Thiết kế anten mimo tự cấu hình theo tần số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN TRÍ DŨNG

Họ và tên tác giả luận văn

TRẦN TRÍ DŨNG

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

THIẾT KẾ ANTEN MIMO TỰ CẤU HÌNH
THEO TẦN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

2015B
Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên tác giả luận văn
TRẦN TRÍ DŨNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

THIẾT KẾ ANTEN MIMO TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN
SỐ

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN XUÂN VŨ

Hà Nội - 2017


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

MỞ ĐẦU
Anten là thành phần thiết yếu trong hệ thống thông tin liên lạc và radar có
chức năng thu nhận hoặc bức xạ sóng điện từ. Anten đã được nghiên cứu từ lâu, khi
được chế tạo lần đầu tiên bởi Hertz năm 1887. Anten những thời đầu phát triển
được thiết kế để có thể tăng băng thông hoạt động, giảm nhỏ kích thước, tăng tính
định hướng.... Một xu hướng thiết kế gần đây là nghiên cứu anten tái cấu hình, có
khả năng thay đổi đặc tính của nó. Các anten này có ưu điểm hơn so với anten
thường về mặt kích thước và hiệu quả hoạt động nên có tiềm năng to lớn cho các
ứng dụng vô tuyến.
Bên cạnh đó, với sự thay đổi của công nghệ ngay này ngày càng đòi hỏi
những thiết bị có khả năng linh hoạt cũng như kích thước ngày càng được thu nhỏ.
Và thuật ngữ đã được đặt ra vào năm 1999 do Rodger M. Walser của Trường Đại
học Texas tại Austin. Ông đã xác định metamaterial như vật liệu kết hợp nhân tạo,
1, 2 hoặc ba chiều, cấu trúc chu kì được thiết kế để tạo ra những đặc tính vật lý
không có sẵn trong tự nhiên.
Với mục đích tìm hiểu về công nghệ anten tái cấu hình, cập nhật xu hướng
phát triển của thế giới và chế tạo một số mẫu anten tái cấu hình cho các ứng dụng
vô tuyến cũng như thiết kế những anten có kích thước thu gọn hơn so với trước đây

tôi đã tập trung thực hiện đề tài: “Thiết kế anten MIMO tự cấu hình theo tần số”.
Mặc dù đã cố gắng thực hiện đề tài tốt nhất, song không tránh khỏi những
hạn chế và thiếu sót, tôi rất mong được sự ủng hộ, góp ý của các thầy cô giáo và bạn
bè để tôi có thể hoàn thiện kiến thức và các kỹ năng hơn nữa.
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tần tình của
nhiều cá nhân, đoàn thể. Qua đây tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy
giáo TS. Phan Xuân Vũ, người đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, chỉ bảo cho tôi
những ý kiến quý báu để thực hiện luận văn. Xin bày tỏ lời cảm ơn tới PGS.TS Vũ
Trang 1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
Văn Yêm cùng toàn thể thầy cô đã giúp đỡ tôi hoàn thành và thực hiện luận văn
cũng như đưa ra nhiều góp ý quý báu. Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha
mẹ, anh em, bạn bè và người thân của tôi, những người đã ủng hộ, động viên, và tạo
điều kiện cho tôi thực hiện tốt nhất luận văn này.
Lời cam đoan, tôi – Trần Trí Dũng – cam kết Luận văn Tốt Nghiệp này là
công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Xuân Vũ,
giảng viên bộ môn Hệ Thống Viễn Thông, viện Điện Tử Viễn Thông trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội.
Các kết quả nêu trong Luận Văn Tốt Nghiệp là trung thực, không phải là sao
chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 31 tháng 03 năm 2017

