Anten PIFA tái cấu hình theo tần số
sử dụng nguyên lý siêu vật liệu ứng dụng cho thông
tin vô tuyến nhận thức
Hoàng Thị Phương Thảo, Phạm Duy Phong
Khoa Điện tử Viễn thơng, Trường Đại học Điện lực, Số 235 Hồng Quốc Việt, Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam
,
Tóm tắt - Bài báo đề xuất một cấu trúc anten PIFA tái
cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch PIN diode
nhằm tạo ra hai cấu hình có thể ứng dụng trong các thiết
bị đầu cuối. Để giảm nhỏ kích thước của anten PIFA tái
cấu hình theo tần số, cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất
được cải tiến bằng cách ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu ở
mặt phẳng bức xạ. Anten đề xuất tích hợp cấu trúc CSRR
có thể hoạt động ở hai cấu hình tần số khác nhau, 1,9 GHz
và 2,1 GHz, với hệ số tăng ích cực đại lần lượt là 2,07 dBi
và 2,18 dBi. Với việc tích hợp cấu trúc CSRR, kích thước
của anten được giảm 15,5% so với kích thước cấu trúc
anten ban đầu. Anten có thể ứng dụng cho LTE 1,9 GHz
và 2,1 GHz hoặc trong thông tin vô tuyến nhận thức.
Keywords— Anten tái cấu hình, PIFA tái cấu hình, siêu vật liệu,
CSRR.

I. GIỚI THIỆU
Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn luôn thay đổi,
các thiết bị thu phát cần có khả năng thay đổi các tham số
nhằm thích nghi với mơi 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. Vơ 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, thích nghi với sự thay đổi

của môi trường kênh vô tuyến và đã nhận được sự chú ý ngày
càng cao trong những năm gần đây. Trong hệ thống thông tin
vô tuyến nhận thức, anten tái cấu hình theo tần số là một thành
phần không thể thiếu [1]. Khái niệm anten tái cấu hình theo
tần số ra đời từ lâu với khả năng anten tự thay đổi tần số cộng
hưởng. Việc tái cấu hình có thể được thực hiện bằng nhiều kỹ
thuật khác nhau như sử dụng các chuyển mạch điện tử gồm
RF-MEMs (Micro-Electro-Mechanical), PIN điốt, điốt biến
dung, sử dụng chuyển mạch quang [2]... Trong đó, điốt PIN
được sử dụng phổ biến hơn cả bởi giá thành rẻ, tốc độ chuyển
mạch cao [3]. Mặc dù các nghiên cứu về anten tái cấu hình đã
đạt được nhiều thành tựu đáng kể [3], [4], [5], [6]–[8], các nhà
nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn tiếp tục nghiên cứu về
anten tái cấu hình nhằm đề xuất các kỹ thuật tái cấu hình, các
cấu trúc anten tái cấu hình mới nhằm cải thiện các tham số của
anten, chẳng hạn như tăng hiệu suất bức xạ, cải thiện băng
thơng và đặc biệt là giảm nhỏ kích thước của anten cho ứng
dụng cho các thiết bị đầu cuối. Vấn đề giảm nhỏ kích thước
cho anten nói chung, khơng chỉ riêng anten tái cấu hình theo

tần số, cũng đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới hết
sức quan tâm.
Anten tái cấu hình được thiết kế đều bắt nguồn từ các cấu
trúc anten truyền thống như anten hình nơ [9], anten đơn cực
[10], [11], anten xoắn ốc [12], anten PIFA (Planar Inverted-F
Antenna) [13]... Trong đó, để ứng dụng cho thiết bị đầu cuối
thì anten PIFA được sử dụng phổ biến nhất bởi các ưu điểm
của nó gồm cấu trúc gọn nhẹ, chi phí thấp, hệ số hấp thụ đặc
trưng SAR (Special Absolution Rate) thấp [14]. Đã có nhiều
cơng trình nghiên cứu về anten PIFA tái cấu hình theo tần số

