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

Anten Fibonacci tái cấu hình theo tần số và giản đồ
bức xạ sử dụng chuyển mạch PIN diode
Dương Thị Thanh Tú1, Cao Xuân Sơn1, Trần Hải Nam1, Trần Bình Dương2, Nguyễn Thị Thu Nga1
1

Khoa Viễn thơng 1, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng
Trường Cao đẳng Phát thanh truyền hình I, Đài tiếng nói Việt Nam
Email: , , , ,

×××××××××××
2

Bài báo này đề xuất một cấu trúc anten đơn giản có khả năng
tái cấu hình theo đồ thị bức xạ và tần số sử dụng PIN Diode. Nhờ
vào các trạng thái chuyển mạch ON – OFF của Diode, anten có
thể hoạt động tại năm băng tần bao gồm 4.41 GHz, 4.97 GHz,
5.75 GHz, 6 GHz, 6.47 GHz với 9 hướng bức xạ khác nhau. Bên
cạnh đó, với cấu trúc bức xạ độc đáo được tạo bởi các đường
cong Fibonacci, anten có kích thước nhỏ hơn 75.79% so với kích
thước anten vi dải chữ nhật lý thuyết, đạt kích thước tổng thể
25*25*1.52 mm3 với tần số cộng hưởng nhỏ nhất 4.41 GHz, phù
hợp cho phần lớn các thiết bị di động trong hệ thống truyền thông
thế hệ mới.

Abstract—Nội dung bài báo đề xuất một cấu trúc anten đa tái cấu
hình: vừa có thể tái cấu hình theo giản đồ bức xạ giữ nguyên tần
số cộng hưởng lại vừa có thể tái cấu hình theo tần số cộng hưởng
giữ nguyên hướng bức xạ. Trong thiết kế đề xuất, với bốn PIN
diode chuyển mạch hai trạng thái ON-OFF, anten tái cấu hình có

thể tái cấu hình tại ba trạng thái tần số 5.75 GHz, 6 GHz và 6.47
GHz khi bức xạ song hướng nằm ngang hoặc tái cấu hình theo các
hướng bức xạ song hướng khác nhau khi giữ nguyên tần số cộng
hưởng tại bốn băng 4.41 GHz, 4.97 GHz, 5.75 GHz và 6 GHz. Bên
cạnh đó, nhờ việc sử dụng cấu trúc bức xạ Fibonacci, kích thước
bức xạ của anten giảm nhỏ 75.79% so với anten vi dải lý thuyết,
đạt kích thước tổng thể là 25*25*1.52 mm3, phù hợp cho phần lớn
các thiết bị đầu cuối không dây cố định cũng như di động.

II.

Keywords-Anten tái cấu hình, Fibonacci , PIN diode

I.

II.1. Cấu trúc bức xạ sử dụng đường cong Fibonacci
Hình 1 thể hiện cấu trúc hình học của anten đề xuất, bao gồm
ba phần: Phần patch bức xạ dựa trên hình học Fibonacci, mặt
phẳng đất sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS và lớp
chất nền tạo thành từ Roger RO4350B có độ dày 1.52 mm, ε đạt
3.48 và độ tổn hao loss tangent 0.0037. Anten được cấp điện
bằng cáp đồng trục, xuyên qua mặt phẳng đất để tiếp xúc với
phần patch bức xạ. Phương thức cấp điện qua cáp đồng trục
trong thiết kế này đem lại hiệu suất cao, suy hao thấp, phối hợp
trở kháng tại 50Ω và đặc biệt phù hợp với cấu trúc tổng thể của
anten.
Phần tử bức xạ của anten chia làm bốn phần giống nhau, mỗi
phần được cấu thành từ hai đường cong theo cấu trúc hình học
Fibonacci với bán kính được tính tốn theo cơng thức (1):
n

