Bài báo đề xuất một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L ứng dụng cho thiết bị di động 3G. Dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử đặt trên tấm 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).
Trang 1Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L
dùng cho thiết bị di động 3G
Hà Quốc Anh1,2, Nguyễn Quốc Định1, Đỗ Quốc Trinh1
1
Khoa Vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn, Hà Nội, Việt Nam
2
Khoa Nghiệp vụ viễn thông, Đại học Thông tin liên lạc, Nha Trang, Việt Nam Email: haquocanh1812@gmail.com, dinhnq@mta.edu.vn, trinhdq@gmail.com
Tóm tắt - Bài báo đề xuất một cấu trúc anten phẳng
dạng chữ L ứng dụng cho thiết bị di động 3G Dựa trên
phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử đặt trên tấm 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
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
Trang 2và 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)
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 l 1
Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l 1 đến hệ
số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 2
Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l 1 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 l 1
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 l 1 = 14,8 mm
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 1.0
1.5 2.0
Frequency [GHz]
Dải tần 3G (270 MHz)
Tần số [GHz]
l 1
W
l 2
l 3
N
N
l 4
l 5
FR4 plane Feeding point
Antenna
z y x . L
Grounding point
Ground plane
105 × 40 × 0.035 [mm]
FR4
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
Frequency [GHz]
Dải tần 3G (270 MHz)
Tần số [GHz]
Trang 3Hình 4 Ảnh hưởng của tham số l 5 đến VSWR
2 Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l 2
Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l 2 đến hệ
số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 3
Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l 2 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 l 2 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 l 2 = 4,3 mm
3 Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l 5
Tương tự như tham số l 1 , khi tăng chiều dài l 5thì
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 l 5thì 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 l 5= 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
Frequency [GHz]
l 5= 25,7 mm
l 5= 25,2 mm
l 5= 24,7 mm
Dải tần 3G (270 MHz)
Tần số [GHz]
-10j 10j
-25j 25j
-50j
50j
-100j
100j
-250j
250j 2,01 GHz
(50 Ω)
1.0 1.5 2.0
Frequency [GHz]
280 MHz
Dải tần 3G (270 MHz)
Tần số [GHz]
Trang 4Hình 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 l 5 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
-24 -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
-24 -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
-24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Frequency [GHz]
3,2 dBi 3,9 dBi
Tần số [GHz]
Trang 5IV KẾT LUẬN 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
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