Thiết kế anten 2 băng cho thiết bị cầm tay

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> ThiÕt kÕ anten hai b¨ng cho<br /> thiÕt bÞ cÇm tay<br /> HÀ QUỐC ANH, NGUYỄN VĂN TRUNG, NGUYỄN QUỐC ĐỊNH<br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, một anten mạch dải được đề xuất với kích<br /> thước 46  28 mm. Anten hoạt động trong cả 2 băng tần sử dụng cho 3G và 4G,<br /> với VSWR  2. Sử dụng chương trình mô phỏng để tối ưu cấu trúc và tính toán<br /> các tham số của anten. Cuối cùng, chế tạo và đo kiểm anten đề xuất nhằm kiểm<br /> nghiệm khả năng ứng dụng của anten trong các thiết bị cầm tay.<br /> Từ khóa: Anten hai băng, Anten mạch dải, Thiết bị cầm tay.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ không dây thì nhu cầu sử<br /> dụng thiết bị cầm tay ngày càng tăng cao, hướng vào các yếu tố kích thước nhỏ, mỏng, nhẹ<br /> và đa dịch vụ. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tiểu hình hóa các thành phần của thiết bị<br /> cũng như mở rộng băng tần dịch vụ của thiết bị. Trong đó, anten là một phần quan trọng<br /> cần được thu nhỏ và anten mạch dải là loại anten được sử dụng phù hợp cho giải pháp này.<br /> Đã có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế anten đa băng sử dụng cho thiết bị cầm tay<br /> được công bố những năm gần đây. Kết quả đưa ra trong [1, 2] là các thiết kế cấu trúc anten<br /> phẳng, đa băng tần, nhưng các anten có kích thước tương đối lớn. H. M. R Nurul [3] đưa<br /> ra cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (30  23 mm), ứng dụng cho thiết bị cầm tay hoạt<br /> động ở cả 2 dải tần 3G và WLAN, nhưng băng thông của anten thiết kế cho 3G hẹp (40<br /> MHz, với VSWR ≤ 2). M. N. Shakib [4] đưa ra cấu trúc anten phẳng dạng chữ W có hệ số<br /> tăng ích lớn nhưng có kích thước lớn (76  50 mm). C. H. Chang [5] đưa ra cấu trúc anten<br /> đa băng cho thiết bị di động, anten có kích thước nhỏ (40  7 mm) nhưng có băng thông<br /> hẹp, xét với VSWR ≤ 2.<br /> Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu phương pháp tiểu hình hóa cấu trúc anten và đề<br /> xuất cấu trúc anten 2 băng cho thiết bị di động, dựa trên phương pháp uốn, gập, xẻ khe<br /> chấn tử [6]. Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS để tiến hành tính toán, khảo sát<br /> cấu trúc anten đặt trên tấm mạch in sử dụng lớp điện môi FR4. Dải tần được chọn để khảo<br /> sát từ 1,8 GHz đến 2,7 GHz bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G.<br /> <br /> 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ANTEN HAI BĂNG<br /> 2.1. Lựa chọn cấu trúc anten<br /> Với mục tiêu thiết kế anten cho thiết bị di động cầm tay là phải đặt gọn anten bên<br /> trong thiết bị, khi đó anten mạch dải là lựa chọn phù hợp. Hơn nữa, anten mạch dải dễ chế<br /> tạo. Vì vậy, để thuận tiện cho việc gia công chế tạo cũng như đảm bảo các yêu cầu kỹ<br /> thuật của anten cho thiết bị di động, tác giả đã lựa chọn vật liệu thiết kế anten mạch dải là<br /> loại mạch in hai lớp kim loại đồng, lớp nền là chất điện môi FR4 có độ dày 1,6 mm, hằng<br /> số điện môi  = 4,4 và hệ số tổn hao tan  = 0,02. Mục tiêu là thiết kế anten có cấu trúc<br /> đơn giản, đồng phẳng, kích thước nhỏ, công tác ở dải tần 3G (1,9 GHz - 2,17 GHz) và 4G<br /> (2,55 GHz - 2,65 GHz), với VSWR  2.<br /> Để thiết kế anten 2 băng, tác giả dựa vào phương pháp phân nhánh anten chấn tử, mỗi<br /> nhánh ứng với mỗi băng tần công tác. Hai nhánh anten cùng chung một đoạn mạch dải cấp<br /> nguồn (Hình 1). Việc xác định chiều dài của mỗi nhánh anten dựa vào chiều dài điện của<br /> mỗi nhánh anten, với bước sóng công tác được xác định λ = c/f0, tại tần số trung tâm f0<br /> tương ứng của dải tần công tác 3G là 2,0 GHz và 4G là 2,6 GHz.