Xem mẫu
- Anten PIFA tái cấu hình theo tần số
sử dụng nguyên lý siêu vật liệu ứng dụng cho thông
tin vô tuyến nhận thức
Hoàng Thị Phương Thảo, Phạm Duy Phong
Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực, Số 235 Hoàng Quốc Việt, Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam
thaohp@epu.edu.vn, phongphd@epu.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo đề xuất một cấu trúc anten PIFA tái tần số, cũng đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới hết
cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode sức quan tâm.
nhằm tạo ra hai cấu hình có thể ứng dụng trong các thiết
Anten tái cấu hình được thiết kế đều bắt nguồn từ các cấu
bị đầu cuối. Để giảm nhỏ kích thước của anten PIFA tái
trúc anten truyền thống như anten hình nơ [9], anten đơn cực
cấu hình theo tần số, cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất
[10], [11], anten xoắn ốc [12], anten PIFA (Planar Inverted-F
được cải tiến bằng cách ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu ở
Antenna) [13]... Trong đó, để ứng dụng cho thiết bị đầu cuối
mặt phẳng bức xạ. Anten đề xuất tích hợp cấu trúc CSRR
thì anten PIFA được sử dụng phổ biến nhất bởi các ưu điểm
có thể hoạt động ở hai cấu hình tần số khác nhau, 1,9 GHz
của nó gồm cấu trúc gọn nhẹ, chi phí thấp, hệ số hấp thụ đặc
và 2,1 GHz, với hệ số tăng ích cực đại lần lượt là 2,07 dBi
trưng SAR (Special Absolution Rate) thấp [14]. Đã có nhiều
và 2,18 dBi. Với việc tích hợp cấu trúc CSRR, kích thước
công trình nghiên cứu về anten PIFA tái cấu hình theo tần số
của anten được giảm 15,5% so với kích thước cấu trúc
ứng dụng cho các thiết bị cầm tay [13]–[15]. Các công trình
anten ban đầu. Anten có thể ứng dụng cho LTE 1,9 GHz
công bố có kích thước khá nhỏ gọn nhưng không sử dụng
và 2,1 GHz hoặc trong thông tin vô tuyến nhận thức.
nguyên lý siêu vật liệu. Áp dụng nguyên lý siêu vật liệu để
Keywords— Anten tái cấu hình, PIFA tái cấu hình, siêu vật liệu, giảm kích thước cho anten nói chung và anten tái cấu hình nói
CSRR. riêng đã được nghiên cứu từ vài năm gần đây [11], [16]–[18].
Tuy nhiên, theo khảo sát của tác giả thì chưa thấy công trình
I. GIỚI THIỆU nghiên cứu về việc giảm nhỏ kích thước cho anten PIFA tái
Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn luôn thay đổi, cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu.
các thiết bị thu phát cần có khả năng thay đổi các tham số
nhằm thích nghi với môi trường kênh. Hơn nữa, vấn đề hạn Bài báo này sẽ đề xuất một anten PIFA tái cấu hình theo tần
chế phổ tần vô tuyến cũng đang là một thách thức trong điều số hai cấu hình với tần số cộng hưởng ở mỗi cấu hình lần lượt
kiện các thiết bị và ứng dụng không dây phát triển một cách là 2,1 GHz và 2,4 GHZ, có thể ứng dụng được cho LTE 2,1
nhanh chóng. Vô tuyến thông minh nói chung và vô tuyến GHz và WiFi. Hệ số tăng ích cực đại của anten đạt 2,41 dBi
nhận thức nói riêng (Cognitive Radio - CR) được đề xuất để và 3,87 dBi ở hai cấu hình. Anten có kích thước tổng gồm cả
giải quyết vấn đề hiệu quả phổ tần, thích nghi với sự thay đổi mặt phẳng đất là 38 𝑚𝑚 × 38 𝑚𝑚 × 5 𝑚𝑚 và kích thước
của môi trường kênh vô tuyến và đã nhận được sự chú ý ngày phần tử bức xạ 24 𝑚𝑚 × 28 𝑚𝑚. Dựa trên cấu trúc này, một
càng cao trong những năm gần đây. Trong hệ thống thông tin cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số ứng dụng nguyên
vô tuyến nhận thức, anten tái cấu hình theo tần số là một thành lý siêu vật liệu, cụ thể là cấu trúc CSRR (Complementary
