Thiết kế anten lưỡng cực đặt vuông góc có khả năng cấu hình loại phân cực tròn

Một phương pháp đơn giản sử dụng PIN diode nhằm tăng tính ứng dụng và loại bỏ đi nhược điểm của anten phân cực tròn được đề xuất trong bài báo. Phương pháp này được kiểm chứng bằng anten lưỡng cực đặt vuông góc tạo nên phân cực tròn và ứng dụng PIN diode giúp thay đổi phân cực tròn trái hoặc phải tùy theo mong muốn. Thiết kế cuối cùng cho băng thông S11 trải từ 2 GHz đến 2.6 GHz với tỷ số trục AR đạt 0.52dB tại tần số 2.4 GHz tạo nên phân cực tròn tốt tại tần số đó. Mời các bạn cùng tham khảo!

THIẾT KẾ ANTEN LƯỠNG CỰC ĐẶT VNG GĨC CĨ KHẢ NĂNG CẤU HÌNH LOẠI PHÂN CỰC TRỊN Đồn Minh Thuận1, Bùi Công Danh3, Trịnh Xuân Dũng1, Nguyễn Trương Khang2,3,* Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Viện Khoa học tính tốn, Trường ĐH Tơn Đức Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Tôn Đức Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam *Corresponding author: nguyentruongkhang@tdtu.edu.vn Tóm tắt—Một phương pháp đơn giản sử dụng PIN diode nhằm tăng tính ứng dụng loại bỏ nhược điểm anten phân cực tròn đề xuất báo Phương pháp kiểm chứng anten lưỡng cực đặt vng góc tạo nên phân cực tròn ứng dụng PIN diode giúp thay đổi phân cực tròn trái phải tùy theo mong muốn Thiết kế cuối cho băng thông S11 trải từ GHz đến 2.6 GHz với tỷ số trục AR đạt 0.52dB tần số 2.4 GHz tạo nên phân cực trịn tốt tần số Với việc thay đổi chế độ hoạt động PIN diode, anten thay đổi phân cực tròn trái phải với thông số S11 AR không đổi Điều giúp anten hoạt động ổn định loại phân cực trịn Ngồi ra, anten cịn sử dụng lớp ground giúp anten đạt độ lợi 6.7dBi 2.4 GHz Đây điểm mạnh cấu trúc giúp loại bỏ nhược điểm độ lợi thấp thân anten lưỡng cực Từ khóa—anten lưỡng cực, anten có khả cấu hình, phân cực trịn I GIỚI THIỆU Ngày nay, với xu phát triển ngày nhanh cơng nghệ u cầu đặt cho việc thiết kế anten ngày khắt khe phức tạp Chính điều mà anten mang nhiều chức khả tùy biến trở thành đề tài nghiên cứu phổ biến ngày Tuy nhiên, với xu hướng công nghệ di động (mobile technology) ngày kích thước nhỏ gọn, dễ dàng gia cơng có giá thành rẻ tiêu chí khơng thể thiếu thiết kế anten Trong lĩnh vực nghiên cứu này, anten có khả cấu hình lại (reconfigurable antenna) nhận quan tâm lớn đáp ứng hầu hết yêu cầu trên: thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, dễ gia cơng có giá thành phải [1] - [3] Anten cấu hình lại thường chia thành bốn nhóm lớn tùy theo khả điều chỉnh nó: anten cấu hình lại tần số, phân cực, đồ thị phát xạ cuối anten có khả cấu hình tổng hợp [4] Để tạo nên thay đổi trên, anten thường có hỗ trợ linh kiện điện tử Các linh kiện thường dùng PIN diode, công tắc MEMS, varactor, … Mỗi loại linh kiện có ưu nhược điểm riêng phù hợp với nhóm anten cấu hình lại Varactor có khả thay đổi điện dung C, điều có lợi cho việc thay đổi tần số hoạt động anten Tuy nhiên, giá thành varactor cao lợi trường hợp cần thay đổi hai mức TẮT MỞ ta khơng dùng hết hiệu Ngồi ra, cơng tắc MEMS linh kiện thường sử dụng lĩnh vực MEMS có độ suy hao lắp đặt (insertion loss) nhỏ, có hệ số phẩm chất cao đặc biệt có độ suy hao cơng suất (power