Anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu ứng dụng cho thông tin vô tuyến nhận thức

Bài báo đề xuất một cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode nhằm tạo ra hai cấu hình có thể ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối. Để giảm nhỏ kích thước của anten PIFA tái cấu hình theo tần số, cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất được cải tiến bằng cách ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu ở mặt phẳng bức xạ. Anten đề xuất tích hợp cấu trúc CSRR có thể hoạt động ở hai cấu hình tần số khác nhau, 1,9 GHz và 2,1 GHz, với hệ số tăng ích cực đại lần lượt là 2,07 dBi và 2,18 dBi. Mời các bạn cùng tham khảo!

Anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu ứng dụng cho thông tin vơ tuyến nhận thức Hồng 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 cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode nhằm tạo hai cấu hình ứng dụng thiết bị đầu cuối Để giảm nhỏ kích thước anten PIFA tái cấu hình theo tần số, cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất cải tiến cách ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu mặt phẳng xạ Anten đề xuất tích hợp cấu trúc CSRR hoạt động hai cấu hình tần số khác nhau, 1,9 GHz 2,1 GHz, với hệ số tăng ích cực đại 2,07 dBi 2,18 dBi Với việc tích hợp cấu trúc CSRR, kích thước anten giảm 15,5% so với kích thước cấu trúc anten ban đầu Anten ứng dụng cho LTE 1,9 GHz 2,1 GHz thông tin vô tuyến nhận thức Keywords— Anten tái cấu hình, PIFA tái cấu hình, siêu vật liệu, CSRR I GIỚI THIỆU Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi, thiết bị thu phát cần có khả thay đổi tham số nhằm thích nghi với môi trường kênh Hơn nữa, vấn đề hạn chế phổ tần vô tuyến thách thức điều kiện thiết bị ứng dụng khơng dây phát triển cách nhanh chóng Vơ tuyến thơng minh nói chung vơ tuyến nhận thức nói riêng (Cognitive Radio - CR) đề xuất để giải vấn đề hiệu phổ tần, thích nghi với thay đổi môi trường kênh vô tuyến nhận ý ngày cao năm gần Trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức, anten tái cấu hình theo tần số thành phần thiếu [1] Khái niệm anten tái cấu hình theo tần số đời từ lâu với khả anten tự thay đổi tần số cộng hưởng Việc tái cấu hình thực nhiều kỹ thuật khác sử dụng chuyển mạch điện tử gồm RF-MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN điốt, điốt biến dung, sử dụng chuyển mạch quang [2] Trong đó, điốt PIN sử dụng phổ biến giá thành rẻ, tốc độ chuyển mạch cao [3] Mặc dù nghiên cứu anten tái cấu hình đạt nhiều thành tựu đáng kể [3], [4], [5], [6]–[8], nhà nghiên cứu nước tiếp tục nghiên cứu anten tái cấu hình nhằm đề xuất kỹ thuật tái cấu hình, cấu trúc anten tái cấu hình nhằm cải thiện tham số anten, chẳng hạn tăng hiệu suất xạ, cải thiện băng thông đặc biệt giảm nhỏ kích thước anten cho ứng dụng cho thiết bị đầu cuối Vấn đề giảm nhỏ kích thước cho anten nói chung, khơng riêng anten tái cấu hình theo tần số, nhà nghiên cứu giới quan tâm Anten tái cấu hình thiết kế bắt nguồn từ cấu trúc anten truyền thống anten hình nơ [9], anten đơn cực [10], [11], anten xoắn ốc [12], anten PIFA (Planar Inverted-F Antenna) [13] Trong đó, để ứng dụng cho thiết bị đầu cuối anten PIFA sử dụng phổ biến ưu điểm gồm cấu trúc gọn nhẹ, chi phí thấp, hệ số hấp thụ đặc trưng SAR (Special Absolution Rate) thấp [14] Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu anten PIFA tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho thiết bị cầm tay [13]–[15] Các cơng trình cơng bố có kích thước nhỏ gọn không sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Áp