Xem mẫu
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Nghiên cứu cải thiện băng thông ăngten PIFA
tái cấu hình theo tần số
Hoàng Thị Phương Thảo Dương Thị Thanh Tú
Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Hà Nội, Việt Nam Hà Nội, Việt Nam
Email: thaohp@epu.edu.vn Email: tudtt@ptit.edu.vn
Vũ Thành Luân, Trương Ngọc Tân, Vũ Văn Yêm
Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hà Nội, Việt Nam
Email: vuthanhluan.1992@gmail.com, truongngoctanbn@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn.
Tóm tắt—Bài báo đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA tái (Reconfigurable Antenna) với khả năng tự thay đổi tần
cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode hoặc số, phân cực hay đồ thị bức xạ ra đời là một trong
RF MEMS nhằm tạo ra hai cấu hình có thể ứng dụng những giải pháp giải quyết các vấn đề trên [2-8]. Điều
trong các thiết bị đầu cuối di động GSM hoặc 4G-LTE. này có thể đạt được thông qua việc điều khiển các
Trong bài báo, chúng tôi cũng so sánh hai loại chuyển chuyển mạch được sử dụng trong ăngten tái cấu hình
mạch thông dụng này và đưa ra đánh giá về mỗi loại như MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN Diode,
chuyển mạch, đồng thời đề xuất cấu trúc xẻ rãnh của đế Diode biến dung hay các phần tử quang dẫn, sử dụng
đối với ăngten tái cấu hình. Với việc xẻ rãnh trên mặt đế, vật liệu đặc biệt, thay đổi cấu trúc vật lý… Trong đó,
băng thông của ăngten có thể tăng lên khoảng 30MHz đến
hai kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay đó là sử dụng
40MHz so với ban đầu.
MEMS và PIN Diode [2]. Ăngten tái cấu hình hiện nay
Từ khóa—ăngten tái cấu hình; RPIFA; cải tiến băng rất được quan tâm và đã công bố một số nghiên cứu sử
thông RPIFA dụng một số kỹ thuật tái cấu hình khác nhau để đạt được
sự tái cấu hình theo tần số, theo đồ thị bức xạ, theo phân
I. GIỚI THIỆU cực [6-10]. Mặc dù các nghiên cứu về ăngten tái cấu
Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển một hình đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, tuy nhiên đây
cách mạnh mẽ cả về công nghệ và thiết bị nhằm đáp vẫn còn tồn tại một số vấn đề tồn tại cần giải quyết đó là
ứng các nhu cầu của người dùng không chỉ trong liên cải tiến cấu trúc của ăngten nhằm tăng hiệu suất bức xạ,
lạc trao đổi thông tin mà cả các nhu cầu giải trí ở mọi cải thiện băng thông và giảm nhỏ kích thước của
lúc mọi nơi. Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến ăngten. Đặc biệt, đối với thiết bị điện thoại di động thì
luôn luôn thay đổi, một trong các giải pháp kỹ thuật yêu cầu kích thước gọn nhẹ, dễ tích hợp càng ngày càng
được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế yêu cầu khắt khe hơn. Với cấu hình linh hoạt, trọng
hệ mới nhằm đạt được dung lượng lớn và chất lượng lượng nhẹ và chi phí chế tạo rẻ làm cho PIFAs (Printed
cao đó là các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi các Inverted-F Antennas) trở thành một trong những ăng-
tham số để thích nghi với môi trường kênh. Vô tuyến ten phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị vô
thông minh nói chung và vô tuyến nhận thức nói riêng tuyến cầm tay hiện nay. Tuy nhiên, với yêu cầu thiết bị
(Cognitive Radio – CR) được đề xuất để giải quyết vấn cầm tay ngày càng phải nhỏ gọn dẫn đến việc phải giảm
đề hiệu quả phổ tần nhằm sử dụng phổ tần một cách kích thước các phần tử bức xạ, của lớp đề của ăngten
thông minh, linh hoạt hơn và đã nhận được sự chú ý PIFA. Việc giảm nhỏ kích thước ăngten ảnh hưởng đến
ngày càng cao trong những năm gần đây. Vô tuyến tần số cộng hưởng, đồ thị bức xạ và làm giảm băng
thông minh cho phép các thiết bị thu phát phát hiện một thông của ăngten. Hiện này, có rất nhiều phương pháp
cách thông minh các kênh tần số nào còn trống và kênh để tăng băng thông của ăngten đơn PIFA như dùng phần
nào đã dùng và có thể sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần tử ký sinh, thay đổi đặc tính vật liệu, xẻ rãnh ở đế [11].
số vô tuyến nào sẵn có [1]. Trong các hệ thống vô tuyến Tuy nhiên, đối với ăngten tái cấu hình sử dụng cấu trúc
thông minh, ăngten đóng một vai trò hết quan trọng và PIFA thì việc sử dụng các phương pháp trên để tăng
thiết yếu. Muốn các thiết bị thu phát hoạt động hiệu quả băng thông khá phức tạp vì các cấu hình khác nhau của
trong điều kiện môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi một ăngten có thể ảnh hưởng lẫn nhau, do đó cần được
và phổ tần bị hạn chế thì ăngten phải có các tính năng nghiên cứu nhiều hơn nữa.
