Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng cho thiết bị di động 3G

Bài báo đề xuất một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L ứng dụng cho thiết bị di động 3G. Dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử đặt trên tấm mạch in sử dụng lớp điện môi FR4 (dày 1,6 mm), anten đề xuất có kích thước nhỏ gọn (25,2 mm × 14,8 mm), dễ chế tạo và có hệ số sóng đứng nhỏ hơn 2 trong cả dải tần 3G (1,9 GHz – 2,17 GHz).

Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng cho thiết bị di động 3G Hà Quốc Anh1,2, Nguyễn Quốc Định1, Đỗ Quốc Trinh1 Khoa Vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn, Hà Nội, Việt Nam Khoa Nghiệp vụ viễn thông, Đại học Thông tin liên lạc, Nha Trang, Việt Nam Email: haquocanh1812@gmail.com, dinhnq@mta.edu.vn, trinhdq@gmail.com Tóm tắt - Bài báo đề xuất cấu trúc anten phẳng dạng chữ L ứng dụng cho thiết bị di động 3G Dựa phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử đặt mạch in sử dụng lớp điện môi FR4 (dày 1,6 mm), anten đề xuất có kích thước nhỏ gọn (25,2 mm × 14,8 mm), dễ chế tạo có hệ số sóng đứng nhỏ dải tần 3G (1,9 GHz – 2,17 GHz) Sử dụng chương trình mơ để tối ưu cấu trúc tính tốn tham số anten nhằm kiểm nghiệm khả ứng dụng anten đề xuất thiết bị di động 3G Từ khóa – 3G; anten phẳng; anten tiểu hình I GIỚI THIỆU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ thiết bị khơng dây nhu cầu sử dụng thiết bị di động ngày tăng cao, hướng vào yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ, thẩm mỹ Điều dẫn đến cần thiết phải tiểu hình hóa thành phần thiết bị di động Trong đó, anten phần quan trọng cần thu nhỏ đặt anten vào bên thiết bị Gần đây, có nhiều kết nghiên cứu phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động công bố Kết đưa [1], [2] thiết kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần bao gồm băng tần công tác thiết bị di động 3G, anten có kích thước tương đối lớn H.M.R Nurul [3] đưa cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30 mm × 23 mm), dải tần công tác cho thiết bị di động 3G hẹp (40 MHz, với VSWR ≤ 2) D Bonefacic [4] đưa kết thiết kế anten loại mạch dải hoạt động tần số trung tâm 2,0 GHz, kích thước anten thu nhỏ băng thơng hẹp (26 MHz) M Karaboikis [5] đưa cấu trúc anten phẳng, dạng chữ F ngược cho thiết bị đầu cuối M.N Shakib [6] đưa cấu trúc anten phẳng dạng chữ W có hệ số tăng ích lớn có kích thước lớn (76 mm × 50 mm) K Sarabandi [7] đưa phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten với kích thước cỡ 0,05 λ × 0,05 λ Tuy nhiên, kích thước anten cịn tương đối lớn gặp khó khăn ứng dụng cho hệ thống MIMO ISBN: 978-604-67-0349-5 445 Trong báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G, dựa phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử [8], tạo anten có dạng chữ L Sử dụng phần mềm mô Ansoft HFSS (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) để tiến hành tính tốn, khảo sát anten phẳng dạng chữ L gắn mặt mạch in lớp kim loại đồng với lớp điện mơi FR4 dày 1,6 mm, kích thước mạch in tương đương kích thước thiết bị di động cầm tay Dải tần chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,2 GHz, bao trùm dải tần cơng tác thiết bị di động 3G Từ đó, thiết kế cấu trúc anten tiểu hình với kích thước 25,2 mm × 14,8 mm, cấu trúc anten có kích thước tổng thể nhỏ so với cấu trúc anten [1 - 6], bảo đảm dải thông tham số kỹ thuật khác anten Cấu trúc anten hoàn