Trần Trí Dũng

Trang 2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH ...................................................... 5
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 8
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN TỰ CẤU HÌNH....................... 11
1.1 Giới thiệu chung..................................................................................... 11
1.1.1 Khái niệm ......................................................................................... 11
1.1.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình ..................................................... 11
1.1.3 Phân loại anten tự cấu hình ............................................................. 12
1.1.4 Các nguyên lý thiết kế cơ bản .......................................................... 12
1.2 Một số mẫu anten tự cấu hình................................................................ 13
1.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng các bộ chuyển mạch (nhóm 1) .............. 13
1.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng tụ điện hoặc biến dung (nhóm 2) .......... 18
1.2.3 Anten tự cấu hình sử dụng sự thay đổi góc vật lý (nhóm 3) ............ 19
1.2.4 Anten sử dụng mạng tiếp điện có khả năng cấu hình lại (nhóm 4) . 20
1.3 Những thiết kế mới ................................................................................. 21
1.3.1 Anten tự cấu hình dựa trên tiếp điện quay ...................................... 21
1.3.1.1 Cấu trúc và thuộc tính của anten .............................................. 21
1.3.1.2 Thiết kế anten tự cấu hình ......................................................... 21
1.3.1.3 Điều khiển tiến trình quay ......................................................... 24
1.3.1 Anten tự cấu hình dạng hình sao ..................................................... 24
1.3.2.1 Cấu trúc anten ........................................................................... 24
1.3.2.2 Sự cấu hình lại của anten .......................................................... 25
1.4 Kết luận .................................................................................................. 27
Trang 3

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
CHƢƠNG II. CÁC KỸ THUẬT TÁI CẤU HÌNH ANTEN ................................... 28
2.1 Tổng quan các kỹ thuật tái cấu hình ...................................................... 28
2.2 Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo đáp ứng tần số ............................ 30
2.2.1 Lý thuyết hoạt động cơ bản.............................................................. 30
2.2.2 Một số kỹ thuật, cơ chế tái cấu hình ................................................ 31
2.3 Kết luận .................................................................................................. 41
CHƢƠNG 3. LÝ THUYẾT SIÊU VẬT LIỆU........................................................ 42
3.1. Khái niệm ............................................................................................ 42
3.2. Đặc điểm của siêu vật liệu.................................................................. 43
3.3. Một số lý thuyết cơ bản của siêu vật liệu ........................................... 44
3.3.1. Phƣơng trình Maxwell với siêu vật liệu ....................................... 45
3.3.2. Điều kiện Entropy trong môi trƣờng phân tán ............................ 51
3.3.3. Điều kiện biên............................................................................... 56
3.3.4. Đảo ngƣợc hiệu ứng Doppler ...................................................... 58
3.3.5. Đảo ngƣợc định luật Snell - chỉ số khúc xạ âm ........................... 59
3.4. Kết luận............................................................................................... 63
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ-MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................. 64
4.1. Tìm hiều và mô phỏng phần tử CSRR ................................................ 64
4.2. Sử dụng CSRR trong thiết kế anten .................................................... 66
4.2.1. Filter sử dụng phần tử CSRR .......................................................... 67
4.2.2. Anten sử dụng phần tử CSRR .......................................................... 69
4.3. Phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng metamaterials ..... 74
4.4. Kết luận............................................................................................... 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 81

Trang 4

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH

STT

Tiếng Việt

Tiếng Anh

1

Anten tái cấu hình

Reconfigurable antenna

2

Đồ thị bức xạ

Radiation pattern

3

Bộ chuyển mạch vô tuyến

Radio Frequency switch (RF Switch)

4

Độ tăng ích

Gain

5

Độ định hướng

Directivity

6

Vô tuyến nhận thức

Cognitive radio

7

Siêu vật liệu

Metamaterials

8

Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái

Left - Handed Materials

Trang 5

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Tiếng Việt

Tiếng Anh

1

MTM

Metamaterials

2

SRR

Split-Ring Resonator

3

CSRR

Complimentary Split-Ring
Resonator

4

RHM

Right-Handed Materials

5

LHM

Left-Handed Materials

6

BC

Boundary Condition

7

NRI

Negative Reflect Index

Trang 6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 So sánh các chuyển mạch sử dụng trong tái cấu hình anten ............................ 30