ứng dụng cho các thiết bị cầm tay [13]–[15]. Các công trình
cơng bố có kích thước khá nhỏ gọn nhưng khơng sử dụng
nguyên lý siêu vật liệu. Áp dụng nguyên lý siêu vật liệu để
giảm kích thước cho anten nói chung và anten tái cấu hình nói
riêng đã được nghiên cứu từ vài năm gần đây [11], [16]–[18].
Tuy nhiên, theo khảo sát của tác giả thì chưa thấy cơng trình
nghiên cứu về việc giảm nhỏ kích thước cho anten PIFA tái
cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu.
Bài báo này sẽ đề xuất một anten PIFA tái cấu hình theo tần
số hai cấu hình với tần số cộng hưởng ở mỗi cấu hình lần lượt
là 2,1 GHz và 2,4 GHZ, có thể ứng dụng được cho LTE 2,1
GHz và WiFi. Hệ số tăng ích cực đại của anten đạt 2,41 dBi
và 3,87 dBi ở hai cấu hình. Anten có kích thước tổng gồm cả
mặt phẳng đất là 38 𝑚𝑚 × 38 𝑚𝑚 × 5 𝑚𝑚 và kích thước
phần tử bức xạ 24 𝑚𝑚 × 28 𝑚𝑚. Dựa trên cấu trúc này, một
cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số ứng dụng nguyên
lý siêu vật liệu, cụ thể là cấu trúc CSRR (Complementary
Split Ring Resonator), được thiết kế cho ứng dụng LTE 1,9
GHz và 2,1 GHz hoặc cho thơng tin vơ tuyến nhận thức trong
khi kích thước tổng của anten khơng thay đổi. Hay nói cách
khác, kích thước của anten giảm được 15,5 % so với cấu trúc
anten cùng tần số này khi không sử dụng cấu trúc nguyên lý
siêu vật liệu. Anten tái cấu hình theo tần số được tích hợp cấu
trúc CSRR có kích thước nhỏ gọn trong lúc vẫn đạt hệ số tăng
ích 2,07 dBi ở cấu hình tần số 1,9 GHz và 2,18 dBi ở cấu hình
tần số 2,1 GHz. Khi tần số thay đổi giữa hai cấu hình, dạng đồ
thị bức xạ của anten gần như không thay đổi.
Các phần sau của bài báo như sau: phần II sẽ trình bày về
thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo tần số sử dụng điốt PIN
và cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo tần số được cải tiến

bằng cách sử dụng cấu trúc CSRR; cuối cùng là phần kết luận
của bài báo.

235


cực. Điốt được sử dụng trong thiết kế này là SMP1345 PIN,
có dải tần hoạt động từ 10 MHz đến 6 GHz, hoàn toàn phù
hợp tần số thiết kế và có sơ đồ mạch tương đương như ở hình
2. Việc mô phỏng được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa
CST Microwave Studio và CST Design để khảo sát được cả
ảnh các tham số của điốt ảnh hưởng đến hoạt động của anten.

II. THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH SỬ DỤNG
CHUYỂN MẠCH DÙNG ĐIỐT PIN
II.1. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điốt
PIN

(a)

(b)

Hình 2: Sơ đồ tương đương của điốt ở trạng thái:
(a) ON (bật), (b) OFF (ngắt)

(b)

|S11|

(a)


(c)
Hình 1. Cấu trúc của anten RPIFA. (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới, (c) 3D.

Đầu tiên, anten PIFA hoạt động ở tần số cố định 2,4 GHz.
Kích thước tổng của anten được tính tốn theo cơng thức (1)
và sau đó được tối ưu bằng phần mềm CST.
[4]:
𝑐
𝑓𝑟 =
(1)
4(𝑊+𝐿)

trong đó:
fr là tần số cộng hưởng ở 2,4 GHz (Hz)
c: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do (m/s)
W, L: lần lượt là chiều rộng và dài của phần tử bức
xạ (m)
Anten dựa trên cấu trúc PIFA truyền thống, anten bao gồm
mặt phẳng đất và mặt phẳng bức xạ có kích thước 24 ×
2 8 𝑚𝑚 ở trên lớp đế điện môi Rogers RT5880 với  = 2,2,
chiều dày đế điện ℎsub= 0,8 𝑚𝑚. Mặt phẳng đất có kích thước
là 38 × 38 𝑚𝑚 2 với độ cao của anten là 5 𝑚𝑚. Giữa mặt
phẳng bức xạ và mặt phẳng đất được nối với nhau bởi tấm
kim loại ngắn mạch.
Tiếp theo, để tạo ra anten PIFA tái cấu hình theo tần số, ở
mặt phẳng đất được xẻ rãnh. Rãnh ở mặt phẳng đất được nối
hoặc ngắt thông qua duy nhất một chuyển mạch điốt PIN. Cấu
trúc của anten tái cấu hình đề xuất như ở hình 1.
Anten tái cấu hình theo tần số bằng cách thay đổi trạng thái

