Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Ăng-ten đa băng tần sử dụng với mạch tích hợp
LR1110 trong ứng dụng định vị đa mơi trường
Trịnh Lê Huy∗ , Nguyễn Bình Phương† , Fabien Ferrero‡
∗

Đại học Công nghệ Thông Tin, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
† Phòng Nghiên cứu và Phát triển Sản phẩm, RFThings Co., LTD, Việt Nam
‡ Viện nghiên cứu LEAT, Đại học Côte d’Azur, Pháp
Email: , ,

Tóm tắt—Bài báo này trình bày một ăng-ten ba băng
tầng với cấu trúc 2 mảnh FR4 đặt vng góc với nhau,
ăng-ten hoạt động được ở 3 dải tần là 0.868 GHz, 1.575
GHz và 2.4 GHz, những dải tần này phù hợp với các công
nghệ truyền thông LoRa, GPS/GNSS và WiFi/BLE. Kết
quả mô phỏng ăng-ten cho thấy giá trị hệ số phản xạ nhỏ
hơn -10 dB cho dải tần 0.868 GHz và 1.575 GHz và nhỏ
hơn -6 dB cho dải tần 2.4 GHz. Với kích thước tổng thể là
0.14λ × 0.08λ (λ là độ dài bước sóng tần số 0.868 GHz),
ăng-ten được này có thể được sử dụng cho mục đích định
vị theo dõi ở cả mơi trường trong nhà và ngồi trời.
Từ khóa—Ăng-ten đa băng tần, định vị, LR1110, LoRa,
GPS/GNSS, WiFi/BLE.

Hình 1: Cấu trúc cơ bản của ăng-ten đa băng tần

I. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, thuật ngữ IoT đã được
phổ biến rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ thông tin và

truyền thông. Một trong những ứng dụng của IoT nhận
được nhiều sự quan tâm chính là định vị vị trí của người
hoặc vật thể [1]. Để tăng độ linh hoạt của thiết bị định
vị khi sử dụng tại những môi trường khác nhau (trong
nhà, ngồi trời), nhiều loại cơng nghệ đã được tích hợp
và sử dụng đồng thời [2]. Điều này cũng giúp hệ thống
thu thập thêm nhiều thông tin liên quan đến vị trí, từ
đó sử dụng các bộ lọc, thuật tốn để tăng độ chính xác
của q trình định vị.
Khi nhắc đến các bài tốn định vị, GPS/GNSS chính
là cơng nghệ được nhắc đến rất nhiều cho các ứng dụng
ngoài trời [3], [4], [5], [6]. Dựa vào thông tin nhận được
từ các vệ tinh, sử dụng thêm các thuật toán xử lý dữ liệu,
vị trí của thiết bị sẽ được xác định với độ chính xác khá
cao. Tuy nhiên, nếu đường truyền từ thiết bị và vệ tinh
bị chắn, đặc biệt ở môi trường trong nhà, GPS/GNSS
thường xuất hiện nhiều sai số. Có rất nhiều phương pháp
để giải quyết vấn đề này, trong đó, sử dụng thêm các
kỹ thuật bổ trợ như WiFi Scan, BLE Scan là những đề
xuất khá hiệu quả [7], [8], [9], [10].
Việc tích hợp nhiều cơng nghệ vơ tuyến khác nhau sẽ
tạo ra một thách thức to lớn trong việc thiết kế ăng-ten

cho thiết bị. Trong bối cảnh này, ba tiêu chí chính cần
được quan tâm là kích thước, băng tần và hiệu suất hoạt
động [11]. Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các thiết kế
antenna đa băng tần có thể hỗ trợ định vị trong nhà và
ngồi trời cũng như việc truyền tải những dữ liệu này
về trạm cơ sơ thông qua các chuẩn giao tiếp không dây
như LoRa, WiFi, GSM...[12], [13], [14], [15]

