Nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải có độ lợi cao, mức búp phụ thấp : Luận án TS. Kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông : 95202

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TĂNG THẾ TOAN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI CÓ
ĐỘ LỢI CAO, MỨC BÚP PHỤ THẤP

LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ,
TRUYỀN THÔNG

Hà Nội, 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TĂNG THẾ TOAN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI CÓ
ĐỘ LỢI CAO, MỨC BÚP PHỤ THẤP

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 9510302.02

LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ,
TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. TRƢƠNG VŨ BẰNG GIANG

Hà Nội, 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này
là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và
chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là
chính xác và trung thực.
Hà Nội, ngày ….. tháng ….. năm 2018.
Tác giả luận án

Tăng Thế Toan

i


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất
tới Thầy giáo hướng dẫn PGS. TS. Trương Vũ Bằng Giang vì những
định hướng, góp ý quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Sự
hiểu biết sâu rộng trong lĩnh vực anten, vô tuyến cùng phương pháp tư
duy, kĩ năng sống và làm việc khoa học và sự tận tình của Thầy đã giúp
tôi từng bước hoàn thành nghiên cứu này, định hướng cho tôi xây dựng
một phong cách sống và làm việc hiệu quả hơn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giảng viên trường Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt các Thầy, Cô
giảng viên Tổ Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông
đã nhiệt tình giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình
học tập cũng như thực hiện đề tài luận án. Đồng thời, tôi xin gửi lời

cảm ơn ThS. Nguyễn Minh Trần vì những đóng góp tích cực trong
nghiên cứu, thảo luận và hỗ trợ tôi trong quá trình mô phỏng, đo đạc
thực nghiệm.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người
thân trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã động viên, khích lệ, tạo
điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tăng Thế Toan

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC .......................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ........................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH ................. xi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Lí do chọn đề tài nghiên cứu ............................................................................. 1
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................... 3
Cấu trúc nội dung của luận án ........................................................................... 3
TỔNG QUAN ................................................................................................... 5
Phân tích và đánh giá những kết quả nghiên cứu đã có liên quan đến luận án 5
Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án ........................... 9
CHƢƠNG 13. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VI DẢI .................... 13
1.1. Tổng quan về anten mảng và các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính của

anten mảng vi dải ........................................................................................... 13
1.1.1. Mô hình anten mảng ...............................................................14
1.1.2. Anten mảng tuyến tính ............................................................16
1.1.3. Anten mảng phẳng ..................................................................19
1.1.4. Mạng tiếp điện của anten mảng ..............................................21
1.2. Phƣơng pháp trọng số trong thiết kế anten mảng.............................. 24
1.2.1. Trọng số pha ............................................................................24
1.2.2. Trọng số nhị thức ....................................................................25
iii


1.2.3. Trọng số Dolph-Chebyshev ....................................................26
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính bức xạ của anten mảng vi dải .. 30
1.4. Các phƣơng pháp giảm mức búp phụ cho anten mảng tuyến tính .. 31
1.5. Kết luận chƣơng 1................................................................................... 32
CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN LƢỠNG CỰC
MẠCH IN HAI MẶT VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ANTEN
MẢNG VI DẢI ............................................................................................... 33
2.1. Anten lƣỡng cực mạch in hai mặt......................................................... 33
2.1.1. Cấu trúc và hoạt động .............................................................33
2.1.2. Băng thông và trở kháng bức xạ .............................................35
2.1.3. Tiếp điện cho anten lưỡng cực mạch in hai mặt .....................37
2.2. Giải pháp thiết kế anten lƣỡng cực mạch in hai mặt ......................... 37
2.2.1. Phương pháp luận và qui trình thiết kế anten lưỡng cực mạch
in hai mặt ...........................................................................................37
2.2.2. Áp dụng qui trình thiết kế anten lưỡng cực mạch in hai mặt..40
2.2.3. Giải pháp điều chỉnh tần số làm việc của anten lưỡng cực
mạch in hai mặt .................................................................................43
2.2.4. Giải pháp mở rộng băng thông của anten lưỡng cực mạch in hai
mặt .....................................................................................................45

2.3. Anten mảng vi dải sử dụng phần tử anten lƣỡng cực mạch in hai
mặt ................................................................................................................... 47
2.3.1. Anten mảng vi dải tuyến tính phân bố biên độ giảm dần .......47
2.3.2. Anten mảng phẳng sử dụng phần tử anten lưỡng cực hai mặt 55
2.4. Kết luận chƣơng 2................................................................................... 59
CHƢƠNG 3. CÁC GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI
CÓ ĐỘ LỢI CAO VÀ MỨC BÚP PHỤ THẤP SỬ DỤNG TRỌNG SỐ
CHEBYSHEV ................................................................................................ 60
iv


