Thiết kế của ăng-ten xoắn ốc hình chữ nhật cho ứng dụng wifi.

N. H. Abdul Hadi, K. Ismail, S. Sulaiman and M. A. Haron,Khoa kĩ sư điện tửTrường đại học công nghệ MARA40450, SHAH ALAM MALAYSIAkamariah710@salam.uitm.edu.my

Sơ lược - Bài viết này nêu bật những thiết kế, mô phỏng, phân tích và chế tạo một ăng-ten vi băng xoắn ốc hình chữ nhật đồng trục (RSMA) cho ứng dụng Wi-Fi. Tần số trung tâm là 2,45 GHz và băng thông là 22 MHz. Các mô hình bức xạ của RSMA này minh họa một mô hình toàn hướng với tỷ lệ điện áp sóng đứng dưới hai (2), độ suy giảm thích ứng ít hơn -10 dB, dòng trở kháng là 50 Ω và hệ số khuếch đại là 5 dBi. Tất cả các thiết kế và mô phỏng của RSMA này được thực hiện bằng cách sử dụng một điện từ thương mại mô phỏng 3-D. Nguyên mẫu đã được chế tạo trên nền 4 FR với 4,9 hằng số điện môi có độ dày 1,54 mm. Thiết bị phân tích vecto mạng ZVA40 đã được sử dụng để đo lường tất cả các thông số của RSMA này. Các mô hình bức xạ 2D thu được bằng cách sử dụng ăng-ten hệ thống đào tạo ED3200. Qua quan sát thấy rằng mô phỏng và đo giá trị của các các thông số của RSMA khá chặt chẽ với nhau.

I. GI I THI UỚ ỆMạng Wi-Fi sử dụng công nghệ vô tuyến. Một người với một thiết bị cho phép wifi như máy tính, điện thoại di động hoặc PDA có thể truy cập internet khi ở gần một “access point”. Khu vực được bao phủ bởi một hoặc một vài các điểm truy cập được gọi là một điểm nóng(Hotspot). Hotspot có thể dao động từ một phòng đơn đến nhiều dặm vuông của các điểm nóng chồng chéo [1].

Một trong những thành phần quan trọng trong việc ứng dụng Wi-Fi là một ăng-ten. Các đặc tính cần thiết cho một ăng-ten Wi-Fi là một ăng-ten toàn hướng với phân cực tròn [2]. Ăng-ten xoắn ốc đã được giới thiệu vào năm 1950 bởi Edwin Turner [3] người chứng minh bằng thực nghiệm rằng một xoắn ốc Archimedean dẫn đến trở kháng đầu vào không đổi và phân cực tròn trên một phạm vi rộng các tần số [4]. Hình 1 cho thấy một số của các ăng-ten xoắn ốc được sử dụng trong các ứng dụng băng thông rộng [1] - [4].

Các ăng ten xoắn ốc hình chữ nhật đã được lựa chọn cho công việc này do đặc tính phân cực tròn và những đặc tính độc lập tần số tại một kích thước tương đối nhỏ cho các ứng

dụng Wi-Fi. Hơn nữa, loại ăng-ten này có thể ngăn cản truy cập do sự đối lập với các điểm truy cập khác. Ăng-ten hình chữ nhật này là một cải tiến [1] trong định hạn của các mô hình, kỹ thuật tiếp sóng và khác nhau với loại ăng-ten Archimedean tròn điển hình [5] - [7]. Nguyên mẫu được chế tạo trên FR4 chất nền với 4,9 điện môi liên tục và 1,524 mm chiều dày. Tần số trung tâm là 2,45 GHz và băng thông là 22 MHz. Các ăng-ten đã được cho tiếp sóng bằng cách sử dụng cáp đồng trục ở trung tâm.

Hình 1: Tính đa dạng của ăng-ten xoắn ốc cho những ứng dụng băng thông rộng.[1] – [4].

II. Ph ng th c ch t oươ ứ ế ạViệc thiết kế và mô phỏng RSMA này được thực hiện bằng cách sử dụng giả lập điện từ 3D với các thông số như trong bảng 1 và các thuộc tính nền được chỉ ra trong bảng 2.

Bảng 1: Thông số kỹ thuật của ăng-ten.

Tần số trung tâm (fc) 2.4 GHzBăng thông (BW) 22 MHzHệ số khuếch đại 5 dBiMô hình bức xạ Toàn hướngĐiện áp tỷ lệ song đứng (VSWR) <= 2

Độ suy giảm thích ứng (S11) <= -10 dBDòng trở kháng (Zo) 50 Ω

Bảng 2: Thuộc tính nền:

Thuộc tính FR-4Hằng số điện môi, Er 4.9Mue 1El. Tand 0.025Độ dày(mm), h 1.54Độ dày kim loại (mm), T 0.03Điện trở suất 1 rel Au

A. Qui trình thi t k ế ếHệ thống tọa độ của RSMA được thể hiện trong hình 2. Dạng hình học của các khe đã được tạo ra bởi dn = 2 (n-1) d1, (n = 2,3, ..., 10) 2D1 (= ab) và n biểu thị chiều dài của vòng quay đầu tiên của khe xoắn ốc hình chữ nhật 1 cánh tương ứng. Giả định rằng chiều

rộng khe W rất hẹp so với bước sóng λo tại tần số cộng hưởng fo [8].

