Cải thiện hiệu suất anten tái cấu hình tần số và phân cực cho ứng dụng dải tần ISM

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Cải Thiện Hiệu Suất Anten Tái Cấu Hình Tần
Số và Phân Cực cho Ứng Dụng Dải Tần ISM
Bùi Cơng Danh1,2, Đồn Minh Thuận3, Đặng Phúc Tồn1,2, Nguyễn Trương Khang1,2,*
Ban Vật Lý Tính Tốn, Viện Khoa Học Tính Tốn , Trường Đại học Tơn Đức Thắng, TP. HCM
2
Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Tôn Đức Thắng, TP. HCM
3
Khoa Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa TPHCM, TP. HCM
Tác giả liên hệ: *

1

Abstract— Bài báo đề xuất thiết kế anten vi dải tái cấu
hình tần số và phân cực sử dụng PIN Diode. Để cải thiện
hiệu suất khá thấp của anten (do suy hao cao của đế điện
môi và các thành phần điện trong mạch cấp nguồn), một
khoảng trống nhỏ được chèn vào giữa đế điện môi và mặt
phẳng đất (ground). Anten sau khi thiết kế và tối ưu hóa,
được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy,
anten phát ra phân cực tròn tại 1.8 GHz khi PIN Diode
ON và phân cực tuyến tính tại 2.4 GHz khi PIN Diode
OFF, với độ lợi tương ứng là 2.3 dBi và 5.3 dBi. Thiết kế
anten đề xuất còn cho thấy sự nhỏ gọn và cấu hình thấp,
phù hợp cho các ứng dụng GSM và WiFi.

Lp1

R = 100 Ω

Wp1

Tâm của anten vi
dải bên trong
Ym
Yf
Wp2

Via

Cấp
nguồn
g

L = 90 nH

Tâm khung
vng ngồi

Xcut

Keywords- anten vi dải, anten tái cấu hình, tái cấu
hình phân cực, tái cấu hình tần số, GSM, WiFi.

x
Lp2

(a)

Ycut

y

z

PIN Diode

I.

z

Anten tái cấu hình đã ln là một đề tài nghiên cứu
hấp dẫn gần đây [1-2] và độ linh hoạt trong thiết kế của
anten vi dải tạo tiền đề tốt cho việc nghiên cứu đó.
Anten tái cấu hình là loại anten có thể thay đổi cơ chế
hoạt động bằng cách sử dụng các linh kiện như PIN
Diode, Varactor Diode, RF-MEMS, v.v. Trong số đó,
PIN Diode thường được dùng nhiều bởi vì dễ mơ
phỏng và thiết lập trong thực tế. Bằng hai trạng thái
hoạt động ON và OFF của PIN Diode, ta có thể thay
đổi nhiều đặc tính của anten như tần số [3-6], phân cực
[7-8] hoặc đồ thị bức xạ [9]. Anten tái cấu hình tần số
là loại anten có thể hoạt động tại nhiều tần số. Việc
thay đổi tần số hoạt động có nhiều dạng khác nhau như
thay đổi tần số hoạt động hiện tại [5], từ băng thông
rộng thành băng thông hẹp [10], hoặc kết hợp cả hai
[6]. Khả năng thay đổi tần số sẽ giúp cho hệ thống linh
hoạt hơn trong việc truyền dữ liệu. Không chỉ thế, hệ
thống sẽ được tinh giản hơn nhờ giảm thiểu số lượng
anten cần sử dụng.

Bên cạnh tái cấu hình tần số, anten tái cấu hình
phân cực cũng có những ưu điểm đáng chú ý. Anten tái
cấu hình phân cực có khả năng phát ra nhiều loại phân

ISBN: 978-604-80-5076-4

ts
dair

(b)

GIỚI THIỆU

x

y
Via

SMA

Hình 1. Thiết kế anten đề xuất (a) hướng nhìn từ trên
xuống (b) hướng nhìn cạnh bên.
L = 0.4nH R = 1.3Ω

(a)

L = 0.4nH CT = 0.15pF

(b)

Hình 2. Mơ hình mạch điện tương đương của PIN
Diode (a) trạng thái ON (b) trạng thái OFF.
cực, điển hình là phân cực trịn và phân cực tuyến tính
tùy thuộc vào trạng thái hoạt động của linh kiện. Phân
cực tròn thường được ưa chuộng hơn vì nó có thể giảm
thiểu sai lệch phân cực và suy hao fading trong mơi
trường. Từ đó cải thiện được chất lượng tín hiệu tryền
đi và cần thiết trong ứng dụng tên lửa hoặc điều khiển
từ xa. Từ những ưu điểm trên, ta có thể kết luận rằng
bằng cách kết hợp nhiều kiểu tái cấu hình trong cùng
một anten, hệ thống truyền dữ liệu sẽ nhỏ gọn, linh
hoạt và đa năng hơn.