Trong bài báo này, một ăng-ten đa băng tần có thể
hoạt động với các công nghệ LoRa, GPS/GNSS và
WiFi/BLE được đề xuất để ứng dụng cho việc định vị
tìm kiếm khơng chỉ ở mơi trường ngồi trời mà cịn ở
mơi trường trong nhà. Nhờ sử dụng cấu trúc vng góc,
khoảng khơng gian chiếm chỗ của ăng-ten được giảm
xuống đáng kể. Với kích thước 0.14λ × 0.08λ, ăng-ten
này phù hợp với các thiết bị cầm tay nhỏ gọn. Điều này
giúp thiết bị có thể được đeo hoặc gắn trên hành lý,
phương tiện giao thông và động vật.
Phần tiếp theo sẽ mô tả thiết kế của ăng-ten với các
thơng số kích thước cụ thể. Ngay sau đó, các kết quả
mơ phỏng của ăng-ten được trình bày cùng với những
thảo luận và đề xuất khi tích hợp chung với IC LR1110.
Cuối cùng, bài báo sẽ được kết thúc bằng phần tóm tắt
các kết quả đã đạt được.

ISBN 978-604-80-5958-3

173


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

II. THIẾT KẾ ĂNG-TEN ĐA BĂNG TẦN
Ăng-ten này được thiết kế để bao phủ ba dải tần số là
0.868 GHz, 1.575 GHz và 2.4 GHz. Với dải tần 0.868
GHz, LoRa là công nghệ giao tiếp không dây đáng chú
ý nhất. Với các đặc tính về năng lượng tiêu thụ, khoảng
cách giao tiếp, một thiết bị theo dõi sử dụng cơng nghệ

LoRa có thể gửi dữ liệu vị trí đã thu thập đến gateway ở
khoảng cách xa với một mức độ tiêu hao năng lượng là
tối thiểu. Ngoài ra, kỹ thuật TDoA cũng được tích hợp
trực tiếp trong IC dưới dạng Ranging Engine có thể hỗ
trợ định vị ngoài trời thay thế GPS/GNSS tại những nơi
khơng có tầm nhìn thẳng từ thiết bị đến vệ tinh. Mặt
khác, trong trường hợp thiết bị được đặt trong nhà, dải
tần 2.4 GHz là phù hợp cho việc định vị bằng kỹ thuật
WiFi Scan/BLE Scan. Theo thống kê cho thấy, hầu hết
các khu vực ở thành thị đều có các điểm truy cập WiFi
(APs), sử dụng các thuật tốn so sánh cường độ tín hiệu
phát ra từ APs để tính tốn ra vị trí của thiết bị cũng đã
được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Đặc biệt, ở dải
tần số 2.4 GHz, bên cạnh công nghệ WiFi/BLE cũng
có khả năng hỗ trợ xác định vị trí. Nhìn chung, ăng-ten
được đề xuất có thể bao phủ băng tần LoRa (0.863 GHz
đến 0.868 GHz). Băng tần GPS/GNSS (1.563 GHz đến
1.587 GHz) và băng tần WiFi/BLE (2.4 GHz đến 2.48
GHz) là một giải pháp hợp lý cho các thiết bị định vị
đa mơi trường. Mơ tả đặc tính của các công nghệ LoRa,
GPS/GNSS, WiFi/BLE được thể hiện trong [16], [17],
[18], [19], dựa vào đây bài báo có thể triển khai các
công nghệ trên các dải tần phù hợp cho nhu cầu định
vị ở những môi trường khác nhau. Bảng I thể hiện đặc
tính của các dải tần sử dụng trong bài báo.

(a) Phần tử phát xạ chính tại tần số 868 MHz

(b) Phần tử phát xạ kí sinh


Bảng I: Đặc tính các cơng nghệ
Dải tần
Phạm vi
Sai số
Xun tường
Năng lượng
Chi phí

LoRa
868
MHz
5Km
3-20m
Cao
Thấp
Thấp

GPS/GNSS
1.575
GHz
Tồn cầu
1-30m
Thấp
Thấp
Thấp

WiFi
2.4 GHz

BLE

2.4 GHz

100m
1-10m
Trung bình
Cao
Thấp

30m
1-5m
Thấp
Thấp
Thấp

Dựa trên một nghiên cứu được trình bày trong [20],
với phương pháp đặt phần tử bức xạ vng góc với mặt
phẳng đất sẽ giúp giảm kích thước tổng thể của toàn
bộ ăng-ten mà vẫn đảm bảo được hiệu suất và độ rộng
băng tần. Dựa trên ý tưởng này, cấu trúc của ăng-ten
được trình bày trong Hình 1. Về cơ bản, antenna bao
gồm 3 phần chính, phần tử phát xạ (radiating element),
phần tử cấp nguồn (feeding element) và mặt phẳng đất
(ground plane). Phần tử phát xạ được đặt vng góc tại
một đầu của mặt phẳng đất và được hàn trực tiếp với

