Thiết kế anten điều hướng cho hệ thống định vị trong nhà

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
12 Số 22 
THIẾT KẾ ANTEN ĐIỀU HƯỚNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ 
DESIGN OF BEAM STEERING ANTENNA FOR INDOOR POSITIONING SYSTEMS 
Bùi Thị Duyên 
 Trường Đại học Điện lực 
Ngày nhận bài: 23/11/2019, Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2020, Phản biện: TS. Dương Thị Thanh Tú 
Tóm tắt: 
Anten điều hướng tại tần số trung tâm 2,4 GHz được trình bày trong bài báo này. Anten điều hướng 
sử dụng ma trận Butler 4×4 cấu trúc phẳng, tạo thành các bộ dịch pha 135 và 45, từ đó hình 
thành bốn búp sóng chính cho anten. Thiết kế đề xuất được mô tả đầy đủ bởi các khối như mảng 
anten, ma trận Butler tạo thành anten điều hướng hoàn thiện. Anten điều hướng đề xuất có độ rộng 
búp sóng hẹp theo phương quét từ 21,5 đến 24,5, độ rộng búp sóng theo phương dọc ~90. Các 
hướng búp sóng chính của anten điều hướng từ 37, 12, 12 tới 36 theo phương ngang. Thiết kế 
đã được mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm CST. 
Từ khóa: 
Anten điều hướng, ma trận Butler, anten dẫn xạ, dấu vân tay. 
Abstract: 
A 2.4 GHz beam steering antenna array is presented in this paper. This antenna uses the 4x4 planar 
Butler matrix as a key component of phase-shifter which exhibits 135 and 45 phase shifts 
corresponding with four position of main beams. The proposed design is fully described, from the 
element blocks (antenna element, butler matrix) to the full integrated beam steering antenna array. 
The proposed antenna has the 21,5÷24,5 of beam-width in horizontal and ~90 of beam-width in 
vertical. The main beam of this antenna can steer from 37, 12, 12 to 37 in horizontal. The 
design has been simulated based on finite element method in CST software. 
Keywords: 
Beam steering antenna, Butler matrix, Yagi antenna, Fingerprinting. 
1. MỞ ĐẦU 
Anten điều hướng là phần tử quan trọng 
trong các hệ thống truyền thông không 
dây hiện đại, thường được áp dụng trong 
hệ thống ra đa, vệ tinh hay hệ thống định 
vị vô tuyến [1]. Kỹ thuật mảng pha 
thường được sử dụng để điều hướng búp 
sóng chính của anten mảng, dựa trên sự 
lệch pha của nguồn cấp cho từng phần tử 
trong mảng. Ma trận Butler là bộ dịch pha 
hữu hiệu mang lại nhiều thuận lợi cho 
thiết kế anten điều hướng như: dễ chế tạo, 
dễ tích hợp, hiệu suất cao, giá thành 
thấp... Các anten điều hướng (AĐH) sử 
dụng ma trận dịch pha Butler được trình 
bày trong các bài báo như [2-6]. Bên cạnh 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 13 
những ưu điểm các công bố [2-5], tồn tại 
hạn chế chính là độ rộng búp sóng còn lớn 
từ 25 đến 40. [6] có độ rộng búp sóng 
theo phương quét hẹp từ 20 đến 27, tuy 
nhiên độ rộng búp theo phương trực giao 
quá rộng 240 làm tăng hiện tượng đa 
đường do phản xạ từ tường hay sàn nhà. 
Trong bài báo này trình bày thiết kế anten 
điều hướng mảng pha sử dụng anten phần 
tử dẫn xạ tích hợp với bộ dịch pha Butler 
4×4 phẳng. Các búp sóng chính được hình 
thành có độ rộng theo phương quét hẹp 
giúp tăng độ chính xác của hệ định vị, bên 
cạnh đó độ rộng búp sóng theo phương 
trực giao không quá lớn đạt xấp xỉ 90 
giúp giảm hiện tượng đa đường do hạn 
chế các tín hiệu phản xạ từ tường, trần 
hay sàn nhà trong hệ thống định vị vô 
tuyến trong nhà. 
2. THIẾT KẾ ANTEN ĐIỀU HƯỚNG 
Thiết kế anten dẫn xạ phần tử 
Anten phần tử dẫn xạ được lựa chọn bởi 
có đồ thị bức xạ hình dải quạt, độ rộng 
búp sóng theo một phương hẹp giúp cho 
búp sóng tổng của AĐH theo phương quét 
hẹp làm tăng độ chính xác cho hệ định vị. 