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 31<br />  Ra đa<br /> <br /> Theo [7], xác định được độ rộng của đoạn mạch dải cấp nguồn wf, tính theo công thức<br /> tính trở kháng đầu vào của anten mạch dải:<br /> 60  8h w f  wf<br /> Z0  ln    [], khi  1 . Hoặc:<br />  eff  wf 4h  h<br /> <br /> 1<br />   wf  wf   wf<br /> Z 0  120   eff   1,393  0, 667 ln   1, 444    [], khi 1.<br />   h  h    h<br /> trong đó, h là độ dày của chất điện môi nền; wf là độ rộng của đoạn mạch dải cấp nguồn;<br /> eff là hằng số điện môi hiệu dụng, được tính bởi:<br /> 1<br /> <br />  1  1  h  2<br />  eff   1  12  , với  là hằng số điện môi của chất nền.<br /> 2 2  w f <br /> Khi chọn chất điện môi là FR4 và mong muốn Z0 = 50  để phối hợp trở kháng tốt thì<br /> xác định được độ rộng đoạn mạch dải cấp nguồn wf xấp xỉ 3,3 mm.<br /> <br /> 2.2. Cấu trúc anten đề xuất<br /> Anten Mạch dải<br /> cấp nguồn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> z y<br /> Chất nền FR4 . x<br /> (a) Cấu trúc 3D<br /> s<br /> l4 l9<br /> l3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> l7<br /> l8<br /> l5<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> l1<br /> L<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> l2 l6<br /> lf<br /> <br /> <br /> lg<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> wf<br /> <br /> <br /> <br /> W W<br /> (b) Cấu trúc 2D mặt trên (c) Cấu trúc 2D mặt dưới<br /> Hình 1. Cấu trúc của anten.<br /> <br /> <br /> 32 H. Q. Anh, N. V. Trung, N. Q. Định, "Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay."<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Cấu trúc anten hai băng đề xuất được biểu diễn như Hình 1. Hình 1a là cấu trúc 3D<br /> của anten. Anten được in trên tấm điện môi FR4. Cấu trúc anten đề xuất có kích thước<br /> tổng thể là 46  28  1,6 mm. Cấu trúc 2D của anten gồm mặt trên và mặt dưới như Hình<br /> 1b và Hình 1c. Mặt trên của anten gồm hai thành phần, thành phần phát xạ và thành phần<br /> cấp nguồn. Thành phần phát xạ được chia thành 2 nhánh, nhánh bên trái có dạng anten<br /> chấn tử uốn thành hình chữ U gồm ba đoạn mạch dải l3, l4 và l5 được điều chỉnh để cộng<br /> hưởng trong băng 3G; Nhánh bên phải là thành phần phát xạ được điều chỉnh cộng hưởng<br /> trong băng 4G có kích thước là l8  l9 = 18  12 mm. Khe giữa anten có độ rộng s = 0,6<br /> mm. Đoạn mạch dải cấp nguồn có chiều dài lf = 27 mm, có chiều rộng wf = 3,3 mm. Mặt<br /> dưới của anten là tấm kim loại đồng có kích thước W  lg = 28,0  22,5 mm đóng vai trò<br /> là thành phần đất của anten. Các tham số kích thước anten như Bảng 1.<br /> <br /> Bảng 1. Tham số kích thước của anten (mm).<br /> Tham số Giá trị Tham số Giá trị Tham số Giá trị<br /> L 46 lf 27 l5 16<br /> W 28 l1 4 l6 10,65<br /> lg 22,5 l2 4,7 l7 15,5<br /> s 0,6 l3 9,4 l8 18<br /> wf 3,3 l4 13,7 l9 12<br /> <br /> 2.3. Kết quả mô phỏng anten<br /> Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS (phương pháp phần tử hữu hạn) để tính<br /> toán, khảo sát cấu trúc anten đề xuất. Dải tần được chọn để khảo sát từ 1,8 GHz đến 2,7<br /> GHz, bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G (1,9 GHz - 2,17 GHz) và 4G (2,55<br /> GHz - 2,65 GHz).<br /> Kết quả tính toán tham số trở kháng vào của anten được biểu diễn như Hình 2. Từ<br /> Hình 2, anten đạt được cộng hưởng tại tần số 2,0 GHz và trở kháng vào bằng 48 . Như<br /> vậy, anten phối hợp trở kháng tốt với đường truyền. Kết quả tính toán hệ số sóng đứng<br /> điện áp của anten được biểu diễn như Hình 3. Từ Hình 3, xét với hệ số sóng đứng VSWR<br /> ≤ 2, anten có 2 băng thông, băng thứ nhất từ 1,84 GHz đến 2,17 GHz (bao trùm dải tần<br /> 3G), băng thứ hai từ 2,41 GHz đến 2,7 GHz (bao trùm dải tần 4G). Như vậy, dải thông của<br /> anten bao trùm dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G.