𝐸𝑥𝑜
+ 𝐸𝑦𝑜
+ 2𝐸𝑥𝑜
𝐸𝑦𝑜 𝑐𝑜𝑠(2∆𝜙)]

2
2
4
4
2 2
𝑂𝐵 = [2 {𝐸𝑥𝑜
+ 𝐸𝑦𝑜
− [𝐸𝑥𝑜
+ 𝐸𝑦𝑜
+ 2𝐸𝑥𝑜
𝐸𝑦𝑜 𝑐𝑜𝑠(2∆𝜙)]

1/2

}]

(1.20)
1/2

}]

(1.21)

Độ nghiêng của elip liên quan tới trục 𝑦 được cho bởi:
𝜋

1

2𝐸𝑥𝑜 𝐸𝑦𝑜

𝜏 = 2 − 2 𝑡𝑎𝑛−1 [𝐸2

2
𝑥𝑜 −𝐸𝑦𝑜

𝑐𝑜𝑠(∆𝜙)]

(1.22)

Khi elip được căn theo trục chính (τ = nπ/2, n = 0,1,2,…) thì tỉ số trục sẽ là 𝐸𝑥𝑜 /𝐸𝑦𝑜 hoặc
𝐸𝑦𝑜 /𝐸𝑥𝑜 .

1.4. Lý thuyết anten mảng
Anten là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Tuy nhiên,
anten đơn thường có tính định hướng và hệ số tăng ích thấp. Vì vậy, trong một số ứng dụng
đặc biệt cần tính định hướng và hệ số tăng ích cao như đối với thông tin vệ tinh, radar … thì

anten đơn không đáp ứng được. Do đó, việc sử dụng anten mảng là sự lựa chọn tốt nhất để
đáp ứng cho các ứng dụng trên. Anten mảng là một tập hợp gồm ít nhất hai phần tử trở lên.
Các phần tử trong anten mảng có thể là bất cứ loại anten nào như anten patch, lưỡng cực,
vòng (loop), ... Trường tổng của một anten mảng được tính theo nguyên lý xếp chồng của
các trường bức xạ từ các phần tử độc lập. Hiện nay, có nhiều loại anten mảng khác nhau như
mảng tròn, mảng tuyến tính, mảng đồng phẳng (planar), mảng bảo giác (conformal array).


14
_______________________________________________________________________________

Trong một mảng anten gồm các phần tử giống nhau, có ít nhất năm yếu tố ảnh hưởng đến
bức xạ của anten mảng [7]:
•

Kiểu sắp xếp các phần tử

•

Khoảng cách giữa các phần tử

•

Biên độ dòng được kích thích trên mỗi phần tử

•

Pha của dòng được kích thích trên mỗi phần tử

•

Kiểu bức xạ của các phần tử

Hình 1.4: Mô hình anten mảng gồm N phần tử đẳng hướng theo trục z [30]

Bây giờ, để khảo sát hệ thống bức xạ, luận án sẽ bắt đầu khảo sát một mảng gồm 𝑁 phần
tử như được cho trong Hình 1.4 [30]. Giả sử rằng tất cả các phần tử có cùng biên độ, trong
khi đó 𝛽 là sự dịch pha giữa các phần tử lân cận.
Khi đó, hệ số mảng của đồ thị được cho bởi [30]:
𝑗(𝑛−1)(𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃+𝛽)
𝑗(𝑛−1)𝜓
𝐴𝐹 = ∑𝑁
= ∑𝑁
𝑖=1 𝑒
𝑖=1 𝑒

(1.23)

ở đây 𝜓 = 𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝛽, và 𝑁 là số lượng phần tử trong mảng. Khi đó, biểu thức (1.23)
có thể được viết lại như sau:
𝐴𝐹 =

1−𝑒 𝑗𝑁𝜓
1−𝑒 𝑗𝜓

=𝑒

𝑗(𝑁−1)𝜓/2

𝑁

2
1
𝑠𝑖𝑛( 𝜓)
2

𝑠𝑖𝑛( 𝜓)

(1.24)

Nếu điểm tham chiếu ở tâm của mảng, khi đó 𝐴𝐹 trong phương trình (1.24) được viết lại
thành:
𝐴𝐹 =

𝑁
2
1
𝑠𝑖𝑛( 𝜓)
2

𝑠𝑖𝑛( 𝜓)

Khi giá trị 𝜓 là rất nhỏ, biểu thức (1.25) có thể được tính xấp xỉ là:

(1.25)