Hình 2. Dạng hình học của ăng-ten xoắn ốc Archimedean

Kích thước của RSMA được biểu thị ở bảng 3.

Bảng 3. Kích thước RSMASố vòng quay, N 3 vòngBán kính vòng ngoài cùng, r1 2.27 cmBán kính vòng trong cùng, W 0.379 cmKhoảng cách giữa 2 vòng, S 0.379 cmChiều dài, L 6 Cm

B. M ng ti p song:ạ ế

Hình 3a. Ống dẫn đồng trục cho ăng-ten

Hình 3b. Tầm nhìn mặt cắt của ống dẫn đồng trục.

Có rất nhiều phương pháp có thể được áp dụng để tiếp sóng ăng-ten và có thể được phân thành hai loại, tiếp hợp và không tiếp hợp. Bốn phương pháp tiếp cận phổ biến nhất là microstrip line, coaxial probe, aperture coupling và proximity coupling [9]. Công việc này được hiện thực bằng ống dẫn đồng trục như minh họa ở hình. 3. Dây dẫn bên trong của máy thăm dò mở rộng thông qua điện môi ở một điểm, nhờ đó trở kháng phù hợp với trở kháng đầu vào và sau đó được hàn chặt vào Patch Antenna, trong khi dây dẫn bên ngoài được tiếp nối với “ground plane”. Trở kháng đầu vào (Zo) của ăng-ten cũng bị ảnh hưởng bởi bán kính bên trong và bên ngoài của ống dẫn đồng trục, khoảng cách giữa các line (s), hằng số điện môi (Er), và cũng có độ dày (tsu) bề mặt. Những bất lợi của kỹ thuật

tiếp sóng này sẽ dẫn đến sự gia tăng chiều dài probe làm cho trở kháng đầu vào có cảm ứng dẫn đầu phù hợp những vấn đề [10].

C. Mô ph ng CADỏMô phỏng RSMA bao gồm các ống dẫn đồng trục được tiến hành. Bán kính bên trong (W) của RSMA được thay đổi để đạt được hiệu quả tối ưu nhằm đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật. Các kích thước của ăng ten đã được giữ ổn định ở 6 cm x 6 cm. Chiều rộng tốt nhất (W) cho ăng-ten này để thực hiện như một ăng ten Wi-Fi là 3,79 mm. Hình 4 cho thấy mô phỏng 3-D RSMA trong khi hình 5, hình 6 và Hình 7 minh họa kết quả mô phỏng cho các tham số khác nhau của ăng ten; độ suy giảm thích ứng (S11), tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR), dòng trở kháng (Zo), và mô hình bức xạ tương ứng.

Hình 4: 3D RSMA mô phỏng

Hình 5a Độ suy giảm thích ứng đang hiển thị tất cả hòa âm

Hình 5b: Độ suy giảm thích ứng (S11) tại trung tâm tần số

Hình 6: Điện áp sóng đứng (VSWR)

Độ suy giảm thich ứng S11 trong dB

Hình 7. Điện trở kháng (Zo)

Hình 8. Mô hình bức xạ 3-D

Những thông số của anten mô phỏng đã được mô tả trong bảng 4.Bảng 4. So sánh giữa giá trị mô phỏng và thông số kỹ thuật

Ăng-ten đáp ứng các giá trị yêu cầu các thông số hoạt động như là một ăng-ten Wi-Fi. Sau đó, chế tạo của các mẫu RSMA đã được tiến hành trước khi phân tích và đo RSMA.

III. K T QU VÀ TH O LU NẾ Ả Ả ẬChế tạo các mẫu thử nghiệm đã đạt được trên chất nền FR4 với Er = 4,9 và h = 1,54 mm. Nguyên mẫu của ăng-ten được hiển thị trong hình 8 với kích thước của W = S = 3,79 mm và L = 6 cm. Các phép đo của S11, VSWR và Zo được thực hiện bằng cách sử dụng một máy phân tích mạng vector, ZVA 40 trong khi các mô hình bức xạ 2-D thu được bằng cách bằng cách sử dụng một hệ thống đào tạo ăng ten, ED3200. tiêu chuân hiệu chuân [6] thủ tục được sử dụng trước khi đo.

Phân tích của các giá trị đo và mô phỏng cho S11, VSWR, Zo và mô hình bức xạ đã được thực hiện, và như minh họa bằng Hình 10, 11, 12 và 13 tương ứng. Tất cả các giá trị thu được đáp ứng các chi tiết kỹ thuật.

Giá trị của dộ suy giảm thích ứng, S11 là -19,47 dB tại 2,37 GHz. Giá trị này là tốt vì nó là thấp hơn -10 dB và nó đã cho thấy thỏa thuận chặt chẽ giữa đo và mô phỏng giá trị như được chỉ ra bởi hình. 10.