Trang 7

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Anten tự cấu hình gồm các ô bức xạ đƣợc kết nối bởi các bộ chuyển mạch
RF MEMS cấu hình mở [1] ............................................................................................... 14
Hình 1. 2 Cấu hình của anten hoạt động ở 2 tần số khác nhau [1].................................. 14
Hình 1. 3 Anten Yagi tự cấu hình.[2] ................................................................................ 15
Hình 1. 4 Anten nhiều phần với các bộ chuyển mạch đƣợc sử dụng để thay đổi chiều
dài đoạn xoắn ốc.[2] ......................................................................................................... 16
Hình 1. 5 Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức ....................................... 17
Hình 1. 6 Anten hai băng tần sử dụng RF MEMS [2] ...................................................... 17
Hình 1. 7 Anten khe hình vành khăn sử dụng PIN diode [4] ............................................ 17
Hình 1. 8 Anten PIFA sử dụng diode biến dung [3] ......................................................... 19
Hình 1. 9 Anten có thể đƣợc uốn cong nhờ từ trƣờng ngoài [2] ...................................... 19
Hình 1. 10 Anten với vị trí tiếp điện có thể thay đổi [2]. .................................................. 20
Hình 1. 11 Anten với mạch tiếp điện cấu hình lại đƣợc [2] ............................................. 20
Hình 1. 12 Cấu trúc anten với các khe [2]. ...................................................................... 21
Hình 1. 13 Hệ số VSWR cho 3 vị trí khác nhau của khe [2]. ............................................ 22
Hình 1. 14 Mặt trƣớc và sau của mẫu anten [2]. ............................................................. 23
Hình 1. 15 Vị trí của các khe trên khối trụ [2]. ................................................................ 23
Hình 1. 16 So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo đạc của tổn hao ngƣợc
[2]. ..................................................................................................................................... 24
Hình 1. 17 Cấu trúc anten dạng hình sao [2] ................................................................... 24
Hình 1. 18 Vị trí các bộ chuyển mạch [2]. ........................................................................ 25
Hình 1. 19 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch hở ở 2.8GHz [2]. ................. 26
Hình 1. 20 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch đóng ở 2.8GHz [2]............... 26
Hình 1. 21 So sánh suy hao ngƣợc với các cấu hình khác nhau của anten [2] ................ 26
Hình 2. 1 Anten dipol chuyển mạch quang cung cấp tái cấu hình tần sô (Theo
Panagamuwa [9], IEEE 2006).......................................................................................... 32

Trang 8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
Hình 2. 2 Sơ đồ anten tái cấu hình có khe hình chữ S, bao gồm dòng cấp vi dải.
Đơn vị tất cả đều theo milimet, độ dày điện môi là 2.54mm (theo Peroulis [20],
IEEE 2005) ........................................................................................................................ 34
Hình 2. 3 (a) Bố cục mạng phân cực chuyển mạch pin-diode cho khe anten tái cấu
hình tần số (b) Mạch RF tƣơng đƣơng cho mạng phân cực (theo Peroulis [20],
IEEE 2005) ........................................................................................................................ 34
Hình 2. 4 Anten tái cấu hình hỗn hợp lƣỡng cực khe gấp: anten có cấu trúc hình
học sử dụng cả 3 chuyển mạch(trái) hay hỗn hợp sử dụng 2 trong 3 chuyển
mạch(phải) (Huff và Bernhard [21], IEEE 2005)............................................................. 36
Hình 2. 5 Anten vi dải tái cấu hình tần số với tụ RF-MEMS và ống dẫn sóng đồng
phẳng ................................................................................................................................. 37
Hình 2. 6 Hình ảnh anten tái cấu hình về mặt cơ học với yếu tố kí sinh chuyển động,
cung cấp tần số, băng tần và tăng ích thay đổi (theo Bernhard ở [33], IEEE 2001)....... 38
Hình 2. 7 Hình ảnh anten vi dải tái cấu hình từ tính (Langer ở [34], IEEE 2003) .......... 39
Hình 3. 1 Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ( bên trái: vật liệu thông thƣờng
(RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM))[6] ....................................................................... 42
Hình 3. 2 Phân loại vật liệu [7] ........................................................................................ 43
Hình 3. 3 Bộ 3 vector trƣờng điện, trƣờng từ và vector sóng (
Poynting
RH

và vector

biểu thị cho sóng điện từ theo công thức (2.1) và (2.19), (a) Môi trƣờng
(b) Môi trƣờng LH

