Ăng-ten đa băng tần sử dụng với mạch tích hợp LR1110 trong ứng dụng định vị đa môi trường

Bài viết này trình bày một ăng-ten ba băng tầng với cấu trúc 2 mảnh FR4 đặt vuông góc với nhau, ăng-ten hoạt động được ở 3 dải tần là 0.868 GHz, 1.575 GHz và 2.4 GHz, những dải tần này phù hợp với các công nghệ truyền thông LoRa, GPS/GNSS và WiFi/BLE.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Ăng-ten đa băng tần sử dụng với mạch tích hợp LR1110 ứng dụng định vị đa môi trường Trịnh Lê Huy∗ , Nguyễn Bình Phương† , Fabien Ferrero‡ ∗ Đại học Công nghệ Thông Tin, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam † Phịng Nghiên cứu Phát triển Sản phẩm, RFThings Co., LTD, Việt Nam ‡ Viện nghiên cứu LEAT, Đại học Côte d’Azur, Pháp Email: huytl@uit.edu.vn, phuongnb@rfthings.com.vn, Fabien.FERRERO@univ-cotedazur.fr Tóm tắt—Bài báo trình bày ăng-ten ba băng tầng với cấu trúc mảnh FR4 đặt vng góc với nhau, ăng-ten hoạt động dải tần 0.868 GHz, 1.575 GHz 2.4 GHz, dải tần phù hợp với công nghệ truyền thông LoRa, GPS/GNSS WiFi/BLE Kết mô ăng-ten cho thấy giá trị hệ số phản xạ nhỏ -10 dB cho dải tần 0.868 GHz 1.575 GHz nhỏ -6 dB cho dải tần 2.4 GHz Với kích thước tổng thể 0.14λ × 0.08λ (λ độ dài bước sóng tần số 0.868 GHz), ăng-ten sử dụng cho mục đích định vị theo dõi mơi trường nhà ngồi trời Từ khóa—Ăng-ten đa băng tần, định vị, LR1110, LoRa, GPS/GNSS, WiFi/BLE Hình 1: Cấu trúc ăng-ten đa băng tần I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, thuật ngữ IoT phổ biến rộng rãi lĩnh vực công nghệ thông tin truyền thông Một ứng dụng IoT nhận nhiều quan tâm định vị vị trí người vật thể [1] Để tăng độ linh hoạt thiết bị định vị sử dụng môi trường khác (trong nhà, ngồi trời), nhiều loại cơng nghệ tích hợp sử dụng đồng thời [2] Điều giúp hệ thống thu thập thêm nhiều thông tin liên quan đến vị trí, từ sử dụng lọc, thuật tốn để tăng độ xác q trình định vị Khi nhắc đến toán định vị, GPS/GNSS cơng nghệ nhắc đến nhiều cho ứng dụng trời [3], [4], [5], [6] Dựa vào thông tin nhận từ vệ tinh, sử dụng thêm thuật toán xử lý liệu, vị trí thiết bị xác định với độ xác cao Tuy nhiên, đường truyền từ thiết bị vệ tinh bị chắn, đặc biệt môi trường nhà, GPS/GNSS thường xuất nhiều sai số Có nhiều phương pháp để giải vấn đề này, đó, sử dụng thêm kỹ thuật bổ trợ WiFi Scan, BLE Scan đề xuất hiệu [7], [8], [9], [10] Việc tích hợp nhiều cơng nghệ vơ tuyến khác tạo thách thức to lớn việc thiết kế ăng-ten cho thiết bị Trong bối cảnh này, ba tiêu chí cần quan tâm kích thước, băng tần hiệu suất hoạt động [11] Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất thiết kế antenna đa băng tần hỗ trợ định vị nhà trời việc truyền tải liệu trạm sơ thông qua chuẩn giao tiếp không dây LoRa, WiFi, GSM [12], [13], [14], [15] Trong báo này, ăng-ten đa băng tần hoạt động với cơng nghệ LoRa, GPS/GNSS WiFi/BLE đề xuất để ứng dụng cho việc định vị tìm kiếm khơng mơi trường ngồi trời mà cịn mơi trường nhà Nhờ sử dụng cấu trúc vng góc, khoảng khơng gian chiếm chỗ ăng-ten giảm xuống đáng kể Với kích thước 0.14λ × 0.08λ, ăng-ten phù hợp với thiết bị cầm tay nhỏ gọn Điều giúp thiết bị đeo gắn hành lý, phương tiện giao thông động vật Phần mô tả thiết kế ăng-ten với thông số kích thước cụ thể Ngay sau đó, kết mơ ăng-ten trình bày với thảo luận đề xuất tích hợp chung với IC LR1110 Cuối cùng, báo kết thúc phần tóm tắt kết đạt ISBN 978-604-80-5958-3 173 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) II THIẾT KẾ ĂNG-TEN ĐA BĂNG TẦN Ăng-ten thiết kế để bao phủ ba dải tần số 0.868 GHz, 1.575 GHz 2.4 GHz Với dải tần 0.868 GHz, LoRa công nghệ giao tiếp khơng dây đáng ý Với đặc tính lượng tiêu thụ, khoảng cách giao tiếp, thiết bị theo dõi sử dụng