Giá trị đo VSWR 1,24 nơi VSWR anten lý tưởng là sự đoàn kết. Giá trị thấp của VSWR chỉ ra rằng các ăng-ten có giá trị thấp sức mạnh phản ánh. Các giá trị đo và mô phỏng VSWR đã được so sánh như được minh họa bằng hình. 11.

Hình 9. RSMA mô phỏng.

Có sự khác biệt nhỏ giữa mô phỏng và những giá trị của các tham số đã đo của RSMA. Việc sử dụng kỹ thuật tiếp sóng đồng trục gây ra trở kháng đầu vào cảm ứng như được chỉ ra bởi hình. 12 và thay đổi chút ít trong giá trị từ giá trị mô phỏng. Tuy nhiên, các giá trị khá gần với nhau. Các mô hình bức xạ của ăng-ten toàn hướng như mô tả của hình. 8 và hình 13 là cái mà tuân theo các yêu cầu để hoạt động như một ăng-ten Wi-Fi.

Sự khác biệt có thể là do tổn thất ký sinh và giá trị của hằng số điện môi FR4 đã được sử dụng trong suốt quá trình chế tạo. FR4 hằng số điện môi có thể khác nhau từ 4,4 đến 4,9. Các yếu tố khác gây ra các lỗi ảnh hưởng của kết nối, vá hàn, và khoảng cách được giới thiệu giữa chất nền và mặt đất. các sự khác biệt về kích thước trong quá trình chế tạo cũng góp phần lỗi.

Figure 10. Những giá trị đã đo và mô phỏng của S11

Figure 11. Những giá trị đã đo và mô phỏng của VSWR

Hình 12. Những giá trị đã đo và mô phỏng của Zo ISBN

Figure 13. 2- D Mô hình bức xạ

Giá trị đã đo của Zo là 41,81 Ω hơi khác với giá trị mô phỏng của 50,04 Ω. Hình 13nêu bật các mô hình bức xạ toàn hướng của ăng-ten này. Tất cả các giá trị đo được, mô phỏng và đặc điểm kỹ thuật của các thông số của RSMA nguyên mẫu đã được tổng kết trong Bảng 5.BẢNG 5. So sánh giữa mô phỏng và đoo giá trị của các thông số của RSMA

IV. K T LU NẾ ẬBài viết này đã trình bày thiết kế, mô phỏng và nguyên mẫu của RSMA, chế tạo trên chất nền FR4 với 4,9 hằng số điện môi và độ dày 1,54 mm. Kết quả cho thấyrằng các giá trị mô phỏng và đo khá gần với nhau. Mối quan hệ giữa fc và W làtỉ lệ nghịch. Những cải tiến từ [1] đã được đạt được như là kích cỡ được giảm đến 6 cm x 6 cm. Tiếp song đồng trục bên dưới cung cấp không gian cho thiết bị khác để gắn kết trênchất nền có thể tiếp tục giảm kích thước tổng thể của một Wi-Fi.

V. KI N NGHẾ ỊHiệu suất của ăng ten này có thể được tiếp tục nâng cấp. Việc sử dụng các chất nền có giá trị thấp hơn của hằng số điện môi liên tục có thể tiếp tục giảm kích thước của ăng ten [11]. Trong tương lai số lượng lần lượt có thể được tăng lên để có được tốt hơnhiệu suất của một ăng-ten Wi-Fi.

Tài liệu tham khảo[1] M.F.Abdul Khalid, M.A. Haron, A. Baharuddin and A.ASulaiman, “Design of a spiral antenna for Wi-Fiapplication,” IEEE Inter. RF and Micowave Conf. Proc.,K.Lumpur, pp. 428-432, Dis 2-4, 2008.[2] Mohammed N. Afsar, Yong Wang and Rudolf Cheung,“Analysis and Measurement of a Broadband Spiral Antenna’’

IEEE Antenna and Prop. Magazine, 1, pp. 59-64, Feb. 2004.[3] E. M. Turner, “Spiral Slot Antenna’’, US Patent 2863145,Oct. 1955.[4] Rod Waterhouse, Printed Antennas for WirelessCommnunications, John Wiley & son, Inc., 2007.[5] Q. Liu, C. L. Ruan, L. Peng and W.X. Wu, “A novel compactArchimedean spiral antenna with gap loading,” Progressin Electromagnetics Research Lett., vol 3,pp. 169-177, 2008.[6] C. Sun,G. Wan, Z. Han and X. Ma, “Design and simulationof a planar Archimedean spiral antenna,” Progress inElectromagnetics Research Research Symposium Proceedings,Xi’an, China, March 22-26, 2010.[7] http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-01082002-073223/unrestricted/Caswell_etd_Ch2.pdf[8] C.A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, SecondEdition, John Wiley & Son, Inc., 1997.[9] http://www.antenna-theory.com[10] M. F. Mohd Yusop, K. Ismail, S. Sulaiman and M.A. Haron,“Coaxial feed Archimedean Spiral Antenna for GPS Application,”Proceedings of 2010 IEEE Asia-Pacific Conference on AppliedElectromagnetics (APACE 2010), Dic.2010.[11] D. M. Pozar, “Microstrip Antenna,” Proceedings of IEEE, Vol80, No. 1, pp.79 – 91, January 1992