Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
Hoàng Thị Phương Thảo 
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ 
DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ 
Ngành: Kỹ thuật viễn thông 
 Mã số: 9520208 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG 
Hà Nội - 2018 
Công trình được hoàn thành tại: 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
Người hướng dẫn khoa học: 
PGS.TS. Vũ Văn Yêm 
Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Bình 
Phản biện 2: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang 
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Huy Hoàng 
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp 
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 
Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm  
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
1 
MỞ ĐẦU 
1. Giới thiệu anten tái cấu hình 
Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn luôn thay đổi, các hệ thống 
thông tin vô tuyến hướng đến các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi các tham 
số nhằm thích nghi với môi 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. Bên cạnh đó, một bộ thu phát cần hoạt động 
ở nhiều chuẩn tần số để đáp ứng các ứng dụng khác nhau. Khái niệm anten tái cấu 
hình với khả năng tự thay đổi tần số bức xạ, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp 
các tham số trên ra đời nhằm có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Ngoài ra, vấn 
đề về tăng dung lượng kênh và tốc độ dữ liệu cũng là một đòi hỏi của hệ thống 
thông tin vô tuyến. Hiện nay, hệ thống đa anten hay còn gọi là anten MIMO được 
ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Để kết hợp các ưu điểm 
của anten MIMO và anten tái cấu hình, anten MIMO tái cấu hình là một giải pháp 
tiềm năng trong việc tăng cường tính năng thông minh linh hoạt, đa năng và giảm 
giá thành, kích thước thiết bị của hệ thống vô tuyến kết hợp với tăng dung lượng 
kênh và tốc độ dữ liệu của đường truyền. 
 2. Những vấn đề còn tồn tại 
- Cấu trúc anten còn phức tạp, kích thước anten cần tiếp tục được giảm nhỏ. 
- Giảm số lượng các phần tử thụ động cho anten tái cấu hình để giảm ảnh hưởng 
lên anten, đồng thời giảm chi phí. 
- Việc thiết kề nhiều cấu trúc trong một anten là một thách thức. 
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
Mục tiêu nghiên cứu: 
Nghiên cứu, đề xuất một số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần 
số nhằm cải thiện các tham số như: kích thước, tính đơn giản của cấu trúc anten 
và mạch phân cực cho diode, hệ số tăng ích, tương hỗ giữa các phần tử trong anten 
MIMO; Nghiên cứu, đề xuất giải pháp đơn giản để tái cấu hình cho anten PIFA. 
Đối tượng nghiên cứu: 
Anten tái cấu hình theo tần số; Anten tái cấu hình theo tần số hoạt động đơn băng; 
Anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử. 
Phạm vi nghiên cứu: 
Nghiên cứu các anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số cho thiết bị đầu 
cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới; Dải tần dưới 10 GHz. 
3. Ý nghĩa khoa học của đề tài 
Về lý luận: 
Góp phần phát triển về các kiến trúc anten tái cấu hình mới, nhằm tạo ra một anten 
tái cấu hình có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn có thể đáp ứng nhiều yêu 
cầu khác nhau ứng dụng trong vô tuyến thế hệ mới; Đưa ra những công bố có giá 
trị khoa học. 
Về mặt thực tiễn: 
2 
- Ứng dụng các kiến trúc anten đề xuất cho các hệ thống thông tin vô tuyến 
thế hệ mới. 
4. Những đóng góp chính của luận án 
Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 
1. Đề xuất các cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số có kích thước nhỏ 
gọn, cấu trúc đơn giản, gồm: 
- Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng 
sử dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ 
- Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng cấu trúc dây 
chêm hở mạch cho phần dẫn sóng của anten để điều khiển phối hợp trở kháng 
2. Đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng cách dịch 
shorting pin với ưu điểm là đơn giản, có thể áp dụng cho tất cả các cấu trúc anten 
PIFA, dễ dàng tăng cấu hình tần số lên một số lượng nhất định mà không làm tăng 
kích thước của anten; đồng thời một cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo 
tần số áp dụng kỹ thuật này cũng được đề xuất với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, 
kích thước phần tử bức xạ nhỏ gọn. 
3. Đề xuất cấu trúc anten MIMO tái cấu hình bằng cách thay đổi cấu trúc của 
anten. Anten MIMO tái cấu hình đề xuất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đồng 
phẳng, đơn giản và giảm tương hỗ giữa các phần tử. Cấu trúc đề xuất không cần 
sử dụng tụ điện cho mạch phân cực diode giúp anten giảm suy hao. 
5. Cấu trúc nội dung của luận án 
Luận án này gồm có 4 chương. Chương 1 là tổng quan về anten tái cấu 
hình. Trong chương 2, một thiết kế anten tái cấu hình tần số áp dụng kỹ thuật thay 
đổi chiều dài phần tử bức xạ được đề xuất. Tiếp theo, chương 3 đề xuất một kỹ 
thuật và hai cấu trúc anten dựa theo kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng 
của anten. Một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số bằng kỹ thuật thay đổi cấu 
trúc của anten được trình bày ở trong chương 4. Phần cuối cùng của luận án là kết 
luận và hướng phát triển của đề tài. 
 TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH 
1.1 Giới thiệu chung 
Anten truyền thống có các thuộc tính như đồ thị bức xạ, băng tần hoạt động 
hay sự phân cực đều được thiết kế cố định. Đối với anten tái cấu hình, các thuộc 
tính này của anten có khả năng thay đổi được. Anten tái cấu hình được định nghĩa 
là anten có khả năng thay đổi đặc tính tần số, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết 
hợp các tham số này. 
1.2 Ưu nhược điểm của anten tái cấu hình 
1.2.1 Ưu điểm 
Anten tái cấu hình có một số ưu điểm như: giúp giảm kích thước cho thiết 
bị, cách ly tốt giữa các chuẩn không dây, loại bỏ nhiễu giữa các băng tần không 
dùng, giảm nhiều giữa các chuẩn không dây... Ngoài ra, anten tái cấu hình có độ 
linh hoạt cao giúp tiết kiệm phổ tần, tiết kiệm công suất và giảm nhiễu. 
3 
1.2.2 Nhược điểm 
Việc thiết kế một cấu trúc anten tái cấu hình sẽ phức tạp hơn. Ngoài ra, nếu 
số lượng phần tử điện tử tích hợp vào anten quá nhiều sẽ làm cấu trúc anten trở 
nên phức tạp và tăng suy hao. Việc tích hợp anten tái cấu hình vào hệ thống vô 
tuyến cũng là một thách thức. 
1.3 Các tham số quan trọng của anten liên quan đến hoạt động tái 
cấu hình 
1.3.1 Đáp ứng tần số 
Đáp ứng tần số của anten được định 
nghĩa là trở kháng đầu vào của anten theo 
tần số. 
1.3.2 Đặc tính bức xạ 
Đặc tính bức xạ được thể hiện thông 
qua đồ thị bức xạ, phân cực của anten 
chính, độ định hướng và hệ số tăng ích. 
1.4 Phân loại anten tái cấu hình 
Dựa vào sự thay đổi đổi các tham số của 
anten, anten tái cấu hình được phân loại 
như sau: 
- Anten tái cấu hình theo tần số; 
- Anten tái cấu hình theo đồ thị bức 
xạ; 
- Anten tái cấu hình theo phân cực; 
- Anten tái cấu hình kết hợp các loại 
trên. 
1.4.1 Anten tái cấu hình theo tần số 
Anten tái cấu hình theo tần số được 
hiểu là tần số cộng hưởng (hay băng tần 
làm việc) của anten. 
1.4.2 Anten tái cấu hình theo đồ thị 
bức xạ 
Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ 
có nghĩa là giản đồ phương hướng của 
anten được điều chỉnh theo mong muốn. 
Luận án đề xuất một anten tái cấu hình sử dụng diode PIN hoạt động ở tần 
số 5,8 GHz được ứng dụng để thu phí tự động trong hệ thống giao thông thông 
minh. Cấu trúc anten đề xuất được cho ở Hình 1.1. Anten có thể hoạt động ở ba 
cấu hình có đồ thị bức xạ khác nhau và cùng chung tần số cộng hưởng như Hình 
1.2. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten ở ba cấu hình khác nhau được biểu 
diễn trên Hình 1.3. 
Hình 1.1. Cấu trúc anten 
 Hình 1.2. Kết quả mô phỏng tham 
số |S11| của ba cấu hình 
4 
Cấu hình 1 Cấu hình 2 Cấu hình 3 
Hình 1.3. Đồ thị bức xạ 3D ở ba cấu hình 
1.4.3 Anten tái cấu hình theo phân cực 
Anten tái cấu hình theo phân cực cho phép thay đổi được phân cực của anten, 
bao gồm phân cực ngang/đứng, phân cực vòng trái hay phải. 
1.5 Anten MIMO tái cấu hình 
Anten MIMO tái cấu hình theo tần số được coi là một giải pháp tiềm năng 
cho hệ thống thông tin vô tuyến tương lai. 
1.6 Ứng dụng của anten tái cấu hình 
Anten tái cấu hình có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống như: 
vô tuyến nhận thức, thông tin vệ tinh thế hệ mới, các hệ thống MIMO, hệ thống 
thông tin di động, hệ thống WLAN, hệ thống giao thông thông minh 
1.7 Các phương pháp tái cấu hình anten 
1.7.1 Giới thiệu 
Dựa vào phương pháp thay đổi cấu trúc của anten, anten tái cấu hình được 
phân loại như Hình 1.4. 
