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

Tóm tắt—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. Anten PIFA được

thiết kế có kích thước nhỏ gọn (21 × 14,5 × 3 mm3), băng

thông khá rộng 380 MHz (VSWR ≤ 2) và hoạt động ở dải

tần 3G. Nhóm tác giả sử dụng chương trình mô phỏng

HFSS của Ansoft để tính toán, mô phỏng các thông số của

anten như trở kháng vào, tỉ số sóng đứng, băng thông và

độ lợi đỉnh; đồng thời cải thiện cấu trúc anten PIFA cho

các ứng dụng của các thiết bị di động 3G.

pdf 5 trang yennguyen 08/11/2021 2260
Bạn đang xem tài liệu "Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di động 3G", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Cải tiến cấu trúc của anten PIFA cho thiết bị di động 3G

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

File đính kèm:

  • pdfcai_tien_cau_truc_cua_anten_pifa_cho_thiet_bi_di_dong_3g.pdf