thích nghi với môi trường và sử dụng phổ tần một cách Trong bài báo này chúng tôi sẽ đề xuất một cấu trúc
linh hoạt, hiệu quả. Khái niệm ăngten tái cấu hình ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng PIN diode
ISBN: 978-604-67-0349-5 465
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
hoặc RF-MEMS. Trong bài báo chúng tôi cũng sẽ đưa BẢNG 1. KÍCH THƯỚC CỦA ĂNGTEN RPIFA
ra một số kết quả mô phỏng và so sánh, đánh giá giữa Tham số Mô tả Giá trị (mm)
hai loại chuyển mạch và ưu điểm của PIN diode so với
RF-MEMS. Trong cấu trúc đề xuất này, phương pháp Lgrd Chiều dài đế 40
xẻ rãnh trên đế nhằm tăng băng thông của ăngten tái cấu Wgrd Chiều rộng đế 40
hình và các thông số sẽ được trình bày và được kiểm
nghiệm thông qua mô phỏng tối ưu sử dụng phần mềm Lpch Chiều dài tổng phần tử bức xạ 16
chuyên dụng.
Ltd Chiều dài phần tử bức xạ tiếp điện 4
II. THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ Wpch Chiều rộng phần tử 8
DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF -
MEMS Wpch1 Chiều rộng tổng phần tử bức xạ 1 3
A. Ký hiệu và viết tắt Ăngten tái cấu hình theo tần số Wpch2 Chiều rộng phần tử bức xạ 2 2.2
sử dụng chuyển mạch PIN Diode
h Chiều cao ăngten 8
Đầu tiên, chúng tôi đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA
theo kiểu truyền thống, bao gồm một phần tử bức xạ ở rpin Bán kính shorting pin (SP) 0.4
trên tấm điện môi như hình 1(a), một mặt phẳng đế, một
Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến
shorting pin và feeding pin (chân tiếp điện). Tần số cộng Ypin1 18.5
hưởng cho ăngten PIFA được tính theo công thức (1) Shorting pin 1 (SP1)
[4]:
Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến
Ypin2 13
c shorting pin 2 (SP2)
fr (1)
4(W L)
trong đó: Để tạo ra ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số, phần
fr là tần số cộng hưởng của mode chính (Hz) tử bức xạ sẽ có cấu trúc thay đổi bằng cách dùng chuyển
c: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do (m/s) mạch PIN Diode. Cấu trúc của phần tử bức xạ với 2 PIN
W, L: lần lượt là chiều rộng và dài của phần tử phát diode (Di) được chỉ ra ở hình 1(a). Một phần tử bức xạ ở
xạ (m) giữa nối với hai phần tử ở hai bên thông qua hai diode.
Ăngten có hai shorting pin tương ứng với hai phần tử
Ypin1 bức xạ 1 và 2 như hình 1(b). Điện môi sử dụng là FR4
Wpch2
1mm SP2 với hằng số điện môi Ɛ = 4.4, chiều dày đế điện
Wpch hsub=0.8mm. Ăngten được thiết kế theo lý thuyết theo
Wpch1 công thức (1) để hoạt động ở dải tần 1.9GHz và 2.4
GHz, tuy nhiên công thức chỉ mang tính gần đúng vì còn
Wpch
Wpch2
Ypin2
SP2
Ltd rất nhiều tham số khác ảnh hưởng đến tần số hoạt động
D2 D1 như vị trí shorting pin, ảnh hưởng của cấu hình này lên
Lpch cấu hình khác… Các tham số sau khi thiết kế được tối
(a) ưu bằng phần mềm CST để đạt được các thông số tốt
nhất (thể hiện trong bảng 1). Cấu hình anten thay đổi
nhờ chuyển mạch PIN diode. Cấu trúc được đề xuất có 2
diode PIN. Khi một điện áp thuận một chiều từ 0 đến 1
V được đặt vào diode thì nó sẽ thông (đóng mạch) và
ngược lại, một điện áp ngược đặt vào diode làm cho nó
tắt (hở mạch). Sự điều khiển đóng mở (ON – OFF) của
các diode này bằng điện áp phân cực một chiều làm thay
đổi dòng điện chạy trên bề mặt tấm bức xạ. Trên lý
thuyết, với 2 diode này có thể tạo ra tối đa 4 cấu hình,
tuy nhiên không phải tất cả các cấu hình đều cho kết quả
tốt. Với cấu trúc này, có 2 cấu hình được xét ứng với 2
trường hợp đóng mở diode D1-ON, D2-OFF (M1) và
(b) D1-OFF, D2-ON (M2). Cấu hình M1 đạt được bằng
cách cấp một điện áp một chiều phân cực thuận cho D1
Hình 1. Cấu trúc của ăngten RPIFA. (a) Mặt trên, (b) 3D và phân cực ngược cho D2, cấu hình M2 đạt được bằng
cách phân cực cho hai diode D1 và D2 ngược lại với cấu
ISBN: 978-604-67-0349-5 466
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
một lựa chọn nên được ưu tiên. Tuy nhiên, ở cả hai
trường hợp sử dụng PIN diode hay RF-MEMs thì với
cấu hình như trên đều cho kết quả băng thông khá hẹp,
đây cũng chính là nhược điểm của ăngten PIFA, do vậy
ở phần III bài báo trình bày một cách để cải thiện băng
thông của ăngten PIFA tái cấu hình.
III. THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ
DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF -
MEMS
Hình 2. Kết quả mô phỏng tham số S11 của ăngten tái cấu hình tần số Sự chuyển mạch có thể tạo ra các cấu hình khác nhau
sử dụng PIN Diode cho ăngten trên. Ở mỗi cấu hình, nó có thể hoạt động
như một ăngten đơn thông thường. Vì thế, nó cũng còn
hình M1. Với mỗi cấu hình sẽ tạo ra một tần số cộng tồn tại một nhược điểm lớn là băng thông khá hẹp. Để
hưởng khác nhau. Việc mô phỏng được thực hiện dựa tăng khả năng ứng dụng cần phải kết hợp giữa tái cấu
trên sự kết hợp giữa CST Microwave Studio và CST hình và các phương pháp nhằm tăng băng thông.Với cấu
Design. Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng ở đầu vào trúc anten trên sử dụng chuyển mạch PIN diode, một
của anten được chỉ ra như hình 2.Băng thông của ăngten cách khá đơn giản được đề xuất là xẻ rãnh phần đế
đạt được ở trạng thái M1 là 70MHz (từ 1.92 GHz đến ăngten. Cụ thể phần đế của ăngten sẽ được xẻ rãnh như ở
1.99 GHz) (1 phần GSM1900), ở trạng thái M2 là hình 4. Cấu trúc ăngten và cơ cấu chuyển mạch đều
140MHz (từ 2.17 GHz đến 2.31 GHz) với mô đun của không thay đổi. Vị trí và kích thước của khe được tối ưu
hệ số phản xạ |S11|
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Hình 5. Kết quả mô phỏng tham số S11 với rãnh ở đế
Hình 5 chỉ ra kết quả mô phỏng tham số |S11| với
các trường hợp Diode tắt và mở khác nhau sau khi xẻ
rãnh ở đế. Băng thông đạt được ở cấu hình M1 là 110
MHz (từ 1.74Ghz đến 1.85 GHz) với |S11|
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
[2] Diego Langoni, Mark H. Weatherspoon, Erastus Ogunti, and [7] E. Del Re, S. Morosi, D. Marabissi, L. Mucchi…,
Simon Y. Foo, “An Overview of Reconfigurable Antennas: “Reconfigurable Antenna for Future Wireless Communication
Design, Simulation, and Optimization” MPG Books, IEEE, Systems” Wireless Personal Communications, 2007.
USA, 2009. [8] Wang, B.-Z. ; Xiao, S. ; Wang, J.Microwaves, Antennas &
[3] Christos G. Christodoulou,Fellow IEEE, Youssef Tawk, Steven Propagation, IET, “Reconfigurable patch-antenna design for
A. Lane, and Scott R. Erwin, “Reconfigurable Antennas for wideband wireless communication systems”, Vol.1,No.2 , pp
Wireless and Space Applications”, Proceedings of the IEEE| 414 – 419, 2007.
Vol. 100, No. 7, July 2012. [9] Trong Duc Nguyen ; Duroc, Y. ; Van Yem Vu ; Tan Phu Vuong,
[4] Saida Ibnyaich, Abdelilah Ghammaz and Moha M’Rabet “Frequency reconfigurable PIFA antenna driven by
Hassani, “Development of Wideband Planar Inverted-F microcontroller”, Fourth International Conference on
Antennas for Wireless Application”, Journal of Computer Communications and Electronics (ICCE), pp. 406 – 410, 2012.
Science 7 (8): 1172-1177, 2011. [10] Trong Duc Nguyen, Duroc. Y., Van Yem Vu, Tan Phu Vuong,
[5] Wang, K.L., “Planar Antennas for Wireless Communications”, “Novel reconfigurable 8 - shape PIFA antenna using PIN diode”
1st Edn., Wiley-Interscience, Hoboken, ISBN : 0471266116, International Conference on Advanced Technologies for
pp: 301 2003. Communications (ATC), pp. 272 - 275 , 2011.
[6] Zhang Jiajie ; Wang Anguo ; Wang Peng, [11] H.T. Chattha, Y. Huang, M.K. Ishfaq, S.J. Boyes, “Bandwidth
"A Survey on reconfigurable antennas”, International enhancement techniques for planarinverted-F antenna”, IET
Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, Microwaves, Antennas & Propagation, doi: 10.1049/iet-
Vol.3, pp. 1156 – 1159, 2008. map.2010.0505, 2011.
ISBN: 978-604-67-0349-5 469
nguon tai.lieu . vn
