Anten phân cực tròn băng thông rộng ứng dụng cho các thiết bị vô tuyến

 Z L
 Zin j  Z f22 cotg f (3) 
 j Zb tg b Z L
 Anten lưỡng cực vi dải nửa bước sóng được thiết kế tại tần số trung tâm 5,8 GHz trên chất 
nền Roger RO4003 với các thông số: bề dày chất nền 0,8 mm, bề dày lớp đồng 0,035 mm, hằng 
số điện môi r = 3,55 và hệ số suy hao điện môi tan = 0,0027. Anten lưỡng cực vi dải được thiết 
kế với độ rộng băng thông là 31% từ 5,1 GHz tới 6,9 GHz với các tham số kích thước của anten 
đề xuất được chỉ ra trong bảng 1. 
 Bảng 1. Các tham số kích thước của anten lưỡng cực vi dải. 
 Cánh bức xạ (mm) Balun (mm) 
 L W g Lb Wb Wsg Lf1 Lf2 Ws 
 10,6 1,7 0,63 10,0 1,7 2,7 11,1 10,0 1,7 
2.2. Mạng tiếp điện cho anten mảng 
 Để nâng cao chất lượng phân cực tròn về: (1) Độ rộng búp sóng phân cực tròn nghĩa là vùng 
búp sóng có tỷ số phân cực (AR- Axial Ratio) nhỏ hơn 3 dB; (2) Băng thông của anten rộng; (3) 
Băng thông của anten mà tại các tần số đó anten có búp sóng phân cực tròn rộng; (4) Hệ số tăng 
ích cao. Để thực hiện được điều đó, kỹ thuật quay tuần tự cấu trúc và pha cho anten mảng [4, 5] 
được lựa chọn, từ đó làm cơ sở thiết kế mạch tiếp điện cho WCPA. Hình 2 sử dụng mạch chia 
nguồn dựa trên bộ chia công suất hình T (T-junction) tích hợp hai thanh chêm. Mỗi phần tử 
anten lưỡng cực vi dải được thiết kế với trở kháng đầu vào là 50 Ω ở tần số 5,8 GHz. WCPA tích 
hợp mạng tiếp điện được thể hiện hoàn thiện như trong hình 3. Các tham số của mạng tiếp điện 
cho các anten vi dải phần tử được chỉ ra trong bảng 2. 
66 B. T. Duyên, N. Trì, “Anten phân cực tròn băng thông rộng ứng dụng cho các thiết bị vô tuyến.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 a) Mạng tiếp điện không có thanh chêm b) Mạng tiếp điện có 2 thanh chêm 
 Hình 2. Sơ đồ tương đương của đường tiếp điện 1 vào và 4 ra. 
 RDD0 jX jZ t
 Z Z 0 (4) 
 Z0DD R jX t
 1
 Y G jB (5) 
 Z
 LZs20 1 1 
 - tan (6) 
  2πB 
 Bảng 2. Các tham số của mạng tiếp điện. 
 Tham số L D W1 W2 
 Giá trị 
 21,83 30 0,45 0,95 
 (mm) 
 Tham số Ls1 Ls2 ds1 ds2 
 Giá trị 
 2,5 3,36 2 3,5 
 (mm) 
 Hình 3. Sơ đồ tổng thể mạng tiếp điện của WCPA. 
