สายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบอัลตราไวด์แบนด์สำหรับประยุกต์ใช้กับโครงข่ายไร้สายบนร่างกายมนุษย์

Abstract

วิทยานิพนธ์นี้นำเสนอสายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบอัลตราไวด์แบนด์สำหรับประยุกต์ใช้กับโครงข่ายไร้สายบนร่างกายมนุษย์ โดยใช้วัสดุฐานรองแบบผ้าฝ้ายที่ทอแบบลายก้างปลาเฮอร์ริ่ง (Herringbone Twill Uniform: HBT) ที่มีค่าคงตัวไดอิเล็กตริก ( r ε ) เท่ากับ 2.25 ค่าการสูญเสียแทนเจนต์ ( tanδ) เท่ากับ 0.03 และความหนาของวัสดุฐานรองเท่ากับ 0.43 มม. โดยจะจำลองและวิเคราะห์คุณลักษณะต่าง ๆ ของสายอากาศด้วยโปรแกรม Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST Microwave Studio) เพื่อให้ได้สายอากาศที่มีแถบความถี่กว้างยิ่ง โดยมีค่าการสูญเสียย้อนกลับ (S11) ต่ำกว่า -10 dB ตั้งแต่ช่วงความถี่ 2 – 15 GHz และมีการนอตช์ความถี่ 1ย่านความถี่ โดยมีแถบแบนด์วิดท์กว้าง 400 MHz งานวิจัยนี้เริ่มจากการออกแบบสายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบ 1 พอร์ต และใช้เทคนิคการเซาะร่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ระนาบกราวด์เพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์สำหรับรองรับช่วงความถี่อัลตราไวด์แบนด์ ทำการเซาะร่องที่สายอากาศโดยใช้เทคนิค Split Ring Resonator (SRR) เพื่อให้ได้ช่วงนอตช์ความถี่และได้ทำการพัฒนาสายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบไมโม 2 พอร์ต เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับส่งสัญญาณของสายอากาศ ใช้เทคนิคการวางสายอากาศทั้งสองตัวห่างกันโดยประมาณ 4 g x ร่วมกับการใช้สตับที่ระนาบกราวด์ เพื่อลดปรากฏการณ์เชื่อมร่วม (Mutual coupling) โดยค่าคุณลักษณะที่นำมาวิเคราะห์ประกอบไปด้วย ค่าการสูญเสียย้อนกลับ อัตราขยายของสายอากาศ ค่าประวิงกลุ่ม ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์และแบบรูปการแผ่พลังงานระยะไกลตามลำดับ โดยที่สายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบ 1 พอร์ต มีขนาดเท่ากับ 42x 58 มม2 และสายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบไมโม 2 พอร์ต มีขนาดเท่ากับ 94x 58 มม2 จากการวัดทดสอบสายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบ 1 พอร์ต พบว่ามีค่าการสูญเสีย ย้อนกลับที่ต่ำกว่า -10 dB ตั้งแต่ช่วงความถี่ 1.76 – 17.78 GHz หรือความกว้างแถบ 163.97% และมีช่วงนอตช์ความถี่ที่ 2.53 – 2.81 GHz ค่าประวิงกลุ่มน้อยกว่า 1.5 ns. มีแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศแบบรอบทิศทางในย่านความถี่ต่ำและมีอัตราการขยายเท่ากับ 0.85 – 3.26 dBi สำหรับสายอากาศผ้ารูปทรงหกเหลี่ยมแบบไมโม 2 พอร์ต มีช่วงความถี่ใช้งานตั้งแต่ 1.69 – 17.85 GHz หรือมีค่าอิมพีแดนซ์แบนด์วิดท์ 165.40% ช่วงนอตช์ความถี่ตั้งแต่ 4.65 – 5.61 GHz ค่าประวิงกลุ่มต่ำกว่า 2ns. ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ต่ำกว่า 0.5 ตลอดช่วงการใช้งาน มีแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศแบบรอบทิศทางในย่านความถี่ต่ำและมีอัตราการขยายเท่ากับ 1.23 – 5.77 dBi

Wireless body area network (WBAN) application, using the herringbone twill uniform (HBT) substrate with dielectric constant (r ε) of 2.25, tangent loss (tan δ)) 0.03 and thickness of 0.43 mm. Simulation and analysis of the antenna, using Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST Microwave Studio) were conducted in order to achieve wideband antennas with return loss (S11) of less than -10 dB, within the frequency range of 2 – 15 GHz, and with a single notch bandwidth of 400 MHz. A one-port, hexagonal shaped textile antenna was implemented using a small rectangular etched ground plane to enlarge bandwidth that can support the UWB frequency range. The split ring resonator (SRR) technique was employed to etch the antenna notch range. A two-port, multiple-input multiple-output (MIMO) hexagonal shaped textile antenna was developed to enhance antenna reception and transmission efficiency. The common technique of stub matching between the two ground planes, with the distance of 4 g x, was applied in order to decrease mutual coupling. The parametric analysis included return loss, antenna gain, group delay, correlation coefficient and far-field radiation pattern. It is noted that the size of the one-port hexagonal shaped antenna is 42 x 58 mm2, while the size of the two-port MIMO hexagonal shaped textile antenna is 94x 58 mm2. Test results of the one-port, hexagonal shaped textile antenna showed that the return loss was lower than -10 dB at a frequency range of 1.76 – 17.78 GHz, or a bandwidth of 163.97%, notched bandwidth of 2.53 – 2.81 GHz, group delay minimized to 1.5 ns, omnidirectional pattern in lower frequency bands, and gain range of 0.85 –3.26 dBi. The two-port, MIMO hexagonal shaped textile antenna had a frequency range of 1.69 – 17.85 GHz an impedance bandwidth of 165.40%, a notched bandwidth of 4.65– 5.61 GHz, group delay below 2 ns and a correlation coefficient lower than 0.5, all through the operating session. The antenna radiation pattern has an omnidirectional pattern in lower frequency bands, and antenna gain of 1.23 – 5.77 dBi.