Anten 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

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.

Anten đa băng tái cấu hình theo tần số cho ứng dụng WSN/Wi-Fi/WIMAX/LTE/5G thiết bị đầu cuối IoT Nguyễn Văn Sang1, Dương Thị Thanh Tú1, Đặng Hoài Bắc1 Trần Bình Dương2 Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Viện Thơng tin Khoa học 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 báo đề xuất cấu trúc anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot Trong thiết kế này, với PIN diot cho chuyển mạch hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình đề xuất hoạt động lên đến 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 7.88-8.53 GHz với băng thông thay đổi từ băng hẹp cho ứng dụng NB-IoT Z-Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth đến băng rộng cho ứng dụng 5G IoT WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần 10GHz Bên cạnh đó, nhờ việc sử dụng cấu trúc xạ độc đáo kết hợp từ cấu trúc vịng ring cấu trúc hình trăng khuyết, anten giảm nhỏ đến 78.34% so với kích thước anten ring lý thuyết, đạt kích thước tổng thể 30 x 30 x 1.6 mm , phù hợp cho phần lớn thiết bị đầu cuối IoT cố định di động Keywords-Anten tái cấu hình, IoT, PIN diot I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, kỷ nguyên với vạn vật kết nối Internet (IoT) tạo thay đổi mạnh mẽ đời sống xã hội IoTcó thể kết nối đối tượng với Internet thông qua hệ thống cảm biến không dây trao đổi liệu thơng qua hạ tầng truyền thông khác Các kết nối khác đòi hỏi thiết bị IoT phải hoạt động công nghệ truyền thông khác với băng tần khác [1] Chính thế, để khơng gia tăng kích thước thiết bị đầu cuối IoT nâng cao độ linh động 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 nhu cầu cấp thiết [2] Trong bối cảnh này, anten tái cấu hình với khả hoạt động đa băng, điều chỉnh tần số hoạt động theo chuẩn truyền thông mong muốn đã, ngày thu hút thu hút tập trung nghiên cứu nhiều nhà khoa học nước [3] Chỉ riêng năm 2018-2019, số lượng không nhỏ nghiên cứu anten tái cấu hình đa băng cơng bố tạp chí khoa học có uy tín giới [3-10] Trong [4], Tayyaba Khan cộng đề xuất anten đa băng tái cấu hình theo tần số cho ứng dụng khơng dây sử dụng bốn diot để tái cấu hình cho bốn trạng thái khác Tuy nhiên có lặp lại tần số hoạt động chuyển từ cấu hình sang cấu hình khác, cụ thể tần số 2.7 GHz, 4.1 GHz 5.4 GHz Bên cạnh đó, việc sử dụng đến bốn diot PIN thiết kế làm tăng chi phí anten địi hỏi sơ đồ mạch mạng lưới điều khiển phức tạp [3] Cùng với đó, anten đề xuất có kích thước tổng thể lớn, đạt 40x 60 x 1.6mm3 tần số cộng hưởng thấp 2.7 GHz Một anten tái cấu hình đa băng khác Jayendra Kumar cộng đề xuất [5], anten thay đổi sáu cấu hình hoạt động cách sử dụng ba PIN diot Tuy nhiên, giống mẫu anten Tayyaba Khan, băng tần hoạt động anten bị lặp lại cấu hình khác dẫn đến số lượng băng tần hoạt động bị hạn chế, cụ thể có sáu trạng thái tồn có năm băng tần hoạt động Trong [7], A Vamseekrishna đề xuất anten đa băng tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho cảm biến Với diot, chuyển mạch cho trạng thái, anten hoạt động dải tần khác 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 12.03-13.14 GHz Tuy nhiên kích thước anten