phần không thể thiếu [1]. Khái niệm anten tái cấu hình theo Split Ring Resonator), được thiết kế cho ứng dụng LTE 1,9
tần số ra đời từ lâu với khả năng anten tự thay đổi tần số cộng GHz và 2,1 GHz hoặc cho thông tin vô tuyến nhận thức trong
hưởng. Việc tái cấu hình có thể được thực hiện bằng nhiều kỹ khi kích thước tổng của anten không thay đổi. Hay nói cách
thuật khác nhau như sử dụng các chuyển mạch điện tử gồm khác, kích thước của anten giảm được 15,5 % so với cấu trúc
RF-MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN điốt, điốt biến anten cùng tần số này khi không sử dụng cấu trúc nguyên lý
dung, sử dụng chuyển mạch quang [2]... Trong đó, điốt PIN siêu vật liệu. Anten tái cấu hình theo tần số được tích hợp cấu
được sử dụng phổ biến hơn cả bởi giá thành rẻ, tốc độ chuyển trúc CSRR có kích thước nhỏ gọn trong lúc vẫn đạt hệ số tăng
mạch cao [3]. Mặc dù các nghiên cứu về anten tái cấu hình đã ích 2,07 dBi ở cấu hình tần số 1,9 GHz và 2,18 dBi ở cấu hình
đạt được nhiều thành tựu đáng kể [3], [4], [5], [6]–[8], các nhà tần số 2,1 GHz. Khi tần số thay đổi giữa hai cấu hình, dạng đồ
nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn tiếp tục nghiên cứu về thị bức xạ của anten gần như không thay đổi.
anten tái cấu hình nhằm đề xuất các kỹ thuật tái cấu hình, các Các phần sau của bài báo như sau: phần II sẽ trình bày về
cấu trúc anten tái cấu hình mới nhằm cải thiện các tham số của thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng điốt PIN
anten, chẳng hạn như tăng hiệu suất bức xạ, cải thiện băng và cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số được cải tiến
thông và đặc biệt là giảm nhỏ kích thước của anten cho ứng bằng cách sử dụng cấu trúc CSRR; cuối cùng là phần kết luận
dụng cho các thiết bị đầu cuối. Vấn đề giảm nhỏ kích thước của bài báo.
cho anten nói chung, không chỉ riêng anten tái cấu hình theo
235
- cực. Điốt được sử dụng trong thiết kế này là SMP1345 PIN,
II. THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG có dải tần hoạt động từ 10 MHz đến 6 GHz, hoàn toàn phù
CHUYỂN MẠCH DÙNG ĐIỐT PIN hợp tần số thiết kế và có sơ đồ mạch tương đương như ở hình
II.1. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điốt 2. Việc mô phỏng được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa
PIN CST Microwave Studio và CST Design để khảo sát được cả
ảnh các tham số của điốt ảnh hưởng đến hoạt động của anten.
(a) (b)
Hình 2: Sơ đồ tương đương của điốt ở trạng thái:
(a) (b) (a) ON (bật), (b) OFF (ngắt)
|S11|
(c)
Hình 1. Cấu trúc của anten RPIFA. (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới, (c) 3D.
Đầu tiên, anten PIFA hoạt động ở tần số cố định 2,4 GHz.
Kích thước tổng của anten được tính toán theo công thức (1)
và sau đó được tối ưu bằng phần mềm CST.
[4]:
𝑐
𝑓𝑟 = (1)
4(𝑊+𝐿) Tần số (GHz)
trong đó:
Hình 3. Kết quả mô phỏng tham số |S11| của anten tái cấu hình tần số sử dụng
fr là tần số cộng hưởng ở 2,4 GHz (Hz)
c: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do (m/s)
W, L: lần lượt là chiều rộng và dài của phần tử bức Bằng cách sử dụng một điốt, anten có thể hoạt động ở hai
xạ (m) trạng thái khác nhau phụ thuộc vào trạng thái của điốt. Khi
Anten dựa trên cấu trúc PIFA truyền thống, anten bao gồm điốt ở trạng thái ON, tần số cộng hưởng của anten gần như tần
mặt phẳng đất và mặt phẳng bức xạ có kích thước 24 × số của anten truyền thống ban đầu thiết kế khi chưa xẻ rãnh.
