Bài báo đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode hoặc RF MEMS nhằm tạo ra hai cấu hình có thể ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối di động GSM hoặc 4G-LTE.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Nghiên cứu cải thiện băng thơng ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số Hoàng Thị Phương Thảo Dương Thị Thanh Tú Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực Hà Nội, Việt Nam Email: thaohp@epu.edu.vn Khoa Viễn thông 1, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Hà Nội, Việt Nam Email: tudtt@ptit.edu.vn Vũ Thành Luân, Trương Ngọc Tân, Vũ Văn Yêm Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, Việt Nam Email: vuthanhluan.1992@gmail.com, truongngoctanbn@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn (Reconfigurable Antenna) với khả tự thay đổi tần số, phân cực hay đồ thị xạ đời giải pháp giải vấn đề [2-8] Điều đạt thơng qua việc điều khiển chuyển mạch sử dụng ăngten tái cấu MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN Diode, Diode biến dung hay phần tử quang dẫn, sử dụng vật liệu đặc biệt, thay đổi cấu trúc vật lý… Trong đó, hai kỹ thuật phổ biến sử dụng MEMS PIN Diode [2] Ăngten tái cấu hình quan tâm công bố số nghiên cứu sử dụng số kỹ thuật tái cấu hình khác để đạt tái cấu hình theo tần số, theo đồ thị xạ, theo phân cực [6-10] Mặc dù nghiên cứu ăngten tái cấu hình đạt nhiều thành tựu đáng kể, nhiên tồn số vấn đề tồn cần giải cải tiến cấu trúc ăngten nhằm tăng hiệu suất xạ, cải thiện băng thông giảm nhỏ kích thước ăngten Đặc biệt, thiết bị điện thoại di động u cầu kích thước gọn nhẹ, dễ tích hợp ngày yêu cầu khắt khe Với cấu hình linh hoạt, trọng lượng nhẹ chi phí chế tạo rẻ làm cho PIFAs (Printed Inverted-F Antennas) trở thành ăngten phổ biến sử dụng thiết bị vô tuyến cầm tay Tuy nhiên, với yêu cầu thiết bị cầm tay ngày phải nhỏ gọn dẫn đến việc phải giảm kích thước phần tử xạ, lớp đề ăngten PIFA Việc giảm nhỏ kích thước ăngten ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng, đồ thị xạ làm giảm băng thông ăngten Hiện này, có nhiều phương pháp để tăng băng thông ăngten đơn PIFA dùng phần tử ký sinh, thay đổi đặc tính vật liệu, xẻ rãnh đế [11] Tuy nhiên, ăngten tái cấu hình sử dụng cấu trúc PIFA việc sử dụng phương pháp để tăng băng thông phức tạp cấu hình khác ăngten ảnh hưởng lẫn nhau, cần nghiên cứu nhiều Tóm tắt—Bài báo đề xuất cấu trúc ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode RF MEMS nhằm tạo hai cấu hình ứng dụng thiết bị đầu cuối di động GSM 4G-LTE Trong báo, so sánh hai loại chuyển mạch thông dụng đưa đánh giá loại chuyển mạch, đồng thời đề xuất cấu trúc xẻ rãnh đế ăngten tái cấu hình Với việc xẻ rãnh mặt đế, băng thơng ăngten tăng lên khoảng 30MHz đến 40MHz so với ban đầu Từ khóa—ăngten tái cấu hình; RPIFA; cải tiến băng thơng RPIFA I GIỚI THIỆU Ngày nay, thông tin vô tuyến phát triển cách mạnh mẽ công nghệ thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu người dùng không liên lạc trao đổi thông tin mà nhu cầu giải trí lúc nơi Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi, giải pháp kỹ thuật sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến hệ nhằm đạt dung lượng lớn chất lượng cao thiết bị thu phát có khả thay đổi tham số để thích nghi với mơi trường kênh Vơ tuyến thơng minh nói chung vơ tuyến nhận thức nói riêng (Cognitive Radio – CR) đề xuất để giải vấn đề hiệu phổ tần nhằm sử dụng phổ tần cách thông minh, linh hoạt nhận ý ngày cao năm gần Vô tuyến thông minh cho phép thiết bị thu phát phát cách thông minh kênh tần số trống kênh dùng sử dụng linh hoạt phổ tần số vơ tuyến sẵn có [1] Trong hệ thống vơ tuyến thơng minh, ăngten đóng vai trò hết quan trọng thiết yếu Muốn thiết bị thu phát hoạt động hiệu điều kiện môi trường kênh vô tuyến thay đổi phổ tần bị hạn chế ăngten phải có tính thích nghi với mơi trường sử dụng phổ tần cách linh hoạt, hiệu Khái niệm ăngten tái cấu hình ISBN: 978-604-67-0349-5 Trong báo đề xuất cấu trúc ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng PIN