Anten tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng ứng dụng cho các thiết bị cầm tay

Bài viết đề xuất một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng. Bằng cách sử dụng hai chuyển mạch điôt, anten có thể hoạt động ở bốn cấu hình tần số khác nhau lần lượt là 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz và 3,5 GHz.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ CẤP ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ CẦM TAY A CPW FED FREQUENCY RECONFIGURABLE ANTENNA USING CSRR FOR MOBILE HANDSET Hoàng Thị Phương Thảo Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 09/02/2020, Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2020, Phản biện: TS Nguyễn Anh Quang Tóm tắt: Bài báo đề xuất thiết kế anten tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng Bằng cách sử dụng hai chuyển mạch điơt, anten hoạt động bốn cấu hình tần số khác 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz 3,5 GHz Để giảm nhỏ kích thước đồng thời tăng phối hợp trở kháng cho anten, cấu trúc OSRR tích vào phần tử xạ anten Với dải tần thiết kế, anten ứng dụng cho thiết bị cầm tay phục vụ dải tần LTE dải tần khác Anten thiết kế đế điện môi FR4 mơ phần mềm CST Từ khóa: Anten tái cấu hình, CPW, OSRR, tái cấu hình theo tần số Abstract: This paper presents a proposed CPW fed frequency reconfigurable antenna By switching two PIN diodes, the antenna can operate at four configurations at 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz, and 3,5 GHz In order to reduce its dimensions, OSRR structures are integrated in the radiator The antenna can be used for mobile handsets at LTE band and others It is designed on FR4 substrate and simulated by CST software Keywords: Reconfigurable antenna, CPW, OSRR, frequency reconfigurable PIFA, OSRR MỞ ĐẦU Xu hướng thiết kế phần tử siêu cao tần “N một”, có nghĩa N tính phần tử anten khơng ngoại lệ Khái niệm anten tái cấu hình theo tần số hiểu anten cung cấp cho nhiều chuẩn tần số khác thay cho nhiều anten đơn Tuy nhiên, khác với anten băng rộng, Số 22 chuẩn tần số mà anten tái cấu hình cung cấp khơng đồng thời Nghĩa anten tái cấu hình theo tần số chuyển sang cấu hình khác để “nhảy tần” nhằm sử dụng băng tần trống Điều giúp cho việc sử dụng phổ tần số hiệu mà lại giảm nhiễu kênh lênh lân cận so với việc sử dụng anten băng rộng, đồng thời 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thay nhiều anten đơn giúp giảm kích thước cho thiết bị cầm tay Việc chuyển đổi cấu hình anten thực nhiều cách khác nhau, tích hợp chuyển mạch điện tử vào anten điôt PIN, chuyển mạch MEMS phương pháp phổ biến đánh giá có nhiều ưu điểm [1] Tuy nhiên, nhược điểm việc tích hợp linh kiện điện tử vào anten làm cho cấu trúc anten trở nên phức tạp, làm tăng suy hao anten Đã có nhiều cơng trình cơng bố anten tái cấu hình theo tần số với nhiều thành tựu đáng kể Tuy nhiên, tiếp tục giảm nhỏ kích thước cho anten tái cấu hình theo tần số sử dụng hiệu số linh kiện điện tử tích hợp vào anten vấn đề quan tâm Các anten tái cấu hình cơng bố phát triển dựa cấu trúc truyền thống anten đơn cực [2], anten xoắn [3], anten PIFA [4-6] kiểu cấp điện khác có anten cấp điện đồng phẳng CPW (CoPlanar Waveguide) [5-7] Trong đó, anten cấp điện theo phương pháp CPW sử dụng phổ biến ưu điểm dễ chế tạo, nhỏ gọn, không cần khoan lỗ cấp điện cáp đồng trục, suy hao thấp [8] Anten cấp điện CPW