− (− n )
(1)
(rFS )n =
√5

GIỚI THIỆU

Internet of Things (IoT), 5G/ 6G, vô tuyến thông minh, … là
những thuật ngữ công nghệ đang thu hút được rất nhiều sự quan
tâm, nghiên cứu hiện nay. Trong đó, anten tái cấu hình với những
khả năng thông minh như điều chỉnh tần số, đồ thị bức xạ hay
phân cực theo chuẩn truyền thông mong muốn đã và đang là ứng
cử viên sáng giá cho các công nghệ truyền thông này và cũng là
đề tài thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong và ngoài
nước [1]. Chỉ riêng trong năm 2018 – 2019, một số lượng không
nhỏ các nghiên cứu về anten tái cấu hình đã được cơng bố trên
những tạp chí uy tín hàng đầu trên thế giới với nhiều phương
pháp tùy biến khác nhau như tái cấu hình theo tần số [2]–[7], tái
cấu hình theo đồ thị bức xạ [8]–[15]. Trong [9], một anten tái
cấu hình theo đồ thị bức xạ băng rộng được Guiping Jin và các
cộng sự nghiên cứu sử dụng 4 diode để chuyển mạch, từ đó thay
đổi phương hướng, hoạt động ở 4 hướng, tuy nhiên hiệu suất
trung bình chỉ đạt 60%, ngồi ra với kích thước tương đối lớn
75*75*0.76 mm3 khiến cho anten khó có thể được tích hợp vào
trong các thiết bị di động hiện nay. Vấn đề về kích thước cũng
xuất hiện trong [11] do anten được đề xuất có thiết kế nhiều tầng,
tăng đáng kể độ dày cho cấu trúc tổng thể. Trong thiết kế ở [14],
một anten có phần tử bức xạ dạng ring đơn giản, có khả năng
thay đổi đồ thị bức xạ bằng cách tác động đến một mạng phối
hợp trở kháng, tuy nhiên sự phức tạp trong thiết kế qua mạng

phối hợp trở kháng là một trong những ngun nhân chính khiến
cho anten có hiệu suất thấp, chỉ đạt tầm 50%. Đối với đề xuất
trong [15], cấu trúc của anten lẫn mạng cấp nguồn đều phức tạp
và khá khó khăn trong chế tạo.

ISBN: 978-604-80-5076-4

THIẾT KẾ ANTEN

(a)

9


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
song với tụ điện sau đó nối tiếp với cuộn cảm. Các giá trị R, L,
C của PIN diode trong cả hai điều kiện ON và OFF được thể
hiện trong Bảng III.
BẢNG II. CÁC TRẠNG THÁI CỦA ANTEN
Số diode
kích hoạt

Trạng thái

D1

D2

D3


D4

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

OFF

S3

OFF

OFF

ON

OFF

là tỉ lệ vàng [16] , được cho bởi phương


S4

OFF

OFF

OFF

ON

1 + √5
(2)
= 1.618
2
Nguồn cáp đồng trục đặt xuyên qua mặt phẳng đất và chất
nền, tiếp xúc trực tiếp với patch bức xạ ở tâm anten, thông qua
bốn Diode được nối với patch dài 3.13 mm, rộng 0.3 mm thiết
lập các trạng thái. Chi tiết kích thước của anten được mơ tả
trong Bảng I.

S5

ON

ON

OFF

OFF


S6

OFF

OFF

ON

ON

ON

OFF

OFF

ON

S8

OFF

ON

ON

OFF

S9


ON

OFF

ON

OFF

S10

OFF

ON

OFF

ON

S11

ON

ON

ON

OFF

ON


OFF

ON

ON

S1
S2

(b)
Hình 1: Cấu trúc của anten. (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới.
Trong đó n = 1 đến 3,
trình (2):

1/4 ON

=

S7

BẢNG I. THAM SỐ CỦA ANTEN

2/4 ON

Tham số

Kích thước
(mm)

Tham số


Kích thước
(mm)

L

25

Ws

3.13

S12

W

25

Lc

1.5

S13

ON

ON

OFF


ON

Lg

6.25

a1

0.5

S14

OFF

ON

ON

ON

Wg

6.25

a2

0.8

ON


ON

ON

ON

Lp

2.08

a3

1.3

Wp

2.08

s

1

Ls

0.3

3/4 ON

S15


4/4 ON

II.2. Phân tích chuyển mạch PIN diode
Để tạo ra khả năng tái cấu hình theo đồ thị bức xạ và tần số
cho anten, 4 PIN diode được đặt tại các điểm nối giữa patch chữ
thập – nơi đặt nguồn và các phần tử bức xạ với các nhánh bức
xạ gồm một cặp đường cong Fibonacci như chỉ ra trong Hình
1(a). PIN Diode được lựa chọn trong bài báo này là
MA4AGBLP912 do linh kiện có độ tổn hao thấp và tốc độ
chuyển mạch cao. Như vậy, với bốn Diode được sử dụng cho
bốn phần tử bức xạ, anten có thể cộng hưởng lần lượt tại bốn tần
số tương ứng với số PIN diode được kích hoạt (ở trạng thái ON)
như được chỉ ra trong Bảng II. Bên cạnh đó, tại một tần số cộng
hưởng xác định, anten cũng sẽ có các hướng bức xạ khác nhau
dựa trên vị trí PIN Diode được kích hoạt.

