Mô phỏng và đánh giá anten vi dải với cấu trúc DGS cho các thiết bị Bluetooth năng lượng thấp

18
Soá 16, thaùng 12/2014 18
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ANTEN VI DẢI VỚI CẤU TRÚC DGS
CHO CÁC THIẾT BỊ BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP
Simulate and Evaluate 2.4Ghz Microstrip Patch Antenna with Defected Ground Structure for 
Bluetooth Low Energy
Tóm tắt
Trong vài năm gần đây với sự tiến bộ trong 
lãnh vực vi mạch ở siêu cao tần và trong truyền 
thông không dây, các nghiên cứu và thiết kế các 
anten vi dãi (MAs) đòi hỏi kích thước nhỏ và hiệu 
suất cao. Do đó, đã ra đời nhiều phương pháp cải 
tiến các ăngten vi dãi, một trong những phương 
pháp đó là thay đổi cấu trúc mặt phẳng nền nối 
đất (DGS.). Kỹ thuật này đơn giản là tạo các dị 
tật trên nền các ăngten vi dãi (MAs). Bài báo sau 
đây trình bày ảnh hưởng của các dị tật nền trên 
một anten vi dãi hình chữ nhật lên một số thông 
số anten: hệ số suy hao do phản xạ... Dùng phần 
mềm HFSS mô phỏng các thông số anten này với 
cấu trúc DGS đề nghị, kết quả cho thấy cải thiện 
đáng kể các thông số này.
Từ khóa: Bluetooth năng lượng thấp, anten 
vi dãi, cấu trúc mặt phẳng nền nối đất, phần 
mềm HFSS.
Abstract
With the advancement of microwave intergrated 
circuits and wireless telecommunicative 
technologies, the study and design of a new range 
of microstrip antennas (MAs) which requires 
compact size, high performance is increasingly 
being emphasized. In recent years, there have 
been several new methods to improve microstrip 
circuits; one of which is used to modify the antenna 
ground plane in enhancing the performance of 
antenna. This technique is simply to put a “defect” 
on the ground plane of MAs; it has opened the 
door for the next series of this application. This 
paper is to present a simple rectangular microstrip 
patch antenna (R-MPA) and three other R-MPAs 
with three different samples of DGS, the proposed 
antenna has been simulated at 2.4 GHz frequency, 
used for bluetooth low energy devices. The 
antenna is simulated by the software HFSS. HFSS, 
high frequency structure simulator is employed 
to analyze the proposed antenna and simulated 
results on return loss. The resultant antenna 
with Defected Ground Structure has improved in 
parameters performance. 
Key words: Bluetooth Low Energy, Microstrip 
Antenna, Defected Ground Structure, HFSS.
I. Giới thiệu12
Công nghệ không dây đã ra đời và đang phát 
triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con 
người trong đời sống hằng ngày. Kỹ thuật không 
dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của 
con người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến các 
nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe 
nhạc,Với các nhu cầu đa dạng và phức tạp đó, 
Viện Kỹ sư Điện và Điện tử đưa ra IEEE 802.11, 
đó là tập chuẩn không dây với các đặc điểm kỹ 
thuật khác nhau để có thể phù hợp với từng nhu 
cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng 
1 Tiến sĩ, Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh
2 Thạc sĩ, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông TP Hồ Chí Minh
như IrDA, WLAN, ZigBee, UWB, Bluetooth, 
Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu, khuyết 
điểm riêng của nó, và Bluetooth đang dần nổi 
lên là kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu 
điểm, rất thuận lợi cho những thiết bị di động. 
Với sự cải tiến Bluetooth V4.0 - Bluetooth năng 
lượng thấp (Bluetooth Low Energy - BLE) trong 
năm 2011, nó đã được ứng dụng rộng rãi hơn nữa 
và đặc biệt trong các thiết bị yêu cầu hoạt động 
với thời gian lâu. 
