Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 31 ThiÕt kÕ anten hai b¨ng cho thiÕt bÞ cÇm tay HÀ QUỐC ANH, NGUYỄN VĂN TRUNG, NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Tóm tắt: Trong bài báo này, một anten mạch dải được đề xuất với kích thước 46  28 mm. Anten hoạt động trong cả 2 băng tần sử dụng cho 3G và 4G, với VSWR  2. Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu cấu trúc và tính toán các tham số của anten. Cuối cùng, chế tạo và đo kiểm anten đề xuất nhằm kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của anten trong các thiết bị cầm tay. Từ khóa: Anten hai băng, Anten mạch dải, Thiết bị cầm tay. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị cầm tay ngày càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ và đa dịch vụ. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị cũng như mở rộng băng tần dịch vụ của thiết bị. Trong đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và anten mạch dải là loại anten được sử dụng phù hợp cho giải pháp này. Đã có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế anten đa băng sử dụng cho thiết bị cầm tay được công bố những năm gần đây. Kết quả đưa ra trong [1, 2] là các thiết kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần, nhưng các anten có kích thước tương đối lớn. H. M. R Nurul [3] đưa ra cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30  23 mm), ứng dụng cho thiết bị cầm tay hoạt động ở cả 2 dải tần 3G và WLAN, nhưng băng thông của anten thiết kế cho 3G hẹp (40 MHz, với VSWR ≤ 2). M. N. Shakib [4] đưa ra cấu trúc anten phẳng dạng chữ W có hệ số tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76  50 mm). C. H. Chang [5] đưa ra cấu trúc anten đa băng cho thiết bị di động, anten có kích thước nhỏ (40  7 mm) nhưng có băng thông hẹp, xét với VSWR ≤ 2. Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten và đề xuất cấu trúc anten 2 băng cho thiết bị di động, dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử [6]. Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS để tiến hành tính toán, khảo sát cấu trúc anten đặt trên tấm mạch in sử dụng lớp điện môi FR4. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,7 GHz bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G. 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ANTEN HAI BĂNG 2.1. Lựa chọn cấu trúc anten Với mục tiêu thiết kế anten cho thiết bị di động cầm tay là phải đặt gọn anten bên trong thiết bị, khi đó anten mạch dải là lựa chọn phù hợp. Hơn nữa, anten mạch dải dễ chế tạo. Vì vậy, để thuận tiện cho việc gia công chế tạo cũng như đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của anten cho thiết bị di động, tác giả đã lựa chọn vật liệu thiết kế anten mạch dải là loại mạch in hai lớp kim loại đồng, lớp nền là chất điện môi FR4 có độ dày 1,6 mm, hằng số điện môi  = 4,4 và hệ số tổn hao tan = 0,02. Mục tiêu là thiết kế anten có cấu trúc đơn giản, đồng phẳng, kích thước nhỏ, công tác ở dải tần 3G (1,9 GHz - 2,17 GHz) và 4G (2,55 GHz - 2,65 GHz), với VSWR 2. Để thiết kế anten 2 băng, tác giả dựa vào phương pháp phân nhánh anten chấn tử, mỗi nhánh ứng với mỗi băng tần công tác. Hai nhánh anten cùng chung một đoạn mạch dải cấp nguồn (Hình 1). Việc xác định chiều dài của mỗi nhánh anten dựa vào chiều dài điện của mỗi nhánh anten, với bước sóng công tác được xác định λ = c/f0, tại tần số trung tâm f0 tương ứng của dải tần công tác 3G là 2,0 GHz và 4G là 2,6 GHz. Ra đa H. Q. Anh, N. V. Trung, N. Q. Định, "Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay." 32 Theo [7], xác định được độ rộng của đoạn mạch dải cấp nguồn wf, tính theo công thức tính trở kháng đầu vào của anten mạch dải: 0 60 8 ln 4 f feff wh Z w h          [], khi 1 fw h  . Hoặc: 1 0 120 1,393 0,667 ln 1, 444 f f eff w w Z h