Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ
SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ
SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

Ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian là nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày
trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác cơng bố. Các thơng tin trích dẫn
trong luận án là trung thực, được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày … tháng…. năm 2018
Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Vũ Văn Yêm

Tác giả luận án

Hoàng Thị Phương Thảo

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Vũ Văn Yêm đã dành nhiều
thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng dẫn, định hướng, tạo động lực nghiên cứu và hỗ trợ
nghiên cứu sinh về mọi mặt để hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử Viễn
thông, Trường Đại học Điện lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập,
nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Hệ thống Viễn thông, Viện Điện tử-Viễn thông, Viện
Đào tạo Sau đại học thuộc, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội luôn giúp đỡ về mặt chuyên
môn, đo đạc thực nghiệm và hỗ trợ các thủ tục trong q trình học tập, hồn thành luận án.
Qua đây, tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên nhóm nghiên cứu

thuộc phịng Lab - RF, Viện Điện tử - Viễn thông, các bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm giúp
đỡ, động viên tôi trong thời gian vừa qua.
Cuối cùng, tơi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình,
những người luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tơi hồn thành luận án này.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………………ii
MỤC LỤC …………………............................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x
MỞ ĐẦU ………………………. ......................................................................................... 1
1. Giới thiệu anten tái cấu hình....................................................................................... 1
2. Những vấn đề cịn tồn tại............................................................................................. 2
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 4
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 5
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài ........................................................................................ 5
6. Những đóng góp chính của luận án ............................................................................ 5
7. Cấu trúc nội dung của luận án ................................................................................... 6
TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH ........................................ 7
1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................ 7
1.2. Ưu nhược điểm của anten tái cấu hình ................................................................... 7
1.2.1. Ưu điểm .............................................................................................................. 7
1.2.2. Nhược điểm ........................................................................................................ 9
1.3. Các tham số quan trọng của anten liên quan đến hoạt động tái cấu hình .......... 9
1.3.1. Đáp ứng tần số .................................................................................................... 9

1.3.2. Đặc tính bức xạ ................................................................................................. 10
1.4. Phân loại anten tái cấu hình................................................................................... 11
1.4.1. Anten tái cấu hình theo tần số .......................................................................... 11
1.4.2. Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ ............................................................... 12
1.4.3. Anten tái cấu hình theo phân cực ..................................................................... 17
iii


1.5. Anten MIMO tái cấu hình...................................................................................... 18
1.6. Ứng dụng của anten tái cấu hình ........................................................................... 18
1.7. Các phương pháp tái cấu hình anten .................................................................... 19
1.7.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 19
1.7.2. Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch điện tử ............................... 20
1.7.3. Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch quang ................................. 24
1.7.4. Tái cấu hình anten bằng thay đổi cấu trúc vật lý .............................................. 24
1.7.5. Tái cấu hình anten bằng thay đổi vật liệu ......................................................... 25
1.7.6. Đánh giá các phương pháp tái cấu hình anten .................................................. 25
1.8. Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số ......................................................... 25
1.8.1. Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ ............... 25
1.8.2. Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng .............. 26
1.8.3. Tái cấu hình anten theo phương pháp thay đổi cấu trúc anten ......................... 27
1.9. Kết luận chương 1 ................................................................................................... 27
ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT
THAY ĐỔI CHIỀU DÀI PHẦN TỬ BỨC XẠ ............................................................... 29
2.1. Giới thiệu chương ................................................................................................... 29
2.2. Các bước thiết kế anten đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng30
2.3. Thiết kế anten đơn cực tiếp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số .............. 31
2.3.1. Cấu trúc anten ................................................................................................... 31
2.3.2. Tính tốn kích thước anten ............................................................................... 31
2.4. Ngun lý hoạt động của anten đơn cực tiếp điện đồng phẳng tái cấu hình theo

tần số ............................................................................................................................... 33
2.4.1. Các cấu hình anten............................................................................................ 33
2.4.2. Phân bố dòng bề mặt ........................................................................................ 34
2. 5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ...................................................................... 35
2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................................... 40

iv


ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT
THAY ĐỔI MẠNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG ............................................................. 41
3.1. Giới thiệu chương ................................................................................................... 41
3.2. Anten PIFA tái cấu hình theo tần số bằng kỹ thuật dịch SP .............................. 42
3.2.1. Kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA ............................................ 43
3.2.2. Các bước thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo phương pháp dịch SP............ 45
3.2.3. Thiết kế anten PIFA đơn có băng tần hoạt động cố định ................................. 46
3.2.4. Điều khiển tần số cộng hưởng .......................................................................... 48
3.2.5. Thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ....................................... 50
3.2.6. Thảo luận và đánh giá....................................................................................... 60
3.3. Anten đơn cực tái cấu hình theo tần số sử dụng kỹ thuật thay đổi mạng phối
hợp trở kháng ................................................................................................................. 62
3.3.1. Các bước thiết kế anten đơn cực tái cấu hình theo tần số ................................ 63
3.3.2. Thiết kế anten ................................................................................................... 64
3.3.3. Kết quả mô phỏng và đo đạc ............................................................................ 72
3.3.4. Thảo luận và đánh giá....................................................................................... 75
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................... 76
THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ BẰNG KỸ
THUẬT THAY ĐỔI CẤU TRÚC ANTEN ..................................................................... 77
4.1. Giới thiệu chương ................................................................................................... 77
4.2. Các bước thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho

UMTS, LTE .................................................................................................................... 77
4.3. Thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số .................................................... 78
4.3.1. Thiết kế một phần tử anten PIFA tái cấu hình theo tần số ............................... 78
4.3.2. Thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ....................................... 83
4.4. Kết quả và thảo luận ............................................................................................... 84
4.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của khe đến độ cách ly giữa các phần tử ......................... 84
4.4.2. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số của anten MIMO tái cấu hình .............. 86
v


4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................................... 90
KẾT LUẬN CHUNG ......................................................................................................... 92
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 95

