Khảo sát đặc tính và tính toán số lượng phần tử cho anten khe sử dụng trong radar hàng hải

 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VÀ TÍNH TOÁN SỐ LƯỢNG PHẦN TỬ CHO 
 ANTEN KHE SỬ DỤNG TRONG RADAR HÀNG HẢI 
 INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS AND DETERMINATION THE 
 NUMBER OF SLOTS FOR SLOT ANTENNA USED IN MARINE RADAR 
 NGUYỄN MẠNH CƯỜNG* , ĐOÀN NGỌC ÂU, ĐỖ CÔNG DANH 
 Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
 *Email liên hệ: nguyenmanhcuong@vimaru.edu.vn 
Tóm tắt 1. Giới thiệu 
Công nghệ anten là một phần rất quan trọng trong Anten khe sử dụng trong Radar Hàng hải thường 
công nghệ điện tử và truyền thông ngày nay, sự là loại anten được làm từ ống dẫn sóng trụ tròn hoặc 
phát triển của truyền dẫn không dây luôn gắn liền ống dẫn sóng hình chữ nhật với thành ống được cắt 
với sự phát triển của anten. Do nhu cầu sử dụng một hoặc nhiều khe có độ dài bằng nửa bước sóng [1]. 
mà băng tần cao đang được nghiên cứu và sử Thông thường, khi sử dụng ống dẫn sóng hình chữ 
dụng trong mục đích thông tin liên lạc, truyền dẫn nhật thì trường cơ bản lan truyền trong thành ống là 
 trường H còn khi sử dụng ống dẫn sóng trụ tròn thì 
và đo đạc từ xa. Đặc biệt, trong radar hàng hải, 10
 trường cơ bản lan truyền là trường H . Khi sóng điện 
anten khe đang được sử dụng phổ biến trên các 11
 từ được kích thích truyền lan trong ống dẫn sóng, mặt 
băng tần S và X của dải microwave. Bài báo này 
 trong của thành ống xuất hiện dòng điện mặt. Với 
sẽ thiết kế , mô phỏng anten khe và phân tích sâu 
 véctơ mật độ của dòng điện mặt được xác định bởi 
về đặc điểm về độ lợi anten, trở kháng sóng với biểu thức: 
từng dải tần sử dụng của anten khe để có được 
 ̅ 푒 ̅
đánh giá cụ thể về mối liên hệ giữa số lượng khe, 퐽푠 = [푛̅ × ] (1) 
kích thước với độ lợi anten. Từ đó đưa ra được Trong đó: 
thiết kế phù hợp với từng dải tần được sử dụng 푛̅: Véctơ vuông góc với thành ống; 
của anten khe trong radar hàng hải. ̅: Véctơ cường độ từ trường bề mặt ống. 
Từ khóa: Anten khe, Anten dải rộng, Anten viba, Trong ống dẫn sóng chữ nhật, trường cơ bản H10 
Băng thông rộng, độ rộng chùm tia. được truyền lan, véctơ từ trường bao gồm: 
Abstract 
 −푖훽 
 = 0cos ( ) 푒
Antenna technology is an important part of 
 { (2) 
 −푖훽 
today's electronics and communications, the = −푖 0sin ( ) 푒
development of wireless transmission has always 
been associated with the development of Trong đó: 
antennas. According to usage requirements, high- 0: Giá trị lớn nhất của cường độ từ trường; 
frequency bands are being researched and used A : Hằng số; 
for communication, transmission, and telemetry 
purposes. In particular, slot antennas are being 훽: Hệ số pha của sóng có giá trị 2 / ; 
used commonly on the S and X bands of 
 : Độ rộng thành đứng của ống dẫn sóng. 
microwave bands in marine radar. This article 
will design and simulate the slot antenna and Theo công thức (1) và (2) thì ở mặt trong của thành 
analyze in-depth antenna gain characteristics, ống dẫn sóng xuất hiện 3 thành phần của dòng điện 
wave impedance for each frequency band used by mặt là 2 thành phần ngang Jx, Jy và một thành phần 
the slot antenna to obtain a specific assessment of dọc. Trong đó, thành phần ngang được gây ra bởi từ 
the relationship between the number of slots, size 
 trường dọc Hz, thành phần dọc được gây ra bởi từ 
with antenna gain. Hence, this article proposed an 
 trường ngang Hx. 
optimal design suitable for each frequency band 
of slot array antennas used in marine radar. 
