Thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu trúc DGS

Bài báo này đề xuất thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số với kích thước tại những tần số trung tâm 7.5 Ghz và 9 GHz sử dụng cấu trúc Defected Ground Structure (DGS) và chuyển mạch bằng cách sử dụng pin diode. Anten mảng gồm 4 phần tử (2x2) được chế tạo sử dụng lớp điện môi FR4 với các tham số: hằng số điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp điện môi hsub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02. Mời các bạn cùng tham khảo!

HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu trúc DGS Nguyễn Ngọc Lan1, Vũ Văn Yêm1, Bernard Journeet2, Lâm Hồng Thạch1 Trịnh Thị Hương3 Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam Đại học Sư phạm Cachan, Cộng hòa Pháp Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam Email: dtvt2006@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn, bernard.journet@ens-cachan.fr, thach.lamhong@hust.edu.vn, us.trinh@utc.edu.vn Tóm tắt - Trong năm gần đây, thiết bị vô tuyến ngày thu nhỏ kích thước, đồng thời tích hợp ngày nhiều chức phục vụ cho nhiều mục đích Do đó, việc thiết kế anten phải đáp nhu cầu Với việc có tính định hướng cao thay đổi pha biên độ, anten mảng tái cấu hình cho phép thay đổi đồ thị anten mà không cần phải thay đổi hệ thống anten Bên cạnh đó, việc tái cấu hình theo tần số đồ thị xạ, anten mảng trở nên thơng minh đáp ứng hầu hết yêu cầu Bài báo đề xuất thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số với kích thước tần số trung tâm 7.5 Ghz GHz sử dụng cấu trúc Defected Ground Structure (DGS) chuyển mạch cách sử dụng pin diode Anten mảng gồm phần tử (2x2) chế tạo sử dụng lớp điện môi FR4 với tham số: số điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp điện môi hsub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02 Anten đề xuất có hiệu suất cao băng thông rộng Anten thiết kế mô sử dụng phần mềm CST Microwave Studio Bài báo đề xuất việc thiết kế anten mảng tái cấu hình hoạt động băng X tần số trung tâm 7.5 GHz GHz sử dụng PIN diode Anten gồm phần tử tuyến tính (2x2) thiết kế FR4 có độ dày hsub = 1.575 mm, số điện môi εr = 4.4 suy hao tanδ = 0.02 II THIẾT KẾ ANTEN Mơ hình anten Mơ hình anten hiển thị hình Cấu trúc anten bao gồm lớp đất sử dụng cấu trúc Defected Ground Structure (DGS) với chiều dày t = 0.035 mm Phía lớp đất điện môi FR4 với chiều dày h = 1.575 mm, số điện môi εr = 4.4, suy hao tanδ = 0.02 Index Terms: anten mảng, Defected Ground Structure (DGS), anten tái cấu hình, băng thơng rộng, pin diode I GIỚI THIỆU Anten thành phần thiếu hệ thống thông tin vô tuyến Có nhiều loại anten khác anten dipole, anten PIFA, anten loga chu kỳ, anten gương, Mỗi loại anten có đặc tính hoạt động khác phù hợp với ứng dụng cụ thể Anten tái cấu hình anten mà thay đổi đặc tính hoạt động tần số, đồ thị xạ phân cực tổ hợp đặc tính Khái niệm anten tái cấu hình lần đầu đưa D Schaubert năm 1983 [1] Những kỹ thuật sử dụng để tái cấu hình RF-MEMS (Radio Frequency MicroElectroMechanical System) [2][3], PIN diodes [4][5], diode biến dung [6][7], quang dẫn [8][9] Với khả thay đổi đặc tính hoạt động, anten tái cấu hình trở nên mềm dẻo đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác a) PIN diode thiết bị bán dẫn với hai trạng thái hoạt động ON OFF Trong mạch RF, PIN diode đóng vai trị cơng tắc để đóng mở mạch Với tốc độ chuyển mạch nhanh dễ dàng sử dụng, PIN diode ngày sử dụng rộng rãi, có lĩnh vực anten ISBN: 978-604-67-0635-9 394 394 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) trạng thái OFF, tương đương với điện trở lớn Với PIN diode, điều khiển lượng lớn tín hiệu RF thơng qua việc sử dụng dịng chiều mức nhỏ Mơ hình PIN diode hiển thị hình Hình 2: Mơ hình PIN diode [11] b) Hình 1: Mơ hình anten: a) mặt trên; b) lớp đất Như hình 2, cấu tạo PIN diode gồm vùng: vùng I vùng Silicon, vùng P vùng N hai bên Hiệu suất PIN diode phụ thuộc vào hình dạng chip vật liệu bán dẫn vùng I Sơ đồ tương đương Pin diode hình [12] Anten gồm phần tử đường truyền tín hiệu điều khiển pin diode Anten thiết kế tần số trung tâm 7.5 GHz GHz Để tăng cường băng thông cho anten, báo sử dụng cấu trúc DGS lớp đất Rõ ràng là, lớp đất khoét theo hình dạng điều đồng nghĩa với việc tạo phần tử ký sinh điện dung (C) điện cảm (L) Như biết, tần số cộng hưởng anten cho biểu thức: f  2 (1) LC Hình 3: Sơ đồ tương đương PIN diode: a) trạng thái ON; b) trạng thái OFF Từ phương trình trên, rõ ràng kích thước anten giảm tăng giá trị L C Hơn nữa, việc khoét lớp đất đồng thời tạo nên hốc cộng hưởng, việc góp phần làm tăng băng thông cho anten Bảng thị giá trị số tham số lớp đất (đơn vị: mm) W 70 L 70 dgs w_dgs2 18 l_dgs2 10 w_dgs 3 DGS cấu trúc tuần hồn khơng tuần hồn kht mặt phẳng đất đường truyền phẳng (ví dụ đường truyền vi dải, đường truyền đồng phẳng, v.v ) Khi mặt phẳng đất khoét theo cấu trúc DGS bất kì, làm thay đổi phân bố dòng mặt phảng đất Điều làm thay đổi đặc tính đường truyền điện dung điện cảm Điều có tác dụng làm giảm kích thước anten thơng qua việc tăng điện dung điện cảm Hiện nay, có nhiều loại pin diode Mỗi loại PIN diode có đặc tính riêng phù hợp với loại anten cụ thể Sau tìm hiểu, báo chọn pin diode MACOM-MA4AGBLP912[10] cho mơ hình anten Hiện nay, DGS ứng dụng rộng rãi lĩnh vực RF nói chung anten nói riêng Bằng việc sử dụng cấu trúc DGS, cải thiện số tham số anten như: giảm nhỏ kích thước, tăng băng thông, tăng độ lợi, v.v Anten sử dụng PIN diode Các PIN đảm bảo nguồn chiều 5V Các PIN diode anten đóng vai trị cơng-tắc có chức đóng/mở Khi PIN diode D1, D2, D3, D4 trạng thái ON; D5, D6, D7, D8 trạng thái OFF, ta thu tần số cộng hưởng anten GHz Ngược lại, PIN diode D1, D2, D5 D6 ON; D3, D4, D7 D8 OFF, ta thu tần số cộng hưởng 7.5 GHz Defected Ground Structure (DGS) Hiện nay, có nhiều loại cấu trúc DGS khác Có thể chia DGS thành loại: DGS đơn vị DGS tuần hồn Hình liệt kê vài cấu trúc DGS đơn vị DGS tuần hoàn Pin diode PIN diode thiết bị bán dẫn Trong mạch RF, PIN diode hoạt động biến trở Khi trạng thái ON, PIN diode tương đương với điện trở nhỏ Ngược lại, a) 395 395 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Cơng Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015) b) Hình 4: Một số cấu trúc DGS nay: a) cấu trúc DGS đơn vị; b) cấu trúc DGS tuần hoàn [13] Sơ đồ tương đương cấu trúc DGS đơn vị hiển thị hình b) Hình 6: Kết mô anten: a) tần số 7.5 GHz; b) tần số GHz Từ hình 6, thấy anten phối hợp trở kháng tốt Tổn hao ngược anten nhỏ (dưới -25 dB) Hơn nữa, anten có băng thơng rộng > 500 MHz Với băng thơng này, anten đáp ứng tốt cho ứng dụng cần băng thông lớn Hình hiển thị kết đo kiểm anten so sánh với kết mơ Hình 5: Sơ đồ tương đương cấu trúc DGS đơn vị[13] Khi đó, giá trị R, L, C tính biểu thức sau [14]: C  c Z 0  c  2 L  / 4 f C 2 R    2Z / III   (2) S11       Z C  L  1 a) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO KIỂM Anten chế tao điện môi FR-4 với số điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp điện môi hsub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02 Hình hiển thị kết mô anten tần số cộng hưởng 7.5 GHz GHz b) Hình 7: Kết mơ đo lường S11 anten tần số: a) 7.5 GHz; b): GHz a) Từ hình 7, thấy kết đo anten bị lệch so với kết mô Tuy nhiên, kết 396 396 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) chấp nhận kết đo bao phủ băng tần, giá trị tổn hao ngược anten đảm bảo -10 dB Hơn nữa, từ hình 7, thấy anten có băng thơng rộng điều đủ để đáp ứng cho ứng dụng băng tần 7.5 GHz GHz Có sai khác kết đo lường kết số nguyên nhân: + Do sai số mặt kích thước q trình chế tạo mô + Ảnh hưởng việc hàn linh kiện Điều ảnh hưởng trực tiếp tới việc phối hợp trở kháng + Ảnh hưởng từ dây dẫn để tiếp điện cho Pin diode Việc nguyên nhân dẫn đến việc sai số Hình minh họa đồ thị 3D đồ thị cực anten băng tần 7.5 GHz GHz b) Hình 8: Đồ thị anten tần số: a) 7.5 GHz, b) GHz Anten có gain băng tần 7.5 Ghz GHz 4.8 dB 5.5 dB Cuối cùng, hình minh họa anten thiết kế chế tạo a) a) 397 397 