Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
273
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN MẠCH DẢI
DÙNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G TẠI VIỆT NAM
Đoàn Hữu Chức, Trần Văn Hội
Trường Đại học Thủy lợi, email: chucdh@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Anten là thành phần thu nhận năng lượng
trong các hệ thống siêu cao tần. Anten là
thành phần không thể thiếu trong các hệ
thống thu phát sóng điện từ. Có nhiều loại
anten có thể được sử dụng như anten mạch
dải, anten loa, anten parabol, v.v... Việc dùng
anten mạch dải có khá nhiều ưu điểm như dễ
dàng chế tạo, tích hợp trên một bo mạch in,
anten mạch dải cũng thường có tính chọn lọc
tần số, nghĩa là nó chỉ hoạt động trong một
dải tần số nhất định [1, 3, 5].
Việt Nam hiện đã cấp phép cho các nhà
cung cấp dịch vụ mạng thông tin thế hệ mới
5G ở các băng tần 2,5 - 2,6 GHz theo tinh
thần của Thông tư số 18/2020/TT-BTTTT
quy hoạch băng tần 2300-2400 MHz và băng
tần 2500 - 2690 MHz để triển khai các hệ
thống thông tin di động theo tiêu chuẩn IMT-
Advandced và các phiên bản tiếp theo.
Bài báo này trình bày việc thiết kế chế tạo
anten mảng mạch dải 24 dùng cho mạng
thông tin di động tại Việt nam hoạt động ở
dải tần từ 2,5 GHz đến 2,6 GHz. Anten được
chế tạo có hệ số phản xạ nhỏ hơn -35 dB tại
tần số 2,55 GHz.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả
sử dụng các phương pháp như phân tích, tổng
hợp, phương pháp mô hình hóa và phương
pháp thực nghiệm để kiểm chứng kết quả.
3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ
THỰC NGHIỆM CỦA ANTEN
Sau đây tác giả trình bày việc thiết kế chế
tạo anten mảng mạch dải 24 hoạt động ở băng
tần 2,5-2,6 GHz sử dụng phíp đồng loại FR4.
Trong đó các miếng patch được tiếp điện
bằng các đoạn dây chêm qua rãnh được khoét
sâu vào trong anten [1, 2].
Chiều dài đoạn ăn sâu vào miếng patch
của anten y được tính bởi [1, 2, 4]:
150
T
L
ycos
Z
(1)
ZT là trở kháng ghép khi khoét sâu đoạn dây
chêm vào anten. Chiều rộng của phần mảng bị
cắt này có thể được xấp xỉ theo công thức:
12
46510
2
eff
,.
gf
(2)
Trong đó:
eff là giá trị hằng số điện môi
hiệu dụng.
Với
là vận tốc sóng điện từ.
Việc phối hợp trở kháng và phân chia công
suất cho hệ anten mảng 8 phần tử này được
thực hiện theo nguyên tắc chia đôi. Đây
chính là những mạch chia/cộng đồng biên độ,
đồng pha kiểu Wilkinson. Giá trị của các
đường được tính theo công thức:
0
Z
Zn (3)
Với n là số đường nhánh được chia từ một
đường Z0:
Ở đây, đường Z0 có giá trị 50Ω và được
chia đôi thành hai đường nhánh như nhau.
Vì vậy giá trị của mỗi đường nhánh sẽ là
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
274
50 2 70 71.. Các đoạn 50 Ω có độ dài
tùy ý nhưng trên thực tế, giá trị độ dài này
nên càng ngắn càng tốt vì như vậy sẽ giảm
được suy hao trong quá trình phân phối năng
lượng đến các phần tử phát xạ. Các đường
70.71 Ω ở đây cũng đóng vai trò là đoạn
phối hợp trở kháng theo phương thức đoạn
/4, độ dài của các đoạn này được tính theo
công thức [1, 2, 4]:
0
44
eff
(4)
11
221 12

rr
eff h/W
(5)
Trong đó
r là hằng số điện môi của vật
liệu sử dụng.
Và W được xác định theo công thức:
0
60 8
4




r
hW
Zln
Wh
(6)
Để thiết kế anten ta chọn các thông số
chính theo bảng 1 dưới đây. Giá trị yêu cầu
thiết kế cho anten mảng 24 được chỉ rõ trên
bảng này.
Bảng 1. Thông số thiết kế anten mảng
Tham số Giá trị
Chiều rộng W (mm) 36
Chiều dài L (mm) 27.9
Phần tử
mảng
(patch) Phần khoét sâu (mm) 7.37
Chiều rộng (mm) 3.0
Đoạn dây
chêm 50Ω Chiều dài (mm) Không
yêu cầu
Chiều rộng (mm) 1.5
Đoạn λ/4
(70.71Ω) Chiều dài (mm) 16.84
Sử dụng công cụ LineCalc của ADS2020
với các thông số đầu vào của vật liệu FR4 đạt
được các thông số của các đoạn phối hợp trở
kháng như bảng 2 sau.
