ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lương Xuân Trường
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ TĂNG ÍCH CAO VÀ MỨC BÚP SÓNG PHỤ THẤP
SỬ DỤNG MẠNG TIẾP ĐIỆN NỐI TIẾP VÀ THUẬT TOÁN TỐI ƯU ĐÀN DƠI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9510302.02
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Trần Minh Tuấn
2. PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang
Hà nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là đúng sự thật và của riêng tôi. Các kết quả chưa được công bố tại nơi nào khác.
Tác giả
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang và PGS.TS. Trần Minh Tuấn, hai thầy đã luôn theo sát, hướng dẫn khoa học và cho tôi những định hướng quý báu trong toàn bộ quá trình học tập, nghiên cứu khoa học cũng như trong việc hoàn thành Luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy, cô, các nghiên cứu sinh, học viên đang nghiên cứu và học tập tại Bộ môn Thông tin Vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu ở đây.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình cùng bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh và viết Luận án này.
Nghiên cứu sinh
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ... i
LỜI CẢM ƠN ... ii
MỤC LỤC ... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ... vi
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ... xi
MỞ ĐẦU ... 1
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN BÚP SÓNG CỦA ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH ... 7
1.1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu ... 7
1.1.1. Tình hình nghiên cứu về các giải pháp nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính ... 7
1.1.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu trong thiết kế anten mảng tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp ... 9
1.1.3. Những tồn tại hiện nay của các nghiên cứu về nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính ... 10
1.1.4. Lựa chọn băng tần 3,5 GHz trong nghiên cứu này ... 12
1.2. Anten mảng tuyến tính ... 13
1.2.1. Khái niệm anten mảng tuyến tính ... 13
1.2.2. Đặc điểm của anten mảng tuyến tính ... 13
1.2.3. Giải pháp cải thiện tăng ích anten mảng ... 18
1.2.4. Giải pháp nén mức búp sóng phụ và đặt điểm không trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính bằng cách thay đổi hệ số mảng ... 20
1.2.5. Ứng dụng của anten mảng tuyến tính ... 24
1.3. Ứng dụng thuật toán đàn Dơi trong kỹ thuật nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính ... 25
1.3.1. Tổng quan về thuật toán đàn Dơi ... 25
1.3.2. Đánh giá thuật toán đàn Dơi ... 26
1.3.3. Sử dụng thuật toán đàn Dơi trong kỹ thuật điều khiển búp sóng của anten mảng tuyến tính ... 27
1.4. Kết luận Chương 1 ... 34
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠNG TIẾP ĐIỆN CHO ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI ... 36
2.1. Tổng quan về mạng tiếp điện vi dải ... 36
2.1.1. Vai trò và các cấu trúc mạng tiếp điện vi dải ... 36
2.1.2. Các thành phần cơ bản trong mạng tiếp điện vi dải ... 39
2.2. Đề xuất giải pháp thiết kế mạng tiếp điện ... 44
2.2.1. Tổng quan về cấu trúc đề xuất ... 44
2.2.2. Giải pháp tính toán phân bố công suất đến các lối ra đáp ứng yêu cầu bộ trọng số biên độ cho trước ... 45
2.2.3. Giải pháp tính toán cân bằng pha giữa các lối ra của mạng tiếp điện khi khoảng cách giữa các lối ra là tuỳ ý ... 47
2.3. Đề xuất quy trình thiết kế mạng tiếp điện ... 49
2.3.1. Mô tả quy trình ... 49
2.3.2. Các bước thực hiện quy trình ... 51
2.4. Áp dụng thiết kế mô phỏng mạng tiếp điện 01 lối vào và 10 lối ra ... 53
2.5. Kết luận Chương 2 ... 56
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ MỨC BÚP SÓNG PHỤ THẤP VÀ TĂNG ÍCH CAO ... 57
3.1. Đặt vấn đề ... 57
3.2. Đề xuất quy trình thiết kế các anten mảng tại luận án ... 59
3.3. Thiết kế anten mảng Vivaldi tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp, tăng ích cao ... 61
3.3.1. Tính toán bộ trọng số biên độ ... 61
3.3.2. Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng Vivaldi ... 61
3.3.3. Thiết kế anten Vivaldi đơn ... 63
3.3.4. Thiết kế anten mảng Vivaldi ... 66
3.4. Các kết quả mô phỏng anten mảng Vivaldi ... 67
3.5. Các kết quả đo đạc thực nghiệm anten mảng Vivaldi ... 73
3.6. Đánh giá giải pháp ... 77
3.7. Kết luận Chương 3 ... 78
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ TĂNG ÍCH CAO VÀ NÉN RIÊNG BÚP SÓNG PHỤ THỨ NHẤT ... 79
4.1. Đặt vấn đề ... 79
4.1.1. Yêu cầu nén riêng búp sóng phụ thứ nhất của anten mảng tuyến tính . 79 4.1.2. Đề xuất sử dụng anten mảng DSPD ... 80
4.2. Đề xuất giải pháp nén búp sóng phụ thứ nhất của anten mảng tuyến tính ... 81
4.3. Giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính DSPD-1 có tăng ích cao, nén riêng búp sóng phụ thứ nhất sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ ... 82
4.3.1. Tính toán bộ trọng số biên độ ... 82
4.3.2. Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng DSPD-1... 83
4.3.3. Thiết kế anten mảng DSPD-1 ... 85
4.3.4. Kết quả mô phỏng anten mảng DSPD-1 ... 90
4.3.5. Kết quả đo đạc thực nghiệm anten mảng DSPD-1 ... 95
4.4. Giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính DSPD-2 có tăng ích cao, nén riêng búp sóng phụ thứ nhất sử dụng kỹ thuật điều khiển khoảng cách giữa các phần tử ... 99
4.4.1. Tính toán phân bố khoảng cách ... 99
4.4.2. Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng DSPD-2... 101
4.4.3. Thiết kế anten mảng DSPD-2 ... 103
4.4.4. Kết quả mô phỏng anten mảng DSPD-2 ... 104
4.4.5. So sánh kết quả mô phỏng anten mảng DSPD-1 và DSPD-2... 107
4.5. Đánh giá giải pháp ... 110
4.6. Kết luận Chương 4 ... 111
KẾT LUẬN ... 113
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 117
PHỤ LỤC ... 128
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Việt
AF Array factor Hệ số mảng
APSO Adaptive particle swarm
optimization Tối ưu bầy đàn thích nghi
DEA Differential evolution algorithm Thuật toán tiến hóa
DSPD Doubled-side printed dipole Anten lưỡng cực mạch in trên hai mặt của vật liệu EBG Electromagnetic band gap Dải chắn điện từ
FA Firefly algoirthm Thuật toán đom đóm
GA Genetic algorithm Thuật toán di truyền
HPBW Half-power beam width Góc một nửa công suất của búp sóng
ITU-R International Telecommunication Union – Radio
Ban vô tuyến của Liên minh Viễn thông quốc tế
IWO Invasive weed optimization Thuật toán cỏ dại xâm lấn LMS Least mean squares Trung bình bình phương
tối thiểu
MDE Modified differential evolution Thuật toán tiến hóa (biến đổi)
MoM Method of moments Phương pháp mô-men
NDL Null deep level Mức sâu của điểm không
PSO Particle swarm optimization Tối ưu bầy đàn
SLL Sidelobe level Mức của búp sóng phụ
RFID Radio-frequency identification Nhận dạng qua sóng vô tuyến
WLAN Wide local access network Mạng truy cập nội bộ diện rộng
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Mô tả tiếng Việt
λ Bước sóng
λg Bước sóng hiệu dụng
λ0 Bước sóng của sóng truyền trong không gian tự do f Tần số vô tuyến điện
π Số pi, giá trị xấp xỉ bằng 3,1415
δn Phân bố pha của tín hiệu tại lối vào phần tử thứ n của anten mảng tuyến tính
an Phân bố biên độ của tín hiệu tại lối vào phần tử thứ n của anten mảng tuyến tính
dn Khoảng cách giữa hai phần tử thứ n-1 và n của anten mảng θ Góc theta, góc quét trong mặt phẳng xOz
φ Góc phi, góc quét trong mặt phẳng yOz
𝜓 Được định nghĩa là (𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝛿) sử dụng để tính toán hệ số mảng tại Chương 1.
