Nội dung bài báo đề xuất một cấu trúc anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot. Trong thiết kế này, chỉ với duy nhất một PIN diot cho chuyển mạch hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình đề xuất có thể hoạt động lên đến 8 băng tần bao gồm 0.897-0.937 GHz, 1.75-1.84 GHz, 2.34-2.58 GHz, 2.38-2.93 GHz, 3.17-3.49 GHz, 4.63-5.38 GHz, 5.28-5.8 GHz và 7.88-8.53 GHz với băng thông thay đổi từ băng hẹp cho các ứng dụng NB-IoT như Z-Wave, ZigBee.
Trang 1Anten đa băng tái cấu hình theo tần số cho các ứng dụng WSN/Wi-Fi/WIMAX/LTE/5G trong các thiết bị
đầu cuối IoT
Nguyễn Văn Sang1, Dương Thị Thanh Tú1, Đặng Hoài Bắc1 và Trần Bình Dương2
1Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
2Viện Thông tin Khoa học và Kỹ thuật, Trường Đại học Đông Nam, Nam Kinh, Trung Quốc Email: sangnv.ptit@gmail.com, tudtt@ptit.edu.vn, bacdh@ptit.edu.vn, duongdtvt@gmail.com
×××××××××××
Abstract—Nội dung bài báo đề xuất một cấu trúc anten đa băng
tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot Trong
thiết kế này, chỉ với duy nhất một PIN diot cho chuyển mạch hai
trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình đề xuất có thể hoạt động
lên đến 8 băng tần bao gồm 0.897-0.937 GHz, 1.75-1.84 GHz,
2.34-2.58 GHz, 2.38-2.93 GHz, 3.17-3.49 GHz, 4.63-5.38 GHz,
5.28-5.8 GHz và 7.88-8.53 GHz với băng thông thay đổi từ băng
hẹp cho các ứng dụng NB-IoT như Z-Wave, ZigBee, RFID,
Bluetooth đến băng rộng cho các ứng dụng 5G IoT như WiFi
802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần dưới 10GHz Bên cạnh
đó, nhờ việc sử dụng cấu trúc bức xạ độc đáo kết hợp từ cấu trúc
vòng ring và cấu trúc hình trăng khuyết, anten giảm nhỏ đến
78.34% so với kích thước của anten ring lý thuyết, đạt kích thước
tổng thể là 30 x 30 x 1.6 mm 3 , phù hợp cho phần lớn các thiết bị
đầu cuối IoT cố định cũng như di động
Keywords-Anten tái cấu hình, IoT, PIN diot
I GIỚITHIỆU Trong những năm gần đây, kỷ nguyên mới với vạn vật kết
nối Internet (IoT) đã tạo ra những thay đổi mạnh mẽ trong đời
sống xã hội IoTcó thể kết nối mọi đối tượng với Internet thông
qua hệ thống cảm biến không dây và trao đổi dữ liệu đó thông
qua các hạ tầng truyền thông khác nhau Các sự kết nối khác
nhau này đòi hỏi thiết bị IoT phải hoạt động tại các công nghệ
truyền thông khác nhau với các băng tần khác nhau [1] Chính
vì thế, để có thể không gia tăng kích thước thiết bị đầu cuối IoT
cũng như nâng cao độ linh động của thiết bị, đáp ứng cho nhiều
chuẩn công nghệ truyền thông IoT khác nhau, anten có kích
thước nhỏ gọn, hoạt động đa băng tần cho đa công nghệ IoT là
nhu cầu cấp thiết [2]
Trong bối cảnh này, anten tái cấu hình với khả năng hoạt
động đa băng, có thể điều chỉnh tần số hoạt động theo chuẩn
truyền thông mong muốn đã, đang và vẫn ngày càng thu hút
thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong
và ngoài nước [3] Chỉ riêng trong năm 2018-2019, một số