2 8 𝑚𝑚 ở trên lớp đế điện môi Rogers RT5880 với = 2,2, Khi điốt ở trạng thái OFF, tần số cộng hưởng của anten được
chiều dày đế điện ℎsub= 0,8 𝑚𝑚. Mặt phẳng đất có kích thước dịch xuống do khe xẻ rãnh làm tăng chiều dài điện của anten.
là 38 × 38 𝑚𝑚 2 với độ cao của anten là 5 𝑚𝑚. Giữa mặt Kết quả mô phỏng tham số S11 được biểu diễn trên hình 3. Từ
phẳng bức xạ và mặt phẳng đất được nối với nhau bởi tấm đồ thị ở hình 3 cho thấy, anten có thể hoạt động ở cấu hình với
kim loại ngắn mạch. hai tần số cộng hưởng khác nhau. Khi điốt ở trạng thái ON,
Tiếp theo, để tạo ra anten PIFA tái cấu hình theo tần số, ở anten cộng hưởng ở tần số trung tâm 2,45 GHz với băng thông
mặt phẳng đất được xẻ rãnh. Rãnh ở mặt phẳng đất được nối đạt được 250 Mz (từ 2,37 GHz đến 2,52 GHz). Ở trạng thái
hoặc ngắt thông qua duy nhất một chuyển mạch điốt PIN. Cấu thứ 2, khi điốt OFF, anten chuyển sang cấu hình tần số 2,1
trúc của anten tái cấu hình đề xuất như ở hình 1. GHz với băng thông đạt được hơn 100 MHz (từ 2,03 GHz đến
2,13 GHz). Băng thông của anten được tính với tham số |S11| <
Anten tái cấu hình theo tần số bằng cách thay đổi trạng thái -10 dB. Hình 4 và hình 5 biểu diễn kết quả mô phỏng đồ thị
cảu chuyển mạch điốt ON hoặc OFF. Trạng thái của điốt được bức xạ 3D và 2D ở mặt phẳng XZ và YZ của anten ở hai cấu
điều khiển bằng một nguồn 1 chiều bên ngoài anten. Điốt hình khác nhau. Từ kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten
được tích hợp ngay cạnh của mặt phẳng đất để nguồn cung cho thấy, ở cả hai cấu hình, đồ thị bức xạ gần như không thay
cấp, mạch phân cực cho điốt ảnh hưởng ít nhất đến sự hoạt đổi. Hệ số tăng ích cực đại của hai cấu hình cao, đạt 2,41 dBi
động của anten. Cực anote của điốt nối với mặt phẳng đất ở tần số 2,1 GHz và 3,87 dBi ở tần số 2,4 GHz.
thông qua một tụ điện C nhằm ngăn dòng một chiều giữa hai
236
- Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất sử dụng cấu trúc CSRR
với mặt phẳng bức xạ như ở hình 7. Tần số cộng hưởng được
cho bởi công thức (2) [1].
1
𝑓0 = (2)
2𝜋√𝐿𝑟 𝐶𝑟
trong đó, 𝐶𝑟 đặc trưng bởi mặt kim loại được bao quanh bởi
lớp đất, độ tự cảm 𝐿𝑟 được tính toán tương đương với 1 cấu
trúc CPW với kích thước 4𝑎, độ rộng băng 𝑔 và độ rộng khe
𝑐. Tuy nhiên, việc tính toán theo công thức trên sẽ rất phúc tạp.
Kích thước tổng của anten không thay đổi và các kích thước
hình học của CSRR được tối ưu bằng phần mềm CST với tần
Hình 4: Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ 3D và 2 D (mặt phẳng XY và số cộng hưởng được chọn xấp xỉ 2 GHz, ứng dụng được cho
XZ) ở tần số f= 2,1 GHz
cả hai cấu hình tần số 1,9 GHz và 2,1 GHz. Kích thước hình
học của cấu trúc CSRR với các giá trị như sau: 𝑎 =
18 𝑚𝑚, 𝑏 = 8 𝑚𝑚, 𝑐 = 1 𝑚𝑚, 𝑑 = 1 𝑚𝑚, 𝑔 = 1 𝑚𝑚.
Anten cũng sử dụng duy nhất một chuyển mạch điốt để tái cấu
hình tần số.
