Anten định hướng cao sử dụng lớp siêu vật liệu phản xạ bề mặt (PRS)

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
78 
ANTEN ĐỊNH HƯỚNG CAO 
SỬ DỤNG LỚP SIÊU VẬT LIỆU PHẢN XẠ BỀ MẶT (PRS) 
USING PARTIALLY REFLECTIVE SURFACES (PRS) 
IN SUPER DIRECTIONAL ANTENNAS 
Bùi Thị Duyên(1), (2), Ngô Văn Đức(2) 
Lê Minh Thùy(2), Nguyễn Quốc Cường(2) 
(1) Trường Đại học Điện lực 
(2)Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
Tóm tắt: 
Những năm gần đây, siêu vật liệu được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, và là một trong những 
kỹ thuật giúp nâng cao chất lượng cho anten như tăng dải tần hoạt động và độ lợi của anten. Đối 
với các hệ thống thông tin cự ly ngắn DSRC, hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến, hệ thống 
truyền năng lượng không dây tại tần số trung tâm 5.8 GHz yêu cầu anten phải có độ định hướng 
cao, gọn nhẹ, dễ tích hợp vào các bộ truyền nhận. Trong bài báo này chúng tôi đề xuất một cấu 
trúc siêu vật liệu phản xạ bề mặt, phủ phía trên anten vi dải phân cực tròn để nâng cao độ lợi từ 
6.8 dBi lên 19.2 dBi đồng thời vẫn giữ nguyên tính phân cực tròn của anten. 
Từ khóa: 
Anten vi dải, phân cực tròn, siêu vật liệu, lớp siêu vật liệu phản xạ bề mặt. 
Abstract: 
In recent years, metamaterials (MTM) have been broadly introduced and rapidly used as a 
technique to increase performance of antennas. For 5.8GHz dedicated short range communication 
(DSRC) in indoor localization system, wireless power transmission, antennas must have high 
gain, low profile, and compatibility with monolithic microwave integrated circuit (MMIC) as well as 
be simple and low-cost to manufacture. In this paper, we propose a new metamaterial structure 
which is called partially reflective surface (PRS) to improve the gain of a circularly polarized 
microstrip patch antenna from 6.8dBi to 19.2dBi while the circular polarization is maintained. 
Keywords: 
Microstrip antenna; circular polarization; metamaterials; Partially Reflecting Surface (PRS). 
1. MỞ ĐẦU1 
Anten vi dải có nhiều ưu điểm nổi bật 
Ngày nhận bài: 8/10/2015; Ngày chấp nhận: 
14/10/2015; Phản biện: TS Trịnh Quang Đức. 
như: kích thước nhỏ gọn, trọng lượng 
nhẹ và dễ dàng tích hợp vào trong các 
module mạch in truyền nhận không dây. 
Ngày nay, chúng ta có thể thấy các anten 
vi dải được sử dụng phổ biến trong các 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
79 
hệ thống không dây như: hệ thống thu 
phí giao thông không dừng, rada, 
RFID, Nhằm cải thiện khoảng cách 
truyền/nhận trong các hệ thống truyền tin 
không dây nói trên, giải pháp đặt ra là 
thiết kế các anten vi dải có độ lợi cao, 
băng thông rộng, kích thước nhỏ 
Thông thường, một anten vi dải truyền 
thống có độ lợi chỉ vào khoảng 6-7 dBi 
và hoạt động trong băng thông hẹp. Để 
nâng cao độ lợi của anten vi dải, thông 
thường các kỹ thuật ghép mảng anten, 
dùng lớp phản xạ và các lớp siêu vật liệu 
đã và đang là các giải pháp được các nhà 
thiết kế anten sử dụng. Khái niệm siêu 
vật liệu hay còn gọi là vật liệu meta biến 
hình được dịch từ từ tiếng Anh 
“metamaterial”. Đây là tên gọi dành cho 
các vật liệu nhân tạo có đặc tính điện từ 
trường đặc biệt tại một dải tần số cụ thể, 
các vật liệu này không có sẵn trong tự 
nhiên như: vật liệu có môi trường chiết 
xuất âm (Negative Infraction index) hay 
Double Negative (DNG), vật liệu 
Electromagnetic Band Gap (EBG), vật 
liệu từ nhân tạo-Artificial Magnetic 
Conductor (AMC), vật liệu phản xạ bề 
mặt-Partially Reflecting Surface (PRS). 