β Hệ số phát xạ г Hệ số phản xạ
k0 Số bước sóng trong một chu kỳ 2π ϕ Độ dài điện
εr Hằng số điện môi tương đối
h Độ dày lớp vật liệu nền trong cấu trúc vi dải Z Trở kháng đặc tính của đường truyền vi dải w Độ rộng của đường truyền vi dải
N Số phần tử anten đơn của anten mảng Q Số phần tử của đàn Dơi giả định xi Vị trí của phần tử Dơi thứ i vi Vận tốc của phần tử Dơi thứ i
Ai Biên độ xung phát bởi phần tử Dơi thứ i
Ký hiệu Mô tả tiếng Việt Ri Tỉ lệ xung phát bởi phần tử Dơi thứ i fi Tần số phát xung của phần tử Dơi thứ i fmin Tần số phát xung tối thiểu của phần tử Dơi fmax Tần số phát xung cực đại của phần tử Dơi
t_max Số vòng tìm kiếm tối đa khi thực thi thuật toán đàn Dơi
threshold Giá trị ngưỡng chấp nhận được của hàm mục tiêu để kết thúc ngay lập tức quá trình tìm kiếm tối ưu của thuật toán đàn Dơi.
S11
Tỉ số giữa điện áp sóng phản xạ trên điện áp sóng tới quan sát tại lối vào của mạng tiếp điện hoặc lối vào anten đơn (trường hợp mô phỏng riêng anten đơn tại Chương 3, Chương 4).
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng Trang
Bảng 1. 1. Phân bố biên độ theo chuỗi Chebyshev của anten mảng 10 phần tử 22
Bảng 1. 2. Phân bố biên độ theo chuỗi Taylor của anten mảng 10 phần tử ... 22
Bảng 1. 3. Tham số thực thi thuật toán đàn Dơi sử dụng tại luận án ... 31
Bảng 2. 1. Yêu cầu của bài toán thiết kế mạng tiếp điện 1×10... 53
Bảng 2. 2. Yêu cầu về phân bố biên độ giữa các lối ra ... 53
Bảng 2. 3. Yêu cầu về khoảng cách giữa các lối ra ... 53
Bảng 2. 4. Phân bố biên độ nhận được từ kết quả mô phỏng ... 54
Bảng 3. 1. Yêu cầu thiết kế một anten mảng có mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao ... 58
Bảng 3. 2. Phân bố biên độ đáp ứng yêu cầu nén mức búp sóng phụ -30 dB 61 Bảng 3. 3. Tính toán trở kháng của mạng tiếp điện (Ω) ... 62
Bảng 3. 4. Kết quả mô phỏng đặc điểm các lối ra của mạng tiếp điện ... 62
Bảng 3. 5. Tham số thiết kế anten Vivaldi phần tử đơn (mm)... 65
Bảng 3. 6. Đặc điểm của đồ thị bức xạ khi thay đổi df ... 70
Bảng 3. 7. Giá trị SLL đo đạc tại các tần số được lấy mẫu ... 75
Bảng 3. 8. So sánh anten mảng Vivaldi với các nghiên cứu tương tự ... 76
Bảng 4. 1. Yêu cầu thiết kế anten mảng có tăng ích cao và nén riêng búp sóng phụ thứ nhất ... 80
Bảng 4. 2. Phân bố biên độ đáp ứng yêu cầu nén búp sóng phụ thứ nhất ... 83
Bảng 4. 3. Tính toán các trở kháng của mạng tiếp điện (Ω) ... 84
Bảng 4. 4. Kết quả mô phỏng các hệ số của lối ra mạng tiếp điện ... 84
Bảng 4. 5. Tham số thiết kế anten DSPD đơn sử dụng tại luận án (mm) ... 87
Bảng 4. 6. Đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 khi thay đổi df ... 91
Bảng 4. 7. Băng thông tương ứng với các mức nén búp sóng phụ thứ nhất ... 94
Bảng 4. 9. So sánh anten mảng DSPD-1 với anten mảng Vivaldi tại Chương 3
và các nghiên cứu khác ... 99
Bảng 4. 10. Bộ trọng số biên độ Chebyshev cho trường hợp SLL = -25 dB 101 Bảng 4. 11. Phân bố khoảng cách đáp ứng nén búp sóng phụ thứ nhất ... 101
Bảng 4. 12. Tính toán các trở kháng của mạng tiếp điện (Ω) ... 102
Bảng 4. 13. Khoảng cách dri và bán kính ri để cân bằng pha (mm) ... 102
Bảng 4. 14. Kết quả mô phỏng các hệ số của lối ra mạng tiếp điện ... 103
Bảng 4. 15. Kết quả mô phỏng mức búp sóng phụ và vị trí điểm không ... 107
Bảng 4. 16. Đồ thị bức xạ của hai anten mảng DSPD tại tần số 3,5 GHz ... 110
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình Trang
Hình 1. 1. Mô tả mối quan hệ giữa đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính
với hệ số mảng và đồ thị bức xạ của phần tử anten đơn ... 14
Hình 1. 2. Mô hình một anten mảng tuyến tính N phần tử ... 15
Hình 1. 3. Biểu diễn AF với trọng số biên độ phân bố đều và Chebyshev ... 22
Hình 1. 4. Biểu diễn AF với trọng số biên độ phân bố đều và Taylor ... 22
Hình 1. 5. Giải thuật chi tiết của thuật toán đàn Dơi ... 30
Hình 1. 6. Đặt một điểm không tại góc 17o trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi ... 32
Hình 1. 7. Đặt hai điểm không tại góc 17o và 45o trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi ... 32
Hình 1. 8. Đặt dãy điểm không từ góc 17o đến 45o trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi ... 33
Hình 2. 1. Vị trí, vai trò của mạng tiếp điện trong anten mảng ... 36
Hình 2. 2. Cấu trúc mạng tiếp điện nối tiếp ... 37
Hình 2. 3. Cấu trúc mạng tiếp điện song song ... 38
Hình 2. 4. Đường truyền vi dải ... 40
Hình 2. 5. Bộ phối hợp trở kháng một phần tư bước sóng ... 40
Hình 2. 6. Sự thay đổi của độ dài điện của đường truyền một phần tư bước sóng theo hệ số phản xạ гm ... 42
Hình 2. 7. Bộ chia công suất hình T ... 42
Hình 2. 8. Bộ chia công suất hình T và mạch điện tương đương ... 43
Hình 2. 9. Bộ chia công suất hình T có trở kháng lối ra chuẩn hóa... 44
Hình 2. 10. Cấu trúc mạng tiếp điện nối tiếp có 2N lối ra được đề xuất ... 45
Hình 2. 11. Tính toán phân bố công suất tại nút thứ i của mạng tiếp điện ... 46
Hình 2. 12. Giải pháp cân bằng pha giữa các lối ra của mạng tiếp điện ... 48
Hình 2. 13. Quy trình thiết kế mạng tiếp điện ... 52
Hình 2. 14. Mạng tiếp điện 1 × 10 được thiết kế theo quy trình đã đề xuất ... 54
