Thiết kế anten mạch in phân tập phân cực và phân tập dạng đồ thị bức xạ với hệ số cách ly cao cho hệ thống thông tin đa băng tần

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Thiết kế anten mạch in phân tập phân cực và phân tập dạng đồ thị bức xạ với hệ số cách ly cao cho hệ thống thông tin đa băng tần" tóm tắt các kỹ thuật mới được đề xuất gần đây, sử dụng anten mạch in trong việc thiết kế một số anten phân tập phân cực và/hoặc phân tập dạng đồ thị bức xạ cho hệ thống thông tin đa băng tần. Trong các thiết kế này, cơ chế tiếp điện vi sai được sử dụng để nâng cao hệ số cách ly giữa các cổng anten. Tất cả các thiết kế được khảo sát đều có cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và có hệ số cách ly cao trên toàn bộ dải tần hoạt động. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế anten mạch in phân tập phân cực và phân tập dạng đồ thị bức xạ với hệ số cách ly cao cho hệ thống thông tin đa băng tần

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Thiết Kế Anten Mạch In Phân Tập Phân Cực Và Phân Tập Dạng Đồ Thị Bức Xạ Với Hệ Số Cách Ly Cao Cho Hệ Thống Thông Tin Đa Băng Tần Bùi Trần Hiển, Tạ Sơn Xuất, Nguyễn Khắc Kiểm và Đào Ngọc Chiến Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội *E-mail: xuat.tason@hust.edu.vn Abstract—Bài báo này tóm tắt các kỹ thuật mới được đề xuất gần đây, sử dụng anten mạch in trong việc thiết kế một số anten phân tập phân cực và/hoặc phân tập dạng đồ thị bức xạ cho hệ thống thông tin đa băng tần. Trong các thiết kế này, cơ chế tiếp điện vi sai được sử dụng để nâng cao hệ số cách ly giữa các cổng anten. Tất cả các thiết kế được khảo sát đều có cấu trúc phẳng, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và có hệ số cách ly cao trên toàn bộ dải tần hoạt động. Index Terms—Phân tập, phân cực, đồ thị bức xạ, đa băng tần, hệ số cách ly cao. I. GIỚI THIỆU Anten mạch in (microstrip antenna) hay tấm bức xạ mạch Hình 1. (a) Cấu hình thiết kế chung của các anten đề xuất và (b) bộ chia công suất lệch pha tạo ra hai tín hiệu cùng biên độ nhưng lệch pha để kích in là một trong những loại anten được sử dụng phổ biến nhất thích anten bức xạ. hiện nay do các đặc tính ưu việt như: cấu trúc phẳng, trọng lượng nhẹ, dễ dàng chế tạo và tích hợp trên các thiết bị thu phát. Anten mạch in thường được sử dụng tại chế độ T M10 đọc tần số vô tuyến (RFID) [8]. Tuy nhiên, việc đảm bảo theo mô hình phân tích khoang cộng hưởng (cavity model). cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và hệ số cách ly cao là tương Tuy nhiên nhược điểm chính của loại anten này là có băng đối thách thức. Phần lớn anten nhiều cổng, có đồng thời hai thông hoạt động tương đối hẹp (khoảng 5%). Trong các thập đặc tính phân tập phân cực và phân tập dạng đồ thị bức xạ kỷ vừa qua, một loạt các kỹ thuật mới đã được đề xuất để trên nhiều bằng tần chỉ có hệ số cách ly khoảng 26 dB [10]. nâng cao khả năng hoạt động của anten mạch in, bao gồm Bài báo này sẽ tóm tắt lại một số kỹ thuật mới, ứng các kỹ thuật: mở rộng băng thông, thu nhỏ cấu trúc, hoạt dụng cho anten mạch in để thiết kế anten phân tập phân động trên nhiều băng tần, và nhiều kỹ thuật khác [1]. Dựa cực và/hoặc dạng đồ thị bức xạ cho hệ thống thông tin vô vào những nghiên cứu đã đề xuất, anten