Một phương pháp đơn giản sử dụng PIN diode nhằm tăng tính ứng dụng và loại bỏ đi nhược điểm của anten phân cực tròn được đề xuất trong bài báo. Phương pháp này được kiểm chứng bằng anten lưỡng cực đặt vuông góc tạo nên phân cực tròn và ứng dụng PIN diode giúp thay đổi phân cực tròn trái hoặc phải tùy theo mong muốn. Thiết kế cuối cùng cho băng thông S11 trải từ 2 GHz đến 2.6 GHz với tỷ số trục AR đạt 0.52dB tại tần số 2.4 GHz tạo nên phân cực tròn tốt tại tần số đó. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1THIẾT KẾ ANTEN LƯỠNG CỰC ĐẶT VUÔNG GÓC CÓ KHẢ NĂNG CẤU HÌNH LOẠI PHÂN
CỰC TRÒN Đoàn Minh Thuận1, Bùi Công Danh3, Trịnh Xuân Dũng1, Nguyễn Trương Khang2,3,*
1Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam
2Viện Khoa học tính toán, Trường ĐH Tôn Đức Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam
3Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Tôn Đức Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam
*Corresponding author: nguyentruongkhang@tdtu.edu.vn
Tóm tắt—Một phương pháp đơn giản sử dụng PIN diode
nhằm tăng tính ứng dụng và loại bỏ đi nhược điểm của anten
phân cực tròn được đề xuất trong bài báo Phương pháp này
được kiểm chứng bằng anten lưỡng cực đặt vuông góc tạo nên
phân cực tròn và ứng dụng PIN diode giúp thay đổi phân cực
tròn trái hoặc phải tùy theo mong muốn Thiết kế cuối cùng
cho băng thông S 11 trải từ 2 GHz đến 2.6 GHz với tỷ số trục AR
đạt 0.52dB tại tần số 2.4 GHz tạo nên phân cực tròn tốt tại tần
số đó Với việc thay đổi chế độ hoạt động của PIN diode, anten
thay đổi được phân cực tròn trái và phải với các thông số S 11
và AR là không đổi Điều này giúp anten hoạt động ổn định ở
mọi loại phân cực tròn Ngoài ra, anten còn sử dụng một lớp
ground giúp anten đạt độ lợi 6.7dBi tại 2.4 GHz Đây cũng là
một điểm mạnh của cấu trúc giúp loại bỏ đi nhược điểm độ lợi
thấp của bản thân anten lưỡng cực
Từ khóa—anten lưỡng cực, anten có khả năng cấu hình,
phân cực tròn
I GIỚI THIỆU Ngày nay, với xu thế phát triển ngày càng nhanh của
công nghệ thì các yêu cầu được đặt ra cho việc thiết kế anten
cũng ngày càng khắt khe và phức tạp hơn Chính vì điều đó
mà anten mang trong mình nhiều chức năng và khả năng tùy
biến đang trở thành một trong những đề tài nghiên cứu phổ
biến ngày nay Tuy nhiên, với xu hướng của công nghệ di
động (mobile technology) ngày nay thì kích thước nhỏ gọn,
dễ dàng gia công và có giá thành rẻ cũng là những tiêu chí
không thể thiếu trong thiết kế anten Trong lĩnh vực nghiên
cứu này, anten có khả năng cấu hình lại (reconfigurable
antenna) đang nhận được sự quan tâm lớn bởi nó đáp ứng
được hầu hết các yêu cầu trên: thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, dễ
gia công và có giá thành phải chăng [1] - [3]
Anten cấu hình lại thường chia thành bốn nhóm lớn tùy
theo khả năng điều chỉnh của nó: anten cấu hình lại tần số,
phân cực, đồ thị phát xạ và cuối cùng là anten có khả năng
cấu hình tổng hợp [4] Để tạo nên sự thay đổi trên, các anten
thường có sự hỗ trợ của các linh kiện điện tử Các linh kiện
thường dùng là PIN diode, công tắc MEMS, varactor, …
Mỗi loại linh kiện trên đều có các ưu và nhược điểm riêng
phù hợp với từng nhóm anten cấu hình lại Varactor có khả
năng thay đổi điện dung C, điều này có lợi cho việc thay đổi
tần số hoạt động của anten Tuy nhiên, giá thành của varactor
là khá cao và sẽ không có lợi trong trường hợp chỉ cần thay
đổi hai mức TẮT và MỞ vì ta không dùng hết hiệu năng của
nó Ngoài ra, công tắc MEMS cũng là linh kiện thường được
sử dụng trong lĩnh vực này MEMS có độ suy hao lắp đặt