Hình 2. 15. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của mạng tiếp điện ... 54
Hình 2. 16. Phân bố pha nhận được từ kết quả mô phỏng ... 55
Hình 2. 17. Đáp ứng của hệ số mảng theo lý thuyết và theo mô phỏng ... 55
Hình 3. 1. Quy trình thiết kế anten mảng tuyến tính tại luận án ... 60
Hình 3. 2. Mạng tiếp điện được đề xuất cho anten mảng Vivaldi ... 62
Hình 3. 3. Đáp ứng của AF với trọng số biên độ lý thuyết và mô phỏng ... 63
Hình 3. 4. Thiết kế phần tử anten Vivaldi đơn ... 64
Hình 3. 5. Mạch tương đương của anten Vivaldi đơn ... 64
Hình 3. 6. Kết quả mô phỏng thay đổi của S11 theo các tham số ... 65
Hình 3. 7. Cấu trúc anten mảng Vivaldi được đề xuất ... 66
Hình 3. 8. Đồ thị bức xạ ba chiều của mảng 10 phần tử anten Vivaldi ... 66
Hình 3. 9. Cấu trúc anten mảng Vivaldi và mặt phản xạ ... 67
Hình 3. 10. Anten mảng Vivaldi được thiết kế hoàn chỉnh ... 67
Hình 3. 11. Kết quả mô phỏng S11 của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df ... 68
Hình 3. 12. Kết quả mô phỏng tăng ích và mức búp sóng phụ cực đại của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df ... 69
Hình 3. 13. Đồ thị bức xạ ba chiều của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df .. 70
Hình 3. 14. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng Vivaldi khi df = 0,49λ0 71 Hình 3. 15. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng Vivaldi khi có sử dụng và không sử dụng mặt phản xạ. ... 72
Hình 3. 16. Kết quả mô phỏng tăng ích và hiệu suất bức xạ của mảng Vivaldi 72 Hình 3. 17. Hình ảnh anten mảng Vivaldi và mặt phản xạ đã được chế tạo .. 73
Hình 3. 18. Mô tả các mặt phẳng đo đạc đồ thị bức xạ thực nghiệm ... 73
Hình 3. 19. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm hệ số S11 của anten mảng Vivaldi khi có mặt phản xạ ... 74
Hình 3. 20. Kết quả đo đạc đồ thị bức xạ trong mặt phẳng xOz của anten mảng Vivaldi ... 74
Hình 3. 21. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của anten
mảng Vivaldi tại tần số 3,5 GHz ... 75
Hình 4. 1. Mạng tiếp điện đề xuất cho anten mảng DSPD-1 ... 83
Hình 4. 2. Đáp ứng của AF với trọng số biên độ mô phỏng và lý thuyết ... 84
Hình 4. 3. Giải pháp điều chỉnh hướng các mặt phát xạ của DSPD ... 86
Hình 4. 4. Thiết kế của anten DSPD đơn tối ưu được sử dụng tại luận án ... 86
Hình 4. 5. Kết quả mô phỏng anten DSPD đề xuất và DSPD hình chữ nhật . 87 Hình 4. 6. Kết quả mô phỏng anten DSPD đơn ... 88
Hình 4. 7. Mô phỏng anten mảng DSPD lý tưởng với các phân bố biên độ khác nhau ... 89
Hình 4. 8. Thiết kế anten mảng DSPD-1 với 10 phần tử ... 89
Hình 4. 9. Đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 khi không có mặt phản xạ . 90 Hình 4. 10. Cấu trúc anten mảng DSPD-1 và mặt phản xạ ... 90
Hình 4. 11. Thiết kế hoàn chỉnh của anten mảng DSPD-1 ... 91
Hình 4. 12. Sự thay đổi đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 khi thay đổi df ... 92
Hình 4. 13. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của mảng DSPD-1 ... 92
Hình 4. 14. Kết quả mô phỏng tăng ích và hiệu suất bức xạ của mảng DSPD-1 93 Hình 4. 15. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ mảng DSPD-1 mặt phẳng xOz 94 Hình 4. 16. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 khi df = 0,15λ0 95 Hình 4. 17. Hình ảnh anten mảng DSPD-1 và mặt phản xạ được chế tạo ... 95
Hình 4. 18. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm hệ số S11 của anten mảng DSPD-1 ... 96
Hình 4. 19. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 tại tần số 3,46 GHz ... 97
Hình 4. 20. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 tại tần số 3,50 GHz ... 97
Hình 4. 21. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 tại tần số 3,52 GHz ... 98
Hình 4. 22. Mô tả anten mảng tuyến tính có N phần tử giãn cách bất kỳ ... 100
Hình 4. 23. Mạng tiếp điện đề xuất cho anten mảng DSPD-2 ... 102 Hình 4. 24. Đáp ứng của hàm AF với bộ trọng số mô phỏng và lý thuyết ... 103 Hình 4. 25. Thiết kế anten mảng DSPD-2 ... 103 Hình 4. 26. Thiết kế hoàn chỉnh của anten mảng DSPD-2 ... 104 Hình 4. 27. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của anten mảng DSPD-2 ... 105 Hình 4. 28. Kết quả mô phỏng tăng ích cực đại và hiệu suất bức xạ của anten mảng DSPD-2 ... 105 Hình 4. 29. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,48 GHz ... 106 Hình 4. 30. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,5 GHz ... 106 Hình 4. 31. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,52 GHz ... 107 Hình 4. 32. Kết quả mô phỏng tăng ích cực đại và hệ số S11 của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 ... 108 Hình 4. 33. Kết quả mô phỏng HPBW búp sóng chính của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 ... 109 Hình 4. 34. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,5 GHz. ... 109
MỞ ĐẦU 1. Lí do lựa chọn đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu các anten mảng tuyến tính vi dải có mức búp sóng phụ thấp, tăng ích cao là hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm nhiều hiện nay nhằm đáp ứng các yêu cầu của lý thuyết và thực tiễn sử dụng.