3.1. Qui trình tổng quát thiết kế anten mảng ............................................. 60
3.2. Anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev có mức búp phụ
thấp .................................................................................................................. 64
3.2.1. Tính toán số lượng phần tử đơn ..............................................65
3.2.2. Thiết kế phần tử anten đơn......................................................66
3.2.3. Thiết kế mạng tiếp điện song song..........................................67
3.2.4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm .........................................72
3.3. Anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev có độ lợi cao và mức
búp phụ thấp .................................................................................................. 79
3.3.1. Tính toán số lượng phần tử .....................................................80
3.3.2. Thiết kế phần tử anten đơn......................................................80
3.3.4. Thiết kế mạng tiếp điện ...........................................................82
3.3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm .........................................88
3.4. Kết luận chƣơng 3................................................................................... 99
KẾT LUẬN ................................................................................................... 100
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 104

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Mô tả tiếng Anh

Mô tả tiếng Việt

AF

Array Factor

Hệ số mảng

BW

Bandwidth

Băng thông

DEA

Differential Evolution Algorithm

Thuật toán tiến hóa vi phân

DSPD

Double Sided Printed Dipole

Chấn tử mạch in hai mặt

DRAs

Dielectric Resonator Antennas

Anten cộng hưởng điện môi

GA

Genetic Algorithms

Thuật toán di truyền

GWCS

General Wireless Communications Dịch vụ truyền thông vô tuyến
Services

tổng hợp

HPBW

Half Power Beam Width

Độ rộng búp sóng nửa công suất

IES

Inter-Element Spacing

Khoảng cách các phần tử đơn

MMIC

Monolithic Microwave Integrated
Circuit

Khối mạch điện tích hợp cao tần

NSI

Nearfield Systems Inc

Hệ thống đo trường gần

PDAA

Planar Dipole Array Antenna

Anten mảng phẳng lưỡng cực

PCB

Printed Circuit Board

Bảng mạch in

PSO

Particle Swarm Optimization

Phương pháp tối ưu bầy đàn

SLL

Side Lobe Level

Mức búp phụ

ULA

Uniform Linear Array

Mảng tuyến tính đồng nhất

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Hệ số sóng đứng điện áp

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ vô tuyến

vi


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

TT

Kí hiệu

Đơn vị

1

CL

(F)

2

E

V/m

Điện trường

3

H

H/m

Từ trường

4

h

mm

Chiều cao của tấm nền

5

hg

mm

6

I

A

7

k

1/m

Hệ số sóng trong không gian tự do (k=2/)

8

L

mm

Chiều dài lưỡng cực vi dải

9

LL

(H)

10

RL

(Ω)

11

Rs

(Ω)

12

W

mm

13

ui

--

Trọng số biên độ

14

V

V

Điện áp

15

wi

--

Trọng số mảng

16

r

--

Hằng số điện môi

17

eff

--

Hằng số điện môi hiệu dụng

18



(0 )

Góc ngẩng

19



(0 )

Góc phương vị

Mô tả

Điện dung tương đương của đường truyền tiếp
điện

Khoảng cách từ lưỡng cực phẳng đến mặt
phẳng phản xạ
Dòng điện

Độ tự cảm tương đương của đường truyền tiếp
điện
Trở kháng đặc trưng tương đương của mặt
phẳng bức xạ anten DSPD
Trở kháng đặc trưng tương đương của đường
truyền tiếp điện
Chiều rộng lưỡng cực vi dải

vii


20



(0 )

Độ lệch pha

21

0

m

Bước sóng trong không gian tự do ()

22

g

m

Bước sóng trong môi trường

23



1/m

24



--

3.1415926535897932385

25



(0 )

Pha ban đầu

26

Zc

(Ω)

Trở kháng đặc trưng đường truyền

Hệ số truyền sóng trong môi trường (=2/g)

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 1.1: Trọng số biên độ của mảng tuyến tính 8×1 (SLL = -25 dB) ......... 29
Bảng 2.1: Tỉ lệ phần trăm rút ngắn chiều dài lưỡng cực ................................ 39
Bảng 2.2: Thông số thiết kế một số DSPD ..................................................... 41
Bảng 2.3: Thông số băng thông, độ lợi của mẫu anten DSPD ....................... 42
Bảng 2.4: So sánh băng thông các mẫu anten DSPD ..................................... 47
Bảng 2.5: Trọng số nhị thức mảng 10×1 phần tử ........................................... 48
Bảng 2.6: Phân bố biên độ giảm dần củao mảng 10×1 phần tử ..................... 48
Bảng 2.7: Thông số thiết kế mạng tiếp điện ................................................... 49
Bảng 2.8: Kết quả mô phỏng các tham số S của hệ thống tiếp điện .............. 50
Bảng 2.9: So sánh phân bố biên độ giữa lí thuyết và mô phỏng .................... 50