Keywords: Slot antenna, Wide band antenna, 
Microwave antenna, Broadband, Beam width. 
78 SỐ 66 (4-2021) 
 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
 Đặc tính định hướng của anten khe phụ thuộc lớn 
 vào số lượng các khe và dải tần công tác. Để xác định 
 được tính định hướng của anten khe phù hợp với từng 
 dải tần công tác, trong bài báo này sẽ tiến hành khảo 
 sát, thiết kế, mô phỏng hệ anten khe đồng pha trong 
 dải tần băng S, từ đó đưa ra so sánh về độ lợi, trở 
 kháng sóng của từng hệ anten khe. 
 2. Mô phỏng và khảo sát đặc tính hệ anten khe 
 đồng pha 
 Hình 1. Phân bố thành phần dòng điện trên thành 
 Giả thiết, anten radar hàng hải được sử dụng là loại 
 ống dẫn sóng 
 ống dẫn sóng hình chữ nhật có các khe được cắt dọc 
 theo thành ống và phân bố so le về hai phía. Trường 
 Nếu khe được cắt nằm trên thành ống dẫn sóng và 
cắt ngang đường sức mật độ dòng điện thì dòng điện cơ bản H10 được kích thích tại điểm giữa phần thành 
 rộng của ống. Khoảng cách từ tâm khe này tới tâm khe 
dẫn tại mặt trong thành ống sẽ bị gián đoạn tại các khe 
 khác liên tiếp nhau ở cùng 1 phía là λ. Việc đặt khoảng 
và chuyển thành dòng điện dịch, dòng điện dịch này 
sẽ chạy vuông góc theo hai mép khe. cách giữa các khe liên tiếp là λ để đảm bảo cho các 
 khe ở cùng một phía so với thành ống sẽ được kích 
 thích đồng pha, và khoảng cách giữa 2 tâm khe liên 
 tiếp nằm ở 2 phía của thành ống dẫn sóng là λ/2. Vì 
 thành phần ngang Jx sẽ đổi chiều khi chuyển qua 2 
 thành ống dẫn sóng nên nếu cắt các khe ở điểm cách 
 tâm khe thứ nhất một khoảng d = A/2 thì dòng điện 
 mặt Jx ở đây sẽ đồng pha với dòng tại các khe. Để các 
 khe dọc được kích thích mạnh nhất thì tâm khe cần 
 được đặt ở điểm bụng của thành phần dọc H , nghĩa là 
 z
 khoảng cách từ khe đến điểm ngắn mạch đầu cuối cần 
 Hình 2. Dòng điện dịch trên ống dẫn sóng 
 chọn bằng λ/4 hoặc [4]: 
 Như vậy, tại mặt trong thành ống, với dòng điện λ
 퐿 = (2푛 + 1) 푛 = 0,1,2,  (3) 
dịch đã xuất hiện sẽ hình thành các điện trường tương 4
ứng và phát sinh điện áp giữa hai mép khe. Nếu khe 
 Xét trên băng tần S, cụ thể là tần số 2,45GHz [3], 
được cắt dọc theo đường sức dòng điện thì sẽ không 
 với các tham số của anten khe ở trên, tiến hành tính 
sinh ra dòng điện dịch chảy ngang mép khe, và khe sẽ 
 toán và thiết kế trên phần mềm Matlab (Hình 3). 
không bức xạ năng lượng. Nếu cắt khe vuông góc với 
đường sức dòng điện thì dòng điện dịch chảy ngang Xét đồ thị phương hướng của hệ anten khe đồng 
mép khe là lớn nhất, khe sẽ bức xạ sóng điện từ. pha, giả thiết đồ thị phương hướng của hệ anten khe 
 cũng giống như đồ thị phương hướng của anten chấn 
 Theo nguyên lý tương hỗ, anten khe có thể được 
 tử điện nửa sóng, ta sẽ nhận được phương trình hàm 
sử dụng dùng làm anten phát hoặc anten thu. Cường 
 phương hướng chuẩn hóa của hệ anten khe đồng pha 
độ bức xạ hoặc cường độ thu của khe phụ thuộc vào 
 trên ống dẫn sóng chữ nhật với các khe được cắt theo 
vị trí của khe trên thành ống dẫn sóng. Để nhận được 
 phương dọc [4]: 
đồ thị phương hướng theo yêu cầu cần thiết kế anten 
gồm một hệ thống các khe cắt trên thành ống dẫn sóng, 
 흅 푵풌풅
 퐜퐨퐬 ( 풔풊풏휽) 퐬퐢퐧 ( 풔풊풏휽)
các khe này được bố trí theo kiểu dọc, ngang hoặc xiên 푬 
 푭(휽) = = 풌풅 (4) 
 푬 풙 푵 풐풔휽 퐬퐢퐧 ( 풔풊풏휽)
và được kích thích đồng pha với nhau. 