lớn, đạt 135x77mm2, khó ứng dụng thiết bị cảm biến không dây Trong báo này, cấu trúc anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot đề xuất Chỉ với PIN diot cho chuyển mạch hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình hoạt động lên đến băng tần bao gồm băng 900MHz, 1.8 GHz, 2.4 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz, GHz, 5.5 GHz 8.2 GHz băng tần chủ đạo cho ứng dụng NB-IoT Z-Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth ứng dụng 5G IoT WiFi, Wimax, LTE, 5G băng tần 10GHz Bên cạnh đó, với cấu trúc xạ độc đáo kết hợp từ cấu trúc vòng ring cấu trúc hình trăng khuyết, anten giảm giảm nhỏ đến 78.34% so với kích thước anten lí thuyết, đạt kích thước tổng thể 30x30x1.6mm3, tần số cộng hưởng thấp 900MHz Kích thước phù hợp cho phần lớn thiết bị đầu cuối IoT hệ thống cảm biến không dây hay điểm truy cập, thu gom lưu lượng hệ thống mạng truyền tải không dây IoT II THIẾT KẾ ANTEN II.1 Cấu trúc xạ phức hợp ring trăng khuyết Hình thể cấu trúc hình học anten đề xuất Có thể thấy anten bao gồm ba phần: Miếng patch xạ phía trên, mặt phẳng đất khuyết cho phép anten xạ hai phía chất lớp chất bên tạo thành từ vật liệu epoxy-FR4 có độ dày 1.6mm,  đạt 4.4 132 độ tổn hao losstangent 0.02 Anten cấp điện đường vi dải với chiều dài 5.5 mm, chiều rộng 2mm, chân đường vi dải thiết kế rộng để phối hợp trở kháng cho đạt 50 Phần tử xạ anten cấu trúc phức hợp bao gồm hai phần: vịng ring bao ngồi hình trăng khuyết nằm bên ring Đường kính ngồi vòng ring 20.6mm 18.4 mm Hình trăng khuyết tạo thành nhờ hai hình trịn có đường kính 8.1 mm 6.6 mm, tâm chúng cách khoảng 2mm phía bên phải đường vi dải Cả hai kết nối với PIN diot Chi tiết kích thước anten mơ tả Bảng I Trong đó, để anten đạt kích thước nhỏ nhất, chế độ n=1, m=1 lựa chọn với X11= 1.84118 [12], 𝑐 tốc độ ánh sáng không gian tự do, 𝜖𝑟 số điện môi chất nền, 𝑎𝑒 bán kính hiệu vịng ring xác định theo Công thức (2): 2ℎ 𝜋𝑎 𝑎𝑒 = 𝑎 + 𝑙𝑛 + 1.7726 𝜋𝑎𝜖𝑟 2ℎ (2) với 𝑎 bán kính vịng ring ℎ độ dày chất Biểu thức cho kết tương đối xác với xác suất lỗi nhỏ 𝑎 2.5% ≫ ℎ BẢNG I THAM SỐ CỦA ANTEN Tham số Kích thước (mm) Tham số Kích thước (mm) d1 dr1 1.1 d2 4.5 L 30 d3 R1 10.2 d4 R2 8.1 d5 R3 6.6 d6 2.9 W 30 d7 II.2 Phân tích chuyển mạch PIN diot (a) Để tạo anten tái cấu hình theo tần số, điểm nối vịng ring hình trăng khuyết, kiến trúc đề xuất sử dụng PIN diot cho việc bật ngắt dòng điện Trong báo này, Điốt PIN BAP65-02 [14] chọn dễ dàng sử dụng có chi phí thấp, chúng dùng để kết nối hai phần tử xạ Hình Như vậy, với việc sử dụng phần tử chuyển mạch, anten đề xuất tái cấu hình theo trạng thái với hai phần tử xạ có hình dáng chiều dài điện khác nhau, đó, chuyển đổi từ bốn băng tần hoạt động sang bốn băng tần khác (b) Hình 1: Cấu trúc anten (a) Mặt trên, (b) Mặt Anten thiết kế với tính tốn thơ dựa hàm Bassel bậc n cho anten có xạ trịn [12] kết hợp với tối ưu hóa phần mềm CST [13] Ở chế độ TMnm, tần số cộng hưởng anten xác định theo Công thức 1: 𝑓𝑛𝑚 = 𝑋𝑛𝑚 𝑐 2𝜋𝑎𝑒 𝜖𝑟 (1) Hình 2: Vị trí đặt PIN diot Điều kiện BẬT TẮT điốt trình bày Hình 3.Trạng thái BẬT thực điện trở nối tiếp với cuộn cảm trạng thái TẮT thực điện trở mắc song song với tụ điện sau nối tiếp với cuộn cảm Các giá trị 133 R, L, C điốt PIN hai