cảu chuyển mạch điốt ON hoặc OFF. Trạng thái của điốt được
điều khiển bằng một nguồn 1 chiều bên ngoài anten. Điốt
được tích hợp ngay cạnh của mặt phẳng đất để nguồn cung
cấp, mạch phân cực cho điốt ảnh hưởng ít nhất đến sự hoạt
động của anten. Cực anote của điốt nối với mặt phẳng đất
thông qua một tụ điện C nhằm ngăn dịng một chiều giữa hai

Tần số (GHz)
Hình 3. Kết quả mô phỏng tham số |S11| của anten tái cấu hình tần số sử dụng

Bằng cách sử dụng một điốt, anten có thể hoạt động ở hai
trạng thái khác nhau phụ thuộc vào trạng thái của điốt. Khi
điốt ở trạng thái ON, tần số cộng hưởng của anten gần như tần
số của anten truyền thống ban đầu thiết kế khi chưa xẻ rãnh.
Khi điốt ở trạng thái OFF, tần số cộng hưởng của anten được
dịch xuống do khe xẻ rãnh làm tăng chiều dài điện của anten.
Kết quả mô phỏng tham số S11 được biểu diễn trên hình 3. Từ
đồ thị ở hình 3 cho thấy, anten có thể hoạt động ở cấu hình với
hai tần số cộng hưởng khác nhau. Khi điốt ở trạng thái ON,
anten cộng hưởng ở tần số trung tâm 2,45 GHz với băng thông
đạt được 250 Mz (từ 2,37 GHz đến 2,52 GHz). Ở trạng thái
thứ 2, khi điốt OFF, anten chuyển sang cấu hình tần số 2,1
GHz với băng thông đạt được hơn 100 MHz (từ 2,03 GHz đến
2,13 GHz). Băng thông của anten được tính với tham số |S11| <
-10 dB. Hình 4 và hình 5 biểu diễn kết quả mơ phỏng đồ thị
bức xạ 3D và 2D ở mặt phẳng XZ và YZ của anten ở hai cấu
hình khác nhau. Từ kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten
cho thấy, ở cả hai cấu hình, đồ thị bức xạ gần như khơng thay
đổi. Hệ số tăng ích cực đại của hai cấu hình cao, đạt 2,41 dBi
ở tần số 2,1 GHz và 3,87 dBi ở tần số 2,4 GHz.


236


Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất sử dụng cấu trúc CSRR
với mặt phẳng bức xạ như ở hình 7. Tần số cộng hưởng được
cho bởi công thức (2) [1].
𝑓0 =

1
2𝜋√𝐿𝑟 𝐶𝑟

(2)

trong đó, 𝐶𝑟 đặc trưng bởi mặt kim loại được bao quanh bởi
lớp đất, độ tự cảm 𝐿𝑟 được tính tốn tương đương với 1 cấu
trúc CPW với kích thước 4𝑎, độ rộng băng 𝑔 và độ rộng khe
𝑐. Tuy nhiên, việc tính tốn theo cơng thức trên sẽ rất phúc tạp.
Kích thước tổng của anten khơng thay đổi và các kích thước
hình học của CSRR được tối ưu bằng phần mềm CST với tần
số cộng hưởng được chọn xấp xỉ 2 GHz, ứng dụng được cho
cả hai cấu hình tần số 1,9 GHz và 2,1 GHz. Kích thước hình
học của cấu trúc CSRR với các giá trị như sau: 𝑎 =
18 𝑚𝑚, 𝑏 = 8 𝑚𝑚, 𝑐 = 1 𝑚𝑚, 𝑑 = 1 𝑚𝑚, 𝑔 = 1 𝑚𝑚.
Anten cũng sử dụng duy nhất một chuyển mạch điốt để tái cấu
hình tần số.