đề xuất [5] hoạt động tần số nhỏ 2,47 GHz kích thước tổng l36×45 mm2, lớn nhiều so với anten đề xuất Một anten khác đề xuất [6] có kích thước lên đến 60×69 mm2 tần số cộng hưởng trung tâm dải tần nhỏ 5,0 GHz, lớn nhiều so với anten đề xuất 58 Anten đề xuất [7] hoạt động tần số trung tâm nhỏ 3,36 GHz với kích thước 12,4×18,5 mm, có kích thước tổng xấp xỉ 0,3, với  bước sóng tần số cộng hưởng, nhỏ so với anten đề xuất (0,4) Tuy nhiên, anten [7] đạt hệ số tăng ích 0,2 dBi tần số 3,36 GHz, thấp nhiều so với anten đề xuất Bài báo đề xuất cấu trúc anten vi dải cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số, gồm cấu hình hoạt động tần số trung tâm 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz 3,5 GHz ứng dụng cho thiết bị đầu cuối thông tin di động cho băng tần G LTE (Long Term Evolution) băng tần khác Để đạt cấu hình, anten dùng chuyển mạch điơt PIN nhằm giảm phức tạp cho cấu trúc anten giảm chi phí chế tạo Anten đạt hệ số tăng ích 1,45 dBi, 1,37 dBi, 1,66 dBi 1,77 dBi cấu hình tần số tương ứng 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz 3,5 GHz Khi tần số thay đổi bốn cấu hình, dạng đồ thị xạ anten hồn tồn khơng thay đổi Các phần sau báo gồm: phần trình bày thiết kế anten cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số, phần kết đạt phần cuối kết luận báo THIẾT KẾ ANTEN PIFA TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG ĐIƠT PIN TÍCH HỢP CẤU TRÚC CSRR 2.1 Cấu trúc anten Anten tái cấu hình theo tần số đề xuất có cấu trúc đối xứng Anten gồm phần cấp Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) điện ống dẫn sóng đồng phẳng xạ in mặt lớp đế điện mơi FR4 có độ dày 1,6 mm Phần xạ in bề mặt điện môi, hai điôt SMP1345 sử dụng để ngắt nối xạ nhằm tạo bốn cấu hình anten khác g Wf h (a) (b) Giới hạn tần số PIN từ 10 MHz đến GHz, phù hợp với yêu cầu băng tần thiết kế Ngoài ra, để giảm nhỏ kích thước anten tăng khả phối hợp trở kháng, cấu trúc vòng cộng hưởng hở OSRR (Open Split Ring Resonator) sử dụng Cấu trúc phần cấp điện, OSRR anten hình 2.2 Tính tốn kích thước anten Đầu tiên, phần cấp điện CPW cho anten tính tốn với độ dày đế điện môi h, độ rộng khe hở g độ rộng đường tiếp điện Wf cho trở kháng đặc trưng đường truyền 50  thỏa mãn công thức (1): 𝑍0 = 30 𝐾(𝑘0′ ) √𝜖𝑒𝑓𝑓 𝐾(𝑘0 ) (1) đó, 𝑒 = + (𝑟1 −1) 𝐾(𝑘1 ) 𝐾(𝑘0′ ) 𝐾(𝑘1′ ) 𝑘(𝑘0 ) (2) hàm 𝐾(𝑘0), 𝐾(𝑘’0), 𝐾(𝑘1), 𝐾(𝑘’1) hàm tích phân elip đầy đủ với r1 số điện môi xấp xỉ 4,4 𝑘0 = 𝑊𝑓 (3) 𝑊𝑓 +2𝑔 𝑘′0 = √(1 − 𝑘02 ) 𝜋𝑊𝑓 𝑘1 = sinh( 4ℎ 𝑘′1 = √(1 − 𝑘12 ) (c) Hình Cấu trúc anten tái cấu hình tích hợp cấu trúc OSRR: (a) Cấu trúc phần cấp điện đồng phẳng; (b) Cấu trúc OSRR; (c) Cấu trúc anten tái cấu hình mặt mặt cạnh Số 22 ) 4ℎ1 [(𝑊𝑓 +2𝑔)] sinh{ (4) (5) } (6) Sau tính tốn kích thước phần cấp điện, kích thước đường truyền tối ưu phần mềm CST bảng 59 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tiếp theo, chiều dài phần tử xạ l trạng thái điều chỉnh xấp xỉ phần tư bước sóng tần số cộng hưởng cần thiết kế theo công thức sau đây: 𝑙= ′𝑟 (7) đó, ′𝑟 bước sóng hiệu dụng tần số cần thiết kế 𝑓𝑟 ; 𝑒 số điện môi hiệu dụng ; c0 vận tốc ánh sáng ′𝑟 tính theo công thức sau: ′𝑟 = 𝑓 𝑐0 (8) 𝑟 √𝑒 Trong phần này, chiều dài L1 xạ vị trí đặt điơt D1 tính tốn thiết kế để hoạt động tần số 3,5 GHz Sau đó, vị trí điơt D2 đặt cách điểm tiếp điện khoảng L2 tính tốn để tạo xạ có độ dài điện tương ứng với phần tư bước sóng tần số 2,6 GHz, độ dài L3 