Đề xuất Anten Uwb điện cấu trúc nhỏ

Trong bài báo, một anten băng thông siêu rộng (UWB) điện đ-ợc đề xuất với kích th-ớc 64 mm ? 9 mm ? 1,6 mm. Anten có dải tần công tác từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz với VSWR ? 2. Các tham số của anten nh- đồ thị bức xạ, độ tăng ích cực đại,... được khảo sát.

Ra a Đề XUấT ANTEN Uwb điện cấu trúc nhỏ Lê trọng trung*, NGUYễN QuốC ĐịNH*, HoàNG ĐìNH THUYÊN*, TRầN MạNH HOàNG** Tóm tắt: Trong báo, anten băng thông siêu rộng (UWB) điện đ-ợc đề xuất với kích th-íc 64 mm  mm  1,6 mm Anten có dải tần công tác từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz víi VSWR  C¸c tham sè cđa anten nh- đồ thị xạ, độ tăng ích cực đại, đ-ợc khảo sát Từ khóa: Băng thông siêu rộng, Anten băng thông siêu rộng, Anten mạch dải đặt vấn đề Truyền thông không dây có b-ớc phát triển nhanh chóng, thiết bị cầm tay với kết cấu ngày nhỏ gọn, anten gắn thiết bị cầm tay phải có kích th-ớc nhỏ Mặt khác, để truyền liệu tốc độ cao cần mở rộng băng thông Do đó, giảm kích th-ớc anten đôi với mở rộng băng thông xu h-ớng thiết kế anten cho ứng dụng thùc tÕ hiƯn còng nh- t-¬ng lai Nã không điểm truyền thông không dây, mà trở thành đặc điểm chính, quan trọng nhiều ứng dụng khác nh-: truyền hình chất l-ợng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng, game trực tuyến, giải trí đa ph-ơng tiện, v.v Còng bëi lý nµy, kü tht thiÕt kÕ anten phẳng, băng thông siêu rộng thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, thiết kế anten Ph-ơng pháp thiết kế anten dải siêu rộng sử chất điện môi có số điện môi lớn kết hợp với hình dạng, kích th-ớc phù hợp để tạo đa cộng h-ởng nhằm mở rộng dải tần giảm nhỏ kích th-ớc anten Với công bố thời gian gần thiết kế anten băng siêu rộng có đặc điểm riêng biệt nh- cấu trúc nh- xẻ khe mặt phẳng xạ [1], khoét mặt phẳng xạ thành dạng nửa hình tròn [2], cắt góc khác xạ [3], khoét mặt phẳng đất [4], tạo từ anten chấn tử [5], anten phẳng mạch in [6], anten phẳng có xẻ khe [7], anten khe [8] Các ph-ơng pháp cho ta anten dải siêu rộng Tr-ớc hết ta xem xét số thiết kế anten dải tần siêu rộng Thiết kế Antoine Diet cộng dùng chất điện môi RT5880 có = 2,2 kích th-ớc 60 80 1,575 mm3, anten mặt phẳng ®Êt b»ng ®ång víi bỊ dµy 70μm [9] ThiÕt kÕ Mai A R Osman sử dụng chất điện môi víi  = 1,7; kÝch th-íc anten 60  60 mm3, anten mặt phẳng đất đồng víi bỊ dµy 30μm [10] ThiÕt kÕ cđa nhãm V.N.Lakshman Kumar sử dụng chất điện môi FR4 với = 4,4; hƯ sè tỉn hao tan  = 0,02 vµ kÝch th-íc anten lµ 45  60  1,6 mm3; anten mặt phẳng đất đồng với bề dày 35μm [11] ThiÕt kÕ cña nhãm Eng Gee Lim dïng chất điện môi RT5880 với = 2,33 tan  = 0,0009; kÝch th-íc 60  70  0,79 mm3, anten mặt phẳng đất đồng [12] Các thiết kế điều đạt đ-ợc yêu cầu kỹ thuật anten dải siêu rộng, nhiên kÝch th-íc anten vÉn cßn lín, ch-a thùc sù phï hợp với cấu trúc chung thiết bị UWB Trong báo này, nhóm nghiên cứu đề xuất anten dải siêu rộng tổng hợp nhiều anten chấn tử Thiết kế anten không cho kích th-ớc nhỏ gọn nhiều so với anten công bố [9, 12] mà có hình dạng đơn giản, dễ chế tạo Từ cấu trúc anten đề xuất, sử dụng phần mềm mô HFSS để khảo sát tính toán tham số: hệ số sóng đứng, đồ thị xạ, hệ số tăng ích cực đại anten Trong tham số hệ số sóng đứng điện áp tham số quan trọng, vậy, tiến hành khảo 46 L.T Trung, N Q Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ." Nghiên cứu khoa học công nghệ sát ảnh h-ëng cđa c¸c tham sè kÝch th-íc tíi hƯ sè sóng đứng anten đề xuất Trên sở kết mô phỏng, tiến hành chế thử đo kiểm tham số