.......................................................................... 48

Hình 3. 4 Thể tích V đƣợc bao bởi mặt S bao gồm các trƣờng

và các nguồn

................................................................................................................................. 50
Hình 3. 5 Điều kiện biên ở bề mặt của 2 môi trƣờng........................................................ 57
Hình 3. 6 Hiệu ứng Doppler (a) Môi trƣờng RH

(b) Môi trƣờng LH

.............................................................................................................................. 58
Hình 3. 7 Các góc

là các góc tới, góc phản xạ và góc truyền tƣơng ứng .... 61

Hình 3. 8 Phân tán của sóng điện từ ở bề mặt giữa 2 môi trƣờng (a) Trƣờng hợp 2
môi trƣờng cùng dấu: khúc xạ dƣơng (b) Trƣờng hợp 2 môi trƣờng trái dấu: khúc
xạ âm ................................................................................................................................. 62

Trang 9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
Hình 4. 1 (a) Cấu trúc topo với cấu trúc chiều rộng dải g, chiều rộng khe c, chia
trong vòng d (b) Mô hình mô phỏng phần tử đơn vị CSRR chiều dài a ...................65
Hình 4. 2 Mô phỏng phần tử CSRR...........................................................................65
Hình 4. 3 Các đƣờng đặc tính S đƣợc thiết lập theo tần số cộng hƣởng của CSRR 66

Hình 4. 4 Filter lọc băng vi dải với ground đƣợc khắc các phần tử CSRR ..............67
Hình 4. 5 Mặt trên filter trên HFSS ..........................................................................67
Hình 4. 6 Mặt ground trên HFSS ..............................................................................68
Hình 4. 7 Kết quả mô phỏng thông số S11 và S21 với phần mềm HFSS ..................68
Hình 4. 8 Mô phỏng mặt patch trên HFSS ................................................................69
Hình 4. 9 Mô phỏng mặt ground trên HFSS .............................................................69
Hình 4. 10 Kết quả mô phỏng thông số S11 và S21 với phần mềm HFSS ................70
Hình 4. 11 Gain tại tần số 2.4GHz ...........................................................................71
Hình 4. 12 Gain tại tần số 3.35GHz .........................................................................71
Hình 4. 13 Gain tại tần số 4.7GHz ...........................................................................72
Hình 4. 14 Giản đồ bức xạ trƣờng xa trong mặt phẳng XOZ ...................................72
Hình 4. 15 Giản đồ bức xạ trƣờng xa trong mặt phẳng XOY ...................................73
Hình 4. 16 Giản đồ bức xạ trƣờng xa trong mặt phẳng YOZ ...................................73
Hình 4. 17 Mô phỏng tổng quan trên HFSS .............................................................75
Hình 4. 18 Hệ số phản xạ S11 của anten ..................................................................75
Hình 4. 19 Gain tại tần số cộng hƣởng 1.3GHz .......................................................76
Hình 4. 20 Gain tại tần số cộng hƣởng 3.35GHz .....................................................76
Hình 4. 21 Gain tại tần số cộng hƣởng 4.65GHz .....................................................77

Trang 10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN TỰ CẤU HÌNH
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Khái niệm
Anten tự cấu hình là cách gọi chung cho các anten có khả năng thay đổi các
thuộc tính bức xạ, như đặc tính tần số, mẫu bức xạ, băng thông trở kháng hoặc sự
phân cực. Anten tự cấu hình lần đầu được giới thiệu vào năm 1998, nó là sự mở
rộng các khả năng của các anten thông thường bằng cách thay đổi cấu hình của

