Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Một giải pháp cải tiến băng thông cho ăng-ten
trạm thu phát gốc phản xạ vi dải
Hoàng Đăng Cường1, Lê Minh Thùy2* và Nguyễn Quốc Định1
1
Khoa Vô Tuyến Điện tử, Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn
2
Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội
*E-mail:
mỗi lớp có một phần tử tương đương với một mạch
cộng hưởng để làm tăng băng thông của phần tử mảng.
Đối với các ăng-ten nhiều phần tử, ở tần số cao thì kích
thước đường mạch dải sẽ nhỏ, do đó đòi hỏi sai số chế
tạo thấp để đảm bảo chất lượng của phần tử. Đối với
ăng-ten có nhiều lớp, việc căn chỉnh các phần tử theo
thiết kế cũng cần chính xác, do đó, việc chế tạo sẽ yêu
cầu mức độ cơng nghệ chính xác cao hơn và do đó giá
thành chế tạo cao [7]. Để khắc phục sự hạn chế băng
thông do sai lệch khoảng cách, đơn giản nhất là tăng tỷ
lệ giữa khoảng cách từ nguồn cấp đến mảng so với
đường kính của mảng, tức là giảm S trong cơng thức
(1). Tuy nhiên, khi giảm S thì hệ số tràn lại tăng lên
nên thông thường tỷ lệ này nhỏ hơn 1,5. Một số nghiên
cứu thực hiện tuyến tính hóa đường đặc tuyến pha của
phần tử bằng cách dùng các phần tử trễ thời gian như
dây chêm, khe vi dải [8]. Nghiên cứu [9], [10] đề xuất
giải pháp tuyến tính hóa đường đặc tuyến pha bằng
cách kết hợp nhiều phần tử.
Một nhược điểm khác của MPX là độ nhạy pha
lớn. Thơng thường, một phần tử ăng-ten có giản đồ pha

hình chữ ‘S’. Ở đoạn giữa giản đồ pha theo kích thước
hoặc tần số thường rất dốc. Tức là sai số kích thước
nhỏ dẫn đến sai số pha của các phần tử rất lớn. Một yếu
tố bất lợi của phần tử MPX là hầu hết các phần tử trong
mảng đều thuộc khu vực dốc này. Do đó, các phần tử
này rất dễ sai pha do chế tạo. Để giảm sự sai pha cần
phải thiết kế các cấu trúc có đáp ứng pha rộng, độ dốc
giản đồ pha thấp. Để cải thiện độ dốc của đặc tuyến
pha thì có thể tăng độ dày lớp điện môi. Tuy nhiên, khi
tăng độ dày lớp điện môi, dẫn đến dải đáp ứng pha của
các phần tử có thể nhỏ hơn 360o, do đó sai pha lớn cho
một số phần tử của mảng, điều này có thể ảnh hưởng
đến độ lợi của ăng-ten. Đồng thời, nó cũng làm tăng
chi phí chế tạo ăng-ten do phơi có lớp điện môi dày
hơn thông thường sẽ đắt hơn.
Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu, đề
xuất thiết kế ăng-ten MPX gồm 144 phần tử vi dải,
hoạt động ở dải tần Ka, tần số trung tâm là 12,5 GHz.
Để cải thiện băng thơng, nhóm tác giả khảo sát hai kiểu
phần tử phản xạ: một lớp và hai lớp. Phần tử phản xạ
được cấu thành bởi các vòng bát giác (octagon) lồng
vào nhau. Đồng thời, nhóm tác giả sử dụng lớp đệm
mút xốp (foam) ROHACELL 51HF để làm tăng độ
tuyến tính của đặc tuyến pha và giảm chi phí chế tạo.

