Anten Fibonacci tái cấu hình theo tần số và giản đồ bức xạ sử dụng chuyển mạch PIN diode

Nội dung text: Anten Fibonacci tái cấu hình theo tần số và giản đồ bức xạ sử dụng chuyển mạch PIN diode

1. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Anten Fibonacci tái cấu hình theo tần số và giản đồ bức xạ sử dụng chuyển mạch PIN diode 1 1 1 2 1 Dương Thị Thanh Tú , Cao Xuân Sơn , Trần Hải Nam , Trần Bình Dương , Nguyễn Thị Thu Nga 1Khoa Viễn thông 1, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 2Trường Cao đẳng Phát thanh truyền hình I, Đài tiếng nói Việt Nam Email: tudtt@ptit.edu.vn, soncx.B17VT304@stu.ptit.edu.vn, namth.B17VT256@stu.ptit.edu.vn, duongdtvt@gmail.com, ngantt@ptit.edu.vn ××××××××××× Abstract—Nội dung bài báo đề xuất một cấu trúc anten đa tái cấu Bài báo này đề xuất một cấu trúc anten đơn giản có khả năng hình: vừa có thể tái cấu hình theo giản đồ bức xạ giữ nguyên tần tái cấu hình theo đồ thị bức xạ và tần số sử dụng PIN Diode. Nhờ số cộng hưởng lại vừa có thể tái cấu hình theo tần số cộng hưởng vào các trạng thái chuyển mạch ON – OFF của Diode, anten có giữ nguyên hướng bức xạ. Trong thiết kế đề xuất, với bốn PIN thể hoạt động tại năm băng tần bao gồm 4.41 GHz, 4.97 GHz, diode chuyển mạch hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình có 5.75 GHz, 6 GHz, 6.47 GHz với 9 hướng bức xạ khác nhau. Bên thể tái cấu hình tại ba trạng thái tần số 5.75 GHz, 6 GHz và 6.47 GHz khi bức xạ song hướng nằm ngang hoặc tái cấu hình theo các cạnh đó, với cấu trúc bức xạ độc đáo được tạo bởi các đường hướng bức xạ song hướng khác nhau khi giữ nguyên tần số cộng cong Fibonacci, anten có kích thước nhỏ hơn 75.79% so với kích hưởng tại bốn băng 4.41 GHz, 4.97 GHz, 5.75 GHz và 6 GHz. Bên thước anten vi dải chữ nhật lý thuyết, đạt kích thước tổng thể cạnh đó, nhờ việc sử dụng cấu trúc bức xạ Fibonacci, kích thước 25*25*1.52 mm3 với tần số cộng hưởng nhỏ nhất 4.41 GHz, phù bức xạ của anten giảm nhỏ 75.79% so với anten vi dải lý thuyết, hợp cho phần lớn các thiết bị di động trong hệ thống truyền thông đạt kích thước tổng thể là 25*25*1.52 mm3, phù hợp cho phần lớn thế hệ mới. các thiết bị đầu cuối không dây cố định cũng như di động. II. THIẾT KẾ ANTEN Keywords-Anten tái cấu hình, Fibonacci , PIN diode II.1. Cấu trúc bức xạ sử dụng đường cong Fibonacci I. GIỚI THIỆU Hình 1 thể hiện cấu trúc hình học của anten đề xuất, bao gồm Internet of Things (IoT), 5G/ 6G, vô tuyến thông minh, là ba phần: Phần patch bức xạ dựa trên hình học Fibonacci, mặt những thuật ngữ công nghệ đang thu hút được rất nhiều sự quan phẳng đất sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS và lớp tâm, nghiên cứu hiện nay. Trong đó, anten tái cấu hình với những chất nền tạo thành từ Roger RO4350B có độ dày 1.52 mm, ε đạt khả năng thông minh như điều chỉnh tần số, đồ thị bức xạ hay 3.48 và độ tổn hao loss tangent 0.0037. Anten được cấp điện phân cực theo chuẩn truyền thông mong muốn đã và đang là ứng bằng cáp đồng trục, xuyên qua mặt phẳng đất để tiếp xúc với cử viên sáng giá cho các công nghệ truyền thông này và cũng là phần patch bức xạ. Phương thức cấp điện qua cáp đồng trục đề tài thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong và ngoài trong thiết kế này đem lại hiệu suất cao, suy hao thấp, phối hợp nước [1]. Chỉ riêng trong năm 2018 – 2019, một số lượng không trở kháng tại 50Ω và đặc biệt phù hợp với cấu trúc tổng thể của nhỏ các nghiên cứu về anten tái cấu hình đã được công bố trên anten. những tạp chí uy tín hàng