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) [5] Guang-Min Zhang, Jing-song Hong, Bing-Zhong Wang “A novel pattern reconfigurable wideband slot antenna using PIN diodes,” International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), pages: 22 - 24, May 2010 [6] Khidre, A.; Xiao Liu ; Fan Yang ; Elsherbeni, A.Z.; “Reconfigurable dual-band patch antenna using varactorloaded slot,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI),pages: - 2, Jul 2012 [7] Nishamol, M.S.; Aanandan, C.K.; Mohanan, P.; Vasudevan, K.; “Dual frequency reconfigurable microstrip antenna using varactor diodes,” XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium, pages: - 4, Aug 2011 b) [8] Y Tawk, A R Albrecht, S Hemmady, G Balakrishnan, and C G Christodoulou, “Optically pumped frequency reconfigurable antenna design,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 9, pp 280–283, Mar 2010 Hình 8: Anten chế tạo: a) mặt trên, b) mặt IV KẾT LUẬN Trong báo này, thiết kế chế tạo thành công anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu trúc DGS Băng thơng anten cải thiện đáng kể thông qua việc sử dụng cấu trúc DGS Mặc dù có sai lệch định kết mô kết đo lường, nhiên kết đo lường bước đầu bao phủ băng tần cần thiết Vì kết chấp nhận [9] Chaharmir, M.R.; Shaker, J.; Cuhaci, Michel; Sebak, A.; “Novel photonically-controlled reflectarray antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pages: 1134 1141, Apr 2006 [10] Datasheet: http://www.macom.com/products/productdetail/MA4AGBLP912 Hướng nghiên cứu báo tìm giải pháp để tăng băng thông hạn chế sai số việc chế tạo, hàn gắn linh kiện để từ có kết đo kiểm tốt [11] Bill Doherty, “PIN Diode Fundamentals” Microsemi Corporation [12] Doherty, W E., and R.D Joos., “PIN Diode Circuit Designers' Handbook,” Watertown, MA: 02472 Với mềm dẻo linh hoạt anten tái cấu hình, việc thay đổi đặc tính anten mà khơng phải thay đổi hệ thống như: tần số, đồ thị xạ, phân cực, anten tái cấu hình đáp ứng cho hệ thống thông minh ngày Hơn nữa, với việc áp dụng công nghệ vi dải góp phần làm giảm giá thành, dễ dàng chế tạo kích thước nhỏ Do đó, anten ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin vô tuyến định vị vô tuyến [13] L H Weng, Y.-C Guo, X.-W Shi, and X.-Q Chen, “An Overview on Defected Ground Structure,” Progress In Electromagnetics Research B, Vol 7, 173-189, 2008 [14] Insik, C and L Bomson, “Design of defected ground structures for harmonic control of active microstrip antenna,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol 2, 852–855, 2002 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Schaubert, “Frequency-agile polarization diversity microstrip antennas and frequency scanned arrays,” US Patent #4,367,474, Jan 1983 [2] Zohur, A.;Mopidevi, H ; Rodrigo, D ; Unlu, M ; Jofre, L ; Cetiner, B.A.; “RF MEMS Reconfigurable Two-Band Antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters; pages: 72 - 75; Mar 2013 [3] Cetiner, B.A.; Crusats, G.R ; Jofre, L ; Biyikli, Necmi; “RF MEMS Integrated Frequency Reconfigurable Annular Slot Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation; pages: 626 - 632; Mar 2010 [4] Lee, S.W.; Sung, Y ; Park, J.Y ; Lee, S.J ; Hur, B.J.; “Frequency reconfigurable antenna using a PIN diode for mobile handset application,” 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP); pages: 2053 - 2054; Apr 2013 398 398 ... b) Hình 4: Một số cấu trúc DGS nay: a) cấu trúc DGS đơn vị; b) cấu trúc DGS tuần hoàn [13] Sơ đồ tương đương cấu trúc DGS đơn vị hiển thị hình b) Hình 6: Kết mơ anten: a) tần số 7.5 GHz; b) tần. .. thành cơng anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu trúc DGS Băng thông anten cải thiện đáng kể thông qua việc sử dụng cấu trúc DGS Mặc dù có sai lệch định kết mô kết đo lường, nhiên kết đo lường... số Hình minh họa đồ thị 3D đồ thị cực anten băng tần 7.5 GHz GHz b) Hình 8: Đồ thị anten tần số: a) 7.5 GHz, b) GHz Anten có gain băng tần 7.5 Ghz GHz 4.8 dB 5.5 dB Cuối cùng, hình minh họa anten