Hình 4: Kết quả mơ phỏng đồ thị bức xạ 3D và 2 D (mặt phẳng XY và
XZ) ở tần số f= 2,1 GHz


(Mặt phẳng đất)

Hình 5: Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ 3D và 2 D (mặt phẳng XY và
XZ) ở tần số f= 2,4 GHz

II.2. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật
liệu
Anten tái cấu hình đề xuất ở trên đạt được hai cấu
hình tần số hoạt động với hệ số tăng ích tương đối tốt. Tuy
nhiên, kích thước của anten so với các cơng trình đã cơng bố
vẫn cịn lớn khi ứng dụng cho các thiết bị đầu cuối. Để tiếp
tục giảm kích thước cho anten trên, một cấu trúc theo nguyên
lý siêu vật liệu được áp dụng vào anten để giảm kích thước.
Hay nói cách khác, phần này tiếp tục đề xuất một cấu trúc
anten tái cấu hình ứng dụng nguyên lý siêu vật liệu với kích
thước tổng như anten đề xuất ở phần I.1, trong đó tần số cộng
hưởng được giảm từ 2,1 GHz và 2,4 GHz xuống để ứng dụng
cho LTE 1,9 GHz và 2,1 GHz. Điều này tương đương với kích
thước anten được giảm 15,5%.
Mặt phẳng bức xạ của anten được đề xuất ở trên
được chèn các cấu trúc CSRR hay còn gọi là vịng chia cộng
hưởng có khe rãnh như hình 6 .

b

(a)

(b)

Hình 6: (a) Cấu trúc CSRR và (b) sơ đồ tương đương [1]


Hình 7. Mặt phẳng bức xạ của anten PIFA tái cấu hình sử
dụng nguyên lý siêu vật liệu
Kết quả mô phỏng tham số |S11| được biểu diễn trên hình 8
cho thấy, anten có thể hoạt động ở hai cấu hình tần số khác
nhau với tần số cộng hưởng 1,9 GHz khi điốt ở trạng thái OFF
và 2,1 GHz khi điốt ở trạng thái ON.
Băng thông của anten đạt 78 MHz ở cấu hình tần số 1,9
GHz và 52 MHz ở cấu hình tần số 2,1 GHz. Như vậy, rõ ràng
khi tích hợp cấu trúc CSRR thì tần số hoạt động của anten
được giảm, hay nói cách khác là giảm được kích thước của
anten. Với cấu trúc này, anten cũng cộng hưởng tốt hơn với
tham số |S11| giảm tới -35 dB ở cấu hình thứ nhất và -25 dB ở
cấu hình thứ 2. Tuy nhiên, một nhược điểm của thiết kế đề
xuất là băng thông của anten giảm khi sử dụng cấu trúc CSRR.

237


|S11|

cộng hưởng trung tâm là 1,9 GHz và 2,1 GHz. Đồ thị bức xạ ở
cả hai cấu hình gần như khơng thay đổi với hệ số tăng ích cực
đại lần lượt là 2,07 dBi và 2,18 dBi. Anten có kích thước nhỏ
gọn, vị trí điốt được chọn thuận lợi cho việc cấp nguồn một
chiều cho chuyển mạch hoạt động. Một hạn chế của thiết kế
đề xuất là anten có băng thông hẹp, đây cũng là một nhược
điểm chung của anten PIFA. Trong tương lai, cấu trúc anten
sẽ tiếp tục được nghiên cứu để cải tiến băng thông bằng các
phương pháp như xẻ rãnh ở mặt phẳng đất, đồng thời tiến

hành chế tạo, đo kiểm và đánh giá so sánh với kết quả mô
phỏng để kiểm chứng với thiết kế đề xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]

Tần số (GHz)
Hình 8. Kết quả mơ phỏng tham số |S11| của anten PIFA tái cấu hình
theo tần số sử dụng cấu trúc CSRR

[3]

Hình 9 và hình 10 biểu diễn đồ thị bức xạ 3D và đồ thị trên
mặt phẳng XY, XZ của anten ở hai cấu hình tần số 1,9 GHz
và 2,0 GHz. Kết quả mơ phỏng cho thấy cả hai cấu hình đều
có đồ thị gần như tương đương nhau. Ở cấu hình tần số 1,9
GHz, hệ số tăng ích cực đại của anten đạt 2,07 dBi và ở cấu
hình tần số 2,1 GHz đạt 2,18 GHz. Do tần số thiết kế giảm so
với thiết kế được trình bày trong mục II.1 cho nên hệ số tăng
ích của anten giảm là hồn tồn hợp lý.