anten Thiết kế anten dải siêu rộng 2.1 Lựa chọn giải pháp thiết kế anten dải siêu rộng Anten dải siêu rộng đề xuất anten dạng phẳng, cấu trúc nhỏ, gọn, mỏng phù hợp với cấu trúc chung thiết bị UWB Chính vậy, anten đ-ợc đặt điện môi có số điện môi mức trung bình, đồng thời thiết kế có hình dạng phù hợp cách thay đổi kích th-ớc xạ, phần mạch dải, mặt phẳng đất anten để tạo đa cộng h-ëng VỊ kÝch th-íc, anten thiÕt kÕ cã chiỊu réng nhỏ tăng chiều dài để anten đặt dọc theo thiết bị với diện tích anten nhỏ Để anten thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu dải tần siêu rộng nh-ng đồng thời thuận tiện cho việc gia công chế tạo giá thành phải hợp lý nên lựa chọn vật liệu làm anten mặt phẳng đất đồng, chất điện môi FR4 vật liệu có chất l-ợng cao với số điện môi = 4,4 hệ số tỉn hao tan  = 0,02 Mơc tiªu cđa thiÕt kế đ-a đ-ợc anten có cấu trúc đơn giản, đồng phẳng, kích th-ớc nhỏ gọn, hoạt động toàn dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz víi VSWR  2.2 ThiÕt kÕ anten Trong [13] anten dùng chất điện môi FR4 với = 4,4 tan = 0,02; anten mặt phẳng đất đồng, nhiên anten đạt dải thông từ 3,5 GHz đến 9,9 GHz; ch-a bao trùm toàn băng thông sử dụng cho thiết bị UWB từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz Trên sở cấu trúc anten nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kÕ anten UWB l7 l1 l2 l3 l4 l5 l6 w1 W y x l8 w2 a) h t b) c) Hình Cấu trúc anten (a) mặt trên, (b) mặt bên, (c) mặt d-ới Tiến hành điều chỉnh kích th-ớc anten theo ph-ơng pháp biến đổi từ từ kích th-ớc xạ, mạch dải tiếp điện, mặt phẳng đất, kích th-ớc điện môi để tạo thành anten với đa điểm cộng h-ởng nhằm mở rộng dải tần anten Cuối lựa chọn đ-ợc cấu trúc tối -u anten dải siêu rộng có cấu trúc đ-ợc biểu diễn nh- Hình Các tham số kích th-ớc anten đ-ợc biểu diễn nh- bảng Anten thiết kế đ-ợc đặt điện môi FR4 có kích th-ớc chiều dµi L = 64 mm, chiỊu réng W = mm, chiều dày h = 1,6 mm Tạp chí Nghiên cøu KH&CN qu©n sù, Sè 36, 04 - 2015 47 Ra đa Tham sè L W h t l1 Gi¸ trị 64 1,6 0,035 12 Bảng Tham số kích th-ớc anten (mm) Giá trị Tham số Giá trÞ l7 10 l8 0,5 13 w1 2,25 1,5 w2 1,8 24 Tham sè l2 l3 l4 l5 l6 2.3 Kết mô anten Từ cấu trúc anten nh- hình 1, sử dụng phần mềm mô Ansoft HFSS để tính toán khảo sát tham số anten dải tần số từ 3,0 GHz ®Õn 11,0 GHz HƯ sè sãng ®øng ®iƯn ¸p cđa anten đề xuất đ-ợc biểu diễn nh- hình Từ hình 2, hệ số sóng đứng điện áp anten đạt đ-ợc nhỏ khoảng tần số từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz Nh- vậy, anten có dải tần bao trùm toàn dải tần công tác thiết bị UWB Vì dải tần số sử dụng cho UWB rộng, vậy, phải khảo sát đồ thị xạ anten tần số khác dải tần Đồ xạ anten đề xuất đ-ợc biểu diễn nh- từ hình đến hình ứng với tần số 3,1 GHz; 5,0 GHz; 7,0 GHz; 9,0 GHz 10,6 GHz Trong đó, nét liền đồ thị xạ mặt phẳng xoz, nét đứt đồ thị xạ mặt phẳng yoz Với kết từ hình đến hình 7, đồ thị xạ anten tần số đẳng h-ớng đảm bảo yêu cầu đặt anten dải siêu rộng 2.4 330 2.2 2.0 -6 300 30 xz plane yz plane 60 VSWR -12 1.8 -18 1.6 -24 270 90 -18 1.4 -12 1.2 240 120 -6 1.0 10 Frequency [GHz] H×nh KÕt mô VSWR anten 11 210 180 150 Hình Đồ thị xạ anten tần số 3,1 GHz Bằng cách tổng hợp giá trị hệ số tăng ích cực đại anten dải tần khảo sát biểu diễn nh- Hình Hệ số tăng ích cực đại anten toàn dải tần không đồng nh-ng lớn 1,9 đạt cực đại 2,9 dBi tần số 7,0 GHz Nh- vậy, anten thiết kế đảm bảo yêu cầu đặt anten dải tần siêu rộng Mẫu anten UWB điện đề xuất có băng thông bao trùm dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz thiết bị UWB Anten đáp ứng đ-ợc yêu cầu kỹ thuật đặt sử dụng cho thiết bị UWB Mặt khác, anten có cấu trúc đồng phẳng, đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, vậy, anten sở để thiết kế anten MIMO băng siêu rộng 48 L.T Trung, N Q Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB … cÊu tróc nhá." Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghƯ 0 330 30 xz plane yz plane -6 300 60 300 xz plane yz plane -6 60 -12 -18 -18 90 -24 270 -18 -12 120 -6 240 150 180 210 H×nh Đồ thị xạ anten tần số 5,0 GHz Hình Đồ thị xạ anten tÇn sè 7,0 GHz -12 -12 -18 -18 90 90 -18 -12 -12 240 120 -6 120 -6 0 210 60 -24 270 -18 240 xz plane yz plane -6 300 60 -24 270 30 xz plane yz plane -6 330 30 300 150 180 330 120 -6 210 90 -18 -12 240 30 -12 -24 270 330 210 150 180 Hình Đồ thị xạ anten tần số 9,0 GHz 150 180 Hình Đồ thị xạ anten tần số 10,6 GHz 4.0 Antena peak gain [dBi] 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10 11 Frequency [GHz] H×nh HƯ sè tăng ích cực đại anten Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qu©n sù, Sè 36, 04 - 2015 49 Ra a Chế tạo đo kiểm Từ kết tính toán, mô phỏng, tiến hành chế thử mẫu anten đề xuất Anten dải tần siêu rộng sau chế thư nh- ë h×nh a) b) H×nh Anten chế thử: (a) mặt trên; (b) mặt d-ới Với mẫu anten chế thử, tiến hành đo kiểm tham số hệ số sóng đứng điện áp anten Kết đo đ-ợc so sánh với kết mô nh- hình 10 Từ hình 10 ta có hệ số sóng đứng điện áp anten có dạng nh- mô nhỏ dải tần công tác, mà mở rộng so với kết mô phỏng, đạt đ-ợc từ 3,0 GHz đến 10,8 GHz Kết đo kiểm đáp ứng yêu cầu đặt anten dải tần siêu rộng Mẫu anten đề xuất đ-ợc dùng cho thiết bị di động hệ sử dụng công nghệ dải tần siêu rộng 2.4 Simulated Measured 2.2 VSWR 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 10 11 Frequency[GHz] H×nh 10 HƯ sè sóng đứng điện áp anten 50 L.T Trung, N Q Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ." Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết luận Bài báo đề xuất thiết kế anten dải tần siêu rộng đạt đ-ợc số kết nh- sau: i) Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản, kích th-ớc nhỏ (64 mm mm 1,6 mm3), đồng phẳng ii) Anten đề xuất sử dụng vật liệu phổ biến, đồng phẳng nên thuận tiện cho chế tạo theo công nghệ mạch in làm giảm giá thành iii) Anten có hệ số sãng ®øng VSWR  tõ 3,1 GHz ®Õn 10,6 GHz mô từ 3,0 GHz đến 10,8 GHz đo kiểm iv) Mặc dù với dải tần siêu rộng nh-ng đồ thị xạ toàn dải tần đảm bảo gần nh- đẳng h-ớng theo yêu cầu đặt anten sử dụng cho thiết bị UWB v) Hệ số tăng ích cực đại mà anten đạt đ-ợc dải tần sử dụng cho UWB khoảng từ 1,9 dBi đến 2,9 dBi vi) Kết đo kiểm mô t-ơng đồng, khẳng định kết mô xác Lời cám ơn: Nghiên cứu đ-ợc tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.01-2012.19 Tài liệu tham kh¶o [1] Tharek Abdul Rahman, “Reconfigurable ultra wideband antenna and development for wireless communication,” Research Project Vot No 79028, Wireless Communication Centre Faculty of Electrical Engineering University Teknology Malaysia, 2008 [2] Mare E Bialkowsk and Ami M.Abbosh, “Design of UWB Planar Antenna With Improved Cut-Off at the Out-of-Band Frequencies,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Lettrers, vol.7, no.4, April 2008, pp 408-401 [3] Raha Eshtiaghi, Java Nourinia and Changiz Ghobadi, “Electromanatically Coupled Band Notched Elleptcal monopole antennas for UWB application,” IEEE Trans on Antennas and Propagation, vol.58, no.4, April 2010, pp 1397-1402 [4] Zhi An Zheng, Qing Xin Chu and Zhi Hong