 Trong hệ thống radar hàng hải với một số những 
yêu cầu về góc phương vị (3600), tính định hướng cao, Trong đó: 
dải thông tần đủ rộng, các búp sóng phụ là tối thiểu cả N: Số khe cắt trên thành ống dẫn sóng; 
về biên độ lẫn số lượng thì anten khe đáp ứng tốt d: Khoảng cách của hai tâm khe liên tiếp; 
những yêu cầu trên [2, 3]. Vì vậy, anten khe được sử 
 훉: Góc giữa pháp tuyến của tâm thành rộng ống 
dụng phổ biến trong radar hàng hải, cụ thể là anten 
 dẫn sóng với hướng khảo sát. 
khe đồng pha. 
SỐ 66 (04-2021) 79 
 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
 Hình 3. Hệ anten khe đồng pha với số khe là 10 
 Từ hàm phương hướng chuẩn hóa trên vẽ được đồ 3. Thiết kế, tính toán số lượng khe tương ứng 
thị phương hướng trong không gian 2 chiều và 3 với các dải tần số 
chiều của hệ anten khe đồng pha, tương ứng (Hình Với việc thiết kế, mô phỏng hệ anten khe đồng 
4 và Hình 5). pha, bài báo khảo sát được đặc tính phương hướng của 
 hệ anten khe. Để phân tích rõ hơn về ảnh hưởng của 
 số khe với độ lợi và trở kháng sóng của anten trên dải 
 băng tần S, nhóm đã tiến hành xét sự thay đổi của số 
 lượng khe sóng N = 4÷24 với tần số công tác F = 
 2,1÷2,9GHz. Dựa vào sự thay đổi về độ lợi và trở 
 kháng sóng (Bảng 1 & 2), nhận thấy rằng, tại tần số 
 2,5GHz, độ lợi anten và trở kháng sóng là lớn nhất khi 
 thay đổi tăng số lượng khe lớn hơn 12 khe và ở tần số 
 2,9GHz độ lợi anten và trở kháng sóng là nhỏ nhất. 
 Bảng 1. Bảng so sánh giữa trở kháng sóng với số 
 lượng khe tương ứng trên băng tần S 
 Hình 4. Đồ thị phương hướng trong không gian 
 N (số khe) Max Min 
 2 chiều của hệ anten khe đồng pha 10 phần tử 
 4 2,4GHz 2,9GHz 
 8 2,4GHz 2,9GHz 
 12 2,4GHz 2,9GHz 
 16 2,5GHz 2,9GHz 
 20 2,5GHz 2,9GHz 
 24 2,5GHz 2,9 GHz 
 * Với Max, Min là băng tần có trở kháng sóng lớn 
 nhất và nhỏ nhất; 
 * Với max, min là độ lợi của lớn nhất và nhỏ nhất 
 trên từng băng tần (đơn vị: dBi); 
 Hình 5. Đồ thị phương hướng trong không gian Đồng thởi, sau khi so sánh về trở kháng sóng, nhận 
 3 chiều của hệ anten khe đồng pha 10 phần tử thấy rằng khi số lượng khe tăng trở kháng sóng được 
 giảm nhỏ. Hình 6 mô tà trở kháng sóng của hệ anten 
 khe với số lượng khe N = 24. 