Thế kỷ XXI được dự báo là kỷ nguyên của thông tin vô tuyến, ngày càng có nhiều các công nghệ và ứng dụng vô tuyến điện được nghiên cứu, phát triển.
Tuy nhiên, phổ tần số vô tuyến điện - yếu tố không thể thiếu đối với bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào lại là nguồn tài nguyên có hạn. Chính vì vậy, để tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần số, hiện nay các đoạn băng tần thường được xem xét phân bổ để dùng chung cho nhiều hệ thống thông tin vô tuyến khác nhau. Để tránh nhiễu có hại giữa các hệ thống vô tuyến này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) khuyến nghị nhiều giải pháp kỹ thuật để sử dụng chia sẻ băng tần như kỹ thuật cấp phép tần số chủ động (cấp theo thời gian, khu vực, nhu cầu sử dụng), giải pháp thiết lập các điều kiện phát sóng để tối ưu vùng phủ sóng [1]. Trong số các giải pháp đó, sử dụng các anten mảng có điều khiển búp sóng, tạo các hướng (điểm) không trên đồ thị bức xạ để tránh nhiễu đường truyền vô tuyến là một giải pháp hiệu quả và thuận tiện. Các hệ thống như ra- đa hay hệ thống thu kiểm soát tần số thường sử dụng anten mảng tích cực với mạng tiếp điện chủ động để điều khiển các điểm không theo thời gian thực. Các hệ thống này khá phức tạp và chi phí triển khai, vận hành cao, phù hợp với các hệ thống lớn có yêu cầu về điều khiển búp sóng thích nghi theo môi trường và thời gian thực. Trong các kịch bản đơn giản hơn, khi yêu cầu về búp sóng phụ là xác định trước và không thay đổi theo thời gian như đối với các trạm thu, phát sóng cố định thì các anten mảng thụ động (mảng cố định) là một giải pháp thích hợp hơn do có chi phí thấp và đơn giản. Vì vậy, việc lựa chọn nghiên cứu
thiết kế các anten mảng tuyến tính vẫn có tính cần thiết và khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn.
Khác với anten mảng tích cực, anten mảng tuyến tính cố định sử dụng các mạng tiếp điện thụ động được thiết kế với các phân bố nguồn xác định trước để đáp ứng được yêu cầu về điều khiển đồ thị bức xạ. Do vậy, việc nghiên cứu, thiết kế mạng tiếp điện có vai trò quan trọng khi phát triển anten mảng tuyến tính cố định. Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu phương pháp thiết kế các mạng tiếp điện cho anten mảng cố định có điều khiển búp sóng còn hạn chế, chủ yếu mới là các đề xuất cho từng trường hợp bài toán cụ thể mà chưa có nhiều công bố về giải pháp tổng thể để thiết kế mạng tiếp điện này nhằm đáp ứng yêu cầu đa dạng của bài toán điều khiển đồ thị bức xạ trong thực tiễn.
Trong các dạng anten mảng tuyến tính, anten sử dụng công nghệ vi dải đang là đối tượng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến như ra-đa dân sự và quân sự, truyền dẫn cố định, thông tin di động băng thông rộng (trạm gốc và các thiết bị đầu cuối),... Anten mảng tuyến tính vi dải có lợi thế là dễ tích hợp cùng với mạng tiếp điện và các thành phần khác trên cùng một bo mạch giúp tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm kích thước của thiết bị.
Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của mảng anten dạng này là thường có mức búp sóng phụ cao. Đây là vấn đề vẫn đang thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, ứng dụng anten mảng tuyến tính.
Ứng dụng thuật toán đàn Dơi trong nghiên cứu, thiết kế các anten mảng tuyến tính vi dải đáp ứng yêu cầu về giảm mức búp sóng phụ là một hướng nghiên cứu còn mới mẻ và tiềm năng.
Thuật toán đàn Dơi là một thuật toán tối ưu lấy cảm hứng từ tự nhiên được đề xuất cho kỹ thuật điều khiển búp sóng của anten mảng tuyến tính
từ năm 2014. Thuật toán đàn Dơi đã được chứng tỏ tính chính xác và hiệu quả cao hơn so với một số thuật toán tối ưu truyền thống đã phổ biến như thuật toán GA và PSO. Tại Việt Nam, thuật toán đàn Dơi đã được ứng dụng để đề xuất về mặt lý thuyết cho hệ điều khiển búp sóng trong các hệ thống anten mảng tuyến tính. Tuy vậy, điểm hạn chế chung trong các nghiên cứu về thuật toán đàn Dơi và thuật toán GA, PSO là việc sử dụng thuật toán này vào thiết kế anten mảng tuyến tính ít được đề cập, cần thiết có thêm các nghiên cứu áp dụng thuật toán vào anten mảng cụ thể để đánh giá khả năng đáp ứng của nó trong thực tế.
Xuất phát từ thực tiễn nghiên cứu và phân tích đánh giá ở trên, luận án lựa chọn nội dung nghiên cứu là giải pháp thiết kế mạng tiếp điện vi dải, anten mảng vi dải tuyến tính có tăng ích cao, đáp ứng yêu cầu về nén mức búp sóng phụ trên cơ sở ứng dụng thuật toán đàn Dơi.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu và làm chủ thuật toán đàn Dơi. Đề xuất được giải pháp áp dụng thuật toán này trong bài toán thiết kế anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu cho trước về mức búp sóng phụ.
Nghiên cứu đề xuất được giải pháp ứng dụng thuật toán đàn Dơi để thiết kế mạng tiếp điện sử dụng cho các anten mảng tuyến tính.
Nghiên cứu đề xuất được giải pháp thiết kế anten mảng tuyến tính có tăng ích cao, mức búp sóng phụ thấp và nén mức búp sóng phụ sử dụng thuật toán đàn Dơi.
Đối tượng nghiên cứu:
Thuật toán tối ưu đàn Dơi và ứng dụng trong bài toán tối ưu hệ số mảng của anten mảng tuyến tính.
Anten vi dải và anten mảng tuyến tính vi dải, phương pháp nén mức búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính, phương pháp đặt điểm không trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính.
Các bộ chia công suất vi dải một (01) lối vào và 2N lối ra không cân bằng để ứng dụng thiết kế anten mảng tuyến tính có điều khiển mức búp sóng phụ.