<br /> 50j<br /> 25j 100j 3.0<br /> <br /> <br /> 10j 250j 2.5<br /> 1,84 2,17 2,41 2,70<br /> VSWR<br /> VSWR<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2.0<br /> 10 25 50 100 250<br /> <br /> -10j -250j 1.5<br /> 2,0 GHz<br /> (48 Ω)<br /> -25j -100j 1.0<br /> 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7<br /> -50j<br /> Tần số [GHz]<br /> <br /> Hình 2. Trở vào của anten. Hình 3. VSWR của anten.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 33<br />  Ra đa<br /> 0 0<br /> 330 4 30 Mặt phẳng xz 330 4 30<br /> 0 Mặt phẳng yz 0<br /> 300 -4 60 300 -4 60<br /> -8 -8<br /> -12 -12<br /> 270 -16 90 270 -16 90<br /> -12 -12<br /> -8 -8<br /> 240 -4 120 240 -4 120<br /> 0 0<br /> 210 4 150 210 4 150<br /> 180 180<br /> <br /> Hình 4. Đồ thị bức xạ của anten tại 1,9 GHz. Hình 5. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,0 GHz.<br /> 0 0<br /> 330 4 30 Mặt phẳng xz 330 4 30<br /> 0 Mặt phẳng yz 0<br /> 300 -4 60 300 -4 60<br /> -8 -8<br /> -12 -12<br /> 270 -16 90 270 -16 90<br /> -12 -12<br /> -8 -8<br /> 240 -4 120 240 -4 120<br /> 0 0<br /> 210 4 150 210 4 150<br /> 180 180<br /> Hình 6. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,17 GHz. Hình 7. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,55 GHz.<br /> 0 0<br /> 330 4 30 Mặt phẳng xz 330 4 30<br /> 0 Mặt phẳng yz 0<br /> 300 -4 60 300 -4 60<br /> -8 -8<br /> -12 -12<br /> 270 -16 90 270 -16 90<br /> -12 -12<br /> -8 -8<br /> 240 -4 120 240 -4 120<br /> 0 0<br /> 210 4 150 210 4 150<br /> 180 180<br /> <br /> Hình 8. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,60 GHz. Hình 9. Đồ thị bức xạ của anten tại 2,65 GHz.<br /> Đồ thị bức xạ của anten trong mặt phẳng xz và mặt phẳng yz tại các tần số 1,9 GHz, 2,0<br /> GHz, 2,17 GHz, 2,55 GHz, 2,6 GHz và 2,65 GHz được biểu diễn như Hình 4, 5, 6, 7, 8 và 9.<br /> <br /> <br /> <br /> 34 H. Q. Anh, N. V. Trung, N. Q. Định, "Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay."<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Trong đó, nét liền ứng với mặt phẳng yz, nét đứt ứng với mặt phẳng xz. Thấy rằng, đồ thị<br /> bức xạ của anten tương đối đồng đều trong dải tần 3G và 4G. Trong đó, anten có bức xạ<br /> tương đối đẳng hướng trong mặt phẳng yz.<br /> Hệ số tăng ích cực đại của anten trong cả dải tần khảo sát được biểu diễn như Hình 10.<br /> Từ Hình 10, hệ số tăng ích cực đại của anten đạt giá trị lớn hơn 1,8 dBi trong dải tần 3G<br /> và đạt giá trị lớn hơn 2,2 dBi trong dải tần 4G.<br /> 3.0<br /> Hệ số tăng ích cực đại [dBi]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2.5<br /> <br /> 2.0<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> <br /> 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7<br /> Tần số [GHz]<br /> Hình 10. Hệ số tăng ích cực đại của anten.<br /> <br /> 2.4. Kết quả chế thử và đo kiểm anten đề xuất<br /> Từ kết quả mô phỏng, tiến hành chế tạo mẫu anten đề xuất. Cấu trúc anten sau khi chế<br /> tạo như Hình 11.<br /> Tiến hành đo kiểm các tham số của anten chế tạo bằng máy đo phân tích mạng véc-tơ.<br /> Kết quả đo và kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng điện áp của anten được so sánh như trên<br /> Hình 12. Từ Hình 12, kết quả mô phỏng và đo thử tương đối đồng nhất và có hệ số sóng<br /> đứng điện áp của anten nhỏ hơn 2 trong cả dải tần công tác của thiết bị di động 3G và 4G.