chúng dựa theo yêu cầu. Sự cấu hình lại của những anten như vậy đạt được nhờ sự
phân bố lại có chủ ý của các dòng điện bề mặt, hoặc một cách tương đương, là phân
bố lại trường điện từ trên bề mặt của anten. Những phân bố lại này dẫn đến các thay
đổi về trở kháng hoặc các thuộc tính bức xạ của anten.
Sự tự cấu hình của anten có thể đạt được bằng nhiều kĩ thuật. Một vài nhà
thiết kế phải sử dụng các phần tử mạch, trong khi những người khác dựa vào sự
thay đổi cơ học của cấu trúc như là xoay hoặc uốn cong một hoặc nhiều phần của
nó. Tất cả các phương pháp như vậy đã đóng góp đáng kể đến sự phát triển của
anten tự cấu hình. Hiện tại, các nhà thiết kế anten đã sử dụng các bộ chuyển mạch
và các biến dung được điều khiển bằng điện để đạt được sự tự cấu hình. Các bộ
chuyển mạch PIN diode và RF MEMS là một trong những thiết bị được sử dụng
nhiều nhất.
1.1.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình
Anten tự cấu hình được ứng dụng trong nhiều mảng đặc biệt khi mà nhiều
thuộc tính bức xạ được yêu cầu từ một phẩn tử đơn nhất. Các vùng ứng dụng như
là:
 Vô tuyến nhận thức ( cognitive radio)
 Trong các hệ thống truyền thông nhiều đẫu vào nhiều đầu ra
 Hệ thống truyền thông cá nhân và tế bào
 Các ứng dụng quân sự
Trang 11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
 Ví dụ một anten tự cấu hình về tần số có thể dùng cho GSM, DCS, PCS,
UMTS, Bluetooth và WLAN.
1.1.3 Phân loại anten tự cấu hình
Mặc dù anten tự cấu hình có nhiều hình dạng khác nhau, nhưng có thể nhóm
làm 4 loại dựa theo chức năng có thể cấu hình lại của chúng:
 Anten tự cấu hình về tần số

 Anten tự cấu hình về mẫu bức xạ
 Anten tự cấu hình về sự phân cực
 Và loại anten kết hợp các chức năng trên
Trong trường hợp của anten tự cấu hình tần số, sự điều chỉnh tần số xảy ra
với các cấu hình anten khác nhau. Sự điều chỉnh tần số này được thấy qua sự dịch
tần số cộng hưởng trong dữ liệu về suy hao ngược của anten. Trong trường hợp của
anten tự cấu hình về mẫu bức xạ, các mẫu bức xạ thay đổi về hình dạng, hướng
hoặc độ khuếch đại. Còn trường hợp anten tự cấu hình về phân cực thì các loại phân
cực thay đổi theo mỗi cấu hình của anten. Loại cuối cùng là loại có nhiều thuôc tính
kết hợp của các anten trên.
Các anten tự cấu hình cũng có thể được phân thành nhóm dựa vào kĩ thuật
thực hiện:
 Nhóm 1: Nhóm anten sử dụng các bộ chuyển mạch
 Nhóm 2: Nhóm anten sử dụng tụ điện, và diode biến dung
 Nhóm 3: Nhóm anten sử dụng sự thay đổi góc vật lý
 Nhóm 4: Nhóm anten sử dụng mạch tiếp điện cấu hình lại được
1.1.4 Các nguyên lý thiết kế cơ bản
Sự tự cấu hình của anten có thể đạt được dựa theo các nguyên lý cơ bản sau
 Nguyên lý 1: Để thiết kế anten có tần số là tham số có thể cấu hình lại được,
người thiết kế cần làm thay đổi sự phân bố dòng điện bề mặt trên anten.
 Nguyên lý 2: Để thiết kế anten có mẫu bức xạ có thể cấu hình lại được người
thiết kế cần thay đổi biên bức xạ, khe bức xạ hoặc mạng tiếp điện.

Trang 12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
 Nguyên lý 3: Để thiết kế anten có trường phân cực có khả năng cấu hình lại,
người thiết kế cần thay đổi cấu trúc bề mặt của anten hoặc thay đổi mạng tiếp
điện cho anten.