Hình 1.4 Các kỹ thuật tái cấu hình anten 
1.7.2 Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch điện 
Tái cấu hình anten dựa vào chuyển mạch điện bao gồm PIN diode, FR-
MEMS, diode biến dung. Trong đó, PIN diode được sử dụng phổ biến hơn cả bởi 
tốc độ chuyển mạch cao, giá thành rẻ, độ cách ly tương đối tốt. 
1.7.3 Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch quang 
Chuyển mạch quang cũng là một giải pháp cho anten tái cấu hình. Tuy 
nhiên, chuyển mạch quang yêu cầu hệ thống kích hoạt phức tạp và chi phí đắt nên 
không được sử dụng phổ biến. 
Anten tái cấu hình 
 RF-MEMS PIN-Diode 
Diode biến dung, FET 
Diode quang Biến đổi cấu trúc Sắt, tinh thể lỏng 
Điện Quang Vật lý Thay đổi vật liệu 
5 
1.7.4 Tái cấu hình anten bằng thay đổi cấu trúc vật lý 
Anten tái cấu hình có thể được thực hiện bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý 
của thành phần bức xạ để thay đổi đặc tính bức xạ. Tuy nhiên, phương pháp này 
không được sử dụng rộng rãi do nhược điểm của nó là đáp ứng chậm, giá thành 
cao, kích thước và độ phức tạp của anten tăng do phải sử dụng cơ cấu tái cấu hình 
vào anten. 
1.7.5 Tái cấu hình anten bằng thay đổi vật liệu 
Anten tái cấu hình có thể sử dụng vật liệu có khả năng thay đổi đặc tính 
bằng tác động bên ngoài. Các anten tái cấu hình bằng cách thay đổi vật liệu thường 
bị giảm hiệu suất bức xạ. 
1.7.6 Đánh giá các phương pháp tái cấu hình anten 
Mỗi kỹ thuật được áp dụng cho anten tái cấu hình đều có những ưu nhược 
điểm riêng. Tuy nhiên, anten tái cấu hình sử dụng các chuyển mạch điện là phổ 
biến hơn cả bởi nó có nhiều ưu điểm kết hợp. Trong đó, PIN diode có ưu điểm về 
nguồn cấp điện bé, suy hao thấp, độ cách ly tốt, giá thành rẻ và tốc độ chuyển 
mạch nhanh nhất trong tất cả các chuyển mạch điện. 
1.8. Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số 
1.8.1 Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử 
bức xạ 
Tái cấu hình anten theo kỹ thuật thay đổi phần tử bức xạ là kỹ thuật phân bố 
lại dòng bề mặt của anten bằng cách thay đổi hình dạng hay độ dài của phần tử 
bức xạ của anten trong khi cấu trúc tiếp điện vẫn giữ nguyên. Một cấu trúc anten 
tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật này được đề xuất trong chương 2 của 
luận án. 
1.8.2 Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở 
kháng 
Tái cấu hình anten theo kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng chính là 
thay đổi hình dạng phần tử tiếp điện cho anten hay thay đổi trở kháng anten trong 
khi vẫn giữ nguyên cấu trúc bức xạ. 
1.8.3 Tái cấu hình anten theo phương pháp thay đổi cấu trúc anten 
 Ngoài hai kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số như được đề cập ở trên, 
một phương pháp khác để tái cấu hình anten đó là thay đổi cấu trúc anten. Kỹ 
thuật này được áp dụng trong anten tái cấu hình theo tần số được đề xuất ở chương 
4 của luận án. 
1.9 Kết luận chương 1 
Chương 1 trình bày tổng quan về anten tái cấu hình, các phương pháp tái cấu 
hình anten, các kỹ thuật để tái cấu hình anten theo tần số bao gồm kỹ thuật tái cấu 
hình anten bằng cách điều chỉnh độ dài của phần tử bức xạ, thay đổi mạng phối 
hợp trở kháng và thay đổi cấu trúc anten. Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần 
số là cơ sở để phân tích, thiết kế các anten tái cấu hình được trình bày trong các 
chương tiếp theo của luận án. 
6 
 ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ 
THUẬT THAY ĐỔI CHIỀU DÀI PHẦN TỬ BỨC XẠ 
2.1 Giới thiệu chương 
Chương 2 trình bày một thiết kế anten monopole tái cấu hình theo tần số cấp 
điện kiểu đồng phẳng với ba cấu hình khác nhau, tạo ra ba băng tần khác nhau 
với các tần số cộng hưởng là 2,1GHz, 2,6 GHz và 3,3 GHz. Ưu điểm của anten là 
kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo. 
2.2 Các bước thiết kế anten monople tái cấu hình theo tần số cấp 
điện đồng phẳng 
Đầu tiên, một anten đơn cấp điện kiểu đồng 
phẳng được thiết kế cộng hưởng ở tần số 2,1 
GHz. Tiếp theo, bằng cách thay đổi trạng thái 
của diode nhờ vào nguồn cấp điện một chiều, 
anten được tính toán để cộng hưởng ở các tần 
số tiếp theo là 2,6 GHz và 3,3 GHz. 
