Patch anten hình vuông phân cực tròn cho ứng dụng wlan dải tần 2,44 ghz

Nội dung text: Patch anten hình vuông phân cực tròn cho ứng dụng wlan dải tần 2,44 ghz

1. PATCH ANTEN HÌNH VUÔNG PHÂN CỰC TRÒN CHO ỨNG DỤNG WLAN DẢI TẦN 2,44 GHz Huỳnh Việt Hùng1, Lương Vinh Quốc Danh2 1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 Trường đại học Cần Thơ TÓM TẮT Bài báo trình bày về một patch anten hình vuông phân cực tròn cho ứng dụng WLAN dải tần 2,44 GHz. Anten được thiết kế bao gồm một tấm mạch in FR-4 với hai khe được khắc hình chữ nhật và một tấm kim loại hình chữ L (tấm phản xạ). Bản mạch in FR-4 được đặt cách tấm phản xạ một khoảng cách nhỏ. Kích thước của anten và vị trí đặt (port) tiếp tín hiệu sử dụng cáp đồng trục được tối ưu để có được sóng phân cực tròn, tần số cộng hưởng 2,44 GHz, độ lợi đỉnh 8.95-dBi, độ rộng băng thông khoảng 640 MHz (2.26 GHz – 2.90 GHz). Các kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả đo đạc thực tế. Anten có thể sử dụng cho các APs băng tần WLAN 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g của IEEE và có thể ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến khác như: WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz, 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, các hệ Dau-Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and thống thông tin truyền số liệu vô tuyến kết Ji-Chyun Liu với thiết kế anten mảng hợp với các phương pháp xử lý số tín hiệu hiệu suất cao [2] Chính vì một số lợi đã cho phép truyền thông tin đi xa hơn, trên điểm hơn hẳn so với các loại anten nền nhiễu mạnh hơn, công suất phát thấp thông thường do cấu trúc ổn định, nhẹ, hơn và băng tần rộng hơn. Một trong các chi phí sản xuất thấp và nhất là phù yếu tố góp phần cải thiện chất lượng thông hợp với công nghệ vi dải hiện đang phát tin này là các hệ thống các anten thu/phát triển để chế tạo mạch in chuyên dụng. có kích thước nhỏ và dải tần rộng, trong đó Hơn thế, anten vi dải có nhiều dạng cấu phần tử được triển khai và nghiên cứu trúc khác nhau, có độ lợi, độ định hướng nhiều là anten vi dải (microstrip antenna - và phân cực sóng khác nhau được thiết MSA). Hệ thống anten có kích thước kế tùy theo từng ứng dụng cụ thể [5] [6] nhỏ dải tần rộng, độ lợi cao mà trong [7]. đó phần tử cơ bản được đề cập đến trong bài báo này là anten vi dải Anten phân cực tròn được xem là (microstrip antennas). Anten vi dải là một trong các giải pháp có hiệu quả để loại anten được đề xuất đầu tiên bởi G. làm giảm ảnh hưởng của phản xạ đa A. Deschamps vào năm 1953 [5], sau đó đường (multipath fading) và đặc biệt nhanh chóng được phát triển điển hình phù hợp cho trường hợp người sử dụng như: T. G. Abo-Elnaga, E. A. F. di chuyển với trạm phát sóng cố định. Abdallah, and H. El-Hennawy thiết kế Đã có nhiều bài báo giới thiệu các loại anten phân cực tròn băng rộng cho bộ anten phân cực tròn được công bố trong đọc RFID (radio – frequency thời gian qua: V. G. Kasabegoudar and identification) dải tần số 2,4 GHz [1], K. J. Vinoy thiết kế anten vi dải băng 1
2. rộng tiếp điện rời có phân cực tròn [3], Hình 2: Cấu trúc mặt trên của anten hình S. A. Malekabadi với anten phân cực vuông. tròn sử dụng một đường tiếp điện [4]. Các thông số lý thuyết ban đầu của Nội dung bài viết này trình bày việc anten phân cực tròn hình vuông thiết kế một patch anten hình vuông Tần số cộng hưởng của anten phân cực tròn, có độ lợi cao, băng thông rộng khoảng 640 MHz (2.26 GHz – f r 2.44GHz . 