 Nguyên lý 4: Để thiết kế anten có đồng thời các thuộc tính trên, người thiết
kế cần sử dụng đồng thời các nguyên lý trên.
Một anten được gọi là anten nhiều phần nếu nó được cấu thành bởi một dãy
các thành phần đồng dạng (tam giác, vuông …). Nếu khác, nó được gọi là anten đơn
phần. Anten nhóm 1 sử dụng các bộ chuyển mạch để kết nối các phần khác nhau
trong anten nhiều phần hoặc để bắc qua các khe tồn tại trong anten một phần. Trong
anten nhiều phần, các bộ chuyển mạch dùng để mở rộng kích thước của anten hoặc
để đạt được đặc tính bức xạ đặc biệt. Tuy nhiên trong anten đơn phần các bộ chuyển
mạch kết nối các khe để đổi hướng sự phân bố các dòng bề mặt theo các hướng
khác nhau và thay đổi đặc tính của anten.
Anten tự cấu hình nhóm 2 sử dụng tụ điện hoặc diode biến dung trong anten
nhiều phần cũng như anten đơn phần để cấu hình lại điện dung giữa các phần anten
khác nhau hoặc giữa các khe trong cấu trúc anten. Các anten nhóm 3 sử dụng sử
dụng sự thay đổi vật lý như là uốn cong hoặc quay một phần để phân bố lại dòng bề
mặt và thay đổi thuộc tính bức xạ. Anten nhóm 4 cấu hình lại mạng tiếp điện thay vì
cấu hình lại cấu trúc của anten.
1.2 Một số mẫu anten tự cấu hình
1.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng các bộ chuyển mạch (nhóm 1)
Anten ở hình 1.1 được tạo thành bởi các miếng khác nhau được kết nối bởi
các bộ chuyển mạch. Các anten tự cấu hình được sản xuất như hai mẫu riêng biệt
(cấu hình mở và cấu hình đóng). Loại anten này thu được sự điều chỉnh tần số bức
xạ và sự phân cực.

Trang 13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

Hình 1. 1 Anten tự cấu hình gồm các ô bức xạ được kết nối bởi các bộ chuyển
mạch RF MEMS cấu hình mở [1]

Hình 1. 2 Cấu hình của anten hoạt động ở 2 tần số khác nhau [1]
Trên hình 1.3 anten tự cấu hình dựa trên anten Yagi. Anten này được thiết kế
sử dụng thành phần cơ bản là chấn tử có khả năng cấu hình lại để làm việc ở hai tần

Trang 14


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
số với gấp đôi số thanh dẫn xạ và phản xạ ở tần số cao hơn so với ở tần số thấp hơn.
Mỗi trong số hai cấu hình của anten tồn tại một tần số cộng hưởng.

Hình 1. 3 Anten Yagi tự cấu hình.[2]
Trên hình 1.4 là anten dạng xoắn ốc phẳng, thiết kế dựa trên tấm hình xoắn
ốc sử dụng các bộ chuyển mạch để mở rộng hoặc làm ngắn chiều dài của nhánh
xoắn ốc. Miếng hình xoắn ốc này được in trên tấm điện môi và được tiếp điện ở
điểm trung tâm bằng một cáp đồng trục. Việc sử dụng tiếp điện cáp đồng trục anten
được kích thích thông qua đầu dò đứng, cái được hình thành bằng việc kéo dài vật
dẫn bên trong của đường đồng trục, trong lúc mặt ngoài của cáp đồng trục được kết
nối với mặt phẳng đất của tấm nền. Anten xoắn ốc này bao gồm 5 phần, được kết
nối bởi bốn bộ chuyển mạch RF MEMS. Vị trí của các bộ chuyển mạch được xác
định để đạt độ khuếch đại tối ưu ở tần số mong muốn. Anten này đạt được việc điều
chỉnh tần số bức xạ và mẫu bức xạ.

