Xem mẫu
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di
động 3G
TS. Trần Thị Hương, Nguyễn Thanh Hằng
Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa
Đà Nẵng, Việt Nam
Email: tranhuong@dut.edu.vn, sun411moon@gmail.com
Tóm tắt—Bài báo trình bày cấu trúc của các anten cơ từ 1,8 GHz đến 2,3 GHz (bao phủ băng tần 3G: 1,9 GHz
bản như anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F để đến 2,17 GHz). Anten đề xuất có kích thước 21 × 14,5 ×
đưa ra các hướng phát triển trong việc cải thiện cấu trúc 3 mm3 nên kích thước tổng thể sẽ nhỏ, mảnh hơn anten
anten. Từ đó, bài báo trình bày một phương pháp cải tiến của các bài báo trên và vẫn đảm bảo băng thông cần
cấu trúc của anten PIFA bằng các kĩ thuật gập, bẻ áp dụng thiết. Các thông số được khảo sát: tỉ số điện áp sóng
cho anten đơn cực trên chất nền FR4. Anten PIFA được đứng VSWR, trở kháng vào và độ lợi đỉnh được tính
thiết kế có kích thước nhỏ gọn (21 × 14,5 × 3 mm3), băng toán cho ứng dụng của các thiết bị 3G.
thông khá rộng 380 MHz (VSWR ≤ 2) và hoạt động ở dải
tần 3G. Nhóm tác giả sử dụng chương trình mô phỏng II. CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT
HFSS của Ansoft để tính toán, mô phỏng các thông số của
anten như trở kháng vào, tỉ số sóng đứng, băng thông và A. Cấu trúc anten đơn cực, chữ L và chữ F
độ lợi đỉnh; đồng thời cải thiện cấu trúc anten PIFA cho 1) Anten đơn cực
các ứng dụng của các thiết bị di động 3G.
Xét cấu trúc của một anten đơn cực tiêu chuẩn.
Từ khóa—thiết bị 3G, anten đơn cực, anten chữ L,
Trong thực tế, anten đơn cực có chiều dài thỏa mãn ¼
anten chữ F, anten kích thước nhỏ bước sóng. Với tần số trung tâm (2 GHz) và vận tốc ánh
sáng (3. 108 m/s), một phần tư bước sóng là 37,5 mm.
I. NÊU VẤN ĐỀ Vậy chiều dài anten là 37,5 mm. Vì mặt phẳng đất khi
mô phỏng có độ dài hữu hạn nên chiều dài anten được
Ngày nay, thiết bị di động đang ngày càng phổ biến.
hiệu chỉnh về l = 33 mm. Anten rộng w = 1 mm và dày
Chúng rất hữu ích trong việc giao tiếp cũng như thu
0,1 mm được gắn với 1 bản kim loại (đồng) dài L = 80
nhận các nguồn thông tin. Chúng ta luôn hướng đến
mm và rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm.
những thiết bị di động tiện lợi, nhỏ gọn, mảnh và nhẹ.
Để thỏa mãn những yêu cầu này, việc thu nhỏ kích thước
các thiết bị là cần thiết, đặc biệt là kích thước của anten
phải được tối thiểu hóa để đặt vào thiết bị mà vẫn đảm
bảo các đặc tính bức xạ và băng thông.
Nhiều nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc tiêu biểu của
anten cho thiết bị di động. D. Bonefacic [1] đề xuất thiết
kế anten vi dải làm việc ở tần số trung tâm 2 GHz và có
kích thước nhỏ (30 × 12,9 × 5 mm3) nhưng băng thông
lại quá hẹp (26 MHz). Y. Kim [2] đề xuất hệ thống anten
cho thiết bị cầm tay tương lai nhưng kích thước anten Hình 1. Anten đơn cực
vẫn còn lớn. K. Skrivervik [3] đề xuất thiết kế anten kích
thước nhỏ hơn (23 × 14 × 5 mm3) cho các thiết bị di
động 3G. N. Q. Dinh [4] đề xuất phương pháp tối ưu cấu
trúc anten cho thiết bị di động 3G với kích thước (23 ×
14 × 5 mm3) và sau đó là [5] thiết kế tối ưu anten PIFA
cho thiết bị 3G với kích thước (21 × 14,5 × 4 mm3) và
băng thông (272 MHz).
Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm
Ansoft HFSS để mô phỏng anten PIFA đặt trên mặt
phẳng đất thiết kế cho thiết bị di động và khảo sát dải tần
ISBN: 978-604-67-0349-5 407
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
2 2
1.9 1.9
1.8 1.8
1.7 1.7
VSWR
VSWR
1.6 1.6
1.5 1.5
1.4 1.4
1.3 1.3
1.2 1.2
1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2
Frequency (GHz) Frequency (GHz)
Hình 2. Kết quả mô phỏng VSWR của anten đơn cực Hình 4. Kết quả mô phỏng VSWR của anten chữ L
Từ kết quả ở hình 2 cho thấy băng thông của anten Từ kết quả ở hình 4 cho thấy băng thông của anten
đơn cực là 230 MHz (từ 1,89 GHz đến 2,12 GHz) và chữ L là 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR
VSWR ≤ 2. Tuy nhiên, kích thước anten khá lớn nên để ≤ 2 và kích thước anten chữ L nhỏ hơn so với kích thước
giảm chiều dài anten, tiếp tục bẻ gập anten đơn cực anten đơn cực. Tiếp đến, tiếp tục bẻ gập anten chữ L
thành anten chữ L. thành anten chữ F.
2) Anten chữ L 3) Anten chữ F
Xét anten hình chữ L với 2 đoạn l1 = 28 mm, l2 = 5 Xét anten hình chữ F với kích thước l1 = 26,5 mm, l2
mm, rộng 1 mm, dày 0,1 mm được gắn với một bản kim = 6 mm, l3 = 4 mm và l4 = 16 mm, rộng 1 mm, dày 0,1
loại (đồng) dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm được gắn với một bản kim loại (đồng) dài L = 80
mm. mm, rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm.
Hình 3. Anten chữ L
Hình 5. Anten chữ F
ISBN: 978-604-67-0349-5 408
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
2
1.9
1.8
1.7
VSWR
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2
Frequency (GHz)
Hình 7. Anten PIFA đặt trên mặt đất
Hình 6. Kết quả mô phỏng VSWR của anten chữ F
Từ kết quả ở hình 6 cho thấy băng thông của anten
chữ F là 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR
≤ 2 và kích thước anten chữ F nhỏ hơn kích thước của
anten đơn cực và anten chữ L ở trên.
B. Những yêu cầu chính của anten cho thiết bị di động
3G
Thông thường, thiết bị 3G có độ dài 110 mm, rộng
60 mm và dày 12 mm. Hiện tại, hệ thống 3G ở Việt Nam
hoạt động ở dải tần 1,9 GHz đến 2,17 GHz. Vậy các yêu
cầu chính cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G là:
Hình 8. Chi tiết kích thước của anten PIFA
Kích thước anten đủ nhỏ để đặt trong thiết bị di
động: độ cao nhỏ hơn 5 mm, độ dài và rộng nhỏ Anten liên kết với mặt phẳng đất theo điểm nguồn và
hơn 40 mm. điểm đất (Hình 8). Anten gồm những đoạn vi dải bằng
đồng rộng w2 = 1 mm, dày 0,1 mm. Kích thước tổng thể
Trở kháng vào của anten có thể đạt 50 Ω ở tần số
của anten là dài w3 = 21 mm, rộng w1 = 14,5 mm và cao
trung tâm để đảm bảo phối hợp trở kháng với h = 3 mm. Khoảng trống giữa điểm nguồn và điểm đất là
feeder. l5 = 8,2 mm. Ngoại trừ những đoạn vi dải liên kết với
VSWR ≤ 2. mặt đất, những đoạn còn lại cố định trên chất nền và
song song với đất.
Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10%, ≥ 200 MHz.
