Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng cho thiết bị di động 3G

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

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng cho thiết bị di động 3G

Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Một 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 Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp dạng chữ L ứng dụng cho thiết bị di động 3G. Dựa trên tiểu hình hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G, dựa phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử đặt trên tấm mạch trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử [8], tạo ra in sử dụng lớp điện môi FR4 (dày 1,6 mm), anten đề xuất anten có dạng chữ L. Sử dụng phần mềm mô phỏng có kích thước nhỏ gọn (25,2 mm × 14,8 mm), dễ chế tạo và Ansoft HFSS (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) có hệ số sóng đứng nhỏ hơn 2 trong cả dải tần 3G (1,9 GHz để tiến hành tính toán, khảo sát anten phẳng dạng chữ L – 2,17 GHz). Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu gắn trên một mặt của tấm mạch in 2 lớp kim loại đồng cấu trúc và tính toán các tham số của anten nhằm kiểm với lớp điện môi FR4 dày 1,6 mm, kích thước của tấm nghiệm khả năng ứng dụng của anten đề xuất trong các mạch in tương đương kích thước của thiết bị di động thiết bị di động 3G. cầm tay. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến Từ khóa – 3G; anten phẳng; anten tiểu hình. 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 I. GIỚI THIỆU 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 Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị anten trong [1 - 6], nhưng vẫn bảo đảm về dải thông và không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị di động ngày các tham số kỹ thuật khác của anten. Cấu trúc anten này càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, hoàn toàn có thể đặt gọn bên trong không gian của thiết mỏng, nhẹ, thẩm mỹ. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải bị di động và đạt được mục tiêu làm mỏng bề dày của tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị di động. Trong thiết bị di động. đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và đặt anten vào bên trong thiết bị. Tiếp theo, tiến hành tối ưu cấu trúc anten nhằm đạt được sự phối hợp trở kháng tốt với đường truyền và đảm Gần đây, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về phương bảo dải thông đủ rộng để có thể bao trùm dải tần hoạt pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho các thiết bị di động động của thiết bị di động 3G. Cuối cùng, tính toán các được công bố. Kết quả đưa ra trong [1], [2] là các thiết tham số của anten như trở kháng vào, hệ số sóng đứng, kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần bao gồm cả băng đồ thị bức xạ của anten nhằm kiểm nghiệm khả năng tần công tác của thiết bị di động 3G, nhưng các anten có ứng dụng của anten đề xuất cho thiết bị di động 3G. kích thước tương đối lớn. H.M.R Nurul [3] đưa ra cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30 mm × 23 mm), II. CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT CHO THIẾT BỊ nhưng dải tần công tác cho thiết bị di động 3G hẹp (40 DI ĐỘNG 3G MHz, với VSWR ≤ 2). D. Bonefacic [4] đưa ra kết quả thiết kế anten loại mạch dải hoạt động tại tần số trung A. Các yêu cầu chính của anten dùng cho thiết bị di tâm 2,0 GHz, kích thước anten thu nhỏ nhưng băng động 3G thông rất hẹp (26 MHz). M. Karaboikis [5] đưa ra cấu Khi thiết kế anten cho thiết bị di động 3G, chúng ta trúc anten phẳng, dạng chữ F ngược cho các thiết bị đầu phải căn cứ vào các yêu cầu về kích thước cũng như dải cuối. M.N. Shakib [6] đưa ra cấu trúc anten phẳng dạng tần công tác của thiết bị di động. Thông thường, thiết bị chữ W có hệ số tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76 di động 3G có kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều mm × 50 mm). K. Sarabandi [7] đưa ra phương pháp dày tương ứng là 110 mm, 60 mm và 12 mm. Về dải tần tiểu hình hóa cấu trúc anten với kích thước cỡ 0,05 λ × công tác, thiết bị di động 3G ở Việt Nam hiện nay hoạt 0,05 λ. Tuy nhiên, kích thước của các anten còn tương động trong dải tần số từ 1,9 GHz đến 2,17 GHz. đối lớn và gặp khó khăn trong ứng dụng cho hệ thống MIMO. 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 ISBN: 978-604-67-0349-5 445