2.90 GHz), tiếp điện bằng cáp đồng trục ứng dụng cho hệ thống WLAN dải tần Hằng số điện môi của tấm patch 2,44 GHz. Đặc biệt hơn là patch anten FR4:  4,6, chiều cao h = 1,6mm. phân cực tròn ở bài báo này còn khắc r thêm hai khe hình chữ nhật đối xứng, Bước sóng  được xác định tại tần bằng nhau là nhằm mở rông băng thông và tạo phân cực tròn. Kết quả mô phỏng số cộng hưởng fr: được so sánh với kết quả đo đạc thực tế. c 3 1011 Băng thông của anten cũng được kiểm  57mm . f  2.44 10 9 4.6 chứng thực tế thông qua việc đo đạc và r r so sánh sử dụng máy đo Anritsu Chiều rộng W của tấm patch hình SiteMaster S331L. chữ nhật: 2. THIẾT KẾ c 3 1011 2 Việc tính toán lý thuyết để đưa ra W 26 (mm) 2x2.44 109 4.6 1 các thông số kỹ thuật cho việc thiết kế 2fr r 1 ban đầu chỉ mang tính chất ước lượng, mục đích là để làm cơ sở xây dựng nên Hằng số điện môi hiệu dụng εreff cấu trúc cho anten. Từ các thông số này ta sẽ đưa ra các thông số tối ưu bằng của tấm patch: 1 cách mô phỏng anten trên phần mềm  1  1 2 Ansoft HFSS. r r h  reff 1 12 2 2 W 1 4.6 1 4.6 1 1.6 2 1 12 4.2 2 2 26 Chiều dài mở rộng ΔL của tấm Hình 1: Cấu trúc mặt bên của anten hình vuông patch theo công thức Hamerstad: 2
3. W Sau khi hiệu chỉnh tối ưu các kích thước ( 0.3) 0.264 reff h của anten trên phân mềm mô phỏng L 0.412 h W HFSS cho ta kết quả cụ thể là: kích ( reff 0.258) 0.8 thước tấm phản xạ: Lg = 100 mm, Wg = h 150 mm, S = 23 mm và bản mặt bức xạ 26 (1 0.3) 0.264 hình vuông FR-4 có cạnh L=W=42 1.6 0.412 10 mm, đặt phía trên tấm kim loại một 26 (1 0.258) 0.8 khoảng không ( 2 ) h2 = 20 mm, tấm 1.6 mạch in FR-4 có hằng số điện môi 7 (mm) 1 4.6 , độ dày h1 = 1.6 mm. Mặt trên Chiều dài thực L của tấm patch: nền tấm mạch in FR-4 lần lượt cắt 2 gốc, 2 khe hình chữ nhật đối xứng nhau c L 2 L và có các kích thước tương ứng ∆L = 13 f r  reff mm, a = 2 mm, b = 11 mm. Cấu trúc chi 3 1011 tiết được thể hiện ở Hình 1, Hình 2. 2 7 46 (mm) 2.44 109 4.2 Bằng kỹ thuật tiếp tín hiệu bằng cáp đồng trục như ở Hình 1. Hiệu chỉnh các kích thước sao cho trở kháng phối hợp Đối với mặt phản xạ, chiều dài Lgvà là 50  để tạo ra phân cực tròn cộng chiều rộng Wgđược chọn: hưởng tại tần số 2.44 GHz, và các thông số như: độ lợi, suy hao phản xạ, tỉ số số L L 6 h g phân cực, tỉ số sóng đứng (VSWR ) đạt W W 6 h được như yêu cầu đã đề ra. g  Tính toán độ dài của vết cắt ( 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO ∆L ) ĐẠC Ta tiến hành cắt vát hai góc của tấm Anten được mô phỏng trên phần patch anten và giữ nguyên các thông số trên mềm HFSS, từ kết quả mô phỏng và đo lại. đạc được thể hiện qua các hình cho ta một anten phân cực tròn tần số cộng Tỉ lệ cắt vát : hưởng tại 2.44 GHz, độ lợi đỉnh 8.95 dBi (Hình 4, Hình 5), hệ số phản xạ S11 là – 20.73 dB (Hình 7), tỷ số sóng đứng VSWR là 1.12 (Hình 8), búp sóng chính Độ dài của vết cắt vát : của anten là 600, băng thông của anten tại S11 là 640 MHz và băng thông AR là 340 MHz (Hình 9). Từ các kết quả đo đạc cho thấy hệ số phản xạ S11 là phù hợp với mô phỏng. Như vậy có thể kết luận anten được thiết kế có độ lợi đạt Hai khe hình chữ nhật được cắt đối yêu cầu đặt ra ban đầu. xứng bằng nhau và thay đổi kích thước  Anten được thiết kế trong Ansoft để đạt được như yêu cầu đề ra. HFSS: 3
4. Hình 6: Đồ thị bức xạ của anten Hình 3: Anten hình vuông cải tiến được thiết kế trong Ansoft HFSS S-parameters (Hệ số phản xạ S11): Độ định hướng (Directivity): Hình 7: Hệ số phản xạ S11 Tỷ số sóng đứng (VSWR): Hình 4: Đồ thị 3D thể hiện độ lợi của anten. Độ lợi (Gain): Hình 8: Tỷ số sóng đứng (VSWR) Tỷ số phân cực AR (Axial ratio) Hình 5: Đồ thị bức xạ dạng 3D của anten. Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern): Hình 9: Tỷ số phân cực AR của anten 4