 Trong thiết kế lý tưởng không tổn hao trên đường truyền, biên độ kích thích cho 4 phần tử 
anten là -6 dB. Tuy nhiên, do tổn hao trên đường truyền nên biên độ nguồn kích thích cho các 
phần tử anten bị sai khác lên tới 4,33 dB, dẫn tới không thỏa mãn điều kiện phân cực tròn. Như 
đã đề cập ở trên, các thanh chêm được thêm vào mạng tiếp điện sẽ giúp việc chia nguồn tới các 
phần tử đặt biên độ kích thích bằng nhau, pha lệch nhau 90 độ điện. Từ đó, WCPA đạt được 
phân cực tròn, trình tự tính toán thiết kế mạng tiếp điện cho WCPA được thực hiện như sau: 
Bước 1: Tính toán các thông số của thanh chêm dựa trên lý thuyết 
 Trở kháng tại các điểm A, B, C’ và D là ZA, ZB, ZC’, ZD được xác định khi không có thanh 
chêm. Bởi vì giá trị ZA và ZD không phối hợp trở kháng, do vậy, Stub1 và Stub2 được thêm vào 
mạng tiếp điện như hình 3. Stub2 có chiều dài là Ls2 và khoảng cách ds2 (từ vị trí của Stub2 tới 
điểm D) được xác định dựa trên công thức (4) [14]. Trong đó, Z0 là trở kháng đặc trưng, 
 td tan  s2 với  2/  là hằng số pha. Điện dẫn đầu vào điểm D được xác định theo công 
thức (5). Để tối ưu công suất truyền từ cổng 4 tới cổng 5 bằng nhau thì Z = ZC’ và tiến hành xác 
định giá trị t, từ đó, giá trị ds2 và B (trong công thức (5) được tính toán. Như vậy, chiều dài của 
Stub2 xác định như công thức (6) [14]. 
 Tương tự chiều dài Ls1 của Stub1 và khoảng cách ds1 được xác định thông qua hai trở kháng 
ZB và ZA. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 67 
 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Bước 2: Từ những tính toán sơ bộ ở Bước 1, tiến hành mô phỏng và tối ưu bằng phương pháp 
phần tử hữu hạn trên phần mềm CST (Computer Simulation Technology). 
 (1) Công suất trung bình từ cổng 1 tới cổng 2, 3, 4, 5 khi không có thanh chêm lần lượt là: 
S21aver = -5,4 dB; S31aver = -6,39 dB; S41aver = -5,71 dB; S51aver = -8,21 dB. Tổn hao trên các 
đường truyền trong mạng xấp xỉ 1,7 dB; năng lượng và pha từ cổng 1 tới các cổng còn lại được 
trình bày trên hình 4. Tổng giá trị trên nhánh 1 (bao gồm cổng 2 và cổng 3) là: S21aver + S31aver = 
- 11,79 dB không cân bằng với tổng giá trị trên nhánh 2 (bao gồm cổng 4 và cổng 5) S41aver + 
S51aver = -13,92 dB. Điều này không thỏa mãn biên độ đầu ra của các cổng là -6,5 dB là do sự bất 
đối xứng giữa hai nhánh, nhánh 2 dài hơn nhánh 1, như trên hình 4.a; dẫn tới thành phần điện 
cảm kháng của nhánh 2 lớn hơn. Đề ra giải pháp tăng thành phần dung kháng cho nhánh 2 bằng 
cách thêm stub. 
 a) b) 
 Hình 4. Phân bố biên độ và pha của mạng khi không có 2 thanh chêm. 
 (2) Sau khi thêm Stub2 vào nhánh 2 như trên hình 5.b, công suất từ cổng 4 tới cổng 5 được tối 
ưu bằng cách điều chỉnh chiều dài của Stub2. Hình 5.a chỉ ra rằng, khi chiều dài của Stub2 trong 
khoảng từ 3 tới 3,5 mm, giá trị S41 xấp xỉ S51. Chọn giá trị Ls2 = 3,36 mm và điều chỉnh vị trí 
của Stub2 kết quả được trình bày trong hình 5.b với ds2 = 3,5 mm thì S41aver = S51aver. 
 a) b) 
 Hình 5. Biên độ đầu ra trung bình thay đổi khi chiều dài và vị trí Stub2 thay đổi. 
 (3) Sau khi Stub2 được cố định, Stub1 được thêm vào mạng thanh chêm. Điều chỉnh chiều dài 
cũng như vị trí của Stub1 để khảo sát năng lượng truyền trên nhánh 1 (S21aver + S31aver) và nhánh 
2 (S41aver + S51aver). Ban đầu, cố định vị trí của Stub1 sau đó thay đổi chiều dài của Stub1. Trong 
hình 6.a khi Ls1 = 2,5 mm thì năng lượng trên nhánh 1 và 2 cân bằng. Tiếp theo, cố định chiều dài 
của Stub1 và điều chỉnh vị trí để đạt được kết quả tối ưu. Với ds1 = 2 mm như trên hình 6.b thì 
năng lượng cấp cho hai nhánh là bằng nhau. 