Phạm vi nghiên cứu:
Mạng tiếp điện vi dải và anten vi dải, anten mảng tuyến tính.
Các phương pháp tổng hợp đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính dựa trên kỹ thuật tối ưu trọng số biên độ và tối ưu khoảng cách giữa các phần tử của anten mảng.
Thuật toán tối ưu lấy cảm hứng từ tự nhiên, trọng tâm là thuật toán đàn Dơi.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:
Tổng hợp và phân tích hiện trạng nghiên cứu đã có để định hướng nội dung tập trung nghiên cứu có khả năng mang lại những đóng góp khoa học mới.
Trên cơ sở tính toán lý thuyết, sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế, mô phỏng và tối ưu các cấu trúc được đề xuất.
Chế tạo mẫu, đo đạc thử nghiệm để đánh giá sự phù hợp với các tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng, đồng thời so sánh với các kết quả đạt được từ các nghiên cứu đã được công bố khác trong và ngoài nước.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đề xuất được giải pháp thiết kế mạng tiếp điện vi dải có một lối vào và 2N lối ra đối xứng; đề xuất giải pháp phát triển các anten mảng
tuyến tính vi dải có tăng ích cao, mức búp sóng phụ thấp trên cơ sở sử dụng thuật toán tối ưu đàn Dơi. Kết quả nghiên cứu này có thể làm cơ sở để phát triển giải pháp thiết kế các mạng tiếp điện và anten mảng tuyến tính vi dải có tăng ích cao với yêu cầu bất kỳ cho trước về mức búp sóng phụ thấp, có thể mở rộng áp dụng cho các thuật toán tối ưu khác.
Sản phẩm được thiết kế, chế tạo trong luận án có thể ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống viễn thông hoạt động trong băng tần 3,5 GHz nhằm giải quyết vấn đề giảm nhiễu có hại trong các kịch bản dùng chung tần số để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số vô tuyến điện.
5. Cấu trúc, nội dung trình bày tại luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về anten mảng tuyến tính; phương pháp điều khiển búp sóng phụ trong thiết kế anten mảng tuyến tính; tổng quan về thuật toán đàn Dơi và ứng dụng nó để tổng hợp hệ số mảng của anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu cho trước về nén mức búp sóng phụ.
Chương 2: Trình bày tổng quan về mạng tiếp điện vi dải và đề xuất giải pháp phát triển mạng tiếp điện vi dải nối tiếp có một lối vào và 2N lối ra để ứng dụng cho anten mảng đáp ứng yêu cầu cho trước về nén mức búp sóng phụ.
Chương 3: Trình bày giải pháp phát triển một anten mảng tuyến tính Vivaldi 10 phần tử có mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao.
Chương 4: Trình bày giải pháp phát triển một anten mảng tuyến tính DSPD 10 phần tử có tăng ích cao và đáp ứng yêu cầu nén riêng búp sóng phụ thứ nhất.
6. Các đóng góp mới của luận án
Kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trên 06 công trình khoa học
thuộc danh mục ISI-Q1 và 01 công bố trong nước) và 04 hội nghị, hội thảo quốc tế và trong nước. Cụ thể, luận án có 02 đề xuất chính như sau:
(1) Đề xuất giải pháp phát triển mạng tiếp điện nối tiếp có một lối vào và 2N lối ra để tạo ra các bộ trọng số được tối ưu theo thuật toán đàn Dơi, ứng dụng trong thiết kế anten mảng tuyến tính. Ưu điểm của mạng tiếp điện là cho phép kiểm soát được cả ba thông số biên độ, pha và khoảng cách.
Mạng tiếp điện có thể áp dụng với không chỉ thuật toán đàn Dơi mà còn các thuật toán khác.
(2) Áp dụng thuật toán đàn Dơi và cấu trúc mạng tiếp điện nối tiếp đã đề xuất để:
i) Đề xuất giải pháp phát triển một cấu trúc anten mảng tuyến tính Vivaldi 10 phần tử hoạt động ở dải tần 3,5 GHz có mức búp sóng phụ thấp dưới -25 dB và tăng ích cao 16,5 dBi sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ tín hiệu kích thích.
ii) Đề xuất giải pháp thiết kế anten mảng tuyến tính DSPD 10 phần tử hoạt động ở dải tần 3,5 GHz có tăng ích cao trên 17 dBi và nén búp sóng phụ thứ nhất. Điểm nổi bật của đề xuất này là có thể sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ tín hiệu kích thích hoặc điều khiển khoảng cách giữa các phần tử để đặt một điểm không tại đỉnh búp sóng phụ thứ nhất, qua đó nén sâu búp sóng phụ này, đồng thời mức các búp sóng phụ còn lại được kiểm soát ở mức thấp.
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN
BÚP SÓNG CỦA ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH
Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng quan về các giải pháp nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính, tổng quan về thuật toán đàn Dơi và phương pháp tổng hợp hệ số anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu giảm mức búp sóng phụ và đặt các điểm không trên đồ thị bức xạ. Phần cuối Chương này trình bày về phương pháp xây dựng hàm mục tiêu và thực thi thuật toán đàn Dơi để tính toán các trọng số tối ưu của hệ số mảng đáp ứng yêu cầu đặt ra.
1.1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
1.1.1. Tình hình nghiên cứu về các giải pháp nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính
Ngày nay, anten mảng tuyến tính đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến. Anten mảng tuyến tính với phân bố biên độ tín hiệu kích thích đều nhau có ưu điểm là cho tăng ích cao, có khả năng điều khiển búp sóng dạng hình dải quạt. Tuy nhiên, các anten mảng này có nhược điểm là có mức búp sóng phụ cao. Điểm hạn chế này làm tăng nguy cơ gây nhiễu hoặc thu nhiễu ở các hướng không mong muốn. Vì thế, các nghiên cứu về thiết kế anten mảng đáp ứng các yêu cầu về nén búp sóng phụ đang được quan tâm nhiều.
Kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong thiết kế anten mảng tuyến tính cố định là điều khiển phân bố biên độ của hệ số mảng để đáp ứng các yêu cầu về nén mức búp sóng phụ. Các công bố hiện nay phần lớn tập trung vào phương pháp sử dụng trọng số biên độ theo các phân bố toán học như Chebyshev, Taylor hay Binomial. Phương pháp này có ưu điểm là có thể được tính toán trực tiếp từ các chuỗi toán học hoặc thông qua các lệnh cơ bản của phần mềm
phần tử anten trong mảng thông qua một mạng tiếp điện ở dạng nối tiếp hoặc song song. Tỉ lệ chia công suất của mạng tiếp điện được thiết kế tuân theo phân bố biên độ tương ứng với mức suy giảm búp sóng phụ cho trước. Các mạng tiếp điện nối tiếp được sử dụng theo hai kiểu cấu trúc kết nối. Ở cấu trúc thứ nhất, các phần tử anten vi dải hình chữ nhật đóng vai trò vừa là thành phần phát xạ vừa là thành phần kết nối trong mạng tiếp điện và phối hợp trở kháng như tại [2-7]. Trong các anten mảng này, búp sóng phụ có thể được nén tốt nhất ở mức -28,6 dB tại [2] và -22,3 dB tại [7]. Ở cấu trúc thứ hai, các phần tử anten và mạng tiếp điện là hai thành phần có thể tách rời. Mạng tiếp điện được thiết kế, phối hợp trở kháng bằng các đường truyền vi dải. Chẳng hạn, tại [8-12], việc phối hợp trở kháng của mạng tiếp điện với các phần tử anten được thực hiện bằng cách sử dụng dây chêm hoặc đường truyền hở mạch. Cấu trúc này đã được sử dụng cho anten mảng vi dải hình chữ nhật có mức búp sóng phụ -23 dB tại [8] hoặc anten mảng lưỡng cực hai mặt có mức búp sóng phụ -32 dB tại [9].
Mạng tiếp điện song song được sử dụng trong các nghiên cứu [13-21]. Phân bố công suất và phối hợp trở kháng trong các mạng tiếp điện này được tính toán qua các bộ chia công suất và đường truyền vi dải. Các anten mảng trong các nghiên cứu này có thể đạt mức búp sóng phụ -22 dB tại [14], hoặc -23 dB đến -28 dB tại [16] hoặc có thể cải thiện tăng ích cao của mảng Vivaildi tại [18-20].
Bên cạnh kỹ thuật điều khiển biên độ, tại [22-28], các tác giả đã áp dụng kỹ thuật điều khiển phân bố khoảng cách giữa các phần tử của anten mảng để đạt được mức yêu cầu búp sóng phụ thấp. Ngoài việc sử dụng các công cụ có sẵn như chuỗi Taylor tại [22], phương pháp MoM tại [23], sử dụng bộ tạo dạng búp sóng trong Matlab tại [24], thì thông thường phân bố khoảng cách được thực hiện thông qua một quá trình tối ưu với yêu cầu là cho trước mức búp sóng phụ. Ví dụ, thuật toán GA tại [25] cho anten mảng 5 phần tử có mức búp sóng phụ -16,7 dB, thuật toán PSO và DEA cho anten mảng hình chữ nhật có mức
búp sóng phụ -23,7 dB tại [26] và -25,3 dB tại [27], thuật toán MDE cho mức búp sóng phụ -22,7 dB tại [28]. Trong kỹ thuật điều khiển khoảng cách, phân bố biên độ có thể được chọn trước tùy ý là phân bố đều hoặc phân bố bất kỳ khác. Để tăng hiệu quả của thuật toán, phân bố biên độ có thể được chọn chính là các phân bố toán học Chebyshev như tại [27].
Ngoài kỹ thuật thay đổi hệ số mảng bằng phân bố biên độ hay khoảng cách, còn có một số đề xuất sử dụng kỹ thuật điều khiển tín hiệu kích thích theo thời gian thực để đạt được yêu cầu về mức búp sóng phụ. Kỹ thuật này sử dụng bộ chuyển mạch tốc độ cao để thay đổi phân bố tín hiệu đến các phần tử theo thời gian thực. Quy luật thay đổi thời gian phân bố tín hiệu được tối ưu bằng thuật toán FA tại [29-30], thuật toán IWO tại [31], thuật toán PSO tại [32]. Tuy vậy, đây là kỹ thuật phức tạp nên việc nghiên cứu các ứng dụng của nó còn ít.
Tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu đã công bố một số giải pháp về cải thiện tăng ích và búp sóng phụ của anten mảng. Tại [33-34], các tác giả đã sử dụng phân bố Chebyshev để phát triển anten mảng 10 phần tử hoạt động ở dải tần 5 GHz sử dụng cho thiết bị WLAN với cấu trúc tiếp điện nối tiếp có tăng ích 17 dBi và mức búp phụ có thể được nén ở mức -26 dB. Tại [35], cấu trúc tiếp điện song song được đề xuất cho anten mảng đã giải quyết vấn đề nén được búp phụ cho anten mảng 8 phần tử. Nhóm tác giả của công bố [36] đã sử dụng kỹ thuật điều khiển khoảng cách bằng thuật toán LMS để phát triển anten mảng cho các trạm gốc thông tin di động đa băng tần với mức búp phụ thấp và tăng ích được cải thiện.
1.1.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu trong thiết kế anten mảng tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp
Về mặt lý thuyết, phương pháp tổng quát để tổng hợp hệ số mảng đáp ứng yêu cầu nén mức búp sóng phụ bất kỳ được nghiên cứu rộng rãi hiện nay là sử
dụng các thuật toán tối ưu, chủ yếu là các thuật toán lấy cảm hứng từ tự nhiên.
Có thể liệt kê một số thuật toán chính như sau: Phổ biến nhất là thuật toán di truyền GA như tại [37-44] và thuật toán tối ưu bày đàn PSO như tại [45-50];
các thuật toán mới được phát triển như đàn Ong [51], Ruồi giấm [52], Cooku [53], đàn Kiến [54], tìm kiến Hấp dẫn [55]. Thuật toán đàn Dơi lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 2010 tại Vương quốc Anh [56] đã mở ra một hướng nghiên cứu mới. Nó tiếp tục được phát triển tại các công bố quốc tế [57-60].
Gần đây, thuật toán đã được phát triển cho kỹ thuật điều khiển búp sóng anten mảng tuyến tính bởi nhóm tác giả của Việt Nam tại các công bố [61-64].
Điểm chung của các nghiên cứu này là tập trung vào phương pháp tổng hợp hệ số mảng của anten mảng tuyến tính theo các yêu cầu về búp sóng phụ.
Các kết quả đạt được nhìn chung mới dừng lại ở việc tìm ra các bộ trọng số của hệ số mảng trên cơ sở tính toán, tối ưu bằng các chương trình máy tính và so sánh về mặt lý thuyết về hiệu quả thực thi giữa các thuật toán với nhau. Trong phạm vi đã công bố về các nghiên cứu thuật toán đàn Dơi, nhóm tác giả mới dừng lại ở đề xuất về mặt lý thuyết sử dụng thuật toán đàn Dơi cho các bộ điều khiển búp sóng số. Vì vậy, cần thiết có thêm những nghiên cứu đóng góp khoa học từ thực nghiệm để khẳng định tính hiệu quả của các thuật toán và phát triển để triển khai thuật toán tối ưu trong thực tiễn.
1.1.3. Những tồn tại hiện nay của các nghiên cứu về nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính
Qua nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu thiết kế các anten mảng tuyến tính có yêu cầu nén búp sóng phụ trên cơ sở các tài liệu tham khảo đã có được, luận án xác định một số vấn đề còn tồn tại như sau:
- Các nghiên cứu về thiết kế anten mảng tuyến tính phần lớn mới tập trung vào giải pháp làm giảm mức búp sóng phụ sử dụng các phân bố toán học.
