Thiết kế tối ưu hóa đa lớp ăng ten PIFA với cấu trúc EBG giảm tỉ lệ bức xạ SAR trong các ứng dụng di động

Thiết kế tối ưu hóa đa lớp ăng ten PIFA với cấu trúc EBG giảm tỉ lệ bức xạSAR trong các ứng dụng di động Tóm tắt bài báo này đề xuất một tối ưu ăng ten dải F ngươc PIFA với cấu trúc EBG

Thiết kế tối ưu hóa đa lớp ăng ten PIFA với cấu trúc EBG giảm tỉ lệ bức xạ

SAR trong các ứng dụng di động

Tóm tắt bài báo này đề xuất một tối ưu ăng ten dải F ngươc (PIFA) với cấu trúc EBG ở băng tần dịch vụ truyền thông cá nhân làm cho giảm tỉ lệ bức xạ điện thoại (SAR).Cấu trúc EBG là các khe vùng dẫn và có khả năng dẫn từ tốt trên bề mặt,

có thể ngăn chặn các sóng bề mặt và giảm bức xạ không mong muốn từ ăng-ten.Như vậy, cấu trúc EBG là có khả năng ngăn chặn điện từ (EM) tác động trực tiếp vào phần đầu của con người Để tối ưu hóa cấu trúc đa lớp PIFA để giảm bức

xạ điện thoại SAR, đầu tiên thiết kế cấu trúc giữa lớp mạch in bo mạch và lớp ăng ten Thứ hai là tham số về số lượng cell EBG, chiều cao, và vị trí của PIFA thực hiện với cấu trúc EBG Cuối cùng, tối ưu hóa đa lớp PIFA với cấu trúc EBG kiểm tra các thông số S, các mẫu bức xạ, tổng công suất bức xạ, và giá trị tỉ lệ bức xạ SAR Kết quả cho thấy việc giảm giá trị tỉ lệ bức xạ SAR trong khi vẫn duy trì được hiệu suất ăng-ten Vì vậy phần đầu của con người có thể được bảo vệ trước những nguy hiểm của trường điện từ khi sử dụng cấu trúc EBG

Những nội dung chính : cấu trúc EBG, ứng dụng cho thiết bị di động, ăng ten phẳng F ngược (PIFA), tỉ lệ bức xạ điện thoại

I Giới thiệu:

Ngày nay nhu cầu cho các thiết bị di động cầm tay gia tăng nhanh chóng chẳng hạn như điện thoại di dộng, thiết bị liên lạc thông tin di động,thiết bị đầu cuối di động được nghiên cứu và phát triển rộng rãi [1], [2] Và khi thiết bị được sử dụng quá gần con người trong một thời gian dài là phổ biến trong cuộc sống hiện đại điều này giấy lên một vấn đề lo ngại cho sức khỏe của con người do tác động của sóng điện từ gia tăng Để kiểm chứng các ảnh hưởng tới các vấn đề sức khỏe con người gây ra bởi sư tác động của các thiết bị di động,các hiệu ứng nhiệt gây ra bởi sóng điện từ EM trong một số băng tần có thể được xem xét và nghiên cứu Tỷ lệ hấp thụ cụ thể SAR là một trong những thông số dùng đánh giá sự hấp thụ năng lượng nội địa hóa trong mô con người Sóng điện từ EM được tạo ra từ các thiết bị thông tin liên lạc hoặc từ môi trường xung quanh có thể làm tăng nhiệt độ cơ thể con người Như đã trình bày ở mục [3], các trường điện từ có thể truyền nhiệt cân bằng tại một điểm lựa chọn quy định Tuy nhiên, nhiệt từ các thiết bị truyền thông không thể được đo một cách dễ dàng, mà đánh thay thế bằng giá trị SAR, nó có thể cung cấp các mức độ liên quan đến sức khỏe Đối với dịch vụ điện thoại di động chẳng hạn như dịch vụ truyền thông di động hoặc cá nhân (PCS), giá trị SAR không được vượt quá mức được quy định bởi tổ chức quốc tế Vì vậy, các kỹ thuật giảm SAR là rất quan trọng cho các thiết bị di động và các công ty sản xuất chúng

