สายอากาศแบบปรับโครงสร้างเพื่อการประยุกต์ใช้งานย่านการสื่อสารไร้สาย

Abstract

งานวิจัยนี้ได้นำเสนอเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพสายอากาศโมโนโพล แบบระนาบร่วมและสายอากศไมโครสตริปรูปเรขาคณิตพื้นฐานทั่วไปด้วยการปรับโครงสร้างแบบไม่ซับซ้อน เพื่อรองรับการใช้งานครอบคลุมย่านความถี่มาตรฐาน IEEE 802.11 b/g/n 2.45 GHz (2.40 - 2.48 GHz) IEEE.802.16a 5.20 GHz (5.13 - 5.35 GHz), 5.80 GHz (5.70 - 5.90 GHz) WiMAX IEEE 802.16e 3.5 GHz (3.49 -3.69 GHz) และ UWB IEEE 802.15.3a (3.10 - 10.60 GHz) รวมถึงการลดปัญหาอัตราการขยายที่มีค่าต่ำกว่ามาตรฐานและปัญหาการมีแบบรูปการแผ่พลังงานเพียงรูปแบบเดียวของสายอากาศหนึ่งตัว เพราะบางกรณีเมื่อมีการเปลี่ยนตำแหน่งติดตั้งสายอากาศทำให้แบบรูปการแผ่พลังงานแบบเดิมตอบสนองการใช้งานไม่เต็มประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนสายอากาศที่มีแบบรูปการแผ่พลังงานให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมที่ต้องการประยุกต์ใช้งาน จากที่กล่าวมานั้น ผู้วิจัยได้ทำการศึกษา วิเคราะห์และออกแบบการปรับโครงสร้างสายอากาศแบบใหม่เพื่อปรับแก้ปัญหาข้างต้น แยกออกเป็น 3 กรณี กรณีแรกคือ การพัฒนาและออกแบบโครงสร้างสายอากาศโมโนโพลแบบระนาบร่วมที่มีการเลือกโครงสร้างตัวแผ่พลังงานที่ไม่ซับซ้อนตามรูปเรขาคณิตแบบพื้นฐาน 3 รูปแบบคือ สี่เหลี่ยม วงกลมและสามเหลี่ยม มาทำการปรับด้วยเทคนิคการเซาะร่องบริเวณสายนำสัญญาณและระนาบกราวด์ทั้งสองด้าน เพื่อยกระดับสายอากาศให้ทำงานครอบคลุมระบบสื่อสารไร้สาย WLAN/WiMAX และ UWB ขั้นตอนถัดไปทำการปรับเพิ่มแผ่นสะท้อนที่ตำแหน่งด้านหลังตัวสายอากาศเพื่อช่วยเพิ่มอัตราขยายให้มีค่าดียิ่งขึ้น อีกทั้งกาปรับเพิ่มแผ่นสะท้อน ทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนแบบรูปการแผ่พลังงานจากเดิมคือแบบรอบทิศทางไปเป็นแบบเจาะจงทิศทาง กรณีที่สองเป็นการนำสายอากาศโมโนโพลแบบระนาบร่วมรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ามาพัฒนาต่อยอด ด้วยการใช้เทคนิคการเซาะร่องรูปลูกศร บริเวณแผ่นแผ่พลังงานรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ผลลัพธ์คือสามารถลดค่าหน่วงเวลาและค่าสัมประสิทธิ์การใส่แทรกของสายอากาศกรณีเมื่อนำสายอากาศมาวางัดเรียงบนระนาบเดียวกันเพื่อใช้งานรวมกันมากกว่าหนึ่งตัว ส่งผลทำให้สายอากาศดังกล่าวสามารถรองรับการประยุกต์ใช้กับระบบหลายอินพุมหลายเอาต์พุต สำหรับกรณีที่สามเป็นการพัฒนาและออกแบบสายอากาศแบบไมโครสตริปด้วยการปรับเพิ่มโครงสร้างโดยใช้เทคนิคช่องว่างแถบความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าแบบดอกเห็ด ด้วยการวางแผ่นทองแดงรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสล้อมรอบตัวสายอากาศในรูปแบบ 3x3 และทำการเพิ่มแผ่นอภิวัสดุที่มีการเซาะร่องรูปตัวไอจัดวางในแนวระนาบสนามแม่เหล็กเพื่อปรับปรุงค่าอัตราขยายและแบบรูปการแผ่พลังงาน จากผลการทดสอบสายอากาศทั้งสามรูปแบบพบว่ารูปแบบแรกคือสายอากาศโมโนโพลแบบระนาบร่วมรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีผลตอบสนองการใช้งานในช่วงความพี่ WLAN/WiMAX และ UWB ได้ดี มีแถบความถี่ใช้งานร้อยละ 144.27 (2.14-13.22 GHz) มีแบบรูปการแผ่พลังงานเป็นแบบรอบทิศทาง และมีค่าอัตราขยายเฉลี่ย 3.19 dBi เมื่อปรับเพิ่มแผ่นสะท้อนที่ด้านหลัง พบว่า สายอากาศมีช่วงความถี่ใช้งานร้อยละ 136.74 (2.35-12.51 GHz) มีค่าอัตราขยายเฉลี่ยเพิ่มขึ้นเป็น 7.46 dBi และแบบรูปการแผ่พลังงานเปลี่ยนจากแบบรอบทิศทางไปเป็นแบบเจาะจงทิศทาง มีค่า HPBW เท่ากับ 22 องศา ตามมาตรฐานการใช้งานที่กำหนด สำหรับผลการทดสอบสายอากาศแบบที่สองเพื่อรองรับการใช้งานกับระบบหลายอินพุต หลายเอาต์พุตพบว่าการตอบสนองค่าหน่วงเวลาลดลงมีค่าน้อยกว่า ±2 ns และเมื่อนำสายอากาศมาจัดวางแบบแถวลำดับด้วยเทคนิคการจัดวางแบบตั้งฉากทำให้สามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านมีค่าต่ำกว่า -22 dB ตลอดย่านความถี่ใช้งานที่ 3.1 – 10.60 GHz สุดท้ายเป็นการทดสอบสายอากาศไมโครสตริปรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ปรับเพิ่มโครงสร้างเพื่อประยุกต์ใช้งานด้านการดักเก็บพลังงานที่ย่านความถี่ 2.45 GHz พบว่าอัตราขยายของสายอากาศมีค่าเพิ่มขึ้นจาก 3.38 dBi (กรณียังไม่มีการปรับเพิ่มโครงสร้าง) เป็น 11.97 dBi คิดเป็นร้อยละ 71.76 และสามารถเก็บพลังงานได้ดีที่สุดที่ระยะห่าง 1 เมตร เมื่อตัวสายอากาศทำมุม 45º กับแหล่งกำเนิดพลังงานกล่าวคือมีค่าแรงดันที่รับได้ 2.82 mV กระแส 0.34 mA และค่าพลังงานร่วมเท่ากับ 0.95 uW