Tuy vậy, nhược điểm lớn nhất của phương pháp sử dụng chuỗi toán học đó là chúng luôn cho một dạng hệ số mảng xác định trước, tương ứng với yêu cầu mức búp sóng phụ. Phương pháp này không cung cấp khả năng điều khiển độc lập mức của một búp sóng phụ bất kỳ mà phải thay đổi toàn bộ mức của các búp sóng phụ đồng thời. Nhưng khi mức của các búp sóng phụ được nén càng sâu thì búp sóng chính càng bị mở rộng. Khi búp sóng bị mở rộng quá lớn, anten mảng được thiết kế có thể không còn đạt được mục tiêu chống nhiễu có hại và mục tiêu về hiệu quả sử dụng.
- Các thiết kế anten mảng tuyến tính dựa trên các thuật toán tối ưu hiện cũng mới chỉ tập trung giải quyết được vấn đề nén mức búp sóng phụ và còn rất ít các công bố về giải pháp thiết kế anten mảng có điều khiển búp sóng phụ với các yêu cầu đặc biệt khác. Hơn nữa, các thiết kế đã công bố chưa được tổng hợp lại thành quy trình có thể vận dụng cho các trường hợp khác. Phần lớn cấu trúc mạng tiếp điện được đề xuất dựa trên từng bài toán cụ thể với phương pháp điều khiển biên độ tín hiệu kích thích mà chưa đề cập nhiều đến giải pháp để cân bằng pha khi thay đổi vị trí các phần tử của mảng. Ngoài ra, cũng thiếu các mô tả bằng tính toán hoặc quy trình thực hiện để có thể phát triển sử dụng cho anten mảng tuyến tính với các yêu cầu khác nhau.
Nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu để tổng hợp đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính là khá đa dạng, có thể giải quyết bất kỳ yêu cầu đặc biệt về mức búp sóng phụ, chẳng hạn như triệt tiêu một búp sóng phụ bất kỳ mà không làm ảnh hưởng nhiều đến những búp sóng khác. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu dừng lại ở mức chứng minh tính khả dụng của thuật toán, hoặc đề xuất cho các anten mảng tích cực mà còn ít các nghiên cứu về giải pháp thiết kế thực hiện trên các anten mảng tuyến tính cố định. Trên thực tiễn, để hiện thực hóa thành một anten mảng thực, còn cần phải xem xét các yếu tố như là:
- Khả năng đáp ứng của các mạng tiếp điện cho anten mảng tuyến tính đối với phân bố biên độ, pha và khoảng cách;
- Khả năng đáp ứng về tần số cộng hưởng, băng thông hay tăng ích của anten mảng. Bởi vì trong quá trình tối ưu các phần tử anten đơn được giả thiết là lý tưởng nên ảnh hưởng của các anten thực tế đến hiệu quả của thuật toán cũng chưa được xem xét.
1.1.4. Lựa chọn băng tần 3,5 GHz trong nghiên cứu này
Băng tần 3,5 GHz hiện được xem là một trong những băng tần quan trọng nhất để phát triển các thế hệ mạng thông tin di động tế bào thế hệ thứ 5 (5G).
Bởi vì, nó là băng tần khả dụng nhất dưới 6 GHz ở thời điểm hiện tại đáp ứng được yêu cầu của mạng thông tin di động 5G là băng thông lớn và liên tục. Thời gian gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam, đang xem xét khả năng quy hoạch lại băng tần này để phát triển thông tin di động 5G như đề cập tại [65] và [66]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển các anten cho thông tin di động hoạt động ở băng tần này là một xu hướng nghiên cứu mới.
Mặt khác, mặc dù băng tần 3,5 GHz hiện là tiềm năng cho thông tin di động 5G nhưng băng tần này từ trước đây đã được sử dụng cho các hệ thống vô tuyến hoạt động trong nghiệp vụ vô tuyến định vị, truyền dẫn cố định, thông tin vệ tinh trên phạm vi toàn cầu và đã được quy định tại Thể lệ vô tuyến điện của Liên minh Viễn thông quốc tế [67]. Trong giai đoạn chuyển đổi quy hoạch băng tần, việc nghiên cứu giải pháp kỹ thuật bao gồm cả việc phát triển các anten mảng có khả năng điều khiển búp sóng phụ để sử dụng cho các hệ thống vô tuyến dùng chung băng tần 3,5 GHz là một vấn đề cấp thiết và đang được các nhà nghiên cứu quan tâm.
Trên cơ sở đó, băng tần 3,5 GHz được lựa chọn để phát triển cho các anten mảng tuyến tính có tăng ích cao và mức búp sóng phụ thấp trong luận án này.
1.2. Anten mảng tuyến tính
1.2.1. Khái niệm anten mảng tuyến tính
Anten mảng tuyến tính là sự sắp xếp các phần tử anten đơn theo trật tự thẳng hàng. Khi khoảng cách giữa các phần tử được lựa chọn là đều nhau thì thường được gọi là anten mảng tuyến tính phân bố đều. Việc ghép nối nhiều phần tử đơn thành anten mảng tuyến tính nhằm mục đích đạt được yêu cầu về đồ thị bức xạ, có hướng tính và tăng ích cao mà phần tử anten đơn không thể đáp ứng được. Anten mảng tuyến tính có một số đặc điểm như sau:
- Đồ thị bức xạ có định hướng cao, thông thường búp sóng chính sẽ mở rộng ở một mặt phẳng (E hoặc H) và hẹp ở mặt phẳng còn lại.
- Anten mảng cho phép thay đổi linh hoạt đồ thị bức xạ thông qua hệ số mảng sử dụng các kỹ thuật điều khiển biên độ, pha của tín hiệu kích thích tại lối vào các phần tử của mảng hoặc khoảng cách giữa chúng.
- Nhược điểm chính của anten mảng tuyến tính với phân bố đều là có búp sóng phụ ở mức cao, có thể gây ra nhiễu không mong muốn đường truyền vô tuyến.
1.2.2. Đặc điểm của anten mảng tuyến tính - Trường bức xạ của anten mảng tuyến tính:
Trường bức xạ tổng hợp của một anten mảng tuyến tính là tích số giữa trường bức xạ của một phần tử anten đơn đặt ở vị trí trung tâm và hệ số mảng.
Khi phần tử anten đơn là thụ động thì đồ thị bức xạ của anten mảng sẽ được quyết định bởi hệ số mảng. Do vậy, đồ thị bức xạ của một anten mảng
có liên quan chặt chẽ đến hệ số mảng. Tính chất này được vận dụng để thiết kế các anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu về điều khiển búp sóng.