Có rất nhiều kĩ thuật khác nhau để xử bức xạ điện từ EM cấu trúc EBG kiểm soát quá trình bức xạ sóng EM

Nghiên cứu gần đây ở báo cáo về EBG [5], [6], với EBG có nguồn gốc từ mạng mắt cáo, và các cấu trúc 3-D đầu tiên được thực hiện bởi Yablonovitch, trong cuối thập niên 1980 [7] Cấu trúc EBG phẳng đã được giới thiệu và áp dụng cho RF bởi sievenpiper [8]

Cấu trúc EBG được sử dụng trong thiết kế ăng-ten nhỏ gọn, nâng cao độ tăng ích của ăng-ten , hạn chế của nhiễu chuyển mạch , giảm các giá trị SAR [9] - [12].Bên cạnh việc sử dụng của các EBG, các kỹ thuật khác có thể được sử dụng để giảm tỉ

lệ bức xạ SAR như tối ưu hóa hình dạng của ăng ten [13].vị trí ăng-ten trên các thiết bị điện thoại di động [14], hoặc việc sử dụng ferit [15]

Cấu trúc EBG có trở kháng bề mặt cao, có khả năng ngăn chặn sự truyền dòng điện bề mặt và có tác dụng như một dây dẫn từ hoàn hảo PMC trong một số dải tần số xác định Ngoài ra cấu trúc EBG có đặc tính chặn dải tần số ,có thể kiểm soát các đặc tính bức xạ của ăng-ten EBG cũng có thể làm giảm sóng bề mặt tạo

ra sóng điện từ EM tới phần đầu con người Tuy nhiên, các kỹ thuật cũ để làm giảm SAR cũng làm cho hiệu suất ăng-ten bị suy giảm [15], [16] Kể từ khi cấu trúc EBG đóng vai trò như là một PMC tăng cường hiệu suất ăng-ten, nếu cấu trúc EBG được áp dụng trên một điện thoại di động mặt đất thì các tác dụng không mong muốn của sóng điện từ EM có thể được ngăn chặn

Ăng –ten PIFA thường nằm trên lớp mạch in PCB trong điện thoại di động Ở trong bài báo này , ăng ten PIFA được thiết kế trong băng tần PCS với cấu trúc EBG Đầu tiên để áp dụng điều này trong một thiết bị đầu cuối di động,cấu trúc đa lớp EBG với các đơn vị cell và ăng ten được tính toán thiết kế chế tạo cùng với mạch in PCB PCB có các lớp và các thành phần linh kiện điện tử của điện thoại như các mạch vi xử lý, mạch nguồn ,các dây dẫn và pin của điện thoại Trong bài báo này, cấu trúc đa lớp bao gồm một PCB đơn giản (như một bảng mạch FR4) với cấu trúc EBG và ăng-ten (PIFA) Thứ hai , để tối ưu hóa giảm tỉ lệ bức xạ SAR tác động, một nghiên cứu về các thông số cell của EBG, như số cell , chiều cao , vị trí đặt ăng ten Cuối cùng là đặc tính của tối ưu đa lớp PIFA chẳng hạn như các tham số S ,mô hình bức xạ,tổng giá trị công suất bức xạ TRP,và các giá trị SAR, tất cả đều được đưa ra

Hình 1 : Cấu trúc EBG: (a) đơn vị cell của EBG (b) mô hình EBG.

Hình 2 : Cấu trúc hình học ăng-ten với cấu trúc EBG (a)nhin cạnh bên (b) nhìn

mặt trên ; (c) khi nghe điện thoại

II: Cấu trúc.