This research proposes the technique for enhancing effectiveness in adjusted antenna structure of primary CPW-fed monopole antenna and microstrip antenna to support the standard of the IEEE 802.11 b/g/n 2.45 GHz (2.40 - 2.48 GHz) IEEE.802.16a 5.20 GHz (5.13 - 5.35 GHz), 5.80 GHz (5.70 - 5.90 GHz) WiMAX, IEEE 802.16e 3.50 GHz (3.49 - 3.69 GHz), and UWB IEEE 802.15.3a (3.10 - 10.60 GHz). Additionally, the research aims to alleviate the issue of the antenna gain powering less than the standard and the sole radiation pattern of a single antenna. If the antenna installation location is changed, the effect of the original radiation pattern may not function 100% correctly. As a result, a new antenna must be installed with appropriate radiation pattern characteristics for the environment and application. As previously stated, the author studied and analyzed the desig As previously stated, the author studied and analyzed the design of new antenna structures to solve those problems by classifying into three categories. The first case involved developing and designing a CPW- fed monopole antenna using three basic geometric structures: rectangular, circular, and triangular shapes. The etching techniques on the feed line and both sides of the ground planes were applied to ensure that the antenna could operate in wireless communication systems based on the WLAN/ WiMAX and UWB standards. Following that, a reflector was added behind the antenna to increase gain and convert the omnidirectional radiation pattern to a directional pattern. The CPW- fed rectangular monopole antenna was constructed in the second case by etching an arrowshaped slot into the radiator patch. As a result, it could reduce antennas' group delay and reflection coefficient when using several radiators in the same patch simultaneously. Thus, this approach was applied to produce an array antenna for utilization with multiple input and output systems. The third case involved enhancing and designing a rectangular microstrip antenna structure using mushroom-like electromagnetic bandgap technology by placing the antenna in a 3x3 matrix with copper patches and adding a Meta- material with an I- shaped slot etched in the magnetic field placement on top. As a result, the antenna gain and radiation pattern were improved. The experimental results of three different types of antennas indicated that the first type, a CPW- fed rectangular monopole antenna, responded well to the resonance frequency that covered WLAN/ WiMAX and UWB at a bandwidth of 144. 27 percent (2. 14 - 13. 22 GHz) based on the omnidirectional pattern with average antenna gain of 3. 19 dB.When the antenna was expanded with a reflector on the backside, the bandwidth was 136.74 percent (2.35 - 12.51 GHz), and the antenna gain increased to 7.46 dBi. Additionally, the antenna's radiation pattern was converted from omnidirectional to directional with HPBW at an angle of 22 degrees to meet specified operating standards. The experimental result for the second type of antenna used to support MIMO systems indicated that the group delay decreased to less than 2 ns. An array antenna with perpendicular arrangement technique could achieve less than - 22 dB of reflection coefficient over the entire 3. 10 - 10.60 GHz bandwidth. Finally, the experimental result for the rectangular microstrip antenna with the adjusted structure for energy harvesting at the frequency of 2.45 GHz indicated that the antenna gain was increased from 3.38 dBi (unadjusted structure) to 11.97 dBi accounted for 71.76 percent. The antenna could harvest energy with the best performance at a distance of 1 meter and a 45-degree angle to the transmitter covering the voltage value of 2.82 mV, the current value of 0.34 mA, and the energy value of 0.95 uW.