ISBN 978-604-80-5958-3

174

(c) Các phần tử ghép nối điện dung


Hình 2: Nguyên lý hoạt động của ăng-ten đa băng tần

phần tử cấp nguồn. Phần tử cấp nguồn sẽ được đặt song
song và ngay trên khu vực trống của mặt phẳng đất. Tấm
nền của phần tử này tương đối dày với mục đích đảm
bảo được băng thơng của ăng-ten ở ba dải tần số. Phần
tử này sẽ được nối với ngõ ra của IC LR1110 thông qua


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

một cuộn cảm để phối hợp trở kháng và nối với mặt
phẳng đất thông qua via.
Thiết kế của ăng-ten dựa trên cấu trúc IFA (Inverted
F Antenna) với chiều dài tổng thể của phần tử bức xạ có
kích thước tương ứng với một phần tư bước sóng của tần
số thấp nhất là 868 MHz khoảng 87mm (Hình 2a). Tần
số cộng hưởng tại tần số 868 MHz sẽ có hài bậc 2 tương
ứng với tần số 1.76 GHz. Do đó để tinh chỉnh cho tần
số cộng hưởng này về đúng băng tần của GPS/GNSS,
một phần tử kí sinh được thêm vào (Hình 2b). Phần tử
này vừa đóng vai trị dịch chuyển tần số cộng hưởng từ
1.76 GHz xuống 1.575 GHz cũng như hỗ trợ phối hợp
trở kháng để antenna đạt được hệ số phản xạ dưới -10
dB cho toàn bộ băng tần này. Cuối cùng, tần số cộng
hưởng tại 2.4 GHz được hình thành nhờ vào tính chất
ghép nối điện dung (capacitive coupling) như được trình
bày trong Hình 2c. Về cơ bản chiều dài và khoảng cách
của các phần tử này sẽ quy định tần số hoạt động của

ăng-ten ở băng tần cao nhất.

(a) Hình chiếu bằng của ăng-ten

(b) Hình chiếu bằng của phần tử phát xạ

Hình 3: Kích thước chi tiết của ăng-ten theo đơn vị mm
Kích thước chi tiết của ăng-ten tính bằng milimét được
trình bày cụ thể trong Hình 3. Về cơ bản, ăng-ten có kích
thước tổng thể là 48mm x 27mm, được in trên lớp nền
FR4 Epoxy có hằng số điên môi là 4.4 and hệ số suy
hao là 0.02. Tấm nền của phần tử phát xạ và mặt phẳng
đất có độ dày 0.8 mm, trong khi phần tử cấp nguồn có
độ dày là 3.2 mm. Nhờ vào việc kết hợp các đường vi
dải trên phần tử phát xạ, ăng-ten có những tần số cộng
hưởng khác nhau tại các băng tần lần lượt là 0.868 GHz,
1.575 GHz và 2.4 GHz.

ISBN 978-604-80-5958-3

175

Hình 4: Hệ số phản xạ mô phỏng của ăng-ten

III. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Kết quả mơ phỏng được trình bày trong Hình 4.
Đường cong biểu hiện hệ số phản xạ của ăng-ten. Các
hình chữ nhật dọc trong Hình 4 thể hiện băng thông
cần thiết của LoRa, GPS/GNSS và WiFi/BLE. Chúng
tôi nhận thấy tất cả các tần số trong các băng thơng này

