Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di động 3G

Chia sẻ: Huỳnh Ngọc Bảo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo trình bày cấu trúc của các anten cơ bản như anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F để đưa ra các hướng phát triển trong việc cải thiện cấu trúc anten. Từ đó, bài báo trình bày một phương pháp cải tiến cấu trúc của anten PIFA bằng các kĩ thuật gập, bẻ áp dụng cho anten đơn cực trên chất nền FR4.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di động 3G

Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di động 3G TS. Trần Thị Hương, Nguyễn Thanh Hằng Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Việt Nam Email: tranhuong@dut.edu.vn, sun411moon@gmail.com Tóm tắt—Bài báo trình bày cấu trúc của các anten cơ từ 1,8 GHz đến 2,3 GHz (bao phủ băng tần 3G: 1,9 GHz bản như anten đơn cực, anten chữ L và anten chữ F để đến 2,17 GHz). Anten đề xuất có kích thước 21 × 14,5 × đưa ra các hướng phát triển trong việc cải thiện cấu trúc 3 mm3 nên kích thước tổng thể sẽ nhỏ, mảnh hơn anten anten. Từ đó, bài báo trình bày một phương pháp cải tiến của các bài báo trên và vẫn đảm bảo băng thông cần cấu trúc của anten PIFA bằng các kĩ thuật gập, bẻ áp dụng thiết. Các thông số được khảo sát: tỉ số điện áp sóng cho anten đơn cực trên chất nền FR4. Anten PIFA được đứng VSWR, trở kháng vào và độ lợi đỉnh được tính thiết kế có kích thước nhỏ gọn (21 × 14,5 × 3 mm3), băng toán cho ứng dụng của các thiết bị 3G. thông khá rộng 380 MHz (VSWR ≤ 2) và hoạt động ở dải tần 3G. Nhóm tác giả sử dụng chương trình mô phỏng II. CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT HFSS của Ansoft để tính toán, mô phỏng các thông số của anten như trở kháng vào, tỉ số sóng đứng, băng thông và A. Cấu trúc anten đơn cực, chữ L và chữ F độ lợi đỉnh; đồng thời cải thiện cấu trúc anten PIFA cho 1) Anten đơn cực các ứng dụng của các thiết bị di động 3G. Xét cấu trúc của một anten đơn cực tiêu chuẩn. Từ khóa—thiết bị 3G, anten đơn cực, anten chữ L, Trong thực tế, anten đơn cực có chiều dài thỏa mãn ¼ anten chữ F, anten kích thước nhỏ bước sóng. Với tần số trung tâm (2 GHz) và vận tốc ánh sáng (3. 108 m/s), một phần tư bước sóng là 37,5 mm. I. NÊU VẤN ĐỀ Vậy chiều dài anten là 37,5 mm. Vì mặt phẳng đất khi mô phỏng có độ dài hữu hạn nên chiều dài anten được Ngày nay, thiết bị di động đang ngày càng phổ biến. hiệu chỉnh về l = 33 mm. Anten rộng w = 1 mm và dày Chúng rất hữu ích trong việc giao tiếp cũng như thu 0,1 mm được gắn với 1 bản kim loại (đồng) dài L = 80 nhận các nguồn thông tin. Chúng ta luôn hướng đến mm và rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm. những thiết bị di động tiện lợi, nhỏ gọn, mảnh và nhẹ. Để thỏa mãn những yêu cầu này, việc thu nhỏ kích thước các thiết bị là cần thiết, đặc biệt là kích thước của anten phải được tối thiểu hóa để đặt vào thiết bị mà vẫn đảm bảo các đặc tính bức xạ và băng thông. Nhiều nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc tiêu biểu của anten cho thiết bị di động. D. Bonefacic [1] đề xuất thiết kế anten vi dải làm việc ở tần số trung tâm 2 GHz và có kích thước nhỏ (30 × 12,9 × 5 mm3) nhưng băng thông lại quá hẹp (26 MHz). Y. Kim [2] đề xuất hệ thống anten cho thiết bị cầm tay tương lai nhưng kích thước anten Hình 1. Anten đơn cực vẫn còn lớn. K. Skrivervik [3] đề xuất thiết kế anten kích thước nhỏ hơn (23 × 14 × 5 mm3) cho các thiết bị di động 3G. N. Q. Dinh [4] đề xuất phương pháp tối ưu cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G với kích thước (23 × 14 × 5 mm3) và sau đó là [5] thiết kế tối ưu anten PIFA cho thiết bị 3G với kích thước (21 × 14,5 × 4 mm3) và băng thông (272 MHz). Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để mô phỏng anten PIFA đặt trên mặt phẳng đất thiết kế cho thiết bị di động và khảo sát dải tần ISBN: 978-604-67-0349-5 407
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 2 2 1.9 1.9 1.8 1.8 1.7 1.7 VSWR VSWR 1.6 1.6 1.5 1.5 1.4 1.4 1.3 1.3 1.2 1.2 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 Frequency (GHz) Frequency (GHz) Hình 2. Kết quả mô phỏng VSWR của anten đơn cực Hình 4. Kết quả mô phỏng VSWR của anten chữ L Từ kết quả ở hình 2 cho thấy băng thông của anten Từ kết quả ở hình 4 cho thấy băng thông của anten đơn cực là 230 MHz (từ 1,89 GHz đến 2,12 GHz) và chữ L là 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR VSWR ≤ 2. Tuy nhiên, kích thước anten khá lớn nên để ≤ 2 và kích thước anten chữ L nhỏ hơn so với kích thước giảm chiều dài anten, tiếp tục bẻ gập anten đơn cực anten đơn cực. Tiếp đến, tiếp tục bẻ gập anten chữ L thành anten chữ L. thành anten chữ F. 2) Anten chữ L 3) Anten chữ F Xét anten hình chữ L với 2 đoạn l1 = 28 mm, l2 = 5 Xét anten hình chữ F với kích thước l1 = 26,5 mm, l2 mm, rộng 1 mm, dày 0,1 mm được gắn với một bản kim = 6 mm, l3 = 4 mm và l4 = 16 mm, rộng 1 mm, dày 0,1 loại (đồng) dài L = 80 mm, rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm được gắn với một bản kim loại (đồng) dài L = 80 mm. mm, rộng W = 40 mm và dày 0,1 mm. Hình 3. Anten chữ L Hình 5. Anten chữ F ISBN: 978-604-67-0349-5 408
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 2 1.9 1.8 1.7 VSWR 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 Frequency (GHz) Hình 7. Anten PIFA đặt trên mặt đất Hình 6. Kết quả mô phỏng VSWR của anten chữ F Từ kết quả ở hình 6 cho thấy băng thông của anten chữ F là 250 MHz (từ 1,88 GHz đến 2,13 GHz), VSWR ≤ 2 và kích thước anten chữ F nhỏ hơn kích thước của anten đơn cực và anten chữ L ở trên. B. Những yêu cầu chính của anten cho thiết bị di động 3G Thông thường, thiết bị 3G có độ dài 110 mm, rộng 60 mm và dày 12 mm. Hiện tại, hệ thống 3G ở Việt Nam hoạt động ở dải tần 1,9 GHz đến 2,17 GHz. Vậy các yêu cầu chính cần đảm bảo cho thiết bị di động 3G là: Hình 8. Chi tiết kích thước của anten PIFA  Kích thước anten đủ nhỏ để đặt trong thiết bị di động: độ cao nhỏ hơn 5 mm, độ dài và rộng nhỏ Anten liên kết với mặt phẳng đất theo điểm nguồn và hơn 40 mm. điểm đất (Hình 8). Anten gồm những đoạn vi dải bằng đồng rộng w2 = 1 mm, dày 0,1 mm. Kích thước tổng thể  Trở kháng vào của anten có thể đạt 50 Ω ở tần số của anten là dài w3 = 21 mm, rộng w1 = 14,5 mm và cao trung tâm để đảm bảo phối hợp trở kháng với h = 3 mm. Khoảng trống giữa điểm nguồn và điểm đất là feeder. l5 = 8,2 mm. Ngoại trừ những đoạn vi dải liên kết với  VSWR ≤ 2. mặt đất, những đoạn còn lại cố định trên chất nền và song song với đất.  