Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di động 3G

Bài báo trình bày cấu trúc của các anten cơ bản như anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F để đưa ra các hướng phát triển trong việc cải thiện cấu trúc anten. Từ đó, bài báo trình bày một phương pháp cải tiến cấu trúc của anten PIFA bằng các kĩ thuật gập, bẻ áp dụng cho anten đơn cực trên chất nền FR4.

Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Cải tiến cấu trúc anten PIFA cho thiết bị di động 3G TS Trần Thị Hương, Nguyễn Thanh Hằng Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Việt Nam Email: tranhuong@dut.edu.vn, sun411moon@gmail.com từ 1,8 GHz đến 2,3 GHz (bao phủ băng tần 3G: 1,9 GHz đến 2,17 GHz) Anten đề xuất có kích thước 21 × 14,5 × mm3 nên kích thước tổng thể nhỏ, mảnh anten báo đảm bảo băng thông cần thiết Các thông số khảo sát: tỉ số điện áp sóng đứng VSWR, trở kháng vào độ lợi đỉnh tính tốn cho ứng dụng thiết bị 3G Tóm tắt—Bài báo trình bày cấu trúc các anten anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F để đưa các hướng phát triển việc cải thiện cấu trúc anten Từ đó, bài báo trình bày phương pháp cải tiến cấu trúc anten PIFA các kĩ thuật gập, bẻ áp dụng cho anten đơn cực chất FR4 Anten PIFA thiết kế có kích thước nhỏ gọn (21 × 14,5 × mm3), băng thông khá rộng 380 MHz (VSWR ≤ 2) và hoạt động dải tần 3G Nhóm tác giả sử dụng chương trình mơ HFSS Ansoft để tính toán, mô các thông số anten trở kháng vào, tỉ số sóng đứng, băng thơng và độ lợi đỉnh; đồng thời cải thiện cấu trúc anten PIFA cho các ứng dụng các thiết bị di động 3G II A Cấu trúc anten đơn cực, chữ L chữ F 1) Anten đơn cực Xét cấu trúc anten đơn cực tiêu chuẩn Trong thực tế, anten đơn cực có chiều dài thỏa mãn ¼ bước sóng Với tần số trung tâm (2 GHz) vận tốc ánh sáng (3 108 m/s), phần tư bước sóng 37,5 mm Vậy chiều dài anten 37,5 mm Vì mặt phẳng đất mơ có độ dài hữu hạn nên chiều dài anten hiệu chỉnh l = 33 mm Anten rộng w = mm dày 0,1 mm gắn với kim loại (đồng) dài L = 80 mm rộng W = 40 mm dày 0,1 mm Từ khóa—thiết bị 3G, anten đơn cực, anten chữ L, anten chữ F, anten kích thước nhỏ I NÊU VẤN ĐỀ Ngày nay, thiết bị di động ngày phổ biến Chúng hữu ích việc giao tiếp thu nhận nguồn thông tin Chúng ta hướng đến thiết bị di động tiện lợi, nhỏ gọn, mảnh nhẹ Để thỏa mãn yêu cầu này, việc thu nhỏ kích thước thiết bị cần thiết, đặc biệt kích thước anten phải tối thiểu hóa để đặt vào thiết bị mà đảm bảo đặc tính xạ băng thơng Nhiều nghiên cứu đề xuất cấu trúc tiêu biểu anten cho thiết bị di động D Bonefacic [1] đề xuất thiết kế anten vi dải làm việc tần số trung tâm GHz có kích thước nhỏ (30 × 12,9 × mm3) băng thơng lại hẹp (26 MHz) Y Kim [2] đề xuất hệ thống anten cho thiết bị cầm tay tương lai kích thước anten cịn lớn K Skrivervik [3] đề xuất thiết kế anten kích thước nhỏ (23 × 14 × mm3) cho thiết bị di động 3G N Q Dinh [4] đề xuất phương pháp tối ưu cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G với kích thước (23 × 14 × mm3) sau [5] thiết kế tối ưu anten PIFA cho