<br /> Tuy nhiên, có sự sai khác nhất định giữa kết quả đo kiểm và mô phỏng là do vật liệu chế<br /> tạo anten không đồng nhất tuyệt đối như vật liệu mô phỏng, ngoài ra còn có sự ảnh hưởng<br /> của kỹ thuật hàn nối connector. Như vậy, với kết quả như trên thì có thể sử dụng mẫu<br /> anten đề xuất cho thiết bị di động 3G và 4G.<br /> 3.0<br /> Đo kiểm<br /> Mô phỏng<br /> 2.5<br /> 1,84 2,17 2,41 2,70<br /> VSWR<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2.0<br /> <br /> <br /> 1.5<br /> <br /> <br /> 1.0<br /> 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7<br /> Tần số [GHz]<br /> (a) Mặt trên (b) Mặt dưới<br /> Hình 11. Cấu trúc anten chế thử. Hình 12. So sánh hệ số sóng đứng điện áp của anten.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 35<br />  Ra đa<br /> <br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã đề xuất một cấu trúc anten hai băng cho thiết bị cầm tay và đã đạt được<br /> một số kết quả như sau:<br /> (i) Cấu trúc anten phẳng, kích thước nhỏ (46  28 mm);<br /> (ii) Băng thông của anten bao trùm được dải tần 3G và 4G, với VSWR ≤ 2;<br /> (iii) Kết quả đo kiểm tương đồng với kết quả mô phỏng;<br /> (iv) Mẫu anten đề xuất có thể sử dụng được cho thiết bị di động 3G và 4G.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1]. I. Ahmed, I. Shoaib, N. Shoaib, A. Rasheed, S. Shoaib, “A Printed Hybrid Loop Planar<br /> Inverted-F Antenna for Next Generation Handheld Terminals,” 2013 7th European<br /> Conference on Antennas and Propagation (2013), pp. 2044-2047.<br /> [2]. Y. Ding, Z. Du, K. Gong, and Z. Feng, “A Novel Dual-Band Printed Diversity<br /> Antenna for Mobile Terminals,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 55, No. 7<br /> (2007), pp. 2088-2096.<br /> [3]. H.M.R Nurul, P.J Soh, A.A.H Azremi, N.A Saidatul, S.R Norra, M.I Ibrahim, R.B<br /> Ahmad, “A Dual Band Planar Monopole Antenna with Inverted-M Parasitic Plane,”<br /> Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics Proceedings (2007).<br /> [4]. M.N. Shakib, M.T. Islam, and N. Misran, “High gain W-shaped microtrip patch<br /> antenna,” IEICE Electronic Express, Vol.7, No. 20 (2010), pp. 2546-2551.<br /> [5]. C. H. Chang, K. L. Wong, “Penta-band one-eighth wavelength PIFA for internal<br /> mobile phone antenna,” Antennas and Propagation Society International Symposium,<br /> Charleston, South Carolin, US (2009), pp. 1-4.<br /> [6]. K. Skrivervik, J. F. Zurcher, O. Staub and J. R. Mosig, “PCS antenna design: The<br /> Challenge of Miniaturization,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 43,<br /> No. 4 (2001).<br /> [7]. C. A. Balanis, Antenna theory analysis and design, John Wiley & Sons, New Jersey,<br /> US (2005).<br /> <br /> <br /> ABSTRACT<br /> THE DESIGN OF A DUAL BAND ANTENNA FOR PORTABLE DEVICES<br /> <br /> In this paper, a patch antenna with the size of 46  28 mm is proposed. The<br /> antenna works on 3G and 4G bands with the VSWR  2. The simulation<br /> program is used to optimize the antenna structure, calculate, and measure the<br /> antenna parameters in order to verify its applicability for portable devices.<br /> Keywords: Dual band antenna, Patch antenna, Portable device.<br /> <br /> Nhận bài ngày 09 tháng 12 năm 2014<br /> Hoàn thiện ngày 05 tháng 01 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015<br /> <br /> Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐTDĐ: 0983006616. Email: haquocanh1812@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 36 H. Q. Anh, N. V. Trung, N. Q. Định, "Thiết kế anten hai băng cho thiết bị cầm tay."<br />