loss) thấp Mặc dù vậy, MEMS Hình Mơ hình anten có nhược điểm cần mạch cấp nguồn công suất cao phức tạp, đồng thời MEMS cần thời gian chuyển mạch lớn nên khiến hiệu suất hoạt động qua lại chức anten giảm xuống Đặc biệt, cần sử dụng để chuyển đổi chế độ hoạt động anten PIN diode linh kiện hữu ích [5] PIN diode 55 Ld = 21.5mm Ld = 23.5mm Ld = 25.5mm |S11| (dB) -5 -10 -15 -20 2.0 Hình Mơ hình anten khơng có mạch cấp nguồn PIN diode 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 2.9 3.0 Frequency (GHz) -5 Ld = 21.5mm Ld = 23.5mm Ld = 25.5mm AR (dB) |S11| (dB) 12 w = 0.6mm w = 0.8mm w = 1mm -10 -15 -20 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.0 3.0 Frequency (GHz) 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Frequency (GHz) Hình S11 AR thay đổi chiều dài Ld anten lưỡng cực nối với nguồn cấp thông qua PIN diode giúp thay đổi chiều trường điện chế độ TẮT MỞ khác PIN diode, từ thay đổi loại phân cực tròn Anten thiết kế cho hoạt động tốt 2.4 GHz Ngoài ra, bên anten có mặt ground giúp tăng độ lợi cho anten anten lưỡng cực thường có độ lợi thấp 12 AR (dB) w = 0.6mm w = 0.8mm w = 1mm II MƠ HÌNH ANTEN Mơ hình cặp anten lưỡng cực miêu tả Hình Anten chế tạo lớp đế Rogers RO4003 (εr = 3.38 tan δ = 0.0027) với độ dày 0.8128 mm Với việc lựa chọn lớp đế giúp anten hoạt động với hiệu suất tốt lớp đế có độ suy hao thấp, đồng thời anten nhỏ gọn chiết suất lớp đế lớn dẫn đến độ dài bước sóng anten giảm Anten cấu thành từ hai nửa anten lưỡng cực với chiều dài Ld = 23.5 mm chiều rộng Wd = 3.5 mm đặt vng góc với mặt Tương tự mặt dưới, hai nửa cịn lại có hình dạng tương tự tạo thành hai lưỡng cực hoàn chỉnh Hai nửa anten nối với thông qua đường dây có độ rộng w = 0.8 mm tạo độ trễ pha hai anten, từ giúp anten có phân cực trịn [9] 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 Frequency (GHz) Hình S11 AR thay đổi chiều rộng w đường dây nối có nguyên tắc hoạt động công tắc RF cho phép chuyển mức TẮT MỞ Tuy PIN diode có độ suy hao lắp đặt suy hao công suất cao với lợi giá thành rẻ nguyên lý hoạt động đơn giản đáp ứng cho anten có tần số thấp Hiện nay, nghiên cứu cho thấy ưu điểm anten có phân cực trịn vơ lớn so với anten có phân cực tuyến tính [6] – [8] Trường hợp khiến cho anten có phân cực tròn gặp vấn đề anten phát anten thu khác loại phân cực tròn (phân cực tròn trái phải) khiến cho chúng khơng thể nhận tín hiệu cho Để giải vấn đề trên, anten trình bày báo ứng dụng linh kiện PIN diode để giúp anten có khả cấu hình loại phân cực trịn Anten dùng cặp anten lưỡng cực có chiều dài nửa bước sóng đặt vng góc với Một cấp nguồn hình vng đặt nối với hai nửa anten thông qua PIN diode MADP-042305-13060 Anten cấp nguồn trực tiếp từ cáp đồng trục 50Ω với kích thước lớp điện mơi phù hợp với kích thước cấp nguồn Để điều khiển độc lập PIN diode với cần có thêm hai tụ điện có giá trị C = 100nF nằm đường dây nối hai nửa anten Để PIN diode hoạt động cần thiết kế mạch phân cực cho Trên nhánh lưỡng cực, cuộn cảm 100μH điện trở 180Ω 56 15 -3 12 |S11| AR -9 -12 AR (dB) |S11| (dB) -6 (a) -15 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 (b) Hình Chiều dịng điện DC khơng có ngăn