68 B. T. Duyên, N. Trì, “Anten phân cực tròn băng thông rộng ứng dụng cho các thiết bị vô tuyến.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 a) b) 
 Hình 6. Biên độ đầu ra trung bình thay đổi khi chiều dài và vị trí Stub1 thay đổi. 
 Năng lượng từ cổng 1 tới các cổng được minh họa trên hình 7 với mạng tiếp điện có 2 thanh 
chêm. Biên độ đầu ra chênh lệch giữa các cổng khi sử dụng mạng tiếp điện 2 thanh chêm giảm 
đáng kể trong toàn bộ dải tần từ 5,4 GHz đến 6,8 GHz. Điều này thỏa mãn được điều kiện cho 
mảng anten băng thông rộng phân cực tròn. 
 a) b) 
 Hình 7. Phân bố biên độ và pha của mạng khi có 2 thanh chêm. 
2.3. Chế tạo và kết quả đo kiểm WCPA 
 a) Anten WCPA chế tạo b) S11 của WCPA 
 Hình 8. Hình ảnh WCPA được chế tạo và hệ số S11 của WCPA. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 69 
 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 WCPA được chế tạo trên chất nền RO4003C với hằng số điện môi r =3,55 và bề dày chất 
nền là 0,813 mm như hình 8.a. Sau khi chế tạo, anten được đo các thông số bằng máy phân tích 
mạng vector của Agilent. Kết quả mô tả trên hình 8.b cho thấy, hệ số phản xạ có sự tương đồng 
giữa kết quả đo và mô phỏng. Anten hoạt động trong dải tần rộng từ 4,6 đến 6,7 GHz (36,2% và 
dải tần số đạt 3 dB AR là 1,3 GHz (từ 5,4 đến 6,7 GHz (22,4%)). 
 Tỷ số phân cực AR, hệ số tăng ích, độ định hướng và hiệu suất của WCPA được mô tả trên 
hình 9. Hệ số tăng ích của anten thay đổi từ 7,6 dBi tới 9,8 dBi trong cả dải tần số 4,3÷7,1 GHz. 
Kết quả đo và mô phỏng đồ thị bức xạ tại tần số 5,8 GHz theo mặt phẳng xoz và yoz được trình 
bày trên hình 10. Độ rộng búp sóng 3 dB AR đạt hơn với mặt phẳng xoz và yoz như trên 
hình 10.c và hình 10.d. 
 a) Tỷ số AR b) Tăng ích, độ định hướng, hiệu suất của WCPA 
 Hình 9. So sánh kết quả đo và mô phỏng của WCPA. 
 a) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng xoz b) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng yoz 
 c) AR trên mặt phẳng xoz d) AR trên mặt phẳng yoz 
 Hình 10. Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ và AR của WCPA tại 5,8 GHz. 
70 B. T. Duyên, N. Trì, “Anten phân cực tròn băng thông rộng ứng dụng cho các thiết bị vô tuyến.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 a) b) 
 c) d) 
 Hình 11. Kết quả mô phỏng giản đồ bức xạ và AR của WCPA tại các tần số 4GHz; 4,5GHz; 
 5GHz; 5,5GHA; 6GHz;6,5GHz; 7GHz; 7,5GHz và 8GHz. 
 (a) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng xoz, (b) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng yoz, 
 (c) AR trên mặt phẳng xoz, (d) AR trên mặt phẳng yoz. 
 Để đánh giá WCPA đề xuất với các nghiên cứu nổi trội trên thế giới, nhìn vào bảng 3 nhận 
thấy: công bố [9] có nhiều ưu điểm về phân cực tròn phải và trái, băng thông rộng, nhưng kích 
thước lớn và tăng ích thấp 9,5 dBi. Tài liệu [11] cho thấy có ưu điểm nổi bật là kích thước nhỏ 
gọn nhưng các tham số chính của anten phân cực tròn đều thấp. Chúng tôi đã đề xuất TDAA 
trong [13] tại hội nghị Châu Á Thái Bình Dương, tuy nhiên, chất lượng phân cực tròn của anten 
này còn kém về băng thông và độ rộng búp sóng phân cực tròn so với WCPA. Nghiên cứu [15] 
có độ tăng ích cao, tuy nhiên, băng thông hẹp, kích thước lớn và góc phân cực tròn hẹp. Như 
vậy, WCPA đạt được góc phân cực tròn rộng, bên cạnh đó bằng thông, hệ số tăng ích và kích 
thước cũng đạt được kết quả đáng khích lệ. 