(insertion loss) nhỏ, có hệ số phẩm chất cao và đặc biệt là có
độ suy hao công suất (power loss) thấp Mặc dù vậy, MEMS
vẫn có những nhược điểm như cần một mạch cấp nguồn công suất cao và phức tạp, đồng thời MEMS cần thời gian chuyển mạch khá lớn nên sẽ khiến hiệu suất hoạt động qua lại giữa các chức năng của anten giảm xuống Đặc biệt, khi chỉ cần sử dụng để chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động của anten thì PIN diode là linh kiện hữu ích nhất [5] PIN diode
Hình 1 Mô hình anten
Trang 2có nguyên tắc hoạt động như một công tắc RF cho phép
chuyển mức TẮT và MỞ Tuy PIN diode có độ suy hao lắp
đặt cũng như suy hao công suất khá cao nhưng với lợi thế về
giá thành rẻ và nguyên lý hoạt động đơn giản thì nó có thể
đáp ứng được cho các anten có tần số thấp
Hiện nay, các nghiên cứu đã cho thấy ưu điểm của anten
có phân cực tròn là vô cùng lớn so với anten có phân cực
tuyến tính [6] – [8] Trường hợp duy nhất khiến cho anten có
phân cực tròn gặp vấn đề là khi anten phát và anten thu khác
loại phân cực tròn (phân cực tròn trái và phải) khiến cho
chúng không thể nhận được tín hiệu cho nhau Để giải quyết
vấn đề trên, anten được trình bày trong bài báo này sẽ ứng
dụng linh kiện PIN diode để giúp anten có khả năng cấu hình
loại phân cực tròn Anten được dùng là cặp anten lưỡng cực
có chiều dài nửa bước sóng được đặt vuông góc với nhau và
nối với nguồn cấp thông qua PIN diode giúp thay đổi chiều của trường điện ở các chế độ TẮT và MỞ khác nhau của PIN diode, từ đó thay đổi loại phân cực tròn Anten được thiết kế sao cho hoạt động tốt nhất ở 2.4 GHz Ngoài ra, bên dưới của anten sẽ có mặt ground giúp tăng độ lợi cho anten bởi anten lưỡng cực thường có độ lợi khá thấp
II MÔ HÌNH ANTEN
Mô hình của cặp anten lưỡng cực được miêu tả trong Hình 1 Anten được chế tạo trên lớp đế Rogers RO4003 (εr = 3.38 và tan δ = 0.0027) với độ dày 0.8128 mm Với việc lựa chọn lớp đế này sẽ giúp anten hoạt động với hiệu suất tốt do lớp đế có độ suy hao thấp, đồng thời anten cũng sẽ nhỏ gọn hơn do chiết suất của lớp đế lớn dẫn đến độ dài bước sóng trên anten sẽ được giảm đi Anten được cấu thành từ hai nửa
anten lưỡng cực với chiều dài L d = 23.5 mm và chiều rộng
W d = 3.5 mm được đặt vuông góc với nhau ở mặt trên Tương tự ở mặt dưới, hai nửa còn lại có hình dạng tương tự
sẽ tạo thành hai lưỡng cực hoàn chỉnh Hai nửa anten được
nối với nhau thông qua đường dây có độ rộng w = 0.8 mm
tạo độ trễ pha giữa hai anten, từ đó giúp anten có được phân cực tròn [9]
Một ô cấp nguồn hình vuông được đặt ở giữa và nối với hai nửa anten thông qua PIN diode MADP-042305-13060 Anten được cấp nguồn trực tiếp từ cáp đồng trục 50Ω với kích thước của lớp điện môi phù hợp với kích thước của ô cấp nguồn Để có thể điều khiển độc lập các PIN diode với nhau thì cần có thêm hai tụ điện có giá trị C = 100nF nằm trên đường dây nối hai nửa anten Để PIN diode có thể hoạt động thì cần thiết kế một mạch phân cực cho nó Trên mỗi nhánh của lưỡng cực, một cuộn cảm 100μH và điện trở 180Ω
Hình 2 Mô hình anten khi không có mạch cấp nguồn PIN diode
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
-20
-15
-10
-5
0
|S 11
Frequency (GHz)
w = 0.6mm
w = 0.8mm
w = 1mm
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
0
3
6
9
12
Frequency (GHz)
w = 0.6mm
w = 0.8mm
w = 1mm
Hình 3 S11 và AR khi thay đổi chiều rộng w của đường dây nối
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 -20
-15 -10 -5 0
|S 11
Frequency (GHz)
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 0
3 6 9 12
Frequency (GHz)
