Bài báo này đề xuất thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số với kích thước tại những tần số trung tâm 7.5 Ghz và 9 GHz sử dụng cấu trúc Defected Ground Structure (DGS) và chuyển mạch bằng cách sử dụng pin diode. Anten mảng gồm 4 phần tử (2x2) được chế tạo sử dụng lớp điện môi FR4 với các tham số: hằng số điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp điện môi hsub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu
trúc DGS
Tóm tắt - Trong những năm gần đây, các thiết bị vô tuyến
ngày càng được thu nhỏ về kích thước, nhưng đồng thời cũng
được tích hợp ngày càng nhiều chức năng phục vụ cho nhiều mục
đích Do đó, việc thiết kế anten cũng phải đáp được các nhu cầu
trên Với việc có tính định hướng cao cũng như có thể thay đổi
pha và biên độ, anten mảng tái cấu hình cho phép chúng ta có thể
thay đổi đồ thị của anten mà không cần phải thay đổi cả hệ thống
anten Bên cạnh đó, việc có thể tái cấu hình theo cả tần số và đồ
thị bức xạ, anten mảng đã trở nên thông minh và có thể đáp ứng
được hầu hết các yêu cầu hiện nay Bài báo này đề xuất thiết kế
anten mảng tái cấu hình tần số với kích thước tại những tần số
trung tâm 7.5 Ghz và 9 GHz sử dụng cấu trúc Defected Ground
Structure (DGS) và chuyển mạch bằng cách sử dụng pin diode
Anten mảng gồm 4 phần tử (2x2) được chế tạo sử dụng lớp điện
môi FR4 với các tham số: hằng số điện môi ε r = 4.4, chiều dày lớp
điện môi h sub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02 Anten đề xuất có
hiệu suất cao và băng thông rộng Anten được thiết kế và mô
phỏng sử dụng phần mềm CST Microwave Studio
Index Terms: anten mảng, Defected Ground Structure (DGS),
anten tái cấu hình, băng thông rộng, pin diode
I GIỚI THIỆU Anten là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống
thông tin vô tuyến Có nhiều loại anten khác nhau như anten
dipole, anten PIFA, anten loga chu kỳ, anten gương, Mỗi
loại anten có đặc tính hoạt động khác nhau và phù hợp với
những ứng dụng cụ thể
Anten tái cấu hình là anten mà có thể thay đổi các đặc tính
hoạt động như tần số, đồ thị bức xạ và phân cực hoặc tổ hợp
của các đặc tính trên Khái niệm anten tái cấu hình lần đầu
được đưa ra bởi D Schaubert năm 1983 [1] Những kỹ thuật
được sử dụng để tái cấu hình là RF-MEMS (Radio Frequency
MicroElectroMechanical System) [2][3], PIN diodes [4][5],
diode biến dung [6][7], quang dẫn [8][9] Với khả năng có thể
thay đổi các đặc tính hoạt động, anten tái cấu hình đã trở nên
mềm dẻo và có thể đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau
PIN diode là một thiết bị bán dẫn với hai trạng thái hoạt
động là ON và OFF Trong mạch RF, PIN diode đóng vai trò
như một công tắc để đóng mở mạch Với tốc độ chuyển mạch
nhanh và dễ dàng sử dụng, PIN diode ngày càng được sử dụng
rộng rãi, trong đó có lĩnh vực anten
Bài báo này đề xuất việc thiết kế anten mảng tái cấu hình hoạt động tại băng X ở tần số trung tâm 7.5 GHz và 9 GHz sử dụng PIN diode Anten gồm 4 phần tử tuyến tính (2x2) được thiết kế trên tấm FR4 có độ dày hsub = 1.575 mm, hằng số điện môi ε r = 4.4 và suy hao tanδ = 0.02
II THIẾT KẾ ANTEN
1 Mô hình anten
Mô hình của anten được hiển thị trong hình 1 Cấu trúc của anten bao gồm lớp đất sử dụng cấu trúc Defected Ground Structure (DGS) với chiều dày t = 0.035 mm Phía trên của lớp đất là tấm điện môi FR4 với chiều dày h = 1.575 mm, hằng số