2.3. Thiết kế anten monople tái cấu 
hình theo tần số cấp điện đồng phẳng 
2.3.1 Cấu trúc anten 
Cấu trúc anten monopole tái cấu hình 
theo tần số có cấu trúc đối xứng như trên Hình 
2.1. 
2.3.2 Tính toán kích thước anten 
Đầu tiên, phần cấp điện CPW cho anten 
được thiết kế. Tiếp theo, kích thước của anten 
và chiều dài của phần tử bức xạ được tính theo công thức lý thuyết, sau đó được 
tối ưu bằng phần mềm CST. Kích thước tổng của anten sau khi tối ưu là 24 ×
34 × 1,6 𝑚𝑚3 với kích thước chi tiết ở Bảng 2.1. 
Bảng 2.1. Kích thước chi tiết của anten monopole tái cấu hình theo tần số 
Tham số W L wf ws a m 
Giá trị (mm) 24 34 3 3 1 1 
Tham số g L1 L2 L3 L4 Lg 
Giá trị (mm) 0,3 5 9 7,5 16 16 
2.4. Nguyên lý hoạt động của anten đơn cực cấp điện đồng phẳng tái 
cấu hình theo tần số 
Để tái cấu hình anten, chiều dài của các thanh bức xạ thay đổi bằng cách 
thay đổi trạng thái chuyển mạch của diode. Chiều dài của thanh bức xạ thay đổi 
để đạt được ba cấu hình anten khác nhau, gọi là S1, S2 và S3. 
 Hình 2.1. Cấu trúc anten 
7 
2.4.2 Phân bố dòng bề mặt 
Hình 2.2 biểu diễn phân bố dòng bề mặt của anten ở cả ba cấu hình. 
 (a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c) Câu hình S3 
Hình 2.2 Phân bố dòng bề mặt của các thanh bức xạ ở các cấu hình khác nhau 
2.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 
Hình ảnh mẫu anten đề xuất được chế tạo như trong 
Hình 2.3. Hình 2.4 (a) - (c) là kết quả mô phỏng và đo đạc 
mô-đun hệ số suy hao phản hồi ở cả ba trạng thái của anten 
tái cấu hình. Kết quả mô phỏng và đo đạc cho thấy, anten có 
thể hoạt động ở ba cấu hình tần số khác nhau với tần số cộng 
hưởng trung tâm là 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,3 GHz. 
Hình 2.3. Mẫu anten chế tạo 
(a) Cấu hình S1 
(b) Cấu hình S2 
(c) Cấu hình S3 
Hình 2.4. Kết quả đo và mô phỏng của độ lớn hệ số phản xạ ở ba cấu hình 
Hình 2.5 (a) - (c) biểu diễn đồ thị bức xạ 2D của anten đề xuất ở 3 cấu hình 
khác nhau. 
(a) Cấu hình S1: 2,1 GHz 
(b) Cấu hình S2: 2,6 GHz 
8 
(c) Cấu hình S3: 2,1 GHz 
(d) Cấu hình S3: 2,1 GHz 
Hình 2.5. Đồ thị bức xạ 2D mặt phẳng XZ và YZ ở ba cấu hình khác nhau 
2.6 Kết luận chương 2 
Chương 2 trình bày quá trình thiết kế cũng như các kết quả mô phỏng, đo 
đạc thực nghiệm của anten đơn cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số ứng 
dụng cho UMTS, LTE và Wi ... 
ls1 12 11,8 
S3 
we2 Tự chọn 2 
le2 18 18 
S4 
ws2 Tự chọn 1 
ls2 16,2 16,7 
x2 8,6 8,5 
3.3.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 
Hình 3. so sánh kết quả đo và kết quả mô phỏng của hệ số phản xạ của 
anten tái cấu hình đề xuất ở mỗi cấu hình. 
16 
(a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 
 (c)Cấu hình S3 (d) Cấu hình S4 
Hình 3.14. Kết quả đo và mô phỏng của |S11| ở các cấu hình 
Đồ thị bức xạ phương hướng của anten đơn cực với bốn cấu hình khác nhau 
tại các tần số 5,1GHz, 5,8 GHz, 3,3 GHz và 2,4 GHz lần lượt được biểu diễn trên 
hình trên Hình 3. (a), (b). 