Hình 4 S11 và AR khi thay đổi chiều dài Ld của anten lưỡng cực
Trang 3được dùng để nối PIN diode vào nguồn DC Vbias Để nối đất
cho đầu còn lại của PIN diode, hai cuộn cảm được dùng liên
tục từ ô cấp nguồn ra đường dây nối xuống đất Bên dưới
anten, một lớp ground đủ lớn không gây ảnh hưởng đến các
thông số của anten sẽ được đặt ở khoảng cách xấp xỉ 0.25λ0
(λ0 là bước sóng trong không gian tự do tại tần số mong
muốn có được phân cực tròn) Cấu trúc được miêu tả trong
Hình 1 với các thông số được tối ưu hóa có giá trị như sau:
L subs = 26, L d = 23.5, W d = 3.5, W f = 3, g = 1, w = 0.8, H air =
35, W ground = 90, W bias = 0.3 (đơn vị: mm)
III ĐẶC TÍNH ANTEN
Để có thể loại bỏ đi nhược điểm của anten phân cực tròn
là không nhận được tín hiệu khi hai anten thu và phát có loại
phân cực tròn khác nhau, bốn PIN diode được sử dụng giúp
điều khiển anten có loại phân cực tròn trái hay phải tùy theo
mong muốn Khi hoạt động, hai PIN diode của cùng một
anten lưỡng cực ở mặt trên và mặt dưới sẽ được MỞ trong
khi hai PIN diode trên anten còn lại TẮT Nguồn sẽ được
cấp trực tiếp vào anten có PIN diode MỞ, sau đó, áp đó sẽ
thông qua đường dây nối có độ dài xấp xỉ λ/4 cấp cho anten
kia, làm cho áp tại anten kia bị trễ pha 900 Nhờ vậy, anten
tạo nên phân cực tròn Do tính đối xứng, khi thay đổi trạng
thái cho PIN diode trên 2 anten thì phân cực tròn cũng sẽ
được tạo ra, tuy nhiên do dòng điện chạy qua lại ngược với
trường hợp trước khiến cho phân cực tròn theo hướng ngược
lại
Mô hình anten được thiết kế và mô phỏng sử dụng
chương trình mô phỏng trường điện từ CST Microwave
Studio để có thể hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của anten Trước tiên, anten được thiết kế với cấu trúc mà không có mạch cấp nguồn cho PIN diode như Hình 2 để khảo sát đặc tính hoạt động của bản thân anten Để mô phỏng sự TẮT và
MỞ của PIN diode ta sẽ dùng mô hình tương đương của PIN diode Khi PIN diode tắt thì tương đương với một tụ điện có giá trị Cp và khi mở thì nó tương đương với điện trở Rp Các giá trị Cp và Rp này được lấy dựa vào datasheet của dòng PIN diode MADP-042XX5-13060 [10] Trong các thông số của
cấu trúc anten, chiều dài của anten lưỡng cực L d và chiều
rộng w của đường dây nối hai anten lưỡng cực vuông góc
quyết định nhiều nhất đến S11 và tỷ số trục AR Hình 3 miêu
tà sự thay đổi của S11 và AR khi thông số w thay đổi Khi càng tăng chiều rộng w của đường dây, tần số có tỷ số trục
AR nhỏ nhất của anten càng dời về tần số thấp và giá trị AR
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
-15
-12
-9
-6
-3
0
|S11| AR
Frequency (GHz)
|S 11
0 3 6 9 12 15
Hình 5 S11 và AR của anten hoàn chỉnh trước khi có mạch cấp nguồn cho
PIN diode
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Frequency (GHz)
With Ground Without Ground
Hình 6 Độ lợi khi có và không có lớp ground đặt dưới anten
Hình 8 Anten nối đất và nối nguồn DC thông qua cuộn cảm
Hình 9 Mô hình tương đương của anten ở chế độ DC
Hình 7 Chiều dòng điện DC khi không có sự ngăn cách (a) và khi có tụ
điện (màu đỏ) ngăn cách (b)
Trang 4nhỏ nhất đó cũng giảm dần Tuy nhiên, chiều rộng w cũng
phần nào ảnh hưởng đến S11, chính vì vậy cần chọn giá trị w
sao cho phù hợp giúp cân bằng giữa S11 và AR Với thông số
chiều dài L d của anten lưỡng cực, khi chiều dài càng tăng thì
tần số có AR thấp nhất sẽ bị dời về vùng tần số thấp hơn Khi
nhìn tổng quát trên Hình 4, có thể nhận ra khi thay đổi L d thì
S11 tại tần số có AR thấp nhất sẽ không bị ảnh hưởng nhiều
Chính nhờ hai thông số này, ta có thể thiết kế anten có AR
thấp nhất tại 2.4 GHz và S11 tại đây có giá trị dưới -10dB, cụ