lượng không nhỏ các nghiên cứu về anten tái cấu hình đa băng
đã được công bố trên các tạp chí khoa học có uy tín trên thế
giới [3-10] Trong [4], Tayyaba Khan và các cộng sự đã đề
xuất một anten đa băng tái cấu hình theo tần số cho ứng dụng
không dây sử dụng bốn diot để tái cấu hình cho bốn trạng thái
khác nhau Tuy nhiên có sự lặp lại tần số hoạt động khi chuyển
từ cấu hình này sang cấu hình khác, cụ thể là các tần số 2.7
GHz, 4.1 GHz và 5.4 GHz Bên cạnh đó, việc sử dụng đến bốn
diot PIN trong thiết kế sẽ làm tăng chi phí của anten và đòi hỏi
sơ đồ mạch cũng như mạng lưới điều khiển rất phức tạp [3] Cùng với đó, anten đề xuất có kích thước tổng thể khá lớn, đạt 40x 60 x 1.6mm3 tại tần số cộng hưởng thấp nhất 2.7 GHz Một anten tái cấu hình đa băng khác đã được Jayendra Kumar
và các cộng sự đề xuất trong [5], anten thay đổi sáu cấu hình hoạt động bằng cách sử dụng ba PIN diot Tuy nhiên, giống như mẫu anten của Tayyaba Khan, băng tần hoạt động của anten này bị lặp lại ở các cấu hình khác nhau dẫn đến số lượng băng tần hoạt động bị hạn chế, cụ thể có sáu trạng thái nhưng chỉ tồn tại có năm băng tần hoạt động Trong [7], A Vamseekrishna đã đề xuất một anten đa băng tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho các cảm biến Với 2 diot, chuyển mạch cho 4 trạng thái, anten có thể hoạt động tại 8 dải tần khác nhau 1.57–2.15 GHz, 2.13-3.0 GHz, 3.17-3.43 GHz, 5.25.8 GHz, 6.3-6.78 GHz, 8.31-8.90 GHz, 9.04-9.58 GHz và 12.03-13.14 GHz Tuy nhiên kích thước anten khá lớn, đạt 135x77mm2, khó ứng dụng trong các thiết bị cảm biến không dây
Trong bài báo này, một cấu trúc anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot được đề xuất Chỉ với duy nhất một PIN diot cho chuyển mạch ở hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình có thể hoạt động lên đến 8 băng tần bao gồm các băng 900MHz, 1.8 GHz, 2.4 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz, 5 GHz, 5.5 GHz và 8.2 GHz là những băng tần chủ đạo cho ứng dụng NB-IoT như Z-Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth cũng như ứng dụng 5G IoT như WiFi, Wimax, LTE, 5G băng tần dưới 10GHz Bên cạnh đó, với cấu trúc bức xạ độc đáo kết hợp từ cấu trúc vòng ring và cấu trúc hình trăng khuyết, anten giảm đã giảm nhỏ đến 78.34% so với kích thước của anten lí thuyết, đạt kích thước tổng thể là 30x30x1.6mm3, tại tần số cộng hưởng thấp nhất 900MHz Kích thước này có thể phù hợp cho phần lớn các thiết bị đầu cuối IoT trong các hệ thống cảm biến không dây hay điểm truy cập, thu gom lưu lượng trong hệ thống mạng truyền tải không dây IoT
II THIẾTKẾANTEN
II.1 Cấu trúc bức xạ phức hợp ring và trăng khuyết
Hình 1 thể hiện cấu trúc hình học của anten đề xuất Có thể thấy anten bao gồm ba phần: Miếng patch bức xạ phía trên, mặt phẳng đất khuyết ở dưới cùng cho phép anten bức xạ cả hai phía trên dưới của chất nền và lớp chất nền bên trong được tạo thành từ vật liệu epoxy-FR4 có độ dày 1.6mm, đạt 4.4 và
