Cải thiện hiệu suất anten tái cấu hình tần số và phân cực cho ứng dụng dải tần ISM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất thiết kế anten vi dải tái cấu hình tần số và phân cực sử dụng PIN Diode. Để cải thiện hiệu suất khá thấp của anten (do suy hao cao của đế điện môi và các thành phần điện trong mạch cấp nguồn), một khoảng trống nhỏ được chèn vào giữa đế điện môi và mặt phẳng đất (ground).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cải thiện hiệu suất anten tái cấu hình tần số và phân cực cho ứng dụng dải tần ISM

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Cải Thiện Hiệu Suất Anten Tái Cấu Hình Tần Số và Phân Cực cho Ứng Dụng Dải Tần ISM Bùi Công Danh1,2, Đoàn Minh Thuận3, Đặng Phúc Toàn1,2, Nguyễn Trương Khang1,2,* 1 Ban Vật Lý Tính Toán, Viện Khoa Học Tính Toán , Trường Đại học Tôn Đức Thắng, TP. HCM 2 Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Tôn Đức Thắng, TP. HCM 3 Khoa Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa TPHCM, TP. HCM Tác giả liên hệ: *nguyentruongkhang@tdtu.edu.vn Abstract— Bài báo đề xuất thiết kế anten vi dải tái cấu hình tần số và phân cực sử dụng PIN Diode. Để cải thiện Lp1 hiệu suất khá thấp của anten (do suy hao cao của đế điện môi và các thành phần điện trong mạch cấp nguồn), một khoảng trống nhỏ được chèn vào giữa đế điện môi và mặt R = 100 Ω phẳng đất (ground). Anten sau khi thiết kế và tối ưu hóa, Tâm của anten vi dải bên trong được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy, Via Ym Yf anten phát ra phân cực tròn tại 1.8 GHz khi PIN Diode Wp1 Wp2 ON và phân cực tuyến tính tại 2.4 GHz khi PIN Diode Cấp OFF, với độ lợi tương ứng là 2.3 dBi và 5.3 dBi. Thiết kế nguồn L = 90 nH g Tâm khung anten đề xuất còn cho thấy sự nhỏ gọn và cấu hình thấp, vuông ngoài phù hợp cho các ứng dụng GSM và WiFi. Xcut Keywords- anten vi dải, anten tái cấu hình, tái cấu x hình phân cực, tái cấu hình tần số, GSM, WiFi. Lp2 y (a) Ycut z PIN Diode I. GIỚI THIỆU (b) ts z y dair Anten tái cấu hình đã luôn là một đề tài nghiên cứu x hấp dẫn gần đây [1-2] và độ linh hoạt trong thiết kế của Via SMA anten vi dải tạo tiền đề tốt cho việc nghiên cứu đó. Hình 1. Thiết kế anten đề xuất (a) hướng nhìn từ trên Anten tái cấu hình là loại anten có thể thay đổi cơ chế xuống (b) hướng nhìn cạnh bên. hoạt động bằng cách sử dụng các linh kiện như PIN Diode, Varactor Diode, RF-MEMS, v.v. Trong số đó, L = 0.4nH R = 1.3Ω L = 0.4nH CT = 0.15pF PIN Diode thường được dùng nhiều bởi vì dễ mô phỏng và thiết lập trong thực tế. Bằng hai trạng thái (a) (b) hoạt động ON và OFF của PIN Diode, ta có thể thay Hình 2. Mô hình mạch điện tương đương của PIN đổi nhiều đặc tính của anten như tần số [3-6], phân cực Diode (a) trạng thái ON (b) trạng thái OFF. [7-8] hoặc đồ thị bức xạ [9]. Anten tái cấu hình tần số là loại anten có thể hoạt động tại nhiều tần số. Việc thay đổi tần số hoạt động có nhiều dạng khác nhau như cực, điển hình là phân cực tròn và phân cực tuyến tính thay đổi tần số hoạt động hiện tại [5], từ băng thông tùy thuộc vào trạng thái hoạt động của linh kiện. Phân rộng thành băng thông hẹp [10], hoặc kết hợp cả hai cực tròn thường được ưa chuộng hơn vì nó có thể giảm [6]. Khả năng thay đổi tần số sẽ giúp cho hệ thống linh thiểu sai lệch phân cực và suy hao fading trong môi hoạt hơn trong việc truyền dữ liệu. Không chỉ thế, hệ trường. Từ đó cải thiện được chất lượng tín hiệu tryền thống sẽ được tinh giản hơn nhờ giảm thiểu số lượng đi và cần thiết trong ứng dụng tên lửa hoặc điều khiển anten cần sử dụng. từ xa. Từ những ưu điểm trên, ta có thể kết luận rằng Bên cạnh tái cấu hình tần số, anten tái cấu hình bằng cách kết hợp nhiều kiểu tái cấu hình trong cùng phân cực cũng có những ưu điểm đáng chú ý. Anten tái một anten, hệ thống truyền dữ liệu sẽ nhỏ gọn, linh cấu hình phân cực có khả năng phát ra nhiều loại phân hoạt và đa năng hơn. ISBN: 978-604-80-5076-4 172
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 0 30 0 30 -10 24 -10 24 Axial Ratio (dB) Axial Ratio (dB) |S11| (dB) |S11| (dB) -20 18 -20 18 Lp1 = 34.5 mm Lp1 = 34.5 mm dair = 1.2 mm dair = 1.2 mm -30 Lp1 = 35 mm 12 -30 dair = 1.6 mm 12 dair = 1.6 mm Lp1 = 35 mm Lp1 = 35.5 mm Lp1 = 35.5 mm dair = 2.0 mm dair = 2.0 mm -40 6 -40 6 ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF -50 0 -50 0 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 (a) Frequency (GHz) (b) Frequency (GHz) (a) Frequency (GHz) (b) Frequency (GHz) 100 10 100 10 Lp1 = 34.5 mm dair = 1.2 mm dair = 1.2 mm 80 8 Lp1 = 34.5 mm 80 dair = 1.6 mm 8 dair = 1.6 mm Lp1 = 35 mm Lp1 = 35 mm Hiệu suất (%) Hiệu suất (%) dair = 2.0 mm dair = 2.0 mm Độ lợi (dBi) Độ lợi (dBi) Lp1 = 35.5 mm Lp1 = 35.5 mm 60 6 60 6 ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF 40 4 40 4 20 2 20 2 0 0 0 0 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 (c) Frequency (GHz) (d) Frequency (GHz) (c) Frequency (GHz) (d) Frequency (GHz) Hình 3. Khảo sát thông số Lp1 tại 2 trạng thái PIN Hình 5. Khảo sát thông số dair tại 2 trạng thái PIN Diode (a) |S11| (b) AR (c) Hiệu suất (d) Độ lợi. Diode (a) |S11| (b) AR (c) Hiệu suất (d) Độ lợi. Bài báo đề xuất anten vi dải tái cấu hình tần số và được minh họa trong Hình 1 với các thông số được phân cực sử dụng PIN Diode. Tái cấu hình tần số tại biểu thị và giá trị tối ưu của chúng được liệt kê trong 1.8 GHz và 2.4 GHz, trong khi tái cấu hình phân cực Bảng 1. tròn xảy ra tại tần số 1.8 GHz. Bài báo gồm các mục Các PIN Diode có trạng thái ON hoặc OFF đều như sau. Mục 2 mô tả thiết kế đề xuất và mục 3 sẽ phân được mô phỏng dựa trên mô hình mạch điện tương tích đặc tính của anten. Mục 4 trình bày kết quả đo và đương. Trạng thái ON được mô hình bằng mạch điện mô phỏng và mục 5 kết luận về thiết kế. nối tiếp của điện trở (R = 1.3 Ω) và cuộn cảm (L = 0.4 nH), còn trạng thái OFF thì là mạch nối tiếp của cuộn II. THIẾT KẾ ANTEN cảm (L = 0.4 nH) và tụ điện (CT = 0.15 pF). Giá trị của Thiết kế đề xuất là một anten vi dải vuông được cấp các linh kiện tương ứng và hình vẽ của mạch điện được nguồn bằng cáp đồng trục. Khung vuông bên ngoài minh họa trong Hình 2. được liên kết với anten vi dải bên trong bằng bốn PIN Diode đặt tại điểm giữa của các cạnh. Mặc dù anten vi III. ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN dải có dạng hình vuông, khung vuông có hai góc đối Khả năng tái cấu hình tần số và phân cực của anten diện nhau bị gọt (Xcut, Ycut) để tạo phân cực tròn [11]. được dựa trên 4 PIN Diode liên kết anten vi dải và Cần lưu ý rằng tâm của anten vi dải bên trong và khung khung ngoài. Khi PIN Diode OFF, chỉ có anten vi dải bên ngoài không trùng với nhau. Khoảng trống được bức xạ, do đó anten hoạt động ở tần số cao hơn là 2.4 chèn giữa đế điện môi FR-4 và lớp GND. Để cấp GHz. Ngược lại, khung vuông ngoài sẽ có thể kết nối nguồn DC cho linh kiện, 2 thanh pin (via) được xuyên với anten và hoạt động tại 1.8 GHz nếu PIN Diode ON. qua đế điện môi và kết nối với nguồn DC ngoài. Các Chú ý rằng là tâm của anten vi dải và khung ngoài lệch cuộn cảm RF (L_choke) cũng được sử dụng để chặn nhau một đoạn ngắn để có phối hợp trở kháng tốt nhất. công suất RF rò rỉ ra ngoài anten. Mô hình thiết kế Tần số hoạt động tại mỗi băng tần có thể được 0 30 chỉnh bằng thông số Lpx (x=1; 2), trong đó Lp1 là kích -10 24 thước của anten vi dải bên trong và Lp2 là của khung Axial Ratio (dB) vuông bên ngoài. Xem xét sự thay đổi của Lp1 được |S11| (dB) -20 18 Lp2 = 50.8 mm Lp2 = 51.8 mm Lp2 = 50.8 mm mô tả trong Hình 3. Khi PIN Diode ON, tần số cộng -30 12 Lp2 = 52.8 mm Lp2 = 51.8 mm Lp2 = 52.8 mm hưởng ở vùng 1.8 GHz không thay đổi, nhưng khi PIN -40 ON OFF 6 ON OFF -50 0 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 (a) Frequency (GHz) (b) Frequency (GHz) 100 10 Lp2 = 50.8 mm Lp2 = 50.8 mm 80 Lp2 = 51.8 mm 8 Lp2 = 51.8 mm Hiệu suất (%) Lp2 = 52.8 mm Lp2 = 52.8 mm Độ lợi (dBi) 60 6 ON OFF ON OFF 40 4 20 2 0 0 (a) (b) 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 (c) Frequency (GHz) (d) Frequency (GHz) Hình 6. Phân bố vecto trường điện khi PIN Diode ON Hình 4. Khảo sát thông số Lp2 tại 2 trạng thái PIN tại 1.8 GHz (a) 0° (b) 90°. Diode (a) |S11| (b) AR (c) Hiệu suất (d) Độ lợi. ISBN: 978-604-80-5076-4 173
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 0 -10 |S11| (dB) Mô phỏng - OFF -20 Thực nghiệm - OFF Mô phỏng - ON -30 Thực nghiệm - ON (a) (b) Hình 7. Anten chế tạo thực tế (a) hướng nhìn từ trên xuống (b) hướng nhìn cạnh. -40 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 Diode OFF, tần số cộng hưởng bị thay đổi trong vùng Frequency (GHz) 2.45 GHz ở cả ba giá trị của Lp1 là 34.5 mm, 35 mm và Hình 8. Kết quả |S11| đo và mô phỏng của anten tại 2 35.5 mm theo hướng giảm dần. Điều tương tự cũng trạng thái PIN Diode. xảy ra ở Lp2 như được vẽ trong Hình 4. Thông số Lp2 15 chủ yếu ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng của anten ở vùng 1.8 GHz khi PIN Diode ON, và hầu như không 12 Mô phỏng đổi ở vùng 2.4 GHz khi PIN Diode OFF. Kết quả này Tỷ số trục (dB) Thực nghiệm cho thấy các tần số cộng hưởng và hiệu suất anten ở 9 1.8 GHz và 2.4 GHz được điều khiển và tối ưu hóa một cách độc lập nhau. 6 Một trong những thông số quan trọng khác trong thiết kế được đề xuất là dair, chính là chiều dày khoảng 3 trống tách biệt đế điện môi và lớp đất (Ground-GND). Như minh họa ở Hình 5, khi dair thay đổi từ 1.2 mm 0 1.75 1.77 1.79 1.81 1.83 1.85 đến 1.6 mm đến 2 mm, cả hai vùng tần số 1.8 GHz và Frequency (GHz) 2.4 GHz đều bị ảnh hưởng đáng kể. Theo đó, dair càng Hình 9. Kết quả tỷ số trục (Axial Raio-AR) của anten tăng, tần số hoạt động càng giảm về vùng tần số thấp khi PIN Diode ON. hơn. Điều này có thể được giải thích bởi công thức tính chiết suất hiệu dụng (1) trong [12] và tần số cộng PIN Diode ON để chứng minh phân cực tròn của anten hưởng tương ứng (2) trong [13] như sau tại tần số này. Với biên độ tương đương nhau và độ lệch pha 90°, trường điện quay ngược chiều kim đồng r1t s r 2 d air e (1) hồ cho biết rằng anten bức xạ phân cực tròn phải. Kết t s d air quả này phù hợp với kết quả tỷ số trục (Axial Raio- c AR) ở các kết quả trước. f (2) 2 L px e IV. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ MÔ PHỎNG với εr1 và εr2 là hằng số điện môi của đế điện môi và Thiết kế anten sau khi tối ưu hóa bằng mô phỏng của không khí. Dựa trên các kết quả mô phỏng trong được chế tạo (Hình 7) và đo đạc thực nghiệm. Kết quả Hình 5, dair = 1.6 mm mm đã được chọn để anten này hệ số phản xạ (|S11|) trong Hình 8 cho thấy tần số cộng có thể hoạt động tại cả ứng dụng GSM 1.8 GHz và hưởng bị lệch đi một ít so với kết quả mô phỏng, ở cả Wi-Fi 2.4 GHz. Khoảng trống dair này cũng ảnh hưởng hai chế độ hoạt động của PIN Diode. Cụ thể là bị dịch quan trọng đến hiệu suất của anten. Trong mô phỏng, từ 1.8 GHz (mô phỏng) thành 1.79 GHz (thực nghiệm) khi dair = 0 và PIN Diode OFF, anten hoạt động tại 1.96 khi PIN Diode ON và bị dịch từ 2.44 GHz (mô phỏng) GHz với hiệu suất chỉ khoảng 27.5%. Khi chèn khoảng thành 2.42 GHz (thực nghiệm) khi PIN Diode OFF. trống dair = 1.6 mm và ở PIN Diode OFF, anten hoạt Khoảng dịch tần số này được cho là do khoảng cách động tại 2.4 GHz và hiệu suất được cải thiện đến dair trong thực nghiệm có thể lớn hơn 1.6 mm một chút, khoảng 74%. dẫn đến sự dịch giảm của cả băng tần như đã thảo luận Hình 6 mô tả phân bố trường điện tại 1.8 GHz khi ở trên. Theo Hình 9, băng thông 3-dB AR (phân cực tròn) tương đồng giữa mô phỏng và thực nghiệm, Bảng 1. Giá trị thông số tối ưu của thiết kế anten đề tương ứng lần lượt 1.78 – 1.81 GHz và 1.78 – 1.8 GHz. xuất. (Đơn vị: mm) Đồ thị bức xạ tại hai mặt phẳng xz và yz của thiết kế Lp1 Wp1 Lp2 Wp2 g anten đề xuất được mô tả trong Hình 10. Kết quả cho thấy anten đề xuất cho đồ thị bức xạ khá tốt với hướng 51.8 51.8 35 35 0.5 bức xạ cực đại broadside. Khi PIN Diode ON tại vùng Xcut Ycut Ym Yf dair tần số 1.8 GHz, anten cho độ lợi mô phỏng và thực nghiệm tương ứng là 3.6 dBi và 2.3 dBi. Khi PIN 7 7 4.5 8.5 1.6 Diode ON tại vùng tần số 2.4 GHz, anten cho độ lợi ISBN: 978-604-80-5076-4 174
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 0 ứng dụng khác như truyền thông vệ tinh, vô tuyến 0 30 330 nhận thức, v.v. -10 60 300 LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ -20 phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số “102.04-2019.04”. -30 90 270 TÀI LIỆU THAM KHẢO -20 [1] N. Ojaroudi Parchin, H. Jahanbakhsh Basherlou, Y. I. Al- 120 240 Yasir, R. A. Abd-Alhameed, A. M. Abdulkhaleq, and J. M. -10 Noras, “Recent developments of reconfigurable antennas for current and future wireless communication systems,” 0 150 210 Electronics, vol. 8, no. 2, p. 128, 2019. 