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CPW

Co-planar Waveguide

Ống dẫn sóng đồng phẳng

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến nhận thức

DCS

Distributed control system

Hệ thống điều khiển phân tán

EBG
FET
GSM

Electromagnetic

Band-Gap

structure

Transistor hiệu ứng trường

Field Effect Transistor
Global

System

for

Cấu trúc dải chắn điện từ

Mobile

Communications

Mạng di động tồn cầu

LTE

Long-Term Evolution

Hệ thống thơng tin dài hạn

MIMO

Multi Input Multi Output

Đa đầu vào đa đầu ra

OBU

Onboard Unit

PCS

Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân

PIFA

Planar Inverted-F Antenna

Anten chữ F-ngược phẳng

PIN

Positive-Intrinsic-Negative

Tiếp giáp P – I - N

RF-MEMS

Khối liên lạc trên phương tiện giao
thông

Radio-Frequency
Microelectromechanical systems

Hệ thống vi cơ điện tử vô tuyến

RSU

Roadside Unit

Khối trên đường

SP

Shorting Pin

Chốt ngắn mạch

UMTS

WiMAX
WLAN

Universal

Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thơng di dộng tồn cầu

Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác mạng diện rộng
Microwave Access

bằng sóng siêu cao tần

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

\

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Anten tái cấu hình sử dụng đi-ốt PIN ...................................................................... 11
Hình 1.2. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng đi-ốt PIN .................................................... 12
Hình 1.3. Cấu trúc anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ đề xuất ............................................ 13
Hình 1.4. Cấu trúc tương đương của phần tử bức xạ ở các cấu hình ....................................... 15
Hình 1.5. Kết quả mơ phỏng của tham số |S11| trong ba cấu hình của anten đề xuất .............. 15
Hình 1.6. Đồ thị bức xạ 3D ở ba cấu hình ............................................................................... 16
Hình 1.7. Cấu trúc anten khe tái cấu hình theo phân cực ........................................................ 17
Hình 1.8. Các kỹ thuật tái cấu hình anten ................................................................................ 20
Hình 1.9. Cấu tạo của đi-ốt PIN ............................................................................................... 20
Hình 1.10. Ký hiệu đi-ốt PIN ................................................................................................... 20
Hình 1.11. Mơ hình tương đương của đi-ốt PIN ...................................................................... 21
Hình 1.12. Cấu trúc của anten sử dụng RF-MEMS ................................................................. 22
Hình 1.13. Ký hiệu của đi-ốt biến dung ................................................................................... 23
Hình 1.14. Mơ hình tương đương của đi-ốt biến dung ............................................................ 23
Hình 1.15. Mơ hình phối hợp trở kháng cho đường truyền ..................................................... 26
Hình 2.1. Các bước thiết kế anten đơn cự c cấp điện đồng phẳng tái cấu hình ....................... 30
Hình 2.2. Cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng .......................................................................... 31
Hình 2.3. Cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình cấp điện kiểu đồng phẳng............................... 33
Hình 2.4. Cấu hình tương đương ở từng trạng thái của anten: ................................................ 34
Hình 2.5. Phân bố dòng bề mặt của các thanh bức xạ ở các cấu hình khác nhau: ................... 35
Hình 2.6. Mẫu anten chế tạo .................................................................................................... 35
Hình 2.7 Kết quả đo và mô phỏng của mô-đun hệ số suy hao phản hồi ở ba cấu hình ........... 36
Hình 2.8. Đồ thị bức xạ mô phỏng 3D và 2D của anten trên mặt phẳng XZ và YZ ............... 38
Hình 3.1. Mơ hình mạch tương đương của anten PIFA ........................................................... 43
Hình 3.2. Cấu trúc anten PIFA truyền thống trong phần mềm CST ........................................ 44
Hình 3.3. Trở kháng của anten PIFA tại tần số 2 GHz thay đổi theo D .................................. 44
Hình 3.4. Tần số cộng hưởng của anten PIFA thay đổi khi điều chỉnh D ............................... 45
Hình 3.5. Các bước thiết kế anten PIFA tái cấu hình .............................................................. 45

Hình 3.6. Cấu trúc của anten PIFA băng tần cố định .............................................................. 46
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng của anten PIFA dải tần cố định ................................................. 48
Hình 3.8. Vị trí của các SP trên phần tử bức xạ ....................................................................... 49
Hình 3.9. Kết quả mơ phỏng mơ-đun hệ số suy hao phản hồi khi dịch SP ............................. 50
Hình 3.10. Anten PIFA tái cấu hình theo tần số ...................................................................... 51
viii


Hình 3.11. (a) Sơ đồ tương đương, (b) Mạch cấp điện cho đi-ốt PIN ..................................... 52
Hình 3.12. Phân bố dịng bề mặt của anten đơn tái cấu hình ở các trạng thái ......................... 54
Hình 3.13. Hình ảnh của mẫu anten PIFA đơn tái cấu hình .................................................... 54
Hình 3.14. Kết quả mô phỏng và đo mô-đun hệ số suy hao phản hồi của anten PIFA đơn tái
cấu hình theo tần số ở các cấu hình ................................................................................. 55
Hình 3.15. Đồ thị bức xạ mô phỏng (mặt phẳng XZ, YZ) ở bốn cấu hình .............................. 56
Hình 3.16. Anten PIFA MIMO 2×1 tái cấu hình theo tần số với hai phương án sắp xếp ....... 57
Hình 3.17. Kết quả đo và mơ phỏng tham số S của anten MIMO tái cấu hình ....................... 59
Hình 3.18. Đồ thị bức xạ mô phỏng của anten MIMO tái cấu hình (mặt phẳng XZ và YZ) .. 59
Hình 3.19. Các bước thiết kế anten đơn cực tái cấu hình ........................................................ 63
Hình 3.20. Cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình ....................................................................... 64
Hình 3.21. Cấu trúc tương đương của anten ở các cấu hình khác nhau: ................................. 66
Hình 3.22. Trở kháng vào của anten ở trạng thái S1 ............................................................... 70
Hình 3.23. Trở kháng vào của anten ở trạng thái S3 ............................................................... 71
Hình 3.24. Mẫu anten đơn cực tái cấu hình theo tần số ........................................................... 72
Hình 3.25. Tham số |S11| mơ phỏng ở bốn cấu hình ............................................................... 72
Hình 3.26. Kết quả đo và mô phỏng của |S11| ở các cấu hình .................................................. 73
Hình 3.27. Kết quả mơ phỏng đồ thị bức xạ 3D của anten đơn cực tái cấu hình .................... 74
Hình 3.28. Kết quả mơ phỏng đồ thị bức xạ 2D của anten tái cấu hình .................................. 74
Hình 4.1. Các bước thiết kế anten MIMO tái cấu hình cho ứng dụng UMTS/LTE ................ 78
Hình 4.2. Cấu trúc của anten đơn tái cấu hình theo tần số cho ứng dụng UMTS/LTE: .......... 79
Hình 4.3. Cấu trúc anten MIMO tái cấu hình đề xuất.............................................................. 83

