Nghiên cứu cải thiện băng thông ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số

Nghiên cứu cải thiện băng thông ăngten PIFA 
tái cấu hình theo tần số 
Hoàng Thị Phương Thảo 
Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực 
Hà Nội, Việt Nam 
Email: thaohp@epu.edu.vn 
Dương Thị Thanh Tú 
Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 
Hà Nội, Việt Nam 
Email: tudtt@ptit.edu.vn
Vũ Thành Luân, Trương Ngọc Tân, Vũ Văn Yêm 
Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội 
Hà Nội, Việt Nam 
Email: vuthanhluan.1992@gmail.com, truongngoctanbn@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn. 
Tóm tắt—Bài báo đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA tái 
cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode hoặc 
RF MEMS nhằm tạo ra hai cấu hình có thể ứng dụng 
trong các thiết bị đầu cuối di động GSM hoặc 4G-LTE. 
Trong bài báo, chúng tôi cũng so sánh hai loại chuyển 
mạch thông dụng này và đưa ra đánh giá về mỗi loại 
chuyển mạch, đồng thời đề xuất cấu trúc xẻ rãnh của đế 
đối với ăngten tái cấu hình. Với việc xẻ rãnh trên mặt đế, 
băng thông của ăngten có thể tăng lên khoảng 30MHz đến 
40MHz so với ban đầu. 
Từ khóa—ăngten tái cấu hình; RPIFA; cải tiến băng 
thông RPIFA 
I. GIỚI THIỆU 
Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển một 
cách mạnh mẽ cả về công nghệ và thiết bị nhằm đáp 
ứng các nhu cầu của người dùng không chỉ trong liên 
lạc trao đổi thông tin mà cả các nhu cầu giải trí ở mọi 
lúc mọi nơi. Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến 
luôn luôn thay đổi, một trong các giải pháp kỹ thuật 
được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế 
hệ mới nhằm đạt được dung lượng lớn và chất lượng 
cao đó là các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi các 
tham số để thích nghi với môi trường kênh. Vô tuyến 
thông minh nói chung và vô tuyến nhận thức nói riêng 
(Cognitive Radio – CR) được đề xuất để giải quyết vấn 
đề hiệu quả phổ tần nhằm sử dụng phổ tần một cách 
thông minh, linh hoạt hơn và đã nhận được sự chú ý 
ngày càng cao trong những năm gần đây. Vô tuyến 
thông minh cho phép các thiết bị thu phát phát hiện một 
cách thông minh các kênh tần số nào còn trống và kênh 
nào đã dùng và có thể sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần 
số vô tuyến nào sẵn có [1]. Trong các hệ thống vô tuyến 
thông minh, ăngten đóng một vai trò hết quan trọng và 
thiết yếu. Muốn các thiết bị thu phát hoạt động hiệu quả 
trong điều kiện môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi 
và phổ tần bị hạn chế thì ăngten phải có các tính năng 
thích nghi với môi trường và sử dụng phổ tần một cách 
linh hoạt, hiệu quả. Khái niệm ăngten tái cấu hình 
(Reconfigurable Antenna) với khả năng tự thay đổi tần 
số, phân cực hay đồ thị bức xạ ra đời là một trong 
những giải pháp giải quyết các vấn đề trên [2-8]. Điều 
này có thể đạt được thông qua việc điều khiển các 
chuyển mạch được sử dụng trong ăngten tái cấu hình 
như MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN Diode, 
Diode biến dung hay các phần tử quang dẫn, sử dụng 
vật liệu đặc biệt, thay đổi cấu trúc vật lý Trong đó, 
hai kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay đó là sử dụng 
MEMS và PIN Diode [2]. Ăngten tái cấu hình hiện nay 
rất được quan tâm và đã công bố một số nghiên cứu sử 
dụng một số kỹ thuật tái cấu hình khác nhau để đạt được 
sự tái cấu hình theo tần số, theo đồ thị bức xạ, theo phân 
cực [6-10]. Mặc dù các nghiên cứu về ăngten tái cấu 
hình đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, tuy nhiên đây 
vẫn còn tồn tại một số vấn đề tồn tại cần giải quyết đó là 
cải tiến cấu trúc của ăngten nhằm tăng hiệu suất bức xạ, 
cải thiện băng thông và giảm nhỏ kích thước của 
ăngten. Đặc biệt, đối với thiết bị điện thoại di động thì 
yêu cầu kích thước gọn nhẹ, dễ tích hợp càng ngày càng 
yêu cầu khắt khe hơn. Với cấu hình linh hoạt, trọng 
lượng nhẹ và chi phí chế tạo rẻ làm cho PIFAs (Printed 
Inverted-F Antennas) trở thành một trong những ăng-
ten phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị vô 
tuyến cầm tay hiện nay. Tuy nhiên, với yêu cầu thiết bị 
cầm tay ngày càng phải nhỏ gọn dẫn đến việc phải giảm 
kích thước các phần tử bức xạ, của lớp đề của ăngten 
PIFA. Việc giảm nhỏ kích thước ăngten ảnh hưởng đến 
tần số cộng hưởng, đồ thị bức xạ và làm giảm băng 
thông của ăngten. Hiện này, có rất nhiều phương pháp 
để tăng băng thông của ăngten đơn PIFA như dùng phần 
tử ký sinh, thay đổi đặc tính vật liệu, xẻ rãnh ở đế [11]. 
