Anten đa băng tái cấu hình theo tần số cho các ứng dụng WSN / Wi - Fi / WIMAX / LTE / 5G trong các thiết bị đầu cuối IoT

hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot. Trong thiết kế này, chỉ với duy nhất một PIN diot cho chuyển mạch hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình đề xuất có thể hoạt động lên đến 8 băng tần bao gồm 0.897-0.937 GHz, 1.75-1.84 GHz, 2.34-2.58 GHz, 2.38-2.93 GHz, 3.17-3.49 GHz, 4.63-5.38 GHz, 5.28-5.8 GHz và 7.88-8.53 GHz với băng thông thay đổi từ băng hẹp cho các ứng dụng NB-IoT như Z-Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth đến băng rộng cho các ứng dụng 5G IoT như WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần dưới 10GHz. Bên cạnh đó, nhờ việc sử dụng cấu trúc bức xạ độc đáo kết hợp từ cấu trúc vòng ring và cấu trúc hình trăng khuyết, anten giảm nhỏ đến 78.34% so với kích thước của anten ring lý thuyết, đạt kích thước tổng thể là 30 x 30 x 1.6 mm 3 , phù hợp cho phần lớn các thiết bị đầu cuối IoT cố định cũng như di động. Keywords-Anten tái cấu hình, IoT, PIN diot I. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, kỷ nguyên mới với vạn vật kết nối Internet (IoT) đã tạo ra những thay đổi mạnh mẽ trong đời sống xã hội. IoTcó thể kết nối mọi đối tượng với Internet thông qua hệ thống cảm biến không dây và trao đổi dữ liệu đó thông qua các hạ tầng truyền thông khác nhau. Các sự kết nối khác nhau này đòi hỏi thiết bị IoT phải hoạt động tại các công nghệ truyền thông khác nhau với các băng tần khác nhau [1]. Chính vì thế, để có thể không gia tăng kích thước thiết bị đầu cuối IoT cũng như nâng cao độ linh động của thiết bị, đáp ứng cho nhiều chuẩn công nghệ truyền thông IoT khác nhau, anten có kích thước nhỏ gọn, hoạt động đa băng tần cho đa công nghệ IoT là nhu cầu cấp thiết [2]. Trong bối cảnh này, anten tái cấu hình với khả năng hoạt động đa băng, có thể điều chỉnh tần số hoạt động theo chuẩn truyền thông mong muốn đã, đang và vẫn ngày càng thu hút thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước [3]. Chỉ riêng trong năm 2018-2019, một số lượng không nhỏ các nghiên cứu về anten tái cấu hình đa băng đã được công bố trên các tạp chí khoa học có uy tín trên thế giới [3-10]. Trong [4], Tayyaba Khan và các cộng sự đã đề xuất một anten đa băng tái cấu hình theo tần số cho ứng dụng không dây sử dụng bốn diot để tái cấu hình cho bốn trạng thái khác nhau. Tuy nhiên có sự lặp lại tần số hoạt động khi chuyển từ cấu hình này sang cấu hình khác, cụ thể là các tần số 2.7 GHz, 4.1 GHz và 5.4 GHz. Bên cạnh đó, việc sử dụng đến bốn diot PIN trong thiết kế sẽ làm tăng chi phí của anten và đòi hỏi sơ đồ mạch cũng như mạng lưới điều khiển rất phức tạp [3]. Cùng với đó, anten đề xuất có kích thước tổng thể khá lớn, đạt 40x 60 x 1.6mm 3 tại tần số cộng hưởng thấp nhất 2.7 GHz. Một anten tái cấu hình đa