Tất nhiên, phần quan trọng trong việc giao tiếp 
bằng sóng là phần anten vi dải, đó là phần đảm 
nhận nhiệm vụ thu/phát trong thiết bị Bluetooth 
năng lượng thấp và cũng là phần tiêu tốn năng 
Lê Hữu Phúc1
Hồ Thiền Luân2
19
Soá 16, thaùng 12/2014 19
lượng nhiều nhất trong thiết bị Bluetooth. Trước 
đây cũng có một số bài báo đề cập đến mô phỏng 
anten vi dải cho thiết bị Bluetooth. Với bài báo 
này, chúng ta cũng tập trung việc mô phỏng và 
đánh giá anten vi dải cho thiết bị Bluetooth năng 
lượng thấp nhưng có kết hợp với cấu trúc dị tật 
trên mặt phẳng đất - Defected Ground Structure 
(DGS). DGS là một kỹ thuật sửa đổi lại mặt phẳng 
đất trong anten để nâng cao hiệu suất hoạt động 
của anten. Việc kết hợp DGS trong anten vi dải 
sẽ cải thiện hiệu suất hoạt động của anten như cải 
thiện suy hao phản xạ, tăng băng thông truyền, 
tăng độ lợi
Với bài báo này, chúng ta sẽ tiến hành thiết 
kế và mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật thông 
thường, anten vi dải có kết hợp các mẫu dị tật trên 
mặt phẳng đất (Defected Ground Structure). Kết 
quả của việc mô phỏng sẽ cho ta thấy những ảnh 
hưởng của DGS đến hiệu suất hoạt động của anten 
vi dải. 
II. Phương pháp tạo dị tật trên mặt phẳng đất – 
Defected Ground Structure và ứng dụng của nó 
trong anten vi dải
1. Phương pháp tạo dị tật trên mặt phẳng đất – 
Defected Ground Structure
Như chúng ta biết, dải tần của anten vi dải vốn 
thường là dải tần hẹp và có thể mở rộng tùy theo 
các yêu cầu ứng dụng thực tế. Anten vi dải có nhiều 
ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống 
thông tin liên lạc, vì vậy việc cải tiến chất lượng 
anten như mở rộng băng thông, giảm thiểu kích 
thước, tăng độ lợi, giảm suy hao do phản xạ, 
luôn luôn được đặt lên hàng đầu.
Trong những năm trở lại đây, đã có một vài 
phương pháp mới để cải tiến các mạch vi dải. Một 
trong số đó là kỹ thuật Defected Ground Structure 
(DGS), DGS là một kỹ thuật dùng để sửa đổi lại 
mặt phẳng đất trong anten để nâng cao hiệu suất 
hoạt động của anten. Kỹ thuật này được hiểu đơn 
giản là đặt một “dị tật” lên trên mặt phẳng đất của 
anten vi dải, nó đã mở ra cánh cửa cho những ứng 
dụng hàng loạt sau này. Rất nhiều nghiên cứu về 
DGSs đã được đề xuất và DGSs trở thành một 
mảng thú vị cho việc nghiên cứu ứng dụng nó 
trong các mạch vi dải (Gary Breed 2008, tr.50). 
Hình 2.1 cho chúng ta thấy một số cấu trúc DGS 
được sử dụng phổ biến hiện nay. Các mấu DGS 
có sự khác nhau về hình dạng, mạch tương đương 
L-C, hệ số ghép nối, đáp ứng tần số và các thông 
số khác. Mặc dù các “dị tật” đặt thêm sẽ làm mất 
đi tính thống nhất của mặt phẳng đất, tuy nhiên, 
chúng không làm mặt phẳng đất bị lỗi. Người sử 
dụng phải chọn cho mình một cấu trúc hiệu quả 
cho mạch vi dải của mình.
Một khuôn mẫu DGS cơ bản là một rãnh cộng 
hưởng trên mặt phẳng đất, đặt trực tiếp dưới đường 
truyền vi dải và ghép nối một cách hiệu quả cho 
đường truyền vi dải. Khuôn mẫu DGS được kết 
hợp trên mặt phẳng đất sẽ làm thay đổi sự phân 
bố dòng trong lớp chắn điện, sự thay đổi này phụ 
thuộc vào hình dạng và kích thước của DGS. Sự 
thay đổi này cũng ảnh hưởng đến trở kháng đầu 
vào và dòng điện chảy trong anten. Nó cũng có 
thể điều khiển được sự kích thích và sóng điện từ 
truyền qua lớp nền.