172


0

30

24

-10

24

Lp1 = 34.5 mm
Lp1 = 35 mm
Lp1 = 35.5 mm

-30
-40

ON
1.8

2.0

OFF
2.2

2.4

ON
2.6

2.0

ON

OFF

40
20

2.2

2.4

-50

1.6

2.6

1.8

2.0

2.2

2.4

ON

4

2.0

2.2

2.4

60

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

(c)

Frequency (GHz)

6

1.8

2.0

OFF
2.2

2.4

2.6

2.4

2.6

Frequency (GHz)

(b)
10

dair = 1.2 mm
dair = 1.6 mm
dair = 2.0 mm
ON

dair = 1.2 mm
dair = 1.6 mm
dair = 2.0 mm
ON
OFF

8

OFF

40

0
1.6

dair = 1.2 mm
dair = 1.6 mm
dair = 2.0 mm

12

ON

Frequency (GHz)

80

OFF

18

0
1.6

2.6

20

(d)

Frequency (GHz)

1.8

OFF

100

Lp1 = 34.5 mm
Lp1 = 35 mm
Lp1 = 35.5 mm

6

0

1.6

2.6

ON

(a)

2

(c)

dair = 1.2 mm
dair = 1.6 mm
dair = 2.0 mm

-30
-40

Frequency (GHz)

8

Độ lợi (dBi)

60

-20

OFF

10

Lp1 = 34.5 mm
Lp1 = 35 mm
Lp1 = 35.5 mm

80

Hiệu suất (%)

1.8

(b)

100

0
1.6

6
0
1.6

Frequency (GHz)

(a)

Lp1 = 34.5 mm
Lp1 = 35 mm

Lp1 = 35.5 mm

12

Hiệu suất (%)

-50
1.6

18

Độ lợi (dBi)

-20

Axial Ratio (dB)

30

|S11| (dB)

0

-10

Axial Ratio (dB)

|S11| (dB)

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

6
4

2

1.8

2.0

2.2

Frequency (GHz)

2.4

2.6

0
1.6

(d)

1.8

2.0

2.2

Frequency (GHz)

Hình 3. Khảo sát thơng số Lp1 tại 2 trạng thái PIN
Diode (a) |S11| (b) AR (c) Hiệu suất (d) Độ lợi.

Hình 5. Khảo sát thơng số dair tại 2 trạng thái PIN
Diode (a) |S11| (b) AR (c) Hiệu suất (d) Độ lợi.

Bài báo đề xuất anten vi dải tái cấu hình tần số và
phân cực sử dụng PIN Diode. Tái cấu hình tần số tại
1.8 GHz và 2.4 GHz, trong khi tái cấu hình phân cực
trịn xảy ra tại tần số 1.8 GHz. Bài báo gồm các mục
như sau. Mục 2 mô tả thiết kế đề xuất và mục 3 sẽ phân
tích đặc tính của anten. Mục 4 trình bày kết quả đo và
mơ phỏng và mục 5 kết luận về thiết kế.

được minh họa trong Hình 1 với các thông số được
biểu thị và giá trị tối ưu của chúng được liệt kê trong
Bảng 1.
Các PIN Diode có trạng thái ON hoặc OFF đều
được mơ phỏng dựa trên mơ hình mạch điện tương
đương. Trạng thái ON được mơ hình bằng mạch điện
nối tiếp của điện trở (R = 1.3 Ω) và cuộn cảm (L = 0.4
nH), còn trạng thái OFF thì là mạch nối tiếp của cuộn
cảm (L = 0.4 nH) và tụ điện (CT = 0.15 pF). Giá trị của
các linh kiện tương ứng và hình vẽ của mạch điện được
minh họa trong Hình 2.

II.

THIẾT KẾ ANTEN

0

30

-10

24

-20

Lp2 = 50.8 mm
Lp2 = 51.8 mm
Lp2 = 52.8 mm

-30
-40
-50
1.6

Axial Ratio (dB)

|S11| (dB)

Thiết kế đề xuất là một anten vi dải vuông được cấp
nguồn bằng cáp đồng trục. Khung vuông bên ngoài
được liên kết với anten vi dải bên trong bằng bốn PIN
Diode đặt tại điểm giữa của các cạnh. Mặc dù anten vi
dải có dạng hình vng, khung vng có hai góc đối
diện nhau bị gọt (Xcut, Ycut) để tạo phân cực tròn [11].