toàn đặt gọn bên khơng gian thiết bị di động đạt mục tiêu làm mỏng bề dày thiết bị di động Tiếp theo, tiến hành tối ưu cấu trúc anten nhằm đạt phối hợp trở kháng tốt với đường truyền đảm bảo dải thơng đủ rộng để bao trùm dải tần hoạt động thiết bị di động 3G Cuối cùng, tính tốn tham số anten trở kháng vào, hệ số sóng đứng, đồ thị xạ anten nhằm kiểm nghiệm khả ứng dụng anten đề xuất cho thiết bị di động 3G II CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG 3G A Các yêu cầu anten dùng cho thiết bị di động 3G Khi thiết kế anten cho thiết bị di động 3G, phải vào yêu cầu kích thước dải tần công tác thiết bị di động Thông thường, thiết bị di động 3G có kích thước chiều dài, chiều rộng chiều dày tương ứng 110 mm, 60 mm 12 mm Về dải tần công tác, thiết bị di động 3G Việt Nam hoạt động dải tần số từ 1,9 GHz đến 2,17 GHz Do vậy, anten thiết kế dùng cho thiết bị di động 3G phải thỏa mãn yêu cầu kích thước, dải tần số cơng tác Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) phải đảm bảo số yêu cầu tham số kỹ thuật khác sau: III • Kích thước anten phải đủ nhỏ để đặt gọn bên thiết bị di động, chiều cao h ≤ mm, chiều dài chiều rộng < 40 mm; • Trở vào anten khoảng 50 Ω (để phối hợp trở kháng tốt với đường truyền); Hệ số sóng đứng VSWR ≤ 2; • Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10 % B Cấu trúc anten đề xuất Hình mơ tả cấu trúc anten đề xuất Anten thiết kế mạch in lớp kim loại đồng, lớp điện môi FR4 (ε = 4,4, tanδ = 0,02) có kích thước 106 × 42 × 1,6 (mm3) l1 N Grounding point l5 l4 l3 N Feeding point FR4 plane y Antenna x L (a) 40 mm 90 mm x FR4 Ground plane Ground plane 105 × 40 × 0.035 [mm] + y z mm Hình Cấu trúc anten đề xuất (a) Mặt trên; (b) Mặt Mặt anten dạng chữ L (Hình 1a), kích thước anten 25,2 mm × 14,8 mm Mặt kim loại đồng, kích thước 90 mm × 40 mm làm mặt phản xạ cho anten (Hình 1b) Anten liên kết với đất (ground plane) hai điểm, điểm ngắn mạch điểm cấp nguồn Ban đầu, kích thước anten chấn tử xác định theo tần số công tác thiết bị di động 3G, để thu nhỏ kích thước tổng thể anten, sử dụng phương pháp uốn, gập chấn tử kết hợp phương pháp dùng phần mềm mô HFSS để xác định kích thước tối ưu cho anten đề xuất Kích thước thành phần cấu trúc anten sau khảo sát, tính tốn mơ tham số trở vào, hệ số sóng đứng, đồ thị xạ, đưa kết tối ưu Bảng BẢNG KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN ĐỀ XUẤT (MM) Giá trị 106 42 14,8 ISBN: 978-604-67-0349-5 Tham số l2 l3 l4 l5 Dải tần 3G (270 MHz) l1 = 15,3 mm 1.5 l1 = 14,8 mm l1 = 14,3 mm 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Frequency [GHz] Tần số [GHz] (b) Tham số L W N l1 Kết tính tốn phụ thuộc tham số l1 đến hệ số sóng đứng điện áp biểu diễn Hình Xét với VSWR ≤ 2, tăng chiều dài l1 chiều dài điện anten chấn tử đơn cực tăng, tần số cộng hưởng anten giảm Ngược lại, giảm chiều dài l1 tần số cộng hưởng anten tăng dải tần anten không bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G Để dải tần anten bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G chọn tham số l1 = 14,8 mm 2.0 W z Sự ảnh hưởng VSWR thay đổi l1 Hệ số sóng đứng điện áp VSWR VSWR l2 A Sự ảnh hưởng VSWR thay đổi tham số kích thước anten Để xác định tham số kích thước tối ưu cho anten, tiến hành khảo sát ảnh hưởng hệ số sóng đứng điện áp thay đổi tham số kích thước anten Hình Ảnh hưởng tham số l1 đến VSWR Dải tần 3G (270 MHz) 2.0 Hệ số sóng đứng điện áp VSWR VSWR • KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN l2 = 4,8 mm 1.5 l2 = 4,3 mm l2 = 3,8 mm 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Frequency Tần số [GHz] [GHz] Giá trị 4,3 2,5 1,3 25,2 Hình Ảnh hưởng tham số l2 đến VSWR 446 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thơng tin (ECIT2014) Hệ số sóng đứng điện áp VSWR VSWR sóng đứng điện áp anten biểu diễn Hình Từ Hình 6, dải thơng anten đạt 280 MHz (14 % so với tần số trung tâm) xét với hệ số sóng đứng VSWR ≤ Như vậy, dải thông anten bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G Dải tần 3G (270 MHz) 2.0 50j l5 = 25,7 mm 1.5 l5 = 25,2 mm 100j 25j l5 = 24,7 mm 2,01 GHz (50 Ω) 10j 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Frequency [GHz] Tần số [GHz] 10 25 250j 50 100 250 -10j Hình Ảnh hưởng tham số l5 đến VSWR -250j Sự ảnh hưởng VSWR thay đổi l2 Sự ảnh hưởng VSWR thay đổi l5 Tương tự tham số l1, tăng chiều dài l5 chiều dài điện anten chấn tử đơn cực tăng, tần số cộng hưởng anten giảm Hình Ngược lại, giảm chiều dài l5 chiều dài điện anten chấn tử đơn cực giảm làm cho tần số cộng hưởng anten tăng dải tần anten không bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G Để dải tần anten bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G chọn tham số l5 = 25,2 mm Tương tự trên, khảo sát ảnh hưởng VSWR thay đổi tham số khác anten, xác định kết kích thước tối ưu anten Bảng B Kết mô anten đề xuất Kết tính tốn tham số trở kháng vào anten sau tối ưu biểu diễn Hình Từ Hình 5, anten đạt cộng hưởng tần số 2,01 GHz trở kháng vào 50 Ω Như vậy, anten phối hợp trở kháng tốt với đường truyền Kết tính tốn hệ số ISBN: 978-604-67-0349-5 447 -25j -100j -50j Hình Trở kháng vào anten 280 MHz 2.0 Hệ số sóng VSWR đứng điện áp VSWR Kết tính tốn phụ thuộc tham số l2 đến hệ số sóng đứng điện áp biểu diễn Hình Xét với VSWR ≤ 2, tăng chiều dài l2 tăng khoảng cách vị trí cấp nguồn vị trí ngắn mạch anten xuống mặt kim loại, dẫn đến chiều dài điện anten chấn tử đơn cực giảm, làm cho tần số cộng hưởng anten tăng Ngược lại, giảm chiều dài l2 chiều dài điện anten chấn tử đơn cực tăng, làm cho tần số cộng hưởng anten giảm Tuy nhiên, hai trường hợp dải tần anten không bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G Để dải tần hoạt động anten (VSWR ≤ 2) bao trùm dải tần cơng tác thiết bị di động 3G chọn tham số l2 = 4,3 mm Dải tần 3G (270 MHz) 1.5 1,895 2,175 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Tần số [GHz] Frequency [GHz] Hình Hệ số sóng đứng điện áp anten Đồ thị xạ anten mặt phẳng xz mặt phẳng yz tần số 1,90 GHz, 2,01 GHz 2,17 GHz biểu diễn Hình 7a, 7b, 7c Trong nét liền ứng với mặt phẳng yz, nét đứt ứng với mặt phẳng xz Từ Hình 7, đồ thị xạ anten tương đối đồng dải tần khảo sát anten có xạ cực đại mặt phẳng yz Hệ số tăng ích cực đại anten dải tần khảo sát biểu diễn Hình Từ Hình 8, hệ số tăng ích cực đại anten dải tần 3G (1,9 GHz – 2,17 GHz) đạt 3,2 dBi đạt giá trị cực đại 3,9 dBi tần số 2,01 GHz Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ thơng tin (ECIT2014) Hình biểu diễn phân bố dịng điện bề mặt anten Từ Hình 9, phân bố dịng điện anten có khác nhau, cường độ dòng điện điểm cấp nguồn đạt giá trị lớn nhất, điểm ngắn mạch có mức trung bình mức thấp phía đoạn mạch dải l5 anten 330 300 Các kết cho thấy, mẫu anten đề xuất có kích thước nhỏ, phẳng, băng thơng rộng, sử dụng cho thiết bị di động 3G 270 300 270 240 210 -4 -8 -12 -16 -20 -24 -20 -16 -12 -8 -4 180 30 xz plane yz plane 240 60 210 90 300 270 240 210 -4 -8 -12 -16 -20 -24 -20 -16 -12 -8 -4 180 60 90 120 150 4.0 3,9 dBi 120 150 30 xz plane 3.5 3,2 dBi 3.0 2.5 1,90 yz plane 2,17 2.