Khi chúng ta sử dụng anten vi dải, sự suy hao 
luôn luôn xảy ra trong quá trình truyền tín hiệu. 
Suy hao do sự kích thích sóng bề mặt sẽ làm giảm 
hiệu suất sử dụng, độ lợi, băng thông vì khi có 
sóng bề mặt xảy ra, nó sử dụng một phần năng 
lượng dự trữ để truyền sóng ra không gian.Với 
những anten không có cấu trúc DGS thì có băng 
thông hẹp, suy hao do phản xạ cao, độ lợi thấp,
mặt khác những anten kết hợp cấu trúc DGS hiệu 
quả sẽ cho băng thông cao hơn, giảm suy hao do 
phản xạ,(Rajeshwar Lal Dua, et al 2012, tr. 263)
2. Ứng dụng của DGS trong thiết kế mạch vi dải
DGS được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị 
thụ động hoặc tích cực, đặc biệt rất hữu ích cho 
các thiết kế nhỏ gọn (anten vi dải là ví dụ điển hình 
về điều này). Nó được dùng cho việc lọc các tín 
hiệu không mong muốn, nâng cao chất lượng hệ 
thống (ví dụ trong anten vi dải nó có tác dụng cải 
thiện suy hao phản xạ tại tần số cộng hưởng, tăng 
băng thông đường truyền). Mỗi DGS có một đặc 
tính riêng của mình, tùy thuộc vào hình dạng, kích 
Hình 2.1 Một số khuôn mẫu DGS
20
Soá 16, thaùng 12/2014 20
thước và vị trí của nó. Nó dễ dàng thực hiện bằng 
cách đặt một mẫu “dị tật” DGS trên mặt phẳng 
đất để làm tăng hiệu quả hoạt động của mạch 
được thiết kế mà không làm mạch phức tạp thêm.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về 
Defected Ground Structure và tích hợp nó trong 
anten vi dải. (Rajeshwar Lal Dua, et al 2012 ), (Z. 
Atlasbaf, K. Forooraghi and S.A. Hosseini 2008). 
Khi chúng ta sử dụng anten vi dải để truyền tín 
hiệu, sóng cần truyền đi di chuyển vào anten qua 
đường cấp nguồn và lan rộng xuống phía dưới. Sau 
đó nó tiến sát đến cạnh của anten, tại đây một phần 
năng lượng sẽ phản xạ trở lại và phần còn lại sẽ bức 
xạ ra không gian tự do. Năng lượng phản xạ trở lại 
càng lớn, tức là suy hao do phản xạ càng cao, dẫn 
đến hiệu suất anten thấp. Với một số anten vi dải 
không kết hợp DGS sẽ có băng thông thấp, suy hao 
do phản xạ cao và ngược lại anten vi dải có kết hợp 
DGS sẽ cho băng thông rộng hơn và suy hao do 
phản xạ thấp hơn. 
Một khuôn mẫu DGS tích hợp trên mặt phẳng 
đất sẽ gây ảnh hưởng có lợi đến hiệu suất hoạt 
động của anten như giảm kích thước của anten, 
giảm sự phân cực chéo, giảm suy hao khớp nối 
trong mảng anten, giúp cho việc ngăn chặn các tín 
hiệu không mong muốn (như một filter), cải thiện 
suy hao phản xạ, tăng băng thông truyền dẫn,
Bài báo này sẽ sử dụng mẫu DGS cơ bản đó là 
DGS hình chữ nhật (Rectangular Defected Ground 
Structure - RDGS) để đặt lên mặt phẳng đất của 
anten vi dải hình chữ nhật thông thường. (ba mẫu 
R-DGS với kích cỡ, vị trí đặt khác nhau trên mặt 
phẳng đất). Thực hiện mô phỏng, so sánh các thông 
số hoạt động của anten vi dải có kết hợp RDGS với 
anten vi dải ban đầu (không có kết hợp RDGS). 