Băng thông anten đủ rộng: ≥ 10%, ≥ 200 MHz. Bảng 1: Kích thước của anten PIFA sau khi cải tiến (mm) C. Cấu trúc anten đề xuất Anten gắn cố định trên chất nền FR4 (ε = 4,4, tanδ = Thông số Giá trị Thông số Giá trị 0,02) có kích thước 40 × 14,5 × 3 mm3. Cả anten và chất L 70 l3 14,2 nền đều đặt trên mặt phẳng đất kích thước 70 × 40 × 0,1 W 40 l4 12,5 mm3 (hình 7). h 3 l5 8,2 s 1,4 l6 9,8 Để cải thiện cấu trúc anten, áp dụng phương pháp bẻ, w1 14,5 l7 10,5 gập, phân khe và dùng chất nền FR4 để làm rắn cấu trúc w3 20,7 l8 3 (tham khảo từ bài báo [5]). Hơn nữa, để đảm bảo trở l1 10,7 l9 7,6 kháng vào của anten cần thay đổi dòng bằng cách thay l2 6,8 l10 4,8 đổi khoảng cách giữa điểm cấp nguồn và các điểm kết nối, đồng thời thêm các đoạn vi dải hình chữ U, L. Kích thước chi tiết của anten được cho ở bảng 1. Những đoạn vi dải này sẽ thay đổi phân bố dòng của Anten có ba hình chữ L tạo bởi hai đoạn l1, l2; l9, l10 và anten, dẫn đến thay đổi trở kháng vào và vì thế đảm bảo l6, l7; có hình chữ U tạo bởi và l4, s. phối hợp trở kháng. Ngoài ra, anten được cải thiện vẫn phải đảm bảo mở rộng băng thông và kích thước nhỏ. ISBN: 978-604-67-0349-5 409
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG VIỆC LỰA Kết quả mô phỏng VSWR và trở kháng vào của CHỌN KÍCH THƯỚC ANTEN anten đề xuất được cho ở hình 9. Trở kháng vào của Với mục đích giảm thiểu kích thước của anten, nhóm anten có thể đạt xấp xỉ 37 Ω ở tần số cộng hưởng 2,04 tác giả thực hiện phân khe cho anten qua nhiều lần mô GHz. Băng thông của anten đề xuất là 380 MHz (từ 1,84 phỏng. Sau khi tham khảo bài báo [5], cấu trúc của GHz đến 2,22 GHz) (>18 % khi so sánh với tần số trung anten PIFA đã được phân khe bắt đầu từ đoạn l10. tâm), VSWR ≤ 2. Vì thế, dải tần của anten đề xuất bao Hình 11 biểu diễn VSWR của anten khi lần lượt thay phủ dải tần 3G (270 MHz). Kết quả này chỉ ra anten đề xuất có băng thông rộng nhất khi so sánh với các bài báo đổi l10 bởi các đoạn 2,8 mm, 4,8 mm và 6,8 mm; Khi l10 trước đó. bằng 6,8 mm, mặc dù VSWR ≤ 2, dải tần trong trường hợp này không bao phủ dải tần 3G. Khi l10 bằng 2,8 2 VSWR of PIFA after enhancement Input impedance of PIFA after enhancement mm, VSWR ≤ 2 nhưng tần số công tác khá xa tần số 80 re(Z) trung tâm 2 GHz. Vì thế, thông số thích hợp đó là l10 = 1.9 im(Z) 4,8 mm vì đảm bảo bao phủ dải tần 3G với tần số cộng 1.8 60 hưởng là 2,04 GHz (VSWR ≤ 2). 1.7 Khi lần lượt thay đổi chiều dài mặt đất L bởi các 40 đoạn 60 mm, 70 mm và 80 mm. Khi L bằng 80 mm, dải 1.6 tần của anten không bao phủ dải tần 3G. Còn khi L bằng Z (Ohm) VSWR 1.5 20 60 mm, mặc dù VSWR ≤ 2 nhưng tần số công tác của anten xa so với tần số trung tâm. Vì thế, thông số thích 1.4 hợp đó là L = 70 mm vừa đảm bảo bao phủ dải tần 3G 1.3 0 (VSWR ≤ 2) và đảm bảo kích thước mặt đất đủ nhỏ để 1.2 đặt trong thiết bị di động. -20 1.1 VSWR of PIFA after changing l10 2 1 -40 1.8 2 2.2 1.8 2 2.2 Frequency (GHz) Frequency (GHz) VSWR 1.5 l10 = 2.8 mm Hình 9. VSWR và trở kháng vào của anten PIFA sau cải tiến l10 = 4.8 mm l10 = 6.8 mm 1 Hình 10 là kết quả mô phỏng độ lợi đỉnh của anten 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 Frequency (GHz) PIFA sau khi cải tiến. Độ lợi của anten lớn hớn hoặc VSWR of PIFA after changing L bằng 3,6 dBi trong cả dải tần 3G. Kết quả mô phỏng chỉ 2 ra rằng cấu trúc anten đề xuất có thể được ứng dụng trong các thiết bị di động 3G. VSWR 1.5 L = 60 mm 4.5 L = 70 mm L = 80 mm 1 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 Frequency (GHz) 4 Hình 11. Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA sau khi thay Peak Gain (dBi) đổi l10 và L V. KẾT QUẢ SO SÁNH 3.5 Trong bài báo [5], anten đề xuất có kích thước (21 × 14,5 × 4 mm3) và băng thông (272 MHz). Hình 12 là kết quả so sánh VSWR của anten PIFA trong bài báo [5] và VSWR của anten PIFA trong bài báo này. Kết quả so 3 sánh chỉ ra băng thông của anten PIFA trong bài báo 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 Frequency (GHz) 2.15 2.2 2.25 2.3 này (380 MHz) lớn hơn băng thông của anten trong bài báo [5] (272 MHz, VSWR ≤ 2) và bao phủ dải tần 3G ở Việt Nam. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã tận dụng Hình 10. Độ lợi đỉnh của anten PIFA sau cải tiến tối ưu không gian cho phép để thiết kế anten đảm bảo chiều dài điện của anten tăng (thêm đoạn gấp khúc l9 và ISBN: 978-604-67-0349-5 410
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) l10) mặc dù kích thước tổng thể (thể tích) của anten giảm trúc anten để giảm độ dày anten mà vẫn đảm bảo băng so với các thiết kế trước đó. thông cùng các thông số khác và anten có thể hoạt động ở dải tần rộng hơn. 2 1.9 LỜI CẢM ƠN 1.8 Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến 1.7 chuyên môn của TS. Nguyễn Quốc Định cùng các nhà 1.6 khoa học tham gia phản biện. VSWR 1.5 1.4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.3 [1] D. Bonefacic, J. Bartolic, “Small antennas: Miniaturization Techniques and Applications”, ATKAFF 53(1), 20-30, 2012. 1.2 the paper in the reference [5] [2] Y. Kim, H. Morishita, Y. Koyanagi, K. Fujimoto, “A folded 1.1 this paper Loop Antenna System for handsets Developed and Based on the advanced Design Concept”, IEICE Trans. Commun., vol.E84-B, 1 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 no.9, pp.2468-2475, Sept.2001. Frequency (GHz) [3] K. Skrivervik, J. F Zurcher, O. Staub and J. R. Mosig, “PCS antenna design: The Challenge of Miniatureization”, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.43, No.4, Aug., 2001. Hình 12. Kết quả mô phỏng VSWR của anten PIFA trong bài báo tham khảo [5] và trong bài báo này [4] H. Q. Anh, N. Q. Dinh, D. Q. Trinh, “A method to miniaturize antenna structure for the 3G mobile device”, The 2013 VI. KẾT LUẬN International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC’13), pp.191-194, Oct. 16-18, 2013. Những kết quả đạt được sau khi cải thiện cấu trúc [5] H. Q. Anh, N. Q. Dinh, “The Optimum Design of PIFA for the anten PIFA: 3G mobile device”, The institute of electronics, Informatin and Communication Engineers, Vietnam-Japan International  Kích thước nhỏ 21 × 14,5 × 3 mm3 Symposium on Antennas and Propagation, 2014.  Băng thông rộng 380 MHz (18 %, VSWR ≤ 2) bao [6] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory”, Chapter 4 and 9, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, Third edition. phủ rộng băng tần 3G của Việt Nam. [7] H. Arai, “Advanced design of electrically small antennas”,  Độ lợi lớn hơn hoặc bằng 3,6 dBi trong cả dải tần Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and 3G. Propagation, 2014. Trong tương lai, tác giả sẽ tiếp tục cải thiện cấu ISBN: 978-604-67-0349-5 411