Bên cạnh đó, có thể dễ dàng điều chỉnh độ 
rộng búp sóng theo phương trực giao dựa 
trên số lượng chấn tử dẫn xạ sử dụng. Với 
cánh bức xạ chủ động được thiết kế uốn 
cong đảm bảo tính chất nửa bước sóng, 
giảm kích thước theo chiều ngang, bên 
cạnh đó giúp tăng độ định hướng theo 
phương trực giao với cánh bức xạ. Để 
tăng thêm độ định hướng, các chấn tử dẫn 
xạ được thêm vào song song với cánh bức 
xạ như hình 1 tạo thành anten lưỡng cực 
dẫn xạ mạch in. Khoảng cách giữa các 
chấn tử dẫn xạ và cánh bức xạ thường 
(0,1÷0,35)0 [7]. Dựa trên nguyên lý của 
anten lưỡng cực dẫn xạ và phương pháp 
phần tử hữu hạn của phần mềm mô phỏng 
CST (Computer Simulation Technology), 
các tham số của anten được lựa chọn như 
trong bảng 1 tại tần số 2,45 GHz. Kết quả 
hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten thể 
hiện trong các hình 2.a và hình 2.b. 
Bảng 1. Các tham số của anten phần tử (đơn vị mm ) 
Tham số Larm Warm Ls g hsub Lsub Wsub Wbalun 
Giá trị 23,3 4,2 23 0,7 0,8 74 57,1 2,1 
Tham số La Lb Wfeed Ldirec Wdirec y1, y2 Lgnd Wgnd 
Giá trị 20 15,1 4,2 30 4,2 14 7 24 
Anten dẫn xạ phần tử hoạt động tại dải 
2,4 GHz gồm hai chấn tử dẫn xạ có đồ thị 
bức xạ dạng hình dải quạt, độ rộng búp 
sóng theo phương xoy 67 và 100 theo 
phương yoz. Anten này sẽ được đề xuất 
làm anten phân tử cho AĐH mảng pha đạt 
được độ rộng búp sóng hẹp theo phương 
quét giúp tăng độ chính xác cho hệ định 
vị vô tuyến. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
14 Số 22 
Hình 1. Cấu trúc của anten dẫn xạ phần tử 
Hình 2. Hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten phần tử 
Thiết kế bộ dịch pha vi dải sử dụng ma 
trận Butler 
Hình 3. AĐH mảng pha sử dụng ma trận Butler 
4x4 
Có nhiều lựa chọn khác nhau để thiết kế 
mạch dịch pha vi dải [7], với mục đích 
tăng hiệu suất cho mạch, giảm thiểu số 
cầu nối, loại bỏ phần tử chuyển mạch sử 
dụng PIN điôt, bài báo sử dụng bộ dịch 
pha ghép song song dựa trên ma trận 
Butler. 
Bộ chia đôi nguồn vuông pha: 
Bộ chia đôi nguồn vuông pha (QPD-
Quadrature Power Divider) hay còn gọi 
bộ lai có chức năng chia đôi nguồn và tín 
hiệu đầu ra lệch pha nhau một góc 90. 
QPD là mạch điện bốn cửa có bộ tham số 
S được xác định theo công thức (1) [8], 
cấu trúc của bộ QPD được thiết kế như 
hình 4.a. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 15 
Hình 4. Cấu trúc của bộ QPD và cầu nối chéo 
Hình 5. Các bộ tham số S và độ lệch pha giữa hai cổng ra của bộ QPD 
Qua kết quả mô phỏng hình 5a, nhận thấy 
các tham số S11, S22 nhỏ và các tham số 
S31, S41 lớn phản ánh đường truyền hiệu 
có suất cao từ các cổng 1, 2 ra cổng 3, 4. 
Kết quả tham số S12 hay S21 phản ánh sự 
cách ly giữa hai cổng vào, kết quả độ lệch 
pha giữa hai đầu ra của QPD bằng 90,2 
cũng được biểu diễn trên hình. 
Cầu nối chéo: 
Cấu trúc của cầu nối chéo được thể hiện 
trên hình 4b, đặc điểm của cầu này là 
truyền tín hiệu theo đường chéo: tín hiệu 
từ cổng 1 truyền sang cổng 4 và cách ly 
với hai cổng còn lại, tín hiệu từ cổng 2 
truyền sang cổng 3 cách ly với hai cổng 1 
và 4. Cầu nối chéo có đặc điểm tín hiệu 
vào và ra đồng pha nhau. Trường hợp đơn 
giản người ta có thể dùng cáp đồng trục 
để thay thế cầu này, tuy nhiên mối hàn sẽ 
làm suy giảm tín hiệu đáng kể so với 
đường vi dải không mối hàn. Các tham số 
về chiều dài và trở kháng được thể hiện rõ 
trên hinhf 5b. Cầu nối chéo là mạch bốn 
cửa, các bộ tham số S được mô tả theo 
công thức (2). 