miếng xạ hình chữ nhật xác định để anten cộng hưởng tần số 2,1 GHz Cấu hình cuối tạo nên từ việc tắt, bật điôt để hoạt động tần số 3,0 GHz Bảng Kích thước anten (mm) Các kích thước anten tính tốn theo cơng thức trên, kích thước cịn lại chọn sau mơ tối ưu phần mềm CST Microwave kết hợp với CST Design Kích thước tổng anten sau tối ưu 22×36×1,6 mm giá trị sau tối ưu cho anten đề xuất bảng 2.3 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động anten tuân theo nguyên lý thay đổi chiều dài xạ để thay đổi tần số cộng hưởng Vì thế, để tái cấu hình anten, chiều dài xạ thay đổi cách thay đổi trạng thái chuyển mạch điơt Khi cấp cho điơt điện áp thuận điơt trạng thái “BẬT”, hai xạ điôt nối với làm cho chiều dài điện xạ tăng lên Ngược lại, cấp điện áp ngược cho điơt điơt trạng thái “NGẮT”, đó, hai xạ ngắt kết nối với làm giảm chiều dài điện Bằng cách này, chiều dài xạ thay đổi để đạt ba cấu hình anten khác nhau, gọi S1, S2, S3 Trạng thái điôt mô tả bảng Tham số W L h Wf g Giá trị 22 36 1,6 0,3 Tham số Lg L1 L2 L3 WP Cấu hình Điơt D1 Điơt D1 Tần số trung tâm (GHz) Giá trị 17,9 26,6 30,1 14 S1 NGẮT NGẮT 3,5 Tham số NGẮT 2,6 r1 r2 e S2 BẬT d S3 BẬT BẬT 2,1 1,33 1,73 0,2 S4 NGẮT BẬT 3,0 Giá trị 60 10,6 Bảng Trạng thái hoạt động điơt Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong trạng thái S1, tất điôt trạng thái “NGẮT”, tần số cộng hưởng trung tâm anten 3,5 GHz cho ứng dụng LTE 3500 cho WiMax Ở trạng thái S2, điôt D1 “BẬT” điôt D2 ngắt, anten cộng hưởng tần số 2,6 GHz cho ứng dụng LTE 2600 Ở cấu hình S3, hai điơt D2 D4 “BẬT”, anten hoạt động tần số cộng hưởng trung tâm 2,1 GHz cho ứng dụng LTE 2100, UMTS Ở cấu hình cuối cùng, D1 “NGẮT”, D2 “BẬT”, anten cộng hưởng tần số trung tâm 3,0 GHz ứng dụng cho tương lai KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình kết mô hệ số suy hao phản hồi |S11| bốn cấu hình anten tái cấu hình Hình Kết mơ tham số |S11| bốn cấu hình S1, S2, S3, S4 anten trạng thái đơn băng Các cấu hình có tần số cộng hưởng 3,5 GHz, 2,6 GHz, 2,1 GHz, 3,0 GHz với băng tần tính từ 10dB tương ứng 797 MHz (từ 3241 MHz đến 4038 MHz), 415 MHz (từ 2467 MHz đến 2884 MHz), 246 MHz (từ 1973 MHz đến 2219 MHz), 279 MHz (từ 2840 MHz đến 3119 MHz) Dải tần hoạt động ứng dụng cho LTE, UMTS, WiMax ứng dụng tương lai Hình biểu diễn kết mơ hệ số tăng ích anten theo tần số bốn cấu hình Tại tần số trung tâm cấu hình S1, S2, S3, S4, hệ số tăng ích đạt 1,77 dBi, 1,37 dBi, 1,45 dBi 1,66 dBi Hệ số tăng ích anten không cao trả giá anten anten đạt kích thước nhỏ Hình (a) (b) biểu diễn đồ thị xạ 2D anten bốn cấu hình mặt phẳng XY XZ (mặt phẳng XY chứa anten mặt phẳng XZ mặt phẳng vng góc với anten chứa trục theo chiều ngang anten) Kết mô cho thấy, đồ thị xạ anten bốn trạng thái hoàn tồn tương đương Bảng tóm tắt thơng số đạt anten tái cấu hình Bảng Tóm tắt thơng số anten Hình Kết mơ hệ số tăng ích anten theo tần số cấu hình S1, S2, S3, S4 Ở tất cấu hình anten làm việc Số 22 Cấu hình Tần số trung tâm (GHz) Băng thơng (MHz) Tăng ích cực đại (dBi) S1 3,5 797 1,77 S2 2,6 415 1,37 S3 2,1 246 1,45 S4 3,0 279 1,66 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) (a) (b) Hình Kết mơ hệ số tăng ích anten theo tần số cấu hình S1, S2, S3, S4 ở: (a) mặt phẳng [XY], (b) mặt phẳng [XZ] KẾT LUẬN Bài báo đề xuất thiết kế anten tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng, cấu trúc OSRR tích hợp vào anten