băng khác đã được Jayendra Kumar và các cộng sự đề xuất trong [5], anten thay đổi sáu cấu hình hoạt động bằng cách sử dụng ba PIN diot. Tuy nhiên, giống như mẫu anten của Tayyaba Khan, băng tần hoạt động của anten này bị lặp lại ở các cấu hình khác nhau dẫn đến số lượng băng tần hoạt động bị hạn chế, cụ thể có sáu trạng thái nhưng chỉ tồn tại có năm băng tần hoạt động. Trong [7], A Vamseekrishna đã đề xuất một anten đa băng tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho các cảm biến. Với 2 diot, chuyển mạch cho 4 trạng thái, anten có thể hoạt động tại 8 dải tần khác nhau 1.57–2.15 GHz, 2.13-3.0 GHz, 3.17-3.43 GHz, 5.25.8 GHz, 6.3-6.78 GHz, 8.31-8.90 GHz, 9.04-9.58 GHz và 12.03-13.14 GHz. Tuy nhiên kích thước anten khá lớn, đạt 135x77mm2, khó ứng dụng trong các thiết bị cảm biến không dây. Trong bài báo này, một cấu trúc anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diot được đề xuất. Chỉ với duy nhất một PIN diot cho chuyển mạch ở hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình có thể hoạt động lên đến 8 băng tần bao gồm các băng 900MHz, 1.8 GHz, 2.4 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz, 5 GHz, 5.5 GHz và 8.2 GHz là những băng tần chủ đạo cho ứng dụng NB-IoT như Z-Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth cũng như ứng dụng 5G IoT như WiFi, Wimax, LTE, 5G băng tần dưới 10GHz. Bên cạnh đó, với cấu trúc bức xạ độc đáo kết hợp từ cấu trúc vòng ring và cấu trúc hình trăng khuyết, anten giảm đã giảm nhỏ đến 78.34% so với kích thước của anten lí thuyết, đạt kích thước tổng thể là 30x30x1.6mm3, tại tần số cộng hưởng thấp nhất 900MHz. Kích thước này có thể phù hợp cho phần lớn các thiết bị đầu cuối IoT trong các hệ thống cảm biến không dây hay điểm truy cập, thu gom lưu lượng trong hệ thống mạng truyền tải không dây IoT. II. THIẾT KẾ ANTEN II.1. Cấu trúc bức xạ phức hợp ring và trăng khuyết Hình 1 thể hiện cấu trúc hình học của anten đề xuất. Có thể thấy anten bao gồm ba phần: Miếng patch bức xạ phía trên, mặt phẳng đất khuyết ở dưới cùng cho phép anten bức xạ cả hai phía trên dưới của chất nền và lớp chất nền bên trong được tạo thành từ vật liệu epoxy-FR4 có độ dày 1.6mm,  đạt 4.4 và 132 độ tổn hao losstangent 0.02. Anten được cấp điện bằng một đường vi dải với chiều dài 5.5 mm, chiều rộng 2mm, chân đường vi dải được thiết kế rộng ra để phối hợp trở kháng sao cho đạt 50. Phần tử bức xạ của anten là một cấu trúc phức hợp bao gồm hai phần: vòng ring bao ngoài và hình trăng khuyết nằm bên trong ring. Đường kính trong và ngoài của vòng ring lần lượt là 20.6mm và 18.4 mm. Hình trăng khuyết được tạo thành nhờ hai hình tròn có đường kính lần lượt là 8.1 mm và 6.6 mm, tâm của chúng cách nhau một khoảng 2mm về phía bên phải của đường vi dải. Cả hai được kết nối với nhau bởi một PIN diot. Chi tiết về kích thước của anten được mô tả