đầu trên thế giới với nhiều phương Phần tử bức xạ của anten chia làm bốn phần giống nhau, mỗi pháp tùy biến khác nhau như tái cấu hình theo tần số [2]–[7], tái phần được cấu thành từ hai đường cong theo cấu trúc hình học cấu hình theo đồ thị bức xạ [8]–[15]. Trong [9], một anten tái Fibonacci với bán kính được tính toán theo công thức (1): n n cấu hình theo đồ thị bức xạ băng rộng được Guiping Jin và các − (− ) (rFS)n = (1) cộng sự nghiên cứu sử dụng 4 diode để chuyển mạch, từ đó thay √5 đổi phương hướng, hoạt động ở 4 hướng, tuy nhiên hiệu suất trung bình chỉ đạt 60%, ngoài ra với kích thước tương đối lớn 75*75*0.76 mm3 khiến cho anten khó có thể được tích hợp vào trong các thiết bị di động hiện nay. Vấn đề về kích thước cũng xuất hiện trong [11] do anten được đề xuất có thiết kế nhiều tầng, tăng đáng kể độ dày cho cấu trúc tổng thể. Trong thiết kế ở [14], một anten có phần tử bức xạ dạng ring đơn giản, có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ bằng cách tác động đến một mạng phối hợp trở kháng, tuy nhiên sự phức tạp trong thiết kế qua mạng phối hợp trở kháng là một trong những nguyên nhân chính khiến cho anten có hiệu suất thấp, chỉ đạt tầm 50%. Đối với đề xuất trong [15], cấu trúc của anten lẫn mạng cấp nguồn đều phức tạp và khá khó khăn trong chế tạo. (a) ISBN: 978-604-80-5076-4 9
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) song với tụ điện sau đó nối tiếp với cuộn cảm. Các giá trị R, L, C của PIN diode trong cả hai điều kiện ON và OFF được thể hiện trong Bảng III. BẢNG II. CÁC TRẠNG THÁI CỦA ANTEN Số diode Trạng thái D1 D2 D3 D4 kích hoạt S1 ON OFF OFF OFF S2 OFF ON OFF OFF (b) 1/4 ON Hình 1: Cấu trúc của anten. (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới. S3 OFF OFF ON OFF Trong đó n = 1 đến 3, là tỉ lệ vàng [16] , được cho bởi phương S4 OFF OFF OFF ON trình (2): 1 + √5 S5 ON ON OFF OFF = = 1.618 (2) 2 S6 OFF OFF ON ON Nguồn cáp đồng trục đặt xuyên qua mặt phẳng đất và chất nền, tiếp xúc trực tiếp với patch bức xạ ở tâm anten, thông qua S7 ON OFF OFF ON bốn Diode được nối với patch dài 3.13 mm, rộng 0.3 mm thiết 2/4 ON lập các trạng thái. Chi tiết kích thước của anten được mô tả S8 OFF ON ON OFF trong Bảng I. S9 ON OFF ON OFF BẢNG I. THAM SỐ CỦA ANTEN S10 OFF ON OFF ON Kích thước Kích thước Tham số Tham số (mm) (mm) S11 ON ON ON OFF L 25 Ws 3.13 S12 ON OFF ON ON 3/4 ON W 25 Lc 1.5 S13 ON ON OFF ON Lg 6.25 a1 0.5 S14 OFF ON ON ON Wg 6.25 a2 0.8 S15 4/4 ON ON ON ON ON Lp 2.08 a3 1.3 Wp 2.08 s 1 Ls 0.3 II.2. Phân tích chuyển mạch PIN diode Để tạo ra khả năng tái cấu hình theo đồ thị bức xạ và tần số cho anten, 4 PIN diode được đặt tại các điểm nối giữa patch chữ (b) (a) thập – nơi đặt nguồn và các phần tử bức xạ với các nhánh bức xạ gồm một cặp đường cong Fibonacci như chỉ ra trong Hình Hình 2: Sơ đồ tương đương của điốt PIN ở trạng thái: (a) ON, 1(a). PIN Diode được lựa chọn trong bài báo này là (b) OFF MA4AGBLP912 do linh kiện có độ tổn hao thấp và tốc độ chuyển mạch cao. Như vậy, với bốn Diode được sử dụng cho bốn phần tử bức xạ, anten có thể cộng hưởng lần lượt tại bốn tần BẢNG III. THAM SỐ CỦA PIN DIODE số tương ứng với số PIN diode được kích hoạt (ở trạng thái ON) như được chỉ ra trong Bảng II. Bên cạnh đó, tại một tần số cộng hưởng xác định, anten cũng sẽ có các hướng bức xạ khác nhau Tham số L �� �� �� dựa trên vị trí PIN Diode được kích hoạt. Giá trị 0.5nH 0.025pF 4Ω 10�Ω Trạng thái ON được thực hiện bởi điện trở nối tiếp với cuộn cảm và trạng thái OFF được thực hiện bởi điện trở mắc song ISBN: 978-604-80-5076-4 10
3. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Bảng IV. Tóm tắt kết quả của tái cấu hình theo tần số Trong phần này, kết quả mô phỏng của anten được thực hiện trên phần mềm CST MICROWAVE STUDIO bao gồm các TT F (GHz) S11 (dB) B (%) G(dBi) (%) tham số tán xạ S11 trong các trạng thái khác nhau của chuyển mạch sử dụng PIN diode tương ứng với giản đồ bức xạ 2D tại 1 5.75 -42.467 6.8 2.52 82.5 các tần số cộng hưởng. Trong đó, nội dung 3.1 sẽ trình bày các băng tần được tái cấu hình trong khi giữ nguyên được bức xạ 2 6 -20.583 20.8 1.775 89.73 song hướng. Nội dung 3.2 sẽ phân tích tính tái cấu hình theo đồ thị bức xạ tại từng băng tần cụ thể của anten. 3 6.47 -17.494 17.23 1.203 83.2% III.1. Các trạng thái tái cấu hình theo tần số Tùy theo tổ hợp kích hoạt trạng thái của bốn diode từ D1 đến D4, anten có thể thay đổi lần lượt theo năm chiều dài bức III.2. Các trạng thái tái cấu hình theo giản đồ bức xạ xạ khác nhau, tạo ra năm trạng thái tái cấu hình theo tần số với Anten được đề xuất có cấu trúc đối xứng với bốn phần tử các băng tần: 4.41 GHz, 4.97 GHz, 5.75 GHz, 6 GHz và 6.47 bức xạ nằm tại bốn hướng khác nhau trên chất nền vuông và GHz. Trong đó, tại các băng 5.75 GHz, 6 GHz và 6.47 GHz được cấp nguồn cáp đồng trục tại tâm. Do vậy, tại các trạng thái anten có chung hướng bức xạ song hướng theo phương nằm một, ba và bốn diode ON, tần số sẽ chỉ phụ thuộc và số lượng ngang (góc quay 900 trong mặt phẳng Phi=900) khi thay đổi tần diode ON chứ không phụ thuộc vào vị trí diode, nói cách khác, số cộng hưởng. Các tần số này lần lượt tương ứng với các cấu tại các trạng thái này, phân bố dòng giống nhau về mặt hình hình hai diode kích hoạt (S10), ba diode (S11 và S12) và bốn học, chỉ khác nhau về hướng nên không ảnh hưởng đến tần số. diode (S15). Tham số S11 và đồ thị bức xạ của ba cấu hình này Tuy nhiên ở trạng thái hai diode ON, sẽ có hai cấu hình khả dĩ được thể hiện ở hình 5 với các tham số đặc tính được tổng kết phụ thuộc vào vị trí hai diode ON là kề nhau hay đối nhau qua trong bảng IV. trục đối xứng của anten. Phần này của bài báo sẽ trình bày tính tái cấu hình theo giản đồ bức xạ hay nói cách khác là sự thay đổi phương bức xạ của anten bằng cách OFF hoặc ON các diode tại vị trí khác nhau trong khi vẫn khi vẫn giữ nguyên tần số. 1. Băng tần 4.41 GHz Tần số thấp nhất của anten cộng hưởng tại tần số 4.41 GHz nhận được khi anten hoạt động ở trạng thái một trong bốn diode được ON, tương đương với một trong bốn phần tử bức xạ được (a) cấp nguồn (S1, S2, S3 và S4). Hướng bức xạ tại cấu hình diode 1 được kích hoạt sẽ ngược lại với cấu hình diode 3 được kích hoạt, tương tự cho cặp diode 2 và 4. Hình 6 trình bày về tham số S11 tại các cấu hình này với giản đồ bức xạ 2D được trình bầy trong Hình 7. Hình 6: Tham số S11 của anten tại băng 4.41 GHz với cấu hình một diode ở trạng thái ON Qua giản đồ bức xạ, có thể thấy cấu hình diode 1 ON và diode 3 ON (S1 và S3) cho hướng bức xạ đối xứng với nhau, lệch so với phương thẳng đứng 15O trong khi cấu hình diode 2 (b) và diode 4 ON (S2 và S4) sẽ hiển thị trùng nhau với hướng bức Hình 5: Các trạng thái tái cấu hình theo tần số (a) Tham xạ theo phương thẳng đứng (độ lệch 0o) trên mặt phẳng Phi = số S11 (b) đồ thị bức xạ 90°. ISBN: 978-604-80-5076-4 11