cách (a) có tụ điện (màu đỏ) ngăn cách (b) 3.0 Frequency (GHz) Hình S11 AR anten hồn chỉnh trước có mạch cấp nguồn cho PIN diode Gain (dBi) With Ground Without Ground Hình Anten nối đất nối nguồn DC thông qua cuộn cảm -1 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 Frequency (GHz) Hình Độ lợi có khơng có lớp ground đặt anten dùng để nối PIN diode vào nguồn DC Vbias Để nối đất cho đầu lại PIN diode, hai cuộn cảm dùng liên tục từ ô cấp nguồn đường dây nối xuống đất Bên anten, lớp ground đủ lớn không gây ảnh hưởng đến thông số anten đặt khoảng cách xấp xỉ 0.25λ0 (λ0 bước sóng khơng gian tự tần số mong muốn có phân cực trịn) Cấu trúc miêu tả Hình với thơng số tối ưu hóa có giá trị sau: Lsubs = 26, Ld = 23.5, Wd = 3.5, Wf = 3, g = 1, w = 0.8, Hair = 35, Wground = 90, Wbias = 0.3 (đơn vị: mm) III ĐẶC TÍNH ANTEN Để loại bỏ nhược điểm anten phân cực tròn khơng nhận tín hiệu hai anten thu phát có loại phân cực trịn khác nhau, bốn PIN diode sử dụng giúp điều khiển anten có loại phân cực tròn trái hay phải tùy theo mong muốn Khi hoạt động, hai PIN diode anten lưỡng cực mặt mặt MỞ hai PIN diode anten lại TẮT Nguồn cấp trực tiếp vào anten có PIN diode MỞ, sau đó, áp thơng qua đường dây nối có độ dài xấp xỉ λ/4 cấp cho anten kia, làm cho áp anten bị trễ pha 900 Nhờ vậy, anten tạo nên phân cực trịn Do tính đối xứng, thay đổi trạng thái cho PIN diode anten phân cực tròn tạo ra, nhiên dòng điện chạy qua lại ngược với trường hợp trước khiến cho phân cực trịn theo hướng ngược lại Hình Mơ hình tương đương anten chế độ DC Studio để hiểu rõ nguyên lý hoạt động anten Trước tiên, anten thiết kế với cấu trúc mà khơng có mạch cấp nguồn cho PIN diode Hình để khảo sát đặc tính hoạt động thân anten Để mô TẮT MỞ PIN diode ta dùng mơ hình tương đương PIN diode Khi PIN diode tắt tương đương với tụ điện có giá trị Cp mở tương đương với điện trở Rp Các giá trị Cp Rp lấy dựa vào datasheet dòng PIN diode MADP-042XX5-13060 [10] Trong thông số cấu trúc anten, chiều dài anten lưỡng cực Ld chiều rộng w đường dây nối hai anten lưỡng cực vng góc định nhiều đến S11 tỷ số trục AR Hình miêu tà thay đổi S11 AR thông số w thay đổi Khi tăng chiều rộng w đường dây, tần số có tỷ số trục AR nhỏ anten dời tần số thấp giá trị AR Mơ hình anten thiết kế mơ sử dụng chương trình mơ trường điện từ CST Microwave 57 -2 -2 -4 -4 -6 -6 |S11| (dB) |S11| (dB) -8 -10 -8 -10 -12 -12 -14 -14 -16 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 -16 2.0 3.0 2.1 2.2 2.3 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 10 8 6 6 4 4 2 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 10 AR Gain 2.0 3.0 2.1 2.2 2.3 RHCP LHCP 330 30 2.7 2.8 2.9 3.0 330 LHCP RHCP 30 300 300 60 60 -10 -10 270 -20 90 270 90 -10 -10 240 240 120 120 0 10 2.6 10 -20 2.5 Frequency (GHz) Frequency (GHz) 10 2.4 Gain (dBi) 2.0 AR (dB) AR Gain Gain (dBi) 10 10 AR (dB) 2.4 Frequency (GHz) Frequency (GHz) 210 150 10 210 150 180 180 Hình 10 S11, AR, độ lợi độ lợi phân cực tròn trái/phải trường hợp PIN diode MỞ chiều x TẮT chiều y Hình 11 S11, AR, độ lợi độ lợi phân cực tròn trái/phải trường hợp PIN diode MỞ chiều y TẮT chiều x nhỏ giảm dần Tuy