Nghiên cứu cải thiện băng thông ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số

em.vuvan@hust.edu.vn. Tóm tắt—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. Trong bài báo, chúng tôi cũng so sánh hai loại chuyển mạch thông dụng này và đưa ra đánh giá về mỗi loại chuyển mạch, đồng thời đề xuất cấu trúc xẻ rãnh của đế đối với ăngten tái cấu hình. Với việc xẻ rãnh trên mặt đế, băng thông của ăngten có thể tăng lên khoảng 30MHz đến 40MHz so với ban đầu. Từ khóa—ăngten tái cấu hình; RPIFA; cải tiến băng thông RPIFA I. GIỚI THIỆU Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển một cách mạnh mẽ cả về công nghệ và thiết bị nhằm đáp ứng các nhu cầu của người dùng không chỉ trong liên lạc trao đổi thông tin mà cả các nhu cầu giải trí ở mọi lúc mọi nơi. Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn luôn thay đổi, một trong các giải pháp kỹ thuật được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới nhằm đạt được dung lượng lớn và chất lượng cao đó là các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi các tham số để thích nghi với môi trường kênh. Vô tuyến thông minh nói chung và vô tuyến nhận thức nói riêng (Cognitive Radio – CR) được đề xuất để giải quyết vấn đề hiệu quả phổ tần nhằm sử dụng phổ tần một cách thông minh, linh hoạt hơn và đã nhận được sự chú ý ngày càng cao trong những năm gần đây. Vô tuyến thông minh cho phép các thiết bị thu phát phát hiện một cách thông minh các kênh tần số nào còn trống và kênh nào đã dùng và có thể sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần số vô tuyến nào sẵn có [1]. Trong các hệ thống vô tuyến thông minh, ăngten đóng một vai trò hết quan trọng và thiết yếu. Muốn các thiết bị thu phát hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi và phổ tần bị hạn chế thì ăngten phải có các tính năng thích nghi với môi trường và sử dụng phổ tần một cách linh hoạt, hiệu quả. Khái niệm ăngten tái cấu hình (Reconfigurable Antenna) với khả năng tự thay đổi tần số, phân cực hay đồ thị bức xạ ra đời là một trong những giải pháp giải quyết các vấn đề trên [2-8]. Điều này có thể đạt được thông qua việc điều khiển các chuyển mạch được sử dụng trong ăngten tái cấu hình như MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN Diode, Diode biến dung hay các phần tử quang dẫn, sử dụng vật liệu đặc biệt, thay đổi cấu trúc vật lý Trong đó, hai kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay đó là sử dụng MEMS và PIN Diode [2]. Ăngten tái cấu hình hiện nay rất được quan tâm và đã công bố một số nghiên cứu sử dụng một số kỹ thuật tái cấu hình khác nhau để đạt được sự tái cấu hình theo tần số, theo đồ thị bức xạ, theo phân cực [6-10]. Mặc dù các nghiên cứu về ăngten tái cấu hình đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, tuy nhiên đây vẫn còn tồn tại một số vấn đề tồn tại cần giải quyết đó là cải tiến cấu trúc của ăngten nhằm tăng hiệu suất bức xạ, cải thiện băng thông và giảm nhỏ kích thước của ăngten. Đặc biệt, đối với thiết bị điện thoại di động thì yêu cầu kích thước gọn nhẹ, dễ tích hợp càng ngày càng yêu cầu khắt khe hơn. Với cấu hình linh hoạt, trọng lượng nhẹ và chi phí chế tạo rẻ làm cho PIFAs (Printed Inverted-F Antennas) trở thành một trong những ăng- ten phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị vô tuyến cầm tay hiện nay. Tuy nhiên, với yêu cầu thiết bị cầm tay ngày càng phải nhỏ gọn dẫn đến việc phải giảm kích thước các phần tử bức xạ, của lớp đề của ăngten PIFA. Việc giảm nhỏ kích thước ăngten ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng, đồ thị bức xạ và làm giảm băng thông của ăngten. Hiện này, có rất nhiều phương pháp để tăng băng thông của ăngten đơn PIFA như dùng phần tử ký sinh, thay đổi đặc tính vật liệu, xẻ rãnh ở đế [11]. Tuy nhiên, đối với ăngten tái cấu hình sử dụng cấu trúc PIFA thì việc sử dụng các phương pháp trên để tăng băng thông khá phức tạp vì các