 (a) (b) 
17 
 (c) (d) 
Hình 3.15. Đồ thị bức xạ 2D (XZ, YZ) ở trạng thái: (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4 
3.3.4 Thảo luận và đánh giá 
Bảng 3.6. Tổng hợp các tham số của anten đơn cực tái cấu hình đề xuất 
Cấu hình 
Tần số cộng 
hưởng (GHz) 
Băng 
thông (%) 
Hệ số tăng ích 
(dB) 
Hiệu suất bức 
xạ tổng 
S1 5,1 28 2,8 78 
S2 5,8 25 2,2 70 
S3 2,4 20 1,5 79 
S4 3,3 13 1,4 69 
Áp dụng kỹ thuật điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng, cụ thể ở đây là thay 
đổi thành phần dẫn sóng của anten và kết hợp với thay đổi phần tử bức xạ, một 
cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình theo tần số đã được đề xuất. Anten có thể hoạt 
động ở bốn cấu hình khác nhau với các tần số cộng hưởng lần lượt là 5,1GHz, 5,8 
GHz, 2,4 GHz và 3,3 GHz tương ứng với băng thông đạt 28%, 25%, 20%, 13%. 
Hệ số tăng ích cực đại của anten ở bốn cấu hình khác nhau lần lượt là 1,5 dBi, 1,4 
dBi, 2,8 dBi và 2,2 dBi ở tần số 2,4 GHz, 3,3 GHz, 5,1 GHz và 5,6 GHz. Anten 
có kích thước nhỏ gọn, chỉ 30 × 40 × 1,6mm3, cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo. 
3.4 Kết luận chương 3 
Chương 3 đã đề xuất một kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA 
bằng cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng cụ thể là thay đổi vị trí SP của anten 
PIFA được đề xuất. Áp dụng kỹ thuật đề xuất, một cấu trúc anten PIFA MIMO 
tái cấu hình theo tần số được đề xuất. Bằng cách thay đổi vị trí SP thông qua các 
chuyển mạch PIN diode, anten có thể hoạt động ở bốn cấu hình khác nhau với tần 
số khác nhau. Đồng thời, một cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình theo tần số áp 
dụng kết hợp kỹ thuật điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng và kỹ thuật thay đổi 
chiều dài phần tử bức xạ được đề xuất cho ứng dụng WLAN/WiMax. Anten có 
thể hoạt động được ở bốn cấu hình khác nhau với các tần số cộng hưởng trung 
tâm lần lượt là 5,1GHz, 5,8 GHz, 2,4 GHz và 3,3 GHz. Ưu điểm của anten là cấu 
trúc đơn giản, dễ chế tạo với kích thước nhỏ gọn. Kết quả mô phỏng và đo đạc 
cho thấy tiềm năng ứng dụng của anten trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận 
thức trong tương lai. 
18 
 THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ 
BẰNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CẤU TRÚC ANTEN 
4.1 Giới thiệu chương 
Chương 4 đề xuất một thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số có thể 
hoạt như là anten PIFA, anten vòng và anten monopole. Anten MIMO bao gồm 
hai anten đơn tái cấu hình, mỗi anten đơn sử dụng hai PIN diode ở mặt phẳng đất. 
Ưu điểm của anten là nhỏ gọn với kích thước của anten MIMO chỉ 51 × 53 ×
0,8 𝑚𝑚3, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo. Đặc biệt, mạch phân cực cho các diode 
PIN đơn giản, không sử dụng tụ giúp giảm suy hao cho anten. 
(a) (b) 
(c) 
Hình 4.1. Cấu trúc của anten đơn tái cấu hình theo tần số: 
(a) cấu trúc tổng quan (màu đậm biểu thị phần tử bức xạ ở mặt trước và màu 
nhạt biểu thị đất và thanh nối ở mặt sau), (b) Mặt dưới với các diode PIN 
được tích hợp, (c) Phần tử bức xạ ở mặt trên 
4.2. Các bước thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ứng 
dụng cho UMTS, LTE 
Các bước thiết kế anten MIMO tái cấu hình cho ứng dụng UMTS/LTE bao 
gồm các bước sau. Đầu tiên, một anten PIFA được thiết kế hoạt động ở tần số 1,9 
GHz. Tiếp theo, các vị trí diode và kích thước của phần tử bức xạ được xác định 
đặt vào anten để anten chuyển sang cấu hình anten đơn cực khi hoạt động ở tần 
số 2,6 GHz. Cấu hình cuối cùng, anten hoạt động với cấu trúc dạng vòng ở tần số 
2,4 GHz. Độ dài của phần tử bức xạ được tính toán theo lý thuyết và sau đó được 
tối ưu bằng phần mềm. 
19 
4.3 Thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số 
4.3.1 Thiết kế một phần tử anten PIFA tái cấu hình theo tần số 
4.3.1.1 Cấu trúc anten 
Cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số được để xuất bao gồm phần tử 
bức xạ, đế điện môi và mặt phẳng như ở hình 4.1 
4.3.1.2 Nguyên lý hoạt động 
Anten có thể hoạt động ở ba cấu hình gồm S1, S2, S3 tùy vào trạng thái của 
các diode D1 và D2. Bảng 4.1 mô tả các cấu hình anten khác nhau với các trạng 
thái của PIN diode. 