Tuy nhiên, đối với ăngten tái cấu hình sử dụng cấu trúc 
PIFA thì việc sử dụng các phương pháp trên để tăng 
băng thông khá phức tạp vì các cấu hình khác nhau của 
một ăngten có thể ảnh hưởng lẫn nhau, do đó cần được 
nghiên cứu nhiều hơn nữa. 
Trong bài báo này chúng tôi sẽ đề xuất một cấu trúc 
ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng PIN diode 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 465
hoặc RF-MEMS. Trong bài báo chúng tôi cũng sẽ đưa 
ra một số kết quả mô phỏng và so sánh, đánh giá giữa 
hai loại chuyển mạch và ưu điểm của PIN diode so với 
RF-MEMS. Trong cấu trúc đề xuất này, phương pháp 
xẻ rãnh trên đế nhằm tăng băng thông của ăngten tái cấu 
hình và các thông số sẽ được trình bày và được kiểm 
nghiệm thông qua mô phỏng tối ưu sử dụng phần mềm 
chuyên dụng. 
II. THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ 
DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF - 
MEMS 
A. Ký hiệu và viết tắt Ăngten tái cấu hình theo tần số 
sử dụng chuyển mạch PIN Diode 
Đầu tiên, chúng tôi đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA 
theo kiểu truyền thống, bao gồm một phần tử bức xạ ở 
trên tấm điện môi như hình 1(a), một mặt phẳng đế, một 
shorting pin và feeding pin (chân tiếp điện). Tần số cộng 
hưởng cho ăngten PIFA được tính theo công thức (1) 
[4]: 
)(4 LW
c
rf
 (1) 
trong đó: 
fr là tần số cộng hưởng của mode chính (Hz) 
c: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do (m/s) 
W, L: lần lượt là chiều rộng và dài của phần tử phát 
xạ (m) 
Hình 1. Cấu trúc của ăngten RPIFA. (a) Mặt trên, (b) 3D 
BẢNG 1. KÍCH THƯỚC CỦA ĂNGTEN RPIFA 
Tham số Mô tả Giá trị (mm) 
Lgrd Chiều dài đế 40 
Wgrd Chiều rộng đế 40 
Lpch Chiều dài tổng phần tử bức xạ 16 
Ltd Chiều dài phần tử bức xạ tiếp điện 4 
Wpch Chiều rộng phần tử 8 
Wpch1 Chiều rộng tổng phần tử bức xạ 1 3 
Wpch2 Chiều rộng phần tử bức xạ 2 2.2 
h Chiều cao ăngten 8 
rpin Bán kính shorting pin (SP) 0.4 
Ypin1 
Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến 
Shorting pin 1 (SP1) 
18.5 
Ypin2 
Khoảng cách từ vị trí tiếp điện đến 
shorting pin 2 (SP2) 
13 
Để tạo ra ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số, phần 
tử bức xạ sẽ có cấu trúc thay đổi bằng cách dùng chuyển 
mạch PIN Diode. Cấu trúc của phần tử bức xạ với 2 PIN 
diode (Di) được chỉ ra ở hình 1(a). Một phần tử bức xạ ở 
giữa nối với hai phần tử ở hai bên thông qua hai diode. 