nhiên, chiều rộng w phần ảnh hưởng đến S11, cần chọn giá trị w cho phù hợp giúp cân S11 AR Với thông số chiều dài Ld anten lưỡng cực, chiều dài tăng tần số có AR thấp bị dời vùng tần số thấp Khi nhìn tổng qt Hình 4, nhận thay đổi Ld S11 tần số có AR thấp khơng bị ảnh hưởng nhiều Chính nhờ hai thơng số này, ta thiết kế anten có AR thấp 2.4 GHz S11 có giá trị -10dB, cụ thể -10.9dB Hình Ngồi ra, mơ hình anten, lớp kim loại ground đặt anten với mục đích tăng độ lợi anten dựa nguyên lý ảnh Theo Hình 6, lớp ground đặt cách anten khoảng gần 0.25λ0 (λ0 bước sóng khơng gian tự tần số mong muốn có phân cực trịn) độ lợi tăng cách đáng kể từ 1.4dBi lên đến gần 7.1dBi tần số 2.4 GHz Sau thiết kế hoàn thiện anten, bước cần tiến hành thiết kế mạch cấp nguồn DC cho PIN diode để gia công thực tế PIN diode hoạt động Một vấn đề đặt hai PIN diode mặt lớp đế hay mặt nối chung vào ô cấp nguồn, đồng thời đầu lại hai PIN diode nối vào hai cánh anten lưỡng cực vng góc Tuy nhiên, hai anten lại nối lại với qua đường dây trễ pha trình bày Nói cách ngắn gọn, hai PIN diode cấp nguồn đồng thời, đồng nghĩa với việc chúng chế độ TẮT MỞ giống liên tục dịng điện miêu tả Hình 7-a Điều ngược với điều ta mong muốn điều khiển độc lập cặp PIN diode Để tránh điều này, tụ điện sử dụng anten lưỡng cực giúp ngăn dòng DC chạy từ nhánh anten qua nhánh anten vng góc cịn lại thơng qua đường dây nối Việc lại thiết kế mạch phân cực DC cấp nguồn cho PIN 58 diode mà không ảnh hưởng đến hiệu hoạt động anten Đối với đường dây cấp nguồn Vbias, cuộn cảm điện trở sử dụng nhằm ngăn khơng cho dịng RF ngồi đường dây nguồn DC giúp tạo điện áp DC phù hợp giúp PIN diode hoạt động ổn định Ô cấp nguồn sử dụng để nối đất cho PIN diode Tuy nhiên, kích thước nhỏ nên cuộn cảm dùng để nối ô cấp nguồn với đường dây nối hai anten cách ly mặt DC với hai anten nhờ vào tụ điện Đường dây nối thông qua cuộn cảm nối xuống đất nhằm tránh dòng RF rị ngồi gây ảnh hưởng đến hoạt động anten Hình thể mạch tương đương chế độ DC giúp cấp nguồn cho PIN diode Các giá trị tụ điện cuộn cảm phải chọn cho gây ảnh hưởng đến hoạt động trường điện từ anten ACKNOWLEDGMENT Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số “103.05-2016.37” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Costantine, Y Tawk and C G Christodoulou, "Reconfigurable Antennas and Their Applications," in Handbook of Antenna Technologies, pp 1-30 [2] J Costantine, Y Tawk, S E Barbin and C G Christodoulou, "Reconfigurable Antennas: Design and Applications," Proceedings of the IEEE, vol 103, no 3, March 2015 [3] C G Christodoulou, Y Tawk, S A Lane and S R Erwin, "Reconfigurable Antennas for Wireless and Space Applications," Proceedings of the IEEE, vol 100, no 7, July 2012 [4] R L.Haupt and M Lanagan, "Reconfigurable Antennas," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol 55, no 1, February 2013 IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ANTEN [5] C A Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 1982 A Trường hợp tạo phân cực tròn trái Để tạo phân cực tròn trái, hai PIN diode đặt dọc theo chiều x mặt mặt MỞ, đồng thời hai PIN diode theo chiều y TẮT Kết mơ Hình 