giúp phối hợp trở kháng tốt kích thước anten nhỏ gọn Anten hoạt động bốn cấu hình tần số khác sử dụng hai điôt với tần số trung tâm 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz 3,5 GHz Đồ thị xạ hai cấu hình gần khơng thay đổi Vì kích thước anten giảm nhỏ nên anten đề xuất có hiệu suất khơng cao Ngồi ra, mẫu anten cần chế tạo đo đạc để kiểm chứng với kết mô TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.G Christodoulou, Y Tawk, S.A Lane, and S.R Erwin, “Reconfigurable Antennas for Wireless and Space Applications”, Proc IEEE, vol 100, no 7, pp 2250–2261, Jul 2012 [2] Tariq, A., Ghafouri-Shiraz, H.: “Frequency-reconfigurable monopole antennas”, IEEE Trans Antennas Propag., 2012, 60, (1), pp 44 –50 [3] Liu, X., Yao, S., Cook, B.S., et al.: “An origami reconfigurable axial-mode bifilar helical antenna”, IEEE Trans Antennas Propag., 2015, 63, (12),pp 5897 –5903 [4] Sung, Y.: “Compact quad-band reconfigurable antenna for mobile phoneapplications”, Electron Lett., 2012, 48, (16), pp 977–979 [5] Sung, Y., Lee, S.: “Reconfigurable PIFA with a parasitic strip line for a hepta-band WWAN/LTE mobile handset”, IET Microw Antennas Propag , 2015, 9, (2), pp 108–117 62 Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [6] C Sulakshana and J Pokhar, “A CPW fed H-shaped reconfigurable patch antenna”, in Antenna Week (IAW), 2011 Indian, 2011, pp 1–4 [7] Lim, J.H., Back, G.T., Ko, Y.I., et al.: “A Reconfigurable PIFA using a switchable PIN-diode and a fine-tuning varactor for USPCS/WCDMA/m-WiMAX/WLAN”, IEEE Trans Antennas Propag., 2010, 58, (7), pp 2404–2411 [8] M.S Khan, A.D Capobianco, A Iftikhar, S Asif, B Ijaz, and B.D Braaten, “An electrically small CPW fed frequency reconfigurable antenna”, in Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2015 IEEE International Symposium on, 2015, pp 2391–2392 [9] F.D Dahalan, S.K.A Rahim, M.R Hamid, M.A Rahman, M.Z.M Nor, M.S.A Rani, and P.S Hall, “Frequency-Reconfigurable Archimedean Spiral Antenna”, IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol [10] R.N Simons, “Coplanar Wavegu-ide circuits, Components and systems,”, John Wiley & Sons, Inc., 2001 Giới thiệu tác giả: Tác giả Hoàng Thị Phương Thảo tốt nghiệp đại học ngành viễn thông năm 2004; nhận Thạc sĩ ngành khoa học điện tử viễn thông năm 2007, nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật viễn thông năm 2019 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Lĩnh vực nghiên cứu: siêu vật liệu ứng dụng cho anten, anten tái cấu hình, anten thơng minh, anten dải sóng millimeter lọc siêu cao tần ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến Số 22 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 64 Số 22 ... đồng phẳng tái cấu hình theo tần số, phần kết đạt phần cuối kết luận báo THIẾT KẾ ANTEN PIFA TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG ĐIƠT PIN TÍCH HỢP CẤU TRÚC CSRR 2.1 Cấu trúc anten Anten tái cấu hình theo tần số. .. dải cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số, gồm cấu hình hoạt động tần số trung tâm 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz 3,5 GHz ứng dụng cho thiết bị đầu cuối thông tin di động cho băng tần G LTE (Long... kích thước cho anten tái cấu hình theo tần số sử dụng hiệu số linh kiện điện tử tích hợp vào anten vấn đề quan tâm Các anten tái cấu hình cơng bố phát triển dựa cấu trúc truyền thống anten đơn