5. LHCP/RHCP: Hình 12: So sánh S11 anten truyền thống và anten cải tiến bằng cách cắt khe (Dùng Máy đo Anritsu SiteMaster S331L) Hình 10: Phân cực tròn bên trái/phân cực tròn bên phải (LHCP/RHCP) Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ và đo đạc thực tế Hình 13: Máy đó Anritsu SiteMaster S331L và anten thành phẩm 4. KẾT LUẬN Một anten phân cực tròn đã được thiết kế cho ứng dụng WLAN dải tần 2,44 GHz. Kết quả về độ lợi, tần số Hình 11: Đo đạc hệ số phản xạ S11 cộng hưởng, hệ số phản xạ, mô phỏng Kết quả đo đạc của anten chưa cải sử dụng phần mềm Ansoft HFSS khá phù hợp với kết quả đo đạc thực tế. thiện băng thông và anten đã cải thiện băng Điều đó chứng tỏ anten được thiết kế thông bằng cách cắt khe đạt các yêu cầu đã đề ra về độ lợi, thông số tán xạ S11. Anten đề xuất có thể sử dụng cho các APs băng tần WLAN 2.44 GHz theo chuẩn 802.11 b/g của IEEE và có thể ứng dụng cho các hệ thống vô tuyến khác như: WiMAX dải tần 2.3-2.7GHz 5
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Dau-Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and Ji-Chyun Liu, High Performance Antenna Array with Patch Antenna Elements, PIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22 – 26, 2010. 2. T. G. Abo-Elnaga, E. A. F. Abdallah, and H. El-Hennawy, UWB Circular Polarization RFID Reader Antenna for 2.4 GHz Band, PIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22 – 26, 2010. 3. V. G. Kasabegoudar and K. J. Vinoy, a broadband suspended microstrip antenna for circular polarization, Progress In Electromagnetics Research, PIER 90, 353 – 368, 2009. 4. S. A. Malekabadi, circular polarized dielectric resonator antennas using a single probe feed, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 3, 81 – 94, 2008. 5. Deschamps, G. A., “Microstrip microwave antennas,” Proceedings of Third USAF Symposium on Antennas, 1953. 6. James, J. R. and P. S. Hall, Handbook of Microstrip Antennas, Peter Peregronic Ltd., London, 1989. 7. Kumar, G. and K. P. Ray, Broadband Microstrip Antennas, Artech House, Norwood, MA, 2003. 8. Kin-Lu Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, Copyrightc © 2002 John Wiley & Sons, Inc. 9. Ahmed Khidre, Kai Fang Lee, Fan Yang, and Atef Eisherbeni, Wideband Circularly Polarized E-Shaped Patch Antenna for Wireless Applications, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 52, No.5, October 2010. 10. Oluyemi P. Falade, Student Member, IEEE, Masood Ur Rehman, Member, IEEE, Yue (Frank) Gao, Member, IEEE, Xiaodong Chen, Senior Member, IEEE, and Clive G. Parini, Member, IEEE, Single Feed Stacked Patch Circular Polarized Antenna for Triple Band GPS Receivers, IEEE transactions on antennas and propagation, vol. 60, no. 10, october 2012. 11. Wang-Ta Hsieh, Tze-Hsuan Chang, and Jean-Fu Kiang, Dual-Band Circularly Polarized Cavity-Backed Annular Slot Antenna for GPS Receiver, IEEE transactions on antennas and propagation, vol. 60, no. 4, april 2012. 12. Nasimuddin, Zhi Ning Chen, and Xianming Qing, Dual-Band Circularly Polarized S-Shaped Slotted Patch Antenna With a Small Frequency-Ratio, IEEE transactions on antennas and propagation, vol. 58, no. 6, june 2010. 13. Abhilasha Mishra, Ganesh B. Janvale, Bhausaheb Vyankatrao Pawar, Pradeep Mitharam Patil, The Design of Circular Microstrip Patch Antenna by Using Quasi-Newton Algorithm of ANN, J. Electromagnetic Analysis & Applications, 2010. 14. B.-K. Ang and B.-K. Chung, A Wideband E-Shaped microstrip patch antenna for 5–6 GHz wireless communications, Progress In Electromagnetics Research, PIER 75, 397–407, 2007. 15. Kin-Lu Wong, Fa-Shian Chang and Tzung-Wem Chiou, Low-Cost Broadband Circularly Polarized Probe-Fed Patch Antenna for WAN Base Station, 0-78M-7330-8/02$17@2002 IEEE. 16. Marwa Shakeeb. Circularly Polarized Microstrip Antenna, Concordia University Montreal, Quebec, Canada, December 2010. Họ tên: Huỳnh Việt Hùng Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Điện thoại: 0986993838 Email: hunghv6sdh@gmail.com 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.