Anten tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng ứng dụng cho các thiết bị cầm tay

ILE HANDSET 
Hoàng Thị Phương Thảo 
Trường Đại học Điện lực 
Ngày nhận bài: 09/02/2020, Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2020, Phản biện: TS. Nguyễn Anh Quang 
Tóm tắt: 
Bài báo đề xuất một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng. Bằng cách sử 
dụng hai chuyển mạch điôt, anten có thể hoạt động ở bốn cấu hình tần số khác nhau lần lượt là 
2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz và 3,5 GHz. Để giảm nhỏ kích thước đồng thời tăng phối hợp trở kháng 
cho anten, một cấu trúc OSRR được tích vào phần tử bức xạ của anten. Với dải tần thiết kế, anten 
có thể ứng dụng cho thiết bị cầm tay phục vụ dải tần LTE hoặc các dải tần khác. Anten được thiết kế 
trên nền đế điện môi FR4 và được mô phỏng bằng phần mềm CST. 
Từ khóa: 
Anten tái cấu hình, CPW, OSRR, tái cấu hình theo tần số. 
Abstract: 
This paper presents a proposed CPW fed frequency reconfigurable antenna. By switching two PIN 
diodes, the antenna can operate at four configurations at 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz, and 3,5 GHz. 
In order to reduce its dimensions, OSRR structures are integrated in the radiator. The antenna can 
be used for mobile handsets at LTE band and others. It is designed on FR4 substrate and simulated 
by CST software. 
Keywords: 
Reconfigurable antenna, CPW, OSRR, frequency reconfigurable PIFA, OSRR. 
1. MỞ ĐẦU 
Xu hướng thiết kế các phần tử siêu cao 
tần hiện nay là “N trong một”, có nghĩa là 
N tính năng trong một phần tử và anten 
cũng không ngoại lệ. Khái niệm anten tái 
cấu hình theo tần số được hiểu là một 
anten có thể cung cấp cho nhiều chuẩn tần 
số khác nhau thay thế cho nhiều anten 
đơn. Tuy nhiên, khác với anten băng rộng, 
các chuẩn tần số mà anten tái cấu hình 
cung cấp có thể không đồng thời. Nghĩa là 
một anten tái cấu hình theo tần số chuyển 
sang các cấu hình khác nhau để “nhảy 
tần” nhằm sử dụng các băng tần trống. 
Điều này giúp cho việc sử dụng phổ tần 
số hiệu quả hơn mà lại giảm được nhiễu ở 
các kênh lênh lân cận hơn so với việc sử 
dụng anten băng rộng, đồng thời có thể 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
58 Số 22 
thay thế nhiều anten đơn giúp giảm kích 
thước cho thiết bị cầm tay. Việc chuyển 
đổi các cấu hình anten được thực hiện 
bằng nhiều cách khác nhau, trong đó tích 
hợp các chuyển mạch điện tử vào anten 
như điôt PIN, chuyển mạch MEMS là một 
phương pháp phổ biến và được đánh giá 
có nhiều ưu điểm nhất [1]. Tuy nhiên, 
nhược điểm của việc tích hợp các linh 
kiện điện tử vào anten là làm cho cấu trúc 
anten trở nên phức tạp, và làm tăng suy 
hao trong anten. Đã có rất nhiều công 
trình công bố về anten tái cấu hình theo 
tần số với nhiều thành tựu đáng kể. Tuy 
nhiên, tiếp tục giảm nhỏ kích thước cho 
anten tái cấu hình theo tần số cũng như sử 
dụng hiệu quả số linh kiện điện tử tích 
hợp vào anten vẫn là vấn đề hiện nay 
đang được quan tâm. Các anten tái cấu 
hình đã công bố được phát triển dựa trên 
các cấu trúc truyền thống như anten đơn 
cực [2], anten xoắn [3], anten PIFA [4-6] 
và các kiểu cấp điện khác nhau trong đó 
có anten cấp điện đồng phẳng CPW (Co-
Planar Waveguide) [5-7]. Trong đó, anten 
cấp điện theo phương pháp CPW được sử 
dụng khá phổ biến bởi những ưu điểm 
như dễ chế tạo, nhỏ gọn, không cần khoan 
lỗ như cấp điện bằng cáp đồng trục, 
suy hao thấp [8]. Anten cấp điện bằng 
CPW đề xuất ở trong [5] hoạt động ở tần 
số nhỏ nhất là 2,47 GHz nhưng kích 
thước tổng l36×45 mm2, lớn hơn nhiều 
so với anten đề xuất. Một anten khác đề 
xuất trong [6] có kích thước lên đến 
60×69 mm
2
 trong khi tần số cộng hưởng 
trung tâm ở dải tần nhỏ nhất là 5,0 GHz, 
lớn hơn rất nhiều so với anten đề xuất. 
