Đề xuất anten UWB điện cấu trúc nhỏ

Ra đa L.T. Trung, N. Q. Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ." 46 Đề XUấT ANTEN Uwb điện cấu trúc nhỏ Lê trọng trung*, NGUYễN QuốC ĐịNH*, HoàNG ĐìNH THUYÊN*, TRầN MạNH HOàNG** Tóm tắt: 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,... đ-ợc khảo sát. Từ khóa: Băng thông siêu rộng, Anten băng thông siêu rộng, Anten mạch dải. 1. đặt vấn đề Truyền thông không dây có những b-ớc phát triển nhanh chóng, các thiết bị cầm tay với kết cấu ngày càng nhỏ gọn, vì vậy các anten gắn trên các thiết bị cầm tay cũng phải có kích th-ớc nhỏ. Mặt khác, để truyền dữ liệu tốc độ cao thì cần mở rộng băng thông. Do đó, giảm kích th-ớc anten đi đôi với mở rộng băng thông là xu h-ớng thiết kế anten cho các ứng dụng thực tế hiện nay cũng nh- trong t-ơng lai. Nó không chỉ là những điểm mới trong truyền thông không dây, mà trở thành một đặc điểm chính, quan trọng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau 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. Cũng bởi lý do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng, băng thông siêu rộng đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, thiết kế anten. Ph-ơng pháp chính trong thiết kế anten dải siêu rộng là sử chất điện môi có hằng số điện môi lớn kết hợp với hình dạng, kích th-ớc phù hợp để tạo ra đa cộng h-ởng nhằm mở rộng dải tần và giảm nhỏ kích th-ớc anten. Với những công bố trong thời gian gần đây về thiết kế anten băng siêu rộng có những đặc điểm riêng biệt nh- cấu trúc nh- xẻ khe mặt phẳng bức xạ [1], khoét mặt phẳng bức xạ thành dạng nửa hình tròn [2], cắt các góc khác nhau đối với tấm bức xạ [3], khoét mặt phẳng đất [4], tạo ra từ các anten chấn tử [5], anten phẳng trên mạch in [6], anten phẳng có xẻ khe [7], anten khe [8]. Các ph-ơng pháp này đều có thể cho ta những anten dải siêu rộng. Tr-ớc hết ta xem xét một số thiết kế anten dải tần siêu rộng. Thiết kế của Antoine Diet và cộng sự dùng chất điện môi là RT5880 có = 2,2 và kích th-ớc 6080 1,575 mm3, anten và mặt phẳng đất bằng đồng với bề dày 70μm [9]. Thiết kế của Mai A. R. Osman sử dụng chất điện môi với  = 1,7; kích th-ớc anten 60  60 1 mm3, anten và mặt phẳng đất bằng đồng với bề dày 30μm [10]. Thiết kế của nhóm V.N.Lakshman Kumar sử dụng chất điện môi FR4 với  = 4,4; hệ số tổn hao tan = 0,02 và kích th-ớc anten là 45  60 1,6 mm3; anten và mặt phẳng đất bằng đồng với bề dày 35μm [11]. Thiết kế của nhóm Eng Gee Lim dùng chất điện môi là RT5880 với  = 2,33 và tan = 0,0009; kích th-ớc 60  70  0,79 mm3, anten và mặt phẳng đất bằng đồng [12]. Các thiết kế trên điều đạt đ-ợc các yêu cầu kỹ thuật của các anten dải siêu rộng, tuy nhiên kích th-ớc anten vẫn còn lớn, ch-a thực sự phù hợp với cấu trúc chung của các thiết bị UWB. Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đề xuất một anten dải siêu rộng mới là tổng hợp của nhiều anten chấn tử. Thiết kế anten này không chỉ cho kích th-ớc nhỏ gọn hơn rất nhiều so với các anten đã công bố [9, 12] mà còn có hình dạng đơn giản, dễ chế tạo. Từ cấu trúc anten đề xuất, sử dụng phần mềm mô phỏng HFSS để khảo sát và tính toán các tham số: hệ số sóng đứng, đồ thị bức xạ, hệ số tăng ích cực đại của anten. Trong các tham số trên thì hệ số sóng đứng điện áp là tham số quan trọng, do vậy, tiến hành khảo Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 36, 04 - 2015 47 sát ảnh h-ởng của các tham số kích th-ớc tới hệ số sóng đứng của anten đề xuất. Trên cơ sở kết quả mô phỏng, tiến hành chế thử và đo kiểm các tham số của anten. 