dụng nguyên lý siêu vật liệu để giảm kích thước cho anten nói chung anten tái cấu hình nói riêng nghiên cứu từ vài năm gần [11], [16]–[18] Tuy nhiên, theo khảo sát tác giả chưa thấy cơng trình nghiên cứu việc giảm nhỏ kích thước cho anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Bài báo đề xuất anten PIFA tái cấu hình theo tần số hai cấu hình với tần số cộng hưởng cấu hình 2,1 GHz 2,4 GHZ, ứng dụng cho LTE 2,1 GHz WiFi Hệ số tăng ích cực đại anten đạt 2,41 dBi 3,87 dBi hai cấu hình Anten có kích thước tổng gồm mặt phẳng đất 38 𝑚𝑚 × 38 𝑚𝑚 × 𝑚𝑚 kích thước phần tử xạ 24 𝑚𝑚 × 28 𝑚𝑚 Dựa cấu trúc này, cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu, cụ thể cấu trúc CSRR (Complementary Split Ring Resonator), thiết kế cho ứng dụng LTE 1,9 GHz 2,1 GHz cho thơng tin vơ tuyến nhận thức kích thước tổng anten khơng thay đổi Hay nói cách khác, kích thước anten giảm 15,5 % so với cấu trúc anten tần số không sử dụng cấu trúc nguyên lý siêu vật liệu Anten tái cấu hình theo tần số tích hợp cấu trúc CSRR có kích thước nhỏ gọn lúc đạt hệ số tăng ích 2,07 dBi cấu hình tần số 1,9 GHz 2,18 dBi cấu hình tần số 2,1 GHz Khi tần số thay đổi hai cấu hình, dạng đồ thị xạ anten gần không thay đổi Các phần sau báo sau: phần II trình bày thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng điốt PIN cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số cải tiến cách sử dụng cấu trúc CSRR; cuối phần kết luận báo 235 cực Điốt sử dụng thiết kế SMP1345 PIN, có dải tần hoạt động từ 10 MHz đến GHz, hoàn toàn phù hợp tần số thiết kế có sơ đồ mạch tương đương hình Việc mơ thực dựa kết hợp CST Microwave Studio CST Design để khảo sát ảnh tham số điốt ảnh hưởng đến hoạt động anten II THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG ĐIỐT PIN II.1 Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điốt PIN (a) (b) Hình 2: Sơ đồ tương đương điốt trạng thái: (a) ON (bật), (b) OFF (ngắt) (b) |S11| (a) (c) Hình Cấu trúc anten RPIFA (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới, (c) 3D Đầu tiên, anten PIFA hoạt động tần số cố định 2,4 GHz Kích thước tổng anten tính tốn theo cơng thức (1) sau tối ưu phần mềm CST [4]: 𝑐 𝑓𝑟 = (1) 4(𝑊+𝐿) đó: fr tần số cộng hưởng 2,4 GHz (Hz) c: vận tốc ánh sáng không gian tự (m/s) W, L: chiều rộng dài phần tử xạ (m) Anten dựa cấu trúc PIFA truyền thống, anten bao gồm mặt phẳng đất mặt phẳng xạ có kích thước 24 × 𝑚𝑚 lớp đế điện môi Rogers RT5880 với  = 2,2, chiều dày đế điện ℎsub= 0,8 𝑚𝑚 Mặt phẳng đất có kích thước 38 × 38 𝑚𝑚 với độ cao anten 𝑚𝑚 Giữa mặt phẳng xạ mặt phẳng đất nối với kim loại ngắn mạch Tiếp theo, để tạo anten PIFA tái cấu hình theo tần số, mặt phẳng đất xẻ rãnh Rãnh mặt phẳng đất nối ngắt thông qua chuyển mạch điốt PIN Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất hình Anten tái cấu hình theo tần số cách thay đổi trạng thái cảu chuyển mạch điốt ON OFF Trạng thái điốt điều khiển nguồn chiều bên anten Điốt tích hợp cạnh mặt phẳng đất để nguồn cung cấp, mạch phân cực cho điốt ảnh hưởng đến hoạt động anten Cực anote điốt nối với mặt phẳng đất thông qua tụ điện C nhằm ngăn dòng chiều hai Tần số (GHz) Hình Kết mơ tham số |S11| anten tái cấu hình tần số sử dụng Bằng cách sử dụng điốt, anten hoạt động hai trạng thái khác phụ thuộc vào trạng thái điốt Khi điốt trạng thái ON, tần số cộng hưởng anten gần tần số anten truyền thống ban đầu thiết kế chưa xẻ rãnh Khi điốt trạng thái OFF, tần số cộng hưởng anten dịch xuống khe xẻ rãnh làm tăng chiều dài điện anten Kết mơ tham số S11 biểu diễn hình Từ đồ thị hình cho thấy, anten hoạt động cấu hình với