thiết bị 3G với kích thước (21 × 14,5 × mm3) băng thơng (272 MHz) Hình Anten đơn cực Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô anten PIFA đặt mặt phẳng đất thiết kế cho thiết bị di động khảo sát dải tần ISBN: 978-604-67-0349-5 CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT 407 2 1.9 1.9 1.8 1.8 1.7 1.7 VSWR VSWR Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) 1.6 1.6 1.5 1.5 1.4 1.4 1.3 1.3 1.2 1.8 1.85 1.9 1.95 2.05 Frequency (GHz) 2.1 2.15 1.2 1.8 2.2 1.85 1.9 1.95 2.05 Frequency (GHz) 2.1 2.15 2.2 Hình Kết mơ VSWR anten đơn cực Hình Kết mô VSWR anten chữ L Từ kết hình cho thấy băng thơng anten đơn cực 230 MHz (từ 1,89 GHz đến 2,12 GHz) VSWR ≤ Tuy nhiên, kích thước anten lớn nên để giảm chiều dài anten, tiếp tục bẻ gập anten đơn cực thành anten chữ L Từ kết hình cho thấy băng thơng anten chữ L 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR ≤ kích thước anten chữ L nhỏ so với kích thước anten đơn cực Tiếp đến, tiếp tục bẻ gập anten chữ L thành anten chữ F 2) Anten chữ L Xét anten hình chữ L với đoạn l1 = 28 mm, l2 = mm, rộng mm, dày 0,1 mm gắn với kim loại (đồng) dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm dày 0,1 mm 3) Anten chữ F Xét anten hình chữ F với kích thước l1 = 26,5 mm, l2 = mm, l3 = mm l4 = 16 mm, rộng mm, dày 0,1 mm gắn với kim loại (đồng) dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm dày 0,1 mm Hình Anten chữ L Hình Anten chữ F ISBN: 978-604-67-0349-5 408 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) 1.9 1.8 VSWR 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.8 1.85 1.9 1.95 2.05 Frequency (GHz) 2.1 2.15 2.2 Hình Anten PIFA đặt mặt đất Hình Kết mơ VSWR anten chữ F Từ kết hình cho thấy băng thơng anten chữ F 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR ≤ kích thước anten chữ F nhỏ kích thước anten đơn cực anten chữ L B Những yêu cầu anten cho thiết bị di động 3G Thông thường, thiết bị 3G có độ dài 110 mm, rộng 60 mm dày 12 mm Hiện tại, hệ thống 3G Việt Nam hoạt động dải tần 1,9 GHz đến 2,17 GHz Vậy yêu cầu cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G là:     Hình Chi tiết kích thước anten PIFA Kích thước anten đủ nhỏ để đặt thiết bị di động: độ cao nhỏ mm, độ dài rộng nhỏ 40 mm Trở kháng vào anten đạt 50 Ω tần số trung tâm để đảm bảo phối hợp trở kháng với feeder VSWR ≤ Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10%, ≥ 200 MHz Anten liên kết với mặt phẳng đất theo điểm nguồn điểm đất (Hình 8) Anten gồm đoạn vi dải đồng rộng w2 = mm, dày 0,1 mm Kích thước tổng thể anten dài w3 = 21 mm, rộng w1 = 14,5 mm cao h = mm Khoảng trống điểm nguồn điểm đất l5 = 8,2 mm Ngoại trừ đoạn vi dải liên kết với mặt đất, đoạn lại cố định chất song song với đất Bảng 1: Kích thước anten PIFA sau cải tiến (mm) C Cấu trúc anten đề xuất Anten gắn cố định chất FR4 (ε = 4,4, tanδ = 0,02) có kích thước 40 × 14,5 × mm3 Cả anten chất đặt mặt phẳng đất kích thước 70 × 40 × 0,1 mm3 (hình 7) Để cải thiện cấu trúc anten, áp dụng phương pháp bẻ, gập, phân khe dùng chất