Tóm tắt - Ăng-ten mảng phản xạ vi dải được nghiên cứu
và sử dụng rộng rãi trong các trạm thu phát gốc, đặc biệt
là các trạm thông tin vệ tinh. Bên cạnh các ưu điểm như
trọng lượng và chi phí thấp, khả năng tạo đa búp sóng và
điều hướng búp sóng chính mà vẫn duy trì được mức

búp sóng phụ thấp, ăng-ten mảng phản xạ vi dải vẫn có
hạn chế lớn nhất là băng thơng hẹp. Trong bài báo này,
nhóm tác giả đề xuất giải pháp mở rộng băng thông cho
ăng-ten mảng phản xạ vi dải ở băng tần Ka trong thông
tin vệ tinh sử dụng phần tử hai lớp với cấu trúc bốn vòng
bát giác và mút xốp. Ăng-ten mảng phản xạ vi dải hai lớp
được thiết kế có kích thước 144 mm x 144 mm, đạt độ lợi
cực đại là 22 dBi và có băng thơng cải thiện 200 MHz so
với ăng-ten mảng phản xạ vi dải một lớp truyền thống.
Từ khóa - ăng-ten mảng phản xạ vi dải, băng tần Ka,
trạm thu phát gốc, mở rộng băng thông.

I.

GIỚI THIỆU

Ăng-ten mảng phản xạ (MPX) được công bố từ
những năm 1960 [1].Tuy nhiên, mãi đến thập niên 80,
MPX vi dải được tập trung nghiên cứu nhiều hơn nhờ
sự tiến bộ của công nghệ chế tạo mạch in. So với ăngten gương truyền thống, MPX dạng vi dải có ưu điểm:
nhẹ, cấu trúc phẳng, chi phí sản xuất thấp [2]. Hiện
nay, ăng-ten này đã được nghiên cứu và ứng dụng
nhiều trong thông tin vệ tinh [3]. Tuy nhiên, cũng như
các ăng-ten mảng vi dải truyền thống, ăng-ten này có
nhược điểm là băng thông hẹp [2]. Băng thông của
MPX phụ thuộc vào hai yêu tố chủ yếu, thứ nhất là
băng thông của phần tử, thứ hai là do sai pha theo tần
số và chênh lệch khoảng cách cấp nguồn như công thức
(1) [4]:
( Si S0 )(kc k x )

Si . k x
(1)
i
Trong đó, Si, S0 là khoảng cách từ nguồn đến
phần tử thứ i và tâm của mảng; kc, kx là số sóng trong
khơng gian tự do của tần số trung tâm fc và tần số fx
trong băng tần.
Công thức (1) cho thấy độ lệch pha giữa các phần
tử sẽ thay đổi theo khoảng cách và tần số. Các phần tử
ngoài biên sẽ có sai pha lớn hơn các phần tử ở giữa. Do
đó, mảng càng rộng, băng thơng càng hẹp.
Để mở rộng băng thông của MPX vi dải, trước
hết cần phải mở rộng băng thông của phần tử. Một số
nghiên cứu sử dụng phần tử phản xạ với nhiều phần tử
cộng hưởng [5]. Các mạch này đóng vai trị là các
mạch cộng hưởng. Nghiên cứu [6] sử dụng nhiều lớp,

ISBN: 978-604-80-5076-4

269


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

THIẾT KẾ PHẦN TỬ

Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy cấu trúc hai
vòng tròn trong một phần tử với mút xốp (foam)
ROHACELL 51HF (hằng số điện mơi tương tự như
khơng khí r2 = 1,06) có dải pha rộng [11]. Tuy nhiên

đối với cấu trúc tròn, việc chế tạo vẫn gặp sai số nhất
định. Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả đề xuất
sử dụng cấu trúc hai vòng bát giác (octagon) để thay
thế cho cấu trúc trịn. Thêm vào đó, nhóm tác giả sử
dụng cấu trúc hai lớp và tăng độ dày lớp mút xốp
ROHACELL 51HF để tăng độ tuyến tính đặc tuyến
pha nhằm cải thiện băng thông của ăng-ten.
Bảng 1. Kích thước của phần tử (đơn vị: mm)
h2
w1
w2
d1
g
t
l
1
0,9
0,67
10
0,4 0,035 10
d2
d3
d4
d5
w3
w4
10
8
6
4