cơng nghệ LoRa gửi liệu vị trí thu thập đến gateway khoảng cách xa với mức độ tiêu hao lượng tối thiểu Ngoài ra, kỹ thuật TDoA tích hợp trực tiếp IC dạng Ranging Engine hỗ trợ định vị ngồi trời thay GPS/GNSS nơi khơng có tầm nhìn thẳng từ thiết bị đến vệ tinh Mặt khác, trường hợp thiết bị đặt nhà, dải tần 2.4 GHz phù hợp cho việc định vị kỹ thuật WiFi Scan/BLE Scan Theo thống kê cho thấy, hầu hết khu vực thành thị có điểm truy cập WiFi (APs), sử dụng thuật tốn so sánh cường độ tín hiệu phát từ APs để tính tốn vị trí thiết bị ứng dụng rộng rãi thực tế Đặc biệt, dải tần số 2.4 GHz, bên cạnh cơng nghệ WiFi/BLE có khả hỗ trợ xác định vị trí Nhìn chung, ăng-ten đề xuất bao phủ băng tần LoRa (0.863 GHz đến 0.868 GHz) Băng tần GPS/GNSS (1.563 GHz đến 1.587 GHz) băng tần WiFi/BLE (2.4 GHz đến 2.48 GHz) giải pháp hợp lý cho thiết bị định vị đa mơi trường Mơ tả đặc tính công nghệ LoRa, GPS/GNSS, WiFi/BLE thể [16], [17], [18], [19], dựa vào báo triển khai công nghệ dải tần phù hợp cho nhu cầu định vị môi trường khác Bảng I thể đặc tính dải tần sử dụng báo (a) Phần tử phát xạ tần số 868 MHz (b) Phần tử phát xạ kí sinh Bảng I: Đặc tính công nghệ Dải tần Phạm vi Sai số Xuyên tường Năng lượng Chi phí LoRa 868 MHz 5Km 3-20m Cao Thấp Thấp GPS/GNSS 1.575 GHz Toàn cầu 1-30m Thấp Thấp Thấp WiFi 2.4 GHz BLE 2.4 GHz 100m 1-10m Trung bình Cao Thấp 30m 1-5m Thấp Thấp Thấp Dựa nghiên cứu trình bày [20], với phương pháp đặt phần tử xạ vng góc với mặt phẳng đất giúp giảm kích thước tổng thể toàn ăng-ten mà đảm bảo hiệu suất độ rộng băng tần Dựa ý tưởng này, cấu trúc ăng-ten trình bày Hình Về bản, antenna bao gồm phần chính, phần tử phát xạ (radiating element), phần tử cấp nguồn (feeding element) mặt phẳng đất (ground plane) Phần tử phát xạ đặt vng góc đầu mặt phẳng đất hàn trực tiếp với ISBN 978-604-80-5958-3 174 (c) Các phần tử ghép nối điện dung Hình 2: Nguyên lý hoạt động ăng-ten đa băng tần phần tử cấp nguồn Phần tử cấp nguồn đặt song song khu vực trống mặt phẳng đất Tấm phần tử tương đối dày với mục đích đảm bảo băng thơng ăng-ten ba dải tần số Phần tử nối với ngõ IC LR1110 thông qua Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) cuộn cảm để phối hợp trở kháng nối với mặt phẳng đất thông qua via Thiết kế ăng-ten dựa cấu trúc IFA (Inverted F Antenna) với chiều dài tổng thể phần tử xạ có kích thước tương ứng với phần tư bước sóng tần số thấp 868 MHz khoảng 87mm (Hình 2a) Tần số cộng hưởng tần số 868 MHz có hài bậc tương ứng với tần số 1.76 GHz Do để tinh chỉnh cho tần số cộng hưởng băng tần GPS/GNSS, phần tử kí sinh thêm vào (Hình 2b) Phần tử vừa đóng vai trị dịch chuyển tần số cộng hưởng từ 1.76 GHz xuống 1.575 GHz hỗ trợ phối hợp trở kháng để antenna đạt hệ số phản xạ -10 dB cho toàn băng tần Cuối cùng, tần số cộng hưởng 2.4 GHz hình thành nhờ vào tính chất ghép nối điện dung (capacitive coupling) trình bày Hình 2c Về chiều dài khoảng cách phần tử quy định tần số hoạt động ăng-ten băng tần cao (a) Hình chiếu ăng-ten (b) Hình chiếu phần tử phát xạ Hình 3: Kích thước chi tiết ăng-ten theo đơn vị mm Kích thước chi tiết ăng-ten tính milimét trình bày cụ thể Hình Về bản, ăng-ten có kích thước tổng thể 48mm x 27mm, in lớp FR4 Epoxy có số điên mơi 4.4 and hệ số suy hao 0.02 Tấm phần tử phát xạ mặt phẳng đất có độ dày 0.8 mm, phần tử cấp nguồn có độ dày 3.2 mm Nhờ vào việc kết hợp đường vi dải phần tử phát xạ, ăng-ten có tần số cộng hưởng khác băng tần 0.868 GHz, 1.575 GHz 2.4 GHz ISBN 978-604-80-5958-3 175 Hình 4: Hệ số phản xạ mơ ăng-ten III KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Kết mơ trình bày Hình Đường cong biểu hệ số phản xạ ăng-ten Các hình chữ nhật dọc Hình thể băng thông cần thiết LoRa, GPS/GNSS