Trang 2độ tổn hao losstangent 0.02 Anten được cấp điện bằng một
đường vi dải với chiều dài 5.5 mm, chiều rộng 2mm, chân
đường vi dải được thiết kế rộng ra để phối hợp trở kháng sao
cho đạt 50
Phần tử bức xạ của anten là một cấu trúc phức hợp bao gồm
hai phần: vòng ring bao ngoài và hình trăng khuyết nằm bên
trong ring Đường kính trong và ngoài của vòng ring lần lượt là
20.6mm và 18.4 mm Hình trăng khuyết được tạo thành nhờ
hai hình tròn có đường kính lần lượt là 8.1 mm và 6.6 mm, tâm
của chúng cách nhau một khoảng 2mm về phía bên phải của
đường vi dải Cả hai được kết nối với nhau bởi một PIN diot
Chi tiết về kích thước của anten được mô tả trong Bảng I
(a)
(b)
Hình 1: Cấu trúc của anten (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới
Anten được thiết kế với tính toán thô dựa trên hàm Bassel
bậc n cho anten có bức xạ tròn [12] kết hợp với tối ưu hóa
bằng phần mềm CST [13] Ở chế độ TMnm, tần số cộng hưởng
của anten được xác định theo Công thức 1:
𝑓𝑛𝑚 = 𝑋𝑛𝑚𝑐
Trong đó, để anten đạt kích thước nhỏ nhất, chế độ n=1, m=1 được lựa chọn với X11= 1.84118 [12], 𝑐 là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do, 𝜖𝑟 là hằng số điện môi của chất nền, 𝑎𝑒 là bán kính hiệu quả của vòng ring được xác định theo Công thức (2):
𝑎𝑒 = 𝑎 1 + 2ℎ
𝜋𝑎𝜖𝑟 𝑙𝑛
𝜋𝑎 2ℎ+ 1.7726
1 2
(2)
với 𝑎 là bán kính vòng ring và ℎ là độ dày của chất nền Biểu thức này cho kết quả tương đối chính xác với xác suất lỗi nhỏ hơn 2.5% khi 𝑎ℎ ≫ 1
BẢNG I THAM SỐ CỦA ANTEN Tham số Kích thước (mm) Tham số Kích thước (mm)
II.2 Phân tích chuyển mạch PIN diot
Để tạo ra anten tái cấu hình theo tần số, ở điểm nối giữa vòng ring và hình trăng khuyết, kiến trúc đề xuất sử dụng duy nhất một PIN diot cho việc bật hoặc ngắt dòng điện Trong bài báo này, Điốt PIN BAP65-02 [14] được chọn do dễ dàng sử dụng và có chi phí thấp, chúng được dùng để kết nối hai phần
tử bức xạ như trong Hình 2 Như vậy, với việc sử dụng duy nhất một phần tử chuyển mạch, anten đề xuất có thể được tái cấu hình theo 2 trạng thái với hai phần tử bức xạ có hình dáng
và chiều dài điện khác nhau, do đó, có thể chuyển đổi được từ bốn băng tần đang hoạt động sang bốn băng tần khác
Hình 2: Vị trí đặt PIN diot
Điều kiện BẬT và TẮT của điốt được trình bày trong Hình 3.Trạng thái BẬT được thực hiện bởi điện trở nối tiếp với cuộn cảm và trạng thái TẮT được thực hiện bởi điện trở mắc song song với tụ điện sau đó nối tiếp với cuộn cảm Các giá trị
Trang 3R, L, C của điốt PIN trong cả hai điều kiện BẬT và TẮT được
thể hiện trong Bảng II
(a)
(b)
Hình 3: Sơ đồ tương đương của điốt PIN ở trạng thái: (a)
BẬT, (b) TẮT
BẢNG II THAM SỐ CỦA ĐIỐT PIN
Giá trị 0.6nH 0.5pF 1Ω 20𝑘Ω
III KẾTQUẢMÔPHỎNGVÀPHÂNTÍCH
Trong phần này, kết quả mô phỏng của anten được thực
hiện trên phần mềm CST MICROWAVE STUDIO bao gồm
các tham số tán xạ S11 trong các trạng thái khác nhau của