mạch in đã và đang tuyến đa băng tần. Bài báo sẽ bắt đầu bằng việc giải thích được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và cho rất nguyên lý thiết kế giúp đạt được hệ số cách ly cao giữa các nhiều ứng dụng khác nhau. cổng anten, sau đó sẽ trình bày các kỹ thuật được áp dụng Mặt khác, anten phân tập phân cực và/hoặc phân tập dạng cho anten mạch in để đạt được khả năng phân tập phân cực đồ thị bức xạ, có khả năng hoạt động trên nhiều băng tần [2] và/hoặc dạng đồ thị bức xạ trên nhiều băng tần. đang trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng trong thời gian gần đây. Loại anten này có khả năng cung cấp các kết nối II. CẤU HÌNH THIẾT KẾ CHUNG vô tuyến ổn định và đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau Cấu hình thiết kế chung được biểu diễn như trong hình 1 về vùng phủ sóng. Hơn nữa, khi so sánh với anten phân tập (a), sử dụng cơ chế tiếp điện vi sai, bao gồm hai cặp cổng trên một băng tần thông thường, anten phân tập trên nhiều vi sai (cặp cổng 1-2 và cặp cổng 3-4). Cơ chế tiếp điện vi băng tần có thể tận dụng nhiều kênh truyền vô tuyến khác sai là cơ chế sử dụng hai tín hiệu cùng biên độ nhưng ngược nhau phân chia theo phân cực và góc bức xạ trên nhiều tần pha để kích thích anten bức xạ. Thông thường, một bộ chia số để tăng thông lượng của hệ thống, cũng như làm giảm công suất lệch pha được sử dụng để phân chia tín hiệu thành ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đing trong môi trường truyền hai luồng tín hiệu ngược pha và cùng biên độ đi vào anten, thông đa đường [3]. Do đó, anten phân tập phân cực và/hoặc như được biểu diễn trong hình 1 (b). Khi đó tham số tán xạ phân tập dạng đồ thị bức xạ trên nhiều băng tần được ứng của các cổng anten có thể được tính theo công thức [9]: dụng hiệu quả trong nhiều hệ thống thông tin vô tuyến khác nhau như: mạng cục bộ không dây (WLAN) [4], mạng cảm Sdd11 = (S11 − S12 − S21 + S22 ) /2 (1) biến cơ thể người (WBAN) [5], hệ thống định vị toàn cầu (GPS) [6], hệ thống giao thông thông minh (V2X) [7], đầu Sdd22 = (S33 − S34 − S43 + S44 ) /2 (2) ISBN 978-604-80-8932-0 19
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Hình 2. (a) Nguyên lý thiết kế và (b) cấu trúc anten [10]. Sdd21 = (S31 − S41 − S32 + S42 ) /2 (3) Sdd12 = (S13 − S14 − S23 + S24 ) /2 (4) Cấu trúc anten được thiết kế đối xứng giữa các cặp cổng 1-2 và cặp cổng 3-4, khi đó S13 = S14 và S23 = S24 , dựa vào công thức (3) và (4) ta có hệ số cách ly theo lý thuyết giữa các cổng anten có thể đạt được là bằng vô cùng (do Sdd12 và Sdd21 bằng không). III. CÁC KỸ THUẬT ĐỀ XUẤT Phần này sẽ trình bày các kỹ thuật được áp dụng cho anten mạch in để thiết kế một số anten phân tập phân cực và/hoặc phân tập dạng đồ thị bức xạ trên nhiều băng tần, sử dụng nguyên lý thiết kế đã trình bày ở trên để đạt được hệ số cách ly cao. Quá trình thiết kế và tối ưu đã được trình bày chi tiết trong các tài liệu [10], [11]. Trong bài báo này, Hình 3. (a) Nguyên mẫu anten chế tạo [10] (b) tham số tán xạ và (c) đồ chúng tôi chỉ tóm tắt lại cơ chế hoạt động cũng như các kết thị bức xạ của nguyên mẫu anten. quả quan trọng. A. Sử dụng phần tử ký sinh thông phối hợp trở kháng của tấm bức xạ mạch in (cổng 2 Nguyên lý thiết kế của anten phân tập