Bảng 2.10: Thông số thiết kế anten mảng vi dải 10×1 phần tử...................... 53
Bảng 2.11: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo....................... 55
Bảng 2.12: Thông số thiết kế anten DSPD ..................................................... 56
Bảng 2.13: Thông số thiết kế mảng (đơn vị: mm) .......................................... 57
Bảng 2.14: Tổng hợp kết quả đo đạc và mô phỏng ........................................ 59
Bảng 3.1: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev
.......................................................................................................................... 65
Bảng 3.2: Thông số thiết kế anten DSPD (đơn vị: mm) ................................ 67
Bảng 3.3: Trọng số biên độ Chebyshev cho mảng 8×1 (SLL = -30 dB) ....... 68
Bảng 3.4: Thông số của mạng tiếp điện Chebyshev 8×1 (SLL = -30 dB) .... 69
Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả mô phỏng tham số S tại tần số 4,95 GHz ......... 71
Bảng 3.6: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo......................... 78
Bảng 3.7: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev 79
Bảng 3.8: Thông số thiết kế phần tử anten DSPD .......................................... 81
Bảng 3.9: Phân bố biên độ Chebyshev cho mảng 10×1 (SLL = -30 dB) ...... 84

ix


Bảng 3.10: Trở kháng đặc trưng của mảng Chebyshev 10×1 (SLL = -30 dB)
.......................................................................................................................... 85
Bảng 3.11: Tổng hợp thông số thiết kế mạng tiếp điện 10×1 phân bố
Chebyshev ........................................................................................................ 86
Bảng 3.12: So sánh phân bố biên độ giữa lí thuyết và mô phỏng .................. 88
Bảng 3.13: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo....................... 98

x


DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Trang
Hình 1.1. Cấu trúc anten mảng điển hình ....................................................... 14
Hình 1.2. Mảng tuyến tính N phần tử ............................................................. 16
Hình 1.3. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng ULA (N=10, d= 0,75) ......... 18
Hình 1.4. Cấu trúc mảng phẳng chữ nhật ....................................................... 20
Hình 1.5. Mạng tiếp điện song song ............................................................... 21
Hình 1.6. Đường truyền vi dải chuyển đổi trở kháng phần tư bước sóng ..... 22
Hình 1.7. Bộ chia công suất vi dải hai đường ................................................. 22
Hình 1.8. Bộ chia công suất vi dải hai đường với bộ chuyển đổi phần tư bước
sóng .................................................................................................................. 22
Hình 1.9. Mạng tiếp điện song song với bộ chia công suất hình T ................ 23
Hình 1.10. Mạng tiếp điện nối tiếp.................................................................. 24
Hình 1.11. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của ULA (N=10, d=/2, d=00, 300, 450)
.......................................................................................................................... 25
Hình 1.12. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng đồng nhất và mảng nhị thức
(N=10, d=0,75) .............................................................................................. 26
Hình 1.13. Đồ thị một số bậc đầu tiên của đa thức Chebyshev ..................... 27
Hình 1.14. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng Chebyshev 8×1 (SLL= -25dB,
d=0,75) ........................................................................................................... 30
Hình 2.1. Anten lưỡng cực dạng dải quạt và đường truyền song song .......... 33
Hình 2.2. Anten DSPD cơ bản tiếp điện bằng đường truyền song song........ 34
Hình 2.3. Lưỡng cực phẳng tiếp điện trung tâm và lưỡng cực hình trụ tương
đương................................................................................................................ 34
Hình 2.4. Đường truyền vi dải......................................................................... 35
Hình 2.5. Cấu trúc anten lưỡng cực phẳng tiếp điện trung tâm ..................... 36
Hình 2.6. Mô hình đường truyền vi dải và đường truyền song song ............. 37
xi

Hình 2.7. Cấu trúc hình học DSPD và anten hình trụ tương đương .............. 38
Hình 2.8. Lưu đồ thiết kế anten DSPD ........................................................... 38
Hình 2.9. Mô hình anten DSPD đề xuất ......................................................... 41
Hình 2.10. Mô phỏng các mẫu anten DSPD ................................................... 42
Hình 2.11. Cấu trúc mẫu anten DSPD đề xuất ............................................... 43
Hình 2.12. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và băng thông với kích thước a
.......................................................................................................................... 44
Hình 2.13. Mô hình DSDP cắt vát cạnh bức xạ.............................................. 45
Hình 2.14. Sự phụ thuộc băng thông và tần số vào kích thước cắt cạnh mặt
bức xạ với c  0,09g ....................................................................................... 46
Hình 2.15. Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi của anten DSPD với c ≥0,1g46
Hình 2.16. Mạng tiếp điện nối tiếp đề xuất..................................................... 49
Hình 2.17. Phân bố dòng của mạng tiếp điện 10×1........................................ 49
Hình 2.18. Tham số S của mạng tiếp điện mảng 10×1 phần tử ..................... 50
Hình 2.19. Pha tại các cổng của mạng tiếp điện mảng 10×1 phần tử ............ 51
Hình 2.20. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng với trọng số mô phỏng từ
mạng tiếp điện (10×1 phần tử, d = 0,75) ...................................................... 51
Hình 2.21. Phần tử anten DSPD đề xuất ......................................................... 52
Hình 2.22. Anten mảng 10×1 phần tử ............................................................. 52
Hình 2.23. Nguyên mẫu anten chế tạo ............................................................ 53
Hình 2.24. Hệ số suy hao phản hồi ................................................................. 54
Hình 2.25. So sánh mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của anten mảng ....... 54
Hình 2.26. Mẫu anten DSPD đề xuất .............................................................. 56
Hình 2.27. Anten mảng phẳng đề xuất............................................................ 57
Hình 2.28. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc của S11 ............................... 58
Hình 2.29. Đồ thị bức xạ của anten đề xuất .................................................... 58
Hình 3.1. Khảo sát đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng ULA theo khoảng cách
phần tử đơn ...................................................................................................... 61
Hình 3.2. Qui trình thiết kế anten mảng .......................................................... 62
xii