Ăngten có hai shorting pin tương ứng với hai phần tử 
bức xạ 1 và 2 như hình 1(b). Điện môi sử dụng là FR4 
với hằng số điện môi Ɛ = 4.4, chiều dày đế điện 
hsub=0.8mm. Ăngten được thiết kế theo lý thuyết theo 
công thức (1) để hoạt động ở dải tần 1.9GHz và 2.4 
GHz, tuy nhiên công thức chỉ mang tính gần đúng vì còn 
rất nhiều tham số khác ảnh hưởng đến tần số hoạt động 
như vị trí shorting pin, ảnh hưởng của cấu hình này lên 
cấu hình khác Các tham số sau khi thiết kế được tối 
ưu bằng phần mềm CST để đạt được các thông số tốt 
nhất (thể hiện trong bảng 1). Cấu hình anten thay đổi 
nhờ chuyển mạch PIN diode. Cấu trúc được đề xuất có 2 
diode PIN. Khi một điện áp thuận một chiều từ 0 đến 1 
V được đặt vào diode thì nó sẽ thông (đóng mạch) và 
ngược lại, một điện áp ngược đặt vào diode làm cho nó 
tắt (hở mạch). Sự điều khiển đóng mở (ON – OFF) của 
các diode này bằng điện áp phân cực một chiều làm thay 
đổi dòng điện chạy trên bề mặt tấm bức xạ. Trên lý 
thuyết, với 2 diode này có thể tạo ra tối đa 4 cấu hình, 
tuy nhiên không phải tất cả các cấu hình đều cho kết quả 
tốt. Với cấu trúc này, có 2 cấu hình được xét ứng với 2 
trường hợp đóng mở diode D1-ON, D2-OFF (M1) và 
D1-OFF, D2-ON (M2). Cấu hình M1 đạt được bằng 
cách cấp một điện áp một chiều phân cực thuận cho D1 
và phân cực ngược cho D2, cấu hình M2 đạt được bằng 
cách phân cực cho hai diode D1 và D2 ngược lại với cấu 
Wpch
Wpch1
Wpch2
Ypin2
SP2
1mm SP2
Ypin1
Wpch2
Lpch
Ltd
W
p
ch
D1D2
(a) 
(b) 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 466
 Hình 2. Kết quả mô phỏng tham số S11 của ăngten tái cấu hình tần số 
sử dụng PIN Diode 
hình M1. Với mỗi cấu hình sẽ tạo ra một tần số cộng 
hưởng khác nhau. Việc mô phỏng được thực hiện dựa 
trên sự kết hợp giữa CST Microwave Studio và CST 
Design. Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng ở đầu vào 
của anten được chỉ ra như hình 2.Băng thông của ăngten 
đạt được ở trạng thái M1 là 70MHz (từ 1.92 GHz đến 
1.99 GHz) (1 phần GSM1900), ở trạng thái M2 là 
140MHz (từ 2.17 GHz đến 2.31 GHz) với mô đun của 
hệ số phản xạ |S11| <-10dB. 
B. Ăngten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển 
mạch RF-MEMs 
Cấu trúc ăngten vẫn giống như trên nhưng chuyển 
mạch bằng RF-MEMs thay cho PIN diode ta đạt được 
các kết quả mô phỏng S11 như hình 3. Băng thông và 
tần số cộng hưởng và đồ thị bức xạ không khác so với sử 
dụng PIN diode. 
Hình 3. Kết quả mô phỏng tham số S11 của ăngten tái cấu hình tần số 
sử dụng RF-MEMs 
C. Đánh giá giữa hai loại chuyển mạch PIN diode và 
RF-MEMs 
Theo kết quả mô phỏng, việc sử dụng chuyển mạch 
MEMs hay PIN diode đều cho kết quả khá giống nhau, 
thậm chí suy hao của PIN diode nhỏ hơn so với RF 
MEMs. Hơn nữa, PIN diode lại có những ưu điểm hơn 
hẳn so với RF-MEMs đó là điện áp điều khiển PIN diode 
thấp hơn (khoảng 5V) trong khi điện áp điều khiển RF- 
MEMs khá cao (khoảng 30V), tốc độ chuyển mạch của 
PIN diode nhanh hơn so với RF-MEMs. RF-MEM có 
cấu trúc phức tạp và kích thước lớn hơn so với PIN 
diode [2]. Vì những lý do đó, với ăngten tái cấu hình sử 
dụng cho các thiết bị vô tuyến cầm tay thì PIN diode là 
một lựa chọn nên được ưu tiên. Tuy nhiên, ở cả hai 
trường hợp sử dụng PIN diode hay RF-MEMs thì với 
cấu hình như trên đều cho kết quả băng thông khá hẹp, 
đây cũng chính là nhược điểm của ăngten PIFA, do vậy 
ở phần III bài báo trình bày một cách để cải thiện băng 
thông của ăngten PIFA tái cấu hình. 