WiFi/BLE Chúng nhận thấy tất tần số băng thơng có return loss nhỏ -6 dB dải tần 2.4 GHz -10 dB cho dải tần 1.575 GHz 0.868 GHz Với kết đo đạt được, bo mạch thiết kế cho IC LR1110 sử dụng ba băng tần đề xuất cho ứng dụng định vị đa mơi trường (Hình 5) IC tích hợp sẵn công nghệ định vị GPS/GNSS cho ứng dụng định vị ngồi trời Khi tín hiệu nhận từ vệ tinh bị suy giảm thiết bị di chuyển vào môi trường nhà khu vực khuất tầm nhìn từ vệ tinh, thuật tốn RSSI cho kỹ thuật WiFi Scan/BLE Scan [21] băng tần 2.4 GHz kích hoạt Ngồi ra, việc sử dụng thuật tốn TDoA dựa công nghệ LoRa [22] cân nhắc để tăng độ xác định vị IC LR1110 có ba ngõ tín hiệu băng tần LoRa, GPS/GNSS, WiFi/BLE, nhiên ăng-ten có ngõ vào, vậy, việc sử dụng thêm IC SP3T để kết nối cần thiết Cụ thể hơn, ba đầu vào IC SP3T ngõ cao tần LoRa, GPS/GNSS, WiFi/BLE từ LR1110, đầu IC SP3T nối đến phần tử cấp nguồn ăng-ten Nhiệm vụ IC SP3T chuyển đổi qua lại dải tần thiết bị cần sử dụng tác vụ liên quan Hình mô tả sơ đồ nguyên lý mạch IV KẾT LUẬN Tóm lại, báo trình bày thiết kế ăngten đa băng tần bo mạch mô chúng Ăng-ten hoạt động băng tần 0.868 MHz Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Hình 5: Thiết bị mẫu sử dụng IC LR1110 ăng-ten đề xuất Hình 6: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ngõ vào IC LR1110 cho LoRa, 1.575 GHz cho GPS/GNSS 2.4 GHz cho WiFi/BLE Nhờ tính chất này, thiết bị di động có kích thước bé, có khả hỗ trợ nhiều công nghệ không dây khác đề xuất Hơn nữa, nhờ vào việc sử dụng kỹ thuật TDoA LoRa, kỹ thuật RSSI Scan WiFi/BLE GPS/GNSS để đưa hệ thống định vị cho mơi trường ngồi trời nhà LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khn khổ Đề tài mã số C2021-26-05 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Ghorpade, M Zennaro, and B Chaudhari, “Survey of localization for internet of things nodes: Approaches, challenges and open issues,” Future Internet, vol 13, no 8, 2021 ISBN 978-604-80-5958-3 176 [2] M Yassin and E Rachid, “A survey of positioning techniques and location based services in wireless networks,” in 2015 IEEE International Conference on Signal Processing, Informatics, Communication and Energy Systems (SPICES), 2015, pp 1–5 [3] D Perea-Strom, A Morell, J Toledo, and L Acosta, “Gnss integration in the localization system of an autonomous vehicle based on particle weighting,” IEEE Sensors Journal, vol 20, no 6, pp 3314–3323, 2020 [4] L.-T Hsu, H Tokura, N Kubo, Y Gu, and S Kamijo, “Multiple faulty gnss measurement exclusion based on consistency check in urban canyons,” IEEE Sensors Journal, vol 17, no 6, pp 19091917, 2017 [5] M Schreiber, H Kăonigshof, A.-M Hellmund, and C Stiller, “Vehicle localization with tightly coupled gnss and visual odometry,” in 2016 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), 2016, pp 858–863 [6] H Jung, J.-H Park, and H.-Y Jeong, “Experimental assessment of gnss-based vehicle positioning accuracy using 3-d slam reference,” in 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Fall), 2019, pp 1–2 [7] S Sadowski and P Spachos, “Comparison of rssi-based indoor localization for smart buildings with internet of things,” in 2018 IEEE 9th Annual Information Technology, Electronics and Mobile Communication Conference (IEMCON), 2018, pp 24– 29 [8] U M Qureshi, Z Umair, and G P Hancke, “Indoor localization using wireless fidelity (wifi) and bluetooth low energy (ble) signals,” in 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2019, pp 2232–2237 [9] R Kaewpinjai, T Chuaubon, and A Apavatjrut, “On improving indoor navigation accuracy using bluetooth beacons,” in 2020 17th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2020, pp 727–730 [10] S G Obreja and A Vulpe, “Evaluation of an indoor localization solution based on bluetooth low energy beacons,” in 2020 13th International Conference on Communications (COMM), 2020, pp 227–231 [11] A Nella and A S Gandhi, “A survey on microstrip antennas for portable wireless communication system applications,” in 2017 International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI), 2017, pp 2156–2165 [12] L Trinh, M Le, N Truong, and F Ferrero, “Compact diversity multi-band antennas using for low power communication standards,” in 2018 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2018, pp 61–64 [13] L Lizzi, F Ferrero, P Monin, C Danchesi, and S Boudaud, “Design of miniature antennas for iot applications,” in 2016 IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), 2016, pp 234–237 [14] Y Li, X Tang, Y Yu, W Shi, and G Yang, “A triple-band hybrid-mode gps/wlan antenna for smart phone with full metal housing,” in 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2017, pp 759–760 [15] A Basit, M I Khattak, A R Sebak, A B Qazi, and A A Telba, “Design of a compact microstrip triple independently controlled pass bands filter for gsm, gps and wifi applications,” IEEE Access, vol 8, pp 77 156–77 163, 2020 [16] C T Nguyen, Y M Saputra, N V Huynh, N.-T Nguyen, T V Khoa, B M Tuan, D N Nguyen, D T Hoang, T X Vu, E Dutkiewicz, S Chatzinotas, and B Ottersten, “A comprehensive survey of enabling and emerging technologies for social distancing—part i: Fundamentals and enabling technologies,” IEEE Access, vol 8, pp 153 479–153 507, 2020 [17] Y Kırka˘gac and M Do˘gruel, “Performance criteria based comparative analysis of indoor localization technologies,” in 2018 26th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU), 2018, pp 1–4 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) [18] W San-Um, P Lekbunyasin, M Kodyoo, W Wongsuwan, J Makfak, and J Kerdsri, “A long-range low-power wireless sensor network based on u-lora technology for tactical troops tracking systems,” in 2017 Third Asian Conference on Defence Technology (ACDT), 2017, pp 32–35 [19] X Li, X Zhang, K Chen, and S Feng, “Measurement and analysis of energy consumption on android smartphones,” in 2014 4th IEEE International Conference on Information Science and Technology, 2014, pp 242–245 [20] K Nguyen, B L G Jonsson, F Ferrero, and L Lizzi, “On limitation of impedance bandwidth for integrated antennas in mobile terminals with narrow clearance,” in 2021 15th European ISBN 978-604-80-5958-3 177 Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2021, pp 1–5 ˇ [21] M Cavojský, M Uhlar, M Ivanis, M Molnar, and M Drozda, “User trajectory extraction based on wifi scanning,” in 2018 6th International Conference on Future Internet of Things and Cloud Workshops (FiCloudW), 2018, pp 115–120 [22] N Podevijn, J Trogh, A Karaagac, J Haxhibeqiri, J Hoebeke, L Martens, P Suanet, K Hendrikse, D Plets, and W Joseph, “Tdoa-based outdoor positioning in a public lora network,” in 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), 2018, pp 1–4  ... GHz Với kết đo đạt được, bo mạch thiết kế cho IC LR1110 sử dụng ba băng tần đề xuất cho ứng dụng định vị đa mơi trường (Hình 5) IC tích hợp sẵn cơng nghệ định vị GPS/GNSS cho ứng dụng định vị. .. dải tần phù hợp cho nhu cầu định vị môi trường khác Bảng I thể đặc tính dải tần sử dụng báo (a) Phần tử phát xạ tần số 868 MHz (b) Phần tử phát xạ kí sinh Bảng I: Đặc tính cơng nghệ Dải tần Phạm... LoRa (0.863 GHz đến 0.868 GHz) Băng tần GPS/GNSS (1.563 GHz đến 1.587 GHz) băng tần WiFi/BLE (2.4 GHz đến 2.48 GHz) giải pháp hợp lý cho thiết bị định vị đa môi trường Mơ tả đặc tính cơng nghệ