Trong thiết kế anten, các siêu vật liệu 
này được ứng dụng để giảm nhỏ kích 
thước anten [1-3], giảm ảnh hưởng tương 
hỗ giữa các anten phần tử khi chúng 
được đặt trong cùng một hệ thống [4-6], 
tăng độ lợi anten [7-8], mở rộng băng 
thông [9-11]... 
Trong bài báo này, chúng tôi phân tích 
và đề xuất một lớp siêu vật liệu phản xạ 
bề mặt PRS, lớp PRS này được phủ phía 
trên một anten patch để cải thiện độ lợi 
của anten từ 6.8 dBi lên tới19.2 dBi tại 
tần số trung tâm 5.8 GHz. 
2. THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PRS 
ĐỘ LỢI CAO 
2.1. Thiết kế anten vi dải phân 
cực tròn 
Anten là phần tử có vai trò quyết định 
quan trọng đến chất lượng truyền thông 
tin trong hệ thống truyền thông không 
dây. Tính chất phân cực của anten có vai 
trò rất quan trọng vì nó sẽ ảnh hưởng đến 
chất lượng giao tiếp giữa hai anten 
truyền và nhận trong hệ thống. Anten 
phân cực tròn thường được ưa chuộng vì 
chúng có thể giao tiếp với mọi anten có 
tính chất phân cực khác. Hai anten phân 
cực tròn luôn giao tiếp được với nhau mà 
không bị tổn thất trong khi hai anten 
phân cực thẳng sẽ không thể giao tiếp 
với nhau hoàn toàn nếu trường điện của 
chúng nằm ở hai phương khác nhau. Do 
đó, việc thiết kế anten phân cực tròn là 
một giải pháp nhằm tăng hiệu suất của hệ 
thống. Hình 1 là hình dáng và kích thước 
của anten vi dải phân cực tròn được thiết 
kế tại tần số 5.8 GHz. 
Ysub
Xsub
Xc
Yc
Wpat
Lpat
Điểm cấp 
nguồn
Kích thước anten vi dải: 
Lpat = 13,1 mm; Wpat = 13,1 mm 
Xc = 1,37 mm; Yc = 1,37 mm 
Xsub = 200 mm; Ysub = 200 mm 
Chất nền: RO4003 
Hình 1. Cấu trúc của anten vi dải 
phân cực tròn 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
80 
Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 
trong miền thời gian (Finite Difference 
Time Domain-FDTD) của phần mềm 
CST 2014 để mô phỏng anten. Hình 2 là 
kết quả mô phỏng anten vi dải với độ 
chính xác -80 dB, hệ số phản xạ S11 đạt 
 15.72 dB tại tần số 5.8 GHz, độ rộng 
băng thông của anten là 164.28 MHz. Đồ 
thị bức xạ 3D của anten vi dải phân cực 
tròn được biểu diễn trên hình 3, anten có 
độ lợi 6.8 dBi với hiệu suất bức xạ 
89.4% và hiệu suất tổng 87.02%. Hình 4 
cho thấy anten có tỷ số phân cực tròn ở 
tần số 5.8 GHz rất tốt (AR = 0.49 dB tại 
φ =0), góc mở của anten đạt 86°. 
Hình 2. Kết quả hệ số phản xạ 
S11= - 15,72dB tại f = 5,8GHz; độ rộng băng 
thông BW = 164,28MHz (S11<-10dB) 
Hình 3. Đồ thị bức xạ 3D của anten vi dải phân cực tròn 
Hình 4. Tỷ số phân cực của anten vi dải tại tần số 5.8GHz 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
81 
2.2. Thiết kế lớp phản xạ bề mặt 
PRS 
Để tăng độ lợi cho anten vi dải phân cực 
tròn đã thiết kế ở phần A, chúng ta có thể 
dùng các kỹ thuật như: ghép mảng nhiều 
anten phần tử, dùng lớp phản xạ hoặc sử 
dụng siêu vật liệu. Việc ghép mảng có 
thể làm giảm hiệu suất tổng vì năng 
lượng bị suy hao ở mạng cấp nguồn (feed 
network). Một trong những kỹ thuật đang 
được các nhà khoa học trên thế giới 
nghiên cứu mang cho độ lợi của antenna 
lên tới 15 dBi ÷ 20 dBi là việc sử dụng 
thêm lớp siêu vật liệu phản xạ bề mặt 
PRS [12-14]. Trong phần này, chúng tôi 
đề xuất một lớp phản xạ PRS mới, được 
mô tả ở hình 5b và cấu trúc ghép lớp 
PRS với anten như hình 5a để cải thiện 
độ lợi cao nhất của anten từ 6.8 dBi lên 
19.2 dBi. Theo đó, lớp vật liệu PRS có 
tính chất chu kỳ (periodic), mỗi ô cơ sở 
(unit cell) được thiết kế như hình 6. Việc 
sử dụng mô hình ô cơ sở có tính chất lặp 
lại trên phần mềm mô phỏng trong miền 
tần số CST 2014 và phương pháp tính 
toán hệ số điện môi hiệu dụng và hệ số từ 
thẩm hiệu dụng của Chen [11], mỗi ô cơ 
sở PRS được thiết kế có độ từ thẩm hiệu 
dụng gần bằng không và hằng số điện 
môi hiệu dụng vô cùng cao tại tần số 
trung tâm 5.8 GHz: εprs 300 – j390; 
μprs 0.01 + j 0.04. 