trong Bảng I. (a) (b) Hình 1: Cấu trúc của anten. (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới. Anten được thiết kế với tính toán thô dựa trên hàm Bassel bậc n cho anten có bức xạ tròn [12] kết hợp với tối ưu hóa bằng phần mềm CST [13]. Ở chế độ TMnm, tần số cộng hưởng của anten được xác định theo Công thức 1: 𝑓𝑛𝑚 = 𝑋𝑛𝑚 𝑐 2𝜋𝑎𝑒 𝜖𝑟 (1) Trong đó, để anten đạt kích thước nhỏ nhất, chế độ n=1, m=1 được lựa chọn với X11= 1.84118 [12], 𝑐 là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do, 𝜖𝑟 là hằng số điện môi của chất nền, 𝑎𝑒 là bán kính hiệu quả của vòng ring được xác định theo Công thức (2): 𝑎𝑒 = 𝑎 1 + 2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟 𝑙𝑛 𝜋𝑎 2ℎ + 1.7726 1 2 (2) với 𝑎 là bán kính vòng ring và ℎ là độ dày của chất nền. Biểu thức này cho kết quả tương đối chính xác với xác suất lỗi nhỏ hơn 2.5% khi 𝑎 ℎ ≫ 1. BẢNG I. THAM SỐ CỦA ANTEN Tham số Kích thước (mm) Tham số Kích thước (mm) d1 2 dr1 1.1 d2 4.5 L 30 d3 1 R1 10.2 d4 1 R2 8.1 d5 2 R3 6.6 d6 2.9 W 30 d7 3 II.2. Phân tích chuyển mạch PIN diot Để tạo ra anten tái cấu hình theo tần số, ở điểm nối giữa vòng ring và hình trăng khuyết, kiến trúc đề xuất sử dụng duy nhất một PIN diot cho việc bật hoặc ngắt dòng điện. Trong bài báo này, Điốt PIN BAP65-02 [14] được chọn do dễ dàng sử dụng và có chi phí thấp, chúng được dùng để kết nối hai phần tử bức xạ như trong Hình 2. Như vậy, với việc sử dụng duy nhất một phần tử chuyển mạch, anten đề xuất có thể được tái cấu hình theo 2 trạng thái với hai phần tử bức xạ có hình dáng và chiều dài điện khác nhau, do đó, có thể chuyển đổi được từ bốn băng tần đang hoạt động sang bốn băng tần khác. Hình 2: Vị trí đặt PIN diot Điều kiện BẬT và TẮT của điốt được trình bày trong Hình 3.Trạng thái BẬT được thực hiện bởi điện trở nối tiếp với cuộn cảm và trạng thái TẮT được thực hiện bởi điện trở mắc song song với tụ điện sau đó nối tiếp với cuộn cảm. Các giá trị 133 R, L, C của điốt PIN trong cả hai điều kiện BẬT và TẮT được thể hiện trong Bảng II. (a) (b) Hình 3: Sơ đồ tương đương của điốt PIN ở trạng thái: (a) BẬT, (b) TẮT. BẢNG II. THAM SỐ CỦA ĐIỐT PIN Tham số L 𝐶𝑇 𝑅𝑆 𝑅𝑃 Giá trị 0.6nH 0.5pF 1Ω 20𝑘Ω III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Trong phần này, kết quả mô phỏng của anten được thực hiện trên phần mềm CST MICROWAVE STUDIO bao gồm các tham số tán xạ S11 trong các trạng thái khác nhau của chuyển chuyển mạch sử dụng diot PIN cùng với giản đồ bức xạ 2D tại các tần số cộng hưởng. Hình 4: Kết quả mô phỏng tham số S11-Parameters của anten đề xuất Kết quả mô phỏng của tham số S11 cho so sánh hai trường hợp bật và tắt của anten được đưa ra trong Hình 4. Có thể thấy rất rõ hai cấu hình của anten cho 8 tần số hoạt động khác nhau tại 0.9 GHz, 1.8 GHz, 2.4 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz, 5 GHz, 5.5 GHz và 8.2 GHz. Bên cạnh