0,5
0,5

Để làm rõ sự cải thiện đặc tuyến pha của phần tử
hai lớp đề xuất, nhóm tác giả tiến hành khảo sát đặc
tuyến pha của hai phần tử như trên Hình 1. Ở Hình 1a,
phần tử một lớp có hai vịng bát giác được khắc trên
một lớp điện môi RT5870 ( r1=2,33), bên dưới là lớp
mút xốp với độ dày 1 mm, kích thước cụ thể như Bảng
1. Phần tử hai lớp trình bày ở hình 1c, có bốn vịng bát
giác, hai vòng ở lớp đồng trên, hai vòng ở lớp đồng
thứ hai, ở giữa lớp mút xốp và lớp điện mơi RT5870.
Các vịng bát giác có độ dày và khoảng cách đều bằng
0,5 mm. Lớp điện môi thứ nhất (RT5870) có độ dày
0,787 mm, lớp điện mơi thứ hai là lớp mút xốp có độ
dày 3 mm. Giản đồ đặc tuyến pha và biên độ của hai
phần tử được trình bày ở Hình 2. Giản đồ độ dốc của
đặc tuyến pha được trình bày ở Hình 3. Độ dốc của
đặc tính pha được tính theo cơng thức (2).
h1

RT5870

h2

RHC HF

Độ dày t h1

w3


h3
Độ dày t

w4

l

(c)

(d)

(a)

(a)

Hình 1. Cấu trúc của hai phần tử ăng-ten.
Phần tử một lớp: mặt bên và mặt trên (a), kích thước chi tiết
của phần tử (b);
Phần tử hai lớp: Mặt bên, phần tử lớp trên, phần tử lớp dưới
(c), kích thước chi tiết của phần tử (d).

ISBN: 978-604-80-5076-4

5

6

7
l (mm)


8

9

10

-0.6

240
210
180
150
120
90
60
30
0

4

5

6

7
l (mm)

8


9

10

d
dl

(2)

THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG PHẢN XẠ VI DẢI

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả chọn kích
thước của mảng là 144 mm x 144 mm, bao gồm 144
phần tử, mỗi phần tử có kích thước /2. Ăng-ten loa
dùng làm bộ chiếu xạ có kích thước 40 mm x 35 mm,
hệ số tăng ích cực đại 14,2 dBi tại tần số trung tâm
12,5 GHz, góc -10 dB đạt 65o. Cấu trúc của một MPX
vi dải như Hình 4. Cơng thức tính (3) [7] được sử dụng
để tính pha và kích thước của từng phần tử trong
mảng.

d2

d5

4

III.

d4


d3

RHC HF

Pha của S11 (1 lớp)
Pha của S11 (2 lớp)

Trong đó, ϕ là giá trị pha, tính theo độ, l là kích
thước của phần tử, tính theo milimét.
Hình 2 và Hình 3 cho thấy độ tuyến tính của đặc
tuyến pha của phần tử hai lớp được cải thiện rõ. Độ
dốc lớn nhất của phần tử hai lớp đạt 250o/mm so với
320o/mm của phần tử một lớp. Tuy nhiên hệ số phản
xạ của phần tử hai lớp nhỏ hơn trong toàn dải do cấu
trúc hai lớp suy hao lớn hơn. Kết quả này kỳ vọng
mảng phản xạ của phần tử hai lớp có băng thơng tốt
hơn.

l

(a)

-0.4

S11(1 lớp)
S11(2 lớp)

G


(b)

RT5870

-0.2

Hình 3. Độ dốc đặc tuyến pha của hai phần tử khảo sát.

d1

(a)

0.0

Hình 2. Giản đồ đặc tuyến pha và hệ số phản xạ của hai phần
tử khảo sát.
330
1 lớp
300
2 lớp
270
Tốc độ thay đổi pha (0/mm)

h1
0,787
h3
3

-60
-120

-180
-240
-300
-360
-420
-480
-540
-600
-660
-720
-780

Hệ số phản xạ S11(dB)

II.

Pha của hệ số phản xạ S11 (o)

Bài báo được chia làm 4 phần. Phần thứ II trình bày
việc so sánh và thiết kế phần tử ăng-ten. Phần III trình
bày việc thiết kế cấu trúc MPX vi dải. Phần thứ IV so
sánh kết quả mô phỏng hai ăng-ten MPX vi dải sử
dụng hai kiểu phần tử phản xạ. Phần V là kết luận.