 Bảng 3. Các công bố nghiên cứu về anten phân cực tròn dựa trên kỹ thuật SR. 
 [11] [13] [9] [15] 
 Tham số tham chiếu WCPA 
 2015 2017 2021 2021 
Hệ số tăng ích (dBi) 7,25 9,8 9,5 10,3 9,8 
Băng thông (%) 28,5 48,3 37,3% 26,7% 36,2 
Băng thông phân cực 
 17,6 18 24% 9,6% 22,4 
tròn (%); 3dB AR 
BW-3dB AR (º)      
Kính thước anten (λ) 0,6 × 0,6 0,9×0,9×0,38 1,06×1,06×0,5 1×1×0,5 0,9×0,9×0,38 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 71 
 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 3. KẾT LUẬN 
 Bài báo đã đề xuất anten mới WCPA nhỏ gọn sử dụng kỹ thuật quay tuần tự cấu trúc và pha. 
WCPA được thiết kế và chế tạo ở tần số trung tâm 5,8 GHz; tăng ích lớn nhất 9,8 dBi; độ rộng 
băng thông 36,2%; độ rộng băng thông phân cực tròn 22,4% (3 dB-AR); góc phân cực tròn rộng 
hơn 60° là điểm nổi bật của WCPA. Kết quả đo các tham số của anten tương đồng với các kết 
quả mô phỏng. Với nhưng ưu điểm của WCPA có thể ứng dụng cho các thiết bị vô tuyến, ngoài 
ra hữu ích cho hệ thống thu hoạch năng lượng sóng điện từ, hệ thống định vị và theo dõi truy vết 
đối tượng di động sử dụng công nghệ vô tuyến. Với đề xuất mạng tiếp địa mới sử dụng hai thanh 
chêm đã làm cho WCPA có chất lượng phân cực tròn nổi trội và băng thông rộng. Để đảm bảo 
nguyên lý tạo ra anten phân cực tròn băng thông rộng, làm cho cấu trúc phối ghép các anten phần 
tử không còn dạng cấu trúc phẳng. Bên cạnh những ưu điểm của WCPA mang lại, có một 
khuyến nghị là khi hàn và lắp ráp anten WCPA đảm bảo chính xác về cơ khí, tránh các sai số gây 
ra trong quá trình lắp ghép. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. R. Szumny, K. Kurek, and J. Modelski, “Attenuation of multipath components using 
 directional antennas and circular polarization for indoor wireless positioning systems,” in 
 2007 European Radar Conference, Munich, Germany, Oct. 2007, pp. 401–404, doi: 
 10.1109/EURAD.2007.4405022. 
[2]. S. Gao, Q. Luo, and F. Zhu, "Circularly polarized antennas". Chichester, West Sussex, 
 United Kingdom: John Wiley & Sons Inc, 2014. 
[3]. G. Kumar and K. P. Ray, "Broadband microstrip antennas". Boston, Mass.: Artech House, 
 2003. 
[4]. T. Tasuku and T. Nasato, “Wideband circularly polarised array antenna with sequential 
 rotationsand phase shifts of elements,” in ISAP, Tokyo, Japan, 1985, pp. 117–120. 
[5]. J. Huang, “A technique for an array to generate circular polarization with linearly 
 polarized elements,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 34, no. 9, pp. 1113–1124, Sep. 
 1986, doi: 10.1109/TAP.1986.1143953. 
[6]. C.-L. Tang, J.-Y. Chiou, and K.-L. Wong, “Beamwidth enhancement of a circularly 
 polarized microstrip antenna mounted on a three-dimensional ground structure,” Microw. 