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) và phải đảm bảo một số yêu cầu về tham số kỹ thuật III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN khác như sau: A. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi các tham số • Kích thước của anten phải đủ nhỏ để đặt gọn bên kích thước của anten trong thiết bị di động, do vậy chiều cao h ≤ 5 mm, chiều Để xác định tham số kích thước tối ưu cho anten, tiến dài và chiều rộng < 40 mm; hành khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số sóng đứng điện áp • Trở vào của anten khoảng 50 Ω (để phối hợp trở khi thay đổi tham số kích thước anten. kháng tốt với đường truyền); 1. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l1 • Hệ số sóng đứng VSWR ≤ 2; Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l1 đến hệ • Băng thông của anten đủ rộng: ≥ 10 %. số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 2. Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l1 thì chiều dài B. Cấu trúc của anten đề xuất điện của anten chấn tử đơn cực tăng, do vậy tần số cộng Hình 1 mô tả cấu trúc của anten đề xuất. Anten được hưởng của anten giảm. Ngược lại, khi giảm chiều dài l1 thiết kế trên một mạch in 2 lớp kim loại đồng, ở giữa là thì tần số cộng hưởng của anten tăng nhưng dải tần của lớp điện môi FR4 (ε = 4,4, tanδ = 0,02) có kích thước anten không bao trùm được dải tần công tác của thiết bị 106 × 42 × 1,6 (mm3). di động 3G. Để dải tần của anten bao trùm được dải tần l1 công tác của thiết bị di động 3G thì chọn tham số l1 = N 14,8 mm. Grounding point l2 l5 l4 l3 Dải tần 3G 2.0 Feeding point W (270 MHz) FR4 plane z . điện áp VSWR y N Antenna x L (a) l1 = 15,3 mm VSWR Hệ số sóng đứng 1.5 l1 = 14,8 mm 90 mm l1 = 14,3 mm 40 mm x FR4 Ground plane Ground plane 105 × 40 × 0.035 [mm] + y 2 mm z (b) 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Hình 1. Cấu trúc anten đề xuất. (a) Mặt trên; (b) Mặt dưới. Frequency [GHz] Tần số [GHz] 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 Hình 2. Ảnh hưởng của tham số l1 đến VSWR. loại đồng, kích thước 90 mm × 40 mm làm mặt phản xạ cho anten (Hình 1b). Anten liên kết với đất (ground 2.0 Dải tần 3G plane) bởi hai điểm, một điểm ngắn mạch và một điểm (270 MHz) điện áp VSWR 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 l2 = 4,8 mm VSWR mềm mô phỏng HFSS để xác định kích thước tối ưu cho Hệ số sóng đứng anten đề xuất. 1.5 l2 = 4,3 mm l2 = 3,8 mm 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). 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Tham số Giá trị Tham số Giá trị L 106 l2 4,3 Frequency [GHz] Tần số [GHz] W 42 l3 2,5 Hình 3. Ảnh hưởng của tham số l2 đến VSWR. N 4 l4 1,3 l1 14,8 l5 25,2 ISBN: 978-604-67-0349-5 446
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Dải tần 3G sóng đứng điện áp của anten được biểu diễn như trong 2.0 Hình 6. Từ Hình 6, dải thông của anten đạt được 280 (270 MHz) MHz (14 % so với tần số trung tâm) xét với hệ số sóng điện áp VSWR đứng VSWR ≤ 2. Như vậy, dải thông của anten bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. l5 = 25,7 mm 50j VSWR Hệ số sóng đứng 1.5 l5 = 25,2 mm 25j 100j l5 = 24,7 mm 2,01 GHz 250j 10j (50 Ω) 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 Frequency [GHz] Tần số [GHz] 10 25 50 100 250 Hình 4. Ảnh hưởng của tham số l5 đến VSWR. -10j -250j 2. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l2 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l2 đến hệ -25j -100j số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 3. -50j Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l2 là tăng khoảng cách giữa vị trí cấp nguồn và vị trí ngắn mạch của anten Hình 5. Trở kháng vào 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 280 MHz anten tăng. Ngược lại, khi giảm chiều dài l2 thì chiều dài 2.0 đứng điện áp VSWR 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 Dải tần 3G công tác của thiết bị di động 3G. Để dải tần hoạt động (270 MHz) Hệ số sóng VSWR của anten (VSWR ≤ 2) bao trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G thì chọn tham số l2 = 4,3 mm. 1.5 3. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l5 Tương tự như tham số l1, khi tăng chiều dài l5 thì chiều dài điện của anten chấn tử đơn cực tăng, do vậy 1,895 2,175 tần số cộng hưởng của anten giảm như trong Hình 4. Ngược lại, khi giảm chiều dài l5 thì chiều dài điện của 1.0 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 anten chấn tử đơn cực giảm làm cho tần số cộng hưởng Tần số [GHz] Frequency [GHz] 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 Hình 6. Hệ số sóng đứng điện áp của anten. động 3G thì chọn tham số l5 = 25,2 mm. Đồ thị bức xạ của anten trong mặt phẳng xz và mặt Tương tự như trên, khảo sát sự ảnh hưởng của phẳng yz tại các tần số 1,90 GHz, 2,01 GHz và 2,17 VSWR khi thay đổi các tham số khác của anten, xác GHz được biểu diễn như trong Hình 7a, 7b, và 7c. Trong đó nét liền ứng với mặt phẳng yz, nét đứt ứng với định được kết quả kích thước tối ưu của anten như trong mặt phẳng xz. Từ Hình 7, đồ thị bức xạ của anten tương Bảng 1. đối đồng đều trong cả dải tần khảo sát và anten có bức xạ cực đại trong mặt phẳng yz. B. Kết quả mô phỏng anten đề xuất Kết quả tính toán tham số trở kháng vào của anten Hệ số tăng ích cực đại của anten trong cả dải tần sau khi tối ưu được biểu diễn như trong Hình 5. Từ khảo sát được biểu diễn như trong Hình 8. Từ Hình 8, hệ Hình 5, anten đạt được cộng hưởng tại tần số 2,01 GHz số tăng ích cực đại của anten trong dải tần 3G (1,9 GHz và trở kháng vào bằng 50 Ω. Như vậy, anten phối hợp – 2,17 GHz) đạt trên 3,2 dBi và đạt giá trị cực đại là 3,9 trở kháng tốt với đường truyền. Kết quả tính toán hệ số dBi tại tần số 2,01 GHz. ISBN: 978-604-67-0349-5 447
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Hình 9 biểu diễn phân bố dòng điện trên bề mặt của 0 anten. Từ Hình 9, phân bố dòng điện trên anten có sự 330 4 30 xz plane khác nhau, cường độ dòng điện tại điểm cấp nguồn đạt 0 giá trị lớn nhất, tại điểm ngắn mạch có mức trung bình yz plane -4 và mức thấp nhất về phía đoạn mạch dải l5 của anten. 300 -8 60 Các kết quả trên cho thấy, mẫu anten đề xuất có kích -12 thước nhỏ, phẳng, băng thông khá rộng, có thể sử dụng -16 cho thiết bị di động 3G. -20 270 -24 90 -20 0 -16 330 4 30 xz plane -12 0 yz plane 240 -8 120 -4 -4 300 -8 60 0 -12 210 150 4 -16 180 -20 270 -24 90 (c) -20 Hình 7. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số (a) f = 1,90 GHz; (b) f = -16 2,01 GHz; (c) f = 2,17 GHz. -12 240 -8 120 4.0 3,9 dBi -4 cực [dBi] 0 đại 210 150 3.5 4 3,2 dBi PeakíchGain 180 3.0 Hệ số tăng (a) Antenna 0 4 2.5 330 30 xz plane 0 1,90 2,17 yz plane -4 2.0 300 -8 60 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 -12 Frequency Tần số[GHz] [GHz] -16 -20 Hình 8. Hệ số tăng ích cực đại của anten. 270 -24 90 -20 -16 -12 240 -8 120 -4 0 210 4 150 180 (b) Hình 9. Phân bố dòng điện trên bề mặt của anten. ISBN: 978-604-67-0349-5 448
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) IV. KẾT LUÂN ̣ 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 Generation Handheld Terminals,” 2013 7th European 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. ISBN: 978-604-67-0349-5 449