 80 SỐ 66 (4-2021) 
 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
 Bảng 2. Bảng so sánh độ lợi với số lượng khe tương ứng trên băng tần S 
 N 
 4 8 12 16 20 24 
 F 
 Max 7,71 10,4 12,7 13,7 14,8 14,8 
 2,1 
 Min -14,3 -17,8 -22,3 -22,3 -31,1 -22,5 
 Max 5,46 7,82 10 11,7 12,5 11,8 
 2,2 
 Min -21,3 -22,9 -24,6 -19,9 -25,3 -19,8 
 Max 5,54 8,87 11,2 13,8 15,6 15,1 
 2.3 
 Min -21,1 -22,6 -18,9 -20,2 -28,7 -27,9 
 Max 11,4 13,8 6,48 9,05 13,1 14 
 2,4 
 Min -25,5 -29,7 -24,3 -22,4 -25,4 -31,8 
 Max 5,97 9,32 12,8 14,8 17 18,1 
 2,5 
 Min -28,9 -21,5 -37,9 -22,1 -28,5 -24,7 
 Max 6,57 6,53 9,14 11,3 8,59 10,7 
 2,6 
 Min -21,6 -23,7 -24 -18,5 -25,2 -24 
 Max 6,55 6,46 7,18 7,06 7,92 10,4 
 2,7 
 Min -18,4 -20,8 -23,9 -28 -27,5 -24,8 
 Max 7,25 7,02 7,86 7,77 8,99 9,06 
 2,8 
 Min -24 -27,6 đượ-30c ,t8ớ i 14,8dBi-21. Khi,9 khảo -sát24 ,s4ố lượng -tăng21,9 quá 24 
 Max 8,27 7,6 khe8 ,thì22 độ lợi sẽ 8b,1ị suy giảm10 do,3 biên độ c10ực,4 đại phụ 
 2<9 
 Min -20,2 -20,7 tăng-23 m,8ạ nh theo -lý26 thuy,6 ết anten-35 m,7 ảng nói -chung.24,8 
 4. Kết luận 
 Bài báo đã khảo sát các đặc tính, đồ thị phương 
 hướng của anten khe được sử dụng trong Radar hàng 
 hải. Từ đó, mô phỏng thiết kế một hệ anten khe, tính 
 toán số lượng khe phù hợp với dải tần tương ứng. Với 
 các đặc điểm dễ chế tạo, tính định hướng cao, độ lợi 
 lớn nên anten khe được sử dụng rất phổ biến trong 
 radar hàng hải. 
 Trên băng tần S, thông qua việc khảo sát đặc tính 
 của hệ anten khe và so sánh giữa trở kháng sóng, độ 
 Hình 6. Đồ thị trở kháng sóng tương ứng với số khe lợi và số khe với nhau, bài báo đã tính toán được số 
 N=24 trong dải tần 2,1÷2,9GHz khe với giải tần số tương ứng, phù hợp. Số khe cụ thể 
 là N = 20÷24 ở dải tần 2.4÷2,5GHz, với được độ lợi 
 anten từ 15÷17dBi và trở kháng sóng giảm nhỏ. 
 Đối với mỗi dải tần khác nhau sẽ có số lượng khe 
 phù hợp tương ứng để đảm bảo được độ lợi lớn nhất 
 và trở kháng sóng nhỏ. Nhìn chung theo tiêu chí về độ 
 lợi, độ rộng búp sóng và trở kháng sóng của Anten 
 Radar hàng hải thì số lượng khe 20÷24 là phù hợp. 
 Hình 7. Anten khe ngoài thực tế với số khe là 16 Lời cảm ơn 
 Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học 
 Với yêu cầu của anten radar Hàng hải, độ lợi trung Hàng hải Việt Nam trong đề tài mã số DT20-21.49. 
bình nằm trong khoảng 15÷17dBi [2, 5], dựa theo 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Bảng 2, lựa chọn số khe N=20÷24 khe ở dài tần 
2.4÷2.5GHz để anten có thể nhận được độ lợi từ [1] Trần Xuân Việt, Kỹ thuật anten, NXB Hàng hải, 
15÷17dBi và có trở kháng sóng giảm nhỏ. Hải Phòng, 2019. 
 Hình 7 là hình ảnh anten khe ngoài thực tế với số [2] Trần Đức Inh, Hệ thống dẫn đường hàng hải, NXB 
khe là N=16, tại đó độ lợi anten trên băng tần S đạt Hàng hải, Hải Phòng, 2020. 
SỐ 66 (04-2021) 81 
 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
[3] Ramprakash K, Design, Analysis and Fabrication 
 of a Microstrip Slot Antenna, International 
 Journal of Innovative Technology and Exploring 
 Engineering, Vol.8 Issue-2S December, 2018. 
[4] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa 
 học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2007. 
[5] Slotted Waveguide Antennas, online: 
 theory.com/antennas/aperture/slottedwaveguide2.
 php?fbclid=IwAR3aewU4-
 q1QZKa582rO0VDWkAI9WvfHAn8QrJlU8yBl
 Q_jn9MJlddKMQiI 
 Ngày nhận bài: 16/01/2021 
 Ngày nhận bản sửa: 08/02/2021 
 Ngày duyệt đăng: 25/02/2021 
 82 SỐ 66 (4-2021)