hai tần số cộng hưởng khác Khi điốt trạng thái ON, anten cộng hưởng tần số trung tâm 2,45 GHz với băng thông đạt 250 Mz (từ 2,37 GHz đến 2,52 GHz) Ở trạng thái thứ 2, điốt OFF, anten chuyển sang cấu hình tần số 2,1 GHz với băng thông đạt 100 MHz (từ 2,03 GHz đến 2,13 GHz) Băng thông anten tính với tham số |S11| < -10 dB Hình hình biểu diễn kết mơ đồ thị xạ 3D 2D mặt phẳng XZ YZ anten hai cấu hình khác Từ kết mô đồ thị xạ anten cho thấy, hai cấu hình, đồ thị xạ gần không thay đổi Hệ số tăng ích cực đại hai cấu hình cao, đạt 2,41 dBi tần số 2,1 GHz 3,87 dBi tần số 2,4 GHz 236 Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất sử dụng cấu trúc CSRR với mặt phẳng xạ hình Tần số cộng hưởng cho công thức (2) [1] 𝑓0 = 2𝜋√𝐿𝑟 𝐶𝑟 (2) đó, 𝐶𝑟 đặc trưng mặt kim loại bao quanh lớp đất, độ tự cảm 𝐿𝑟 tính tốn tương đương với cấu trúc CPW với kích thước 4𝑎, độ rộng băng 𝑔 độ rộng khe 𝑐 Tuy nhiên, việc tính tốn theo cơng thức phúc tạp Kích thước tổng anten khơng thay đổi kích thước hình học CSRR tối ưu phần mềm CST với tần số cộng hưởng chọn xấp xỉ GHz, ứng dụng cho hai cấu hình tần số 1,9 GHz 2,1 GHz Kích thước hình học cấu trúc CSRR với giá trị sau: 𝑎 = 18 𝑚𝑚, 𝑏 = 𝑚𝑚, 𝑐 = 𝑚𝑚, 𝑑 = 𝑚𝑚, 𝑔 = 𝑚𝑚 Anten sử dụng chuyển mạch điốt để tái cấu hình tần số Hình 4: Kết mô đồ thị xạ 3D D (mặt phẳng XY XZ) tần số f= 2,1 GHz (Mặt phẳng đất) Hình 5: Kết mô đồ thị xạ 3D D (mặt phẳng XY XZ) 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 đạt hai cấu hình tần số hoạt động với hệ số tăng ích tương đối tốt Tuy nhiên, kích thước anten so với cơng trình cơng bố cịn lớn ứng dụng cho thiết bị đầu cuối Để tiếp tục giảm kích thước cho anten trên, cấu trúc theo nguyên lý siêu vật liệu áp dụng vào anten để giảm kích thước Hay nói cách khác, phần tiếp tục đề xuất cấu trúc anten tái cấu hình ứng dụng ngun lý siêu vật liệu với kích thước tổng anten đề xuất phần I.1, tần số cộng hưởng giảm từ 2,1 GHz 2,4 GHz xuống để ứng dụng cho LTE 1,9 GHz 2,1 GHz Điều tương đương với kích thước anten giảm 15,5% Mặt phẳng xạ anten đề xuất chèn cấu trúc CSRR hay gọi vòng chia cộng hưởng có khe rãnh hình b (a) (b) Hình 6: (a) Cấu trúc CSRR (b) sơ đồ tương đương [1] Hình Mặt phẳng xạ anten PIFA tái cấu hình sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Kết mô tham số |S11| biểu diễn hình cho thấy, anten hoạt động hai cấu hình tần số khác với tần số cộng hưởng 1,9 GHz điốt trạng thái OFF 2,1 GHz điốt trạng thái ON Băng thông anten đạt 78 MHz cấu hình tần số 1,9 GHz 52 MHz cấu hình tần số 2,1 GHz Như vậy, rõ ràng tích hợp cấu trúc CSRR tần số hoạt động anten giảm, hay nói cách khác giảm kích thước anten Với cấu trúc này, anten cộng hưởng tốt với tham số |S11| giảm tới -35 dB cấu hình thứ -25 dB cấu hình thứ Tuy nhiên, nhược điểm thiết kế đề xuất băng thông anten giảm sử dụng cấu trúc CSRR 237 |S11| cộng hưởng trung tâm 1,9 GHz 2,1 GHz Đồ thị xạ hai cấu hình gần khơng thay đổi với hệ số tăng ích cực đại 2,07 dBi 2,18 dBi Anten có kích thước nhỏ gọn, vị trí điốt chọn thuận lợi cho việc cấp nguồn chiều cho chuyển mạch hoạt động Một hạn chế thiết kế đề xuất anten có băng thơng hẹp, nhược điểm chung anten PIFA Trong tương lai, cấu trúc anten tiếp tục nghiên cứu để cải tiến băng thông phương pháp xẻ rãnh mặt phẳng đất, đồng thời tiến hành chế tạo, đo kiểm đánh giá so sánh với kết mô để kiểm chứng với thiết kế đề xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Tần số (GHz) Hình Kết mơ tham số |S11| anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng cấu trúc CSRR [3] Hình hình 10 biểu diễn đồ thị xạ 3D đồ thị mặt phẳng XY, XZ anten hai