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

Tóm tắt - 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). Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu

cấu trúc và tính toán các tham số của anten nhằm kiểm

nghiệm khả năng ứng dụng của anten đề xuất trong các

thiết bị di động 3G.

pdf 5 trang yennguyen 6600
Bạn đang xem tài liệu "Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng 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: Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng cho thiết bị di động 3G

Một cấu trúc anten phẳng dạng chữ L dùng cho thiết bị di động 3G
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 
1Khoa Vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn, Hà Nội, Việt Nam 
2Khoa 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 
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). Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu 
cấu trúc và tính toán các tham số của anten nhằm kiểm 
nghiệm khả năng ứng dụng của anten đề xuất trong các 
thiết bị di động 3G. 
Từ khóa – 3G; anten phẳng; anten tiểu hình. 
I. GIỚI THIỆU 
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị 
không dây thì nhu cầu sử dụng thiết bị di động ngày 
càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, 
mỏng, nhẹ, thẩm mỹ. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải 
tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị di động. Trong 
đó, anten là một phần quan trọng cần được thu nhỏ và 
đặt anten vào bên trong thiết bị. 
Gần đây, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về phương 
pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten cho các thiết bị di động 
được công bố. Kết quả đưa ra trong [1], [2] là các thiết 
kế cấu trúc anten phẳng, đa băng tần bao gồm cả băng 
tần công tác của thiết bị di động 3G, nhưng các anten có 
kích thước tương đối lớn. H.M.R Nurul [3] đưa ra cấu 
trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30 mm × 23 mm), 
nhưng dải tần công tác cho thiết bị di động 3G hẹp (40 
MHz, với VSWR ≤ 2). D. Bonefacic [4] đưa ra kết quả 
thiết kế anten loại mạch dải hoạt động tại tần số trung 
tâm 2,0 GHz, kích thước anten thu nhỏ nhưng băng 
thông rất hẹp (26 MHz). M. Karaboikis [5] đưa ra cấu 
trúc anten phẳng, dạng chữ F ngược cho các thiết bị đầu 
cuối. M.N. Shakib [6] đưa ra cấu trúc anten phẳng dạng 
chữ W có hệ số tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76 
mm × 50 mm). K. Sarabandi [7] đưa ra phương pháp 
tiểu hình hóa cấu trúc anten với kích thước cỡ 0,05 λ × 
0,05 λ. Tuy nhiên, kích thước của các anten còn tương 
đối lớn và gặp khó khăn trong ứng dụng cho hệ thống 
MIMO. 
Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp 
tiểu hình hóa cấu trúc anten cho thiết bị di động 3G, dựa 
trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe chấn tử [8], tạo ra 
anten có dạng chữ L. Sử dụng phần mềm mô phỏng 
Ansoft HFSS (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) 
để tiến hành tính toán, khảo sát anten phẳng dạng chữ L 
gắn trên một mặt của tấm mạch in 2 lớp kim loại đồng 
với lớp điện môi FR4 dày 1,6 mm, kích thước của tấm 
mạch in tương đương kích thước của thiết bị di động 
cầm tay. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 
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 
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 
anten trong [1 - 6], nhưng vẫn bảo đảm về dải thông và 
các tham số kỹ thuật khác của anten. Cấu trúc anten này 
hoàn toàn có thể đặt gọn bên trong không gian của thiết 
bị di động và đạt được mục tiêu làm mỏng bề dày của 
thiết bị di động. 
 Tiếp theo, tiến hành tối ưu cấu trúc anten nhằm đạt 
được sự phối hợp trở kháng tốt với đường truyền và đảm 
bảo dải thông đủ rộng để có thể bao trùm dải tần hoạt 
động của thiết bị di động 3G. Cuối cùng, tính toán các 