chuyển chuyển mạch sử dụng diot PIN cùng với giản đồ bức
xạ 2D tại các tần số cộng hưởng
Hình 4: Kết quả mô phỏng tham số S11-Parameters của anten
đề xuất
Kết quả mô phỏng của tham số S11 cho so sánh hai
trường hợp bật và tắt của anten được đưa ra trong Hình 4 Có
thể thấy rất rõ hai cấu hình của anten cho 8 tần số hoạt động
khác nhau tại 0.9 GHz, 1.8 GHz, 2.4 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz,
5 GHz, 5.5 GHz và 8.2 GHz Bên cạnh đó, các băng tần hoạt
động trong các trạng thái chuyển mạch khác nhau là hoàn toàn
độc lập và khác biệt Tại cấu hình 1 tương ứng với trạng thái
diot tắt, anten đề xuất cộng hưởng tại 4 băng 2.4GHz, 3.3GHz,
5.5GHz và 8.2GHz trong khi đó tại cấu hình 2 tương ứng với
trạng thái diot bật, anten cộng hưởng tại 4 băng 900MHz,
1.8GHz, 2.6GHz và 5GHz Chi tiết đặc điểm của từng trạng
thái sẽ được phân tích kỹ trong phần dưới đây
III.1 Cấu hình S1 (Diot-Tắt)
Với cấu hình S1 (Diot-Tắt) bề mặt bức xạ của anten bao gồm đường tiếp điện vi dải và vòng ring bao ngoài Khi đó, anten hoạt động ở bốn tần số cộng hưởng 2.45 GHz, 3.3 GHz, 5.5 GHz và 8.2 GHz với độ rộng băng thông lần lượt là 240MHz (9.8%), 320MHz (9.7%), 520MHz (9.4%) và 650MHz (7.8%) với suy hao phản hồi tương ứng 24dB, -15dB, -30dB và -12dB Kết quả trên cho thấy anten có thể bao phủ tất cả băng tần cho các ứng dụng như: 2345MHz-2360MHz và 3300MHz-3400MHz cho Wi-Max; 2400MHz-2484MHz cho Bluetooth, Zigbeevà Wi-Fi; 3300MHz-3400MHz cho TD-LTE Đồ thị tham số S11-parameters của cấu hình S1 được trình bày trong Hình 5 và đồ thị bức xạ 2D được đưa ra trong Hình 6 Bảng III sẽ tóm tắt kết quả của cấu hình này
Hình 5: Đồ thị tham số S11-Parameters
(a) Tại tần số 2.4 GHz
(b) Tại tần số 3.3 GHz
Trang 4(c) Tại tần số 5.5 GHz
(d) Tại tần số 8.2 GHz
Hình 6: Đồ thị bức xạ 2D tại cấu hình S1
Bảng III Tóm tắt kết quả của cấu hình S1
Tần số cộng
Tổn hao phản
Độ rộng băng
thông (MHz) (9.8%) 240 (9.7%) 320 (9.4%) 520 (7.8%) 650
Hệ số tính
hướng (dBi) 2.648 2.513 3.67 5.23
Ứng dụng
Wi-Fi, Zigbee, Bluetoot
h, Z-Wave, Wi-Max
LD-LTE, Wi-Max
WLAN Vệ tinh băng X
III.2 Cấu hình S2 (Diot-Bật)
Với cấu hình S2 (Diot-Bật) bề mặt bức xạ của anten bao
gồm đường tiếp điện vi dải và vòng ring bao ngoài kết nối với
hình trăng khuyết nằm bên trong qua PIN diot Khi đó, anten
hoạt động ở bốn tần số cộng hưởng 0.92 GHz, 1.8 GHz, 2.6 GHz và 5 GHz với độ rộng băng thông lần lượt là 40MHz (4,3%), 90MHz (5%), 550MHz (21%) và 750 MHz (15%) với suy hao phản hồi tương ứng là -30dB, -15dB, -22dB và -23dB Kết quả trên cho thấy anten có thể bao phủ hầu hết các băng tần như: 906MHz và 2400MHz for Z-Wave; 920.4-921.8 MHz cho IoT; LTE 1800MHz; 900MHz và 2600MHz cho LTE-Advanced; 5000MHz cho 802.11 a, b, g, n, ac Đồ thị tham số S11 được trình bày trong Hình 7 và đồ thị bức xạ 2D được đưa
ra trong Hình 8 Kết quả của cấu hình này sẽ được tóm tắt trong Bảng IV