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Frequency Tần số[GHz] [GHz] 60 Hình Hệ số tăng ích cực đại anten 90 120 150 (b) ISBN: 978-604-67-0349-5 xz plane yz plane (c) (a) 330 30 Hình Đồ thị xạ anten tần số (a) f = 1,90 GHz; (b) f = 2,01 GHz; (c) f = 2,17 GHz Antenna PeakíchGain Hệ số tăng cực [dBi] đại 330 -4 -8 -12 -16 -20 -24 -20 -16 -12 -8 -4 180 Hình Phân bố dòng điện bề mặt anten 448 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) IV KẾT LUÂN ̣ Bài báo đề xuất cấu trúc anten tiểu hình cho thiết bị di động 3G Mẫu anten đạt kết sau: (i) Cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ 25,2 mm × 14,8 mm; (ii) Băng thông tương đối rộng (280 MHz), bao trùm dải tần công tác di động 3G, xét với VSWR ≤ 2; (iii) Hệ số tăng ích đồng đều, đạt 3,2 dBi dải tần công tác Trong thời gian tới, tác giả tiếp tục đề xuất phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho kích thước anten thu nhỏ mà đảm bảo yêu cầu dải thông tham số kỹ thuật khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] I Ahmed, I Shoaib, N Shoaib, A Rasheed, S Shoaib, “A Printed Hybrid Loop Planar Inverted-F Antenna for Next Generation Handheld Terminals,” 2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp 20442047, April, 2013 Y Ding, Z Du, K Gong, and Z Feng, “A Novel Dual-Band Printed Diversity Antenna for Mobile Terminals,” IEEE Trans Antennas Propag., Vol 55, No 7, pp 2088-2096, July, 2007 H.M.R Nurul, P.J Soh, A.A.H Azremi, N.A Saidatul, S.R Norra, M.I Ibrahim, R.B Ahmad, “A Dual Band Planar Monopole Antenna with Inverted-M Parasitic Plane,” Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics Proceedings, Dec 4-6, 2007 D Bonefacic, J Bartolic, “Small Antennas: Miniaturization Techniques and Applications,” ATKAFF 53(1), pp 20-30, 2012 M.Karaboikis, C.Soras, G.Tsachtsiris, V.Makios, “Compact Dual-Printed Inverted-F Antenna Diversity Systems for Portable Wireless Devices,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.3, pp 9-14, 2004 M.N Shakib, M.T Islam, and N Misran, “High gain W-shaped microtrip patch antenna,” IEICE Electronic Express, Vol.7, No 20, pp 2546-2551, Oct., 2010 K Sarabandi, R Azadegan, H Mosallaei, and J Harvey, “Antenna miniaturization techniques for applications in compact wireless transceivers,” XXVIIth General Assembly of URSI, Maastricht, The Netherlands, Aug 17-24, 2002 K Skrivervik, J F Zurcher, O Staub and J R Mosig, “PCS antenna design: The Challenge of Miniaturization,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol 43, No 4, Aug., 2001 ISBN: 978-604-67-0349-5 449 ... 42 × 1,6 (mm3) l1 N Grounding point l5 l4 l3 N Feeding point FR4 plane y Antenna x L (a) 40 mm 90 mm x FR4 Ground plane Ground plane 105 × 40 × 0.035 [mm] + y z mm Hình Cấu trúc anten đề xuất... l1 tần số cộng hưởng anten tăng dải tần anten không bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G Để dải tần anten bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G chọn tham số l1 = 14,8 mm 2.0 W... hưởng anten giảm Tuy nhiên, hai trường hợp dải tần anten không bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G Để dải tần hoạt động anten (VSWR ≤ 2) bao trùm dải tần công tác thiết bị di động 3G chọn