h                     [], khi 1 fw h  . trong đó, h là độ dày của chất điện môi nền; wf là độ rộng của đoạn mạch dải cấp nguồn; eff là hằng số điện môi hiệu dụng, được tính bởi: 1 21 1 1 12 2 2 eff f h w               , với  là hằng số điện môi của chất nền. Khi chọn chất điện môi là FR4 và mong muốn Z0 = 50  để phối hợp trở kháng tốt thì xác định được độ rộng đoạn mạch dải cấp nguồn wf xấp xỉ 3,3 mm. 2.2. Cấu trúc anten đề xuất (a) Cấu trúc 3D (b) Cấu trúc 2D mặt trên (c) Cấu trúc 2D mặt dưới Hình 1. Cấu trúc của anten. L W wf s l1 l2 l 3 l4 l 5 l6 l7 l8 l9 lf l g W Anten Chất nền FR4 Mạch dải cấp nguồn z y x . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 33 Cấu trúc anten hai băng đề xuất được biểu diễn như Hình 1. Hình 1a là cấu trúc 3D của anten. Anten được in trên tấm điện môi FR4. Cấu trúc anten đề xuất có kích thước tổng thể là 46  28  1,6 mm. Cấu trúc 2D của anten gồm mặt trên và mặt dưới như Hình 1b và Hình 1c. Mặt trên của anten gồm hai thành phần, thành phần phát xạ và thành phần cấp nguồn. Thành phần phát xạ được chia thành 2 nhánh, nhánh bên trái có dạng anten chấn tử uốn thành hình chữ U gồm ba đoạn mạch dải l3, l4 và l5 được điều chỉnh để cộng hưởng trong băng 3G; Nhánh bên phải là thành phần phát xạ được điều chỉnh cộng hưởng trong băng 4G có kích thước là l8  l9 = 18  12 mm. Khe giữa anten có độ rộng s = 0,6 mm. Đoạn mạch dải cấp nguồn có chiều dài lf = 27 mm, có chiều rộng wf = 3,3 mm. Mặt dưới của anten là tấm kim loại đồng có kích thước W  lg = 28,0  22,5 mm đóng vai trò là thành phần đất của anten. Các tham số kích thước anten như Bảng 1. Bảng 1. Tham số kích thước của anten (mm). Tham số Giá trị Tham số Giá trị Tham số Giá trị L 46 lf 27 l5 16 W 28 l1 4 l6 10,65 lg 22,5 l2 4,7 l7 15,5 s 0,6 l3 9,4 l8 18 wf 3,3 l4 13,7 l9 12 2.3. Kết quả mô phỏng anten Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS (phương pháp phần tử hữu hạn) để tính toán, khảo sát cấu trúc anten đề xuất. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,7 GHz, bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G (1,9 GHz - 2,17 GHz) và 4G (2,55 GHz - 2,65 GHz). Kết quả tính toán tham số trở kháng vào của anten được biểu diễn như Hình 2. Từ Hình 2, anten đạt được cộng hưởng tại tần số 2,0 GHz và trở kháng vào bằng 48 . 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 Hình 3. Từ Hình 3, xét với hệ số sóng đứng VSWR ≤ 2, anten có 2 băng thông, băng thứ nhất từ 1,84 GHz đến 2,17 GHz (bao trùm dải tần 3G), băng thứ hai từ 2,41 GHz đến 2,7 GHz (bao trùm dải tần 4G). Như vậy, dải thông của anten bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G. Hình 2. Trở vào của anten. Hình 3. VSWR của anten. 10 25 50 100 250 -10j 10j -25j 25j -50j 50j -100j 100j -250j 250j 2,0 GHz (48 Ω) 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 V S W R Tần số [GHz] V S W R 1,84 2,17 2,41 2,70 Ra đa H. Q. Anh, N. V. Trung, N. Q. Định, "Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay." 34 Hình 4. Đồ thị bức xạ của anten tại 1,9 GHz. Hình 5. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,0 GHz. Hình 6. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,17 GHz. Hình 7. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,55 GHz. Hình 8. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,60 GHz. Hình 9. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,65 GHz. Đồ thị bức xạ của anten trong mặt phẳng xz và mặt phẳng yz tại các tần số 1,9 GHz, 2,0 GHz, 2,17 GHz, 2,55 GHz, 2,6 GHz và 2,65 GHz được biểu diễn như Hình 4, 5, 6, 7, 8 và 9. -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -12 -8 -4 0 4 Mặt phẳng xz Mặt phẳng yz Mặt phẳng xz Mặt phẳng yz -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -12 -8 -4 0 4 Mặt phẳng xz Mặt phẳng yz -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -12 -8 -4 0 4 -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -12 -8 -4 0 4 -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -12 -8 -4 0 4 -16 -12 -8 -4 0 4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -12 -8 -4 0 4 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 35 Trong đó, nét liền ứng với mặt phẳng yz, nét đứt ứng với mặt phẳng xz. Thấy rằng, đồ thị bức xạ của anten tương đối đồng đều trong dải tần 3G và 4G. Trong đó, anten có bức xạ tương đối đẳng hướng trong mặt phẳng yz. Hệ số tăng ích cực đại của anten trong cả dải tần khảo sát được biểu diễn như Hình 10. Từ Hình 10, hệ số tăng ích cực đại của anten đạt giá trị lớn hơn 1,8 dBi trong dải tần 3G và đạt giá trị lớn hơn 2,2 dBi trong dải tần 4G. Hình 10. Hệ số tăng ích cực đại của anten. 2.4. Kết quả chế thử và đo kiểm anten đề xuất Từ kết quả mô phỏng, tiến hành chế tạo mẫu anten đề xuất. Cấu trúc anten sau khi chế tạo như Hình 11. Tiến hành đo kiểm các tham số của anten chế tạo bằng máy đo phân tích mạng véc-tơ. Kết quả đo và kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng điện áp của anten được so sánh như trên Hình 12. Từ Hình 12, kết quả mô phỏng và đo thử tương đối đồng nhất và có hệ số sóng đứng điện áp của anten nhỏ hơn 2 trong cả dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G. Tuy nhiên, có sự sai khác nhất định giữa kết quả đo kiểm và mô phỏng là do vật liệu chế tạo anten không đồng nhất tuyệt đối như vật liệu mô phỏng, ngoài ra còn có sự ảnh hưởng của kỹ thuật hàn nối connector. Như vậy, với kết quả như trên thì có thể sử dụng mẫu anten đề xuất cho thiết bị di động 3G và 4G. (a) Mặt trên (b) Mặt dưới Hình 11. Cấu trúc anten chế thử. Hình 12. So sánh hệ số sóng đứng điện áp của anten. Tần số [GHz] H ệ số tă ng íc h cự c đ ại [d B i] 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1,84 2,17 2,41 2,70 Tần số [GHz] V S W R Đo kiểm Mô phỏng Ra đa H. Q. Anh, N. V. Trung, N. Q. Định, "Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay." 36 3. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất một cấu trúc anten hai băng cho thiết bị cầm tay và đã đạt được một số kết quả như sau: (i) Cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (46  28 mm); (ii) Băng thông của anten bao trùm được dải tần 3G và 4G, với VSWR ≤ 2; (iii) Kết quả đo kiểm tương đồng với kết quả mô phỏng; (iv) Mẫu anten đề xuất có thể sử dụng được cho thiết bị di động 3G và 4G. 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 (2013), pp. 2044-2047. [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 (2007), pp. 2088-2096. [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 (2007). [4]. M.N. Shakib, M.T. Islam, and N. Misran, “High gain W-shaped microtrip patch antenna,” IEICE Electronic Express, Vol.7, No. 20 (2010), pp. 2546-2551. [5]. C. H. Chang, K. L. Wong, “Penta-band one-eighth wavelength PIFA for internal mobile phone antenna,” Antennas and Propagation Society International Symposium, Charleston, South Carolin, US (2009), pp. 1-4. [6]. 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 (2001). [7]. C. A. Balanis, Antenna theory analysis and design, John Wiley & Sons, New Jersey, US (2005). ABSTRACT THE DESIGN OF A DUAL BAND ANTENNA FOR PORTABLE DEVICES In this paper, a patch antenna with the size of 46  28 mm is proposed. The antenna works on 3G and 4G bands with the VSWR  2. The simulation program is used to optimize the antenna structure, calculate, and measure the antenna parameters in order to verify its applicability for portable devices. Keywords: Dual band antenna, Patch antenna, Portable device. Nhận bài ngày 09 tháng 12 năm 2014 Hoàn thiện ngày 05 tháng 01 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐTDĐ: 0983006616. Email: haquocanh1812@gmail.com