đó, các băng tần hoạt động trong các trạng thái chuyển mạch khác nhau là hoàn toàn độc lập và khác biệt. Tại cấu hình 1 tương ứng với trạng thái diot tắt, anten đề xuất cộng hưởng tại 4 băng 2.4GHz, 3.3GHz, 5.5GHz và 8.2GHz trong khi đó tại cấu hình 2 tương ứng với trạng thái diot bật, anten cộng hưởng tại 4 băng 900MHz, 1.8GHz, 2.6GHz và 5GHz. Chi tiết đặc điểm của từng trạng thái sẽ được phân tích kỹ trong phần dưới đây. III.1. Cấu hình S1 (Diot-Tắt) Với cấu hình S1 (Diot-Tắt) bề mặt bức xạ của anten bao gồm đường tiếp điện vi dải và vòng ring bao ngoài. Khi đó, anten hoạt động ở bốn tần số cộng hưởng 2.45 GHz, 3.3 GHz, 5.5 GHz và 8.2 GHz với độ rộng băng thông lần lượt là 240MHz (9.8%), 320MHz (9.7%), 520MHz (9.4%) và 650MHz (7.8%) với suy hao phản hồi tương ứng -24dB, - 15dB, -30dB và -12dB. Kết quả trên cho thấy anten có thể bao phủ tất cả băng tần cho các ứng dụng như: 2345MHz- 2360MHz và 3300MHz-3400MHz cho Wi-Max; 2400MHz- 2484MHz cho Bluetooth, Zigbeevà Wi-Fi; 3300MHz- 3400MHz cho TD-LTE. Đồ thị tham số S11-parameters của cấu hình S1 được trình bày trong Hình 5 và đồ thị bức xạ 2D được đưa ra trong Hình 6. Bảng III sẽ tóm tắt kết quả của cấu hình này. Hình 5: Đồ thị tham số S11-Parameters (a) Tại tần số 2.4 GHz (b) Tại tần số 3.3 GHz 134 (c) Tại tần số 5.5 GHz (d) Tại tần số 8.2 GHz Hình 6: Đồ thị bức xạ 2D tại cấu hình S1 Bảng III. Tóm tắt kết quả của cấu hình S1 Tần số cộng hưởng (GHz) 2.4 3.3 5.5 8.2 Tổn hao phản hồi (dB) -24 -15 -30 -12 Độ rộng băng thông (MHz) 240 (9.8%) 320 (9.7%) 520 (9.4%) 650 (7.8%) Hệ số tính hướng (dBi) 2.648 2.513 3.67 5.23 Ứng dụng Wi-Fi, Zigbee, Bluetoot h, Z- Wave, Wi-Max LD- LTE, Wi- Max WLAN Vệ tinh băng X III.2. Cấu hình S2 (Diot-Bật) Với cấu hình S2 (Diot-Bật) bề mặt bức xạ của anten bao gồm đường tiếp điện vi dải và vòng ring bao ngoài kết nối với hình trăng khuyết nằm bên trong qua PIN diot. Khi đó, anten hoạt động ở bốn tần số cộng hưởng 0.92 GHz, 1.8 GHz, 2.6 GHz và 5 GHz với độ rộng băng thông lần lượt là 40MHz (4,3%), 90MHz (5%), 550MHz (21%) và 750 MHz (15%) với suy hao phản hồi tương ứng là -30dB, -15dB, -22dB và -23dB. Kết quả trên cho thấy anten có thể bao phủ hầu hết các băng tần như: 906MHz và 2400MHz for Z-Wave; 920.4-921.8 MHz cho IoT; LTE 1800MHz; 900MHz và 2600MHz cho LTE- Advanced; 5000MHz cho 802.11 a, b, g, n, ac. Đồ thị tham số S11 được trình bày trong Hình 7 và đồ thị bức xạ 2D được đưa ra trong Hình 8. Kết quả của cấu hình này sẽ được tóm tắt trong Bảng IV. Hình 7: Đồ thị tham số S11-Parameters (a) Tại tần số 900MHz (b) Tại tần số 1.8 GHz 135 (c) Tại tần số 2.6 GHz (d) Tại tần số 5 GHz Hình 8: Đồ thị bức xạ 2D tại cấu hình S2 Bảng IV. Tóm tắt kết quả của cấu hình S2 Tần số cộng hưởng (GHz) 0.9 1.8 2.6 5 Tổn hao phản hồi (dB) -30 -15 -22 -23 Độ rộng băng thông (MHz) 40 (4.3%) 90 (5%) 550 (21%) 750 (15%) Hệ số