Hình 7: Đồ thị tham số S11-Parameters
(a) Tại tần số 900MHz
(b) Tại tần số 1.8 GHz
Trang 5(c) Tại tần số 2.6 GHz
(d) Tại tần số 5 GHz
Hình 8: Đồ thị bức xạ 2D tại cấu hình S2
Bảng IV Tóm tắt kết quả của cấu hình S2 Tần số cộng
Tổn hao phản
Độ rộng băng thông (MHz)
40 (4.3%) 90 (5%)
550 (21%)
750 (15%)
Hệ số tính
Ứng dụng Wave,
Z-LTE-A LTE
LTE-A
WLAN, Wi-Fi
Anten đề xuất được so sánh với một số thiết kế anten tái cấu hình đa băng đã công bố trong thời gian gần đây Từ Bảng
V có thể dễ dàng nhận thấy, phần lớn các mẫu anten tái cấu hình đa băng đều không kết hợp được băng tần dưới GHz (sub-GHz)[4], [5]-[11] cho dù đây là băng tần rất phổ dụng trong truyền thông, đặc biệt là cho các ứng dụng cảm biến IoT Bên cạnh đó, để có thể tái cấu hình theo các tần số khác nhau, kích thước tổng thể cũng như bức của xạ của các anten tái cấu hình theo tần số đã công bố tương đối lớn, lớn hơn 1600mm2 tại các băng tần GHz Đặc biệt trong [7], anten có kích thước lên đến 10395mm2 với băng tần hoạt động thấp nhất là 1.57-2.15GHz
Bảng V: So sánh mẫu anten đề xuất với những công bố anten tái cấu hình đa băng gần đây
Tham
khảo
Diện tích
(𝐦𝐦𝟐) Chất nền
Chiều cao (mm)
Số lượng băng tần
Số lượng chuyển mạch/
cấu hình Tần số hoạt động (GHz)
[4] 2400 FR4 1.6 12 4/4 2.7; 4.1; 4.2; 4.4; 5.4; 6.6; 6.9; 8.1; 8.4; 8.6; 8.8; 9.4
[7] 10395 RO5880 0.6 8 2/4 5.8;6.3-6.78;8.31-8.90;9.04-9.58;12-1.57-2.15;2.13-3.0;3.17-3.43;
5.2-13.14
[9] 1739 FR4 1.6 12 3/8 1.36; 1.8; 3; 3.9; 5; 6.2; 6.4; 7.4; 7.9; 8.2; 8.4; 8.6
[11] 1600 FR4 1.6 6 4/5 2.82-10.9; 5.02-5.96; 3.23-3.82; 2.23-2.78; 2.04-2.82; 5.04-5.85
Mẫu
anten đề
xuất
Trang 6Mẫu anten đề xuất trong bài báo này không những tạo ra
hoạt động đa băng cho các ứng dụng băng rộng trong IoT như
băng 2.4GHz, 2.6Ghz, 5GHz mà còn kết hợp được cả băng tần
dưới GHz, băng 900MHz cho các hệ thống cảm biến hiện nay
như Z-wave, ZigBee Không những thế, anten đề xuất còn có
cấu trúc nhỏ nhất với diện tích đạt 900mm2, bằng 36% diện
tích anten có cùng tần số sub-GHz [5] và bằng 18% khi so
sánh kích thước tổng thể
IV KẾTLUẬN Trong bài báo này, anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử
dụng chuyển mạch diot PIN để thay đổi hình dáng bức xạ dẫn
đến thay đổi tần số cộng hưởng được đề xuất Chỉ sử dụng duy
nhất một PIN diot cho hai trạng thái nhưng anten có đến 8 tần
số hoạt động khác nhau cho các ứng dụng từ băng hẹp như:
Z-Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth đến băng rộng cho các ứng
dụng 5G IoT như WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng
tần dưới 10 GHz, vệ tinh băng tần X Bên cạnh đó, với kích
thước nhỏ gọn 30 x 30 x 1.6 mm3 anten có thể phù hợp cho
phần lớn các thiết bị đầu cuối IoT cố định cũng như di động
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] Ala Al-Fuqaha, Mohsen Guizani, Mehdi Mohammadi, Mohammed
Aledhari and Moussa Ayyash, “Internet of Things: A Survey on