Cần lưu ý rằng tâm của anten vi dải bên trong và khung
bên ngồi khơng trùng với nhau. Khoảng trống được
chèn giữa đế điện môi FR-4 và lớp GND. Để cấp
nguồn DC cho linh kiện, 2 thanh pin (via) được xuyên
qua đế điện môi và kết nối với nguồn DC ngoài. Các
cuộn cảm RF (L_choke) cũng được sử dụng để chặn
cơng suất RF rị rỉ ra ngồi anten. Mơ hình thiết kế

ON
1.8

2.0

OFF
2.2

2.4

Frequency (GHz)

(a)

2.0

OFF
2.2

2.4

2.6

2.4

2.6

Frequency (GHz)

60

Lp2 = 50.8 mm
Lp2 = 51.8 mm
Lp2 = 52.8 mm

8

Độ lợi (dBi)

Hiệu suất (%)

ON
1.8

10

Lp2 = 50.8 mm
Lp2 = 51.8 mm
Lp2 = 52.8 mm
ON
OFF

80

40
20
0
1.6

6

(b)

100

(c)

Lp2 = 50.8 mm
Lp2 = 51.8 mm
Lp2 = 52.8 mm

12

ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN

Khả năng tái cấu hình tần số và phân cực của anten
được dựa trên 4 PIN Diode liên kết anten vi dải và
khung ngoài. Khi PIN Diode OFF, chỉ có anten vi dải
bức xạ, do đó anten hoạt động ở tần số cao hơn là 2.4
GHz. Ngược lại, khung vng ngồi sẽ có thể kết nối
với anten và hoạt động tại 1.8 GHz nếu PIN Diode ON.
Chú ý rằng là tâm của anten vi dải và khung ngoài lệch

nhau một đoạn ngắn để có phối hợp trở kháng tốt nhất.
Tần số hoạt động tại mỗi băng tần có thể được
chỉnh bằng thơng số Lpx (x=1; 2), trong đó Lp1 là kích
thước của anten vi dải bên trong và Lp2 là của khung
vng bên ngồi. Xem xét sự thay đổi của Lp1 được
mơ tả trong Hình 3. Khi PIN Diode ON, tần số cộng
hưởng ở vùng 1.8 GHz không thay đổi, nhưng khi PIN

18

0
1.6

2.6

III.

6

ON

OFF

4
2

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

Frequency (GHz)

0
1.6

(d)

1.8

2.0

2.2

(a)
(b)
Hình 6. Phân bố vecto trường điện khi PIN Diode ON
tại 1.8 GHz (a) 0° (b) 90°.

Frequency (GHz)

Hình 4. Khảo sát thơng số Lp2 tại 2 trạng thái PIN
Diode (a) |S11| (b) AR (c) Hiệu suất (d) Độ lợi.

ISBN: 978-604-80-5076-4

173


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

0

|S11| (dB)

-10

c
2 L px

-40
1.7

51.8

51.8

35

35

0.5

Xcut

Ycut

Ym

Yf

dair

7

7

4.5

8.5

1.6

ISBN: 978-604-80-5076-4

2.5

Tỷ số trục (dB)

9
6

3

1.77

1.79

1.81

1.83

1.85

Frequency (GHz)

Hình 9. Kết quả tỷ số trục (Axial Raio-AR) của anten
khi PIN Diode ON.
PIN Diode ON để chứng minh phân cực tròn của anten
tại tần số này. Với biên độ tương đương nhau và độ
lệch pha 90°, trường điện quay ngược chiều kim đồng
hồ cho biết rằng anten bức xạ phân cực tròn phải. Kết
quả này phù hợp với kết quả tỷ số trục (Axial RaioAR) ở các kết quả trước.
KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ MƠ PHỎNG

Thiết kế anten sau khi tối ưu hóa bằng mơ phỏng
được chế tạo (Hình 7) và đo đạc thực nghiệm. Kết quả
hệ số phản xạ (|S11|) trong Hình 8 cho thấy tần số cộng
hưởng bị lệch đi một ít so với kết quả mô phỏng, ở cả
hai chế độ hoạt động của PIN Diode. Cụ thể là bị dịch
từ 1.8 GHz (mô phỏng) thành 1.79 GHz (thực nghiệm)
khi PIN Diode ON và bị dịch từ 2.44 GHz (mô phỏng)
thành 2.42 GHz (thực nghiệm) khi PIN Diode OFF.
Khoảng dịch tần số này được cho là do khoảng cách
dair trong thực nghiệm có thể lớn hơn 1.6 mm một chút,