Bảng 2. Kích thước anten 24
Tham số Giá trị yêu cầu
Tần số hoạt động 2.55 GHz
Lớp nền (substrate) FR-4 epoxy
Hằng số điện môi của lớp điện
môi FR4 (r ) 4.34
Độ dày lớp đồng dẫn điện (h) 1.6 mm
Trở kháng lối vào 50 Ω
Băng thông -10 dB > 50 MHz
Suy hao phản hồi (RL) tại
2.55 GHz < -10 dB
Hướng tính (Directivity) > 13 dBi
Độ lợi (Gain) > 5 dBi
Dải thông -3dB < 30
Hệ số sóng đứng VSWR < 2
Sơ đồ mạch và mạch chế tạo thực tế đưa ra
ở hình 1.
a)
b)
Hình 1. Sơ đồ mạch in (a)
và sản phẩm thực tế (b)
Kết quả đo thực nghiệm tham số S11 của
anten được đưa ra ở hình 2. Theo đó hệ số
phản xạ có giá trị nhỏ hơn -35 dB ở tần số
hoạt động trung tâm 2,55 GHz, như vậy kết
quả thực nghiệm phù hợp với thiết kế. Ta
thấy hệ số S11 khá tốt. Dải thông cho S11< -
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
275
10 dB là 100 MHz, giá trị này lớn hơn so với
yêu cầu thiết kế. Các giá trị trên thỏa mãn
yêu cầu thiết kế đặt ra.
Hình 2. Kết quả đo tham số S11
của anten 2
4 chấn tử
Khi ứng dụng cho các trạm phát sóng của
mạng thông tin di động thế hệ mới 5G ở dải
tần số thấp 2,5 GHz đến 2,6 GHz tại Việt
Nam để nâng cao hiệu quả có thể tích hợp
các phần tử của anten mảng pha mà trong đó
mỗi phần tử là mảng con 24 có độ lợi lớn
hơn tới 30-40 dBi. Điều này cho phép giảm
công suất phát đưa vào anten.
4. KẾT LUẬN
Một anten mạch dải mảng 24 đã được thiết
kế chế tạo hoạt động trong băng tần 2,5 GHz -
2,6 GHz. Hệ số phản xạ của anten nhỏ hơn -35
dB nghĩa là hệ số sóng đứng VSWR đạt yêu
cầu nhỏ hơn 1,5dB. Do đó có thể ứng dụng
anten cho hệ thống thông tin di động mạng 5G
của Việt nam hoạt động ở dải tần 2,5 GHz đến
2,6 GHz cũng như có thể ứng dụng cho các hệ
thống thu phát siêu cao tần khác.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. Anisha, Sharmini Enoch (2014),
“Analysis and Design of Microstrip Patch
Antennafor S-band Applications”, 2014
International Conference on Control,
Instrumentation, Communication and
Computational Technologies (ICCICCT),
DOI: 10.1109/ICCICCT.2014.6993125.
[2] A.B. Mutiara,R.Refianti and Rachmansyah
(2011), “Design Of Microstrip Antenna For
Wireless Communication At 2.4 GHz”,
Journal of Theoretical and Applied
Information Technology, Vol. 33(2), pp.
184-192.
[2] Alaa M. Abdulhussein, Ali H. Khidhir,
Ahmed A. Naser (2021), “2.4 GHz
Microstrip Patch Antenna for S-Band
Wireless Communications”, Journal of
Physics: Conference Series 2114 (2021)
012029, doi:10.1088/1742-
6596/2114/1/012029.
[3] E A Ischenko, Yu G Pasternak1, V A
Pendyurin, S M Fedorov, “Active Patch
Antenna for Wi-Fi 5, 6 and Wi-Fi 6E
Applications”, International Conference on
Automatics and Energy (ICAE 2021).
[4] M. Biswas, Umama Zobayer, J. Hossain,
Ashiquzzaman, and Saleh(2012), “Design a
Prototype of Wireless Power Transmission
System Using RF/Microwave and
Performance Analysis of Implementation”,
IACSIT International Journal of
Engineering and
Technology,Vol.4(1),pp.61-66.
[5] T. Durga Prasad, K. V. Satya Kumar, MD
Khwaja Muinuddin, ChistiB.Kanthamma,
V.Santosh Kumar (2011), “Comparisons of
Circular and Rectangular Microstrip Patch
Antennas”, International Journal of
Communication Engineering Applications-
IJCEA, Vol.02, Issue 04, pp.187-197.