FR4 để làm rắn cấu trúc (tham khảo từ báo [5]) Hơn nữa, để đảm bảo trở kháng vào anten cần thay đổi dòng cách thay đổi khoảng cách điểm cấp nguồn điểm kết nối, đồng thời thêm đoạn vi dải hình chữ U, L Những đoạn vi dải thay đổi phân bố dòng anten, dẫn đến thay đổi trở kháng vào đảm bảo phối hợp trở kháng Ngoài ra, anten cải thiện phải đảm bảo mở rộng băng thơng kích thước nhỏ ISBN: 978-604-67-0349-5 Thông số Giá trị Thông số Giá trị L W h s w1 w3 l1 l2 70 40 1,4 14,5 20,7 10,7 6,8 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 14,2 12,5 8,2 9,8 10,5 7,6 4,8 Kích thước chi tiết anten cho bảng Anten có ba hình chữ L tạo hai đoạn l1, l2; l9, l10 l6, l7; có hình chữ U tạo l4, s 409 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) III IV KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Kết mơ VSWR trở kháng vào anten đề xuất cho hình Trở kháng vào anten đạt xấp xỉ 37 Ω tần số cộng hưởng 2,04 GHz Băng thông anten đề xuất 380 MHz (từ 1,84 GHz đến 2,22 GHz) (>18 % so sánh với tần số trung tâm), VSWR ≤ Vì thế, dải tần anten đề xuất bao phủ dải tần 3G (270 MHz) Kết anten đề xuất có băng thơng rộng so sánh với báo trước VSWR of PIFA after enhancement Với mục đích giảm thiểu kích thước anten, nhóm tác giả thực phân khe cho anten qua nhiều lần mô Sau tham khảo báo [5], cấu trúc anten PIFA phân khe đoạn l10 Hình 11 biểu diễn VSWR anten thay đổi l10 đoạn 2,8 mm, 4,8 mm 6,8 mm; Khi l10 6,8 mm, VSWR ≤ 2, dải tần trường hợp không bao phủ dải tần 3G Khi l10 2,8 mm, VSWR ≤ tần số công tác xa tần số trung tâm GHz Vì thế, thơng số thích hợp l10 = 4,8 mm đảm bảo bao phủ dải tần 3G với tần số cộng hưởng 2,04 GHz (VSWR ≤ 2) Khi thay đổi chiều dài mặt đất L đoạn 60 mm, 70 mm 80 mm Khi L 80 mm, dải tần anten khơng bao phủ dải tần 3G Cịn L 60 mm, VSWR ≤ tần số công tác anten xa so với tần số trung tâm Vì thế, thơng số thích hợp L = 70 mm vừa đảm bảo bao phủ dải tần 3G (VSWR ≤ 2) đảm bảo kích thước mặt đất đủ nhỏ để đặt thiết bị di động Input impedance of PIFA after enhancement 80 re(Z) im(Z) 1.9 1.8 60 1.7 40 Z (Ohm) VSWR 1.6 1.5 20 1.4 1.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG VIỆC LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC ANTEN 1.2 -20 1.1 VSWR of PIFA after changing l10 -40 1.8 2.2 Frequency (GHz) 2.2 Frequency (GHz) VSWR 1.8 1.5 l10 = 2.8 mm l10 = 4.8 mm l10 = 6.8 mm Hình VSWR trở kháng vào anten PIFA sau cải tiến 1.8 Hình 10 kết mô độ lợi đỉnh anten PIFA sau cải tiến Độ lợi anten lớn hớn 3,6 dBi dải tần 3G Kết mô cấu trúc anten đề xuất ứng dụng thiết bị di động 3G 1.85 1.9 1.95 2.05 2.1 2.15 Frequency (GHz) VSWR of PIFA after changing L 2.2 2.25 2.3 2.2 2.25 2.3 VSWR 1.5 L = 60 mm L = 70 mm L = 80 mm 4.5 1.8 1.85 1.9 1.95 2.05 2.1 Frequency (GHz) 2.15 Peak Gain (dBi) Hình 11 Kết mơ VSWR anten PIFA sau thay đổi l10 L V Trong báo [5], anten đề xuất có kích thước (21 × 14,5 × mm3) băng thơng (272 MHz) Hình 12 kết so sánh VSWR anten PIFA báo [5] VSWR anten PIFA báo Kết so sánh băng thông anten PIFA báo (380 MHz) lớn băng thông