Hình 4.4. Mẫu anten PIFA tái cấu hình ................................................................................... 84
Hình 4.5. Tham số S của anten MIMO tái cấu hình ở cấu hình S1 khi khoảng cách giữa hai
phần tử anten thay đổi từ 1 mm đến 15 mm .................................................................... 84
Hình 4.6. Tham số S của anten MIMO trong trường hợp khơng có khe ................................. 85
Hình 4.7. Phân bố dịng bề mặt của anten MIMO khi có khe ở mặt phẳng đất ở cấu hình S1 86
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng tham số S ở ba cấu hình ............................................................ 86
Hình 4.9. Kết quả mơ phỏng và đo đạc tham số S ở ba cấu hình của anten MIMO ................ 88
Hình 4.10. Đồ thị bức xạ mơ phỏng ở mặt phẳng XZ và YZ của anten MIMO tái cấu hình .. 89

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Kích thước anten lưỡng cực tái cấu hình theo đồ thị bức xạ ................................... 14
Bảng 1.2. Tóm tắt tham số của anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ được đề xuất................ 17
Bảng 2.1. Kích thước chi tiết của anten đơn cực tái cấu hình theo tần số ............................... 33
Bảng 2.2 Trạng thái hoạt động của đi-ốt PIN .......................................................................... 34
Bảng 2.3. Tổng hợp kết quả mô phỏng của anten đề xuất ....................................................... 38
Bảng 2.4. Tham số anten tái cấu hình đề xuất và một số anten đã cơng bố ............................ 39
Bảng 3.1. Kích thước của anten PIFA băng tần cố định .......................................................... 47
Bảng 3.2. Vị trí SP của anten PIFA tần số cố định .................................................................. 49
Bảng 3.3. Vị trí SP của anten PIFA đơn tái cấu hình .............................................................. 50
Bảng 3.4. Trạng thái của đi-ốt PIN .......................................................................................... 52
Bảng 3.5. Tóm tắt thơng số của anten PIFA đơn tái cấu hình ................................................. 56
Bảng 3.6. Tóm tắt thơng số của anten MIMO tái cấu hình ...................................................... 60
Bảng 3.7. So sánh một phần tử anten PIFA đề xuất với các anten PIFA tái cấu hình đã cơng
bố...................................................................................................................................... 61
Bảng 3.8. Kích thước chi tiết của anten tái cấu hình (mm) ..................................................... 65
Bảng 3.9. Các trạng thái của đi-ốt PIN ở các trạng thái .......................................................... 65
Bảng 3.10. So sánh giá trị kích thước tính tốn và mơ phỏng của anten ................................. 71

Bảng 3.11. Tổng hợp các tham số của anten đơn cực tái cấu hình đề xuất ............................. 75
Bảng 4.1. Kích thước chi tiết của anten đơn tái cấu hình cho UMTS/LTE (mm) ................... 80
Bảng 4.2. Trạng thái của Đi-ốt PIN ở các cấu hình khác nhau ................................................ 81
Bảng 4.3. Tóm tắt kết quả mơ phỏng của anten MIMO tái cấu hình....................................... 90
Bảng 4.4. So sánh kết quả mơ phỏng của anten MIMO tái cấu hình đề xuất với một số anten
đã công bố ........................................................................................................................ 90

x


MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu anten tái cấu hình
Ngày nay, thơng 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 thơng 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, các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng một trong những kỹ thuật
để đạt được dung lượng lớn và chất lượng cao đó là các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi
các tham số nhằm thích nghi với môi trường kênh. Hơn nữa, vấn đề hạn chế phổ tần vô tuyến
cũng đang là một thách thức trong điều kiện các thiết bị và ứng dụng không dây phát triển một
cách nhanh chóng. Chính sách ấn định phổ tần số cố định sẽ làm giảm việc sử dụng phổ hiệu
quả, theo đó một phần lớn phổ được cấp phép chưa được khai thác triệt để. Việc sử dụng
không hiệu quả các nguồn tài nguyên phổ tần kêu gọi các cơ quan quản lý xem xét lại chính
sách phổ của họ và bắt đầu tìm kiếm các cơng nghệ truyền thơng tiên tiến có thể khai thác phổ
tần khơng dây một cách thông minh và linh hoạt hơn. Vô tuyến thơng minh nói chung và vơ
tuyến nhận thức nói riêng (Cognitive Radio - CR) được đề xuất để giải quyết vấn đề hiệu quả
phổ tần và đã nhận được sự chú ý ngày càng cao trong những năm gần đây.
Vô tuyến nhận thức cho phép các thiết bị thu phát phát hiện một cách thông minh các
kênh tần số nào cịn trống, kênh nào đã dùng và có thể sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần số vơ
tuyến nào sẵn có [14], [58]. Trong hệ thống thơng tin vơ tuyến, anten đóng một vai trị hết sức
quan trọng và thiết yếu. Để 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, anten phải có các tính năng thích nghi với
mơi trường và sử dụng phổ tần một cách linh hoạt, hiệu quả. Bên cạnh đó, với nhu cầu phát
triển của người dùng, một bộ thu phát cần hoạt động ở nhiều chuẩn tần số để đáp ứng các ứng
dụng khác nhau. Giải pháp hiện nay cho các thiết bị hoạt động ở nhiều chuẩn đó là tích hợp
một số lượng các anten đơn băng hoặc sử dụng anten đa băng hay băng rộng. Tuy nhiên,
nhược điểm của việc sử dụng nhiều anten đơn băng là làm tăng khoảng chiếm chỗ của anten,
dẫn đến kích thước thiết bị sẽ tăng lên và làm tăng chi phí cho thiết bị. Với anten đa băng hay
băng rộng thì chỉ cần một anten có thể đáp ứng được nhiều tần số hoạt động khác nhau, giúp
tiết kiệm chi phí và kích thước thiết bị, tuy nhiên nhược điểm của loại anten này là nhiễu giữa
các băng lân cận. Để giải quyết được vấn đề nhiễu giữa các băng lân cận thì yêu cầu về bộ lọc
cho hệ thống trở nên phức tạp [44].