thể là -10.9dB như trên Hình 5 Ngoài ra, trong mô hình
anten, một lớp kim loại ground được đặt ở dưới anten với
mục đích tăng độ lợi của anten dựa trên nguyên lý ảnh Theo
Hình 6, lớp ground khi được đặt cách anten một khoảng gần
bằng 0.25λ0 (λ0 là bước sóng trong không gian tự do tại tần
số mong muốn có được phân cực tròn) thì độ lợi được tăng
một cách đáng kể từ 1.4dBi lên đến gần 7.1dBi tại tần số 2.4
GHz
Sau khi thiết kế hoàn thiện anten, bước tiếp theo cần tiến hành là thiết kế một mạch cấp nguồn DC cho PIN diode để khi gia công thực tế thì PIN diode mới có thể hoạt động được Một vấn đề được đặt ra là do hai PIN diode ở mặt trên của lớp đế hay ở mặt dưới đều được nối chung vào ô cấp nguồn, đồng thời đầu còn lại của hai PIN diode sẽ nối vào hai cánh của anten lưỡng cực vuông góc Tuy nhiên, hai anten này lại được nối lại với nhau qua đường dây trễ pha như đã trình bày Nói một cách ngắn gọn, hai PIN diode này
sẽ luôn được cấp nguồn đồng thời, đồng nghĩa với việc chúng sẽ ở chế độ TẮT và MỞ giống nhau do sự liên tục của dòng điện được miêu tả ở Hình 7-a Điều này đi ngược với điều ta mong muốn là điều khiển độc lập từng cặp PIN diode
Để tránh điều này, tụ điện được sử dụng tại từng anten lưỡng cực giúp ngăn dòng DC chạy từ nhánh anten này qua nhánh anten vuông góc còn lại thông qua đường dây nối Việc còn lại là thiết kế mạch phân cực DC cấp nguồn cho từng PIN
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
|S 11
Frequency (GHz)
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
0
2
4
6
8
10
AR Gain
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10
-20
-10
0
10
0 30
60
90
120
150 180
210 240
270
300
330
-20
-10
0
10
RHCP LHCP
Hình 10 S11, AR, độ lợi và độ lợi phân cực tròn trái/phải trong trường hợp
PIN diode MỞ ở chiều x và TẮT ở chiều y
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 -16
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2
|S 11
Frequency (GHz)
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 0
2 4 6 8
10
AR Gain
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10
-20 -10 0
10
0 30
60
90
120
150 180
210 240 270 300 330
-20
-10
0
10
LHCP RHCP
Hình 11 S11, AR, độ lợi và độ lợi phân cực tròn trái/phải trong trường hợp
PIN diode MỞ ở chiều y và TẮT ở chiều x
Trang 5diode mà không ảnh hưởng đến hiệu năng hoạt động của
anten Đối với đường dây cấp nguồn Vbias, một cuộn cảm và
một điện trở được sử dụng nhằm ngăn không cho dòng RF đi
ra ngoài đường dây nguồn DC và giúp tạo một điện áp DC
phù hợp giúp PIN diode hoạt động ổn định Ô cấp nguồn sẽ
được sử dụng để nối đất cho PIN diode Tuy nhiên, vì kích
thước của ô khá nhỏ nên một cuộn cảm sẽ được dùng để nối
ô cấp nguồn với đường dây nối hai anten nay đã được cách
ly về mặt DC với hai anten nhờ vào tụ điện Đường dây nối
sẽ thông qua một cuộn cảm nữa nối xuống đất nhằm tránh
dòng RF rò ra ngoài gây ảnh hưởng đến hoạt động của anten
Hình 9 thể hiện mạch tương đương ở chế độ DC giúp cấp
nguồn cho PIN diode Các giá trị tụ điện và cuộn cảm phải
được chọn sao cho nó gây ra ít ảnh hưởng nhất đến hoạt
động trường điện từ của anten
IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ANTEN
A Trường hợp tạo phân cực tròn trái
Để tạo ra phân cực tròn trái, hai PIN diode được đặt dọc
theo chiều x ở mặt trên và mặt dưới sẽ được MỞ, đồng thời
hai PIN diode theo chiều y sẽ TẮT
Kết quả mô phỏng trên Hình 10 cho thấy anten có băng
thông S11 dưới -10dB từ 2 GHz đến 2.6 GHz và tại tần số
2.4 GHz anten tạo được phân cực tròn tốt nhất với tỷ số trục
AR là 0.52 dB Với sự hỗ trợ của lớp ground đặt dưới anten,