dẫn đến sự dịch giảm của cả băng tần như đã thảo luận
ở trên. Theo Hình 9, băng thơng 3-dB AR (phân cực
trịn) tương đồng giữa mơ phỏng và thực nghiệm,
tương ứng lần lượt 1.78 – 1.81 GHz và 1.78 – 1.8 GHz.
Đồ thị bức xạ tại hai mặt phẳng xz và yz của thiết kế
anten đề xuất được mô tả trong Hình 10. Kết quả cho
thấy anten đề xuất cho đồ thị bức xạ khá tốt với hướng
bức xạ cực đại broadside. Khi PIN Diode ON tại vùng
tần số 1.8 GHz, anten cho độ lợi mô phỏng và thực
nghiệm tương ứng là 3.6 dBi và 2.3 dBi. Khi PIN
Diode ON tại vùng tần số 2.4 GHz, anten cho độ lợi

Bảng 1. Giá trị thông số tối ưu của thiết kế anten đề
xuất. (Đơn vị: mm)
g

2.3

Mô phỏng
Thực nghiệm

12

0
1.75

IV.

Wp2

2.1

15

với εr1 và εr2 là hằng số điện môi của đế điện môi và
của không khí. Dựa trên các kết quả mơ phỏng trong
Hình 5, dair = 1.6 mm mm đã được chọn để anten này
có thể hoạt động tại cả ứng dụng GSM 1.8 GHz và
Wi-Fi 2.4 GHz. Khoảng trống dair này cũng ảnh hưởng
quan trọng đến hiệu suất của anten. Trong mô phỏng,
khi dair = 0 và PIN Diode OFF, anten hoạt động tại 1.96
GHz với hiệu suất chỉ khoảng 27.5%. Khi chèn khoảng
trống dair = 1.6 mm và ở PIN Diode OFF, anten hoạt
động tại 2.4 GHz và hiệu suất được cải thiện đến
khoảng 74%.
Hình 6 mơ tả phân bố trường điện tại 1.8 GHz khi

Lp2

1.9

Hình 8. Kết quả |S11| đo và mô phỏng của anten tại 2
trạng thái PIN Diode.

(2)

Wp1

Thực nghiệm - ON

Frequency (GHz)

e

Lp1

Mơ phỏng - ON

-30

(a)
(b)
Hình 7. Anten chế tạo thực tế (a) hướng nhìn từ trên
xuống (b) hướng nhìn cạnh.
Diode OFF, tần số cộng hưởng bị thay đổi trong vùng
2.45 GHz ở cả ba giá trị của Lp1 là 34.5 mm, 35 mm và
35.5 mm theo hướng giảm dần. Điều tương tự cũng
xảy ra ở Lp2 như được vẽ trong Hình 4. Thơng số Lp2
chủ yếu ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng của anten ở
vùng 1.8 GHz khi PIN Diode ON, và hầu như không
đổi ở vùng 2.4 GHz khi PIN Diode OFF. Kết quả này
cho thấy các tần số cộng hưởng và hiệu suất anten ở
1.8 GHz và 2.4 GHz được điều khiển và tối ưu hóa
một cách độc lập nhau.
Một trong những thông số quan trọng khác trong
thiết kế được đề xuất là dair, chính là chiều dày khoảng
trống tách biệt đế điện môi và lớp đất (Ground-GND).
Như minh họa ở Hình 5, khi dair thay đổi từ 1.2 mm
đến 1.6 mm đến 2 mm, cả hai vùng tần số 1.8 GHz và
2.4 GHz đều bị ảnh hưởng đáng kể. Theo đó, dair càng

tăng, tần số hoạt động càng giảm về vùng tần số thấp
hơn. Điều này có thể được giải thích bởi cơng thức tính
chiết suất hiệu dụng (1) trong [12] và tần số cộng
hưởng tương ứng (2) trong [13] như sau
r1t s
r 2 d air
(1)
e
t s d air
f

Mô phỏng - OFF
Thực nghiệm - OFF

-20

174


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

ứng dụng khác như truyền thông vệ tinh, vô tuyến
nhận thức, v.v.

0

0

30

-10

330

60

LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ
phát triển khoa học và công nghệ quốc gia
(NAFOSTED) trong đề tài mã số “102.04-2019.04”.

