Giảm nhỏ kích thước cho anten PIFA tái cấu hình theo tần số bằng cấu trúc vòng chia cộng hưởng

Để thiết kế một cấu trúc CSRR áp dụng cho anten PIFA với tần số cộng hưởng mong muốn, kích thước hình học của cấu trúc CSRR được tối ưu bằng phần mềm CST với mục tiêu là [r]

GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC CHO ANTEN PIFA TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ BẰNG CẤU TRÚC VÒNG CHIA CỘNG HƯỞNG MINIATURIZATION OF FREQUENCY RECONFIGURABLE PIFA ANTENNA USING CSRR

Hoàng Thị Phương Thảo

Trường Đại học Điện lực

Ngày nhận bài: 3/12/2018, Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2018, Phản biện: TS Phan Xuân Vũ

Tóm tắt:

Bài báo trình bày cấu trúc vòng chia cộng hưởng CSRR (Complementary Split Ring Resonator) cho tần số 1,9 GHz Đồng thời, cấu anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode nhằm tạo hai cấu hình có tần số khác nhau, 1,9 GHz 2,1 GHz Để giảm nhỏ kích thước anten PIFA tái cấu hình theo tần số, cấu trúc CSRR đề xuất tích hợp vào mặt phẳng xạ anten Với việc tích hợp cấu trúc CSRR, kích thước anten giảm 29 % so với kích thước cấu trúc anten ban đầu Anten ứng dụng cho LTE 1,9 GHz 2,1 GHz thông tin vô tuyến nhận thức Anten thiết kế đế điện môi Rogers RT5880 mơ phần mềm CST

Từ khóa:

Anten tái cấu hình, PIFA tái cấu hình, siêu vật liệu, CSRR

Abstract:

This paper presents a design of Complementary Split Ring Resonator (CSRR) at resonant frequency of 1.9 GHz Besides, a frequency reconfigurable PIFA is proposed with two configurations at 1.9 GHz and 2.1 GHz In order to reduce its dimensions, the proposed CSRRs are loaded in the patch of the PIFA antenna By using the CSRR, the antenna dimension is reduced by 29 % compared with the PIFA antenna without CSRR The PIFA antenna is suitable for 1.9 GHz, 2.1 GHz LTE and cognitive radio It is designed on Rogers RT5880 substrate and simulated by CST software

Key words:

reconfigurable antenna, reconfigurable PIFA, MTM, CSRR

1 MỞ ĐẦU

Siêu vật liệu (metamaterials-MTMs) khái niệm xuất từ thập kỷ qua thu hút quan tâm nhà khoa học toàn giới Đây loại vật liệu nhân tạo có độ từ thẩm, số điện môi âm, với cấu trúc điển hình gồm có vịng chia cộng hưởng (Split Ring Resonator), vòng chia cộng hưởng bù

dụng nhiều lĩnh vực khác bao gồm lĩnh vực siêu cao tần Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu việc áp dụng cấu trúc CSRR để giảm nhỏ kích thước anten [6-10] Các cơng trình chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc CSRR để giảm nhỏ cho anten có dải tần hoạt động cố định Tuy nhiên, với đặc điểm môi trường vô tuyến thay đổi, anten truyền thống có dải tần hoạt động cố định khó thay đổi tham số nhằm đáp ứng với môi trường kênh vô tuyến vốn thường xuyên thay đổi Vì thế, anten tái cấu hình với khả tự thay đổi tần số hoạt động dải tần khác giải pháp tiềm sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) để giải vấn đề hiệu phổ tần, tự động chuyển đổi dải tần hoạt động, thích nghi với thay đổi môi trường kênh vô tuyến [11] Một anten tái cấu hình theo tần số thay số lượng anten đơn cách thay đổi cấu hình nhờ vào chuyển mạch tích hợp vào anten [12] Nhờ vậy, anten tái cấu hình góp phần giúp giảm nhỏ kích thước cho thiết bị vơ tuyến Tuy nhiên, vấn đề tiếp tục giảm nhỏ kích thước cho anten tái cấu hình theo tần số cần quan tâm, nghiên cứu Bài báo đề xuất cấu trúc CSRR hình chữ nhật để cộng hưởng tần số 1,9 GHz Sơ đồ tương đương cấu trúc CSRR việc tính tốn mơ số điện mơi cấu trúc trình bày bày báo để chứng minh cấu trúc đề xuất có số điện mơi âm