Trong hình 1: Cho thấy cấu trúc của EBG Trước đó ít những cấu trúc như cấu trúc EBG tác dụng làm giảm SAR [11] Cấu trúc EBG là sự lựa chọn bởi nó là cấu trúc đơn giản Các đơn vị cell của cấu trúc EBG bao gồm một miếng hình vuông, một chất nền điện môi và nối đất.Từ khi khoảng không gian của một điện thoại di động

bị giới hạn, các tế bào cell của EBG được thiết kế trong khu vực nhỏ của chất nền điện môi.Các tế bào cell được chế tạo trên trên Taconic CER-10 (Er = 10,2, tang

số tổn hao = 0,0035) với độ dày 1,57 mm Phương pháp mô hình sóng phẳng [6] đang sử dụng để ước lượng đánh giá pha tác động đơn vị cell của bề mặt cấu trúc EBG ( hình 1(b)) Cell có kích thước là 16,7 mm x 3 mm Kích thước của khoảng cách G là 0,5 mm Một băng tần PCS từ 1,85 đến 1,91 GHz Tất cả các kích thước của các đơn vị cell của cấu trúc EBG được xác định bằng cách sử dụng một mô hình để tham chiếu, sẽ được mô tả trong phần tiếp theo

Mô hình của ăng ten đề nghị được thể hiện trong hình 2.ăng ten PIFA được đề xuất bao gồm một bộ bức xạ, dẫn dòng, và chân kết nối mass với EBG Như thể hiện trong hình 2 (b), toàn bộ cấu trúc của ăng-ten PIFA cấu trúc EBG có ba lớp, bao gồm một ăng-ten, tế bào cell của EBG, và lớp PCB Để so sánh hiệu suất, một ăng-ten thông thường PIFA được thiết kế cho các băng tần PCS trong hình 2 (a) nhưng mô hình các cell của EBG được loại bỏ các ăng-ten được chế tạo trên một chất nền bằng đồng 0,017 mm, cao 3,14-mm , hằng số điện môi là 3,5 và tang hệ

số tiêu hao là 0,0018 Bảng 1 tổng hợp kích thước của ăng-ten với cấu trúc EBG Kích thước của PIFA với cấu trúc EBG

Bảng 1 : kích thước của ăng ten với cấu trúc EBG

Ăng ten PIFA với cấu trúc EBG được tối ưu hóa bằng cách sử dụng thông số tại mục III Hình 2 (c), đề xuất mô hình ăng-ten SAM cho phần đầu con người SAM bao gồm (Er = 40,s= 1,4) và vỏ (Er = 5, tiếp xúc bằng là = 0,05) ăng-ten được đề xuất là nằm ở phía bên cạnh trái SAM Khoảng cách giữa phần đầu mô phỏng với điện thoại di động là 3 mm, ăng-ten được đề xuất là nằm gần tai của một SAM ảo Nguồn phát tần số và vỏ kiểm tra như hình 3

Các máy phát tần số và các thiết bị đo cầm tay trong trường hợp này được thể hiện trong hình 03 Các máy phát tần số được thiết kế cho kiểm tra SAR cho PCS các băng tần 1.85,1.88,1.91 GHz công suất lớn nhất điện thoại PCS là 25 dB Chiếc điện thoại thử nghiệm là một điện thoại trượt với một chất nền điện môi (Er = 3) tổng hợp kích thước của vỏ điện thoại thử nghiệm được thể hiện trong hình 3 (b)

Hình 3 : mô hình máy phát tần và vỏ : (a) mạch phát (b) vỏ kiểm tra bằng tay

hình 4 : đặc tính EBG: (a) tham chiếu pha (b) S21

Bảng 2 :Giá trị SAR với thông số L

III: Tối ưu hóa và kết quả

A Đặc điểm của EBG

Giai đoạn mô phỏng và S21 của cấu trúc EBG

được hiển thị trong hình 4 Như thể hiện trong hình 1, một sóng phẳng được phát

ra và sóng phản xạ của nó được phát hiện Giai đoạn các đặc tính phản xạ của các

tế bào cell EBG chỉ ra một PMC và băng tần hoạt động của nó [8] Tần số băng thông hoạt động Pha phản xạ lại cho thấy từ -90 độ tới 90 độ , tần số từ 1.77 tới 2.01 GHz là phù hợp với băng tần PCS Hơn nữa, như trong hình 4 (b),

