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

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). Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu cấu trúc và tính toán các tham số của anten nhằm kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của anten đề xuất trong các thiết bị di động 3G. Từ khóa – 3G; anten phẳng; anten tiểu hình. I. GIỚI THIỆU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị di động ngày càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ, thẩm mỹ. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị di động. Trong đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và đặt anten vào bên trong thiết bị. Gần đây, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho các thiết bị di động được công bố. Kết quả đưa ra trong [1], [2] là các thiết kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần bao gồm cả băng tần công tác của thiết bị di động 3G, nhưng các anten có kích thước tương đối lớn. H.M.R Nurul [3] đưa ra cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30 mm × 23 mm), nhưng dải tần công tác cho thiết bị di động 3G hẹp (40 MHz, với VSWR ≤ 2). D. Bonefacic [4] đưa ra kết quả thiết kế anten loại mạch dải hoạt động tại tần số trung tâm 2,0 GHz, kích thước anten thu nhỏ nhưng băng thông rất hẹp (26 MHz). M. Karaboikis [5] đưa ra cấu trúc anten phẳng, dạng chữ F ngược cho các thiết bị đầu cuối. M.N. Shakib [6] đưa ra cấu trúc anten phẳng dạng chữ W có hệ số tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76 mm × 50 mm). K. Sarabandi [7] đưa ra phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten với kích thước cỡ 0,05 λ × 0,05 λ. Tuy nhiên, kích thước của các anten còn tương đối lớn và gặp khó khăn trong ứng dụng cho hệ thống MIMO. Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G, dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử [8], tạo ra anten có dạng chữ L. Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) để tiến hành tính toán, khảo sát anten phẳng dạng chữ L gắn trên một mặt của tấm mạch in 2 lớp kim loại đồng với lớp điện môi FR4 dày 1,6 mm, kích thước của tấm mạch in tương đương kích thước của thiết bị di động cầm tay. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,2 GHz, bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. Từ đó, thiết kế được một cấu trúc anten tiểu hình với kích thước 25,2 mm × 14,8 mm, cấu trúc anten này có kích thước tổng thể nhỏ hơn so với các cấu trúc anten trong [1 - 6], nhưng vẫn bảo đảm về dải thông và các tham số kỹ thuật khác của anten. Cấu trúc anten này hoàn toàn có thể đặt gọn bên trong không gian của thiết bị di động và đạt được mục tiêu làm mỏng bề dày của thiết bị di động. Tiếp theo, tiến hành tối ưu cấu trúc anten nhằm đạt được sự phối hợp trở kháng tốt với đường truyền và đảm bảo dải thông đủ rộng để có thể bao trùm dải tần hoạt động của thiết bị di động 3G. Cuối cùng, tính toán các tham số của anten như trở kháng vào, hệ số sóng đứng, đồ thị bức xạ của anten nhằm kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của 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 chính của anten dùng cho thiết bị di động 3G Khi thiết kế anten cho thiết bị di động 3G, chúng ta phải căn cứ vào các yêu cầu về kích thước cũng như dải tần công tác của thiết bị di động. Thông thường, thiết bị di động 3G có kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều dày tương ứng là 110 mm, 60 mm và 12 mm. Về dải tần công tác, thiết bị di động 3G ở Việt Nam hiện nay hoạt động trong 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 về kích thước, dải tần số công tác Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 445 và phải đảm bảo một số yêu cầu về tham số kỹ thuật khác như sau: • Kích thước của anten phải đủ nhỏ để đặt gọn bên trong thiết bị di động, do vậy chiều cao h ≤ 5 mm, chiều dài và chiều rộng < 40 mm; • Trở vào của anten khoảng 50 Ω (để phối hợp trở kháng tốt với đường truyền); • Hệ số sóng đứng VSWR ≤ 2; • Băng thông của anten đủ rộng: ≥ 10 %. B. Cấu trúc của anten đề xuất Hình 1 mô tả cấu trúc của anten đề xuất. Anten được