Hình 3.3. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng ULA 8×1 phần tử, d=0,75 ......... 66
Hình 3.4. Phần tử anten DSPD đề xuất ........................................................... 66
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng phần tử anten DSPD......................................... 67
Hình 3.6. Mạng tiếp điện song song 8×1 ........................................................ 68
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng phân bố dòng của mảng tại tần số 4,95 GHz .. 70
Hình 3.8. Kết quả mô phỏng các tham số S của mạng tiếp điện .................... 71
Hình 3.9. So sánh phân bố biên độ đầu ra của hệ thống tiếp điện ................. 72
Hình 3.10. Anten mảng vi dải đề xuất ............................................................ 73
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng S11 của mảng đề xuất...................................... 73
Hình 3.12. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng đề xuất ..................... 74
Hình 3.13. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ 3D của mảng đề xuất ............... 75
Hình 3.14. Độ lợi và SLL của mảng trong dải tần hoạt động ........................ 75
Hình 3.15. Nguyên mẫu anten mảng chế tạo .................................................. 76
Hình 3.16. Kết quả đo đạc và mô phỏng hệ số suy hao phản hồi .................. 76
Hình 3.17. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của mảng .... 77
Hình 3.18. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng ULA 10×1 phần tử, d=0,750 .... 80
Hình 3.19. Phần tử đơn DSPD đề xuất ........................................................... 81
Hình 3.20. Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi và đồ thị bức xạ của anten
DSPD................................................................................................................ 81
Hình 3.21. Mạch điện tương đương của dây chêm hở mạch ......................... 82
Hình 3.22. Mô hình mạng tiếp điện nối tiếp và mạch điện tương đương ...... 83
Hình 3.23. Ảnh hưởng của ZTL đến hệ số S11 của mảng đề xuất ................... 85
Hình 3.24. Một nhánh mạng tiếp điện nối tiếp 10×1...................................... 86
Hình 3.25. Phân bố dòng điện của hệ thống tiếp điện .................................... 86
Hình 3.26. Kết quả mô phỏng biên độ và pha của mạng tiếp điện nối tiếp
10×1.................................................................................................................. 87
Hình 3.27. So sánh phân bố biên độ đầu ra của mạng tiếp điện .................... 88
Hình 3.28. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa với trọng số mảng của mạng tiếp điện

(nét chấm) và với trọng số lí thuyết Chebyshev (nét liền) ............................. 89
xiii


Hình 3.29. Phần tử anten DSPD và các thanh dẫn xạ .................................... 89
Hình 3.30. Mẫu anten mảng Chebyshev đề xuất ............................................ 90
Hình 3.31. Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi S11 của mảng ......................... 91
Hình 3.31. Mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng tại tần số 5,5 GHz ................. 91
Hình 3.33. Mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng ở các tần số khác nhau ......... 92
Hình 3.34. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten theo tần số ............................. 93
Hình 3.35. Khảo sát độ lợi và SLL theo tần số ............................................... 93
Hình 3.36. Khảo sát đồ thị bức xạ của mảng mảng theo các thanh dẫn xạ ... 95
Hình 3.37. Khảo sát đồ thị bức xạ của mảng 10×1 theo mặt phản xạ .......... 96
Hình 3.38. Nguyên mẫu chế tạo anten mảng đề xuất ..................................... 96
Hình 3.39. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số suy hao phản hồi ..... 97
Hình 3.40. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của anten
mảng ................................................................................................................. 98

xiv


MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài nghiên cứu:
Ngày nay, các anten sử dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ
mới đang đứng trước các yêu cầu cần phải được thiết kế để có hiệu năng cao và kích
thước nhỏ gọn. Anten mảng vi dải với các ưu điểm dễ chế tạo, nhỏ gọn, dễ dàng tích
hợp bề mặt và có hiệu năng chấp nhận được theo yêu cầu của hệ thống. Tuy vậy, việc
nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải vẫn tồn tại nhiều thách thức như mức búp
phụ (SLL) của mảng còn khá lớn, băng thông, độ lợi cũng như kích thước của anten

mảng vi dải cũng cần được tiếp tục nghiên cứu phát triển để cải thiện hơn nữa những
ưu điểm của hệ anten này.
Nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm cho thấy, SLL của mảng phụ thuộc chủ
yếu vào trọng số của mạng tiếp điện. Do đó, các giải pháp nhằm hạ thấp SLL của
mảng thường tập trung vào việc sử dụng trọng số để tính toán, thiết kế mạng tiếp
điện. Bên cạnh đó, những vấn đề về tối ưu hóa vị trí các phần tử anten, bức xạ giả của
mạng tiếp điện và ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ cũng là nguyên nhân
dẫn đến SLL của anten mảng vi dải còn khá cao, làm giảm hiệu suất làm việc của
anten mảng và hệ thống.
Do vậy, việc nghiên cứu phát triển các giải pháp anten mảng vi dải có độ
lợi cao, SLL thấp, kích thước nhỏ gọn, khối lượng thấp vẫn đang là những vấn đề
mang tính thời sự hiện nay và đó cũng là động lực chính thúc đẩy luận án này
hướng tới giải quyết.
Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu và đề xuất được giải pháp, qui trình tính toán, thiết kế mô hình
anten lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) có băng thông rộng, độ lợi cao, có khả
năng điều chỉnh tần số và mở rộng băng thông một cách dễ dàng. Các anten DSPD