điều kiện BẬT TẮT thể Bảng II (a) (b) III.1 Cấu hình S1 (Diot-Tắt) Với cấu hình S1 (Diot-Tắt) bề mặt xạ anten bao gồm đường tiếp điện vi dải vòng ring bao ngồi Khi đó, anten hoạt động bốn tần số cộng hưởng 2.45 GHz, 3.3 GHz, 5.5 GHz 8.2 GHz với độ rộng băng thông 240MHz (9.8%), 320MHz (9.7%), 520MHz (9.4%) 650MHz (7.8%) với suy hao phản hồi tương ứng -24dB, 15dB, -30dB -12dB Kết cho thấy anten bao phủ tất băng tần cho ứng dụng như: 2345MHz2360MHz 3300MHz-3400MHz cho Wi-Max; 2400MHz2484MHz cho Bluetooth, Zigbeevà Wi-Fi; 3300MHz3400MHz cho TD-LTE Đồ thị tham số S11-parameters cấu hình S1 trình bày Hình đồ thị xạ 2D đưa Hình Bảng III tóm tắt kết cấu hình Hình 3: Sơ đồ tương đương điốt PIN trạng thái: (a) BẬT, (b) TẮT BẢNG II THAM SỐ CỦA ĐIỐT PIN Tham số L 𝐶𝑇 𝑅𝑆 𝑅𝑃 Giá trị 0.6nH 0.5pF 1Ω 20𝑘Ω III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Trong phần này, kết mơ anten thực phần mềm CST MICROWAVE STUDIO bao gồm tham số tán xạ S11 trạng thái khác chuyển chuyển mạch sử dụng diot PIN với giản đồ xạ 2D tần số cộng hưởng Hình 5: Đồ thị tham số S11-Parameters (a) Tại tần số 2.4 GHz Hình 4: Kết mô tham số S11-Parameters anten đề xuất Kết mô tham số S11 cho so sánh hai trường hợp bật tắt anten đưa Hình Có thể thấy rõ hai cấu hình anten cho tần số hoạt động khác 0.9 GHz, 1.8 GHz, 2.4 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz, GHz, 5.5 GHz 8.2 GHz Bên cạnh đó, băng tần hoạt động trạng thái chuyển mạch khác hồn tồn độc lập khác biệt Tại cấu hình tương ứng với trạng thái diot tắt, anten đề xuất cộng hưởng băng 2.4GHz, 3.3GHz, 5.5GHz 8.2GHz cấu hình tương ứng với trạng thái diot bật, anten cộng hưởng băng 900MHz, 1.8GHz, 2.6GHz 5GHz Chi tiết đặc điểm trạng thái phân tích kỹ phần 134 (b) Tại tần số 3.3 GHz hoạt động bốn tần số cộng hưởng 0.92 GHz, 1.8 GHz, 2.6 GHz GHz với độ rộng băng thông 40MHz (4,3%), 90MHz (5%), 550MHz (21%) 750 MHz (15%) với suy hao phản hồi tương ứng -30dB, -15dB, -22dB -23dB Kết cho thấy anten bao phủ hầu hết băng tần như: 906MHz 2400MHz for Z-Wave; 920.4-921.8 MHz cho IoT; LTE 1800MHz; 900MHz 2600MHz cho LTEAdvanced; 5000MHz cho 802.11 a, b, g, n, ac Đồ thị tham số S11 trình bày Hình đồ thị xạ 2D đưa Hình Kết cấu hình tóm tắt Bảng IV (c) Tại tần số 5.5 GHz Hình 7: Đồ thị tham số S11-Parameters (d) Tại tần số 8.2 GHz Hình 6: Đồ thị xạ 2D cấu hình S1 Bảng III Tóm tắt kết cấu hình S1 Tần số cộng hưởng (GHz) 2.4 3.3 5.5 8.2 Tổn hao phản hồi (dB) -24 -15 -30 -12 Độ rộng băng thông (MHz) 240 (9.8%) 320 (9.7%) 520 (9.4%) 650 (7.8%) Hệ số tính hướng (dBi) 2.648 2.513 3.67 5.23 Ứng dụng Wi-Fi, Zigbee, Bluetoot h, ZWave, Wi-Max LDLTE, WiMax WLAN Vệ tinh băng X (a) Tại tần số 900MHz III.2 Cấu hình S2 (Diot-Bật) Với cấu hình S2 (Diot-Bật) bề mặt xạ anten bao gồm đường tiếp điện vi dải vòng ring bao ngồi kết nối với hình trăng khuyết nằm bên qua PIN diot Khi đó, anten 135 (b) Tại tần số 1.8 GHz Bảng IV Tóm tắt kết cấu hình S2 (c) Tại tần số 2.6 GHz Tần số cộng hưởng (GHz) 0.9 1.8 2.6 Tổn hao phản hồi (dB) -30 -15 -22 -23 Độ rộng băng thông (MHz) 40 (4.3%) 90 (5%) 550 (21%) 750 (15%) Hệ số tính hướng (dBi) 1.9 2.5 2.75 3.62 Ứng dụng ZWave, LTE-A LTE LTEA WLAN, Wi-Fi Anten đề xuất so sánh với số thiết kế anten tái cấu hình đa băng