300

-20
-30

90

270

TÀI LIỆU THAM KHẢO

-20
-10

[1]
120

240
150

0

210
180

[2]

(a)
0

0

30

-10

330

[3]

60

300

[4]

-20
-30

90

270

[5]

-20
-10
0

120

240
150

[6]

210
180

(b)
Mô phỏng - XZ
Thực nghiệm - XZ

Mơ phỏng - XY
Thực nghiệm - XY

[7]

Hình 10. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của anten khi (a)
PIN Diode ON tại 1.79 GHz; (b) PIN Diode OFF tại

2.42 GHz.

[8]

mô phỏng và thực nghiệm tương ứng là 7.3 dBi và
5.3 dBi. Sự sụt giảm độ lợi so sánh giữa thực nghiệm
và mô phỏng được cho là do sự suy hao đế điện môi
FR-4.
V.

[9]

[10]

KẾT LUẬN

Bài báo đề xuất thiết kế anten tái cấu hình tần số và
phân cực dùng PIN Diode cho ứng dụng GSM và
Wifi. Anten tái cấu hình tần số tại 1.8 GHz và 2.4 GHz
trong khi đó có khả năng tái cấu hình phân cực
trịn/tuyến tính tại vùng tần số 2.4 GHz. Mặc dù thiết
kế trên đế FR-4, hiệu suất của anten được cải thiện
đáng kể khi chèn 1 khoảng trống nhỏ tách biệt giữa đế
điện môi và mặt phẳng đất. Kết quả mô phỏng và thực
nghiệm khá tương đồng nhau. Anten cho đồ thị bức xạ
broadside khá tốt với độ lợi chấp nhận được. Thiết kế
anten đề xuất cịn có cấu hình thấp, hứa hẹn cho các

ISBN: 978-604-80-5076-4

[11]

[12]
[13]

175

N. Ojaroudi Parchin, H. Jahanbakhsh Basherlou, Y. I. AlYasir, R. A. Abd-Alhameed, A. M. Abdulkhaleq, and J. M.
Noras, “Recent developments of reconfigurable antennas for
current and future wireless communication systems,”
Electronics, vol. 8, no. 2, p. 128, 2019.
N. Ojaroudi Parchin, H. Jahanbakhsh Basherlou, Y. I. AlYasir, A. M Abdulkhaleq, and R. A Abd-Alhameed,
“Reconfigurable antennas: Switching techniques—a survey,”
Electronics, vol. 9, no. 2, p. 336, 2020.
N. Behdad and K. Sarabandi, “A varactor-tuned dual-band slot
antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
vol. 54, no. 2, pp. 401–408, 2006.
A. Mansoul, F. Ghanem, M. R. Hamid, and M. Trabelsi, “A
selective frequency-reconfigurable antenna for cognitive radio
applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation
Letters, vol. 13, pp. 515–518, 2014.
X. Zhang, M. Tian, A. Zhan, Z. Liu, and H. Liu, “A frequency
reconfigurable antenna for multiband mobile handset
applications,” International Journal of RF and Microwave
Computer-Aided Engineering, vol. 27, no. 9, p. e21143, 2017.
H. Nachouane, A. Najid, F. Riouch, and A. Tribak,
“Electronically reconfigurable filtenna for cognitive radios,”
Microwave and Optical Technology Letters, vol. 59, no. 2, pp.
399–404, 2017.
L.-Y. Ji, P.-Y. Qin, Y. J. Guo, C. Ding, G. Fu, and S.-X. Gong,

“A wideband polarization reconfigurable antenna with
partially reflective surface,” IEEE Transactions on Antennas
and Propagation, vol. 64, no. 10, pp. 4534–4538, 2016.
K. Saraswat and A. Harish, “A polarization reconfigurable
cpw fed monopole antenna with l-shaped parasitic element,”
International Journal of RF and Microwave Computer-Aided
Engineering, vol. 28, no. 6, p. e21285, 2018.
T. Zhang, S.-Y. Yao, and Y. Wang, “Design of radiationpattern reconfigurable antenna with four beams,” IEEE
Antennas and wireless propagation letters, vol. 14, pp. 183–
186, 2014.
Sharma, S. and C. C. Tripathi, “Wideband to concurrent triband frequency reconfigurable microstrip patch antenna for
wireless communication,” Int. Journal of Microwave and
Wireless Tech., 1–10, 2016.
W.-S. Chen, C.-K. Wu, and K.-L. Wong, “Novel compact
circularly polarized square microstrip antenna,” IEEE
Transactions on Antennas and propagation, vol. 49, no. 3, pp.
340–342, 2001.
C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 4th ed.
John Wiley & Sons. 7 2016
K. Ozenc, M. E. Aydemir, and A. Öncü, “Design of a 1.26
Ghz high gain microstrip patch antenna using double layer
with airgap for satellite reconnaissance,” in 2013 6th
International Conference on Recent Advances in Space
Technologies (RAST). IEEE, 2013, pp. 499– 504.