1


Khái niệm anten tái cấu hình (Reconfigurable Antenna) với khả năng tự thay đổi tần
số bức xạ, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp các tham số trên ra đời và được giới thiệu lần
đầu tiên vào năm 1981 nhằm giải quyết các vấn đề trên [89]. Trong trường hợp anten tự cấu
hình tần số, một anten có thể chuyển mạch ở các cấu hình khác nhau để hoạt động ở nhiều dải
tần khác nhau nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, thích nghi với sự thay đổi của mơi trường
kênh đồng thời có thể ứng dụng cho nhiều dịch vụ khác nhau mà vẫn giảm được sự phức tạp
cho bộ lọc của hệ thống [32], [69], [13], [54], [65], [85], [90]. Với anten tự cấu hình về đồ thị
bức xạ, đồ thị bức xạ có thể thay đổi về hình dạng, hướng hoặc độ khuếch đại [31], [35], [39],
[45], [59], [93], [113]. Với anten tái cấu hình phân cực, phân cực của anten có thể chuyển đổi
thành các kiểu phân cực khác nhau như phân cực ngang/thẳng, phân cực tròn trái hay phải [7],
[33], [51], [57], [63], [83], [87], [98]. Tái cấu hình anten có thể được thực hiện thông qua sử
dụng các bộ chuyển mạch điện tử hoặc quang, các tụ điện biến dung, hoặc thay đổi cơ khí hay
các vật liệu điều hướng nhằm thay đổi một cách chủ ý phân bố dòng bề mặt hoặc trường điện
từ của anten dẫn đến sự thay đổi về trở kháng hoặc đặc tính bức xạ. Trong đó, tích hợp chuyển
mạch điện là đi-ốt PIN hoặc RF-MEMS vào anten là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.

Với phương pháp sử dụng chuyển mạch điện là đi-ốt PIN hoặc RF-MEMS, người thiết kế có
thể thay đổi chiều dài phần tử bức xạ, mạng phối hợp trở kháng hay thay đổi cấu trúc để tái
cấu hình anten theo tần số. Tính năng tái cấu hình có thể giúp thiết bị trở nên thông minh, linh
hoạt hơn và giúp giảm đáng kể số lượng anten được tích hợp trong số lượng thu phát hoặc làm
giảm độ phức tạp của bộ lọc, do đó có thể làm giảm kích thước và giá thành của thiết bị so với
việc sử dụng anten cố định truyền thống.
Ngoài ra, vấn đề về tăng dung lượng kênh, tốc độ dữ liệu đồng thời giảm pha-đing,
giảm nhiễu cũng là một địi hỏi của hệ thống thơng tin vơ tuyến. Hiện nay, hệ thống đa anten
hay cịn gọi là anten MIMO được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến
góp phần giải quyết các vấn đề này [3]. Để kết hợp các ưu điểm của anten MIMO và anten tái
cấu hình, anten MIMO tái cấu hình là một giải pháp tiềm năng trong việc tăng cường tính
năng thơng minh linh hoạt, đa năng và giảm giá thành, kích thước thiết bị của hệ thống vô
tuyến kết hợp với tăng dung lượng kênh và tốc độ dữ liệu của đường truyền.

2. Những vấn đề cịn tồn tại
Anten tái cấu hình lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1981. Tuy nhiên trong vòng
khoảng mười năm qua mới có nhiều cơng trình cơng bố về anten tái cấu hình và được các nhà
nghiên cứu trên thế giới quan tâm mạnh mẽ, bao gồm anten tái cấu hình theo tần số [32], anten
tái cấu hình theo đồ thị bức xạ [31], anten tái cấu hình theo phân cực [21] hay kết hợp các đặc
2


tính trên [73]. Ở Việt Nam, mặc dù đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về anten, tuy nhiên chủ
yếu tập trung vào các vấn đề cải tiến các tham số của anten có dải tần hoạt động cố định như
hệ số tương hỗ giữa các phần tử cho anten MIMO sử dụng cấu trúc EBG [3], [2], cải thiện
kích thước cho anten băng rộng [1], hoặc điều khiển búp sóng cho anten mảng. Anten tái cấu
hình vẫn cịn là một lĩnh vực khá mới mẻ và nhiều hứa hẹn.
Anten tái cấu hình thường dựa trên các anten truyền thống như bow-tie [62], đơn cực
[102], [49], xoắn ốc [64], anten vi dải tấm ngăn xếp [8], PIFA [99], [101] và sử dụng các kỹ
thuật như điều chỉnh phần tử bức xạ [62], [8], [99], [101], điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng

[102], [28], [61], [66], [72] hoặc thay đổi cấu trúc anten để tái cấu hình theo tần số [8], [82],
[100]. Trong đó, kỹ thuật phổ biến hiện nay là điều chỉnh phần tử bức xạ của anten để tái cấu
hình anten do kỹ thuật này cho phép dễ dàng thiết kế và điều chỉnh tần số cộng hưởng. Kỹ
thuật tái cấu hình theo tần số bằng cách thay đổi cấu trúc anten, nghĩa là kết hợp các cấu trúc
anten khác nhau trong cùng một thiết kế, được đánh giá là khó khăn và phức tạp hơn, vì vậy
số lượng các cơng trình cơng bố về anten tái cấu hình sử dụng phương pháp này vẫn cịn ít.
Các anten tái cấu hình theo tần số sử dụng kỹ thuật điều chỉnh phần tử bức xạ được đề
xuất trong [62], [8] có kích thước khá lớn đối với các thiết bị, trong khi đó anten trong [37],
[38] giảm được kích thước của anten thì hệ số tăng ích thấp. Các anten tái cấu hình theo tần
số bằng thay đổi cấu trúc mới được nghiên cứu những năm gần đây với một số thành tựu nhất
định. Tuy nhiên, các thiết kế có đặc điểm là kích thước cịn lớn hoặc độ tăng ích thấp [78],
[100]. Vì vậy, với những ứng dụng cần các anten tái cấu hình có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc
đơn giản mà vẫn đạt được hệ số tăng ích theo yêu cầu vẫn đang là một thách thức cần được
nghiên cứu, giải quyết.
Trong [102], [72] anten tái cấu hình theo tần số bằng cách điều chỉnh mạng phối hợp
trở kháng bằng đi-ốt biến dung. Nhược điểm của đi-ốt biến dung là công suất tiêu thụ lớn và
điện áp điều khiển cao, đồng thời do anten tái cấu hình được điều khiển bằng việc thay đổi giá
trị điện áp đặt vào đi-ốt biến dung nên mạch phân cực cho đi-ốt biến dung khá phức tạp, gây
ảnh hưởng đến hoạt động của anten. Mạng phối hợp trở kháng của anten trong [28] được điều
chỉnh bằng mạch tích hợp bên ngồi gồm các phần tử LC. Việc sử dụng các phần tử LC để
điều khiển mạch làm cấu trúc anten phức tạp và tăng suy hao. Các anten trong [40], [61] khơng
sử dụng đi-ốt biến dung, mạch LC bên ngồi mà sử dụng đi-ốt PIN để điều chỉnh cấu trúc
mạng phối trở kháng nhằm hạn chế các nhược điểm của mạch LC và đi-ốt biến dung. Tuy
nhiên, đây là các anten tái cấu hình theo phân cực. Từ đó, u cầu về các cấu trúc anten tái
cấu hình theo tần số sử dụng đi-ốt PIN để điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng là một hướng
đi cho các nhà nghiên cứu theo đuổi.
3