Trang 15


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

Hình 1. 4 Anten nhiều phần với các bộ chuyển mạch được sử dụng để thay đổi

chiều dài đoạn xoắn ốc.[2]
Có rất nhiều nhiều anten tự cấu hình sử dụng bộ chuyển mạch nhằm mục
đích cho ứng dụng vô tuyến nhận thức (cognitive radio application) như là anten
trong hình 1.5 1.6 1.7 dưới đây. Vô tuyến nhận thức (Cognitive radio) là một mô
thức mới cho truyền thông không dây trong đó mạng hoặc các nút mạng thay đổi
các tham số truyền hoặc nhận để truyền thông một cách có hiệu quả tránh gây nhiễu
với những người sử dụng có giấy phép hoặc không. Sự thay đổi các thông số này
dựa vào sự giám sát một vài nhân tố bên trong và bên ngoài môi trường vô tuyến,
như là phổ tần số, cách dùng của người sử dụng, tình trạng mạng. Mô thức này hứa
hẹn tạo ra chất lượng dịch vụ tốt hơn cho người sử dụng trong lúc đồng thời làm có
khả năng sử dụng mở rộng hơn phổ tần số vô tuyến sẵn có.

Trang 16


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

Hình 1. 5 Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức

Hình 1. 6 Anten hai băng tần sử dụng RF MEMS [2]

Hình 1. 7 Anten khe hình vành khăn sử dụng PIN diode [4]
Trang 17


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
Trên hình 1.7 là anten khe hình vành khăn (Annular Slot Antenna - ASA),
đây là mẫu anten sử dụng PIN diode để điều chỉnh mẫu bức xạ trong khi vẫn giữ tần
số bức xạ không đổi. Tần số hoạt động của anten này là 5.8GHz. Các PIN diode lớn
được sử dụng để ngắn mạch ASA ở những vị trí được định trước trên khe hình tròn.

Hai diode đặt đỗi xứng hai bên so với đường tiếp điện, lệch so với đường tiếp điện
một góc 45 độ. Như vậy lần lượt các PIN diode mở sẽ cho anten với cấu hình phân
cực khác nhau.
1.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng tụ điện hoặc biến dung (nhóm 2)
Anten PIFA có khe hình chữ U. Một diode biến dung được tích hợp vào giữa
khe và đường dây phân áp để điều chỉnh tần số hoạt động. Loại anten này hoạt động
trong dải từ 1.64GHz đến 2.05 GHz tương ứng với điện áp phân cực từ 0v đến 20v.
Dải tần số điều chỉnh có độ rộng băng thông khoảng 410MHz bao gồm dải tần của
một số ứng ứng truyền thông di đông như của DCS(17 10-1880MHz), PCS(17501870MHz) và PCS(USA)(1850-1990MHz). Loại anten này có kích thước là
40*15*8 mm3. Loại anten này có kích thước đủ nhỏ cho các thiết bị cầm tay có thể
dùng làm anten cho các thiết bị cầm tay thế hệ 4.

Trang 18


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

Hình 1. 8 Anten PIFA sử dụng diode biến dung [3]
1.2.3 Anten tự cấu hình sử dụng sự thay đổi góc vật lý (nhóm 3)
Trên hình 2.15 là anten sử dụng sự thay đổi cấu trúc cơ học để đạt được sự tự
cấu hình. Loại anten này được sản xuất trên một tấm ăn mòn nằm trên tấm nền. Một
lớp mỏng vật liệu từ được mạ lên bề mặt anten. Bằng việc ăn mòn lớp ăn mòn giữa
anten và tấm nền, anten được giải phóng và chỉ được kết nối bởi đường tiếp điện
của nó. Khi một trường ngoài được đặt vào cấu trúc anten bị quay đi một góc do
vùng nối giữa phần tấm vi dải cố dịnh và phần được giải phóng bị biến dạng. Sự
biến dạng này cho phép điều chỉnh đặc tính bức xạ của anten.

Hình 1. 9 Anten có thể được uốn cong nhờ từ trường ngoài [2]

Trang 19

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
1.2.4 Anten sử dụng mạng tiếp điện có khả năng cấu hình lại (nhóm 4)
Một trong những anten đầu tiên được phân vào loại này là anten trên hình
1.10. Anten này gồm một phần tử có khe, một mặt phẳng nền, và một mạng chuyển
mạch động, cái mà có thể lựa chọn vị trí điểm tiếp điện (hoặc vị trí 0 hoặc vị trí 1)
tạo nên sự cộng hưởng khác nhau ứng với mỗi vị trí tiếp điện.