Tu, “Compact Band-Rejected Ultrawideband slot antennas inserting with λ/2 and λ/4 resonation,” IEEE Trans on Antennas and propagation, vol.52, no.2, Feb 2011, pp 390- 397 [5] X.N Low, Z.N Chen, and S.P.See Terence, “A UWB Dipole Antenna With Enhanced Impedance and Gain Performance,” IEEE Trans on Antenna and Propagation, vol.57, no.10, Oct 2009, pp 2959-2966 [6] Z.N Chen, S.P.See Terence, and X.Qing “Small Printed Ultrawideband Antenna With Reduced Ground Plane Effect,” IEEE Trans on Antenna and Propagation, vol.55, no.2, Feb 2007, pp 383-388 [7] L.X Li, S.S Zhong, and M.H Chen, “Compact Band-notched Ultra-Wideband Antenna Using Defected Ground Structure,” Microwave and Optical Tech Letters, vol 52, no 5, Feb 2010, pp 286-289 [8] M Gopikrishna, D.D Krishna, C.K Aanandan, P Mohanan, and K.Vasudevan, “Compact Linear Tapered slot antenna for UWB applications,” Electronics letters, 25th, vol.44, no.20, Sept 2008, pp 1-2 [9] Antoine Diet, Alain Azoulay, Alain Joisel, Bernard Duchene, “A UWB micro-strip antenna design and simulation,” Proceedings of the 36th European Microwave Conference, Sept 2006, Manchester UK, pp 194-197 [10] Mai A R Osman, M K A Rahim, M Azfar A K Kamardin, F Zubir and N A Samsuri, “Design and Analysis UWB Wearable Textile Antenna,” Proceedings of the Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 36, 04 - 2015 51 Ra đa 5th European Conference and Propagation (EUCAP), 11-15 April 2011 Rome, Italy, pp 530-533 [11] V.N.Lakshman Kumar, M Satyanarayana, B Pavan, K Vinodh Kumar and A Vamsi Krishna “Design of Printed Rectangular Monopole Antennas for UWB Applications,” 2012 International Conference on Radar, Communication and Computing (ICRCC), SKP Engineering College, Tiruvannamalai, TN., India 21 - 22 December, 2012 pp.315-318 [12] Eng Gee Lim, Zhao Wang, Chi-Un Lei, Yuanzhe Wang, K.L Man “Ultra Wideband Antennas - Past and Present,” IAENG International Journal of Computer Science, 37:3, IJCS_37_3_12, 19 August 2010 [13] L.D.Thanh, N.Q.Dinh and Y.Karasawa, “A New Scheme to Enhance Bandwidth of Printed Dipole for Wideband Applications,” IEICE Trans on Communications, vol E97-B, no 4, pp.773-782, April 2014 Abstract A Proposal of an electric Ultra Wide - Band Antenna with small structure In this paper, an electric ultra-wideband (UWB) antenna with the size of 64 mm  mm  1.6 mm is proposed The antenna has the working bandwidth from 3.1 GHz to 10.6 GHz with VSWR  The antenna parameters such as radiation pattern, maximal gain are also investigated Keywords: Ultra-Wide Band (UWB), Ultra-Wide Band (UWB) antenna, printed antenna Nhận ngày 31 tháng 10 năm 2014 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng năm 2015 Địa chỉ: 52 * Học viện Kỹ thuật Quân sự, DĐ: 0986920004 ** Đại học Thông tin liên lạc L.T Trung, N Q Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB … cÊu tróc nhá." ... Hệ số sóng đứng điện áp anten 50 L.T Trung, N Q Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ. " Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết luận Bài báo đề xuất thiết kế anten dải tần siêu... bị UWB Mặt khác, anten có cấu trúc đồng phẳng, đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, vậy, anten sở để thiết kế anten MIMO băng siêu rộng 48 L.T Trung, N Q Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB. .. đứng anten đề xuất Trên sở kết mô phỏng, tiến hành chế thử đo kiểm tham số anten Thiết kế anten dải siêu rộng 2.1 Lựa chọn giải pháp thiết kế anten dải siêu rộng Anten dải siêu rộng đề xuất anten