[4]
[5]
[6]

[7]

[8]

[9]


[10]

[11]

Hình 9. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ với f=1,9 GHz
[12]

[13]

[14]

[15]

Hình 10. Kết quả mơ phỏng đồ thị bức xạ với f=2,1 GHz

[16]

IV. KẾT LUẬN
Bài báo đề xuất một cấu trúc anten PIFA tái cấu hình theo
tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu. Các cấu trúc CSRR
được tích hợp vào mặt phẳng bức xạ của anten PIFA giúp
giảm kích thước của anten. Anten sử dụng một chuyển mạch
điốt PIN để đạt được hai cấu hình tần số khác nhau với tần số

[17]
[18]

238


J. T. Bernhard, Reconfigurable Antennas. the Morgan & Claypool
Publishers, 2007.
YevHen Yashchyshyn, “Reconfigurable Antennas: the State of the
Art,” Intl J. Electron. Telecommun., vol. 56, no. 3, pp. 319–326,
2010.
A. G. and M. M. H. Saida Ibnyaich, “Development of Wideband
Planar Inverted-F Antennas for Wireless Application,” J. Comput.
Sci., vol. 7 (8), pp. 1172–1177, 2011.
J. Costantine, “Design, Optimization and Analysis of
Reconfigurable Antennas,” 2009.
R. Carrel, “The design of log-periodic dipole antennas,” in IRE
International Convention Record, vol. 9, pp. 61–75.
H.-Y. Li, C.-T. Yeh, J.-J. Huang, C.-W. Chang, C.-T. Yu, and J.-S.
Fu, “CPW-Fed Frequency-Reconfigurable Slot-Loop Antenna With
a Tunable Matching Network Based on Ferroelectric Varactors,”
IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 14, pp. 614–617, 2015.
Y. Sung, “Compact quad-band reconfigurable antenna for mobile
phone applications,” Electron. Lett., vol. 48, no. 16, pp. 977–979,
Aug. 2012.
A. Tariq and H. Ghafouri-Shiraz, “Frequency-Reconfigurable
Monopole Antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 1,
pp. 44–50, Jan. 2012.
T. Li, H. Zhai, X. Wang, L. Li, and C. Liang, “FrequencyReconfigurable Bow-Tie Antenna for Bluetooth, WiMAX, and
WLAN Applications,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 14,
pp. 171–174, 2015.
H. U. Iddi, M. R. Kamarudin, T. a Rahman, and R. Dewan,
“Reconfigurable monopole antenna for wlan / wimax applications,”
Prog. Electromagn. Res. Symp. Proc., pp. 1048–1051, 2013.
J. Y. S. ; C. S. ; Y. M. M. Antar, “Compact SRR loaded UWB
circular monopole antenna with reconfigurable characteristics,” Usn.

Radio Sci. Meet. (Joint with AP-S Symp., 2013.
X. Liu, S. Yao, B. S. Cook, M. M. Tentzeris, and S. V.
Georgakopoulos, “An Origami Reconfigurable Axial-Mode Bifilar
Helical Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 12,
pp. 5897–5903, Dec. 2015.
F. A. Assadallah, J. Costantine, Y. Tawk, F. Ayoub, and C. G.
Christodoulou, “A multiband and reconfigurable PIFA for mobile
devices,” 2016 IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. APSURSI
2016 - Proc., pp. 2179–2180, 2016.
K. Ogawa, T. Uwano, and M. Takahashi, “A shoulder-mounted
planar antenna for mobile radio applications,” IEEE Trans. Veh.
Technol., vol. 49, no. 3, pp. 1041–1044, 2000.
Jong-Hyuk Lim, Gyu-Tae Back, Young-Il Ko, Chang-Wook Song,
and Tae-Yeoul Yun, “A Reconfigurable PIFA Using a Switchable
PIN-Diode and a Fine-Tuning Varactor for USPCS/WCDMA/mWiMAX/WLAN,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 7,
pp. 2404–2411, Jul. 2010.
Z.-L. L. X.-X. Y. G.-N. Tan, “A Multidirectional PatternReconfigurable Patch Antenna With CSRR on the Ground,” IEEE
Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 16, pp. 416–419, 2016.
Author(s) and J. C. ; S. Lim, “Frequency reconfigurable
metamaterial resonant antenna,” Asia Pacific Microw. Conf., 2009.
A. E. Z. ; M. A. Abdalla, “Compact single/multi bands frequency
reconfigurable antenna using PIN diode controlled meta-surface,”
2017 IEEE Int. Symp. Antennas Propag. Usn. Natl. Radio Sci. Meet.,
2017.