Việc thực hiện và kết quả mô phỏng sẽ được trình 
bày trong phần III.
III. Thiết kế và mô phỏng anten vi dải
1. Thiết kế anten vi dải
Ta đặt ra bài toán thiết kế như sau: Thiết kế 
anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn 
bằng đường truyền vi dải và phối hợp trở kháng 
dùng phương pháp inset feed. Bản kim loại hình 
chữ nhật được chọn vì cấu trúc đơn giản và dễ thiết 
kế. Anten đặt trên tần số 2.4 – 2.48 (Tần số kết nối 
giữa các thiết bị Bluetooth năng lượng thấp được 
ứng dụng rộng rãi theo chuẩn IEEE 802.11). Anten 
được đặt trên lớp điện môi với độ dày h. Những 
thông số này sẽ được thể hiện rõ ràng qua Bảng 
3.1 sau:
Bảng 3.1 Các thông số cho trước để thiết kế anten
Tần số hoạt động 2.4 - 2.48 GHz
Hằng số điện môi của 
lớp điện môi (ε
r
)
2.2 (Neltec NY9220)
Độ dày lớp điện môi 
(h)
1.6 mm
Phương thức cấp 
nguồn
Dùng đường truyền 
vi dải
Phối hợp trở kháng Inset feed line
Dựa vào các công thức tính toán các thông số 
của anten vi dải như sau:
Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải
Chiều dài mở rộng của miếng patch:
 (3.3)
Chiều dài hiệu dụng của patch:
Chiều dài thực L của patch:
 (3.5)
Để trở kháng ngõ vào của anten là 50 Ohm, thì 
điểm cấp tín hiệu cho anten sẽ lấn sâu vào trong 
anten một khoảng với:
 (3.6)
Để phối hợp trở kháng với đường dải dẫn 50Ohm 
thì đường vi dải cấp tín hiệu cho anten tại vị trí 
cần có bề mặt với:
(3.1)
(3.2)
(3.4)
(3.7)
21
Soá 16, thaùng 12/2014 21
Bảng 3.2 Các thông số của anten vi dải 
thông thường hoạt động tại tần số 2.4 GHz
Các thông số tính toán Kết quả
Chiều rộng (W) 49.4106 (mm)
Chiều dài (L) 41.3492 (mm)
Điện trở đầu vào ( ) 244.7439 (Ohm)
Điểm cấp nguồn (y
0
) 14.5018 (mm)
Chiều rộng feedline 
( )
4.852 (mm)
Để việc thiết kế anten vi dải được dễ dàng, 
chúng ta sử dụng chương trình tính toán được viết 
bằng phần mềm matlab. Chương trình được viết 
tương đối đơn giản dựa trên các công thức đã được 
đưa ra ở các phần trên. Hình 3.1 đưa ra giao diện 
và thực hiện tính toán tham số bằng giao diện trên 
matlab.
Hình 3.1 Tính toán thông số anten bằng giao diện mattab
Sau khi tính toán ta đưa ra hình dạng anten vi 
dải như Hình 3.2
Hình 3.2 Hình dạng của anten vi dải đã được thiết kế
2. Mô phỏng anten vi dải
Dựa vào các thông số đã được trình bày như 
bảng 3.2, ta tiến hành vẽ cấu trúc 3 chiều của anten 
vi dải hình chữ nhật sử dụng chương trình Ansoft 
HFSS như Hình 3.3
Hình 3.3 Mô phỏng cấu trúc 3 chiều của anten vi dải 
dùng chương trình Ansoft HFSS
Hình 3.4 Đáp ứng tần số của hệ số Return Loss
Hình 3.5 Đồ thị bức xạ 3D của anten vi dải
Hình 3.6 Đồ thì bức xạ 2D của anten vi dải
22
Soá 16, thaùng 12/2014 22
Sau khi mô phỏng anten vi dải hình chữ nhật 
thông thường với các tham số cho trước sử dụng 
phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS, ta tiến hành 
kết hợp DGS trên mặt phẳng đất của anten, thực 
hiện mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của DGS 
lên hiệu suất hoạt động của anten (đánh giá theo 
kết quả theo tham số Return Loss, DGS được ứng 
dụng trong bài báo này có dạng hình chữ nhật 
(Rectangular Defected Ground Structure). Chúng 
ta sẽ tiến hành đặt 3 khuôn mẫu DGS khác nhau 
chạy dọc theo đường vi dải. Hình 3.7 mô tả cách 
đặt 3 khuôn mẫu R-DGS trên mặt phẳng đất.