Hơn nữa, do nhiều cấu hình có thể sử dụng chung một phần tử trong mỗi anten nhằm

giảm kích thước cũng như số lượng các phần tử chuyển mạch điện tử, điều này dẫn đến việc
điều chỉnh tham số của cấu hình này có thể sẽ ảnh hưởng đến các cấu hình cịn lại [49], [10].
Bên cạnh đó, người thiết kế thường tích hợp các tụ điện trong mạch phân cực để ngăn dòng
một chiều giữa các phần tử anten, giúp cho việc điều khiển trạng thái các đi-ốt khác nhau được
thực hiện một cách độc lập [16], [49]. Việc tích hợp các tụ điện vào anten sẽ tăng suy hao,
làm giảm hiệu suất của anten. Vì vậy, yêu cầu về các cấu trúc anten hoặc kỹ thuật tái cấu hình
nhằm đảm bảo việc điều khiển tần số cộng hưởng và điều khiển các chuyển mạch được thực
hiện một cách độc lập, hạn chế sử dụng các phần sử thụ động mà không làm tăng số lượng
các chuyển mạch được tích hợp vào anten cũng là thách thức đối với các nhà nghiên cứu.
Ngoài ra, hầu hết các nghiên cứu kể trên đều chủ yếu tập trung vào anten đơn tái cấu
hình. Anten MIMO được các nhà nghiên cứu quan tâm nhưng các cơng trình chủ yếu tập trung
vào anten MIMO có băng tần cố định. Gần đây, anten MIMO tái cấu hình mới được nghiên
cứu. Mặc dù đạt được một số thành tựu đáng kể, các anten MIMO tái cấu hình được đề xuất
trong [110], [53], [19] có kích thước vẫn còn lớn. Trong [20], [94], các anten MIMO tái cấu
hình có kích thước nhỏ gọn và nhiều ưu điểm nổi bật, tuy nhiên việc sử dụng các phần tử thụ
động như tụ điện, điện trở cho mạch phân cực làm tăng suy hao của anten. Đối với anten
MIMO nói chung và anten MIMO tái cấu hình nói riêng, yêu cầu về giảm nhỏ kích thước,
giảm sự phức tạp trong cấu trúc cũng như tăng độ cách ly giữa các phần tử trong anten MIMO
tái cấu hình vẫn đang là chủ đề nghiên cứu hiện nay.
Nhìn chung, việc thiết kế một anten tái cấu hình đơn hay anten MIMO tái cấu hình có
cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn, giảm số lượng phần tử chuyển mạch và giảm các phần
tử thụ động trong lúc vẫn đáp ứng được yêu cầu về số lượng cấu hình hoạt động, hệ số tăng
ích đang là một lĩnh vực thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu trong và ngoài nước.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
-

Nghiên cứu, đề xuất một số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số
nhằm cải thiện các tham số như: kích thước, tính đơn giản của cấu trúc anten và mạch

phân cực cho đi-ốt, hệ số tăng ích, tính độc lập theo tần số giữa các cấu hình, tương hỗ
giữa các phần tử trong anten MIMO;

-

Nghiên cứu, đề xuất kỹ thuật, giải pháp tái cấu hình cho anten PIFA nhằm tăng tính
độc lập giữa các cấu hình cho anten.
4


Đối tượng nghiên cứu:
-

Anten tái cấu hình theo tần số;

-

Anten tái cấu hình theo tần số hoạt động đơn băng;

-

Anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử.

Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu các anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số cho thiết bị đầu cuối
trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới;

-

Dải tần dưới 10 GHz.

4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được nghiên cứu dựa trên lý thuyết anten cơ bản, nghiên cứu các cơng
trình quốc tế được đăng trên các tạp chí có đơ tin cậy cao, từ đó tìm ra các vấn đề cần
giải quyết cũng như đề xuất các giải pháp, cấu trúc anten để giải quyết các vấn đề còn
tồn tại. Các giải pháp, thiết kế đề xuất được đưa ra có phương pháp luận, được tính
tốn theo cơng thức tốn học hoặc đưa ra mơ hình, từ đó mơ phỏng bằng phần mềm và
chế tạo, đo đạc thực nghiệm.

5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận:
-

Góp phần phát triển các giải pháp tái cấu hình anten theo tần số, đồng thời đề xuất các
anten tái cấu hình theo tần số có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn và có độ linh
động cao;

-

Đưa ra những cơng bố có giá trị khoa học, là nền tảng cho các sản phẩm thương mại
ra đời.

Về thực tiễn:
-

Các cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất có thể tích hợp trong các thiết bị đầu cuối vô
tuyến thông minh, vô tuyến nhận thức trong tương lai.

6. Những đóng góp chính của luận án
Những đóng góp khoa học của luận án gồm:
1. Đề xuất các cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc
đơn giản, gồm:
5


-

Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng sử dụng kỹ
thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ;

-

Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng cấu trúc dây chêm hở
mạch cho phần dẫn sóng của anten để điều khiển phối hợp trở kháng.

2. Đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng cách dịch shorting pin
với ưu điểm là đơn giản, có thể áp dụng cho tất cả các cấu trúc anten PIFA, dễ dàng
tăng cấu hình tần số lên một số lượng nhất định mà khơng làm tăng kích thước của
anten; đồng thời một cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ
thuật này cũng được đề xuất với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, kích thước phần tử bức
xạ nhỏ gọn.
3. Đề xuất cấu trúc anten MIMO tái cấu hình bằng cách thay đổi cấu trúc của anten.
Anten MIMO tái cấu hình đề xuất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đồng phẳng, đơn
giản và giảm tương hỗ giữa các phần tử. Cấu trúc đề xuất không cần sử dụng tụ điện
cho mạch phân cực đi-ốt giúp anten giảm suy hao.