Đồng thời, cấu trúc CSRR áp dụng vào cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số đề xuất nhằm chứng tỏ khả giảm nhỏ kích thước cấu trúc CSRR anten tái cấu hình theo tần số Anten PIFA sử dụng điôt PIN nhằm đạt hai cấu hình tần số 1,9 Hz 2,1 Hz ứng dụng cho LTE Kích thước phần tử xạ anten PIFA tái cấu hình theo tần số đạt 27 x 35 mm chưa áp dụng cấu trúc CSRR đạt 24 mm×28 mm áp dụng cấu trúc CSRR Việc áp dụng cấu trúc CSRR vào anten tái cấu hình cho phép anten giảm kích thước 29 % Anten PIFA tái cấu hình theo tần số tích hợp CSRR đạt hệ số tăng ích 2,07 dBi cấu hình tần số 1,9 GHz 2,18 dBi cấu hình tần số 2,1 GHz Khi tần số thay đổi hai cấu hình, dạng đồ thị xạ anten gần không thay đổi

Các phần sau báo gồm: phần trình bày thiết kế cấu trúc CSRR ; phần trình bày thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo tần số ảnh hưởng cấu trúc CSRR anten PIFA tái cấu hình theo tần số đề xuất cuối phần kết luận báo

2 THIẾT KẾ CẤU TRÚC CSRR

(a)

(b)

Hình (a) Cấu trúc CSRR (b) sơ đồ tương đương [1]

Tần số cộng hưởng cấu trúc CSRR ba phần tử tính tốn xấp xỉ theo công thức (1) [1]

r rC

L f



2

0  (1)

trong đó, Cr đặc trưng mặt kim loại bao quanh lớp đất, độ tự cảm Lr

được tính tốn tương đương với cấu trúc CPW với kích thước 2*(a+b), độ rộng băng g độ rộng khe c Tuy nhiên, cơng thức có ý nghĩa mặt định tính điều chỉnh tần số cộng hưởng cấu trúc CSRR Để thiết kế cấu trúc CSRR áp dụng cho anten PIFA với tần số cộng hưởng mong muốn, kích thước hình học cấu trúc CSRR tối ưu phần mềm CST với mục tiêu số điện môi âm tần số thiết kế Cấu trúc phần tử CSRR khảo sát độc lập phần mềm CST tham số gồm

a, b, c, d tối ưu để phần tử cộng hưởng tần số mong muốn Hình tham số số điện mơi tính tốn

từ hệ số suy hao phản hồi S11 hệ số truyền đạt S12 khảo sát phần tử CSRR với mục đích áp dụng cho anten tái cấu hình PIFA theo tần số để giảm kích thước cấu hình tần số thấp Với kích thước cấu trúc CSRR sau tối ưu đạt a = 18 mm, b = mm, c = mm, d = mm, tần số 1,9 GHz số điện môi đạt giá trị âm (-2), cho thấy cấu trúc CSRR cộng hưởng tần số

Hình Hằng số điện mơi cấu trúc CSRR theo tần số

3 THIẾT KẾ ANTEN PIFA TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG ĐIƠT PIN TÍCH HỢP CẤU TRÚC CSRR

3.1 Anten PIFA tái cấu hình sử dụng điơt PIN

Đầu tiên, anten PIFA hoạt động tần số cố định 1,9 GHz Kích thước tổng anten tính tốn theo cơng thức (2) sau tối ưu phần mềm