Anten đề xuất trong [7] hoạt động ở tần 
số trung tâm nhỏ nhất là 3,36 GHz với 
kích thước 12,4×18,5 mm, có kích thước 
tổng xấp xỉ 0,3, với  là bước sóng ở tần 
số cộng hưởng, nhỏ hơn so với anten đề 
xuất (0,4). Tuy nhiên, anten trong [7] chỉ 
đạt hệ số tăng ích 0,2 dBi ở tần số 3,36 
GHz, thấp hơn nhiều so với anten đề xuất. 
Bài báo đề xuất một cấu trúc anten vi dải 
cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần 
số, gồm 4 cấu hình hoạt động ở các tần số 
trung tâm 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz và 
3,5 GHz có thể ứng dụng cho các thiết bị 
đầu cuối thông tin di động cho các băng 
tần 4 G LTE (Long Term Evolution) và 
các băng tần khác. Để đạt được 4 cấu 
hình, anten chỉ dùng 2 chuyển mạch điôt 
PIN nhằm giảm sự phức tạp cho cấu trúc 
anten cũng như giảm chi phí khi chế tạo. 
Anten đạt hệ số tăng ích lần lượt là 1,45 
dBi, 1,37 dBi, 1,66 dBi và 1,77 dBi ở cấu 
hình tần số tương ứng 2,1 GHz, 2,6 GHz, 
3,0 GHz và 3,5 GHz. Khi tần số thay đổi 
giữa bốn cấu hình, dạng đồ thị bức xạ của 
anten hoàn toàn không thay đổi. 
Các phần sau của bài báo gồm: phần 2 
trình bày về thiết kế anten cấp điện đồng 
phẳng tái cấu hình theo tần số, phần 3 là 
các kết quả đạt được và phần cuối cùng là 
kết luận của bài báo. 
2. THIẾT KẾ ANTEN PIFA TÁI CẤU 
HÌNH SỬ DỤNG ĐIÔT PIN TÍCH HỢP 
CẤU TRÚC CSRR 
2.1. Cấu trúc anten 
Anten tái cấu hình theo tần số đề xuất có 
cấu trúc đối xứng. Anten gồm phần cấp 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 59 
điện là ống dẫn sóng đồng phẳng và các 
thanh bức xạ được in một mặt trên lớp đế 
điện môi FR4 có độ dày là 1,6 mm. Phần 
bức xạ được in trên bề mặt điện môi, hai 
điôt SMP1345 được sử dụng để ngắt hoặc 
nối giữa các thanh bức xạ nhằm tạo ra bốn 
cấu hình anten khác nhau. 
(a) 
(b) 
(c) 
Hình 1. Cấu trúc anten tái cấu hình tích hợp cấu 
trúc OSRR: (a) Cấu trúc phần cấp điện đồng 
phẳng; (b) Cấu trúc OSRR; (c) Cấu trúc anten tái 
cấu hình mặt trên và mặt cạnh 
Giới hạn tần số của các PIN là từ 10 MHz 
đến 6 GHz, phù hợp với yêu cầu đối với 
băng tần thiết kế. Ngoài ra, để giảm nhỏ 
kích thước của anten cũng như tăng khả 
năng phối hợp trở kháng, 3 cấu trúc vòng 
cộng hưởng hở OSRR (Open Split Ring 
Resonator) được sử dụng. Cấu trúc của 
phần cấp điện, OSRR và anten như trên 
hình 1. 