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 3. Băng tần 5.75 GHz Cấu hình hai diode có thể cung cấp cho anten tần số hoạt động tại 5.75 GHz với điều kiện hai diode được kích hoạt nằm ở vị trí đối nhau qua tâm của anten (S9 và S10). Sự khác biệt về S11 và đồ thị bức xạ sẽ được thể hiện qua hình 9 với hai diode 1 và 3 ở trạng thái ON, tương tự như với diode 2 và 4 trên mặt phẳng Phi = 90°. (a) Hình 7: Đồ thị 2D của anten tại băng 4.42 GHz với cấu hình một diode ở trạng thái ON 2. Băng tần 4.97 GHz Anten sẽ hoạt động tại băng tần 4.97 GHz khi hai diode liền kề được thông dòng (S5, S6, S7 và S8). Tham số S11 được trình bày ở Hình 8 (a) cùng với giản đồ bức xạ 2D ở Hình 8 (b) với hai hướng bức xạ song hướng khác nhau, lệch pha ±22.50 so với trục thẳng đứng trên mặt phảng Phi = 90°. (b) Hình 9: Anten tại băng 5.75 GHz với cấu hình hai diode kề nhau ON: (a) S11, (b) Bức xạ (a) Dễ thấy đối với cấu hình hai diode ON đối xứng thì dạng đồ thị bức xạ cũng đối xứng cả ở mặt phẳng Phi = 90° hoặc Phi = 0°. 4. Băng tần 6 GHz Băng tần tiếp theo thể hiện đặc tính tái cấu hình theo đồ thị bức xạ của anten là 6 GHz, được tạo bằng cách cấp nguồn cho ba trên bốn phần tử bức xạ và sử dụng tổ hợp vị trí để ON diode nhằm điều chỉnh hướng bức xạ theo yêu cầu. Ba tổ hợp vị trí đặc trưng có tham số S11 và đồ thị bức xạ được thể hiện ở hình 10, với các trạng thái diode 1, 2 và 3 ON (S11), diode 2,3 và 4 ON (S14), cuối cùng là diode 3, 4 và 1 được ON (S12). (b) Hình 8: Anten tại băng 4.97 GHz với cấu hình hai diode kề nhau ON: (a) S11, (b) Bức xạ 2D (a) ISBN: 978-604-80-5076-4 12
5. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Anten đề xuất được so sánh với một số thiết kế anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ và tần số đã công bố trong thời gian gần đây trong bảng V. Có thể thấy hầu hết các nghiên cứu trước đó đều có cấu trúc khá phức tạp, kích thước không phù hợp với các thiết bị đầu cuối cầm tay. Qua so sánh, mẫu anten được đề xuất trong bài báo này có kích thước nhỏ gọn, đơn giản hơn rất nhiều trong khi vẫn đáp ứng được những yêu cầu thay đổi về đồ thị bức xạ linh hoạt, triển khai được nhiều băng tần bằng cách sử dụng 4 diode đơn giản, chi phí thấp mà đem lại hiệu quả chuyển mạch cao, không cần áp dụng các cơ chế giảm nhỏ kích thước phức tạp khác. (b) IV. KẾT LUẬN Hình 10: Anten tại băng 6 GHz với cấu hình hai diode kề Trong bài báo này, anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử nhau ON: (a) S11, (b) Bức xạ 2D dụng chuyển mạch diode PIN để thay đổi hình dáng bức xạ dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng được đề xuất. Bên cạnh đó, với Có thể thấy ở tần số này, anten có ba hướng bức xạ song 3 hướng khác nhau: phương nằm ngang và phương lệch ±600 theo kích thước nhỏ gọn 25 x 25 x 1.52 mm anten có thể phù hợp trục thẳng đứng trên mặt phẳng Phi=900 cho phần lớn các thiết bị đầu cuối di động nhỏ gọn. Bảng V: So sánh mẫu anten đề xuất với những công bố anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ gần đây Tham Diện tích Chiều cao Số lượng cấu hình Số lượng chuyển Tần số hoạt động Chất nền khảo (���) (mm) đồ thị bức xạ mạch/ cấu hình (GHz) RT5870 [8] 6418 1.6 6 6/12 5.1-5.9; RT5880LZ [9] 5625 RO4350B 0.76 4 4/4 2.25-3.16; Không đề [11] 1849 17.5 6 6/6 3.5-3.9; cập Thay đổi góc bức Thay đổi cấu hình xạ bằng cách cấp [12] 7259 RO3035 11 5.2; −80° ≤�≤ +80° nguồn cho 1 trên 4 cổng [13] 32000 FR4 50 3 3/30 1.02-1.8; [14] 18225 FR4 7.5 2 2/2 1.74; Mẫu 4.41; 4.97; 5.75; 6; anten đề 625 RO4350B 1.52 9 4/15 6.47; xuất radiation efficiency and increased number of muntiband operations,” IET TÀI LIỆU THAM KHẢO Microwave, Antennas & Propagation, vol. 13, Iss.5, pp. 642-648, 