) (

4W L

c fr



rộng dài phần tử xạ (m) Anten dựa cấu trúc PIFA truyền thống, anten bao gồm mặt phẳng đất có kích thước Wg × Lg = 38 × 40 mm, mặt

phẳng xạ có kích thước Ws × Ls =

27 × 35 mm, đế điện môi Rogers RT5880 với ε = 2,2, chiều dày đế điện hsub=0,8

mm, độ cao anten mm Giữa mặt phẳng xạ mặt phẳng đất nối với kim loại ngắn mạch Tiếp theo, để tạo anten PIFA tái cấu hình theo tần số, mặt phẳng đất anten xẻ rãnh tích hợp điơt PIN Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất hình

(a)

(b)

Hình Cấu trúc anten tái cấu hình khơng tích hợp cấu trúc CSRR: (a) Mặt trên; (b) Mặt Anten tái cấu hình theo tần số cách thay đổi trạng thái chuyển mạch điôt ON (bật) OFF (ngắt) Trạng thái điôt điều khiển nguồn chiều bên anten Điơt tích hợp cạnh mặt phẳng đất để nguồn cung cấp, mạch phân cực cho điôt ảnh hưởng đến hoạt động anten Cực dương điôt nối với mặt phẳng đất

thơng qua tụ điện C nhằm ngăn dịng chiều hai cực Ưu điểm diode PIN nguồn cấp chiều cho diode bé, từ 3-5 V, suy hao thấp, độ cách ly tốt, đặc biệt giá thành rẻ tốc độ chuyển mạch nhanh (cỡ từ 1-100 ns), nhanh so với tất loại chuyển mạch khác [7] Vì vậy, điơt PIN sử dụng phổ biến ứng dụng vô tuyến Điôt sử dụng thiết kế SMP1345 PIN với giá trị điện trở, tụ điện cuộn cảm RS =

Ω, L1 = 0,45 nH, CT = 0,2 pF, RP = kΩ,

có dải tần hoạt động từ 10 MHz đến GHz, hoàn toàn phù hợp tần số thiết kế có sơ đồ mạch tương đương hình Việc mơ thực dựa kết hợp CST Microwave Studio CST Design để khảo sát ảnh tham số điôt ảnh hưởng đến hoạt động anten Bằng cách sử dụng điơt, anten hoạt động hai trạng thái khác phụ thuộc vào trạng thái điôt Khi điôt trạng thái ON, tần số cộng hưởng anten gần tần số anten truyền thống ban đầu thiết kế chưa xẻ rãnh Khi điôt trạng thái OFF, tần số cộng hưởng anten dịch xuống khe xẻ rãnh làm tăng chiều dài điện anten Kết mô tham số |S11| biểu diễn hình

(a) (b)

Hình Kết mơ tham số |S11| của anten tái cấu hình tần số sử dụng

Hình Kết mô đồ thị xạ 3D và 2D (mặt phẳng XY XZ) tần sốf= 1,9 GHz

Từ đồ thị hình cho thấy, anten hoạt động cấu hình với hai tần số cộng hưởng khác Khi điôt trạng thái OFF, anten cộng hưởng tần số trung tâm 1,9 GHz với băng thông đạt 110 Mz (từ 1,88 đến 1,99 GHz) Ở trạng thái thứ 2, điơt ON, anten chuyển sang cấu hình tần số 2,1 GHz với băng thông đạt 153 MHz (từ 2,05 đến 2,21

GHz) Băng thông anten tính với tham số |S11| < 10 dB Hình

hình biểu diễn kết mơ đồ thị xạ 3D 2D mặt phẳng XY XZ anten hai cấu hình khác Từ kết mô đồ thị xạ anten cho thấy, hai cấu hình, đồ thị xạ gần không thay đổi Hệ số tăng ích cực đại hai cấu hình cao, đạt 2,84 dBi tần số 1,9 GHz 3,04 dBi tần số 2,1 GHz