đề xuất cấu trúc EBG có thể làm giảm sóng bề mặt xuống một mức độ nhỏ

B Thông số của ăng ten PIFA với cấu trúc EBG

Để tối ưu hóa các đặc tính của một ăng-ten, một nghiên cứu về các tham số được thực hiện Chiều cao ăng-ten và vị trí trong các giới hạn

không gian của điện thoại di động là khác nhau Băng thông ăng-ten đã được cố định,suy hao dưới -10 dB Đầu tiên số tế bào cell của EBG được kiểm tra L là

độ dài của tế bào cell của EBG Khi mà chiều dài giảm thì số tế bào EBG tăng lên hạn chế nơi đặt trong điện thoại di động Bảng II thể hiện các giá trị mô phỏng của PIFA với cấu trúc EBG theo số lượng tế bào EBG Trong các nghiên

cứu trước đó tỷ lệ tốc độ giảm cao khi cấu trúc EBG có nhiều hơn các tế bào EBG giới hạn trong một không gian hạn chế Vì vậy, như L là 3 mm, giá trị SAR thấp Trong bài báo này, giá trị tối ưu của L là 3 mm Sau đó, T vị trí ăng-ten đã được cố định (T = 6 mm, vị trí trung tâm) và chiều cao Ha của ăng-ten thay đổi như thể hiện trong hình 5, các giá trị của Ha đã được lựa chọn từ 3

đến 3,5 mm, cho thấy một tỷ lệ giảm của SAR tỷ lệ giảm là tỷ lệ phần trăm của giá trị SAR của PIFA với cấu trúc EBG

Hình 5: giá trị mô phỏng SAR với tham số Ha

Bảng 3 : giá trị SAR với tham số Ha

Bảng 4 : giá trị SAR với tham số T

Hình 6: mô phỏng SAR với tham số T

Từ đó bảng chất điện môi ( Taconic RF-35 ) trong thực tế có 3 giá trị Ha = 3.14

mm đã được lựa chọn và cho thấy độ giảm cao nhất của giá trị SAR trong băng tần PCS Chi tiết của kết quả mô phỏng được trình bày ở bảng 3

Cuối cùng các giá trị SAR được so sánh với các vị trí của ăng ten Ăng ten có độ cao Ha được cố định 3.14mm và vị trí ăng ten thay đổi Bảng 4 cho thấy giá trị

mô phỏng SAR với ăng ten có cấu trúc EBG tùy theo vị trí T Khi ăng ten mặt đất

là không đối xứng thì các bức xạ của ăng ten cũng không đối xứng và nghiêng theo hướng đầu của điện thoại Với phương pháp tối ưu hóa , vị trí giữa các ăng ten và cấu trúc EBG bất đối xứng và ăng ten nằm phía dưới của điện thoại Và giá trị tốt nhất của T là 8mm như trong hình 6 1-g kết quả giá trị SAR trong bài báo này là giá trị SAR trung bình của toàn bộ đối tượng sử dụng phương pháp đánh giá của IEEEC95.1 Đối với một so sánh chính xác, các điều kiện như SAM ảo , chất lỏng tương đương con người,phương pháp tính toán cơ bản dựa trên phương pháp đánh giá tiêu chuẩn của SAR trong mô phỏng và đo lường [4]