độ lợi được tăng lên với giá trị là 6.7dBi tại 2.4 GHz Dù độ
lợi bị giảm so với trường hợp khi chưa có mạch cấp nguồn
cho PIN diode nhưng độ giảm đó là không đáng kể
Dựa vào độ lợi phân cực tròn trái và phải, có thể khẳng
định rằng anten có phân cực tròn trái khi độ lợi phân cực
tròn trái đạt 6.7dBi và ở phân cực tròn phải chỉ đạt -20dBi
B Trường hợp tạo phân cực tròn phải
Tương tự như trên, để tạo phân cực tròn phải, ta thực
hiện ngược lại: MỞ PIN diode ở chiều y và TẮT ở chiều x
Kết quả trên Hình 11 cho thấy rằng S11, tỷ số trục AR và
độ lợi của anten là không thay đổi so với trường hợp trước
Tuy nhiên lúc này có sự thay đổi trong độ lợi phân cực tròn
trái và phải của anten Độ lợi phân cực tròn trái trong trường
hợp này chỉ đạt -20dBi và độ lợi phân cực tròn phải là
6.7dBi Vậy là anten đã thay đổi từ phân cực tròn trái sang
phân cực tròn phải nhờ vào sự thay đổi trạng thái của PIN
diode
V KẾT LUẬN Anten được đề xuất trong bài báo đã giúp giải quyết
được nhược điểm của phân cực tròn Anten có cấu trúc đơn
giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo và có giá thành rẻ Bài báo đã cho
thấy được thế mạnh của các linh kiện điện tử, cụ thể là PIN
diode khi được dùng trong việc chế tạo anten Nó giúp tạo
nên một anten có độ linh hoạt cao hơn và tăng mạnh tính
ứng dụng của anten Thiết kế cuối cùng cho băng thông S11
trải từ 2 GHz đến 2.6 GHz với tỷ số trục AR đạt 0.52dB tại
tần số 2.4 GHz tạo nên phân cực tròn tốt tại tần số đó Với
việc thay đổi chế độ hoạt động của PIN diode, anten thay
đổi được phân cực tròn trái và phải với các thông số S11 và
AR là không đổi Điều này giúp anten hoạt động ổn định ở
mọi loại phân cực tròn Ngoài ra, anten còn sử dụng một lớp
ground giúp anten đạt độ lợi 6.7dBi tại 2.4 GHz Đây cũng
là một điểm mạnh của cấu trúc giúp loại bỏ đi nhược điểm
độ lợi thấp của bản thân anten lưỡng cực
ACKNOWLEDGMENT Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số
“103.05-2016.37”
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Costantine, Y Tawk and C G Christodoulou, "Reconfigurable
Antennas and Their Applications," in Handbook of Antenna
Technologies, pp 1-30
[2] J Costantine, Y Tawk, S E Barbin and C G Christodoulou,
"Reconfigurable Antennas: Design and Applications," Proceedings of
the IEEE, vol 103, no 3, March 2015
[3] C G Christodoulou, Y Tawk, S A Lane and S R Erwin,
"Reconfigurable Antennas for Wireless and Space Applications,"
Proceedings of the IEEE, vol 100, no 7, July 2012
[4] R L.Haupt and M Lanagan, "Reconfigurable Antennas," IEEE
Antennas and Propagation Magazine, vol 55, no 1, February 2013
[5] C A Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 1982 [6] H H Tran, I Park and T K Nguyen, "Circularly Polarized Bandwidth-Enhanced Crossed Dipole Antenna with a Simple Single
Parasitic Element," IEEE Antennas and Wireless Propagation
Letters, vol 16, no 1, pp 1776-1779, 2017
[7] T K Nguyen, H H Tran and N N Trong, "A Wideband
Dual-Cavity-Backed Circularly Polarized Crossed Dipole Antenna," IEEE
Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 3135-3138,
2017
[8] H H Tran, N N Trong, T K Nguyen and A M Abbosh,
"Bandwidth Enhancement Utilizing Bias Circuit as Parasitic
Elements in a Reconfigurable Circularly-Polarized Antenna," IEEE
Antenna and Wireless Propagation Letter, vol 17, no 8, pp
1533-1537, 2018
[9] M F Bolster, "A new type of circular polarizer using crossed
dipoles," IRE trans Microw Theory Tech., vol 9, pp 385 - 388,
1961
[10] M/A-COM Techonology Solution Inc., "MADP-042XX5-13060 Datasheet"