Bảng 1: Kích thước của anten PIFA sau khi cải tiến (mm)
C. Cấu trúc anten đề xuất
Anten gắn cố định trên chất nền FR4 (ε = 4,4, tanδ = Thông số Giá trị Thông số Giá trị
0,02) có kích thước 40 × 14,5 × 3 mm3. Cả anten và chất L 70 l3 14,2
nền đều đặt trên mặt phẳng đất kích thước 70 × 40 × 0,1 W 40 l4 12,5
mm3 (hình 7). h 3 l5 8,2
s 1,4 l6 9,8
Để cải thiện cấu trúc anten, áp dụng phương pháp bẻ, w1 14,5 l7 10,5
gập, phân khe và dùng chất nền FR4 để làm rắn cấu trúc w3 20,7 l8 3
(tham khảo từ bài báo [5]). Hơn nữa, để đảm bảo trở l1 10,7 l9 7,6
kháng vào của anten cần thay đổi dòng bằng cách thay l2 6,8 l10 4,8
đổi khoảng cách giữa điểm cấp nguồn và các điểm kết
nối, đồng thời thêm các đoạn vi dải hình chữ U, L. Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1.
Những đoạn vi dải này sẽ thay đổi phân bố dòng của Anten có ba hình chữ L tạo bởi hai đoạn l1, l2; l9, l10 và
anten, dẫn đến thay đổi trở kháng vào và vì thế đảm bảo l6, l7; có hình chữ U tạo bởi và l4, s.
phối hợp trở kháng. Ngoài ra, anten được cải thiện vẫn
phải đảm bảo mở rộng băng thông và kích thước nhỏ.
ISBN: 978-604-67-0349-5 409
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG VIỆC LỰA
Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của CHỌN KÍCH THƯỚC ANTEN
anten đề xuất được cho ở hình 9. Trở kháng vào của Với mục đích giảm thiểu kích thước của anten, nhóm
anten có thể đạt xấp xỉ 37 Ω ở tần số cộng hưởng 2,04 tác giả thực hiện phân khe cho anten qua nhiều lần mô
GHz. Băng thông của anten đề xuất là 380 MHz (từ 1,84 phỏng. Sau khi tham khảo bài báo [5], cấu trúc của
GHz đến 2,22 GHz) (>18 % khi so sánh với tần số trung anten PIFA đã được phân khe bắt đầu từ đoạn l10.
tâm), VSWR ≤ 2. Vì thế, dải tần của anten đề xuất bao
Hình 11 biểu diễn VSWR của anten khi lần lượt thay
phủ dải tần 3G (270 MHz). Kết quả này chỉ ra anten đề
xuất có băng thông rộng nhất khi so sánh với các bài báo đổi l10 bởi các đoạn 2,8 mm, 4,8 mm và 6,8 mm; Khi l10
trước đó. bằng 6,8 mm, mặc dù VSWR ≤ 2, dải tần trong trường
hợp này không bao phủ dải tần 3G. Khi l10 bằng 2,8
2
VSWR of PIFA after enhancement Input impedance of PIFA after enhancement
mm, VSWR ≤ 2 nhưng tần số công tác khá xa tần số
80 re(Z) trung tâm 2 GHz. Vì thế, thông số thích hợp đó là l10 =
1.9 im(Z)
4,8 mm vì đảm bảo bao phủ dải tần 3G với tần số cộng
1.8 60 hưởng là 2,04 GHz (VSWR ≤ 2).
1.7 Khi lần lượt thay đổi chiều dài mặt đất L bởi các
40 đoạn 60 mm, 70 mm và 80 mm. Khi L bằng 80 mm, dải
1.6
tần của anten không bao phủ dải tần 3G. Còn khi L bằng
Z (Ohm)
VSWR
1.5 20
60 mm, mặc dù VSWR ≤ 2 nhưng tần số công tác của
anten xa so với tần số trung tâm. Vì thế, thông số thích
1.4
hợp đó là L = 70 mm vừa đảm bảo bao phủ dải tần 3G
1.3
0
(VSWR ≤ 2) và đảm bảo kích thước mặt đất đủ nhỏ để
1.2
đặt trong thiết bị di động.
-20
1.1 VSWR of PIFA after changing l10
2
1 -40
1.8 2 2.2 1.8 2 2.2
Frequency (GHz) Frequency (GHz)
VSWR
1.5
l10 = 2.8 mm
Hình 9. VSWR và trở kháng vào của anten PIFA sau cải tiến l10 = 4.8 mm
l10 = 6.8 mm
1
Hình 10 là kết quả mô phỏng độ lợi đỉnh của anten 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3
Frequency (GHz)
PIFA sau khi cải tiến. Độ lợi của anten lớn hớn hoặc VSWR of PIFA after changing L
bằng 3,6 dBi trong cả dải tần 3G. Kết quả mô phỏng chỉ 2
ra rằng cấu trúc anten đề xuất có thể được ứng dụng
trong các thiết bị di động 3G.