Biên độ và pha của sóng phản xạ trên bề 
mặt ô cơ sở PRS được trình bày ở hình 7. 
Từ kết quả mô phỏng nhận thấy hệ số 
phản xạ cao, tại tần số quan tâm 5.8 GHz 
hệ số phản xạ xấp xỉ 1. Theo [13,14] để 
năng lượng bức xạ theo phương θ = 0° 
cực đại thì khoảng cách h từ nguồn tới 
đến mặt phản xạ PRS phải thỏa mãn điều 
kiện sau: 
ℎ = (
𝜓
360
− 0,5)
𝜆
2
+ 𝑁
𝜆
2
 (1) 
Trong đó: ψ là góc pha của hệ số phản xạ 
của mặt PRS. 
N= 0, 1, 2, 3... 
(a) 
dxprs
Xsub
Xcprs
Ycprs
Wprs
Lprs
Ysub
 (b) 
Port 1
Port 2
h
Kích thước của ô cơ sở PRS: 
Lprs = 27 mm; 
Wprs = 23 mm; 
Xcprs = 11 mm; 
Ycprs = 4 mm; 
Xsub = 200 mm; 
Ysub = 200 mm; 
dxprs = 24mm 
 Hình 5. Tấm phản xạ bề mặt PRS Hình 6. Cấu trúc của 1 ô cơ sở PRS 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
82 
Hình 7. Kết quả khảo sát biên độ và pha của hệ số phản xạ phức khi sóng tới gặp lớp PRS 
2.3. Anten patch kết hợp với lớp phản xạ siêu vật liệu PRS 
Hình 10. Kết quả hệ số phản xạ S11=-15.72 dB 
tại f = 5.8 GHz; BW = 285.56 MHz 
Hình 11. Tỷ số phân cực của anten vi dải 
kết hợp với lớp PRS tại tần số 5.8 GHz 
Anten
PRS
h
Hình 8. Cấu trúc của anten vi dải 
phân cực tròn kết hợp với lớp PRS 
Hình 9. Đồ thị bức xạ 3D của anten vi dải 
kết hợp với PRS với Gain = 19,2dB 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
83 
Với lớp PRS thiết kế nói trên, khi được 
phủ lên trên anten phân cực tròn ở mục 
2.1 (xem hình 8), ta thu được độ lợi là 
19.2 dBi (hình 9) với búp sóng phụ 
nhỏ SLL= -14.6 dB; băng thông rộng 
285.56 MHz (hình 10). Như vậy, không 
những độ lợi tăng mà băng thông của 
anten cũng rộng thêm từ 164.58 MHz lên 
285.56 MHz. Độ lợi của anten PRS 
tương đương với một mảng anten 3x3 
phần tử theo lý thuyết, tuy nhiên với cấu 
trúc trên hệ thống trở nên đơn giản trong 
chế tạo và hiệu suất cao hơn vì không 
cần mạng cấp nguồn cho mảng. Trên 
Hình 11 cho thấy tại tần số 5.8 GHz 
anten giữ nguyên tính phân cực tròn tỷ số 
phân cực AR = -0.1295 dB, tuy nhiên 
góc phân cực hẹp hơn anten ban đầu 
chưa kết hợp PRS. 