Hình 3.7 Các khuôn mẫu R-DGS đặt trong anten
Hình 3.8 Mô phỏng các khuôn mẫu DGS dùng HFSS
Hình 3.9 Đáp ứng tần số của hệ số Return Loss với các anten vi dải
23
Soá 16, thaùng 12/2014 23
Hình 3.10 Đồ thị bức xạ 3D của các anten vi dải
Hình 3.11 Đồ thị bức xạ 2D của các anten vi dải
IV. Kết luận
Qua việc khảo sát anten vi dải hình chữ nhật 
thông thường cùng với 3 anten vi dải khác có kết 
hợp 3 mẫu DGS trên mặt phẳng đất như Hình 3.7. 
Với kết quả suy hao phản xạ đã được trình bày 
trong Hình 3.9, ta có:
- Hai anten vi dải kết hợp với mẫu DGS 1 và 
mẫu DGS 2 lại cho kết quả suy hao phản xạ tại tần 
số cộng hưởng 2.4GHz thấp hơn anten vi dải bình 
thường: |RL(Anten - DGS1)| = 17dB, |RL(Anten - 
DGS2)| = 21.5dB, |RL(Anten)| = 22.4dB
- Với anten vi dải kết hợp mẫu DGS3 thì lại 
cho kết quả suy hao phản xạ cao hơn: |RL(Anten 
24
Soá 16, thaùng 12/2014 24
– DGS3)| = 27.4dB so với |RL(Anten)| = 22.4dB
Qua các kết quả ở trên ta thấy được sự cải thiện 
của hiệu suất anten khi kết hợp mẫu DGS 3 trên 
mặt phẳng đất là khá cao.
Chúng ta xét tới sự bức xạ của các anten thông 
qua đồ thị bức xạ 2D và 3D được thể hiện trong 
Hình 3.10 và Hình 3.11 ta có các nhận xét:
- Độ lợi hướng cực đại của các anten gần bằng 
nhau. Độ lợi hướng cực đại của anten vi dải thông 
thường: G
0
 = 7.7401 dB . Trong khi đó, độ lợi 
hướng cực đại của anten vi dải có kết hợp các mẫu 
R-DGS là: G
DGS1
 = 7.741 dB, G
DGS2
 = 7.76542 dB 
và G
DGS1
 = 7.6749 dB
- Ta cũng nhận thấy rằng đồ thị bức xạ của các 
anten gần giống nhau như Hình 3.11
Như vậy, việc chèn thêm các mẫu DGS trên 
mặt phẳng đất của anten sẽ làm ảnh hưởng nhiều 
đến tham số Return Loss, còn các đồ thị bức xạ 
thì không bị ảnh hưởng nhiều.