Enabling Technologies, Protocols, and Applications,” IEEE
Communications Surveys &Tutorials, vol 17, Issue 4, fourth quarter
2015, pp 2347-2376, June 2015
[2] Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Tuan Ngoc, Forest Zhu, Diep N Nguyen,
Eryk Dutkiewicz, Vu Van Yem, “Quad-Band Antenna for
GSM/WSM/WLAN/LTE-A Application in IoT Devices,” 2017 17th
International Symposium on Communications and Information
Technologies (ISCIT)
[3] Naser Ojaroudi Parchin, Haleh Jahanbakhsh Basherlou, Yasir I A
Al-Yasir, Raed A Abd-Alhameed, Ahmed M Abdulkhaleq and James M
Noras, “ Recent Developments of Reconfigurable Antennas for Current
and Future Wireless Communication Systems,” Electronics 2019, 26
January 2019
[4] Tayyaba Khan, MuhibUr Rahman, Adeel Akram, Yasar Amin and
Hannu Tenhunen, “A Low-Cost CPW-Fed Muntiband Frequency
Reconfigurable Antenna for Wireless Applications,” Electronics 2019,
14 August 2019
[5] Jayendra Kumar, Banani Basu, Fazal Ahmed Talukdar, Arnab Nandi,
“Stable-multiband frequency reconfigurable antenna with improved
radiation efficiency and increased number of muntiband operations,”
IET Microwave, Antennas & Propagation, vol 13, Iss.5, pp 642-648,
28 th February 2019
[6] Ajay Yadav, Minakshi Tewari, and Rajendra P Yadav, “Pixed Shape
Ground Inspired Frequency Reconfigurable Antenna,” Progress In
Electromagnetics Research C, Vol 89, 75-85, 2019
[7] A Vamseekrishna, B T P Madhav, T Anilkumar, L S S Reddy, “An IoT
controlled octahedron frequency reconfigurable multiband antenna for
microwavesensing applications,” IEEE Sensors Letters, vol 2(3), 2019
[8] V Arun and L.R Karl Marx, “Internet of Things Controlled
Reconfigurable Antenna for RF Harvesting,”, Defence Science Journal,
vol 68, pp 566-571, No 6, November 2018
[9] M Jenath Sathikbasha and V.Nagarajan, “DGS based Multiband
Frequency Reconfigurable Antenna for Wireless Applications,”
International Conference on Communication and Signal Processing,
April 4-6, 2019, India
[10] Saffrine Kingsly, Deepa Thangarasu, Malathi Kanagasabai, Senior
Member, IEEE, M Gulam Nabi Alsath, Member, IEEE, T Rama Rao,
P Sandeep Kumar, Yogeshwari Panneer Selvam, Sangeetha Subbaraj, Padmathilagam Sambandam, “Multiband Reconfigurable Filtering Monopole Antenna for Cognitive Radio Applications,:” DOI 10.1109/LAWP.2018.2848702, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2018
[11] Hamid Boudaghi, Mohammadnaghi Azarmanesh, and Mehdi Mehranpour, “A Frequency-Reconfigurable Monopole Antenna Using Switchable Slotted Ground Structure,” IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL 11, 2012
[12] Ramesh Grag, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon,
“Microstrip Antenna Design Handbook,” Artech House Antennas and Propagation Library, 2001
[13] CST MICROWAVE STUDIO® 2016 – Workflow and Solver Overview
[14] BAP65-02 Datasheet-E-Tech Electronics LTD