phân cực và phân và cổng 3) đã được cải thiện đáng kể, lên đến 8,8% với hệ tập dạng đồ thị bức xạ trên hai băng tần 2,45 GHz và 5,80 số tăng ích đạt khoảng 8,5 dBi. GHz sử dụng phần tử ký sinh [10] được minh họa trong Hình 3 biểu diễn nguyên mẫu chế tạo anten và các kết quả − − → → hình 2 (a). Anten bao gồm ba thành phần bức xạ Jx , Jy và đo đạc về tham số tán xạ và đồ thị bức xạ của nguyên mẫu −→ − − → → Mz . Trong đó, Jx , Jy là hai nguồn dòng điện, bức xạ định anten. Có thể thấy anten hoạt động hiệu quả tại hai băng −→ hướng cho phân cực kép tại tần số 5,80 GHz; Mz là nguồn tần 2,45 GHz và 5,80 GHz với khả năng phân tập phân cực vòng dòng từ, bức xạ đẳng hướng cho phân cực thẳng đứng và phân tập dạng đồ thị bức xạ; đồng thời có hệ số cách ly −→ cao, lớn hơn 30 dB giữa tất cả các cổng và lớn hơn 40 dB tại tần số 2,45 GHz. Nguồn bức xạ Mz tạo ra bởi bốn tấm bức xạ mạch in ngắn mạch được tiếp điện cùng pha và cùng giữa cổng 2 và cổng 3. biên độ bởi ba bộ chia công suất T-Junction. Bên cạnh đó, − → − → B. Tạo khẩu độ bức xạ nguồn bức xạ Jx và Jy tạo ra bởi một tấm bức xạ mạch in được bao quanh bởi các cấu trúc ký sinh hình nấm có kết Tuy đã đạt được hệ số cách ly cao, anten trên đạt được nối ở góc. Phần tử bức xạ mạch in này lần lượt được kích khả năng phân tập bằng cách tích hợp hai phần tử bức xạ thích bởi cổng tiếp điện vi sai cổng 2 và cổng 3, sử dụng trên cùng một đế điện môi, trong đó mỗi phần tử hoạt động hai bộ chia công suất lệch pha. Theo phân tích đã được trình trên một băng tần riêng biệt. Hay nói cách khác, mỗi cổng bày trong phần trước, hai cổng này có hệ số cách ly rất cao của anten chỉ hoạt động trên duy nhất một băng tần. Để - theo lý thuyết có thể bằng vô cùng. tăng khả năng tích hợp, trong cấu trúc anten tiếp theo [11], Trong nghiên cứu này, các phần tử ký sinh hình nấm kết chúng tôi sẽ thiết kế mỗi cổng anten có khả năng hoạt động nối ở góc có tác dụng mở rộng băng thông và tăng cường hệ đồng thời trên hai băng tần bằng cách tạo khẩu độ bức xạ số tăng ích của tấm bức xạ mạch in hoạt động tại 5,80 GHz. trên bề mặt tấm bức xạ mạch in. Thông thường, băng thông phối hợp trở kháng của tấm bức Cấu trúc anten [11] được biểu diễn trong hình 4 (a), bao xạ mạch in chỉ khoảng 5% với hệ số tăng ích trung bình đạt gồm một tấm bức xạ mạch in hình tứ giác được khắc bốn khoảng 5 dBi [1]. Bằng cách thêm các phần tử ký sinh, băng khẩu độ bức xạ hình thang dọc theo các cạnh. Tấm bức xạ ISBN 978-604-80-8932-0 20
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Hình 4. (a) Nguyên mẫu anten chế tạo [10] (b) tham số tán xạ và cơ chế bức xạ tại 5,25 GHz của anten. Hình 6. (a) Cấu trúc (b) tham số tán xạ, (c) hệ số tăng ích và hiệu suất của anten sử dụng cấu trúc xếp chồng, (d) nguyên mẫu anten chế tạo. khẩu độ bức xạ. Tại 5,25 GHz, bốn khẩu độ bức xạ hoạt động như bốn dòng từ tương đương (theo nguyên lý trường tương đương Huy-ghen [12]) như được minh họa trong hình 4 (b). Các dòng từ này cùng pha, giúp tạo ra dạng đồ thị bức xạ định hướng với hệ số tăng ích đạt khoảng 9,80 dBi. Trong khi đó tại tần số 2,45 GHz, anten bức xạ với chế độ T M10 cũng với dạng đồ thị bức xạ định hướng và hệ số tăng ích đạt 9,0 dBi. Sau đó, anten được tích hợp với hai bộ chia vi sai băng tần kép