7. Cấu trúc nội dung của luận án
Luận án này gồm có 4 chương. Chương 1 là tổng quan về anten tái cấu hình, phân loại,

ưu nhược điểm cũng như ứng dụng của anten tái cấu hình trong hệ thống thơng tin vơ tuyến,
các kỹ thuật tái cấu hình anten cũng được trình bày trong chương 1. Trong chương 2, một thiết
kế anten tái cấu hình tần số áp dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ được đề xuất.
Tiếp theo, chương 3 đề xuất một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số dựa theo kỹ thuật thay
đổi cấu trúc dẫn sóng của anten và một thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo tần số áp dụng
kỹ thuật thay đổi trở kháng của anten. Một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số với kỹ thuật
thay đổi cấu trúc của anten được trình bày ở trong chương 4. Phần cuối cùng của luận án là
kết luận và hướng phát triển của đề tài.

6


TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH
Chương 1 giới thiệu tổng quan về anten tái cấu hình, các ưu nhược điểm và ứng dụng.
Việc phân loại anten tái cấu hình được trình bày ở phần tiếp theo. Các phương pháp tái cấu
hình anten bao gồm sử dụng chuyển mạch điện tử như đi-ốt PIN, RF-MEMS, đi-ốt biến dung,
chuyển mạch quang, hay biến đổi vật liệu và biến đổi cơ khí. Một số cơng trình đã được cơng
bố trên thế giới cũng được phân tích đi kèm làm ví dụ minh họa. Bên cạnh đó, một anten tái
cấu hình theo đồ thị bức xạ được đề xuất cũng được trình bày chi tiết trong chương này. Các
phần tiếp theo của chương trình bày về một số kỹ thuật để đạt được anten tái cấu hình theo tần
số khi sử dụng đi-ốt PIN.

1.1. Giới thiệu chung
Trong thiết bị thu phát vô tuyến thì anten là một thành phần vơ cùng quan trọng để bức
xạ hoặc thu sóng điện từ. Các anten cơ bản truyền thống từ trước tới nay có nhiều dạng khác
nhau, bao gồm anten lưỡng cực, anten đơn cực, PIFA, anten vịng, anten vivaldi [4]. Mỗi anten
khác nhau có những đặc tính, ưu nhược điểm riêng, vì vậy phù hợp cho các ứng dụng khác
nhau. Tuy nhiên, các anten này đều có một đặc điểm chung, đó là các thuộc tính như đồ thị
bức xạ, băng tần hoạt động hay sự phân cực đều được thiết kế cố định. Đối với anten tái cấu
hình, các thuộc tính này của anten có khả năng thay đổi được. Anten tái cấu hình được định

nghĩa là anten có khả năng thay đổi đặc tính tần số, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp các
tham số này [46]. Nguyên lý để đạt được tái cấu hình cho anten đó là thay đổi lại phân bố
dịng điện từ trên bề mặt, từ đó dẫn đến các thay đổi về thuộc tính của anten. Dựa vào nguyên
lý này, có nhiều kỹ thuật khác nhau có thể được áp dụng để tái cấu hình như là tích hợp các
chuyển mạch vào anten, thay đổi cấu trúc anten bằng cơ học hoặc sử dụng vật liệu có khả
năng thay đổi đặc tính để thiết kế anten.

1.2. Ưu nhược điểm của anten tái cấu hình
1.2.1. Ưu điểm
Anten tái cấu hình có khá nhiều ưu điểm, bao gồm giúp giảm nhỏ thiết bị, cách ly tốt
giữa các chuẩn khơng dây và có độ linh hoạt cao [31], cụ thể :
- Giảm kích thước cho thiết bị: Một anten tái cấu hình theo tần số có thể hoạt động ở
nhiều dải tần khác nhau, tương ứng với nhiều chuẩn vô tuyến khác nhau. Thông thường một
thiết bị như điện thoại, máy tính hay các thiết bị số sử dụng nhiều anten đơn hoặc các anten
đa băng, băng rộng để hỗ trợ cho nhiều băng tần khác nhau. Việc sử dụng nhiều anten đơn sẽ
7


dẫn đến tăng không gian chiếm chỗ trong các thiết bị vơ tuyến. Anten tái cấu hình theo tần số
với nhiều cấu hình tần số khác nhau sẽ đáp ứng được khả năng hỗ trợ cho nhiều băng tần hoạt
động. Ví dụ, một anten tái cấu hình theo tần số có thể hỗ trợ cho các chuẩn khác nhau như
cung cấp thêm các chuẩn khác như WLAN, WiMAX, GSM, CDMA, 4G… Có thể nói rằng,
một anten tái cấu hình theo tần số có thể thay thế cho nhiều anten đơn. Điều này sẽ làm giảm
được kích thước cho các thiết bị vô tuyến. Tương tự như vậy, một anten tái cấu hình theo đồ
thị bức xạ hay phân cực cũng có thể thay thế bởi một số anten đơn nhằm giảm được chi phí
cũng như kích thước cho thiết bị.
- Cách ly tốt giữa các chuẩn không dây, loại bỏ nhiễu giữa các băng tần không dùng:
Một ưu điểm nữa của anten tái cấu hình theo tần số là giảm nhiễu giữa các chuẩn không dây.
Như đã đề cập ở trên, để hỗ trợ nhiều chuẩn khơng dây thì các thiết bị vơ tuyến cần phải tích
hợp nhiều anten đơn. Ngoài ra, các anten đa băng hay anten băng rộng có thể thay thế được