(Mặt phẳng đất)
Hình 5: Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ 3D và 2 D (mặt phẳng XY và
XZ) ở tần số f= 2,4 GHz
II.2. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật
liệu
Anten tái cấu hình đề xuất ở trên đạt được hai cấu
hình tần số hoạt động với hệ số tăng ích tương đối tốt. Tuy
nhiên, kích thước của anten so với các công trình đã công bố
vẫn còn lớn khi ứng dụng cho các thiết bị đầu cuối. Để tiếp
tục giảm kích thước cho anten trên, một cấu trúc theo nguyên
lý siêu vật liệu được áp dụng vào anten để giảm kích thước.
Hay nói cách khác, phần này tiếp tục đề xuất một cấu trúc
anten tái cấu hình ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu với kích
thước tổng như anten đề xuất ở phần I.1, trong đó tần số cộng
hưởng được giảm từ 2,1 GHz và 2,4 GHz xuống để ứng dụng
cho LTE 1,9 GHz và 2,1 GHz. Điều này tương đương với kích
thước anten được giảm 15,5%. Hình 7. Mặt phẳng bức xạ của anten PIFA tái cấu hình sử
Mặt phẳng bức xạ của anten được đề xuất ở trên dụng nguyên lý siêu vật liệu
được chèn các cấu trúc CSRR hay còn gọi là vòng chia cộng
hưởng có khe rãnh như hình 6 .
Kết quả mô phỏng tham số |S11| được biểu diễn trên hình 8
cho thấy, anten có thể hoạt động ở hai cấu hình tần số khác
nhau với tần số cộng hưởng 1,9 GHz khi điốt ở trạng thái OFF
và 2,1 GHz khi điốt ở trạng thái ON.
Băng thông của anten đạt 78 MHz ở cấu hình tần số 1,9
GHz và 52 MHz ở cấu hình tần số 2,1 GHz. Như vậy, rõ ràng
khi tích hợp cấu trúc CSRR thì tần số hoạt động của anten
được giảm, hay nói cách khác là giảm được kích thước của
anten. Với cấu trúc này, anten cũng cộng hưởng tốt hơn với
b tham số |S11| giảm tới -35 dB ở cấu hình thứ nhất và -25 dB ở
(a) (b) cấu hình thứ 2. Tuy nhiên, một nhược điểm của thiết kế đề
xuất là băng thông của anten giảm khi sử dụng cấu trúc CSRR.
Hình 6: (a) Cấu trúc CSRR và (b) sơ đồ tương đương [1]
237
- cộng hưởng trung tâm là 1,9 GHz và 2,1 GHz. Đồ thị bức xạ ở
cả hai cấu hình gần như không thay đổi với hệ số tăng ích cực
đại lần lượt là 2,07 dBi và 2,18 dBi. Anten có kích thước nhỏ
gọn, vị trí điốt được chọn thuận lợi cho việc cấp nguồn một
chiều cho chuyển mạch hoạt động. Một hạn chế của thiết kế
đề xuất là anten có băng thông hẹp, đây cũng là một nhược
|S11|
điểm chung của anten PIFA. Trong tương lai, cấu trúc anten
sẽ tiếp tục được nghiên cứu để cải tiến băng thông bằng các
phương pháp như xẻ rãnh ở mặt phẳng đất, đồng thời tiến
hành chế tạo, đo kiểm và đánh giá so sánh với kết quả mô
phỏng để kiểm chứng với thiết kế đề xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. T. Bernhard, Reconfigurable Antennas. the Morgan & Claypool
Publishers, 2007.
Tần số (GHz) [2] YevHen Yashchyshyn, “Reconfigurable Antennas: the State of the
Hình 8. Kết quả mô phỏng tham số |S11| của anten PIFA tái cấu hình Art,” Intl J. Electron. Telecommun., vol. 56, no. 3, pp. 319–326,
2010.
theo tần số sử dụng cấu trúc CSRR
[3] A. G. and M. M. H. Saida Ibnyaich, “Development of Wideband
Hình 9 và hình 10 biểu diễn đồ thị bức xạ 3D và đồ thị trên Planar Inverted-F Antennas for Wireless Application,” J. Comput.