III. THIẾT KẾ ĂNGTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ 
DỤNG CHUYỂN MẠCH DÙNG PIN DIODE VÀ RF - 
MEMS 
Sự chuyển mạch có thể tạo ra các cấu hình khác nhau 
cho ăngten trên. Ở mỗi cấu hình, nó có thể hoạt động 
như một ăngten đơn thông thường. Vì thế, nó cũng còn 
tồn tại một nhược điểm lớn là băng thông khá hẹp. Để 
tăng khả năng ứng dụng cần phải kết hợp giữa tái cấu 
hình và các phương pháp nhằm tăng băng thông.Với cấu 
trúc anten trên sử dụng chuyển mạch PIN diode, một 
cách khá đơn giản được đề xuất là xẻ rãnh phần đế 
ăngten. Cụ thể phần đế của ăngten sẽ được xẻ rãnh như ở 
hình 4. Cấu trúc ăngten và cơ cấu chuyển mạch đều 
không thay đổi. Vị trí và kích thước của khe được tối ưu 
sử dụng phần mềm và thể hiện trong bảng II. 
Ls1
Ws1
Ls2
Ws2
D
s1
Ds2
Lgrd
Hình 4. Kích thước và vị trí các rãnh ở đế 
BẢNG 2. KÍCH THƯỚC RÃNH 
Thông số Mô tả Giá trị (mm) 
Ls1 Chiều dài rãnh 1 20 
Ws1 Chiều rộng rãnh 1 1 
Ls2 Chiều dài rãnh 2 35 
Ws2 Chiều rộng rãnh 2 0.8 
Ds1 Vị trí rãnh 1 18 
Ds2 Vị trí rãnh 2 9 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 467
 Hình 5. Kết quả mô phỏng tham số S11 với rãnh ở đế
 Hình 5 chỉ ra kết quả mô phỏng tham số |S11| với 
các trường hợp Diode tắt và mở khác nhau sau khi xẻ 
rãnh ở đế. Băng thông đạt được ở cấu hình M1 là 110 
MHz (từ 1.74Ghz đến 1.85 GHz) với |S11|<-10dB có thể 
ứng dụng cho GSM1800, tăng so với cấu hình M1 không 
xẻ rãnh 40MHz. Băng thông đạt được ở cấu hình M2 là 
190 MHz (từ 2.47Ghz đến 2.66 GHz) với |S11|<-10dB 
có thể ứng dụng cho 4G - LTE, tăng so với cấu hình M2 
không xẻ rãnh 50MHz. 
 Việc xẻ rãnh ở đế có ảnh hưởng đến tần số cộng 
hưởng. Ở chế độ M1, tần số cộng hưởng dịch xuống thấp 
hơn so với trường hợp không xẻ rãnh một chút và ở chế 
độ M2 tần số cộng hưởng tăng lên từ 2.4GHz lên 
2.6GHz. Ở băng tần này có thể được ứng dụng cho LTE. 
Tuy nhiên, nếu tính toán điều chỉnh tối ưu các tham số 
kích thước của ăngten và kích thước rãnh thì có thể đưa 
về được tần số cộng hưởng như ban đầu là 24GHz. Sự 
thay đổi về băng thông có thể được giải thích thông qua 
sự phân bố dòng bề mặt xuất hiện trên phần đế ăngten 
khi được xẻ rãnh. Khi đế không được xẻ, dòng bề mặt 
chỉ xuất hiện phía trên mặt phát xạ. Khi được xẻ rãnh, 
dòng bề mặt sẽ xuất hiện thêm dọc theo mép rãnh này và 
tập trung nhiều ở chỗ uốn khúc như chỉ ra trong hình 6. 
Hình 6. Phân bố dòng bề mặt ở đế khi xẻ rãnh 
Hình 7. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ 
 Với vị trí và kích thước các rãnh thích hợp, những 
dòng bề mặt này sẽ có tác dụng tích cực, tăng mật độ 
dòng diện trên mặt phát xạ và nhờ đó băng thông sẽ tăng 
lên. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của ăngten ở hai 
cấu hình M1 và M2 khi xẻ rãnh và không xẻ rãnh (dùng 
PIN diode) được chỉ ra ở hình 7. Từ kết quả thu được ta 
thấy, với mỗi chế độ, hệ số tăng ích trong cả hai trường 
hợp xẻ rãnh và không xẻ rãnh có thay đổi tuy nhiên 
không nhiều, hệ số tăng ích hầu như không thay đổi. 