một số anten đơn. Tuy nhiên, việc sử dụng anten đa băng hoặc anten băng rộng có thể làm
tăng nhiễu giữa các băng tần lân cận. Với anten tái cấu hình theo tần số thì có thể hỗ trợ cho
nhiều chuẩn vô tuyến khác nhau trong cùng một anten. Tuy nhiên, mỗi thời điểm anten tái cấu
hình theo tần số chỉ cộng hưởng ở một hoặc chỉ một vài tần số nhằm giảm nhiễu giữa các băng
tần. Như vậy, việc sử dụng anten tái cấu hình theo tần số cũng sẽ giúp cho các yêu cầu về bộ
lọc của thiết bị vô tuyến bớt phức tạp.
- Độ linh hoạt cao giúp tiết kiệm phổ tần, tiết kiệm công suất và giảm nhiễu: Với khả
năng thay đổi các tham số của anten gồm tần số, đồ thị bức xạ hay phân cực bằng cách thay
đổi cấu hình hoạt động, anten tái cấu hình có thể thay đổi băng tần hoạt động, đồ thị bức xạ
hay phân cực một cách linh hoạt để phù hợp với sự thay đổi của môi trường kênh truyền hoặc
yêu cầu của hệ thống. Một anten tái cấu hình theo tần số có thể hoạt động như một anten đơn,
anten mảng, cũng có thể cung cấp băng rộng hay băng hẹp trong cùng một anten. Ngồi ra,
tính năng linh hoạt thay đổi tần số hoạt động đối với anten tái cấu hình theo tần số là ưu điểm
đối với hệ thống vô tuyến nhận thức. Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, 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 vơ tuyến nào sẵn có. Tính năng nhảy tần của anten tái cấu
hình theo tần số cũng là một ưu điểm cho các hệ thống thông tin quân sự trong việc bảo mật
thông tin, tác chiến điện tử và tăng khả năng chống nhiễu. Anten tái cấu hình theo tần số sẽ
được dùng trong các trường hợp này giúp tiết kiệm phổ tần số. Đối với anten tái cấu hình theo
đồ thị bức xạ, đồ thị bức xạ của anten sẽ thay đổi một cách linh hoạt theo yêu cầu, tăng khả
năng định hướng búp sóng giúp tiết kiệm công suất và giảm nhiễu.

8


1.2.2. Nhược điểm
Nhược điểm của anten tái cấu hình gồm cả việc thiết kế riêng cấu trúc anten và tích
hợp anten tái cấu hình vào tồn hệ thống [22]. Việc thiết kế nhiều cấu hình trong một anten sẽ
dẫn thách thức trong việc tối ưu các tham số cho từng cấu hình riêng. Hơn nữa, việc tích hợp
mạng phân cực cho các phần tử chuyển mạch được tích hợp trong anten cũng làm cho cấu trúc

anten có thể trở nên phức tạp. Mặc dù ưu điểm của anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ là
tăng khả năng định hướng búp sóng giúp tiết kiệm cơng suất, nhưng nếu tích hợp quá nhiều
phần tử chuyển mạch trong tất cả các loại anten tái cấu hình nói chung lại làm tăng công suất
tiêu thụ của anten hoặc làm cấu trúc anten trở nên phức tạp. Ngồi ra, việc tích hợp anten tái
cấu hình vào hệ thống có thể làm tăng chi phí của hệ thống do phải sử dụng các kỹ thuật để
hệ thống có thể tái cấu hình được.

1.3. Các tham số quan trọng của anten liên quan đến hoạt động tái
cấu hình
Có hai tham số rất quan trọng đối với hoạt động của anten, đó là trở kháng đầu vào
của anten theo tần số (gọi là đáp ứng tần số) và đặc tính bức xạ của anten. Phần này sẽ nhắc
lại các vấn đề liên quan đến hai tham số này phục vụ cho mục đích tái cấu hình anten.
1.3.1. Đáp ứng tần số
Đáp ứng tần số của anten được định nghĩa là trở kháng đầu vào của anten theo tần số
[15]. Trở kháng đầu vào là một giá trị phức Zvao = R(ω) + iX(ω) trong đó ω = 2f với f là
tần số hoạt động. Một anten cộng hưởng ở tần số 𝑓 khi trở kháng đầu vào của nó là một giá
trị thực. Trở kháng đầu vào của anten được dùng để xác định hệ số phản xạ () và các tham
số liên quan, như hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) và suy hao phản hồi (RL), các tham số này
là một hàm theo tần số được biểu diễn theo các công thức (1.1), (1.2), (1.3):
=

𝑍𝑣𝑎𝑜 − 𝑍0
𝑍𝑣𝑎𝑜 + 𝑍0

VSWR =

1 + ||
1 − ||

RL = −20lg|| (dB)

(1.1)

(1.2)
(1.3)

trong đó 𝑍0 là trở kháng đường dây tiếp điện. Hiện nay, hệ thống đường dây tiếp điện thường
dùng là 50Ω. Trở kháng vào thông thường được biểu diễn trên đồ thị Smith. Đồ thị Smith là
một công cụ rất cần thiết cho các nhà thiết kế anten bởi nó khơng những cho thấy được hệ số
phản xạ mà còn hiển thị đáp ứng tần số của anten. Anten đơn cực tái cấu hình đề xuất trong
9


chương 3 của luận án cũng sử dụng đồ thị Smith trong phần mềm CST để hỗ trợ cho việc điều
chỉnh trở kháng đầu vào của anten.
Băng tần hoạt động của anten là dải tần số mà anten có thể thu hoặc phát hầu hết năng
lượng. Băng tần hoạt động của anten được định nghĩa là dải tần số mà VSWR tại đầu vào của
anten nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị nhất định và thông thường là 2. Điều này tương đương
với suy hao phản hồi lớn hơn hoặc bằng 9,54 dB, có thể được làm trịn lên 10 dB hay |𝑆11| <
-10 dB. Trong luận án này, băng thông của anten được xác định khi |𝑆11| < -10 dB.
1.3.2. Đặc tính bức xạ
Đồ thị bức xạ hay cịn gọi là giản đồ hướng biểu thị đặc tính bức xạ trường xa trong
không gian của anten và cũng cho biết anten có thể truyền/nhận tín hiệu theo hướng nào. Đồ
thị bức xạ thông thường sẽ hiển thị cường độ bức xạ, mật độ bức xạ, cường độ trường, hệ số
tăng ích hay hệ số định hướng của anten.
Phân cực của anten chính là phân cực của sóng phẳng mà anten bức xạ, được xác định
bởi sự định hướng của véc-tơ trường điện từ E tại một vài điểm trong khơng gian. Anten có
thể có phân cực tuyến tính theo chiều đứng hoặc ngang, phân cực trịn hoặc elip.
Ngồi phân cực, đồ thị bức xạ anten cũng có thể được mơ tả bằng một số thơng số mơ
tả các hình dạng và đặc điểm cơ bản của anten. Đầu tiên là độ rộng búp sóng, được định nghĩa

trong một mặt phẳng xác định trong không gian bức xạ của anten. Độ rộng búp sóng nửa cơng
suất của anten hay cịn gọi là độ rộng búp sóng 3 dB là góc lớn nhất mà cường độ bức xạ ở đó
nhỏ hơn cường độ bức xạ lớn nhất 3 dB.
Độ định hướng và hệ số tăng ích cũng là một tham số quan trọng thể hiện đặc tính bức
xạ của anten. Tham số này thường được dùng để so sánh đánh giá giữa các anten với nhau.
Độ định hướng của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ theo một hướng nhất định với cường
độ bức xạ trung bình trên các hướng.
Độ tăng ích của anten ở một hướng là tỉ số giữa mật độ cơng suất góc tại hướng đó
trên mật độ cơng suất góc của một anten lý tưởng (hiệu suất bằng 1), đẳng hướng, khi có cùng
cơng suất vào anten. Mối quan hệ giữa hệ số định hướng (D) và hệ số tăng ích theo cơng thức
sau thơng qua tham số  là hiệu suất bức xạ của anten [12]:
𝐺 = 𝐷