1


được thiết kế phải có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và khả dụng trong thiết kế
anten mảng vi dải.
- Nghiên cứu và đề xuất được giải pháp thiết kế các anten mảng vi dải tuyến
tính và mảng phẳng sử dụng phần tử anten DSPD có độ lợi cao, kích thước nhỏ gọn,
dễ chế tạo, ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện đại.
- Nghiên cứu và đề xuất được hai giải pháp thiết kế mạng tiếp điện cho anten
mảng vi dải tuyến tính kiểu song song hoặc nối tiếp, cho phép cung cấp tín hiệu tại
các đầu ra đồng pha và có biên độ theo phân bố Chebyshev. Trên cơ sở các mạng

tiếp điện này, đề xuất được các giải pháp thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính sử
dụng phần tử anten DSPD, có SLL thấp dưới -25 dB, kích thước nhỏ gọn, dễ chế
tạo và có khả năng ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới.
Đối tượng nghiên cứu:
- Các cấu trúc anten DSPD mới, có độ lợi cao, băng thông rộng, cấu hình nhỏ
gọn, dễ chế tạo.
- Các mạng tiếp điện cho anten mảng vi dải kiểu song song hoặc nối tiếp sử
dụng phân bố Chebyshev.
- Các anten mảng vi dải tuyến tính được thiết kế dựa trên phần tử anten DSPD
và hệ thống tiếp điện tiếp điện song song hoặc nối tiếp. Trong đó, mạng tiếp điện
được thiết kế để tín hiệu tại các cổng ra đồng pha và biên độ theo phân bố Chebysev.
Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong những vấn đề sau:
- Nghiên cứu các đặc tính của anten DSPD về băng thông và độ lợi.
- Nghiên cứu đặc tính của mạng tiếp điện song song hoặc nối tiếp cho anten
mảng vi dải. Trong đó các đường tiếp điện sử dụng trong mạng tiếp điện là các
đường truyền vi dải song song.
- Nghiên cứu các đặc tính của anten mảng vi dải tuyến tính sử dụng phân bố
Chebyshev và phần tử anen DSPD thông qua các thông số SLL và độ lợi.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Luận án kết hợp sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
2


- Nghiên cứu tổng quan kết hợp với nghiên cứu lí thuyết, tính toán để đề xuất
các ý tưởng mới.
- Kiểm chứng bằng mô phỏng máy tính và đo đạc thực nghiệm.
- So sánh kết quả với một số cấu trúc đã công bố.
- Đề xuất, cải tiến cấu trúc.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Các kết quả của luận án này góp phần phát triển qui trình tổng thể thiết kế
anten DSPD có độ lợi cao và băng thông rộng.
- Phát triển được qui trình tính toán, thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính sử
dụng phần tử anten DSPD và có phân bố biên độ không đồng nhất nhằm hạ thấp
SLL của anten mảng vi dải.
- Các kết quả của nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo
trong phân tích và thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp, độ lợi cao, cấu hình nhỏ
gọn. Trong đó, mạng tiếp điện được thiết kế dựa trên phân bố Chebyshev.
- Các mẫu anten DSPD và các anten mảng vi dải trong luận án này được thiết
kế trong băng tần C, hoàn toàn có thể ứng dụng cho các điểm truy cập WLAN
802.11ac, các trạm di dộng ngoài trời hay các dịch vụ truyền thông vô tuyến tổng
hợp GWCS (4,94 ˗ 4,99 GHz),…
Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án bao gồm ba chương:
Chương 1 trình bày tổng quan mô hình anten mảng và phương pháp trọng số
trong thiết kế anten mảng tuyến tính. Nội dung của chương cũng trình bày tổng
quan về các mạng tiếp điện phổ biến sử dụng trong thiết kế anten mảng vi dải. Các
kĩ thuật tạo phân bố biên độ không đồng nhất tại các đầu ra của hệ thống tiếp điện
cho mảng vi dải cũng được trình bày chi tiết, làm cơ sở cho những giải pháp tính
toán, thiết kế anten mảng vi dải ở các chương sau.
Chương 2 trình bày đề xuất giải pháp phát triển qui trình thiết kế cấu trúc
anten DSPD mới có độ lợi cao và băng thông rộng. Trên cơ sở đó, các giải pháp
điều chỉnh tần số làm việc và cải tiến để mở rộng băng thông của anten DSPD cũng
được phân tích, trình bày chi tiết. Đồng thời đề xuất sử dụng anten DSPD trong
3


thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính 8×1 phần tử và anten mảng phẳng 4×4×3 phần
tử. Các kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm cho thấy hai mô hình anten mảng
đề xuất đều có khả năng hoạt động tốt ở dải tần thiết kế, có độ lợi cao và SLL thấp,

cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo.
Chương 3 trình bày các giải pháp tính toán, thiết kế anten mảng vi dải tuyến
tính được tiếp điện nối tiếp và song song, sử dụng phần tử anten đơn DSPD và trọng
số Chebyshev nhằm nâng cao độ lợi và giảm SLL của anten mảng. Trong cả hai
chương đều chú trọng đến việc phân tích phương pháp luận và qui trình thiết kế đặc
biệt là hai mạng tiếp điện nối tiếp và song song sử dụng phân bố Chebyshev. Nội
dung của hai chương cũng trình bày tương ứng hai anten mảng vi dải tuyến tính để
minh chứng cho tính khả thi của các qui trình đã đề xuất. Hai anten mảng vi dải
được thiết kế, chế tạo và đo kiểm thỏa mãn được các yêu cầu về tần số làm việc,
băng thông, có độ lợi cao, SLL thấp, cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo, hoàn toàn có thể
ứng dụng trong các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới.

4


TỔNG QUAN

Phân tích và đánh giá những kết quả nghiên cứu đã có liên quan đến
luận án
Kĩ thuật anten đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và vẫn
đang không ngừng được phát triển, đặc biệt là anten mảng. Anten mảng ra đời và
lần đầu tiên được ứng dụng trong quân sự vào những năm 1940. Đó là một bước đột
phá nhằm nâng cao độ lợi, điều khiển búp sóng linh hoạt, tăng cường độ tin cậy và
cự li truyền thông tin [4]. Hiện nay, cùng với sự phát triển của kĩ thuật anten, anten
mảng vi dải cũng đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Phạm vi ứng dụng của
anten mảng vi dải được mở rộng hơn do những đặc tính ưu việt về sự linh hoạt của
tần số cộng hưởng, mô hình bức xạ và phân cực. Ngoài ra các đặc tính về khả năng
thích nghi với các bề mặt khác nhau, khả năng thiết kế MMIC và kích thước, khối
lượng nhỏ cũng là những ưu điểm của loại anten này.
Mặc dù vậy, vẫn còn nhiều thách thức đặt ra đối với anten mảng vi dải cần

được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết:
˗ SLL của anten mảng vi dải còn khá cao trong khi độ lợi còn thấp cần phải
có các giải pháp khắc phục để đáp ứng yêu cầu đặt ra của các hệ thống
truyền thông vô tuyến thế hệ mới.
˗ Anten mảng vi dải có băng thông hẹp và phụ thuộc nhiều vào kích thước
tấm nền điện môi. Do vậy, việc cải thiện đặc tính băng thông kết hợp với
giảm nhỏ kích thước tấm nền điện môi cũng như kích thước, trọng lượng
anten mảng cần được tiếp tục nghiên cứu, phát triển.
˗ Bức xạ bởi mạng tiếp điện và ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten
cần được kiểm soát và giảm thiểu nhằm cải thiện đặc tính bức xạ và hiệu
suất hiệu suất bức xạ của anten mảng.
Trong các hệ thống truyền thông vô tuyến điểm – điểm hoặc điểm – đa điểm
thế hệ mới, anten mảng luôn được yêu cầu với độ lợi cao và SLL thấp nhằm nâng
5


cao hiệu suất của hệ thống. SLL của anten mảng thường được yêu cầu dưới -20 dB
hoặc thấp hơn nữa đối với các hệ thống ra đa [55]. Do đó, việc nghiên cứu phát triển
các anten mảng vi dải có độ lợi cao và SLL thấp hiện vẫn đang là một xu hướng lớn
thu hút mạnh mẽ cộng đồng nghiên cứu phát triển.
Lí thuyết anten mảng cho thấy, SLL phụ thuộc chủ yếu vào vị trí các phần tử
anten và trọng số của mảng [7]. Do vậy, trên thực tế các phương pháp giảm SLL của
anten mảng thường tập trung vào việc tối ưu hóa vị trí phần tử anten và điều chỉnh
trọng số của mảng để đạt được SLL thấp nhất. Gần đây, phương pháp tối ưu hóa vị trí
các phần tử anten đã nhận được nhiều hơn trong cộng đồng nghiên cứu với các thuật
toán tối ưu như PSO, DE trong [38, 78],… Tuy vậy, những đóng góp của phương
pháp này trong việc áp dụng trong thiết kế, chế tạo anten mảng búp sóng cố định có
SLL thấp còn khá ít. Trong khi đó, phương pháp điều chỉnh trọng số biên độ của
mảng lại nhận được nhiều sự quan tâm hơn bởi tính khả dụng trong thiết kế và chế
tạo. Lí thuyết anten mảng cũng đã chỉ ra hai phân bố phổ biến nhất được sử dụng làm