10 cho thấy anten có băng thơng S11 -10dB từ GHz đến 2.6 GHz tần số 2.4 GHz anten tạo phân cực tròn tốt với tỷ số trục AR 0.52 dB Với hỗ trợ lớp ground đặt anten, độ lợi tăng lên với giá trị 6.7dBi 2.4 GHz Dù độ lợi bị giảm so với trường hợp chưa có mạch cấp nguồn cho PIN diode độ giảm không đáng kể Dựa vào độ lợi phân cực trịn trái phải, khẳng định anten có phân cực trịn trái độ lợi phân cực tròn trái đạt 6.7dBi phân cực tròn phải đạt -20dBi [6] H H Tran, I Park and T K Nguyen, "Circularly Polarized Bandwidth-Enhanced Crossed Dipole Antenna with a Simple Single Parasitic Element," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, no 1, pp 1776-1779, 2017 [7] T K Nguyen, H H Tran and N N Trong, "A Wideband DualCavity-Backed Circularly Polarized Crossed Dipole Antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 3135-3138, 2017 [8] H H Tran, N N Trong, T K Nguyen and A M Abbosh, "Bandwidth Enhancement Utilizing Bias Circuit as Parasitic Elements in a Reconfigurable Circularly-Polarized Antenna," IEEE Antenna and Wireless Propagation Letter, vol 17, no 8, pp 15331537, 2018 [9] M F Bolster, "A new type of circular polarizer using crossed dipoles," IRE trans Microw Theory Tech., vol 9, pp 385 - 388, 1961 [10] M/A-COM Techonology Solution Inc., "MADP-042XX5-13060 B Trường hợp tạo phân cực tròn phải Tương tự trên, để tạo phân cực tròn phải, ta thực ngược lại: MỞ PIN diode chiều y TẮT chiều x Kết Hình 11 cho thấy S11, tỷ số trục AR độ lợi anten không thay đổi so với trường hợp trước Tuy nhiên lúc có thay đổi độ lợi phân cực tròn trái phải anten Độ lợi phân cực tròn trái trường hợp đạt -20dBi độ lợi phân cực tròn phải 6.7dBi Vậy anten thay đổi từ phân cực tròn trái sang phân cực tròn phải nhờ vào thay đổi trạng thái PIN diode Datasheet" V KẾT LUẬN Anten đề xuất báo giúp giải nhược điểm phân cực tròn Anten có cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo có giá thành rẻ Bài báo cho thấy mạnh linh kiện điện tử, cụ thể PIN diode dùng việc chế tạo anten Nó giúp tạo nên anten có độ linh hoạt cao tăng mạnh tính ứng dụng anten Thiết kế cuối cho băng thông S11 trải từ GHz đến 2.6 GHz với tỷ số trục AR đạt 0.52dB tần số 2.4 GHz tạo nên phân cực trịn tốt tần số Với việc thay đổi chế độ hoạt động PIN diode, anten thay đổi phân cực tròn trái phải với thông số S11 AR không đổi Điều giúp anten hoạt động ổn định loại phân cực trịn Ngồi ra, anten cịn sử dụng lớp ground giúp anten đạt độ lợi 6.7dBi 2.4 GHz Đây điểm mạnh cấu trúc giúp loại bỏ nhược điểm độ lợi thấp thân anten lưỡng cực 59 ... lúc có thay đổi độ lợi phân cực tròn trái phải anten Độ lợi phân cực tròn trái trường hợp đạt -20dBi độ lợi phân cực tròn phải 6.7dBi Vậy anten thay đổi từ phân cực tròn trái sang phân cực tròn. .. diode để giúp anten có khả cấu hình loại phân cực tròn Anten dùng cặp anten lưỡng cực có chiều dài nửa bước sóng đặt vng góc với Một cấp nguồn hình vng đặt nối với hai nửa anten thông qua PIN diode... hai anten thu phát có loại phân cực tròn khác nhau, bốn PIN diode sử dụng giúp điều khiển anten có loại phân cực tròn trái hay phải tùy theo mong muốn Khi hoạt động, hai PIN diode anten lưỡng cực