để tạo thành nguyên mẫu hoàn chỉnh. Hình 5 biểu diễn nguyên mẫu chế tạo anten và các kết quả đo đạc về tham số tán xạ cùng dạng đồ thị bức xạ. Anten đạt được băng thông phối hợp trở kháng với hệ số phản xạ nhỏ hơn -10 dB là 2,40 – 2,52 GHz (4,87%) và 5,09 – 5,41 GHz (6,09%). Các phép đo cho kết quả hệ số cách ly tốt hơn 44 dB và 41 dB Hình 5. (a) Nguyên mẫu anten chế tạo [11] (b) tham số tán xạ và (c) dạng đồ thị bức xạ mô phỏng và đo đạc của nguyên mẫu. lần lượt tại băng tần thấp và băng tần cao. Trong môi trường phòng thí nghiệm thông thường, hệ số cách ly vẫn tốt hơn 40 dB tại cả hai dải tần hoạt động. Bên cạnh đó, anten bức in tại mặt dưới của tấm điện môi Roger 5880 và được tiếp xạ định hướng với đặc tính phân cực kép đồng thời trên cả điện bởi bốn phần tử tiếp điện hình Γ qua cáp đồng trục, hai băng tần 2,45 GHz và 5,25 GHz. trong đó có hai cặp cổng tiếp điện vi sai là P1-P2 và P3-P4. Khi đó, hệ số phản xạ của các cổng vi sai được tính theo C. Sử dụng cấu hình xếp chồng công thức (1) và (2). Do cấu trúc đối xứng hoàn hảo, biên Tuy mỗi cổng của anten [11] có khả năng hoạt động đồng độ hệ số phản xạ của hai cặp cổng tiếp điệp vi sai P1-P2 và thời trên cả hai băng tần, tuy nhiên băng thông hoạt động P3-P4 bằng nhau (|Sdd11 | = |Sdd22 |) và chỉ kết quả |Sdd11 | của anten này tại băng tần cao lại tương đối hạn chế - chỉ được cho trong hình 4 (b). đạt khoảng 6,09%. Để giải quyết vấn đề này, một tấm bức Cấu trúc anten này có hai tần số cộng hưởng tại 2,45 GHz xạ thứ cấp được xếp chồng lên trên phần tử bức xạ ban đầu, và 5,25 GHz lần lượt được tạo ra bởi chế độ T M10 và bốn giúp mở rộng băng thông tại băng tần cao lên đến 24,83%, ISBN 978-604-80-8932-0 21
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) trong khi vẫn đảm bảo mỗi cổng anten hoạt động đồng thời LỜI CẢM ƠN trên cả hai băng tần, bức xạ định hướng với đặc tính phân Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học cực kép cùng hệ số cách ly lớn hơn 40 dB. Thiết kế này sẽ và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số phát triển hơn nữa ý tưởng sử dụng khẩu độ bức xạ để tạo 102.04-2021.06 ra tần số cộng hưởng tại băng tần cao từ anten [11]. Hình 6 (a) biểu diễn cấu trúc của anten, bao gồm một TÀI LIỆU THAM KHẢO tấm bức xạ mạch in được khắc bốn khẩu độ bức xạ hình [1] K. -F. Lee and K. -F. Tong, "Microstrip Patch Antennas—Basic Characteristics and Some Recent Advances," in Proceedings of chữ nhật dọc theo các cạnh và một tấm bức xạ thứ cấp xếp the IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2169-2180, July 2012, doi: chồng lên trên, được sử dụng để mở rộng băng thông hoạt 10.1109/JPROC.2012.2183829. động tại băng tần cao. Anten được tiếp điện bởi bốn phần tử [2] P.-L. Chi and T. Itoh, “Miniaturized dual-band directional couplers using composite right/left-handed transmission structures and their tiếp điện hình Γ qua cáp đồng trục giống như anten [11] để applications in beam pattern diversity systems,” IEEE Trans. Microw. cấu hình cơ chế tiếp điện vi sai. Hình 6 (b) biểu diễn tham Theory Techn., vol. 57, no. 5, pp. 1207–1215, May 2009. số tán xạ của cấu trúc anten, kết quả mô phỏng cho thấy [3] R. G. Vaughan, and J. B. Andersen, “Antenna diversity in mobile communications,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. vt-36, no. 4, pp. anten có ba tần số cộng hưởng tại 2,45 GHz; 3,30 GHz và 149- 172, Nov. 1987. 