C Đặc điểm của tối ưu hóa các PIFA với cấu trúc EBG

Hình 7: phục hồi của ăng ten đề xuất

Hình 7 cho thấy sự phục hồi mất mát của ăng ten được được đề xuât Các giá trị của ăng ten với cấu trúc EBG được lựa chọn được thể hiện giảm SAR Các tham

số là Ha 3.14mm và 8mm Đo sự phục hồi của PIFA và ăng ten được đề xuất có tần số tương ứng lần lượt là: 1.84-1.94 GHz và 1.85-1.92GHz Sự phục hồi hoàn hảo nhất ở băng tần phát PCS ,1.85-1.91 GHz , cho VSWR<3 Các mô hình bức

xạ được thể hiện trong hình 8 Ở độ cao, và góc từ 90 độ tới 270 độ khu vực đó là đối diện với cơ thể con người Hình 8 (a) là mô phỏng mô hình bức xạ

đề xuất các ăng-ten với một phần đầu SAM ảo và hình 8 (b)là mô hình bức xạ đo được của các ăng-ten được đề xuất trongkhông khí Hình 2 (c) cho thấy các điều kiện của mô hình bức xạmô phỏng của các ăng-ten được đề xuất với phần đầu ảo Thiết bị di động được đề xuất bào gồm ăng ten với cấu trúc EBG , cấu trúc truyền dẫn, và môi trường điện môi Như thể hiện trong hình 8,IFA bình thường có một

mô hình thông thường cho các ăng-ten PIFA và ảnh hưởng của sóng điện từ EM

là giảm bởi vì mô hình

giảm bức xạ trược tiếp theo hướng của phần đầu con người

Hình 8 : mô hình bức xạ (a) mô phỏng ăng ten với SAM (b) đo đạt với ăng ten

Sự khác biệt trong hình 8 là do phần đầu SAM ảo và máy phát tần số Giá trị đo được thể hiện trong bảng V Khi mà cấu trúc EBG dưới PIFA hoạt động tốt với băng tần PCS, PIFA với cấu trúc EBG đã nâng cao độ khuếch đại của ăng ten Hình 9 cho thấy một PIFA chế tạo với một EBG và một là thông thường Chiếc điện thoại thử nghiệm để đo SAR cũng được hiển thị trên hình 9 PIFA với cấu trúc EBG và máy phát tần số được kết nối với nhau bằng cáp đồng trục 50 ôm Cơ cấu nguồn của PIFA và PIFA với EBG là giống nhau Tất cả các cấu trúc được

mô phỏng bằng cách sử dụng máy tính mô phỏng công nghệ vi sóng studio dựa trên một 3-D FIT EM mô phỏng [18] Bảng VI cho thấy các giá trị TRP mô phỏng Giá trị TRP là năng lượng bức xạ bởi ăng-ten và để đánh giá hiệu năng của một ăng-ten điện thoại di động, kiểm tra TRP phải được thực hiện và giá trị TRP của ăng ten phải đáp ứng được các tiêu chuẩn được xác lập bới các nhà cung cấp dịch vụ di động Trong bài báo này từ khi chiếc điện thoại được thiết kế cho các dịch vụ băng tần PCS công suất đầu vào của ăng ten được khuyến cáo là 25dBm Khi độ khuếch đại của ăng ten được tăng lên với cấu trúc EBG cấu trúc

có giá trị giống giá trị trong PIFA trước đây khi được so sánh ,với TRP trong cấu trúc EBG đề xuất đã không làm giảm hiệu xuất của ăng ten Các kết quả đo và mô phỏng SAR được trình bày trong bảng 5 Như thể hiện trong hình 10, các thí nghiệm SAR được thực hiện trong phòng nghiên cứu Điện tử và Viễn thông

Bảng 5 : đo hệ số đáp ứng của ăng ten

Hình 9: ảnh cấu trúc được chế tạo: (a) chế tạo PIFA với EBG và PIFA (b) kiểm

tra SAR

Trong hình 9 Ăng ten đề xuất PIFA với cấu trúc EBG và phát tần được kết nối cáp trở kháng 50 Ω , cấu trúc truyền dẫn của PIFA và PIFA với cấu trúc EBG là giống nhau Tất cả các cấu trúc được mô phỏng sử dụng máy tính mô phỏng vi sóng dựa trên 3-D FIT EM [18]