270


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

144 phần tử


Nguồn cấp
Z

H
105.12 mm

(xf, yf)
H

θb
θ0

ϕb

105.12 mm
D

(x0, y0)
(xi, yi)
Phần tử thứ i

IV.

D

R ( xi , yi )

R


k0 sin

( xi , yi )
b cos

k0 sin
b xi

b sin

b yi

(3)

Trong đó, k0 là số sóng trong không gian tự do; di
là khoảng cách từ nguồn cấp đến phần tử thứ i, R(xi,
yi) là pha của phần tử thứ i. Đối với phạm vi bài báo
này, búp sóng được tạo ra vng góc với mặt phản xạ
nên b = 0, b = 0. Do đó:
R

( xi , yi ) 0

( xi , yi )

(4)

k0 d i

Hệ số định hướng (dB)


Cả hai ăng-ten với 2 kiểu phần tử đều được tính
tốn và mơ phỏng giống nhau để đánh giá băng thơng.
Trong bài báo này, nhóm tác giả chỉ cấp nguồn tại
tâm, tức là nguồn cấp nằm bên trên và giữa mảng phản
xạ. Để xác định được pha và kích thước của các phần
tử, trước hết phải xác định được vị trí của nguồn cấp,
tức là độ cao H. Tham số này được xác định nhằm đạt
hiệu quả mặt mở lớn nhất. Sau khi tính tốn bằng cơng
thức từ tài liệu [12], kết quả được thể hiện ở Hình 5.
Hiệu quả mặt mở tốt nhất khi tỷ số H/D = 0,73
và được biểu diễn trong Hình 5. Trên cơ sở độ cao
nguồn cấp H = 105,12 mm cùng với đặc tuyến pha ở
Hình 2, pha và kích thước của từng phần tử được xác
định. Hình của hai MPX vi dải cùng cấu hình được
trình bày ở Hình 6.

Hệ số định hướng cực đại (dBi)

Hiệu suất mặt mở

0.9

0.8

Hiệu suất mặt mở
Hiệu suất tràn
Hiệu suất cấp nguồn

0.6

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

PCD-1 lớp
PCN-1 lớp

-120

PCD-2 lớp
PCN-2 lớp

-60

22.25
22.00
21.75
21.50
1 lớp
2 lớp

21.25

11.8

12.4 12.6 12.8 13.0
Tần số (GHz)
Hình 8. Băng thơng -1dB của hai ăng-ten với phần tử
một lớp và hai lớp.

H/D
Hình 5. Hiệu quả mặt mở khi thay đổi tỷ số H/D.

ISBN: 978-604-80-5076-4

25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-180

0

60
120
180
Góc theta (o)
Hình 7. Giản đồ bức xạ của hai ăng-ten MPX vi dải một lớp
và hai lớp.
22.50

1.0

0.7

KẾT QUẢ MƠ PHỎNG

Hình 7 trình bày đặc trưng phát xạ của hai MPX
vi dải cấu tạo bởi phần tử một lớp và hai lớp. Hình 8
trình bày giản đồ băng thơng của hai ăng-ten MPX vi
dải. Hình 7 cho thấy hệ số định hướng cực đại ở phân
cực dọc (PCD) của ăng-ten một lớp tốt hơn ăng-ten hai
lớp (22,4 dBi so với 22 dBi). Điều này phản ánh đúng
theo xu hướng đặc tính độ lợi của phần tử cấu thành.
Phân cực ngang (PCN) của ăng-ten một lớp kém hơn
so với ăng-ten hai lớp (- 32 dB so với - 40 dB). Hình 8
cho thấy sự cải thiện về băng thơng - 1 dB của ăng-ten
hai lớp so với một lớp (1,1 GHz so với 900 MHz).
Điều này chính là nhờ đặc tuyến pha tuyến tính hơn
của phần tử hai lớp. Búp sóng bên của ăng-ten MPX vi
dải hai lớp là -15,9 dB, búp sóng bên đầu tiên của ăngten MPX một lớp là -17 dB. Búp sóng bên này được
gây ra chủ yếu bởi hiệu ứng che khuất của ăng-ten loa.