2.2. Tính toán kích thước anten 
Đầu tiên, phần cấp điện CPW cho anten 
được tính toán với độ dày của đế điện môi 
là h, độ rộng khe hở là g và độ rộng của 
đường tiếp điện là Wf sao cho trở kháng 
đặc trưng của đường truyền là 50  và 
thỏa mãn công thức (1): 
𝑍0 =
30 
√𝜖𝑒𝑓𝑓
𝐾(𝑘0
′ )
𝐾(𝑘0)
 (1) 
trong đó, 
𝑒 = 1 +
(𝑟1−1)
2
𝐾(𝑘1)
𝐾(𝑘1
′ )
𝐾(𝑘0
′ )
𝑘(𝑘0)
 (2) 
và hàm 𝐾(𝑘0), 𝐾(𝑘
’
0), 𝐾(𝑘1), 𝐾(𝑘’1) là 
hàm tích phân elip đầy đủ với r1 là hằng 
số điện môi xấp xỉ 4,4. 
 𝑘0 =
𝑊𝑓
𝑊𝑓+2𝑔
 (3) 
𝑘′0 = √(1 − 𝑘0
2) (4) 
𝑘1 =
sinh (
𝜋𝑊𝑓
4ℎ1
)
sinh {
[ (𝑊𝑓+2𝑔)]
4ℎ
}
 (5) 
𝑘′1 = √(1 − 𝑘1
2) (6) 
Sau khi tính toán kích thước của phần cấp 
điện, kích thước của đường truyền được 
tối ưu bằng phần mềm CST như trong 
bảng 1. 
Wf
g h 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
60 Số 22 
Tiếp theo, chiều dài của phần tử bức xạ l 
ở mỗi trạng thái được điều chỉnh và luôn 
xấp xỉ bằng một phần tư bước sóng ở tần 
số cộng hưởng cần thiết kế theo công thức 
sau đây: 
 𝑙 =
𝑟
′
4
 (7) 
trong đó, 𝑟
′
 là bước sóng hiệu dụng tại 
tần số cần thiết kế 𝑓𝑟 ; 𝑒 là hằng số điện 
môi hiệu dụng ; c0 là vận tốc ánh sáng và 
𝑟
′
 được tính theo công thức sau: 
𝑟
′ =
𝑐0
𝑓𝑟√𝑒
 (8) 
Trong phần này, chiều dài L1 của thanh 
bức xạ đầu tiên và cũng là vị trí đặt điôt 
D1 được tính toán thiết kế để hoạt động 
được ở tần số 3,5 GHz. Sau đó, vị trí điôt 
D2 được đặt cách điểm tiếp điện một 
khoảng L2 được tính toán để tạo ra thanh 
bức xạ có độ dài điện tương ứng với một 
phần tư bước sóng ở tần số 2,6 GHz, độ 
dài L3 và miếng bức xạ hình chữ nhật trên 
cùng được xác định để anten cộng hưởng 
ở tần số 2,1 GHz. Cấu hình cuối cùng 
được tạo nên từ việc tắt, bật các điôt để 
hoạt động ở tần số 3,0 GHz. 
Bảng 1. Kích thước của anten (mm) 
Tham số W L h Wf g 
Giá trị 22 36 1,6 3 0,3 
Tham số Lg L1 L2 L3 WP 
Giá trị 5 17,9 26,6 30,1 14 
Tham số d r1 r2 e 
Giá trị 10,6 1,33 1,73 0,2 
Các kích thước chính của anten được tính 
toán theo công thức trên, các kích thước 
còn lại sẽ được chọn và sau đó được mô 
phỏng và tối ưu bằng phần mềm CST 
Microwave kết hợp với CST Design. 
Kích thước tổng của anten sau khi tối ưu 
là 22×36×1,6 mm
và các giá trị sau khi 
tối ưu cho anten đề xuất được chỉ ra ở 
bảng 1. 