cơng bố thời gian gần Từ Bảng V dễ dàng nhận thấy, phần lớn mẫu anten tái cấu hình đa băng không kết hợp băng tần GHz (subGHz)[4], [5]-[11] cho dù băng tần phổ dụng truyền thông, đặc biệt cho ứng dụng cảm biến IoT Bên cạnh đó, để tái cấu hình theo tần số khác nhau, kích thước tổng thể xạ anten tái cấu hình theo tần số cơng bố tương đối lớn, lớn 1600mm2 băng tần GHz Đặc biệt [7], anten có kích thước lên đến 10395mm2 với băng tần hoạt động thấp 1.57-2.15GHz (d) Tại tần số GHz Hình 8: Đồ thị xạ 2D cấu hình S2 Bảng V: So sánh mẫu anten đề xuất với công bố anten tái cấu hình đa băng gần Tham khảo Diện tích (𝐦𝐦𝟐 ) Chất 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 [5] 2500 FR4 3.2 3/6 0.85/0.9; 1.6; 1.7; 1.8; 2.4 [7] 10395 RO5880 0.6 2/4 1.57-2.15;2.13-3.0;3.17-3.43; 5.25.8;6.3-6.78;8.31-8.90;9.04-9.58;1213.14 [8] 2500 FR4 1.6 2/4 4.5; 3.5; 2.4; 1.8 [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 [10] 1800 FR4 1.6 4/5 1.8; 2.4; 3.5; 5.2 [11] 1600 FR4 1.6 4/5 2.82-10.9; 5.02-5.96; 3.23-3.82; 2.232.78; 2.04-2.82; 5.04-5.85 Mẫu anten đề xuất 900 FR4 1.6 1/2 0.9; 1.8; 2.4; 2.6; 3.3; 5; 5.5; 8.2 136 Mẫu anten đề xuất báo tạo hoạt động đa băng cho ứng dụng băng rộng IoT băng 2.4GHz, 2.6Ghz, 5GHz mà kết hợp băng tần GHz, băng 900MHz cho hệ thống cảm biến Z-wave, ZigBee Khơng thế, anten đề xuất cịn có cấu trúc nhỏ với diện tích đạt 900mm2, 36% diện tích anten có tần số sub-GHz [5] 18% so sánh kích thước tổng thể IV [11] [12] KẾT LUẬN Trong báo này, anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch diot PIN để thay đổi hình dáng xạ dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng đề xuất Chỉ sử dụng PIN diot cho hai trạng thái anten có đến tần số hoạt động khác cho ứng dụng từ băng hẹp như: ZWave, ZigBee, RFID, Bluetooth đến băng rộng cho ứng dụng 5G IoT WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần 10 GHz, vệ tinh băng tần X Bên cạnh đó, với kích thước nhỏ gọn 30 x 30 x 1.6 mm3 anten phù hợp cho phần lớn thiết bị đầu cuối IoT cố định di động [13] [14] TÀI LIỆU THAM KHẢO [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 AlYasir, 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, 28th 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, 137 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 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 Ramesh Grag, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, “Microstrip Antenna Design Handbook,” Artech House Antennas and Propagation Library, 2001 CST MICROWAVE STUDIO® 2016 – Workflow and Solver Overview BAP65-02 Datasheet-E-Tech Electronics LTD  ... đặc biệt cho ứng dụng cảm biến IoT Bên cạnh đó, để tái cấu hình theo tần số khác nhau, kích thước tổng thể xạ anten tái cấu hình theo tần số công bố tương đối lớn, lớn 1600mm2 băng tần GHz Đặc... KẾT LUẬN Trong báo này, anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch diot PIN để thay đổi hình dáng xạ dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng đề xuất Chỉ sử dụng PIN diot cho hai trạng... anten tái cấu hình đa băng cơng bố thời gian gần Từ Bảng V dễ dàng nhận thấy, phần lớn mẫu anten tái cấu hình đa băng khơng kết hợp băng tần GHz (subGHz)[4], [5]-[11] cho dù băng tần phổ dụng truyền