Bảng 4.1. Trạng thái của diode PIN ở các cấu hình khác nhau 
Cấu hình 
Cấu trúc 
anten 
Diode 
D1 
Diode 
D2 
Tần số cộng hưởng 
trung tâm 
(GHz) 
Cấu hình 1 (S1) PIFA BẬT NGẮT 1,9 
Cấu hình 2 (S2) Anten đơn cực NGẮT NGẮT 2,6 
Cấu hình 3 (S3) 
Anten dạng 
vòng 
NGẮT BẬT 2,3 
4.3.1.3 Các bước tính toán 
Đầu tiên, một anten PIFA đơn hoạt động ở tần số cố định với 𝑓𝑃𝐼𝐹𝐴 =
1,9 GHz được thiết kế. Kích thước của phần tử bức xạ sau khi tính toán theo lý 
thuyết và được mô phỏng tối ưu là Wp x Lp = 25 x 13 mm2. 
Ở cấu hình S2, anten hoạt động như là cấu trúc anten đơn cực, kích thước 
của phần tử bức xạ của cấu trúc đơn cực được chọn để anten cộng hưởng ở 
fmpole = 2,6 GHz: 
 2 ∗ WP + L3 + L4 + L5 + S + h =
3λmpole
′
4
 (4.1) 
trong đó, λmpole
′ là bước sóng ở tần số cộng hưởng của anten đơn cực ở tần số 
2,6 GHz. 
Ở cấu hình S3, anten hoạt động như là anten dạng vòng, tổng chiều dài điện 
của phần tử bức xạ xấp xỉ một nửa bước sóng ở tần số thiết kế floop = 2,3 GHz. 
 2 ∗ WP + L3 + L4 + L5 + S + L6 + h =
λloop
′
2
 (4.2) 
4.3.2 Thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số 
Anten MIMO tái cấu hình theo tần số có cấu trúc đối xứng gồm hai anten 
đơn tái cấu hình đề xuất ở trên được đặt cạnh nhau với khoảng cách cạnh – cạnh 
là d = 1mm như trong Hình 4.2. Kích thước tổng của anten MIMO tái cấu hình 
bao gồm cả mặt phẳng đất chỉ 51 × 53 × 0,8 mm3. 
Hình 4.3 là mẫu anten MIMO tái cấu hình được chế tạo trên nền đế điện 
môi FR4. 
20 
Hình 4.2. Cấu trúc anten MIMO tái cấu hình 
đề xuất 
Hình 4.3. Mẫu anten PIFA tái 
cấu hình 
4.4. Kết quả và thảo luận 
4.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của khe đến độ cách ly giữa các phần tử 
Hình 4.4 biểu diễn tham số S của anten MIMO ở trạng thái S1 trong trường 
hợp không có khe xẻ rãnh ở mặt phẳng đất của anten MIMO với khoảng cách d 
giữa hai phần tử anten được thay đổi từ 1 mm đến 15 mm. 
Hình 4.4. Tham số tán xạ S của anten 
MIMO tái cấu hình ở cấu hình S1 khi 
khoảng cách giữa hai phần tử anten thay 
đổi từ 1mm đến 15mm 
Hình 4.5. Tham số S của anten MIMO 
trong trường hợp không có khe 
Để giảm tương hỗ khi hai phần tử trong anten MIMO tái cấu hình đề xuất 
đặt gần nhau, một khe xẻ rãnh được thêm vào mặt phẳng đất. Hình 4.5 biểu diễn 
kết quả mô phỏng của tham số S ở khoảng cách d = 1mm và so sánh trong trường 
hợp không có khe ở cấu hình S1. 
21 
4.4.2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tham số của anten MIMO 
tái cấu hình 
Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số |S11| của anten MIMO tái cấu hình ở 
cả ba trạng thái S1, S2, S3 được thể hiện lần lượt ở Hình 4.6 (a), 4.7 (a) và 4.8 (a). 
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của tham số S ở cả ba cấu hình khá tương 
đồng. Hình 4.6 (b), 4.7 (b) và 4.8 (b) biểu diễn đồ thị bức xạ 2D của anten MIMO 
với cổng 1 được kích hoạt ở cả ba cấu hình tại tần số cộng hưởng là 1,9 GHz, 2,3 
GHz và 2,6 GHz trên mặt phẳng XY và XZ. Hệ số tăng ích cực đại của anten 
MIMO là 1,55 dBi, 1,81 dBi, 0,87 dBi tương ứng với cấu hình S1, S2, S3 tại tần 
số cộng hưởng trung tâm. 