 
0 1 0
0 0 11
1 0 02
0 1 0
QPD
j
j
S
j
j
 (1) 
 
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
j
j
S
j
j
 CÇu nèi chÐo
 (2) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
16 Số 22 
Hình 5b thể hiện kết quả bộ tham số S khi 
đầu vào tích cực, tham số S11 rất nhỏ thể 
hiện tín hiệu truyền đi tốt, tín hiệu phản 
xạ nhỏ. Tham số S21 và S31 nhỏ thể hiện 
sự cách ly tín hiệu giữa các cổng này 
được đảm bảo. Thông số S41 phản ánh 
việc tín hiệu truyền từ cổng 1 đến cổng 4, 
trong dải tần từ 2,2÷2,4 GHz tín hiệu 
truyền tốt (đạt 0,19 dB tại 2,45 GHz), 
các dải khác bị suy giảm dần, tín hiệu vào 
và tín hiệu ra là đồng pha. 
Bộ dịch pha cố định 45: 
Bộ dịch pha cố định 45 dựa trên sự trễ 
pha do chiều dài đường truyền vi dải, 
được thiết kế và kết quả mô phỏng độ 
lệch pha 45 º được thể hiện trong hình 6. 
Cấu trúc ma trận dịch pha Butler 4×4 gồm 
các phần tử cũng như việc phối hợp trở 
kháng được thực hiện trên hình 7a. Các hệ 
số phản xạ khi các đầu vào được tiếp điện 
lần lượt được thể hiện trên hình 7b. 
Từ kết quả cho thấy bộ dịch pha có băng 
thông rộng BW = 500 MHz, phối hợp trở 
kháng tốt trong dải 2,2÷2,7 GHz. Các tín 
hiệu truyền qua và pha ứng với cổng vào 
1 và 2 được mô tả trên hình 8, cho thấy 
tín hiệu truyền qua với biên độ đồng đều 
và góc lệch pha giữa các đầu ra theo đúng 
tiêu chí (cổng 1: ~+45; cổng 2: ~ 135). 
Hình 6. Cấu trúc bộ dịch pha 45º 
và kết quả mô phỏng của đường vi dải 
Do tính chất đối xứng của ma trận Butler 
nên cổng vào 3 và 4 khi được kích hoạt 
cũng có các tham số biên tương ứng đồng 
thời tạo ra góc lệch pha giữa các cổng ra 
là ~135, ~ 45 khi cổng 3, 4 kích hoạt. 
Lựa chọn một trong bốn cổng vào sẽ hình 
thành bốn búp sóng tương ứng ở các vị trí 
được thể hiện trong hình 10. 
Hình 7. Cấu trúc của ma trận Butler 4×4 thiết kế và tham số S mô phỏng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 17 
Hình 8. Kết quả các tham số truyền qua và độ lệch pha giữa các đầu ra 
C. Anten điều hướng mảng pha 
Sau khi tích hợp bốn anten phần tử vào 
mảng tuyến tính, thực hiện mô phỏng 
mảng không ghép bộ dịch pha. Xuất hiện 
sự lệch tần nhẹ của các anten phần tử 
trong mảng là do ảnh hưởng của hiện 
tượng tương hỗ giữa các phần tử gây nên. 
Sau khi hiệu chỉnh lại các tham số của 
anten phần tử trong mảng sao cho chúng 
cộng hưởng tại tần số trung tâm 2,45 GHz 
tốt nhất, tiến hành ghép bộ dịch pha 
Butler 4×4. Hình ảnh AĐH mảng pha 
được mô phỏng thể hiện trong hình 9. 
Kết quả mô phỏng tham số S tại các cổng 
vào của anten dải tần hoạt động từ 
2,3 đến 2,7 GHz. Giản đồ bức xạ theo 
phương xoy và yoz của AĐH trình bày 
trong hình 10 . 