tham số của anten như trở kháng vào, hệ số sóng đứng, 
đồ thị bức xạ của anten nhằm kiểm nghiệm khả năng 
ứng dụng của anten đề xuất cho thiết bị di động 3G. 
II. CẤU TRÚC ANTEN ĐỀ XUẤT CHO THIẾT BỊ 
DI ĐỘNG 3G 
A. Các yêu cầu chính của anten dùng cho thiết bị di 
động 3G 
Khi thiết kế anten cho thiết bị di động 3G, chúng ta 
phải căn cứ vào các yêu cầu về kích thước cũng như dải 
tần công tác của thiết bị di động. Thông thường, thiết bị 
di động 3G có kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều 
dày tương ứng là 110 mm, 60 mm và 12 mm. Về dải tần 
công tác, thiết bị di động 3G ở Việt Nam hiện nay hoạt 
động trong dải tần số từ 1,9 GHz đến 2,17 GHz. 
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 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 445
và phải đảm bảo một số yêu cầu về tham số kỹ thuật 
khác như sau: 
• Kích thước của anten phải đủ nhỏ để đặt gọn bên 
trong thiết bị di động, do vậy chiều cao h ≤ 5 mm, chiều 
dài và chiều rộng < 40 mm; 
• Trở vào của anten khoảng 50 Ω (để phối hợp trở 
kháng tốt với đường truyền); 
• Hệ số sóng đứng VSWR ≤ 2; 
• Băng thông của anten đủ rộng: ≥ 10 %. 
B. Cấu trúc của anten đề xuất 
Hình 1 mô tả cấu trúc của anten đề xuất. Anten được 
thiết kế trên một mạch in 2 lớp kim loại đồng, ở giữa là 
lớp điện môi FR4 (ε = 4,4, tanδ = 0,02) có kích thước 
106 × 42 × 1,6 (mm3). 
(a) 
(b) 
Hình 1. Cấu trúc anten đề xuất. (a) Mặt trên; (b) Mặt dưới. 
 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 
loại đồng, kích thước 90 mm × 40 mm làm mặt phản xạ 
cho anten (Hình 1b). Anten liên kết với đất (ground 
plane) bởi hai điểm, một điểm ngắn mạch và một điểm 
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 
mềm mô phỏng HFSS để xác định kích thước tối ưu cho 
anten đề xuất. 
 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). 
Tham số Giá trị Tham số Giá trị 
L 106 l2 4,3 
W 42 l3 2,5 
N 4 l4 1,3 
l1 14,8 l5 25,2 
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 
A. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi các tham số 
kích thước của anten 
 Để xác định tham số kích thước tối ưu cho anten, tiến 
hành khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số sóng đứng điện áp 
khi thay đổi tham số kích thước anten. 
1. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l1 
 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l1 đến hệ 
số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 2. 
Xét với VSWR ≤ 2, khi tăng chiều dài l1 thì chiều dài 
điện của anten chấn tử đơn cực tăng, do vậy tần số cộng 
hưởng của anten giảm. Ngược lại, khi giảm chiều dài l1 
thì tần số cộng hưởng 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 động 3G thì chọn tham số l1 = 
14,8 mm. 
Hình 2. Ảnh hưởng của tham số l1 đến VSWR. 
Hình 3. Ảnh hưởng của tham số l2 đến VSWR. 
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
1.0
1.5
2.0
V
SW
R
Frequency [GHz]
l2 = 4,8 mm
l2 = 4,3 mm
l2 = 3,8 mm
Dải tần 3G
(270 MHz)
Tần số [GHz]
H
ệ
số
só
ng
đứ
ng
đi
ện
áp
V
SW
R
l1
W
l2
l3
N
N
l4l5
FR4 plane
Feeding point 
Antenna
z
y
x
.
L
Grounding point 
Ground plane
105 × 40 × 0.035 [mm]
FR44
0 
m
m
90 mm
2 mm
Ground plane
z
y
x
+
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
1.0
1.5
2.0
V
SW
R
Frequency [GHz]
Dải tần 3G
(270 MHz)
l1 = 15,3 mm
l1 = 14,8 mm
l1 = 14,3 mm
Tần số [GHz]
H
ệ
số
só
ng
đứ
ng
đi
ện
áp
V
SW
R
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 446
Hình 4. Ảnh hưởng của tham số l5 đến VSWR. 
2. Sự ảnh hưởng của VSWR khi thay đổi l2 
 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tham số l2 đến hệ 
số sóng đứng điện áp được biểu diễn như trong Hình 3. 
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 
xuống mặt kim loại, dẫn đến chiều dài điện của anten 
chấn tử đơn cực giảm, làm cho tần số cộng hưởng của 