(1.4)

Hiệu suất bức xạ của anten truyền thống liên quan đến các yếu tố như tổn hao của vật
liệu, bao gồm cả vật liệu dẫn điện và chất điện mơi. Tuy nhiên trong anten tái cấu hình, các
tổn hao này có thể bị gia tăng lên bởi các yếu tố như suy hao của các phần tử chuyển mạch
10


như đi-ốt, RF-MEMS, chuyển mạch quang, tụ điện,… tích hợp vào anten. Vì thế, các anten
tái cấu hình được trình bày trong các chương tiếp theo của luận án đều được thiết kế với mục
tiêu giảm suy hao bằng cách hạn chế số lượng chuyển mạch, hạn chế hoặc không sử dụng tụ
điện cho mạch phân cực được tích hợp trong anten trong lúc vẫn đảm bảo số lượng cấu hình
theo yêu cầu.

1.4. Phân loại anten tái cấu hình
Dựa vào sự thay đổi đổi các tham số của anten, anten tái cấu hình được phân loại như
sau [44]:

-

Anten tái cấu hình theo tần số;

-

Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ;

-

Anten tái cấu hình theo phân cực;

-

Anten tái cấu hình kết hợp các loại trên.

1.4.1. Anten tái cấu hình theo tần số

D6

D45

D4

D3

D1

D2

Cổng tiếp điện

Hình 1.1. Anten tái cấu hình sử dụng đi-ốt PIN [25]
Anten tái cấu hình theo tần số được hiểu là tần số cộng hưởng (hay băng tần làm việc)
của anten được thay đổi tùy vào từng ứng dụng cụ thể, trong khi đồ thị bức xạ và phân cực
của anten được giữ nguyên ở tất cả các cấu hình. Chẳng hạn, một anten tái cấu hình có thể
ứng dụng cho nhiều dịch vụ khác nhau như GSM, WiFI, WiMAX, LTE … Ở mỗi trạng thái,
anten tái cấu hình có thể hoạt động như là một anten đơn băng, đa băng hay băng rộng. Tuy
11


nhiên, một anten tái cấu hình theo tần số đơn băng cũng có thể được thay thế cho một anten
đa băng hay một số lượng anten đơn băng. Anten trong [25] được thể hiện ở Hình 1.1 là anten
tái cấu hình theo tần số đa băng sử dụng chuyển mạch đi-ốt PIN. Bằng cách thay đổi trạng
thái của 6 đi-ốt PIN được tích hợp vào phần tử bức xạ, anten có thể tái cấu hình cho các ứng
dụng gồm WiMAX, m-WiMAX, WLAN, băng C và các ứng dụng băng X.
Tương tự, một anten tái cấu hình đa băng khác cũng được đề xuất trong [5] như ở Hình
1.2 sử dụng hai chuyển mạch đi-ốt PIN. Anten được thiết kế để mỗi cấu hình hoạt động tương
ứng với một băng tần gồm WLAN 2,4/5,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz.

Hình 1.2. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng đi-ốt PIN [5]
1.4.2. Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ
Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ có nghĩa là giản đồ phương hướng của anten
được điều chỉnh theo mong muốn, trong khi đó tần số làm việc và phân cực được giữ nguyên.
Luận án đề xuất một anten tái cấu hình trong hoạt động ở tần số 5,8 GHz được ứng dụng để
thu phí tự động trong hệ thống giao thơng thơng minh. Thu phí tự động là một kỹ thuật cho
phép các phương tiện tham gia giao thơng trả phí tự động khi đi qua các trạm thu phí. Hệ
thống thu phí tự động bao gồm hai thành phần chính, đó là khối liên lạc trên phương tiện giao
thông (Onboard Unit - OBU) và các trạm thu phát di động đặt cố định trên đường (Roadside
12

Unit - RSU). Một bộ đọc được đặt phía trên làn đường ở một độ cao nhất định thuộc khối RSU
sẽ phát năng lượng tới thẻ tag được đặt trên phương tiện tham gia giao thơng. Anten tái cấu
hình theo đồ thị bức xạ thuộc khối RSU sẽ quét theo các làn đường khác nhau hoặc quét theo
các vùng khác nhau trên một làn từ lúc phương tiện giao thông bắt đầu vào vùng liên kết với
RSU để thu phí nhằm tăng độ định hướng.
Cấu trúc anten đề xuất được cho ở Hình 1.3. Anten bao gồm phần tử bức xạ và phần
tử phản xạ, năm chuyển mạch đi-ốt PIN được tích hợp vào phần tử bức xạ. Các đường nét liền
là phần tử bức xạ ở mặt trước, các đường nét đứt là phần tử bức xạ ở mặt sau của đế điện môi.
Các chuyển mạch đi-ốt PIN được điều khiển bằng nguồn điện một chiều thông qua các điện
cảm có giá trị lớn để ngăn dịng xoay chiều.

Cổng
tiếp

y

điện

z

Điện cảm

x
: Đi-ốt

L: Điện cảm

Hình 1.3. Cấu trúc anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ đề xuất

Phần bức xạ bao gồm một mảng 5 phần tử anten lưỡng cực. Mỗi phần tử lưỡng cực
gồm một nửa được đặt ở mặt trên và một nửa được đặt ở mặt dưới của đế điện môi. Các phần
tử lưỡng cực này được tiếp điện thông qua một đường truyền trung tâm. Đường truyền này
gồm hai đường vi dải cũng được thiết kế ở hai mặt đối diện của đế điện môi như phần tử bức
xạ. Phần phản xạ là một mặt phẳng đồng giúp cải thiện hệ số tăng ích của anten được đặt cách
13