anten báo [5] (272 MHz, VSWR ≤ 2) bao phủ dải tần 3G Việt Nam Trong báo này, nhóm tác giả tận dụng tối ưu không gian cho phép để thiết kế anten đảm bảo chiều dài điện anten tăng (thêm đoạn gấp khúc l9 3.5 1.8 1.85 1.9 1.95 2.05 2.1 Frequency (GHz) 2.15 2.2 2.25 2.3 Hình 10 Độ lợi đỉnh anten PIFA sau cải tiến ISBN: 978-604-67-0349-5 KẾT QUẢ SO SÁNH 410 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) trúc anten để giảm độ dày anten mà đảm bảo băng thông thông số khác anten hoạt động dải tần rộng l10) kích thước tổng thể (thể tích) anten giảm so với thiết kế trước 1.9 LỜI CẢM ƠN 1.8 Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến chuyên môn TS Nguyễn Quốc Định nhà khoa học tham gia phản biện 1.7 VSWR 1.6 1.5 1.4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.3 [1] 1.2 1.8 [2] the paper in the reference [5] this paper 1.1 1.85 1.9 1.95 2.05 2.1 Frequency (GHz) 2.15 2.2 2.25 2.3 [3] Hình 12 Kết mơ VSWR anten PIFA báo tham khảo [5] báo VI [4] KẾT LUẬN Những kết đạt sau cải thiện cấu trúc anten PIFA:    [5] Kích thước nhỏ 21 × 14,5 × mm3 Băng thông rộng 380 MHz (18 %, VSWR ≤ 2) bao phủ rộng băng tần 3G Việt Nam Độ lợi lớn 3,6 dBi dải tần 3G Trong tương lai, tác giả tiếp tục cải thiện cấu ISBN: 978-604-67-0349-5 [6] [7] 411 D Bonefacic, J Bartolic, “Small antennas: Miniaturization Techniques and Applications”, ATKAFF 53(1), 20-30, 2012 Y Kim, H Morishita, Y Koyanagi, K Fujimoto, “A folded Loop Antenna System for handsets Developed and Based on the advanced Design Concept”, IEICE Trans Commun., vol.E84-B, no.9, pp.2468-2475, Sept.2001 K Skrivervik, J F Zurcher, O Staub and J R Mosig, “PCS antenna design: The Challenge of Miniatureization”, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.43, No.4, Aug., 2001 H Q Anh, N Q Dinh, D Q Trinh, “A method to miniaturize antenna structure for the 3G mobile device”, The 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC’13), pp.191-194, Oct 16-18, 2013 H Q Anh, N Q Dinh, “The Optimum Design of PIFA for the 3G mobile device”, The institute of electronics, Informatin and Communication Engineers, Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, 2014 Constantine A Balanis, “Antenna Theory”, Chapter and 9, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, Third edition H Arai, “Advanced design of electrically small antennas”, Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, 2014  ... lợi đỉnh anten PIFA sau cải tiến Độ lợi anten lớn hớn 3,6 dBi dải tần 3G Kết mô cấu trúc anten đề xuất ứng dụng thiết bị di động 3G 1.85 1.9 1.95 2.05 2.1 2.15 Frequency (GHz) VSWR of PIFA after... cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G là:     Hình Chi tiết kích thước anten PIFA Kích thước anten đủ nhỏ để đặt thiết bị di động: độ cao nhỏ mm, độ dài rộng nhỏ 40 mm Trở kháng vào anten đạt... thước anten đơn cực anten chữ L B Những yêu cầu anten cho thiết bị di động 3G Thông thường, thiết bị 3G có độ dài 110 mm, rộng 60 mm dày 12 mm Hiện tại, hệ thống 3G Việt Nam hoạt động dải tần 1,9