diode 465 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ thơng tin (ECIT2014) BẢNG KÍCH THƯỚC CỦA ĂNGTEN RPIFA RF-MEMS Trong báo đưa số kết mô so sánh, đánh giá hai loại chuyển mạch ưu điểm PIN diode so với RF-MEMS Trong cấu trúc đề xuất này, phương pháp xẻ rãnh đế nhằm tăng băng thơng ăngten tái cấu hình thơng số trình bày kiểm nghiệm thông qua mô tối ưu sử dụng phần mềm chuyên dụng Tham số II THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF MEMS A Ký hiệu viết tắt Ăngten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN Diode Đầu tiên, đề xuất cấu trúc ăngten PIFA theo kiểu truyền thống, bao gồm phần tử xạ điện môi hình 1(a), mặt phẳng đế, shorting pin feeding pin (chân tiếp điện) Tần số cộng hưởng cho ăngten PIFA tính theo cơng thức (1) [4]: fr 40 Lpch Chiều dài tổng phần tử xạ 16 Ltd Chiều dài phần tử xạ tiếp điện Wpch Chiều rộng phần tử Wpch1 Chiều rộng tổng phần tử xạ Wpch2 Chiều rộng phần tử xạ 2.2 h Chiều cao ăngten rpin Bán kính shorting pin (SP) 0.4 18.5 SP2 Wpch1 Wpch Wpch2 Ltd 13 shorting pin (SP2) Wpch D1 Lpch (a) (b) Hình Cấu trúc ăngten RPIFA (a) Mặt trên, (b) 3D ISBN: 978-604-67-0349-5 Chiều rộng đế Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến Ypin1 1mm D2 Wgrd Shorting pin (SP1) fr tần số cộng hưởng mode (Hz) c: vận tốc ánh sáng không gian tự (m/s) W, L: chiều rộng dài phần tử phát xạ (m) SP2 40 Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến đó: Ypin2 Chiều dài đế Ypin1 (1) 4(W L) Giá trị (mm) Lgrd Ypin2 c Wpch2 Mô tả 466 Để tạo ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số, phần tử xạ có cấu trúc thay đổi cách dùng chuyển mạch PIN Diode Cấu trúc phần tử xạ với PIN diode (Di) hình 1(a) Một phần tử xạ nối với hai phần tử hai bên thông qua hai diode Ăngten có hai shorting pin tương ứng với hai phần tử xạ hình 1(b) Điện mơi sử dụng FR4 với số điện môi Ɛ = 4.4, chiều dày đế điện hsub=0.8mm Ăngten thiết kế theo lý thuyết theo công thức (1) để hoạt động dải tần 1.9GHz 2.4 GHz, nhiên cơng thức mang tính gần cịn nhiều tham số khác ảnh hưởng đến tần số hoạt động vị trí shorting pin, ảnh hưởng cấu hình lên cấu hình khác… Các tham số sau thiết kế tối ưu phần mềm CST để đạt thông số tốt (thể bảng 1) Cấu hình anten thay đổi nhờ chuyển mạch PIN diode Cấu trúc đề xuất có diode PIN Khi điện áp thuận chiều từ đến V đặt vào diode thơng (đóng mạch) ngược lại, điện áp ngược đặt vào diode làm cho tắt (hở mạch) Sự điều khiển đóng mở (ON – OFF) diode điện áp phân cực chiều làm thay đổi dòng điện chạy bề mặt xạ Trên lý thuyết, với diode tạo tối đa cấu hình, nhiên khơng phải tất cấu hình cho kết tốt Với cấu trúc này, có cấu hình xét ứng với trường hợp đóng mở diode D1-ON, D2-OFF (M1) D1-OFF, D2-ON (M2) Cấu hình M1 đạt cách cấp điện áp chiều phân cực thuận cho D1 phân cực ngược cho D2, cấu hình M2 đạt cách phân cực cho hai diode D1 D2 ngược lại với cấu Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) lựa chọn nên ưu tiên Tuy nhiên, hai trường hợp sử dụng PIN diode hay RF-MEMs với cấu cho kết băng thông hẹp, nhược điểm ăngten PIFA, phần III báo trình bày cách để cải thiện băng thơng ăngten PIFA tái cấu hình III THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF MEMS Sự chuyển mạch tạo cấu hình khác cho ăngten Ở cấu hình, hoạt động ăngten đơn thơng thường Vì thế, tồn nhược điểm lớn băng thông hẹp Để tăng khả ứng dụng cần phải kết hợp tái cấu hình phương pháp nhằm tăng băng thông.Với cấu trúc anten sử dụng chuyển mạch PIN diode, cách đơn giản đề xuất xẻ rãnh phần đế ăngten Cụ thể phần đế ăngten xẻ rãnh hình Cấu trúc ăngten cấu chuyển mạch khơng thay đổi Vị trí kích thước khe tối ưu sử dụng phần mềm thể bảng II Hình Kết mơ tham số S11 ăngten tái cấu hình tần số sử dụng PIN Diode hình M1 Với cấu hình tạo tần số cộng hưởng khác Việc mô thực dựa kết hợp CST Microwave Studio CST Design Kết mô phối hợp trở kháng đầu vào anten hình 2.Băng thơng ăngten đạt trạng thái M1 70MHz (từ 1.92 GHz đến 1.99 GHz) (1 phần GSM1900), trạng thái M2 140MHz (từ 2.17 GHz đến 2.31 GHz) với mô đun hệ số phản xạ |S11|