điện môi ε r = 4.4, suy hao tanδ = 0.02
a)
Nguyễn Ngọc Lan 1 , Vũ Văn Yêm 1 , Bernard Journeet 2 , Lâm Hồng Thạch 1 và Trịnh Thị Hương 3
1 Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam 2
Đại học Sư phạm Cachan, Cộng hòa Pháp
3 Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam Email: dtvt2006@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn, bernard.journet@ens-cachan.fr,
thach.lamhong@hust.edu.vn, us.trinh@utc.edu.vn
Trang 2Thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu
trúc DGS
Tóm tắt - Trong những năm gần đây, các thiết bị vô tuyến
ngày càng được thu nhỏ về kích thước, nhưng đồng thời cũng
được tích hợp ngày càng nhiều chức năng phục vụ cho nhiều mục
đích Do đó, việc thiết kế anten cũng phải đáp được các nhu cầu
trên Với việc có tính định hướng cao cũng như có thể thay đổi
pha và biên độ, anten mảng tái cấu hình cho phép chúng ta có thể
thay đổi đồ thị của anten mà không cần phải thay đổi cả hệ thống
anten Bên cạnh đó, việc có thể tái cấu hình theo cả tần số và đồ
thị bức xạ, anten mảng đã trở nên thông minh và có thể đáp ứng
được hầu hết các yêu cầu hiện nay Bài báo này đề xuất thiết kế
anten mảng tái cấu hình tần số với kích thước tại những tần số
trung tâm 7.5 Ghz và 9 GHz sử dụng cấu trúc Defected Ground
Structure (DGS) và chuyển mạch bằng cách sử dụng pin diode
Anten mảng gồm 4 phần tử (2x2) được chế tạo sử dụng lớp điện
môi FR4 với các tham số: hằng số điện môi ε r = 4.4, chiều dày lớp
điện môi h sub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02 Anten đề xuất có
hiệu suất cao và băng thông rộng Anten được thiết kế và mô
phỏng sử dụng phần mềm CST Microwave Studio
Index Terms: anten mảng, Defected Ground Structure (DGS),
anten tái cấu hình, băng thông rộng, pin diode
I GIỚI THIỆU Anten là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống
thông tin vô tuyến Có nhiều loại anten khác nhau như anten
dipole, anten PIFA, anten loga chu kỳ, anten gương, Mỗi
loại anten có đặc tính hoạt động khác nhau và phù hợp với
những ứng dụng cụ thể
Anten tái cấu hình là anten mà có thể thay đổi các đặc tính
hoạt động như tần số, đồ thị bức xạ và phân cực hoặc tổ hợp
của các đặc tính trên Khái niệm anten tái cấu hình lần đầu
được đưa ra bởi D Schaubert năm 1983 [1] Những kỹ thuật
được sử dụng để tái cấu hình là RF-MEMS (Radio Frequency
MicroElectroMechanical System) [2][3], PIN diodes [4][5],
diode biến dung [6][7], quang dẫn [8][9] Với khả năng có thể
thay đổi các đặc tính hoạt động, anten tái cấu hình đã trở nên
mềm dẻo và có thể đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau
PIN diode là một thiết bị bán dẫn với hai trạng thái hoạt
động là ON và OFF Trong mạch RF, PIN diode đóng vai trò
như một công tắc để đóng mở mạch Với tốc độ chuyển mạch
nhanh và dễ dàng sử dụng, PIN diode ngày càng được sử dụng
rộng rãi, trong đó có lĩnh vực anten
Bài báo này đề xuất việc thiết kế anten mảng tái cấu hình hoạt động tại băng X ở tần số trung tâm 7.5 GHz và 9 GHz sử dụng PIN diode Anten gồm 4 phần tử tuyến tính (2x2) được thiết kế trên tấm FR4 có độ dày hsub = 1.575 mm, hằng số điện môi ε r =
4.4 và suy hao tanδ = 0.02
II THIẾT KẾ ANTEN
1 Mô hình anten