trọng số để thiết kế mảng tuyến tính bức xạ vuông góc có SLL thấp là phân bố nhị
thức và Dolph-Chebyshev1 [7]. Anten mảng tuyến tính với phân bố nhị thức cho phép
tạo búp sóng có SLL rất thấp, thậm chí không có búp bên (nếu khoảng cách các phần
tử nhỏ hơn 0,5). Tuy vậy, nó cũng bị trả giá bởi độ rộng búp sóng lớn và độ lợi thấp,
trong khi đó mảng Chebyshev cho phép tạo búp sóng tối ưu hơn với SLL xác định và
HPBW nhỏ nhất [7, 35, 46].
Trên thực tế, đã có nhiều công trình nghiên cứu, đề xuất các mẫu anten mảng
vi dải tuyến tính có SLL thấp, sử dụng các trọng số nhị thức và Chebyshev. Tuy
vậy, nhìn chung các công bố một mặt chưa đề xuất tổng thể qui trình tính toán, thiết
kế anten mảng sử dụng trọng số, gây khó khăn cho việc nghiên cứu, phát triển và
thiết kế, chế tạo. Mặt khác, SLL đạt được của các mẫu anten mảng đề xuất vẫn còn
khá lớn, trong khi đó độ lợi chưa cao, băng thông hẹp hoặc kích thước, khối lượng
của các phần tử đơn và của anten mảng chưa thực sự nhỏ gọn.

1
Mô hình anten mảng dựa trên phân bố Chebyshev lần đầu tiên được phát triển bởi C.L. Dolph, nên được gọi
là anten mảng Dolph-Chebyshev, sau đây anten mảng Dolph-Chebyshev sẽ được gọi tắt là “anten mảng Chebyshev”

6


Do vậy, việc nghiên cứu phát triển các giải pháp nhằm giảm SLL, nâng cao
độ lợi cho anten mảng vi dải với kích thước nhỏ gọn, khối lượng thấp cũng như việc
nghiên cứu, thiết lập qui trình tính toán, thiết kế anten mảng vi dải là động lực chính
thúc đẩy sự phát triển của các hướng nghiên cứu gần đây:
- Nghiên cứu các cấu trúc anten vi dải có băng thông rộng, kích thước nhỏ
gọn, dễ chế tạo làm phần tử bức xạ của mảng:
Anten vi dải có nhiều ưu điểm về kích thước, khối lượng, khả năng tích hợp
vào hệ thống cao, nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, đặc biệt là băng
thông (khoảng 1,5% với tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR) < 2 [49]). Do vậy, để đảm

bảo và có thể mở rộng băng thông của anten mảng vi dải, trước hết cần thực hiện
các giải pháp mở rộng băng thông của phần tử anten vi dải. Trên thực tế, có nhiều
giải pháp mở rộng băng thông của anten vi dải như phương pháp sử dụng cấu trúc
nhiều lớp, tăng độ dày tấm nền điện môi hoặc sử dụng tấm nền có hằng số điện môi
nhỏ [25, 26]. Giải pháp sử dụng các mặt phẳng bức xạ có hình dạng đặc biệt như
dạng bán nguyệt [19, 28], dạng elip [8, 67], dạng tam giác [30], dạng chữ nhật [22,
52, 55, 71], ngũ giác [44], lục giác [29, 31]. Trong các công bố [3, 19, 37, 40, 60],
việc tối ưu hóa băng thông của anten lưỡng cực được thực hiện bằng cách mở rộng
dần hai cánh bức xạ hoặc kiến trúc anten theo dạng hình dải quạt (bow-tie) với các
góc mở khác nhau cho phép mở rộng băng đến khoảng 33% [37]. Một số nghiên
cứu phát triển cấu trúc anten lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) cho mảng đã được
trình bày trong [10, 11, 17, 23-26, 37, 73, 76]. Trong các công trình này, kỹ thuật
tiếp điện bằng các đường vi dải song song được sử dụng, cho phép giảm được kích
thích sóng bề mặt, giảm kích thước tấm nền điện môi và tăng băng thông cho anten.
- Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính có SLL thấp sử dụng phân bố
nhị thức:
Một số công trình nghiên cứu mảng nhị thức được công bố trong tài liệu [46,
57, 69]. Trong các công trình này, phân bố nhị thức được sử dụng để thiết kế mạng
tiếp điện trong các anten mảng tuyến tính hoặc anten mảng phẳng nhằm giảm SLL.
Tuy vậy, các giải pháp mới chỉ dừng lại trong thiết kế và mô phỏng, do vậy còn