Tuy nhiên, việc đặt những “dị tật” DGS đôi khi 
cũng cho kết quả bất lợi, vì nó cũng có thể gây ra 
ảnh hưởng đến trở kháng tương đương của đường 
truyền vi dải, chính xác hơn là nâng cao trở kháng 
tương đương của đường truyền vi dải, việc thay 
đổi trở kháng tương đương sẽ ảnh hưởng đến sự 
phối hợp trở kháng của đường truyền vi dải với 
bản kim loại của anten. Bài báo này cũng đã kết 
hợp mẫu DGS thứ 4 trên mặt phẳng đất của anten 
vi dải hình chữ nhật đã thiết kế ở Phần III.1
Hình 4.1 Kết hợp mẫu DGS4 trên anten vi dải
Hình 4.2 Return Loss của anten vi dải kết hợp mẫu 
DGS4 và anten vi dải không kết hợp DGS
Hình 4.3 Đồ thị bức xạ 3D của anten với mẫu DGS 4
25
Soá 16, thaùng 12/2014 25
Hình 4.4 Đồ thị bức xạ 2D của các anten vi dải
Hình 4.2 cho ta thấy suy hao phản xạ của anten 
vi dải kết hợp mẫu DGS 4 (đường màu xanh) chỉ 
còn -10dB và đáp ứng tần số tại điểm suy hao 
-10dB là 2.15GHz. Hình 4.3 và Hình 4.4 cũng cho 
ta thấy sự ảnh hưởng của nó đến đồ thị bức xạ 2D 
và 3D của anten vi dải. Độ lợi hướng cực đại của 
nó chỉ còn 6.5002dB và hình dạng của đồ thị bức 
xạ cũng khác với anten vi dải thông thường hoặc 
các anten vi dải kết hợp với 3 mẫu DGS như Hình 
3.7. Kết quả mô phỏng này đã cho ta thấy sự ảnh 
hưởng không tốt của DGS đến anten vi dải. Vì vậy 
việc đặt “dị tật” trên mặt phẳng đất của anten vi dải 
phải được tính toán thật kĩ (cả về kích thước lẫn 
vị trí đặt nó trên mặt phẳng đất của anten vi dải). 
Chúng ta nên khảo sát bằng phần mềm mô phỏng 
trước khi đưa vào mạch thực tế.
Tài liệu tham khảo
Balanis, C.A. 2006. Antenna Theory – Analysis and Design. John Willey & Son, INC. 
Breed, G. 2008. “An Introduction to Defected Ground Structures in Microstrip Circuits”, High 
Frequency Electronics, Copyright © 2008 Summit Technical Media, LLC.
L. H. Weng, Y. C. Guo, X.W. Shi , X. Q. Chen. 2008. “An overview on defected ground structure“, 
Progress in electromagnetic Research (PIER) B, vol.7, pp.173-189.
Mrabet, O.El. 2006. “High Frequency Structure Simulator (HFSS) Tutorial”, Microwave and optical 
technology letters (MOTL), vol.23, no.2.
Kilic, O. 2010. “Defected Ground Structure and its applications to microwave devices and antenna 
feed networks”. A graduation thesis, Middle East Technical University, Ankara, Turkey. 
Phan, Anh. 2007. Lý thuyết và kỹ thuật ăngten. Hà Nội: NXB Khoa học Kỹ thuật.
Rajeshwar Lal Dua, Himanshu Singh and Neha Gambhir. 2012. “2.45 GHz Microstrip Patch 
Antenna with Defected Ground Structure for Bluetooth”, International Journal of Soft Computing and 
Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307, volume-1, issue-6.
Pradhan, S., Noh, S.K., and Choi. D.Y. 2012. “Design of Inset Microstrip Patch Antenna for Wireless Power 
Transmission at 2.45 GHz”, Journal of inofrmation and communication convergence engineering (JICCE).
Steven, Jensen. 2010. Microstrip Patch Antenna. Northern Arizona University.
Vivekananda Lanka Subrahmanya. 2009. The Rectangular Microstrip Patch Antenna. University 
College of Boras, SE-501 90 Boras.
Vadym Samosuyev. 2010. Bluetooth Low Energy Compared to zigbee and blutooh classic. Mikkeli 
University, Information Technology.
Zalf Helge More. 2010. “Bluetooth Low Energy: Wireless Connectivity for Medical Monitoring”, 
Journal of Diabetes Science and Technology, vol 4, issue 2, Diabetes Technology Society.
Atlasbaf, Z., Forooraghi, K. and Hosseini, S.A. 2008. “Two new loađe compact planar ultra-wideband 
antennas using Defected Ground Structure”. Progress In Electromagnetics Research (PIER) B, vol. 2, 
pp. 165–176.