Hình 2: Sơ đồ tương đương của điốt PIN ở trạng thái: (a) ON,
(b) OFF
BẢNG III. THAM SỐ CỦA PIN DIODE

Trạng thái ON được thực hiện bởi điện trở nối tiếp với cuộn
cảm và trạng thái OFF được thực hiện bởi điện trở mắc song

ISBN: 978-604-80-5076-4

(b)

(a)

10


Tham số

L

𝐶𝑇

𝑅𝑆

𝑅𝑃

Giá trị

0.5nH

0.025pF

4Ω

10𝑘Ω


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)
III.

KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH

Bảng IV. Tóm tắt kết quả của tái cấu hình theo tần số

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
mạch sử dụng PIN diode tương ứng với giản đồ bức xạ 2D tại
các tần số cộng hưởng. Trong đó, nội dung 3.1 sẽ trình bày các
băng tần được tái cấu hình trong khi giữ nguyên được bức xạ
song hướng. Nội dung 3.2 sẽ phân tích tính tái cấu hình theo
đồ thị bức xạ tại từng băng tần cụ thể của anten.

TT

F (GHz)

S11 (dB)

B (%)

G(dBi)

1

5.75

-42.467

6.8

2.52

82.5


2

6

-20.583

20.8

1.775

89.73

3

6.47

-17.494

17.23

1.203

83.2%

(%)

III.1. Các trạng thái tái cấu hình theo tần số
Tùy theo tổ hợp kích hoạt trạng thái của bốn diode từ D1
đến D4, anten có thể thay đổi lần lượt theo năm chiều dài bức
xạ khác nhau, tạo ra năm trạng thái tái cấu hình theo tần số với

các băng tần: 4.41 GHz, 4.97 GHz, 5.75 GHz, 6 GHz và 6.47
GHz. Trong đó, tại các băng 5.75 GHz, 6 GHz và 6.47 GHz
anten có chung hướng bức xạ song hướng theo phương nằm
ngang (góc quay 900 trong mặt phẳng Phi=900) khi thay đổi tần
số cộng hưởng. Các tần số này lần lượt tương ứng với các cấu
hình hai diode kích hoạt (S10), ba diode (S11 và S12) và bốn
diode (S15). Tham số S11 và đồ thị bức xạ của ba cấu hình này
được thể hiện ở hình 5 với các tham số đặc tính được tổng kết
trong bảng IV.

III.2. Các trạng thái tái cấu hình theo giản đồ bức xạ
Anten được đề xuất có cấu trúc đối xứng với bốn phần tử
bức xạ nằm tại bốn hướng khác nhau trên chất nền vuông và
được cấp nguồn cáp đồng trục tại tâm. Do vậy, tại các trạng thái
một, ba và bốn diode ON, tần số sẽ chỉ phụ thuộc và số lượng
diode ON chứ khơng phụ thuộc vào vị trí diode, nói cách khác,
tại các trạng thái này, phân bố dịng giống nhau về mặt hình
học, chỉ khác nhau về hướng nên không ảnh hưởng đến tần số.
Tuy nhiên ở trạng thái hai diode ON, sẽ có hai cấu hình khả dĩ
phụ thuộc vào vị trí hai diode ON là kề nhau hay đối nhau qua
trục đối xứng của anten.
Phần này của bài báo sẽ trình bày tính tái cấu hình theo giản
đồ bức xạ hay nói cách khác là sự thay đổi phương bức xạ của
anten bằng cách OFF hoặc ON các diode tại vị trí khác nhau
trong khi vẫn khi vẫn giữ nguyên tần số.
1.

Băng tần 4.41 GHz

Tần số thấp nhất của anten cộng hưởng tại tần số 4.41 GHz

nhận được khi anten hoạt động ở trạng thái một trong bốn diode
được ON, tương đương với một trong bốn phần tử bức xạ được
cấp nguồn (S1, S2, S3 và S4). Hướng bức xạ tại cấu hình diode
1 được kích hoạt sẽ ngược lại với cấu hình diode 3 được kích
hoạt, tương tự cho cặp diode 2 và 4. Hình 6 trình bày về tham số
S11 tại các cấu hình này với giản đồ bức xạ 2D được trình bầy
trong Hình 7.