anten tăng. Ngược lại, khi giảm chiều dài l2 thì chiều dài 
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 
công tác của thiết bị di động 3G. Để dải tần hoạt động 
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. 
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 
tần số cộng hưởng của anten giảm như trong Hình 4. 
Ngược lại, khi giảm chiều dài l5 thì chiều dài điện của 
anten chấn tử đơn cực giảm làm cho tần số cộng hưởng 
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 
động 3G thì chọn tham số l5 = 25,2 mm. 
Tương tự như trên, khảo sát sự ảnh hưởng của 
VSWR khi thay đổi các tham số khác của anten, xác 
định được kết quả kích thước tối ưu của anten như trong 
Bảng 1. 
B. Kết quả mô phỏng anten đề xuất 
Kết quả tính toán tham số trở kháng vào của anten 
sau khi tối ưu được biểu diễn như trong Hình 5. Từ 
Hình 5, anten đạt được cộng hưởng tại tần số 2,01 GHz 
và trở kháng vào bằng 50 Ω. 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 trong 
Hình 6. Từ Hình 6, dải thông của anten đạt được 280 
MHz (14 % so với tần số trung tâm) xét với hệ số sóng 
đứng VSWR ≤ 2. Như vậy, dải thông của anten bao 
trùm được dải tần công tác của thiết bị di động 3G. 
Hình 5. Trở kháng vào của anten. 
Hình 6. Hệ số sóng đứng điện áp của anten. 
Đồ thị bức xạ của anten trong mặt phẳng xz và mặt 
phẳng yz tại các tần số 1,90 GHz, 2,01 GHz và 2,17 
GHz được biểu diễn như trong Hình 7a, 7b, và 7c. 
Trong đó nét liền ứng với mặt phẳng yz, nét đứt ứng với 
mặt phẳng xz. Từ Hình 7, đồ thị bức xạ của anten tương 
đối đồng đều trong cả dải tần khảo sát và anten có bức 
xạ cực đại trong mặt phẳng yz. 
Hệ số tăng ích cực đại của anten trong cả dải tần 
khảo sát được biểu diễn như trong Hình 8. Từ Hình 8, hệ 
số tăng ích cực đại của anten trong dải tần 3G (1,9 GHz 
– 2,17 GHz) đạt trên 3,2 dBi và đạt giá trị cực đại là 3,9 
dBi tại tần số 2,01 GHz. 
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
1.0
1.5
2.0
V
SW
R
Frequency [GHz]
l5 = 25,7 mm
l5 = 25,2 mm
l5 = 24,7 mm
Dải tần 3G
(270 MHz)
Tần số [GHz]
H
ệ
số
só
ng
đứ
ng
đi
ện
áp
V
SW
R
10 25 50 100 250
-10j
10j
-25j
25j
-50j
50j
-100j
100j
-250j
250j2,01 GHz
(50 Ω)
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
1.0
1.5
2.0
V
SW
R
Frequency [GHz]
280 MHz
1,895 2,175
Dải tần 3G
(270 MHz)
Tần số [GHz]
H
ệ
số
só
ng
đứ
ng
đi
ện
áp
V
SW
R
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 447
Hình 9 biểu diễn phân bố dòng điện trên bề mặt của 
anten. Từ Hình 9, phân bố dòng điện trên anten có sự 
khác nhau, cường độ dòng điện tại điểm cấp nguồn đạt 
giá trị lớn nhất, tại điểm ngắn mạch có mức trung bình 
và mức thấp nhất về phía đoạn mạch dải l5 của anten. 
Các kết quả trên cho thấy, mẫu anten đề xuất có kích 
thước nhỏ, phẳng, băng thông khá rộng, có thể sử dụng 
cho thiết bị di động 3G. 
(a) 
(b) 
(c) 
Hình 7. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số (a) f = 1,90 GHz; (b) f = 
2,01 GHz; (c) f = 2,17 GHz. 
Hình 8. Hệ số tăng ích cực đại của anten. 
Hình 9. Phân bố dòng điện trên bề mặt của anten. 
-24
-20
-16
-12
-8
-4
0
4
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
-20
-16
-12
-8
-4
0
4
xz plane 
yz plane 
xz plane 
yz plane 
-24
-20
-16
-12
-8
-4
0
4
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
-20
-16
-12
-8
-4
0
4
xz plane 
yz plane 
-24
-20
-16
-12
-8
-4
0
4
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
-20
-16
-12
-8
-4
0
4
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
A
nt
en
na
 P
ea
k 
G
ai
n 
[d
B
i]
Frequency [GHz]
1,90 2,17
3,2 dBi
3,9 dBi
Tần số [GHz]
H
ệ
số
tă
ng
íc
h
cự
c
đạ
i
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 448
IV. KẾT LUÂ ̣N 
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. 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 449

File đính kèm:

  • pdfmot_cau_truc_anten_phang_dang_chu_l_dung_cho_thiet_bi_di_don.pdf