Hình Kết mô đồ thị xạ 3D và 2D (mặt phẳng XY XZ) tần sốf= 2,1 GHz

3.2 Anten PIFA tái cấu hình sử dụng điơt PIN tích hợp cấu trúc CSRR

cấu trúc gồm ba phần tử CSRR thiết kế mục chèn vào mặt phẳng xạ anten hình Mặt phẳng xạ anten có kích thước W × L = 24 × 28 mm Kết mơ tham số |S11| biểu diễn hình cho thấy,

anten hoạt động hai cấu hình tần số khác với tần số cộng hưởng 1,9 GHz điôt trạng thái OFF 2,1 GHz điôt trạng thái ON

Hình Mặt phẳng xạ anten PIFA tái cấu hình sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Băng thông anten đạt 78 MHz cấu hình tần số 1,9 GHz 52 MHz cấu hình tần số 2,1 GHz Như vậy, tích hợp cấu trúc CSRR kích thước phần tử xạ anten từ 27 × 35 mm xuống cịn 24 × 28 mm, tương ứng với giảm 29 % Với cấu trúc này, anten cộng hưởng tốt với tham số |S11| giảm tới -35

dB cấu hình thứ -25 dB cấu hình thứ Tuy nhiên, nhược điểm thiết kế đề xuất băng thông anten giảm sử dụng cấu trúc CSRR Đây nhược điểm anten tích hợp cấu trúc siêu vật liệu Hình 10 hình 11 biểu diễn đồ thị xạ 3D đồ thị mặt phẳng XY, XZ anten hai cấu hình tần số 1,9 GHz 2,0 GHz Kết mô cho thấy hai cấu hình có đồ thị gần tương đương Ở cấu hình tần số

1,9 GHz, hệ số tăng ích cực đại anten đạt 2,07 dBi cấu hình tần số 2,1 GHz đạt 2,18 GHz So với cấu trúc anten PIFA không tích hợp CSRR hệ số tăng ích anten bị sụt giảm

Hình Kết mơ tham số |S11|

của anten PIFA tái cấu hình theo tần số tích hợp cấu trúc CSRR

Hình 11 Kết mơ đồ thị xạ với f=2,1 GHz

4 KẾT LUẬN

Bài báo thiết kế cấu trúc CSRR cho tần số 1,9 GHz, từ tích hợp vào cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số

để giảm kích thước anten Cấu trúc CSRR chứng minh cộng hưởng tần số 1,9 GHz thơng qua việc tính tốn số điện môi vật liệu cấu trúc Anten sử dụng chuyển mạch điôt PIN để đạt hai cấu hình tần số khác với tần số cộng hưởng trung tâm 1,9 GHz 2,1 GHz Đồ thị xạ hai cấu hình gần khơng thay đổi với hệ số tăng ích cực đại 2,07 dBi 2,18 dBi Để làm rõ ảnh hưởng cấu trúc CSRR đến việc giảm nhỏ kích thước anten, anten PIFA tái cấu hình theo tần số khơng sử dụng cấu trúc siêu vật liệu thiết kế tần số cộng hưởng anten So sánh kích thước anten có khơng sử dụng CSRR, kích thước anten tái cấu hình theo tần số sử dụng CSRR giảm 29% Mặc dù kích thước anten giảm nhỏ, anten đề xuất có hạn chế băng thông hẹp, nhược điểm chung anten PIFA Mẫu anten cần tiếp tục nghiên cứu để cải cải tiến, đặc biệt băng thông anten tương lai

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] G.V Eleftheriades and K.G Balmain, Negative Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications, New York, John Wiley & Sons, 2005

[2] Smith, D.R.; Padilla, W J.; Vier, D.C.; Nemat-Nasser S C & Schultz, “Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity ”, Physical Review Letters [3] Nader Engheta, “An Idea for Thin Subwavelength Cavity Resonators Using Metamaterials

With Negative Permittivity and Permeability” IEEE Antennas and Wireless propagation letters vol 1, 2002