VSWR
1.5
L = 60 mm
4.5 L = 70 mm
L = 80 mm
1
1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3
Frequency (GHz)
4 Hình 11. Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi thay
Peak Gain (dBi)
đổi l10 và L
V. KẾT QUẢ SO SÁNH
3.5 Trong bài báo [5], anten đề xuất có kích thước (21 ×
14,5 × 4 mm3) và băng thông (272 MHz). Hình 12 là kết
quả so sánh VSWR của anten PIFA trong bài báo [5] và
VSWR của anten PIFA trong bài báo này. Kết quả so
3
sánh chỉ ra băng thông của anten PIFA trong bài báo
1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1
Frequency (GHz)
2.15 2.2 2.25 2.3
này (380 MHz) lớn hơn băng thông của anten trong bài
báo [5] (272 MHz, VSWR ≤ 2) và bao phủ dải tần 3G ở
Việt Nam. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã tận dụng
Hình 10. Độ lợi đỉnh của anten PIFA sau cải tiến
tối ưu không gian cho phép để thiết kế anten đảm bảo
chiều dài điện của anten tăng (thêm đoạn gấp khúc l9 và
ISBN: 978-604-67-0349-5 410
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
l10) mặc dù kích thước tổng thể (thể tích) của anten giảm trúc anten để giảm độ dày anten mà vẫn đảm bảo băng
so với các thiết kế trước đó. thông cùng các thông số khác và anten có thể hoạt động
ở dải tần rộng hơn.
2
1.9
LỜI CẢM ƠN
1.8
Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến
1.7 chuyên môn của TS. Nguyễn Quốc Định cùng các nhà
1.6 khoa học tham gia phản biện.
VSWR
1.5
1.4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.3 [1] D. Bonefacic, J. Bartolic, “Small antennas: Miniaturization
Techniques and Applications”, ATKAFF 53(1), 20-30, 2012.
1.2
the paper in the reference [5]
[2] Y. Kim, H. Morishita, Y. Koyanagi, K. Fujimoto, “A folded
1.1
this paper
Loop Antenna System for handsets Developed and Based on the
advanced Design Concept”, IEICE Trans. Commun., vol.E84-B,
1
1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 no.9, pp.2468-2475, Sept.2001.
Frequency (GHz) [3] K. Skrivervik, J. F Zurcher, O. Staub and J. R. Mosig, “PCS
antenna design: The Challenge of Miniatureization”, IEEE
Antennas and Propagation Magazine, Vol.43, No.4, Aug., 2001.
Hình 12. Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA trong bài báo
tham khảo [5] và trong bài báo này [4] H. Q. Anh, N. Q. Dinh, D. Q. Trinh, “A method to miniaturize
antenna structure for the 3G mobile device”, The 2013
VI. KẾT LUẬN International Conference on Advanced Technologies for
Communications (ATC’13), pp.191-194, Oct. 16-18, 2013.
Những kết quả đạt được sau khi cải thiện cấu trúc [5] H. Q. Anh, N. Q. Dinh, “The Optimum Design of PIFA for the
anten PIFA: 3G mobile device”, The institute of electronics, Informatin and
Communication Engineers, Vietnam-Japan International
Kích thước nhỏ 21 × 14,5 × 3 mm3 Symposium on Antennas and Propagation, 2014.
Băng thông rộng 380 MHz (18 %, VSWR ≤ 2) bao [6] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory”, Chapter 4 and 9, A
John Wiley & Sons, Inc., Publication, Third edition.
phủ rộng băng tần 3G của Việt Nam.
[7] H. Arai, “Advanced design of electrically small antennas”,
Độ lợi lớn hơn hoặc bằng 3,6 dBi trong cả dải tần Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and
3G. Propagation, 2014.
Trong tương lai, tác giả sẽ tiếp tục cải thiện cấu
ISBN: 978-604-67-0349-5 411
nguon tai.lieu . vn