 Opt. Technol. Lett., vol. 32, no. 2, pp. 149–153, Jan. 2002, doi: 10.1002/mop.10116. 
[7]. J. R. James and P. S. Hall, Eds, "Handbook of microstrip antennas". London, U.K: P. 
 Peregrinus on behalf of the Institution of Electrical Engineers, 1989. 
[8]. W.-S. Lee, K.-S. Oh, and J.-W. Yu, “A wideband circular polarized planar monopole 
 antenna array with circular polarized and band-notched characteristics,” Prog. 
 Electromagn. Res., vol. 128, pp. 381–398, 2012, doi: 10.2528/PIER12040307. 
[9]. T. M. Cao, H. S. Vu, M. T. Le, and T. D. Bui, "Left Hand and Right Hand Circularly 
 Polarized Antenna for 5G Devices", presented at the International Conference on Industrial 
 Networks and Intelligent Systems, Hanoi, Vietnam, Apr. 2021. 
[10]. Y. Luo, Q.-X. Chu, and L. Zhu, “A Low-Profile Wide-Beamwidth Circularly-Polarized 
 Antenna via Two Pairs of Parallel Dipoles in a Square Contour,” IEEE Trans. Antennas 
 Propag., vol. 63, no. 3, pp. 931–936, Mar. 2015, doi: 10.1109/TAP.2014.2387438. 
[11]. S. Maddio, “A circularly polarized antenna array with a convenient bandwidth- size ratio 
 based on non-identical disc elements,” Prog. Electromagn. Res. Lett., vol. 57, pp. 47–54, 
 2015, doi: 10.2528/PIERL15081703. 
[12]. Bùi Thị Duyên, Ngô Văn Đức, Lê Minh Thùy, and NGuyễn Quốc Cường, “Mô phỏng một 
 số khả năng điều chỉnh đồ thị bức xạ cho dipole antenna vi dải băng thông rộng,” in Kỷ 
 yếu hội nghị khoa học kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ sáu, May 2015, pp. 1002–1008. 
72 B. T. Duyên, N. Trì, “Anten phân cực tròn băng thông rộng ứng dụng cho các thiết bị vô tuyến.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
[13]. T. D. Bui, Q. C. Nguyen, and M. T. Le, “Novel wideband circularly polarized antenna for 
 wireless applications,” in Microwave Conference (APMC), 2017 IEEE Asia Pacific, Kuala 
 Lumpur, Malaysia, Nov. 2017, pp. 430–433, doi: 10.1109/APMC.2017.8251472 
[14]. D. M. Pozar, "Microwave engineering", 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2012. 
[15]. T. M. Cao, T. Hoang Thi Phuong, and T. D. Bui, "Circularly polarized antenna array 
 based on hybrid couplers for 5G devices", Bulletin of Electrical Engineering and 
 Informatics, vol. 10, no. 3, 2021. 
 ABSTRACT 
 NOVEL WIDEBAND CIRCULARLY POLARIZED ANTENNA 
 FOR WIRELESS APPLICATIONS 
 The paper presents a novel wideband circularly polarized antenna for wireless 
 applications. The circularly polarized antenna consists of four printed dipole elements and 
 the feeding network based on sequential rotation technique. This proposed antenna at 5.8 
 GHz with a wideband of 36.3%, an axial-ratio 3 dB bandwidths of 22,4%, and a maximum 
 gain of 9.8 dBi. A prototype with a dimension of 50×50×22 mm3 has been fabricated and 
 measured. The measurements agree with the simulation results. The proposed antenna is 
 suitable for devices operating in IEEE 802.11 ac Wi-Fi, WLAN, WiMAX, and industrial 
 scientific medical frequency band. 
Keywords: Antenna array; Circular polarization antenna; Sequential rotation technique; Stub. 
 Nhận bài ngày 05 tháng 3 năm 2021 
 Hoàn thiện ngày 01 tháng 5 năm 2021 
 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 6 năm 2021 
Địa chỉ: 1Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Đại học Điện lực; 
 2Viện Tự động hóa kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/Bộ Quốc phòng. 
 *Email: duyenbt@epu.edu.vn. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 73