(a) 
 (b) 
Hình 4.6. Cấu hình S1 của anten MIMO tái cấu hình: (a) Kết quả mô phỏng và 
thực nghiệm tham số S , (b) Đồ thị bức xạ 2D ở mặt phẳng YZ và XZ 
(a) 
(b) 
Hình 4.7. Cấu hình S2 của anten MIMO tái cấu hình: (a) Kết quả mô phỏng và 
thực nghiệm tham số S , (b) Đồ thị bức xạ 2D ở mặt phẳng XY và XZ 
22 
(a) 
(b) 
Hình 4.7. Cấu hình S3 của anten MIMO tái cấu hình: (a) Kết quả mô phỏng và 
thực nghiệm tham số S , (b) Đồ thị bức xạ 2D ở mặt phẳng XY và XZ 
Bảng 4.2. Tóm tắt kết quả mô phỏng của anten MIMO tái cấu hình 
Cấu hình 
Tần số cộng 
hưởng trung 
tâm, GHz 
Băng thông -10 
dB, MHz 
Hệ số 
tăng ích 
cực đại, 
dBi 
Hiệu 
suất bức 
xạ, % 
Ứng dụng 
Cấu hình S1 1,9 
300 
(từ 1830 đến 
2140) 
1,55 87 UMTS 
Cấu hình S2 2,3 
166 
(từ 2024 đến 
2400) 
1,81 78 LTE 2,3 GHz 
Cấu hình S3 2,6 
140 
(từ 2500 đến 
2640) 
0,87 69 LTE 2,6 GHz 
Bảng 4.2 tóm tắt các kết quả mô phỏng của anten ở ba trạng thái của anten 
MIMO tái cấu hình bao gồm tần số cộng hưởng trung tâm, băng tần hoạt động, 
hiệu suất bức xạ, hệ số tăng ích cực đại và ứng dụng của anten. 
4.5 Kết luận chương 4 
Chương này đã đề xuất một anten MIMO 2x1 tái cấu hình theo tần số sử 
dụng hai diode PIN cho mỗi phần tử để đạt được 3 cấu hình hoạt động khác nhau. 
Mỗi cấu hình là một cấu trúc anten gồm anten PIFA, anten đơn cực và anten dạng 
vòng. Anten có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn, chỉ 51 × 53 × 0,8 mm3 
bao gồm cả mặt phẳng đất và mạch phân cực cấp nguồn cho diode đơn giản, không 
sử dụng tụ giúp giảm tổn hao cho anten. Hệ số tương hỗ của anten được giảm nhỏ 
nhờ cấu trúc xẻ rãnh ở mặt phẳng đất, với tham số |S21| < -20 dB trong cả ba cấu 
hình. 
23 
KẾT LUẬN CHUNG 
Luận án đã trình bày tổng quan về anten tái cấu hình trong chương 1 gồm 
các đặc điểm của anten tái cấu hình, các kỹ thuật tái cấu hình anten, từ đó làm cơ 
sở lý thuyết để đề xuất các kỹ thuật và cấu trúc anten tái cấu hình được trình bày 
trong luận án. 
Luận án đề xuất một kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng 
cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng, cụ thể là thay đổi vị trí SP của anten. Kỹ 
thuật này có thể áp dụng cho tất cả các cấu trúc anten PIFA và có thể điều chỉnh 
tần số mong muốn một cách dễ dàng, cho phép tăng số lượng cấu hình lên mà 
không làm tăng kích thước của anten. Áp dụng kỹ thuật tái cấu hình anten bằng 
cách dịch SP, một cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số được đề 
xuất với kích thước phần tử bức xạ nhỏ gọn. Bằng cách chuyển mạch các diode 
PIN được kết nối với các SP, anten PIFA MIMO có thể hoạt động ở bốn cấu hình 
với các tần số trung tâm lần lượt là 0,85 GHz, 1,575 GHz, 1,9 GHz và 2,1 GHz. 
Kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng kết quả đo đạc với giá trị mô phỏng và 
đo đạc khá tương đồng với nhau. Một cấu trúc anten tái cấu hình khác cũng sử 
dụng phương pháp thay đổi mạng phối hợp trở kháng kết hợp với thay đổi phần 
tử bức xạ được đề xuất trong luận án. Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản, kích 
thước nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo được hệ số tăng ích đạt yêu cầu. Tần số cộng 
hưởng được tính toán và điều chỉnh thông qua kích thước và độ dài của thanh 
chêm cũng như thanh bức xạ nối vào anten, do vậy việc điều chỉnh tần số cộng 
hưởng theo mong muốn hoàn toàn có thể thực hiện được. 
Luận án cũng đã đề xuất một cấu trúc anten đơn cực cấp điện đồng phẳng 
tái cấu hình theo tần số khác. Bằng cách thay đổi trạng thái của các chuyển mạch 
diode PIN được tích hợp giữa các phần tử bức xạ con, chiều dài của phần tử bức 
xạ được tính toán thay đổi để điều chỉnh được tần số cộng hưởng của anten theo 
mong muốn. Anten có thể hoạt động ở ba cấu hình với tần số cộng hưởng trung 
tầm lần lượt là 2,1 GHz, 2,6 GHz và 3,3 GHz. Anten có cấu trúc đơn giản, kích 
thước nhỏ gọn (24×34 mm2) với hệ số tăng ích cực đại đạt 1,2 dBi, 1,9 dBi, 2,0 
dBi ở các tần số cộng hưởng. Với các tham số này, anten có thể được ứng dụng 
cho các thiết bị cầm tay trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới. 