Mô hình của anten được hiển thị trong hình 1 Cấu trúc của anten bao gồm lớp đất sử dụng cấu trúc Defected Ground Structure (DGS) với chiều dày t = 0.035 mm Phía trên của lớp đất là tấm điện môi FR4 với chiều dày h = 1.575 mm, hằng số
điện môi ε r = 4.4, suy hao tanδ = 0.02
a)
Nguyễn Ngọc Lan 1 , Vũ Văn Yêm 1 , Bernard Journeet 2 , Lâm Hồng Thạch 1 và Trịnh Thị Hương 3
1 Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam 2
Đại học Sư phạm Cachan, Cộng hòa Pháp
3 Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam Email: dtvt2006@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn, bernard.journet@ens-cachan.fr,
thach.lamhong@hust.edu.vn, us.trinh@utc.edu.vn
b) Hình 1: Mô hình của anten: a) mặt trên; b) lớp đất
Anten gồm 4 phần tử và những đường truyền tín hiệu được điều khiển bằng pin diode Anten được thiết kế lần lượt tại các tần số trung tâm 7.5 GHz và 9 GHz Để tăng cường băng thông cho anten, bài báo này sử dụng cấu trúc DGS ở lớp đất
Rõ ràng là, khi lớp đất được khoét theo một hình dạng nào đó thì điều này đồng nghĩa với việc chúng ta đã tạo ra các phần tử
ký sinh điện dung (C) và điện cảm (L)
Như chúng ta đã biết, tần số cộng hưởng của anten được cho bởi biểu thức:
1 2
f
LC
Từ phương trình trên, rõ ràng là kích thước của anten đã được giảm khi chúng ta tăng giá trị L và C Hơn nữa, việc khoét ở lớp đất như vậy đồng thời đã tạo nên các hốc cộng hưởng, và việc này góp phần làm tăng băng thông cho anten
Bảng 1 hiện thị giá trị của một số tham số trong lớp đất (đơn vị: mm)
Hiện nay, có rất nhiều loại pin diode Mỗi loại PIN diode
có những đặc tính riêng và nó phù hợp với từng loại anten cụ thể Sau khi tìm hiểu, bài báo này đã chọn pin diode MACOM-MA4AGBLP912[10] cho mô hình anten
Anten sử dụng 8 PIN diode Các PIN được đảm bảo bằng nguồn một chiều 5V Các PIN diode trong anten này đóng vai trò như các công-tắc có chức năng đóng/mở Khi PIN diode D1, D2, D3, D4 ở trạng thái ON; D5, D6, D7, D8 ở trạng thái OFF, khi đó ta thu được tần số cộng hưởng của anten là 9 GHz Ngược lại, khi các PIN diode D1, D2, D5 và D6 là ON;
D3, D4, D7 và D8 là OFF, ta thu được tần số cộng hưởng là 7.5 GHz
2 Pin diode
PIN diode là một thiết bị bán dẫn Trong các mạch RF, PIN diode hoạt động như một biến trở Khi trạng thái là ON, PIN diode tương đương với một điện trở rất nhỏ Ngược lại,
khi trạng thái là OFF, nó tương đương với một điện trở rất lớn Với PIN diode, chúng ta có thể điều khiển một lượng lớn các tín hiệu RF thông qua việc sử dụng dòng một chiều ở mức rất nhỏ Mô hình của PIN diode được hiển thị trong hình 2
Hình 2: Mô hình của PIN diode [11]
Như được chỉ ra trong hình 2, cấu tạo của PIN diode gồm
3 vùng: vùng I ở giữa là vùng Silicon, vùng P và vùng N ở hai bên Hiệu suất của PIN diode phụ thuộc chính vào hình dạng chip và vật liệu bán dẫn ở vùng I Sơ đồ tương đương của Pin diode được chỉ ra trong hình 3 [12]
Hình 3: Sơ đồ tương đương của PIN diode: a) trạng thái
ON; b) trạng thái OFF
3 Defected Ground Structure (DGS)
DGS là một cấu trúc tuần hoàn hoặc không tuần hoàn được khoét trong mặt phẳng đất của đường truyền phẳng (ví dụ như đường truyền vi dải, đường truyền đồng phẳng, v.v ) Khi mặt phẳng đất được khoét theo một cấu trúc DGS bất kì, nó sẽ làm thay đổi sự phân bố dòng trên mặt phảng đất Điều này sẽ làm thay đổi các đặc tính của đường truyền như điện dung và điện cảm Điều này sẽ có tác dụng làm giảm kích thước của anten thông qua việc tăng điện dung và điện cảm