2. Thiết kế anten dải siêu rộng 2.1. Lựa chọn giải pháp thiết kế anten dải siêu rộng Anten dải siêu rộng đề xuất là anten dạng phẳng, cấu trúc nhỏ, gọn, mỏng phù hợp với cấu trúc chung của thiết bị UWB. Chính vì vậy, anten đ-ợc đặt trên một tấm điện môi có hằng số điện môi ở mức trung bình, đồng thời thiết kế có hình dạng phù hợp bằng cách thay đổi kích th-ớc của tấm bức xạ, phần mạch dải, mặt phẳng đất của anten để tạo ra đa cộng h-ởng. Về kích th-ớc, anten thiết kế có chiều rộng nhỏ và tăng chiều dài để anten có thể đặt dọc theo thiết bị với diện tích của anten là nhỏ nhất. 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 và giá thành phải hợp lý nên lựa chọn vật liệu làm anten và mặt phẳng đất là đồng, chất điện môi là FR4 không phải là vật liệu có chất l-ợng cao với hằng số điện môi ε = 4,4 và hệ số tổn hao tan = 0,02. Mục tiêu của thiết kế là đ-a ra đ-ợc một anten có cấu trúc đơn giản, đồng phẳng, kích th-ớc nhỏ gọn, hoạt động trong toàn bộ dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz với VSWR 2. 2.2. Thiết kế anten Trong [13] anten dùng chất điện môi là FR4 với  = 4,4 và tan = 0,02; anten và mặt phẳng đất bằng đồng, tuy nhiên anten này mới đạt dải thông từ 3,5 GHz đến 9,9 GHz; ch-a bao trùm toàn bộ băng thông sử dụng cho thiết bị UWB từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz. Trên cơ sở cấu trúc anten này nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế anten UWB. l1 l7 l2 l3 l4 l5 l6 w1 w2W th l8 a) b) c) x y 0 Hình 1. Cấu trúc của 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 đối với kích th-ớc tấm bức xạ, mạch dải tiếp điện, mặt phẳng đất, kích th-ớc tấm điện môi để tạo thành anten với đa điểm cộng h-ởng nhằm mở rộng dải tần của anten. Cuối cùng đã lựa chọn đ-ợc cấu trúc tối -u của anten dải siêu rộng có cấu trúc đ-ợc biểu diễn nh- trên Hình 1. Các tham số kích th-ớc của anten đ-ợc biểu diễn nh- trong bảng 1. Anten thiết kế đ-ợc đặt trên nền tấm điện môi FR4 có kích th-ớc chiều dài L = 64 mm, chiều rộng W = 9 mm, chiều dày h = 1,6 mm. Ra đa L.T. Trung, N. Q. Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ." 48 Bảng 1. Tham số kích th-ớc của anten (mm). Tham số Giá trị Tham số Giá trị Tham số Giá trị L 64 l2 3 l7 5 W 9 l3 10 l8 0,5 h 1,6 l4 13 w1 2,25 t 0,035 l5 1,5 w2 1,8 l1 12 l6 24 2.3. Kết quả mô phỏng anten Từ cấu trúc anten nh- hình 1, sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS để tính toán và khảo sát các tham số của anten trong dải tần số từ 3,0 GHz đến 11,0 GHz. Hệ số sóng đứng điện áp của anten đề xuất đ-ợc biểu diễn nh- hình 2. Từ hình 2, hệ số sóng đứng điện áp của anten đạt đ-ợc nhỏ hơn 2 trong khoảng tần số từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz. Nh- vậy, anten có dải tần bao trùm toàn bộ dải tần công tác của thiết bị UWB. Vì dải tần số sử dụng cho UWB rộng, do vậy, phải khảo sát đồ thị bức xạ của anten tại những tần số khác nhau trong cả dải tần. Đồ thì bức xạ của anten đề xuất đ-ợc biểu diễn nh- từ hình 3 đến hình 7 ứng với các tần số 3,1 GHz; 5,0 GHz; 7,0 GHz; 9,0 GHz và 10,6 GHz. Trong đó, nét liền là đồ thị bức xạ trong mặt phẳng xoz, nét đứt là đồ thị bức xạ trong mặt phẳng yoz. Với kết quả từ hình 3 đến hình 7, đồ thị bức xạ của anten tại các tần số đều đẳng h-ớng đảm bảo yêu cầu đặt ra đối với anten dải siêu rộng. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 V S W R Frequency [GHz] -24 -18 -12 -6 0 6 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -18 -12 -6 0 6 xz plane yz plane Hình 2. Kết quả mô phỏng VSWR của anten. Hình 3. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số 3,1 GHz. Bằng cách tổng hợp các giá trị hệ số tăng ích cực đại của anten trong cả dải tần khảo sát và biểu diễn nh- trên Hình 8. Hệ số tăng ích cực đại của anten trong toàn bộ dải tần là không đồng đều nh-ng lớn hơn 1,9 và đạt cực đại là 2,9 dBi tại tần số 7,0 GHz. Nh- vậy, anten thiết kế vẫn đảm bảo yêu cầu đặt ra đối với một anten dải tần siêu rộng. Mẫu anten UWB điện đề xuất có băng thông bao trùm cả dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz của thiết bị UWB. Anten này đáp ứng đ-ợc các yêu cầu kỹ thuật đặt ra khi sử dụng cho các thiết bị UWB. Mặt khác, anten có cấu trúc đồng phẳng, đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, do vậy, anten này là cơ sở để thiết kế các anten MIMO băng siêu rộng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 36, 04 - 2015 49 -24 -18 -12 -6 0 6 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -18 -12 -6 0 6 xz plane yz plane -24 -18 -12 -6 0 6 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -18 -12 -6 0 6 xz plane yz plane Hình 4. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số 5,0 GHz. Hình 5. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số 7,0 GHz. -24 -18 -12 -6 0 6 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -18 -12 -6 0 6 xz plane yz plane -24 -18 -12 -6 0 6 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -18 -12 -6 0 6 xz plane yz plane Hình 6. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số 9,0 GHz. Hình 7. Đồ thị bức xạ của anten tại tần số 10,6 GHz. Hình 8. Hệ số tăng ích cực đại của anten. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 A n te n a p e a k g a in [ d B i] Frequency [GHz] Ra đa L.T. Trung, N. Q. Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ." 50 3. Chế tạo và đo kiểm Từ kết quả tính toán, mô phỏng, tiến hành chế thử mẫu anten đề xuất. Anten dải tần siêu rộng sau khi chế thử nh- ở hình 9. a) b) Hình 9. Anten chế thử: (a) mặt trên; (b) mặt d-ới. Với mẫu anten chế thử, tiến hành đo kiểm các tham số hệ số sóng đứng điện áp của anten. Kết quả đo đ-ợc so sánh với kết mô phỏng nh- hình 10. Từ hình 10 ta có hệ số sóng đứng điện áp của anten có cùng dạng nh- mô phỏng và nhỏ hơn 2 trong cả dải tần công tác, không những thế mà còn mở rộng hơn so với kết quả mô phỏng, đạt đ-ợc từ 3,0 GHz đến 10,8 GHz. Kết quả đo kiểm đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với anten dải tần siêu rộng. Mẫu anten đề xuất này có thể đ-ợc dùng cho các thiết bị di động thế hệ mới sử dụng công nghệ dải tần siêu rộng. Hình 10. Hệ số sóng đứng điện áp của anten. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 V S W R Frequency[GHz] Simulated Measured Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 36, 04 - 2015 51 4. Kết luận Bài báo đã đề xuất một thiết kế anten dải tần siêu rộng và đã đạt đ-ợc một số kết quả nh- sau: i) Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản, kích th-ớc nhỏ (64 mm  9 mm  1,6 mm3), đồng phẳng. ii) Anten đề xuất sử dụng các vật liệu phổ biến, đồng phẳng nên thuận tiện cho chế tạo theo công nghệ mạch in và làm giảm giá thành. iii) Anten có hệ số sóng đứng VSWR  2 từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz trong mô phỏng và từ 3,0 GHz đến 10,8 GHz trong đo kiểm. iv) Mặc dù với dải tần siêu rộng nh-ng đồ thị bức xạ trong toàn bộ dải tần đảm bảo gần nh- đẳng h-ớng theo đúng yêu cầu đặt ra đối với anten sử dụng cho các thiết bị UWB. v) Hệ số tăng ích cực đại mà anten đạt đ-ợc trong cả dải tần sử dụng cho UWB trong khoảng từ 1,9 dBi đến 2,9 dBi. vi) Kết quả đo kiểm và mô phỏng rất t-ơng đồng, khẳng định kết quả mô phỏng là chính xác. Lời cám ơn: Nghiên cứu này đ-ợc tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.01-2012.19 Tài liệu tham khảo [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 Ra đa L.T. Trung, N. Q. Định, H.Đ.Thuyên, T.M.Hoàng "Đề xuất anten UWB cấu trúc nhỏ." 52 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  9 mm  1.6 mm is proposed. The antenna has the working bandwidth from 3.1 GHz to 10.6 GHz with VSWR  2. 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 bài ngày 31 tháng 10 năm 2014 Hoàn thiện ngày 10 tháng 4 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 4 năm 2015 Địa chỉ: * Học viện Kỹ thuật Quân sự, DĐ: 0986920004. ** Đại học Thông tin liên lạc.