Ngoài ra, một cấu trúc anten MIMO tái cấu hình theo tần số khác được đề 
xuất bằng cách thay đổi cấu trúc anten. Với ba cấu hình là ba cấu trúc anten khác 
nhau, bao gồm anten PIFA, anten đơn cực và anten dạng vòng, tần số cộng hưởng 
được thay đổi lần lượt là 1,9 GHz, 2,3 GHz và 2,6 GHz. Anten sử dụng 2 diode 
PIN cho mỗi phần tử để tái cấu hình với mạch phân cực cho diode đơn giản, không 
sử dụng tụ điện nhằm giảm suy hao cho anten. Anten MIMO tái cấu hình theo tần 
số có độ cách ly cao, đạt |S21| < -20 dB ở cả ba cấu hình hoạt động trong khi 
khoảng cách cạnh – cạnh giữa các phần tử rất gần nhau, chỉ 1 mm. Với băng tần 
hoạt động của ứng dụng UMTS, LTE, tương hỗ thấp và kích thước tổng của anten 
MIMO tái cấu hình khá nhỏ, chỉ 51 × 53 × 0,8 mm3, anten hoàn toàn phù hợp 
cho các thiết bị cầm tay, đặc biệt là điện thoại. 
24 
Như vậy, luận án đã đề xuất kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số và một 
số cấu trúc anten tái cấu hình bao gồm cấu trúc anten tái cấu hình theo tần số bằng 
cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng, thay đổi chiều dài phần tử bức xạ và thay 
đổi cấu trúc anten. Các đề xuất góp phần làm phong phú kỹ thuật tái cấu hình theo 
tần số cho anten PIFA, đồng thời có thể tạo ra các anten đơn, anten MIMO tái cấu 
hình đơn giản, nhỏ gọn cho mọi ứng dụng mong muốn. 
Hướng phát triển của luận án 
Các hướng phát triển tiếp theo của luận án bao gồm: 
- Áp dụng nguyên lý siêu vật liệu để giảm nhỏ kích thước cho anten đơn tái 
cấu hình hoặc giảm tương hỗ cho anten MIMO tái cấu hình; 
- Nghiên cứu đề xuất các cấu trúc anten tái cấu hình kết hợp theo tần số, đồ 
thị bức xạ, phân cực. 
 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 
1. Hoang Thi Phuong Thao, Vu Thanh Luan, Nguyen Canh Minh, 
Bernard Journet, Vu Van Yem (2017) A company frequency 
reconfigurable MIMO antenna with low mutual coupling for UMTS and 
LTE applications. Advanced Technologies for Communications (ATC) 
2017 International Conference on, pp. 174-179, ISSN 2162-1039, DOI: 
10.1109/ATC.2017.8167612 
2. Hoàng Thị Phương Thảo, Vũ Văn Yêm (2017) A design of frequency 
reconfigurable CPW-fed antenna using PIN diode for wireless 
applications. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 12 
(109), pp. 34–38, ISSN 1859-1531. 
3. Hoàng Thị Phương Thảo, Vũ Văn Yêm (2017) Design of a novel 
radiation pattern reconfigurable antenna for electronic toll collection 
in intelligent transport system. Tạp Chí khoa học và Công nghệ, ĐH 
Điện lực, số 12, 6/2017, pp. 59-66, ISSN 1859 - 4557. 
4. Hoang Thi Phuong Thao, Vu Thanh Luan, Vu Van Yem (2016) 
Design of compact frequency reconfigurable planar invert-F antenna 
for green wireless communications. IET Communications, pp.2567-
2574, ISSN 1751-8636, DOI: 10.1049/ iet-com.2016. 0267 (SCI). 
5. Hoang Thi Phuong Thao, Trinh Van Son, Nguyen Van Doai, Nguyen 
Trong Duc, Vu Van Yem (2015) A Novel Frequency Reconfigurable 
Monopole Antenna Using PIN diode for WLAN/WiMax Applications. 
International Conference on Computing, Management & 
Telecommunications, pp.2567-2574, DOI: 
10.1109/ComManTel.2015.7394281. 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 
6. Hoàng Thị Phương Thảo, Dương Thị Thanh Tú, Vũ Thành Luân, 
Trương Ngọc Tân, Vũ Văn Yêm (2014), “Nghiên cứu cải thiện băng 
thông ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số”, Hội thảo Quốc gia về Điện 
tử, truyền thông và công nghệ thông tin ECIT. 
-