cấu hình tần số 1,9 GHz 2,0 GHz Kết mơ cho thấy hai cấu hình có đồ thị gần tương đương Ở cấu hình tần số 1,9 GHz, hệ số tăng ích cực đại anten đạt 2,07 dBi cấu hình tần số 2,1 GHz đạt 2,18 GHz Do tần số thiết kế giảm so với thiết kế trình bày mục II.1 hệ số tăng ích anten giảm hoàn toàn hợp lý [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Hình Kết mơ đồ thị xạ với f=1,9 GHz [12] [13] [14] [15] Hình 10 Kết mơ đồ thị xạ với f=2,1 GHz [16] IV KẾT LUẬN Bài báo đề xuất cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Các cấu trúc CSRR tích hợp vào mặt phẳng xạ anten PIFA giúp giảm kích thước anten Anten sử dụng chuyển mạch điốt PIN để đạt hai cấu hình tần số khác với tần số [17] [18] 238 J T Bernhard, Reconfigurable Antennas the Morgan & Claypool Publishers, 2007 YevHen Yashchyshyn, “Reconfigurable Antennas: the State of the Art,” Intl J Electron Telecommun., vol 56, no 3, pp 319–326, 2010 A G and M M H Saida Ibnyaich, “Development of Wideband Planar Inverted-F Antennas for Wireless Application,” J Comput Sci., vol (8), pp 1172–1177, 2011 J Costantine, “Design, Optimization and Analysis of Reconfigurable Antennas,” 2009 R Carrel, “The design of log-periodic dipole antennas,” in IRE International Convention Record, vol 9, pp 61–75 H.-Y Li, C.-T Yeh, J.-J Huang, C.-W Chang, C.-T Yu, and J.-S Fu, “CPW-Fed Frequency-Reconfigurable Slot-Loop Antenna With a Tunable Matching Network Based on Ferroelectric Varactors,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 14, pp 614–617, 2015 Y Sung, “Compact quad-band reconfigurable antenna for mobile phone applications,” Electron Lett., vol 48, no 16, pp 977–979, Aug 2012 A Tariq and H Ghafouri-Shiraz, “Frequency-Reconfigurable Monopole Antennas,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 60, no 1, pp 44–50, Jan 2012 T Li, H Zhai, X Wang, L Li, and C Liang, “FrequencyReconfigurable Bow-Tie Antenna for Bluetooth, WiMAX, and WLAN Applications,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 14, pp 171–174, 2015 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 J Y S. ; C S. ; Y M M Antar, “Compact SRR loaded UWB circular monopole antenna with reconfigurable characteristics,” Usn Radio Sci Meet (Joint with AP-S Symp., 2013 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 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 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 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/mWiMAX/WLAN,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 58, no 7, pp 2404–2411, Jul 2010 Z.-L L X.-X Y G.-N Tan, “A Multidirectional PatternReconfigurable Patch Antenna With CSRR on the Ground,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 16, pp 416–419, 2016 Author(s) and J C. ; S Lim, “Frequency reconfigurable metamaterial resonant antenna,” Asia Pacific Microw Conf., 2009 A E Z. ; M A Abdalla, “Compact single/multi bands frequency reconfigurable antenna using PIN diode controlled meta-surface,” 2017 IEEE Int Symp Antennas Propag Usn Natl Radio Sci Meet., 2017  ... đất) Hình 5: Kết mơ đồ thị xạ 3D D (mặt phẳng XY XZ) 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 đạt hai cấu hình tần số hoạt... báo đề xuất cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Các cấu trúc CSRR tích hợp vào mặt phẳng xạ anten PIFA giúp giảm kích thước anten Anten sử dụng chuyển... tham số |S11| anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng cấu trúc CSRR [3] Hình hình 10 biểu diễn đồ thị xạ 3D đồ thị mặt phẳng XY, XZ anten hai cấu hình tần số 1,9 GHz 2,0 GHz Kết mô cho thấy