Hình 4. Cấu trúc của ăng-ten mảng phản xạ.

( xi , yi ) k0 di

D

Hình 6. Cấu trúc của ăng-ten mảng phản xạ sau khi tính tốn
kích thước các phần tử.

271

12.0

12.2


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

V.

KẾT LUẬN

Bằng cách sử dụng bốn phần tử dạng vòng bát
giác trong hai lớp mạch in, nhóm tác giả đã cải tiến
đặc tuyến pha của phần tử ăng-ten mảng phản xạ vi
dải. Độ dốc đặc tuyến pha giảm 70o. Kết quả này được
thể hiện ở băng thông -1 dB của ăng-ten hai lớp tăng
200 MHz so với ăng-ten một lớp. Độ lợi của ăng-ten
hai lớp giảm 0,4 dB so với cấu trúc một lớp. Tuy
nhiên, độ dốc của đặc tuyến pha vẫn còn cao nên băng

thơng của anten vẫn cịn thấp (8,8 %). Trong thời gian
tới, nhóm sẽ tiếp tục cải thiện đặc tuyến pha của phần
tử bằng cách tích hợp nhiều loại phần tử để cải thiện
băng thông.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

D. Berry, R. Malech, and W. Kennedy, "The reflectarray
antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
vol. 11, no. 6, pp. 645-651, 1963.
[2] J. Huang, "Bandwidth study of microstrip reflectarray and a
novel phased reflectarray concept," in IEEE Antennas and
Propagation Society International Symposium. 1995 Digest,
vol. 1, pp. 582-585.
[3] M. Chaharmir, J. Shaker, and H. Legay, "Dual-band Ka/X
reflectarray with broadband loop elements," IET microwaves,
antennas & propagation, vol. 4, no. 2, pp. 225-231, 2010.
[4] J. A. E. John Huang, Reflectarray antenna. A John Wiley &
Sons, Inc., 2005.
[5] M. E. Trampler, R. Lovato, and X. Gong, "Dual-Resonance
Continuously
Beam-Scanning
X-Band
Reflectarray
Antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
vol. 68, pp. 6080 - 6087, 2020.
[6] J. A. Encinar, "Design of two-layer printed reflectarrays using
patches of variable size," IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, vol. 49, no. 10, pp. 1403-1410, 2001.
[7] P. Nayeri, F. Yang, and A. Z. Elsherbeni, Reflectarray

Antennas: Theory, Designs and Applications. Wiley Online
Library, 2018, pp. 64-123.
[8] E. Carrasco, M. Barba, and J. Encinar, "Aperture-coupled
reflectarray element with wide range of phase delay,"
Electronics Letters, vol. 42, no. 12, pp. 667-668, 2006.
[9] X. Wang, X. Huang, X. Jin, and C. Cheng, "Gain
enhancement for low cost planar reflectarray antenna using
hybrid elements," International Journal of RF and
Microwave Computer-Aided Engineering, vol. 30, no. 7, p.
e22204, 2020.
[10] E.-C. Choi and S. Nam, "W-Band Low Phase Sensitivity
Reflectarray Antennas With Wideband Characteristics
Considering the Effect of Angle of Incidence," IEEE Access,
vol. 8, pp. 111064-111073, 2020.
[11] Y. Li, M. E. Bialkowski, and A. M. Abbosh, "Single layer
reflectarray with circular rings and open-circuited stubs for
wideband operation," IEEE transactions on antennas and
propagation, vol. 60, no. 9, pp. 4183-4189, 2012.
[12] A. Yu, F. Yang, A. Z. Elsherbeni, J. Huang, and Y. J. M.
Rahmat‐Samii, "Aperture efficiency analysis of reflectarray
antennas," Microwave Optical Technology Letters, vol. 52,
no. 2, pp. 364-372, 2010.

ISBN: 978-604-80-5076-4

272