tính hướng (dBi) 1.9 2.5 2.75 3.62 Ứng dụng Z- Wave, LTE-A. LTE LTE- A. WLAN, Wi-Fi Anten đề xuất được so sánh với một số thiết kế anten tái cấu hình đa băng đã công bố trong thời gian gần đây. Từ Bảng V có thể dễ dàng nhận thấy, phần lớn các mẫu anten tái cấu hình đa băng đều không kết hợp được băng tần dưới GHz (sub- GHz)[4], [5]-[11] cho dù đây là băng tần rất phổ dụng trong truyền thông, đặc biệt là cho các ứng dụng cảm biến IoT. Bên cạnh đó, để có thể tái cấu hình theo các tần số khác nhau, kích thước tổng thể cũng như bức của xạ của các anten tái cấu hình theo tần số đã công bố tương đối lớn, lớn hơn 1600mm2 tại các băng tần GHz. Đặc biệt trong [7], anten có kích thước lên đến 10395mm 2 với băng tần hoạt động thấp nhất là 1.57-2.15GHz. Bảng V: So sánh mẫu anten đề xuất với những công bố anten tái cấu hình đa băng gần đây Tham khảo Diện tích (𝐦𝐦𝟐) Chất nền Chiều cao (mm) Số lượng băng tần Số lượng chuyển mạch/ cấu hình Tần số hoạt động (GHz) [4] 2400 FR4 1.6 12 4/4 2.7; 4.1; 4.2; 4.4; 5.4; 6.6; 6.9; 8.1; 8.4; 8.6; 8.8; 9.4 [5] 2500 FR4 3.2 5 3/6 0.85/0.9; 1.6; 1.7; 1.8; 2.4 [7] 10395 RO5880 0.6 8 2/4 1.57-2.15;2.13-3.0;3.17-3.43; 5.2- 5.8;6.3-6.78;8.31-8.90;9.04-9.58;12- 13.14 [8] 2500 FR4 1.6 4 2/4 4.5; 3.5; 2.4; 1.8 [9] 1739 FR4 1.6 12 3/8 1.36; 1.8; 3; 3.9; 5; 6.2; 6.4; 7.4; 7.9; 8.2; 8.4; 8.6 [10] 1800 FR4 1.6 4 4/5 1.8; 2.4; 3.5; 5.2 [11] 1600 FR4 1.6 6 4/5 2.82-10.9; 5.02-5.96; 3.23-3.82; 2.23- 2.78; 2.04-2.82; 5.04-5.85 Mẫu anten đề xuất 900 FR4 1.6 8 1/2 0.9; 1.8; 2.4; 2.6; 3.3; 5; 5.5; 8.2 136 Mẫu anten đề xuất trong bài báo này không những tạo ra hoạt động đa băng cho các ứng dụng băng rộng trong IoT như băng 2.4GHz, 2.6Ghz, 5GHz mà còn kết hợp được cả băng tần dưới GHz, băng 900MHz cho các hệ thống cảm biến hiện nay như Z-wave, ZigBee. Không những thế, anten đề xuất còn có cấu trúc nhỏ nhất với diện tích đạt 900mm2, bằng 36% diện tích anten có cùng tần số sub-GHz [5] và bằng 18% khi so sánh kích thước tổng thể. IV. KẾT LUẬN Trong bài báo này, anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch diot PIN để thay đổi hình dáng bức xạ dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng được đề xuất. Chỉ sử dụng duy nhất một PIN diot cho hai trạng thái nhưng anten có đến 8 tần số hoạt động khác nhau cho các ứng dụng từ băng hẹp như: Z- Wave, ZigBee, RFID, Bluetooth đến băng rộng cho các ứng dụng 5G IoT như WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần dưới 10 GHz, vệ tinh băng tần X. Bên cạnh đó, với kích thước nhỏ gọn 30 x 30 x 1.6 mm3 anten có thể phù hợp cho phần lớn các thiết bị đầu cuối IoT cố định cũng như di động. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ala Al-Fuqaha, Mohsen Guizani, Mehdi Mohammadi, Mohammed Aledhari and Moussa Ayyash, “Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications,” IEEE Communications Surveys &Tutorials, vol. 17, Issue. 