2.3. Nguyên lý hoạt động 
Nguyên lý hoạt động của anten tuân theo 
nguyên lý thay đổi chiều dài bức xạ để 
thay đổi tần số cộng hưởng. Vì thế, để tái 
cấu hình anten, chiều dài của các thanh 
bức xạ thay đổi bằng cách thay đổi trạng 
thái chuyển mạch của điôt. Khi cấp cho 
điôt một điện áp thuận thì điôt ở trạng thái 
“BẬT”, khi đó hai thanh bức xạ giữa điôt 
này được nối với nhau làm cho chiều dài 
điện của thanh bức xạ tăng lên. Ngược lại, 
khi cấp một điện áp ngược cho điôt thì 
điôt ở trạng thái “NGẮT”, khi đó, hai 
thanh bức xạ sẽ ngắt kết nối với nhau làm 
giảm chiều dài điện. Bằng cách này, chiều 
dài của thanh bức xạ thay đổi để đạt được 
ba cấu hình anten khác nhau, gọi là S1, 
S2, và S3. Trạng thái của điôt được mô tả 
như trong bảng 2. 
Bảng 2. Trạng thái hoạt động của điôt 
Cấu 
hình 
Điôt 
D1 
Điôt 
D1 
Tần số trung 
tâm (GHz) 
S1 NGẮT NGẮT 3,5 
S2 BẬT NGẮT 2,6 
S3 BẬT BẬT 2,1 
S4 NGẮT BẬT 3,0 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 61 
Trong trạng thái S1, khi tất cả các điôt ở 
trạng thái “NGẮT”, tần số cộng hưởng 
trung tâm của anten là 3,5 GHz cho ứng 
dụng LTE 3500 hoặc cho WiMax. Ở trạng 
thái S2, điôt D1 “BẬT” và điôt D2 ngắt, 
anten cộng hưởng ở tần số 2,6 GHz cho 
ứng dụng LTE 2600. Ở cấu hình S3, cả 
hai điôt D2 và D4 “BẬT”, anten hoạt 
động ở tần số cộng hưởng trung tâm 2,1 
GHz cho các ứng dụng như LTE 2100, 
UMTS. Ở cấu hình cuối cùng, D1 
“NGẮT”, D2 “BẬT”, anten cộng hưởng ở 
tần số trung tâm 3,0 GHz có thể được ứng 
dụng cho tương lai. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Hình 2 là kết quả mô phỏng hệ số suy 
hao phản hồi |S11| ở cả bốn cấu hình của 
anten tái cấu hình. 
Hình 2. Kết quả mô phỏng tham số |S11| 
ở bốn cấu hình S1, S2, S3, S4 của anten 
Hình 3. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích anten 
theo tần số của 4 cấu hình S1, S2, S3, S4 
Ở tất cả các cấu hình anten đều làm việc ở 
trạng thái đơn băng. Các cấu hình này có 
tần số cộng hưởng lần lượt 3,5 GHz, 2,6 
GHz, 2,1 GHz, 3,0 GHz với băng tần tính 
từ 10dB tương ứng là 797 MHz (từ 3241 
MHz đến 4038 MHz), 415 MHz (từ 2467 
MHz đến 2884 MHz), 246 MHz (từ 1973 
MHz đến 2219 MHz), 279 MHz (từ 2840 
MHz đến 3119 MHz). Dải tần hoạt động 
này có thể được ứng dụng cho LTE, 
UMTS, WiMax hoặc các ứng dụng trong 
tương lai. Hình 3 biểu diễn kết quả mô 
phỏng hệ số tăng ích của anten theo tần số 
ở bốn cấu hình. Tại tần số trung tâm của 
các cấu hình S1, S2, S3, S4, hệ số tăng 
ích đạt lần lượt là 1,77 dBi, 1,37 dBi, 
1,45 dBi và 1,66 dBi. Hệ số tăng ích của 
anten không cao là trả giá của anten do 
anten đạt được kích thước nhỏ. Hình 4 
(a) và (b) biểu diễn đồ thị bức xạ 2D của 
anten ở bốn cấu hình trên mặt phẳng XY 
và XZ (mặt phẳng XY chứa anten và mặt 
phẳng XZ là mặt phẳng vuông góc với 
anten và chứa trục theo chiều ngang của 
anten). Kết quả mô phỏng cho thấy, đồ thị 
bức xạ của anten ở bốn trạng thái hoàn 
toàn tương đương nhau. 
Bảng 3 tóm tắt các thông số đạt được của 
anten tái cấu hình. 