(a)

Hình 6: Tham số S11 của anten tại băng 4.41 GHz với cấu
hình một diode ở trạng thái ON
Qua giản đồ bức xạ, có thể thấy cấu hình diode 1 ON và
diode 3 ON (S1 và S3) cho hướng bức xạ đối xứng với nhau,
lệch so với phương thẳng đứng 15O trong khi cấu hình diode 2
và diode 4 ON (S2 và S4) sẽ hiển thị trùng nhau với hướng bức
xạ theo phương thẳng đứng (độ lệch 0o) trên mặt phẳng Phi =
90°.

(b)
Hình 5: Các trạng thái tái cấu hình theo tần số (a) Tham
số S11 (b) đồ thị bức xạ

ISBN: 978-604-80-5076-4

11


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
3.


Băng tần 5.75 GHz

Cấu hình hai diode có thể cung cấp cho anten tần số hoạt
động tại 5.75 GHz với điều kiện hai diode được kích hoạt nằm
ở vị trí đối nhau qua tâm của anten (S9 và S10). Sự khác biệt về
S11 và đồ thị bức xạ sẽ được thể hiện qua hình 9 với hai diode 1
và 3 ở trạng thái ON, tương tự như với diode 2 và 4 trên mặt
phẳng Phi = 90°.

(a)
Hình 7: Đồ thị 2D của anten tại băng 4.42 GHz với cấu
hình một diode ở trạng thái ON
2.

Băng tần 4.97 GHz

Anten sẽ hoạt động tại băng tần 4.97 GHz khi hai diode liền
kề được thơng dịng (S5, S6, S7 và S8). Tham số S11 được trình
bày ở Hình 8 (a) cùng với giản đồ bức xạ 2D ở Hình 8 (b) với
hai hướng bức xạ song hướng khác nhau, lệch pha ±22.50 so với
trục thẳng đứng trên mặt phảng Phi = 90°.

(b)
Hình 9: Anten tại băng 5.75 GHz với cấu hình hai diode kề
nhau ON: (a) S11, (b) Bức xạ

(a)

Dễ thấy đối với cấu hình hai diode ON đối xứng thì dạng đồ thị

bức xạ cũng đối xứng cả ở mặt phẳng Phi = 90° hoặc Phi = 0°.
4.

Băng tần 6 GHz

Băng tần tiếp theo thể hiện đặc tính tái cấu hình theo đồ thị
bức xạ của anten là 6 GHz, được tạo bằng cách cấp nguồn cho
ba trên bốn phần tử bức xạ và sử dụng tổ hợp vị trí để ON diode
nhằm điều chỉnh hướng bức xạ theo yêu cầu. Ba tổ hợp vị trí đặc
trưng có tham số S11 và đồ thị bức xạ được thể hiện ở hình 10,
với các trạng thái diode 1, 2 và 3 ON (S11), diode 2,3 và 4 ON
(S14), cuối cùng là diode 3, 4 và 1 được ON (S12).

(b)
Hình 8: Anten tại băng 4.97 GHz với cấu hình hai diode kề
nhau ON: (a) S11, (b) Bức xạ 2D

ISBN: 978-604-80-5076-4

(a)

12


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
Anten đề xuất được so sánh với một số thiết kế anten tái cấu
hình theo đồ thị bức xạ và tần số đã cơng bố trong thời gian gần
đây trong bảng V. Có thể thấy hầu hết các nghiên cứu trước đó
đều có cấu trúc khá phức tạp, kích thước khơng phù hợp với các
thiết bị đầu cuối cầm tay.

Qua so sánh, mẫu anten được đề xuất trong bài báo này có
kích thước nhỏ gọn, đơn giản hơn rất nhiều trong khi vẫn đáp
ứng được những yêu cầu thay đổi về đồ thị bức xạ linh hoạt,
triển khai được nhiều băng tần bằng cách sử dụng 4 diode đơn
giản, chi phí thấp mà đem lại hiệu quả chuyển mạch cao, không
cần áp dụng các cơ chế giảm nhỏ kích thước phức tạp khác.
(b)

IV.

Hình 10: Anten tại băng 6 GHz với cấu hình hai diode kề
nhau ON: (a) S11, (b) Bức xạ 2D

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, anten đa băng tái cấu hình theo tần số sử
dụng chuyển mạch diode PIN để thay đổi hình dáng bức xạ dẫn
đến thay đổi tần số cộng hưởng được đề xuất. Bên cạnh đó, với
kích thước nhỏ gọn 25 x 25 x 1.52 mm3 anten có thể phù hợp
cho phần lớn các thiết bị đầu cuối di động nhỏ gọn.