Hình 12 là kết quả khảo sát độ lợi và tỷ 
số phân cực của anten phân cực tròn kết 
hợp với lớp PRS. Kết quả cho thấy từ 
5.5 GHz đến 6.5 GHz độ lợi của anten 
khá cao, tuy nhiên tỷ số phân cực tròn 
đạt giá trị tốt chỉ ở dải tần hẹp 5.8 GHz. 
 Hình 12. Đồ thị khảo sát độ lợi 
và tỷ số phân cực tròn của anten 
kết hợp lớp PRS theo tần số 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã đề xuất cấu trúc anten sử 
dụng lớp phản xạ bề mặt PRS. Anten 
nhẹ, đơn giản trong chế tạo và dễ dàng 
tích hợp trong các mạch truyền nhận cao 
tần. Lớp PRS đã cải thiện độ lợi cho 
anten patch từ 6.8 dBi lên 19.2 dBi tại 
tần số 5.8 GHz, đồng thời đặc tính phân 
cực tròn của anten vẫn được bảo đảm. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] M. Islam, M. Islam, M. Samsuzzaman, M. Faruque, N. Misran, and M. Mansor, “A 
Miniaturized Antenna with Negative Index Metamaterial Based on Modified SRR and CLS Unit 
Cell for UWB Microwave Imaging Applications,” Materials, vol. 8, no. 2, pp. 392–407, 
Jan. 2015. 
[2] A. Jafargholi and M. M. Khani, “Miniaturised microstrip antenna using high-impedance wires 
incorporating AMC MTMs,” Int. J. Electron. Lett., pp. 1–8, Aug. 2015. 
[3] L. Wei, J. Chen, A. Zhang, L. Wei, and L. Zhang, “A broadband polarization-insensitive 
metamaterial absorber and its application in reducing mutual coupling between dual-
polarized antennas,” 2014, pp. 342–345. 
[4] H. R. Khaleel, H. M. Al-Rizzo, D. G. Rucker, Y. A. Rahmatallah, and S. Mohan, “Mutual 
coupling reduction of dual-band printed monopoles using MNG metamaterial,” 2011, 
pp. 2219–2222. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
84 
[5] A. P. Feresidis, G. Goussetis, Shenhong Wang, and J. C. Vardaxoglou, “Artificial magnetic 
conductor surfaces and their application to low-profile high-gain planar antennas,” IEEE 
Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 1, pp. 209–215, Jan. 2005. 
[6] B. Sahu, P. Tripathi, R. Singh, and S. P. Singh, “Simulation study of dielectric resonator 
antenna with metamaterial for improvement of bandwidth and gain,” 2013, pp. 1-4. 
[7] H. Zhu, Y. Yu, X. Li, and B. Ai, “A wideband and high gain dual-polarzied antenna design by 
a frequency-selective surface for wlan application,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 54, 
pp. 57–66, 2014. 
[8] A. R. H. Alhawari, A. Ismail, and M. A. Mahdi, “Compact ultra-wideband metamaterial 
antenna,” 2010, pp. 64–68. 
[9] W. Pan, C. Huang, P. Chen, X. Ma, C. Hu, and X. Luo, “A Low-RCS and High-Gain Partially 
Reflecting Surface Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 2, pp. 945–949, 
Feb. 2014. 
[10] G. V. Trentini, “Partially reflecting sheet arrays,” IRE Trans. Antennas Propag., vol. 4, no. 4, 
pp. 666–671, Oct. 1956. 
[11] X. Chen, T. M. Grzegorczyk, B.-I. Wu, J. Pacheco, and J. A. Kong, “Robust method to 
retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials,” Phys. Rev. E, vol. 70, no. 1, 
p. 016608, Jul. 2004. 
[12] A. P. Feresidis and J. C. Vardaxoglou, “High gain planar antenna using optimised partially 
reflective surfaces,” IEE Proc. - Microw. Antennas Propag., vol. 148, no. 6, p. 345, 2001. 
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. Hoàn thành Thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật 
điều khiển và Tự động hóa năm 2007 tại Trường Đại học Bách khoa Hà 
Nội. Từ năm 2005 tới nay là giảng viên Khoa Công nghệ Tự động - Trường 
Đại học Điện lực. Hiện tại đang là nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật 
điều khiển và Tự động hóa, hướng nghiên cứu chuyên sâu về đo lường tại 
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hướng nghiên cứu chính: anten và 
mạch cao tần, thiết kế các hệ thống nhúng ứng dụng trong hệ thống điều 
khiển và tự động hóa. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
60