có return loss bằng hoặc nhỏ hơn -6 dB của dải tần 2.4
GHz và -10 dB cho dải tần 1.575 GHz và 0.868 GHz.
Với những kết đo đạt được, một bo mạch được thiết
kế cho IC LR1110 sử dụng ba băng tần đã đề xuất cho
những ứng dụng định vị đa mơi trường (Hình 5). IC
này được tích hợp sẵn cơng nghệ định vị GPS/GNSS
cho các ứng dụng định vị ngồi trời. Khi tín hiệu nhận
được từ vệ tinh bị suy giảm do thiết bị di chuyển vào
môi trường trong nhà hoặc các khu vực khuất tầm nhìn
từ vệ tinh, thuật tốn RSSI cho kỹ thuật WiFi Scan/BLE
Scan [21] tại băng tần 2.4 GHz được kích hoạt. Ngồi
ra, việc sử dụng thuật tốn TDoA dựa trên cơng nghệ
LoRa [22] cũng được cân nhắc để tăng độ chính xác khi
định vị. IC LR1110 có ba ngõ ra tín hiệu tại các băng
tần LoRa, GPS/GNSS, WiFi/BLE, tuy nhiên ăng-ten chỉ
có duy nhất một ngõ vào, vì vậy, việc sử dụng thêm IC
SP3T để kết nối là cần thiết. Cụ thể hơn, ba đầu vào
của IC SP3T là ngõ ra cao tần của LoRa, GPS/GNSS,
WiFi/BLE từ LR1110, và đầu ra của IC SP3T được nối
đến phần tử cấp nguồn của ăng-ten. Nhiệm vụ của IC
SP3T là chuyển đổi qua lại giữa các dải tần khi thiết bị
cần sử dụng những tác vụ liên quan. Hình 6 mơ tả sơ
đồ ngun lý của mạch.
IV. KẾT LUẬN
Tóm lại, bài báo trình bày các thiết kế của một ăngten đa băng tần trên cùng một bo mạch và các mô phỏng
của chúng. Ăng-ten hoạt động ở băng tần 0.868 MHz


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021)


Hình 5: Thiết bị mẫu sử dụng IC LR1110 và ăng-ten đề
xuất

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý điều khiển các ngõ ra vào IC
LR1110

cho LoRa, 1.575 GHz cho GPS/GNSS và 2.4 GHz cho
WiFi/BLE. Nhờ những tính chất này, một thiết bị di
động có kích thước bé, có khả năng hỗ trợ nhiều cơng
nghệ không dây khác nhau đã được đề xuất. Hơn nữa,
nhờ vào việc sử dụng kỹ thuật TDoA của LoRa, kỹ thuật
RSSI Scan của WiFi/BLE và GPS/GNSS để đưa ra một
hệ thống định vị cho mơi trường ngồi trời và trong nhà.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khn khổ Đề
tài mã số C2021-26-05.
TÀI LIỆU

THAM KHẢO

[1] S. Ghorpade, M. Zennaro, and B. Chaudhari, “Survey of localization for internet of things nodes: Approaches, challenges and
open issues,” Future Internet, vol. 13, no. 8, 2021.

ISBN 978-604-80-5958-3

176

[2] M. Yassin and E. Rachid, “A survey of positioning techniques
and location based services in wireless networks,” in 2015 IEEE

International Conference on Signal Processing, Informatics,
Communication and Energy Systems (SPICES), 2015, pp. 1–5.
[3] D. Perea-Strom, A. Morell, J. Toledo, and L. Acosta, “Gnss
integration in the localization system of an autonomous vehicle
based on particle weighting,” IEEE Sensors Journal, vol. 20,
no. 6, pp. 3314–3323, 2020.
[4] L.-T. Hsu, H. Tokura, N. Kubo, Y. Gu, and S. Kamijo, “Multiple
faulty gnss measurement exclusion based on consistency check
in urban canyons,” IEEE Sensors Journal, vol. 17, no. 6, pp.
19091917, 2017.
[5] M. Schreiber, H. Kăonigshof, A.-M. Hellmund, and C. Stiller,
“Vehicle localization with tightly coupled gnss and visual odometry,” in 2016 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), 2016,
pp. 858–863.
[6] H. Jung, J.-H. Park, and H.-Y. Jeong, “Experimental assessment
of gnss-based vehicle positioning accuracy using 3-d slam reference,” in 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference
(VTC2019-Fall), 2019, pp. 1–2.
[7] S. Sadowski and P. Spachos, “Comparison of rssi-based indoor
localization for smart buildings with internet of things,” in
2018 IEEE 9th Annual Information Technology, Electronics and
Mobile Communication Conference (IEMCON), 2018, pp. 24–
29.
[8] U. M. Qureshi, Z. Umair, and G. P. Hancke, “Indoor localization
using wireless fidelity (wifi) and bluetooth low energy (ble) signals,” in 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial
Electronics (ISIE), 2019, pp. 2232–2237.
[9] R. Kaewpinjai, T. Chuaubon, and A. Apavatjrut, “On improving indoor navigation accuracy using bluetooth beacons,” in
2020 17th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information
Technology (ECTI-CON), 2020, pp. 727–730.
[10] S. G. Obreja and A. Vulpe, “Evaluation of an indoor localization
solution based on bluetooth low energy beacons,” in 2020 13th
International Conference on Communications (COMM), 2020,