3,70 GHz. Trong đó, chế độ T M10 của tấm bức xạ 1 tạo ra [4] X. Liu, Y. Wu, Z. Zhuang, W. Wang, and Y. Liu, “A dual-band patch tần số cộng hưởng tại 2,45 GHz; trong khi bốn khẩu độ bức antenna for pattern diversity application,” IEEE Access, vol. 6, pp. 51986–51993, 2018. xạ hình chữ nhật tạo ra tần số cộng hưởng tại 3,30 GHz và [5] J. Tak, S. Woo, J. Kwon, and J. Choi, “Dual-band dual-mode patch chế độ T M10 của tấm bức xạ 2 gây ra tần số cộng hưởng antenna for on-/off-body WBAN communications,” IEEE Antennas tại 3,70 GHz. Nguyên mẫu anten (hình 6 (d)) đã được chế Wireless Propag. Lett., vol. 15, pp. 348–351, 2016. [6] D. Sarkar and K. Srivastava, “Compact dual-band dual-mode mi- tạo và đo đạc. Các phép đo cho thấy nguyên mẫu có băng crostripfed dipole-loop antennas for pattern diversity arrays,” Electron. thông phối hợp trở kháng đạt 2,42 - 2,52 GHz (4,05%) và Lett., vol. 53, no. 10, 639–640, 2017. 3,21 - 4,12 GHz (24,86% - băng thông rộng hơn gấp bốn [7] L. Ge, S. Gao, Y. Li, W. Qin, and J. Wang, “A low-profile dual-band antenna with different polarization and radiation properties over two lần anten [11]) với hệ số tăng ích trung bình khoảng 8,60 bands for vehicular communications,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. - 9,21 dBi và 9,20 - 11,17 dBi; cùng hiệu suất đạt tốt hơn 68, no. 1, pp. 1004–1008, Jan. 2019. 91% và 93% lần lượt tại băng tần thấp và băng tần cao, như [8] Q. Liu, J. Y. Shen, J. G. Yin, H. L. Liu, and Y. A. Liu, “Compact 0.92/2.45- GH dual band directional circularly polarized microstrip được biểu diễn trong hình 6 (b) và (c). antenna for handed RFID reader applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 9, pp. 3849-3856, Jul. 2015. IV. KẾT LUẬN [9] B. R. Eisenstadt, B. Stengel and B. M. Thompson, Microwave Dif- ferential Circuit Design Using Mixed-Mode S-Parameters, Norwood, Bài báo đã trình bày cơ chế tiếp điện và ba kỹ thuật được MA, USA:Artech House, 2006. [10] T. H. Bui, S. X. Ta, K. K. Nguyen, C. Dao-Ngoc and N. Nguyen- áp dụng cho anten mạch in để thiết kế một số anten phân tập Trong, "Planar High-Isolation Dual-Band Dual-Mode Antenna With phân cực và/hoặc phân tập dạng đồ thị bức xạ cho hệ thống Omni-/Unidirectional Radiation," IEEE Antennas Wireless Propag. thông tin đa băng tần. Hai trong ba kỹ thuật đã được tổng Lett., vol. 21, no. 1, pp. 99-103, Jan. 2022. [11] T. H. Bui, H. T. Vu, S. X. Ta, K. K. Nguyen, C. Dao-Ngoc and N. hợp thành hai công trình công bố khoa học [10], [11]. Bên Nguyen-Trong, "Dual-Band Dual-Polarized Slotted-Patch Antenna for cạnh đó, tất cả các thiết kế đề xuất đều có cấu trúc phẳng, In-Band Full-Duplex Applications," IEEE Antennas Wireless Propag. cấu trúc đối xứng, đơn giản và dễ chế tạo; hoàn toàn có thể Lett., vol. 22, no. 6, pp. 1286-1290, June 2023. [12] C. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design. được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông đa Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2015. [Online]. Available: băng tần. https://books.google.com.vn/books?id= PTFcCwAAQBAJ ISBN 978-604-80-8932-0 22