4, fourth quarter 2015, pp. 2347-2376, June 2015. [2] Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Tuan Ngoc, Forest Zhu, Diep N. Nguyen, Eryk Dutkiewicz, Vu Van Yem, “Quad-Band Antenna for GSM/WSM/WLAN/LTE-A Application in IoT Devices,” 2017 17th International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT) [3] Naser Ojaroudi Parchin, Haleh Jahanbakhsh Basherlou, Yasir I. A. Al- Yasir, Raed A. Abd-Alhameed, Ahmed M. Abdulkhaleq and James M. Noras, “ Recent Developments of Reconfigurable Antennas for Current and Future Wireless Communication Systems,” Electronics 2019, 26 January 2019. [4] Tayyaba Khan, MuhibUr Rahman, Adeel Akram, Yasar Amin and Hannu Tenhunen, “A Low-Cost CPW-Fed Muntiband Frequency Reconfigurable Antenna for Wireless Applications,” Electronics 2019, 14 August 2019. [5] Jayendra Kumar, Banani Basu, Fazal Ahmed Talukdar, Arnab Nandi, “Stable-multiband frequency reconfigurable antenna with improved radiation efficiency and increased number of muntiband operations,” IET Microwave, Antennas & Propagation, vol. 13, Iss.5, pp. 642-648, 28th February 2019. [6] Ajay Yadav, Minakshi Tewari, and Rajendra P. Yadav, “Pixed Shape Ground Inspired Frequency Reconfigurable Antenna,” Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 89, 75-85, 2019. [7] A Vamseekrishna, B T P Madhav, T Anilkumar, L S S Reddy, “An IoT controlled octahedron frequency reconfigurable multiband antenna for microwavesensing applications,” IEEE Sensors Letters, vol. 2(3), 2019. [8] V. Arun and L.R. Karl Marx, “Internet of Things Controlled Reconfigurable Antenna for RF Harvesting,”, Defence Science Journal, vol. 68, pp. 566-571, No. 6, November 2018. [9] M. Jenath Sathikbasha and V.Nagarajan, “DGS based Multiband Frequency Reconfigurable Antenna for Wireless Applications,” International Conference on Communication and Signal Processing, April 4-6, 2019, India. [10] Saffrine Kingsly, Deepa Thangarasu, Malathi Kanagasabai, Senior Member, IEEE, M. Gulam Nabi Alsath, Member, IEEE, T. Rama Rao, P. Sandeep Kumar, Yogeshwari Panneer Selvam, Sangeetha Subbaraj, Padmathilagam Sambandam, “Multiband Reconfigurable Filtering Monopole Antenna for Cognitive Radio Applications,:” DOI 10.1109/LAWP.2018.2848702, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2018. [11] Hamid Boudaghi, Mohammadnaghi Azarmanesh, and Mehdi Mehranpour, “A Frequency-Reconfigurable Monopole Antenna Using Switchable Slotted Ground Structure,” IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 11, 2012. [12] Ramesh Grag, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, “Microstrip Antenna Design Handbook,” Artech House Antennas and Propagation Library, 2001. [13] CST MICROWAVE STUDIO® 2016 – Workflow and Solver Overview. [14] BAP65-02 Datasheet-E-Tech Electronics LTD. 137