Có thể thấy ở tần số này, anten có ba hướng bức xạ song
hướng khác nhau: phương nằm ngang và phương lệch ±600 theo
trục thẳng đứng trên mặt phẳng Phi=900

Bảng V: So sánh mẫu anten đề xuất với những cơng bố anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ gần đây
Tham
khảo

Diện tích

(𝐦𝐦𝟐 )

Chất nền

Chiều cao
(mm)

Số lượng cấu hình
đồ thị bức xạ

Số lượng chuyển
mạch/ cấu hình

Tần số hoạt động
(GHz)

[8]

6418

RT5870
RT5880LZ

1.6

6

6/12

5.1-5.9;


[9]

5625

RO4350B

0.76

4

4/4

2.25-3.16;

[11]

1849

Khơng đề
cập

17.5

6

6/6

3.5-3.9;


Thay đổi góc bức
xạ
−80° ≤𝛉≤ +80°

Thay đổi cấu hình
bằng cách cấp
nguồn cho 1 trên 4
cổng

5.2;

[12]

7259

RO3035

11

[13]

32000

FR4

50

3

3/30


1.02-1.8;

[14]

18225

FR4

7.5

2

2/2

1.74;

Mẫu
anten đề
xuất

625

RO4350B

1.52

9

4/15


4.41; 4.97; 5.75; 6;
6.47;

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]

Naser Ojaroudi Parchin, Haleh Jahanbakhsh Basherlou, Yasir I. A. AlYasir, 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
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
Jayendra Kumar, Banani Basu, Fazal Ahmed Talukdar, Arnab Nandi,
“Stable-multiband frequency reconfigurable antenna with improved

ISBN: 978-604-80-5076-4

[4]

[5]

[6]


13

radiation efficiency and increased number of muntiband operations,” IET
Microwave, Antennas & Propagation, vol. 13, Iss.5, pp. 642-648, 28th
February 2019
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
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.
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.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]


[14]

[15]

[16]

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
Y. Yang and X. Zhu, "A Wideband Reconfigurable Antenna With 360°
Beam Steering for 802.11ac WLAN Applications," in IEEE Transactions
on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 2, pp. 600-608, Feb. 2018
G. Jin, M. Li, D. Liu and G. Zeng, "A Simple Planar PatternReconfigurable Antenna Based on Arc Dipoles," in IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, vol. 17, no. 9, pp. 1664-1668, Sept. 2018
Z. Gan, Z. Tu and Z. Xie, "Pattern-Reconfigurable Unidirectional Dipole
Antenna Array Fed by SIW Coupler for Millimeter Wave Application,"
in IEEE Access, vol. 6, pp. 22401-22407, 2018
G. Yang, J. Li, D. Wei, S. Zhou and R. Xu, "Pattern Reconfigurable
Microstrip Antenna With Multidirectional Beam for Wireless
Communication," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
vol. 67, no. 3, pp. 1910-1915, March 2019
H. Zhou et al., "Reconfigurable Phased Array Antenna Consisting of
High-Gain High-Tilt Circularly Polarized Four-Arm Curl Elements for
Near Horizon Scanning Satellite Applications," in IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, vol. 17, no. 12, pp. 2324-2328, Dec. 2018
S. Ahdi Rezaeieh and A. M. Abbosh, "Pattern-Reconfigurable
Magnetoelectric Antenna Utilizing Asymmetrical Dipole Arms," in IEEE
Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 4, pp. 688-692,

April 2019
Mingyu Sun, Zhe Zhang, Kang An, Xianghui Wang, Yuezhi Jiang, Aixin
Chen, "Dual-Sense Circular Polarization Antenna Based on
Reconfigurable Orthogonal Network", International Journal of Antennas
and Propagation, vol. 2019, Article ID 1670786, 7 pages, 2019
X. Yi, L. Huitema and H. Wong, "Polarization and Pattern Reconfigurable
Cuboid Quadrifilar Helical Antenna," in IEEE Transactions on Antennas
and Propagation, vol. 66, no. 6, pp. 2707-2715, June 2018.
Chetna Sharma, Dinesh Kumar, “Miniaturization of Spiral Antenna based
on Fibonacci Sequence using Modified Koch Curve,” IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp.932-935, 2017.

ISBN: 978-604-80-5076-4

14