pp. 227–231.
[11] A. Nella and A. S. Gandhi, “A survey on microstrip antennas for
portable wireless communication system applications,” in 2017
International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI), 2017, pp. 2156–2165.
[12] L. Trinh, M. Le, N. Truong, and F. Ferrero, “Compact diversity
multi-band antennas using for low power communication standards,” in 2018 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2018, pp. 61–64.
[13] L. Lizzi, F. Ferrero, P. Monin, C. Danchesi, and S. Boudaud,
“Design of miniature antennas for iot applications,” in 2016
IEEE Sixth International Conference on Communications and
Electronics (ICCE), 2016, pp. 234–237.
[14] Y. Li, X. Tang, Y. Yu, W. Shi, and G. Yang, “A triple-band
hybrid-mode gps/wlan antenna for smart phone with full metal
housing,” in 2017 IEEE International Symposium on Antennas
and Propagation USNC/URSI National Radio Science Meeting,
2017, pp. 759–760.
[15] A. Basit, M. I. Khattak, A. R. Sebak, A. B. Qazi, and A. A.
Telba, “Design of a compact microstrip triple independently
controlled pass bands filter for gsm, gps and wifi applications,”
IEEE Access, vol. 8, pp. 77 156–77 163, 2020.
[16] C. T. Nguyen, Y. M. Saputra, N. V. Huynh, N.-T. Nguyen, T. V.
Khoa, B. M. Tuan, D. N. Nguyen, D. T. Hoang, T. X. Vu,
E. Dutkiewicz, S. Chatzinotas, and B. Ottersten, “A comprehensive survey of enabling and emerging technologies for social
distancing—part i: Fundamentals and enabling technologies,”
IEEE Access, vol. 8, pp. 153 479–153 507, 2020.
[17] Y. Kırka˘gac and M. Do˘gruel, “Performance criteria based comparative analysis of indoor localization technologies,” in 2018
26th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU), 2018, pp. 1–4.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)


[18] W. San-Um, P. Lekbunyasin, M. Kodyoo, W. Wongsuwan,
J. Makfak, and J. Kerdsri, “A long-range low-power wireless
sensor network based on u-lora technology for tactical troops
tracking systems,” in 2017 Third Asian Conference on Defence
Technology (ACDT), 2017, pp. 32–35.
[19] X. Li, X. Zhang, K. Chen, and S. Feng, “Measurement and
analysis of energy consumption on android smartphones,” in
2014 4th IEEE International Conference on Information Science
and Technology, 2014, pp. 242–245.
[20] K. Nguyen, B. L. G. Jonsson, F. Ferrero, and L. Lizzi, “On
limitation of impedance bandwidth for integrated antennas in
mobile terminals with narrow clearance,” in 2021 15th European

ISBN 978-604-80-5958-3

177

Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2021, pp.
1–5.
ˇ
[21] M. Cavojský,
M. Uhlar, M. Ivanis, M. Molnar, and M. Drozda,
“User trajectory extraction based on wifi scanning,” in 2018 6th
International Conference on Future Internet of Things and Cloud
Workshops (FiCloudW), 2018, pp. 115–120.
[22] N. Podevijn, J. Trogh, A. Karaagac, J. Haxhibeqiri, J. Hoebeke,
L. Martens, P. Suanet, K. Hendrikse, D. Plets, and W. Joseph,
“Tdoa-based outdoor positioning in a public lora network,”
in 12th European Conference on Antennas and Propagation
(EuCAP 2018), 2018, pp. 1–4.