Hình 1. 10 Anten với vị trí tiếp điện có thể thay đổi [2].
Một thiết kế khác có sử dụng tiếp điện có khả năng cấu hình lại như hình
1.11. Anten này thu được sự đa dạng về đặc trưng bức xạ. Như ta thấy, mạng tiếp
điện của anten có sử dụng các PIN diode, ứng với các trạng thái khác nhau của các
bộ chuyển mạch này anten sẽ có các đặc tính bức xạ khác nhau.

Hình 1. 11 Anten với mạch tiếp điện cấu hình lại được [2]
Trang 20


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
1.3 Những thiết kế mới
1.3.1 Anten tự cấu hình dựa trên tiếp điện quay
1.3.1.1 Cấu trúc và thuộc tính của anten
Cấu trúc cơ bản của anten như trên hình 1.12 bao gồm 3 lớp khác nhau. Lớp
phía dưới là mặt phẳng nối đất được phủ bởi lớp nền (rộng 3 cm và dài 7.5cm). Lớp
nền ở giữa này có hằng số điện môi là ξ=3.9 và dày 1.6mm. Lớp phía trên là tấm
bức xạ bao gồm một hình chữ nhật 1.5 x 2cm được nối với một tam giác cân (đáy
1.5cm chiều cao 4cm). Bên trong tấm hình chữ nhật là 10 khe hình chữ nhật có
phân bố Chebychev chung quanh khe chữ nhật trung tâm. Bên trong tấm tam giác
có khe hình tam giác cân với đáy là 0.75cm cao 0.6062cm. Anten được tiếp điện

bằng đầu nối SMA 50Ω ở vị trí thích hợp.

Hình 1. 12 Cấu trúc anten với các khe [2].
1.3.1.2 Thiết kế anten tự cấu hình
Trong mẫu thiết kế này anten tự cấu hình về tần số không sử dụng các bộ
chuyển mạch. Vì ứng với mỗi phân bố dòng bề mặt của anten sẽ cho một tập các tần
số bức xạ khác nhau. Kĩ thuật tự cấu hình ở đây sử dụng việc xoay các khe. Từ phân
bố các khe theo Chebychev, sự quay của chúng sẽ thay đổi phân bố dòng bề mặt
trên tấm bức xạ của anten và như vậy thiết lập được vị trí tiếp điện quay gián tiếp.

Trang 21


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017
Sự quay khe sẽ làm thay đổi trở kháng vào của anten. Trên hình 1.13 cho
thấy kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng (VSWR) ở 3 vị trí xoay khác nhau của khe,
thể hiện sự điều chỉnh tần số bức xạ. Sự dịch chuyển tần số bức xạ cũng như băng
thông và biên độ xảy ra khi thay đổi vị trí các khe.

Hình 1. 13 Hệ số VSWR cho 3 vị trí khác nhau của khe [2].
Mẫu anten được sản xuất như trên hình 1.14. Một hình trụ nhỏ được cắt khỏi
anten, thay vào đó là khối hình trụ có thể xoay được. Sự di dời của khối trụ bắt đầu
từ đáy của anten (mặt phẳng đất) cho tới mặt trên cùng (tấm bức xạ). Nó thì quan
trọng để đảm bảo rằng, phần bức xạ trên trụ xoay luôn tiếp xúc với khe tròn trên
tấm bức xạ của anten để đảm bảo dòng điện bề mặt được liên tục khi xoay trụ. Mẫu
sản xuất trên hình 1.14 thì núm xoay được điều chỉnh thủ công. Trên hình 1.16 cho
thấy suy hao ngược giữa anten mô phỏng và anten thực tế là khá phù hợp nhau.

Trang 22

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017

Hình 1. 14 Mặt trước và sau của mẫu anten [2].

Hình 1. 15 Vị trí của các khe trên khối trụ [2].

Trang 23