Hình 9. Hình ảnh AĐH mảng pha và tham số S của anten 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
18 Số 22 
Hình 10. Kết quả mô phỏng giản đồ bức xạ của AĐH 
Để đánh giá kết quả AĐH đề xuất với các 
nghiên cứu có liên quan trên thế giới, tác 
giả tiến hành so sánh với các công bố ở 
cùng dải tần thiết kế, cùng số lượng anten 
phần tử và có mạch dịch pha tương tự 
[2-5]. Trong đó, ưu điểm nổi bật của 
AĐH đề xuất có độ rộng búp sóng theo 
phương xoy của AĐH dải quạt đề xuất 
hẹp từ 21,5º ÷ 24,5º, điều này là một trong 
những tiêu chí làm tăng độ chính xác 
trong định vị khi quét hay dò tìm đối 
tượng. Hệ số tăng ích của bốn búp từ 
9,13 đến 9,8 dBi cao hơn hẳn so với các 
nghiên cứu [3-5]. Đối với công bố [2] 
giản đồ bức xạ dạng hình bút, năng lượng 
tập trung hơn nhiều so với anten đề xuất 
hình dải quạt, mặt khác chế tạo dựa trên 
chất nền Duroid 5880 tổn hao thấp hơn ba 
lần so với RO4003C nên tăng ích có cao 
hơn so với anten đề xuất. Bởi độ rộng búp 
sóng theo phương quét hẹp, do đó góc 
quay cũng hẹp theo để tránh hiện tượng 
lọt khe khi dò đối tượng, góc quét gồm: 
 37º, 12º, 12º, 36º, do đó vùng quét của 
anten đề xuất là 97 phù hợp với yêu cầu 
thiết kế. Độ rộng búp sóng theo phương 
yoz của anten đề xuất ~90º phù hợp với 
ứng dụng đã đề ra: (1) vùng phủ theo 
phương thẳng đứng rộng hơn, có thể dò 
được đối tượng ở các chiều cao khác 
nhau, điều này là những hạn chế của các 
công bố sử dụng anten phần tử tấm; (2) so 
với nghiên cứu [6], [9] góc mở của dải 
quạt không quá rộng ~90º sẽ tránh được 
hiện tượng phản xạ lại từ sàn hay trần khi 
lắp đặt trong hệ thống, giảm thiểu tín hiệu 
đa đường. Để đạt được tiêu chí về giản đồ 
bức xạ, hiệu suất cao và cấu trúc phẳng, 
anten lưỡng cực thiết kế dạng mảng tuyến 
tính ngang, khoảng cách giữ các phần tử 
phải lớn hơn nửa bước sóng dẫn đến hạn 
chế của AĐH đề xuất là kích thước của 
anten còn lớn 220×260mm. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã đề xuất anten điều hướng bốn 
búp ở dải tần 2,4 GHz, sử dụng ma trận 
Butler 4×4 và anten phần tử lưỡng cực. 
Anten thiết kế đã có những ưu điểm như 
độ tăng ích cao, độ rộng búp sóng nhỏ 
theo phương quét trong khi phương trực 
giao không quá hẹp hoặc quá rộng giúp 
cho việc tích hợp vào hệ thống định vị 
được dễ dàng, đồng thời giúp cải thiện độ 
chính xác cho hệ thống định vị. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 19 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Y. Gu, A. Lo, và I. Niemegeers, “A survey of indoor positioning systems for wireless personal 
networks”, IEEE Commun. Surv. Tutor., vol 11, số p.h 1, tr 13–32, 2009. 
[2] Ayman M. El-Tager and Mohamed A. Eleiwa, “Design and Implementation of a Smart Antenna 
Using Butler Matrix for ISM-band”, trong Progress In Electromagnetics Research Symposium, 
Beijing, China, 2009. 
[3] W.H. Wan Mohamed, “Integration of PIN diode switching circuit with butler matrix for 2.45 GHz 
frequency band”, Optoelectron. Adv. Mater. – RAPID Commun., vol 5, số p.h 7, tr 793–798, 2011. 
[4] M. Fernandes, A. Bhandare, C. Dessai, và H. Virani, “A wideband switched beam patch antenna 
array for LTE and Wi-Fi”, trong Annual IEEE India Conference, Mumbai, India, 2013, tr 1–6. 
[5] F.Y. Zulkifli, N. Chasanah, Basari, và E.T. Rahardjo, “Design of Butler matrix integrated with 
antenna array for beam forming”, trong 2015 International Symposium on Antennas and 
Propagation (ISAP), 2015, tr 1–4. 
[6] T.D. Bui, V.D. Ngo, B.H. Nguyen, Q. C. Nguyen, và M.T. Le, “Design of beam steering antenna for 
localization applications”, trong 2016 International Symposium on Antennas and Propagation 
(ISAP), Okinawa, Japan, 2016, tr 956–957. 
[7] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten. nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2007. 
[8] D.M. Pozar, Microwave engineering, 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2012. 
[9] T.D. Bui, M.T. Le, và Q.C. Nguyen, “Electronically steerable antenna array for indoor positioning 
system”, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol 33, số p.h 7, tr 838–852, tháng 
5/2019. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Bùi Thị Duyên tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ thuật đo và tin học 
công nghiệp năm 2004; nhận bằng Thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa năm 2007; 
bảo vệ luận án tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tháng 01 
năm 2020 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Hiện nay tác giả là giảng viên 
Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực. 
Lĩnh vực nghiên cứu: các hệ thống đo lường điều khiển, thiết kế các hệ thống 
nhúng ứng dụng trong hệ thống điều khiển và tự động hóa, mạng cảm biến 
không dây, anten, mạch cao tần. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
20 Số 22 
 . 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 21