Hiện nay, DGS được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực RF nói chung và anten nói riêng Bằng việc sử dụng cấu trúc DGS, chúng ta có thể cải thiện một số tham số của anten như: giảm nhỏ kích thước, tăng băng thông, tăng độ lợi, v.v
Hiện nay, có nhiều loại cấu trúc DGS khác nhau Có thể chia DGS ra thành 2 loại: đó là DGS đơn vị và DGS tuần hoàn Hình 4 liệt kê một vài cấu trúc DGS đơn vị và DGS tuần hoàn
a)
Trang 3Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
b)
Hình 4: Một số cấu trúc DGS hiện nay: a) cấu trúc DGS đơn
vị; b) cấu trúc DGS tuần hoàn [13]
Sơ đồ tương đương của cấu trúc DGS đơn vị được hiển thị
trong hình 5
Hình 5: Sơ đồ tương đương của cấu trúc DGS đơn vị[13]
Khi đó, các giá trị R, L, C lần lượt được tính như các biểu
thức sau [14]:
0 0
2 2 0
2
11
2
1 / 4
c c
C
Z
L S
(2)
III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO KIỂM
Anten được chế tao trên tấm điện môi FR-4 với hằng số
điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp điện môi hsub = 1.575 mm,
suy hao tanδ = 0.02 Hình 6 hiển thị kết quả mô phỏng của
anten lần lượt tại tần số cộng hưởng 7.5 GHz và 9 GHz
a)
b)
Hình 6: Kết quả mô phỏng của anten: a) tần số 7.5 GHz; b)
tần số 9 GHz
Từ hình 6, chúng ta có thể thấy rằng anten được phối hợp trở kháng rất tốt Tổn hao ngược của anten là rất nhỏ (dưới -25 dB) Hơn nữa, anten có băng thông rộng > 500 MHz Với băng thông này, anten có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng cần băng thông lớn
Hình 7 hiển thị kết quả đo kiểm của anten và so sánh với kết quả mô phỏng
a)
b)
Hình 7: Kết quả mô phỏng và đo lường S11 của anten tại tần
số: a) 7.5 GHz; b): 9 GHz
Từ hình 7, chúng ta có thể thấy rằng mặc dù kết quả đo của
Trang 4là chấp nhận được do kết quả đo vẫn bao phủ được các băng
tần, và giá trị tổn hao ngược của anten vẫn được đảm bảo dưới
-10 dB Hơn nữa, cũng từ hình 7, chúng ta có thể thấy rằng
anten có băng thông rộng và điều này là đủ để đáp ứng cho các
ứng dụng tại các băng tần 7.5 GHz và 9 GHz
Có sự sai khác giữa kết quả đo lường và kết quả như vậy là
do một số nguyên nhân:
+ Do sự sai số về mặt kích thước giữa quá trình chế tạo và
mô phỏng
+ Ảnh hưởng của việc hàn các linh kiện Điều này ảnh
hưởng trực tiếp tới việc phối hợp trở kháng
+ Ảnh hưởng từ các dây dẫn để tiếp điện cho Pin diode
Việc này là nguyên nhân chính dẫn đến việc sai số trên
Hình 8 minh họa đồ thị 3D và đồ thị cực của anten lần lượt
tại các băng tần 7.5 GHz và 9 GHz
a)
b)
Hình 8: Đồ thị của anten tại tần số: a) 7.5 GHz, b) 9 GHz
Anten có gain lần lượt tại các băng tần 7.5 Ghz và 9 GHz
là 4.8 dB và 5.5 dB Cuối cùng, hình 9 minh họa anten được thiết kế và chế tạo
a)
Trang 5Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
b) Hình 8: Anten được chế tạo: a) mặt trên, b) mặt dưới
IV KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng ta đã thiết kế và chế tạo thành
công anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu trúc DGS
Băng thông của anten đã được cải thiện đáng kể thông qua
việc sử dụng cấu trúc DGS Mặc dù có sự sai lệch nhất định
giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo lường, tuy nhiên kết quả
đo lường bước đầu vẫn bao phủ được các băng tần cần thiết
Vì vậy kết quả này là chấp nhận được
Hướng nghiên cứu tiếp theo của bài báo này là tìm giải
pháp để tăng băng thông cũng như hạn chế sai số trong việc
chế tạo, hàn gắn linh kiện để từ đó có được kết quả đo kiểm
tốt hơn
Với sự mềm dẻo và linh hoạt của anten tái cấu hình, đó là
việc có thể thay đổi được các đặc tính của anten mà không
phải thay đổi cả hệ thống như: tần số, đồ thị bức xạ, phân cực,
anten tái cấu hình có thể đáp ứng cho các hệ thống thông
minh ngày nay Hơn nữa, với việc áp dụng công nghệ vi dải đã
góp phần làm giảm giá thành, dễ dàng chế tạo và kích thước
nhỏ Do đó, anten có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ
thống thông tin vô tuyến cũng như định vị vô tuyến
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Schaubert, “Frequency-agile polarization diversity
microstrip antennas and frequency scanned arrays,” US Patent
#4,367,474, Jan 1983
[2] Zohur, A.;Mopidevi, H ; Rodrigo, D ; Unlu, M ; Jofre, L
; Cetiner, B.A.; “RF MEMS Reconfigurable Two-Band
Antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters;
pages: 72 - 75; Mar 2013
[3] Cetiner, B.A.; Crusats, G.R ; Jofre, L ; Biyikli, Necmi;
“RF MEMS Integrated Frequency Reconfigurable Annular
Slot Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and
Propagation; pages: 626 - 632; Mar 2010
[4] Lee, S.W.; Sung, Y ; Park, J.Y ; Lee, S.J ; Hur, B.J.;
“Frequency reconfigurable antenna using a PIN diode for
mobile handset application,” 7th European Conference on
Antennas and Propagation (EuCAP); pages: 2053 - 2054; Apr
2013
[5] Guang-Min Zhang, Jing-song Hong, Bing-Zhong Wang “A novel pattern reconfigurable wideband slot antenna using PIN
diodes,” International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), pages: 22 - 24, May
2010
[6] Khidre, A.; Xiao Liu ; Fan Yang ; Elsherbeni, A.Z.;
“Reconfigurable dual-band patch antenna using
varactor-loaded slot,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI),pages: 1 - 2, Jul 2012
[7] Nishamol, M.S.; Aanandan, C.K.; Mohanan, P.; Vasudevan, K.; “Dual frequency reconfigurable microstrip
antenna using varactor diodes,” XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium, pages: 1 - 4, Aug 2011
[8] Y Tawk, A R Albrecht, S Hemmady, G Balakrishnan, and C G Christodoulou, “Optically pumped frequency
reconfigurable antenna design,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 9, pp 280–283, Mar 2010
[9] Chaharmir, M.R.; Shaker, J.; Cuhaci, Michel; Sebak, A.;
“Novel photonically-controlled reflectarray antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pages: 1134 -
1141, Apr 2006
[10] Datasheet:
[11] Bill Doherty, “PIN Diode Fundamentals” Microsemi Corporation
[12] Doherty, W E., and R.D Joos., “PIN Diode Circuit
Designers' Handbook,” Watertown, MA: 02472
[13] L H Weng, Y.-C Guo, X.-W Shi, and X.-Q Chen, “An
Overview on Defected Ground Structure,” Progress In Electromagnetics Research B, Vol 7, 173-189, 2008
[14] Insik, C and L Bomson, “Design of defected ground structures for harmonic control of active microstrip antenna,”
IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol 2, 852–855, 2002