Sci., vol. 7 (8), pp. 1172–1177, 2011.
mặt phẳng XY, XZ của anten ở hai cấu hình tần số 1,9 GHz [4] J. Costantine, “Design, Optimization and Analysis of
và 2,0 GHz. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai cấu hình đều Reconfigurable Antennas,” 2009.
có đồ thị gần như tương đương nhau. Ở cấu hình tần số 1,9 [5] R. Carrel, “The design of log-periodic dipole antennas,” in IRE
GHz, hệ số tăng ích cực đại của anten đạt 2,07 dBi và ở cấu International Convention Record, vol. 9, pp. 61–75.
[6] H.-Y. Li, C.-T. Yeh, J.-J. Huang, C.-W. Chang, C.-T. Yu, and J.-S.
hình tần số 2,1 GHz đạt 2,18 GHz. Do tần số thiết kế giảm so Fu, “CPW-Fed Frequency-Reconfigurable Slot-Loop Antenna With
với thiết kế được trình bày trong mục II.1 cho nên hệ số tăng a Tunable Matching Network Based on Ferroelectric Varactors,”
ích của anten giảm là hoàn toàn hợp lý. IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 14, pp. 614–617, 2015.
[7] Y. Sung, “Compact quad-band reconfigurable antenna for mobile
phone applications,” Electron. Lett., vol. 48, no. 16, pp. 977–979,
Aug. 2012.
[8] A. Tariq and H. Ghafouri-Shiraz, “Frequency-Reconfigurable
Monopole Antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 1,
pp. 44–50, Jan. 2012.
[9] T. Li, H. Zhai, X. Wang, L. Li, and C. Liang, “Frequency-
Reconfigurable Bow-Tie Antenna for Bluetooth, WiMAX, and
WLAN Applications,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 14,
pp. 171–174, 2015.
[10] H. U. Iddi, M. R. Kamarudin, T. a Rahman, and R. Dewan,
“Reconfigurable monopole antenna for wlan / wimax applications,”
Prog. Electromagn. Res. Symp. Proc., pp. 1048–1051, 2013.
[11] J. Y. S. ; C. S. ; Y. M. M. Antar, “Compact SRR loaded UWB
Hình 9. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ với f=1,9 GHz circular monopole antenna with reconfigurable characteristics,” Usn.
Radio Sci. Meet. (Joint with AP-S Symp., 2013.
[12] X. Liu, S. Yao, B. S. Cook, M. M. Tentzeris, and S. V.
Georgakopoulos, “An Origami Reconfigurable Axial-Mode Bifilar
Helical Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 12,
pp. 5897–5903, Dec. 2015.
[13] F. A. Assadallah, J. Costantine, Y. Tawk, F. Ayoub, and C. G.
Christodoulou, “A multiband and reconfigurable PIFA for mobile
devices,” 2016 IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. APSURSI
2016 - Proc., pp. 2179–2180, 2016.
[14] K. Ogawa, T. Uwano, and M. Takahashi, “A shoulder-mounted
planar antenna for mobile radio applications,” IEEE Trans. Veh.
Technol., vol. 49, no. 3, pp. 1041–1044, 2000.
[15] Jong-Hyuk Lim, Gyu-Tae Back, Young-Il Ko, Chang-Wook Song,
and Tae-Yeoul Yun, “A Reconfigurable PIFA Using a Switchable
PIN-Diode and a Fine-Tuning Varactor for USPCS/WCDMA/m-
WiMAX/WLAN,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 7,
pp. 2404–2411, Jul. 2010.
Hình 10. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ với f=2,1 GHz [16] Z.-L. L. X.-X. Y. G.-N. Tan, “A Multidirectional Pattern-
Reconfigurable Patch Antenna With CSRR on the Ground,” IEEE
IV. KẾT LUẬN Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 16, pp. 416–419, 2016.
[17] Author(s) and J. C. ; S. Lim, “Frequency reconfigurable
Bài báo đề xuất một cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo metamaterial resonant antenna,” Asia Pacific Microw. Conf., 2009.
tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu. Các cấu trúc CSRR [18] A. E. Z. ; M. A. Abdalla, “Compact single/multi bands frequency
được tích hợp vào mặt phẳng bức xạ của anten PIFA giúp reconfigurable antenna using PIN diode controlled meta-surface,”
giảm kích thước của anten. Anten sử dụng một chuyển mạch 2017 IEEE Int. Symp. Antennas Propag. Usn. Natl. Radio Sci. Meet.,
điốt PIN để đạt được hai cấu hình tần số khác nhau với tần số 2017.
238
nguon tai.lieu . vn