7


thiếu tính khả dụng trong thiết kế và chế tạo. Các giải pháp này cũng cho thấy SLL
của mảng thấp hoặc không có búp phụ sẽ bị đánh đổi bởi độ lợi thấp và HPBW lớn.
- Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính SLL thấp sử dụng phân bố
Chebyshev:
Giải pháp sử dụng phân bố Chebyshev trong thiết kế mạng tiếp điện của
anten mảng tuyến tính là một trong những giải pháp phổ biến dùng để nén búp phụ

của anten mảng xuống một mức nhất định với độ lợi cao nhất và HPBW tối thiểu.
Theo đó, mạng tiếp điện của anten mảng cần được thiết kế để tỉ lệ biên độ kích
thích các phần tử bức xạ phù hợp với phân bố Chebyshev. Trên thực tế, giải pháp
này có thể được áp dụng với cả hai loại mạng tiếp điện phổ biến là mạng tiếp điện
song song (corporate/parallel feed network) và mạng tiếp điện nối tiếp (series feed
network) [21, 33].
Các công trình nghiên cứu mảng Chebyshev tiếp điện song song có SLL thấp
đã được trình bày ở các tài liệu [50, 59, 75, 79]. Trong các công trình này, để tạo
được tín hiệu kích thích các phần tử anten theo phân bố Chebyshev, mạng tiếp điện
sử dụng các bộ chia công suất hình T hoặc bộ chia công suất Wilkinson và các bộ
chuyển đổi g/4 để phối hợp trở kháng. Kết quả cho thấy, anten mảng có SLL thấp
dưới -20 dB [59, 75]. Tuy vậy, mạng tiếp điện kiểu song song có nhược điểm là
kích thước khá lớn với nhiều điểm gián đoạn, sử dụng nhiều bộ chia công suất là
những nguyên nhân chính tạo nên các bức xạ giả làm giảm khả năng nén búp phụ
[33, 56].
Các công trình nghiên cứu phát triển mảng Chebyshev tiếp điện nối tiếp có
SLL thấp được trình bày ở các tài liệu [24, 39, 51, 52, 61, 78]. Để thiết lập phân bố
công suất theo tỉ lệ Chebyshev, các nghiên cứu này chủ yếu sử dụng đường truyền vi
dải 3g/4 và các đường g/4 có trở kháng đặc trưng khác nhau để tạo phân bố dòng và
phối hợp trở kháng. Ngoài ra, để tăng băng thông và độ lợi cho anten mảng, kĩ thuật
tạo khe lớn trong mặt phẳng đất kết hợp với mặt phẳng phản xạ đã được trình bày
trong các công trình [24, 51]. SLL của các anten mảng này đều khá thấp, hầu hết đạt
dưới -23 dB tại tần số trung tâm [39, 61, 78]. Các công bố này cũng cho thấy, mạng
8


tiếp điện nối tiếp có chiều dài đường tiếp điện ngắn dẫn đến kích thước tấm nền điện
môi nhỏ, làm giảm bức xạ giả từ các đường tiếp điện, do vậy mảng có khả năng nén
búp phụ tốt, kích thước và khối lượng anten mảng nhỏ gọn.
Những vấn đề còn tồn tại và hƣớng nghiên cứu của luận án

Các nghiên cứu đến nay đã tập trung đề xuất, phát triển các cấu trúc anten
mảng tuyến tính nhỏ gọn có SLL thấp, độ lợi cao và băng tần phù hợp với mục đích
sử dụng. Trong đó, việc áp dụng phương pháp trọng số Chebyshev cho thấy hiệu
quả trong việc giảm SLL và tối ưu hóa độ lợi của mảng. Tuy vậy, những vấn đề liên
quan đến qui trình tính toán, thiết kế anten mảng vi dải sử dụng trọng số cũng như
các kĩ thuật thiết kế mạng tiếp điện và phần tử đơn vẫn tồn tại những hạn chế nhất
định cần được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết.
Một là, nghiên cứu phát triển phần tử anten DSPD:
Những nghiên cứu [6, 10, 11, 17, 18, 24-26, 37, 73, 76] đã cho thấy phần tử
anten DSPD đang được quan tâm nhiều trong thiết kế mảng vi dải bởi những đặc
tính ưu việt về kích thước và băng thông và độ lợi. Trong các công bố này, các tác
giả đã sử dụng mẫu DSPD dựa trên cơ sở mẫu anten đã được đề xuất bởi W.
Wilkinson vào năm 1974 [73]. Trong đề xuất [37] của E. Levine có dạng chữ nhật,
song được thu hẹp lại bằng cách cắt vát hai góc để phối hợp trở kháng với đường
truyền song song. Kết quả cho thấy băng thông có thể đạt đến 25% tùy thuộc vào tỉ
lệ W/0. Trong các nghiên cứu [24-26], các mẫu DSPD có khả năng tăng băng
thông đến 34% dựa trên kĩ thuật mở rộng hai cánh bức xạ của anten lưỡng cực và
tiếp điện bằng đường truyền vi dải song song. Trong thiết kế của M.C. Bailey [6],
mẫu anten lưỡng cực dạng dải quạt với góc mở 600, tiếp điện bằng cáp đồng trục đã
cho phép băng thông lên đến 37%. Tuy nhiên, trong các thiết kế này băng thông của
lưỡng cực được mở rộng dựa vào nguyên tắc nâng độ dày của cấu trúc, vì vậy mà
anten có độ dày khá lớn (19,368 cm). Bên cạnh đó, tính học thuật và qui trình thiết
kế, đánh giá các tham số ảnh hưởng chưa được đề cập và làm rõ.
Luận án này sẽ nghiên cứu và đề xuất qui trình tính toán, thiết kế mô hình
anten DSPD mới có khả năng hoạt động với băng thông rộng, độ lợi cao và kích
9