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

kĩ thuật gập, bẻ áp dụng cho anten đơn cực trên chất nền FR4. Anten PIFA được thiết kế có kích thước nhỏ gọn (21 × 14,5 × 3 mm3), băng thông khá rộng 380 MHz (VSWR ≤ 2) và hoạt động ở dải tần 3G. Nhóm tác giả sử dụng chương trình mô phỏng HFSS của Ansoft để tính toán, mô phỏng các thông số của anten như trở kháng vào, tỉ số sóng đứng, băng thông và độ lợi đỉnh; đồng thời cải thiện cấu trúc anten PIFA cho các ứng dụng của các thiết bị di động 3G. 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 đang ngày càng phổ biến. Chúng rất hữu ích trong việc giao tiếp cũng như thu nhận các nguồn thông tin. Chúng ta luôn hướng đến những thiết bị di động tiện lợi, nhỏ gọn, mảnh và nhẹ. Để thỏa mãn những yêu cầu này, việc thu nhỏ kích thước các thiết bị là cần thiết, đặc biệt là kích thước của anten phải được tối thiểu hóa để đặt vào thiết bị mà vẫn đảm bảo các đặc tính bức xạ và băng thông. Nhiều nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc tiêu biểu của anten cho thiết bị di động. D. Bonefacic [1] đề xuất thiết kế anten vi dải làm việc ở tần số trung tâm 2 GHz và có kích thước nhỏ (30 × 12,9 × 5 mm3) nhưng băng thông lại quá hẹp (26 MHz). Y. Kim [2] đề xuất hệ thống anten cho thiết bị cầm tay tương lai nhưng kích thước anten vẫn còn lớn. K. Skrivervik [3] đề xuất thiết kế anten kích thước nhỏ hơn (23 × 14 × 5 mm3) cho các 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 × 5 mm3) và sau đó là [5] thiết kế tối ưu anten PIFA cho thiết bị 3G với kích thước (21 × 14,5 × 4 mm3) và băng thông (272 MHz). Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng anten PIFA đặt trên mặt phẳng đất thiết kế cho thiết bị di động và khảo sát dải tần 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 × 3 mm3 nên kích thước tổng thể sẽ nhỏ, mảnh hơn anten của các bài báo trên và vẫn đảm bảo băng thông cần thiết. Các thông số được khảo sát: tỉ số điện áp sóng đứng VSWR, trở kháng vào và độ lợi đỉnh được tính toán cho ứng dụng của các thiết bị 3G. II. CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT A. Cấu trúc anten đơn cực, chữ L và chữ F 1) Anten đơn cực Xét cấu trúc của một 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) và vận tốc ánh sáng (3. 108 m/s), một phần tư bước sóng là 37,5 mm. Vậy chiều dài anten là 37,5 mm. Vì mặt phẳng đất khi mô phỏng có độ dài hữu hạn nên chiều dài anten được hiệu chỉnh về l = 33 mm. Anten rộng w = 1 mm và dày 0,1 mm được gắn với 1 bản kim loại (đồng) dài L = 80 mm và rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm. Hình 1. Anten đơn cực Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 407 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Frequency (GHz) V S W R Hình 2. Kết quả mô phỏng VSWR của anten đơn cực Từ kết quả ở hình 2 cho thấy băng thông của anten đơn cực là 230 MHz (từ 1,89 GHz đến 2,12 GHz) và VSWR ≤ 2. Tuy nhiên, kích thước anten khá lớn nên để giảm chiều dài anten, tiếp tục bẻ gập anten đơn cực thành anten chữ L. 2) Anten chữ L Xét anten hình chữ L với 2 đoạn l1 = 28 mm, l2 = 5 mm, rộng 1 mm, dày 0,1 mm được gắn với một bản kim loại (đồng) dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm. Hình 3. Anten chữ L 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Frequency (GHz) V S W R Hình 4. Kết quả mô phỏng VSWR của anten chữ L Từ kết quả ở hình 4 cho thấy băng thông của anten chữ L là 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR ≤ 2 và kích thước anten chữ L nhỏ hơn so với kích thước anten đơn cực. Tiếp đến, tiếp tục bẻ gập anten chữ L thành anten chữ F. 3) Anten chữ F Xét anten hình chữ F với kích thước l1 = 26,5 mm, l2 = 6 mm, l3 = 4 mm và l4 = 16 mm, rộng 1 mm, dày 0,1 mm được gắn với một bản kim loại (đồng) dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm. Hình 5. Anten chữ F Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 408 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Frequency (GHz) V S W R Hình 6. Kết quả mô phỏng VSWR của anten chữ F Từ kết quả ở hình 6 cho thấy băng thông của anten chữ F là 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR ≤ 2 và kích thước anten chữ F nhỏ hơn kích thước của anten đơn cực và anten chữ L ở trên. B. Những yêu cầu chính của anten cho thiết bị di động 3G Thông thường, thiết bị 3G có độ dài 110 mm, rộng 60 mm và dày 12 mm. Hiện tại, hệ thống 3G ở Việt Nam hoạt động ở dải tần 1,9 GHz đến 2,17 GHz. Vậy các yêu cầu chính cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G là:  Kích thước anten đủ nhỏ để đặt trong thiết bị di động: độ cao nhỏ hơn 5 mm, độ dài và rộng nhỏ hơn 40 mm.  Trở kháng vào của anten có thể đạt 50 Ω ở tần số trung tâm để đảm bảo phối hợp trở kháng với feeder.  VSWR ≤ 2.  Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10%, ≥ 200 MHz. C. Cấu trúc anten đề xuất Anten gắn cố định trên chất nền FR4 (ε = 4,4, tanδ = 0,02) có kích thước 40 × 14,5 × 3 mm3. Cả anten và chất nền đều đặt trên 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 và dùng chất nền FR4 để làm rắn cấu trúc (tham khảo từ bài báo [5]). Hơn nữa, để đảm bảo trở kháng vào của anten cần thay đổi dòng bằng cách thay đổi khoảng cách giữa điểm cấp nguồn và các điểm kết nối, đồng thời thêm các đoạn vi dải hình chữ U, L. Những đoạn vi dải này sẽ thay đổi phân bố dòng của anten, dẫn đến thay đổi trở kháng vào và vì thế đảm bảo phối hợp trở kháng. Ngoài ra, anten được cải thiện vẫn phải đảm bảo mở rộng băng thông và kích thước nhỏ. Hình 7. Anten PIFA đặt trên mặt đất Hình 8. Chi tiết kích thước của anten PIFA Anten liên kết với mặt phẳng đất theo điểm nguồn và điểm đất (Hình 8). Anten gồm những đoạn vi dải bằng đồng rộng w2 = 1 mm, dày 0,1 mm. Kích thước tổng thể của anten là dài w3 = 21 mm, rộng w1 = 14,5 mm và cao h = 3 mm. Khoảng trống giữa điểm nguồn và điểm đất là l5 = 8,2 mm. Ngoại trừ những đoạn vi dải liên kết với mặt đất, những đoạn còn lại cố định trên chất nền và song song với đất. Bảng 1: Kích thước của anten PIFA sau khi cải tiến (mm) Thông số Giá trị Thông số Giá trị L 70 l3 14,2 W 40 l4 12,5 h 3 l5 8,2 s 1,4 l6 9,8 w1 14,5 l7 10,5 w3 20,7 l8 3 l1 10,7 l9 7,6 l2 6,8 l10 4,8 Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1. Anten có ba hình chữ L tạo bởi hai đoạn l1, l2; l9, l10 và l6, l7; có hình chữ U tạo bởi và l4, s. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 409 III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của anten đề xuất được cho ở hình 9. Trở kháng vào của anten có thể đạt xấp xỉ 37 Ω ở tần số cộng hưởng 2,04 GHz. Băng thông của anten đề xuất là 380 MHz (từ 1,84 GHz đến 2,22 GHz) (>18 % khi so sánh với tần số trung tâm), VSWR ≤ 2. Vì thế, dải tần của anten đề xuất bao phủ dải tần 3G (270 MHz). Kết quả này chỉ ra anten đề xuất có băng thông rộng nhất khi so sánh với các bài báo trước đó. 1.8 2 2.2 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Frequency (GHz) V S W R VSWR of PIFA after enhancement 1.8 2 2.2 -40 -20 0 20 40 60 80 Frequency (GHz) Z ( O h m ) Input impedance of PIFA after enhancement re(Z) im(Z) Hình 9. VSWR và trở kháng vào của anten PIFA sau cải tiến Hình 10 là kết quả mô phỏng độ lợi đỉnh của anten PIFA sau khi cải tiến. Độ lợi của anten lớn hớn hoặc bằng 3,6 dBi trong cả dải tần 3G. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng cấu trúc anten đề xuất có thể được ứng dụng trong các thiết bị di động 3G. 