180 [2] N. Ojaroudi Parchin, H. Jahanbakhsh Basherlou, Y. I. Al- (a) Yasir, A. M Abdulkhaleq, and R. A Abd-Alhameed, 0 “Reconfigurable antennas: Switching techniques—a survey,” 0 30 330 Electronics, vol. 9, no. 2, p. 336, 2020. [3] N. Behdad and K. Sarabandi, “A varactor-tuned dual-band slot -10 antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 60 300 vol. 54, no. 2, pp. 401–408, 2006. -20 [4] A. Mansoul, F. Ghanem, M. R. Hamid, and M. Trabelsi, “A selective frequency-reconfigurable antenna for cognitive radio -30 applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation 90 270 Letters, vol. 13, pp. 515–518, 2014. -20 [5] X. Zhang, M. Tian, A. Zhan, Z. Liu, and H. Liu, “A frequency reconfigurable antenna for multiband mobile handset 120 240 applications,” International Journal of RF and Microwave -10 Computer-Aided Engineering, vol. 27, no. 9, p. e21143, 2017. [6] H. Nachouane, A. Najid, F. Riouch, and A. Tribak, 0 150 210 180 “Electronically reconfigurable filtenna for cognitive radios,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 59, no. 2, pp. (b) 399–404, 2017. Mô phỏng - XZ Mô phỏng - XY [7] L.-Y. Ji, P.-Y. Qin, Y. J. Guo, C. Ding, G. Fu, and S.-X. Gong, Thực nghiệm - XZ Thực nghiệm - XY “A wideband polarization reconfigurable antenna with partially reflective surface,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 10, pp. 4534–4538, 2016. Hình 10. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của anten khi (a) [8] K. Saraswat and A. Harish, “A polarization reconfigurable PIN Diode ON tại 1.79 GHz; (b) PIN Diode OFF tại cpw fed monopole antenna with l-shaped parasitic element,” 2.42 GHz. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, vol. 28, no. 6, p. e21285, 2018. mô phỏng và thực nghiệm tương ứng là 7.3 dBi và [9] T. Zhang, S.-Y. Yao, and Y. Wang, “Design of radiation- 5.3 dBi. Sự sụt giảm độ lợi so sánh giữa thực nghiệm pattern reconfigurable antenna with four beams,” IEEE và mô phỏng được cho là do sự suy hao đế điện môi Antennas and wireless propagation letters, vol. 14, pp. 183– 186, 2014. FR-4. [10] Sharma, S. and C. C. Tripathi, “Wideband to concurrent tri- V. KẾT LUẬN band frequency reconfigurable microstrip patch antenna for wireless communication,” Int. Journal of Microwave and Bài báo đề xuất thiết kế anten tái cấu hình tần số và Wireless Tech., 1–10, 2016. phân cực dùng PIN Diode cho ứng dụng GSM và [11] W.-S. Chen, C.-K. Wu, and K.-L. Wong, “Novel compact Wifi. Anten tái cấu hình tần số tại 1.8 GHz và 2.4 GHz circularly polarized square microstrip antenna,” IEEE Transactions on Antennas and propagation, vol. 49, no. 3, pp. trong khi đó có khả năng tái cấu hình phân cực 340–342, 2001. tròn/tuyến tính tại vùng tần số 2.4 GHz. Mặc dù thiết [12] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 4th ed. kế trên đế FR-4, hiệu suất của anten được cải thiện John Wiley & Sons. 7 2016 đáng kể khi chèn 1 khoảng trống nhỏ tách biệt giữa đế [13] K. Ozenc, M. E. Aydemir, and A. Öncü, “Design of a 1.26 điện môi và mặt phẳng đất. Kết quả mô phỏng và thực Ghz high gain microstrip patch antenna using double layer with airgap for satellite reconnaissance,” in 2013 6th nghiệm khá tương đồng nhau. Anten cho đồ thị bức xạ International Conference on Recent Advances in Space broadside khá tốt với độ lợi chấp nhận được. Thiết kế Technologies (RAST). IEEE, 2013, pp. 499– 504. anten đề xuất còn có cấu hình thấp, hứa hẹn cho các ISBN: 978-604-80-5076-4 175