Bảng 3. Tóm tắt các thông số của anten 
Cấu 
hình 
Tần số 
trung tâm 
(GHz) 
Băng 
thông 
(MHz) 
Tăng ích 
cực đại 
(dBi) 
S1 3,5 797 1,77 
S2 2,6 415 1,37 
S3 2,1 246 1,45 
S4 3,0 279 1,66 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
62 Số 22 
(a) (b) 
Hình 4. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích anten theo tần số của 4 cấu hình S1, S2, S3, S4 ở: 
(a) mặt phẳng [XY], (b) mặt phẳng [XZ] 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đề xuất một thiết kế anten tái cấu 
hình theo tần số cấp điện đồng phẳng, cấu 
trúc OSRR được tích hợp vào anten giúp 
phối hợp trở kháng tốt hơn và kích thước 
anten nhỏ gọn. Anten có thể hoạt động ở 
bốn cấu hình tần số khác nhau nhưng chỉ 
sử dụng hai điôt với tần số trung tâm lần 
lượt là 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,0 GHz và 3,5 
GHz. Đồ thị bức xạ ở cả hai cấu hình gần 
như không thay đổi. Vì kích thước của 
anten được giảm nhỏ nên anten đề xuất có 
hiệu suất không cao. Ngoài ra, mẫu anten 
cần được chế tạo và đo đạc để kiểm 
chứng với kết quả mô phỏng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] C.G. Christodoulou, Y. Tawk, S.A. Lane, and S.R. Erwin, “Reconfigurable Antennas for Wireless and 
Space Applications”, Proc. IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2250–2261, Jul. 2012. 
[2] Tariq, A., Ghafouri-Shiraz, H.: “Frequency-reconfigurable monopole antennas”, IEEE Trans. 
Antennas Propag., 2012, 60, (1), pp. 44 –50. 
[3] Liu, X., Yao, S., Cook, B.S., et al.: “An origami reconfigurable axial-mode bifilar helical antenna”, 
IEEE Trans. Antennas Propag., 2015, 63, (12),pp. 5897 –5903. 
[4] Sung, Y.: “Compact quad-band reconfigurable antenna for mobile phoneapplications”, Electron. 
Lett., 2012, 48, (16), pp. 977–979. 
[5] Sung, Y., Lee, S.: “Reconfigurable PIFA with a parasitic strip line for a hepta-band WWAN/LTE 
mobile handset”, IET Microw. Antennas Propag. , 2015, 9, (2), pp. 108–117. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 63 
[6] C. Sulakshana and J. Pokhar, “A CPW fed H-shaped reconfigurable patch antenna”, in Antenna Week 
(IAW), 2011 Indian, 2011, pp. 1–4. 
[7] Lim, J.H., Back, G.T., Ko, Y.I., et al.: “A Reconfigurable PIFA using a switchable PIN-diode and a 
fine-tuning varactor for USPCS/WCDMA/m-WiMAX/WLAN”, IEEE Trans. Antennas Propag., 2010, 
58, (7), pp. 2404–2411. 
[8] M.S. Khan, A.D. Capobianco, A. Iftikhar, S. Asif, B. Ijaz, and B.D. Braaten, “An electrically small 
CPW fed frequency reconfigurable antenna”, in Antennas and Propagation & USNC/URSI National 
Radio Science Meeting, 2015 IEEE International Symposium on, 2015, pp. 2391–2392. 
[9] F.D. Dahalan, S.K.A. Rahim, M.R. Hamid, M.A. Rahman, M.Z.M. Nor, M.S.A. Rani, and P.S. Hall, 
“Frequency-Reconfigurable Archimedean Spiral Antenna”, IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 
[10] R.N. Simons, “Coplanar Wavegu-ide circuits, Components and systems,”, John Wiley & Sons, 
Inc., 2001. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Hoàng Thị Phương Thảo tốt nghiệp đại học ngành viễn thông năm 2004; 
nhận bằng Thạc sĩ ngành khoa học điện tử viễn thông năm 2007, nhận bằng Tiến 
sĩ ngành kỹ thuật viễn thông năm 2019 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 
Lĩnh vực nghiên cứu: siêu vật liệu ứng dụng cho anten, anten tái cấu hình, anten 
thông minh, anten dải sóng millimeter và bộ lọc siêu cao tần ứng dụng cho hệ 
thống thông tin vô tuyến. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
64 Số 22