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 3 3.5 4 4.5 Frequency (GHz) P e a k G a in ( d B i) Hình 10. Độ lợi đỉnh của anten PIFA sau cải tiến IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG VIỆC LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC ANTEN Với mục đích giảm thiểu kích thước của anten, nhóm tác giả thực hiện phân khe cho anten qua nhiều lần mô phỏng. Sau khi tham khảo bài báo [5], cấu trúc của anten PIFA đã được phân khe bắt đầu từ đoạn l10. Hình 11 biểu diễn VSWR của anten khi lần lượt thay đổi l10 bởi các đoạn 2,8 mm, 4,8 mm và 6,8 mm; Khi l10 bằng 6,8 mm, mặc dù VSWR ≤ 2, dải tần trong trường hợp này không bao phủ dải tần 3G. Khi l10 bằng 2,8 mm, VSWR ≤ 2 nhưng tần số công tác khá xa tần số trung tâm 2 GHz. Vì thế, thông số thích hợp đó là l10 = 4,8 mm vì đảm bảo bao phủ dải tần 3G với tần số cộng hưởng là 2,04 GHz (VSWR ≤ 2). Khi lần lượt thay đổi chiều dài mặt đất L bởi các đoạn 60 mm, 70 mm và 80 mm. Khi L bằng 80 mm, dải tần của anten không bao phủ dải tần 3G. Còn khi L bằng 60 mm, mặc dù VSWR ≤ 2 nhưng tần số công tác của anten xa so với tần số trung tâm. Vì thế, thông số thích hợp đó là L = 70 mm vừa đảm bảo bao phủ dải tần 3G (VSWR ≤ 2) và đảm bảo kích thước mặt đất đủ nhỏ để đặt trong thiết bị di động. 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 1 1.5 2 Frequency (GHz) V S W R VSWR of PIFA after changing l10 l10 = 2.8 mm l10 = 4.8 mm l10 = 6.8 mm 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 1 1.5 2 Frequency (GHz) V S W R VSWR of PIFA after changing L L = 60 mm L = 70 mm L = 80 mm Hình 11. Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi thay đổi l10 và L V. KẾT QUẢ SO SÁNH Trong bài báo [5], anten đề xuất có kích thước (21 × 14,5 × 4 mm3) và băng thông (272 MHz). Hình 12 là kết quả so sánh VSWR của anten PIFA trong bài báo [5] và VSWR của anten PIFA trong bài báo này. Kết quả so sánh chỉ ra băng thông của anten PIFA trong bài báo này (380 MHz) lớn hơn băng thông của anten trong bài báo [5] (272 MHz, VSWR ≤ 2) và bao phủ dải tần 3G ở Việt Nam. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã tận dụng tối ưu không gian cho phép để thiết kế anten đảm bảo chiều dài điện của anten tăng (thêm đoạn gấp khúc l9 và Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 410 l10) mặc dù kích thước tổng thể (thể tích) của anten giảm so với các thiết kế trước đó. 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Frequency (GHz) V S W R the paper in the reference [5] this paper Hình 12. Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA trong bài báo tham khảo [5] và trong bài báo này VI. KẾT LUẬN Những kết quả đạt được sau khi cải thiện cấu trúc anten PIFA:  Kích thước nhỏ 21 × 14,5 × 3 mm3  Băng thông rộng 380 MHz (18 %, VSWR ≤ 2) bao phủ rộng băng tần 3G của Việt Nam.  Độ lợi lớn hơn hoặc bằng 3,6 dBi trong cả dải tần 3G. Trong tương lai, tác giả sẽ tiếp tục cải thiện cấu trúc anten để giảm độ dày anten mà vẫn đảm bảo băng thông cùng các thông số khác và anten có thể hoạt động ở dải tần rộng hơn. LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến chuyên môn của TS. Nguyễn Quốc Định cùng các nhà khoa học tham gia phản biện. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D. Bonefacic, J. Bartolic, “Small antennas: Miniaturization Techniques and Applications”, ATKAFF 53(1), 20-30, 2012. [2] 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. [3] 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. [4] 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. [5] 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. [6] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory”, Chapter 4 and 9, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, Third edition. [7] H. Arai, “Advanced design of electrically small antennas”, Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, 2014. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 411