Trong khi với cấu hình xẻ rãnh ở đế đã cải thiện khá 
nhiều băng thông của ăngten ở dải tần thiết kế. Ngoài ra 
việc tính toán chiều dài phần tử bức xạ sẽ cho ta các tần 
số cộng hưởng tương ứng. 
IV. KẾT LUẬN 
 Bài báo đề xuất một cấu trúc ăngten PIFA tái cấu 
hình theo tần số đơn giản, cộng hưởng ở tần số trung tâm 
1.9 GHz và 2.4GHz, sử dụng chuyển mạch PIN diode 
hoặc RF-MEM. Trong đó, hai loại chuyển mạch này 
được sánh và đánh giá thông qua lý thuyết và kết quả mô 
phỏng bằng phần mềm CST. Bài báo cũng đề xuất việc 
cải tiến băng thông cho ăngten tái cấu hình bằng cách xẻ 
rãnh ở đế. Với việc xẻ rãnh, băng thông của ăngten có 
thể tăng lên khoảng 30MHz đến 40MHz so với ban đầu 
trong lúc các thông số khác hầu như không thay đổi. Do 
khó khăn về việc mua linh kiện, hiện tại các kết quả chỉ 
dừng lại ở bước thiết kế và mô phỏng, hướng tiếp theo sẽ 
tiến hành chế tạo cấu trúc đề xuất ở trên và tiến hành đo 
đạc, đánh giá so với kết quả mô phỏng để kiểm chứng ý 
tưởng đề xuất. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Ian F. Akyildiz, W.-Y. Lee, M. C. Vuran, and S. Mohanty, 
"Next Generation/Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio 
Wireless Networks: A Survey" Computer Networks (Elsevier) 
Journal, September 2006 . 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 468
[2] Diego Langoni, Mark H. Weatherspoon, Erastus Ogunti, and 
Simon Y. Foo, “An Overview of Reconfigurable Antennas: 
Design, Simulation, and Optimization” MPG Books, IEEE, 
USA, 2009. 
[3] Christos G. Christodoulou,Fellow IEEE, Youssef Tawk, Steven 
A. Lane, and Scott R. Erwin, “Reconfigurable Antennas for 
Wireless and Space Applications”, Proceedings of the IEEE| 
Vol. 100, No. 7, July 2012. 
[4] Saida Ibnyaich, Abdelilah Ghammaz and Moha M’Rabet 
Hassani, “Development of Wideband Planar Inverted-F 
Antennas for Wireless Application”, Journal of Computer 
Science 7 (8): 1172-1177, 2011. 
[5] Wang, K.L., “Planar Antennas for Wireless Communications”, 
1st Edn., Wiley-Interscience, Hoboken, ISBN : 0471266116, 
pp: 301 2003. 
[6] Zhang Jiajie ; Wang Anguo ; Wang Peng, 
"A Survey on reconfigurable antennas”, International 
Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 
Vol.3, pp. 1156 – 1159, 2008. 
[7] E. Del Re, S. Morosi, D. Marabissi, L. Mucchi, 
“Reconfigurable Antenna for Future Wireless Communication 
Systems” Wireless Personal Communications, 2007. 
[8] Wang, B.-Z. ; Xiao, S. ; Wang, J.Microwaves, Antennas & 
Propagation, IET, “Reconfigurable patch-antenna design for 
wideband wireless communication systems”, Vol.1,No.2 , pp 
414 – 419, 2007. 
[9] Trong Duc Nguyen ; Duroc, Y. ; Van Yem Vu ; Tan Phu Vuong, 
“Frequency reconfigurable PIFA antenna driven by 
microcontroller”, Fourth International Conference on 
Communications and Electronics (ICCE), pp. 406 – 410, 2012. 
[10] Trong Duc Nguyen, Duroc. Y., Van Yem Vu, Tan Phu Vuong, 
“Novel reconfigurable 8 - shape PIFA antenna using PIN diode” 
International Conference on Advanced Technologies for 
Communications (ATC), pp. 272 - 275 , 2011. 
[11] H.T. Chattha, Y. Huang, M.K. Ishfaq, S.J. Boyes, “Bandwidth 
enhancement techniques for planarinverted-F antenna”, IET 
Microwaves, Antennas & Propagation, doi: 10.1049/iet-
map.2010.0505, 2011. 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 469