28th February 2019 [1] Naser Ojaroudi Parchin, Haleh Jahanbakhsh Basherlou, Yasir I. A. Al- Yasir, Raed A. Abd-Alhameed, Ahmed M. Abdulkhaleq and James M. [4] Ajay Yadav, Minakshi Tewari, and Rajendra P. Yadav, “Pixed Shape Noras, “ Recent Developments of Reconfigurable Antennas for Current Ground Inspired Frequency Reconfigurable Antenna,” Progress In and Future Wireless Communication Systems,” Electronics 2019, 26 Electromagnetics Research C, Vol. 89, 75-85, 2019 January 2019 [5] A Vamseekrishna, B T P Madhav, T Anilkumar, L S S Reddy, “An IoT [2] Tayyaba Khan, MuhibUr Rahman, Adeel Akram, Yasar Amin and Hannu controlled octahedron frequency reconfigurable multiband antenna for Tenhunen, “A Low-Cost CPW-Fed Muntiband Frequency microwavesensing applications,” IEEE Sensors Letters, vol. 2(3), 2019. Reconfigurable Antenna for Wireless Applications,” Electronics 2019, [6] V. Arun and L.R. Karl Marx, “Internet of Things Controlled 14 August 2019 Reconfigurable Antenna for RF Harvesting,”, Defence Science Journal, [3] Jayendra Kumar, Banani Basu, Fazal Ahmed Talukdar, Arnab Nandi, vol. 68, pp. 566-571, No. 6, November 2018. “Stable-multiband frequency reconfigurable antenna with improved ISBN: 978-604-80-5076-4 13
6. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) [7] M. Jenath Sathikbasha and V.Nagarajan, “DGS based Multiband Frequency Reconfigurable Antenna for Wireless Applications,” International Conference on Communication and Signal Processing, April 4-6, 2019, India [8] Y. Yang and X. Zhu, "A Wideband Reconfigurable Antenna With 360° Beam Steering for 802.11ac WLAN Applications," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 2, pp. 600-608, Feb. 2018 [9] G. Jin, M. Li, D. Liu and G. Zeng, "A Simple Planar Pattern- Reconfigurable Antenna Based on Arc Dipoles," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 17, no. 9, pp. 1664-1668, Sept. 2018 [10] Z. Gan, Z. Tu and Z. Xie, "Pattern-Reconfigurable Unidirectional Dipole Antenna Array Fed by SIW Coupler for Millimeter Wave Application," in IEEE Access, vol. 6, pp. 22401-22407, 2018 [11] G. Yang, J. Li, D. Wei, S. Zhou and R. Xu, "Pattern Reconfigurable Microstrip Antenna With Multidirectional Beam for Wireless Communication," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 67, no. 3, pp. 1910-1915, March 2019 [12] H. Zhou et al., "Reconfigurable Phased Array Antenna Consisting of High-Gain High-Tilt Circularly Polarized Four-Arm Curl Elements for Near Horizon Scanning Satellite Applications," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 17, no. 12, pp. 2324-2328, Dec. 2018 [13] S. Ahdi Rezaeieh and A. M. Abbosh, "Pattern-Reconfigurable Magnetoelectric Antenna Utilizing Asymmetrical Dipole Arms," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 4, pp. 688-692, April 2019 [14] Mingyu Sun, Zhe Zhang, Kang An, Xianghui Wang, Yuezhi Jiang, Aixin Chen, "Dual-Sense Circular Polarization Antenna Based on Reconfigurable Orthogonal Network", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2019, Article ID 1670786, 7 pages, 2019 [15] X. Yi, L. Huitema and H. Wong, "Polarization and Pattern Reconfigurable Cuboid Quadrifilar Helical Antenna," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 6, pp. 2707-2715, June 2018. [16] Chetna Sharma, Dinesh Kumar, “Miniaturization of Spiral Antenna based on Fibonacci Sequence using Modified Koch Curve,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp.932-935, 2017. ISBN: 978-604-80-5076-4 14