cấu hình khác nhau của một ăngten có thể ảnh hưởng lẫn nhau, do đó cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa. Trong bài báo này chúng tôi sẽ đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng PIN diode Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 465 hoặc RF-MEMS. Trong bài báo chúng tôi cũng sẽ đưa ra một số kết quả mô phỏng và so sánh, đánh giá giữa hai loại chuyển mạch và ưu điểm của PIN diode so với RF-MEMS. Trong cấu trúc đề xuất này, phương pháp xẻ rãnh trên đế nhằm tăng băng thông của ăngten tái cấu hình và các thông số sẽ được trình bày và được kiểm nghiệm thông qua mô phỏng tối ưu sử dụng phần mềm chuyên dụng. II. THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF - MEMS A. Ký hiệu và viết tắt Ăngten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN Diode Đầu tiên, chúng tôi đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA theo kiểu truyền thống, bao gồm một phần tử bức xạ ở trên tấm điện môi như hình 1(a), một mặt phẳng đế, một shorting pin và feeding pin (chân tiếp điện). Tần số cộng hưởng cho ăngten PIFA được tính theo công thức (1) [4]: )(4 LW c rf   (1) trong đó: fr là tần số cộng hưởng của mode chính (Hz) c: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do (m/s) W, L: lần lượt là chiều rộng và dài của phần tử phát xạ (m) Hình 1. Cấu trúc của ăngten RPIFA. (a) Mặt trên, (b) 3D BẢNG 1. KÍCH THƯỚC CỦA ĂNGTEN RPIFA Tham số Mô tả Giá trị (mm) Lgrd Chiều dài đế 40 Wgrd Chiều rộng đế 40 Lpch Chiều dài tổng phần tử bức xạ 16 Ltd Chiều dài phần tử bức xạ tiếp điện 4 Wpch Chiều rộng phần tử 8 Wpch1 Chiều rộng tổng phần tử bức xạ 1 3 Wpch2 Chiều rộng phần tử bức xạ 2 2.2 h Chiều cao ăngten 8 rpin Bán kính shorting pin (SP) 0.4 Ypin1 Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến Shorting pin 1 (SP1) 18.5 Ypin2 Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến shorting pin 2 (SP2) 13 Để tạo ra ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số, phần tử bức xạ sẽ có cấu trúc thay đổi bằng cách dùng chuyển mạch PIN Diode. Cấu trúc của phần tử bức xạ với 2 PIN diode (Di) được chỉ ra ở hình 1(a). Một phần tử bức xạ ở giữa nối với hai phần tử ở hai bên thông qua hai diode. Ăngten có hai shorting pin tương ứng với hai phần tử bức xạ 1 và 2 như hình 1(b). Điện môi sử dụng là FR4 với hằng số điện môi Ɛ = 4.4, chiều dày đế điện hsub=0.8mm. Ăngten được thiết kế theo lý thuyết theo công thức (1) để hoạt động ở dải tần 1.9GHz và 2.4 GHz, tuy nhiên công thức chỉ mang tính gần đúng vì còn rất nhiều tham số khác ảnh hưởng đến tần số hoạt động như vị trí shorting pin, ảnh hưởng của cấu hình này lên cấu hình khác Các tham số sau khi thiết kế được tối ưu bằng phần mềm CST để đạt được các thông số tốt nhất (thể hiện trong bảng 1). Cấu hình anten thay đổi nhờ chuyển mạch PIN diode. Cấu trúc được đề xuất có 2 diode PIN. Khi một điện áp thuận một chiều từ 0 đến 1 V được đặt vào diode thì nó sẽ thông (đóng mạch) và ngược lại, một điện áp ngược đặt vào diode làm cho nó tắt (hở mạch). Sự điều khiển đóng mở (ON – OFF) của các diode này bằng điện áp phân cực một chiều làm thay đổi dòng điện chạy trên bề mặt tấm bức xạ. Trên lý thuyết, với 2 diode này có thể tạo ra tối đa 4 cấu hình, tuy nhiên không phải tất cả các cấu hình đều cho kết quả tốt. Với cấu trúc này, có 2 cấu hình được xét ứng với 2 trường hợp đóng mở diode D1-ON, D2-OFF (M1) và D1-OFF, D2-ON (M2). Cấu hình M1 đạt được bằng cách cấp một điện áp một chiều phân cực thuận cho D1 và phân cực ngược cho D2, cấu hình M2 đạt được bằng cách phân cực cho hai diode D1 và D2 ngược lại với cấu Wpch Wpch1 Wpch2 Ypin2 SP2 1mm SP2 Ypin1 Wpch2 Lpch Ltd W p ch D1D2 (a) (b) Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 466 Hình 2. Kết quả mô phỏng tham số S11 của ăngten tái cấu hình tần số sử dụng PIN Diode hình M1. Với mỗi cấu hình sẽ tạo ra một tần số cộng hưởng khác nhau. Việc mô phỏng được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa CST Microwave Studio và CST Design. Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng ở đầu vào của anten được chỉ ra như hình 2.Băng thông của ăngten đạt được ở trạng thái M1 là 70MHz (từ 1.92 GHz đến 1.99 GHz) (1 phần GSM1900), ở trạng thái M2 là 140MHz (từ 2.17 GHz đến 2.31 GHz) với mô đun của hệ số phản xạ |S11| <-10dB. B. Ăngten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch RF-MEMs Cấu trúc ăngten vẫn giống như trên nhưng chuyển mạch bằng RF-MEMs thay cho PIN diode ta đạt được các kết quả mô phỏng S11 như hình 3. Băng thông và tần số cộng hưởng và đồ thị bức xạ không khác so với sử dụng PIN diode. Hình 3. Kết quả mô phỏng tham số S11 của ăngten tái cấu hình tần số sử dụng RF-MEMs C. Đánh giá giữa hai loại chuyển mạch PIN diode và RF-MEMs Theo kết quả mô phỏng, việc sử dụng chuyển mạch MEMs hay PIN diode đều cho kết quả khá giống nhau, thậm chí suy hao của PIN diode nhỏ hơn so với RF MEMs. Hơn nữa, PIN diode lại có những ưu điểm hơn hẳn so với RF-MEMs đó là điện áp điều khiển PIN diode thấp hơn (khoảng 5V) trong khi điện áp điều khiển RF- MEMs khá cao (khoảng 30V), tốc độ chuyển mạch của PIN diode nhanh hơn so với RF-MEMs. RF-MEM có cấu trúc phức tạp và kích thước lớn hơn so với PIN diode [2]. Vì những lý do đó, với ăngten tái cấu hình sử dụng cho các thiết bị vô tuyến cầm tay thì PIN diode là một lựa chọn nên được ưu tiên. Tuy nhiên, ở cả hai trường hợp sử dụng PIN diode hay RF-MEMs thì với cấu hình như trên đều cho kết quả băng thông khá hẹp, đây cũng chính là nhược điểm của ăngten PIFA, do vậy ở phần III bài báo trình bày một cách để cải thiện băng thông của 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 có thể tạo ra các cấu hình khác nhau cho ăngten trên. Ở mỗi cấu hình, nó có thể hoạt động như một ăngten đơn thông thường. Vì thế, nó cũng còn tồn tại một nhược điểm lớn là băng thông khá hẹp. Để tăng khả năng ứng dụng cần phải kết hợp giữa tái cấu hình và các phương pháp nhằm tăng băng thông.Với cấu trúc anten trên sử dụng chuyển mạch PIN diode, một cách khá đơn giản được đề xuất là xẻ rãnh phần đế ăngten. Cụ thể phần đế của ăngten sẽ được xẻ rãnh như ở hình 4. Cấu trúc ăngten và cơ cấu chuyển mạch đều không thay đổi. Vị trí và kích thước của khe được tối ưu sử dụng phần mềm và thể hiện trong bảng II. Ls1 Ws1 Ls2 Ws2 D s1 Ds2 Lgrd Hình 4. Kích thước và vị trí các rãnh ở đế BẢNG 2. KÍCH THƯỚC RÃNH Thông số Mô tả Giá trị (mm) Ls1 Chiều dài rãnh 1 20 Ws1 Chiều rộng rãnh 1 1 Ls2 Chiều dài rãnh 2 35 Ws2 Chiều rộng rãnh 2 0.8 Ds1 Vị trí rãnh 1 18 Ds2 Vị trí rãnh 2 9 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 467 Hình 5. Kết quả mô phỏng tham số S11 với rãnh ở đế Hình 5 chỉ ra kết quả mô phỏng tham số |S11| với các trường hợp Diode tắt và mở khác nhau sau khi xẻ rãnh ở đế. Băng thông đạt được ở cấu hình M1 là 110 MHz (từ 1.74Ghz đến 1.85 GHz) với |S11|<-10dB có thể ứng dụng cho GSM1800, tăng so với cấu hình M1 không xẻ rãnh 40MHz. Băng thông đạt được ở cấu hình M2 là 190 MHz (từ 2.47Ghz đến 2.66 GHz) với |S11|<-10dB có thể ứng dụng cho 4G - LTE, tăng so với cấu hình M2 không xẻ rãnh 50MHz. Việc xẻ rãnh ở đế có ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng. Ở chế độ M1, tần số cộng hưởng dịch xuống thấp hơn so với trường hợp không xẻ rãnh một chút và ở chế độ M2 tần số cộng hưởng tăng lên từ 2.4GHz lên 2.6GHz. Ở băng tần này có thể được ứng dụng cho LTE. Tuy nhiên, nếu tính toán điều chỉnh tối ưu các tham số kích thước của ăngten và kích thước rãnh thì có thể đưa về được tần số cộng hưởng như ban đầu là 24GHz. Sự thay đổi về băng thông có thể được giải thích thông qua sự phân bố dòng bề mặt xuất hiện trên phần đế ăngten khi được xẻ rãnh. Khi đế không được xẻ, dòng bề mặt chỉ xuất hiện phía trên mặt phát xạ. Khi được xẻ rãnh, dòng bề mặt sẽ xuất hiện thêm dọc theo mép rãnh này và tập trung nhiều ở chỗ uốn khúc như chỉ ra trong hình 6. Hình 6. Phân bố dòng bề mặt ở đế khi xẻ rãnh Hình 7. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ Với vị trí và kích thước các rãnh thích hợp, những dòng bề mặt này sẽ có tác dụng tích cực, tăng mật độ dòng diện trên mặt phát xạ và nhờ đó băng thông sẽ tăng lên. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của ăngten ở hai cấu hình M1 và M2 khi xẻ rãnh và không xẻ rãnh (dùng PIN diode) được chỉ ra ở hình 7. Từ kết quả thu được ta thấy, với mỗi chế độ, hệ số tăng ích trong cả hai trường hợp xẻ rãnh và không xẻ rãnh có thay đổi tuy nhiên không nhiều, hệ số tăng ích hầu như không thay đổi. Trong khi với cấu hình xẻ rãnh ở đế đã cải thiện khá nhiều băng thông của ăngten ở dải tần thiết kế. Ngoài ra việc tính toán chiều dài phần tử bức xạ sẽ cho ta các tần số cộng hưởng tương ứng. IV. KẾT LUẬN Bài báo đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số đơn giản, cộng hưởng ở tần số trung tâm 1.9 GHz và 2.4GHz, sử dụng chuyển mạch PIN diode hoặc RF-MEM. Trong đó, hai loại chuyển mạch này được sánh và đánh giá thông qua lý thuyết và kết quả mô phỏng bằng phần mềm CST. Bài báo cũng đề xuất việc cải tiến băng thông cho ăngten tái cấu hình bằng cách xẻ rãnh ở đế. Với việc xẻ rãnh, băng thông của ăngten có thể tăng lên khoảng 30MHz đến 40MHz so với ban đầu trong lúc các thông số khác hầu như không thay đổi. Do khó khăn về việc mua linh kiện, hiện tại các kết quả chỉ dừng lại ở bước thiết kế và mô phỏng, hướng tiếp theo sẽ tiến hành chế tạo cấu trúc đề xuất ở trên và tiến hành đo đạc, đánh giá so với kết quả mô phỏng để kiểm chứng ý tưởng đề xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ian F. Akyildiz, W.-Y. Lee, M. C. Vuran, and S. Mohanty, "Next Generation/Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio Wireless Networks: A Survey" Computer Networks (Elsevier) Journal, September 2006 . Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 468 [2] Diego Langoni, Mark H. Weatherspoon, Erastus Ogunti, and Simon Y. Foo, “An Overview of Reconfigurable Antennas: Design, Simulation, and Optimization” MPG Books, IEEE, USA, 2009. [3] Christos G. Christodoulou,Fellow IEEE, Youssef Tawk, Steven A. Lane, and Scott R. Erwin, “Reconfigurable Antennas for Wireless and Space Applications”, Proceedings of the IEEE| Vol. 100, No. 7, July 2012. [4] Saida Ibnyaich, Abdelilah Ghammaz and Moha M’Rabet Hassani, “Development of Wideband Planar Inverted-F Antennas for Wireless Application”, Journal of Computer Science 7 (8): 1172-1177, 2011. [5] Wang, K.L., “Planar Antennas for Wireless Communications”, 1st Edn., Wiley-Interscience, Hoboken, ISBN : 0471266116, pp: 301 2003. [6] Zhang Jiajie ; Wang Anguo ; Wang Peng, "A Survey on reconfigurable antennas”, International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, Vol.3, pp. 1156 – 1159, 2008. [7] E. Del Re, S. Morosi, D. Marabissi, L. Mucchi, “Reconfigurable Antenna for Future Wireless Communication Systems” Wireless Personal Communications, 2007. [8] Wang, B.-Z. ; Xiao, S. ; Wang, J.Microwaves, Antennas & Propagation, IET, “Reconfigurable patch-antenna design for wideband wireless communication systems”, Vol.1,No.2 , pp 414 – 419, 2007. [9] Trong Duc Nguyen ; Duroc, Y. ; Van Yem Vu ; Tan Phu Vuong, “Frequency reconfigurable PIFA antenna driven by microcontroller”, Fourth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pp. 406 – 410, 2012. [10] Trong Duc Nguyen, Duroc. Y., Van Yem Vu, Tan Phu Vuong, “Novel reconfigurable 8 - shape PIFA antenna using PIN diode” International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp. 272 - 275 , 2011. [11] H.T. Chattha, Y. Huang, M.K. Ishfaq, S.J. Boyes, “Bandwidth enhancement techniques for planarinverted-F antenna”, IET Microwaves, Antennas & Propagation, doi: 10.1049/iet- map.2010.0505, 2011. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 469