thiết kế trên một mạch in 2 lớp kim loại đồng, ở giữa là lớp điện môi FR4 (ε = 4,4, tanδ = 0,02) có kích thước 106 × 42 × 1,6 (mm3). (a) (b) Hình 1. Cấu trúc anten đề xuất. (a) Mặt trên; (b) Mặt dưới. Mặt trên là anten dạng chữ L (Hình 1a), kích thước của anten là 25,2 mm × 14,8 mm. Mặt dưới là tấm kim loại đồng, kích thước 90 mm × 40 mm làm mặt phản xạ cho anten (Hình 1b). Anten liên kết với đất (ground plane) bởi hai điểm, một điểm ngắn mạch và một điểm cấp nguồn. Ban đầu, kích thước của anten chấn tử được xác định theo tần số công tác của thiết bị di động 3G, để thu nhỏ kích thước tổng thể của anten, sử dụng phương pháp uốn, gập chấn tử kết hợp phương pháp dùng phần mềm mô phỏng HFSS để xác định kích thước tối ưu cho anten đề xuất. Kích thước các thành phần cấu trúc anten sau khi khảo sát, tính toán mô phỏng các tham số như trở vào, hệ số sóng đứng, đồ thị bức xạ, đưa ra kết quả tối ưu như trong Bảng 1. BẢNG 1. KÍCH THƯỚC CỦA ANTEN ĐỀ XUẤT (MM). Tham số Giá trị Tham số Giá trị L 106 l2 4,3 W 42 l3 2,5 N 4 l4 1,3 l1 14,8 l5 25,2 III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN A. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi các tham số kích thước của anten Để xác định tham số kích thước tối ưu cho anten, tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số sóng đứng điện áp khi thay đổi tham số kích thước anten. 1. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l1 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l1 đến hệ số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 2. Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l1 thì chiều dài điện của anten chấn tử đơn cực tăng, do vậy tần số cộng hưởng của anten giảm. Ngược lại, khi giảm chiều dài l1 thì tần số cộng hưởng của anten tăng nhưng dải tần của anten không bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. Để dải tần của anten bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G thì chọn tham số l1 = 14,8 mm. Hình 2. Ảnh hưởng của tham số l1 đến VSWR. Hình 3. Ảnh hưởng của tham số l2 đến VSWR. 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 1.0 1.5 2.0 V SW R Frequency [GHz] l2 = 4,8 mm l2 = 4,3 mm l2 = 3,8 mm Dải tần 3G (270 MHz) Tần số [GHz] H ệ số só ng đứ ng đi ện áp V SW R l1 W l2 l3 N N l4l5 FR4 plane Feeding point Antenna z y x . L Grounding point Ground plane 105 × 40 × 0.035 [mm] FR44 0 m m 90 mm 2 mm Ground plane z y x + 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 1.0 1.5 2.0 V SW R Frequency [GHz] Dải tần 3G (270 MHz) l1 = 15,3 mm l1 = 14,8 mm l1 = 14,3 mm Tần số [GHz] H ệ số só ng đứ ng đi ện áp V SW R Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 446 Hình 4. Ảnh hưởng của tham số l5 đến VSWR. 2. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l2 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l2 đến hệ số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 3. Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l2 là tăng khoảng cách giữa vị trí cấp nguồn và vị trí ngắn mạch của anten xuống mặt kim loại, dẫn đến chiều dài điện của anten chấn tử đơn cực giảm, làm cho tần số cộng hưởng của anten tăng. Ngược lại, khi giảm chiều dài l2 thì chiều dài điện của anten chấn tử đơn cực tăng, làm cho tần số cộng hưởng của anten giảm. Tuy nhiên, ở cả hai trường hợp trên thì dải tần của anten không bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. Để dải tần hoạt động của anten (VSWR ≤ 2) bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G thì chọn tham số l2 = 4,3 mm. 3. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l5 Tương tự như tham số l1, khi tăng chiều dài l5 thì chiều dài điện của anten chấn tử đơn cực tăng, do vậy tần số cộng hưởng của anten giảm như trong Hình 4. Ngược lại, khi giảm chiều dài l5 thì chiều dài điện của anten chấn tử đơn cực giảm làm cho tần số cộng hưởng của anten tăng nhưng dải tần của anten không bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. Để dải tần của anten bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G thì chọn tham số l5 = 25,2 mm. Tương tự như trên, khảo sát sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi các tham số khác của anten, xác định được kết quả kích thước tối ưu của anten như trong Bảng 1. B. Kết quả mô phỏng anten đề xuất Kết quả tính toán tham số trở kháng vào của anten sau khi tối ưu được biểu diễn như trong Hình 5. Từ Hình 5, anten đạt được cộng hưởng tại tần số 2,01 GHz và trở kháng vào bằng 50 Ω. Như vậy, anten phối hợp trở kháng tốt với đường truyền. Kết quả tính toán hệ số sóng đứng điện áp của anten được biểu diễn như trong Hình 6. Từ Hình 6, dải thông của anten đạt được 280 MHz (14 % so với tần số trung tâm) xét với hệ số sóng đứng VSWR ≤ 2. Như vậy, dải thông của anten bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. Hình 5. Trở kháng vào của anten. Hình 6. Hệ số sóng đứng điện áp của anten. Đồ thị bức xạ của anten trong mặt phẳng xz và mặt phẳng yz tại các tần số 1,90 GHz, 2,01 GHz và 2,17 GHz được biểu diễn như trong Hình 7a, 7b, và 7c. Trong đó nét liền ứng với mặt phẳng yz, nét đứt ứng với mặt phẳng xz. Từ Hình 7, đồ thị bức xạ của anten tương đối đồng đều trong cả dải tần khảo sát và anten có bức xạ cực đại trong mặt phẳng yz. Hệ số tăng ích cực đại của anten trong cả dải tần khảo sát được biểu diễn như trong Hình 8. Từ Hình 8, hệ số tăng ích cực đại của anten trong dải tần 3G (1,9 GHz – 2,17 GHz) đạt trên 3,2 dBi và đạt giá trị cực đại là 3,9 dBi tại tần số 2,01 GHz. 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 1.0 1.5 2.0 V SW R Frequency [GHz] l5 = 25,7 mm l5 = 25,2 mm l5 = 24,7 mm Dải tần 3G (270 MHz) Tần số [GHz] H ệ số só ng đứ ng đi ện áp V SW R 10 25 50 100 250 -10j 10j -25j 25j -50j 50j -100j 100j -250j 250j2,01 GHz (50 Ω) 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 1.0 1.5 2.0 V SW R Frequency [GHz] 280 MHz 1,895 2,175 Dải tần 3G (270 MHz) Tần số [GHz] H ệ số só ng đứ ng đi ện áp V SW R Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 447 Hình 9 biểu diễn phân bố dòng điện trên bề mặt của anten. Từ Hình 9, phân bố dòng điện trên anten có sự khác nhau, cường độ dòng điện tại điểm cấp nguồn đạt giá trị lớn nhất, tại điểm ngắn mạch có mức trung bình và mức thấp nhất về phía đoạn mạch dải l5 của anten. Các kết quả trên cho thấy, mẫu anten đề xuất có kích thước nhỏ, phẳng, băng thông khá rộng, có thể sử dụng cho thiết bị di động 3G. (a) (b) (c) Hình 7. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số (a) f = 1,90 GHz; (b) f = 2,01 GHz; (c) f = 2,17 GHz. Hình 8. Hệ số tăng ích cực đại của anten. Hình 9. Phân bố dòng điện trên bề mặt của anten. -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 xz plane yz plane xz plane yz plane -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 xz plane yz plane -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 A nt en na P ea k G ai n [d B i] Frequency [GHz] 1,90 2,17 3,2 dBi 3,9 dBi Tần số [GHz] H ệ số tă ng íc h cự c đạ i Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 448 IV. KẾT LUÂ ̣N Bài báo đề xuất một cấu trúc anten tiểu hình cho thiết bị di động 3G. Mẫu anten này đạt được kết quả như 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 của di động 3G, xét với VSWR ≤ 2; (iii) Hệ số tăng ích khá đồng đều, đạt trên 3,2 dBi trong dải tần công tác. Trong thời gian tới, tác giả sẽ tiếp tục đề xuất các phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten sao cho kích thước anten được thu nhỏ mà vẫn đảm bảo yêu cầu về dải thông và các tham số kỹ thuật khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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. 2044- 2047, April, 2013. [2] 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. [3] 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. [4] D. Bonefacic, J. Bartolic, “Small Antennas: Miniaturization Techniques and Applications,” ATKAFF 53(1), pp. 20-30, 2012. [5] 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. [6] 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. [7] 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. [8] 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. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 449