Bảng 6 đưa ra giá trị mô phỏng TRP Giá trị TRP là công suất phản xạ của ăng ten

Và đánh giá hiệu suất của 1 ăng ten của điện thoai di động trong bài báo này đề xuất thiết kế kiểm tra bằng tay với băng tần dịch vụ PCS, công suất đầu vào của ăng ten đề xuất là 25 dB.m , từ đó nó sẽ cho công suất lớn nhất của điện thoại PCS Do đó hệ số TRP của ăng ten cấu trúc EBG tăng so với ăng ten PIFA thông thường

Bảng 6: giá trị mô phỏng TRP

Bảng 7: giá trị SAR

Hình 10 (a) layout

Hình 10 hệ thống đo lường (a) layout (b) ảnh của máy MR900W

Hình 11: đo SAR ở 1.88 GHz: (a) PIFA thông thường (b) PIFA với cấu trúc EBG

Ăng ten được đề suất với cấu trúc EBG không làm giảm hiệu suất của ăng ten Kết quả mô phỏng và đo đạt SAR được ghi lại trong bảng 7 ở trong hình 10 là thí nghiệm SAR trong phòng thí nghiệm điện tử viễn thông sử dụng máy MR900 [11] Thông số SAR được đo đật với phần đầu con người, bên trong là chất lỏng ( Er = 40, σ = 1.4) và vỏ (Er = 5, delta = 0.05) khoảng cách giữa phần đầu người

và điện thoại là 3 mm hình 11 trình bày đo đặc tính SAR ở 1.88 GHz Thiết bị kiểm tra đặt nằm trung tâm ăng ten và phần đầu ảo giá trị đo lớn nhất E-field với PIFA thông thường và PIFA với cấu trúc EBG là 21.68 V/m và 19 V/m, tương ứng giá trị E-field của PIFA với cấu trúc EBG nhỏ hơn PIFA thông thường từ đó đặc tính SAR thay đổi và giá trị E-field giảm, giá trị đo SAR của PIFA với cấu trúc EBG giảm 31% ở tần số trung tâm

Khác biệt giữa mô phỏng và kết quả thí nghiệm là do sai số chế tạo máy phát tần

số trong mô phỏng máy phát tần số được mô hình hóa như máy vi dải

IV KẾT LUẬN Bài báo này trình bày tối ưu đa lớp PIFA với cấu trúc EBG cho ứng dụng di động cấu trúc EBG có trở kháng bề mặt cao ở băng tần số xác định và có khả năng truyền sóng bề mặt và kiểm soát các đặc tính bức xạ cấu trúc EBG giảm sóng điện

từ bền mặt EM phát trên điện thoại di động tới phần đầu của con người từ đó cấu trúc EBG hoạt động như một PMC qua đó làm tăng hiệu suất của ăng ten Cấu trúc EBG ứng dụng cho điện thoại di động mặt đất và năng các sóng điện từ EM không mong muốn

Trong bài báo này Tế bào cell của cấu trúc EBG và một PIFA lần đầu tiên được thiết kế trong điện môi, thứ 2 là tối ưu giảm tỉ lệ bức xạ SAR, tham số về số lượng các tế bào cell, chiều cao ăng ten, vị trí ăng ten được thực hiện với phần đầu người

ảo cuối cùng PIFAtối ưu hóa với cấu trúc EBG được thiết kế kết quả cho thấy giảm giá trị SAR và mô hình bức xạ tới phần đầu con người trong khi duy trì được hiệu xuất ăng ten Do đó con người được bảo vệ khỏi các sóng điện từ EM không tốt bằng cấu trúc EBG