Nếu E0(θ,φ) là trường bức xạ của anten đơn, AF là hệ số mảng và E(θ,φ) là trường bức xạ tổng hợp của anten mảng tuyến tính thì E(θ,φ) được tính bởi công thức sau [68]:
𝐸(𝜃, 𝜑) = 𝐸0(𝜃, 𝜑) ∗ 𝐴𝐹 (1. 1) Hình 1.1 mô tả đồ thị bức xạ của một anten mảng tuyến tính có 4 phần tử anten vi dải hình chữ nhật cách đều nhau một nửa bước sóng.
Hình 1. 1. Mô tả mối quan hệ giữa đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính với hệ số mảng và đồ thị bức xạ của phần tử anten đơn
- Hệ số mảng:
Giả thiết anten mảng tuyến tính có N phần tử giãn cách đều nhau theo khoảng cách d như mô tả tại Hình 1.2.
Hệ số mảng AF của anten mảng tuyến tính được tính bởi công thức trình bày tại [68] như sau:
𝐴𝐹(𝜃) = ∑𝑁 𝑎𝑛𝑒𝑗(𝑛−1)(𝑘.𝑑.cos 𝜃+ 𝛿𝑛)
𝑛=1 (1. 2)
(a) đồ thị bức xạ của anten đơn
(b) hệ số mảng phân bố đều
(c) Đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính có 4 phần tử cách đều λ/2
Trong đó:
+ Hệ số k là số bước sóng trong chu kỳ 2π, k tính bởi:
𝑘 = 2𝜋
𝜆 (1. 3)
+ an và δn là phân bố biên độ và pha của tín hiệu kích thích tại lối vào phần tử anten thứ n của mảng;
+ Góc
là góc quét thay đổi trong khoảng [0°, 360°]. Với góc 0o là hướng song song với mặt phẳng anten.Hình 1. 2. Mô hình một anten mảng tuyến tính N phần tử
Từ công thức (1.2) cho thấy hệ số mảng AF phụ thuộc vào phân bố pha, phân bố biên độ tín hiệu kích thích tại lối vào các phần tử anten, số lượng các phần tử anten của mảng và khoảng cách giữa các phần tử anten của mảng.
Giả thiết rằng phân bố của an và 𝛿𝑛 là phân bố đều và ψ được tính bởi:
𝜓 = (𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝛿) (1. 4)
Khi đó, hàm AF tại (1.2) được viết lại như sau:
𝐴𝐹 = ∑𝑁𝑛=1𝑒𝑗(𝑛−1)𝜓 (1. 5)
𝐴𝐹 = 1 + 𝑒𝑗𝜓 + 𝑒𝑗2𝜓 + ⋯ + 𝑒𝑗(𝑁−1)𝜓 (1. 6) Nhân cả hai vế của phương trình (1.6) với 𝑒𝑗𝜓 ta được:
𝐴𝐹. 𝑒𝑗𝜓 = 𝑒𝑗𝜓 + 𝑒𝑗2𝜓 + ⋯ + 𝑒𝑗𝑁𝜓 (1. 7)
Lấy (1.7) trừ đi (1.6) ta có:
𝐴𝐹. (𝑒𝑗𝜓 − 1) = 𝑒𝑗𝑁𝜓 − 1 (1. 8) 𝐴𝐹 = 𝑒𝑗𝑁𝜓−1
𝑒𝑗𝜓−1 = (𝑒𝑗𝑁2𝜓− 1)𝑒
𝑗𝑁 2𝜓
−𝑒−𝑗 𝑁 2𝜓 𝑒𝑗12𝜓−𝑒−𝑗12𝜓
(1. 9)
𝐴𝐹 = (𝑒𝑗𝑁2𝜓− 1)sin(
𝑁 2𝜓)
sin(12𝜓) (1. 10)
Nếu điểm tham chiếu đặt ở trung tâm của mảng thì hàm AF có thể được biểu diễn lại như sau:
𝐴𝐹 = sin(
𝑁 2𝜓)
sin(12𝜓) (1. 11)
Từ (1.11) cho thấy, AF lớn nhất tại góc θmax khi:
𝜓
2 = 𝑚𝜋|𝜃= 𝜃𝑚𝑎𝑥 (1. 12)
hay 𝑘𝑑 (cos 𝜃𝑚𝑎𝑥(𝑚) + 𝛿) = 𝑚𝜋 (1. 13) 𝜃𝑚𝑎𝑥(𝑚) = cos−1[ 𝜆
2𝜋𝑑(−𝛿 ± 2𝑚𝜋)] (1. 14)
với m = 0, 1, 2,...
Đỉnh của búp sóng chính là trường hợp khi m = 0, khi đó búp sóng chính ở vị trí góc:
𝜃𝑚𝑎𝑥(0) = cos−1(𝜆𝛿
2𝜋𝑑) (1. 15)
Từ (1.15), nếu δ = 0o thì 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 90𝑜. Điều này có nghĩa là để có búp sóng chính vuông góc với mặt phẳng anten, thì điều kiện cần là sai pha giữa các tín hiệu kích thích tại các phần tử anten phải bằng 0, tức là các tín hiệu này là đồng pha.
Tuy nhiên, xét (1.4): nếu δ = 0ovà d = mλ (m là số nguyên dương) thì ngay cả các trường hợp θ = 0o hoặc θ = 180o thì ψ = 4mπ. Khi đó (1.11) vẫn cho giá trị cực đại của hàm AF. Điều đó có nghĩa là búp sóng chính sẽ song song với mặt phẳng anten. Để tránh trường hợp này xảy ra, khoảng cách d thường được chọn nhỏ hơn bước sóng λ. Trong luận án này, các cấu trúc anten mảng được nghiên cứu là cấu trúc có búp sóng chính vuông góc với mặt phẳng anten, khoảng cách giữa các phần tử nhỏ hơn λ.
Từ (1.11), vì ψ là rất nhỏ nên AF có thể đơn giản hoá như sau:
𝐴𝐹 = 2sin(
𝑁 2𝜓)
𝜓 (1. 16)
Do AF tại công thức (1.12) có giá trị lớn nhất là N nên AF chuẩn hóa được viết lại như sau:
𝐴𝐹 = 2sin(
𝑁 2𝜓)
𝑁𝜓 (1. 17)
Từ (1.13) có thể tính được vị trí điểm không là các góc θnull thoả mãn:
𝐴𝐹𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 ℎó𝑎 =sin(
𝑁 2𝜓) 𝑁𝜓 = 0|
𝜃= 𝜃𝑛𝑢𝑙𝑙
(1. 18)
𝜃𝑛𝑢𝑙𝑙(𝑛) = 𝑐𝑜𝑠−1[ 𝜆
2𝜋𝑑(−𝛿 ±2𝑛𝜋
𝑁 )] (1. 19)
Ở đây, n = 1, 2, 3,... là thứ tự của các điểm không.
- Mức búp sóng phụ cực đại của anten mảng tuyến tính
Trong trường hợp tổng quát, đối với anten mảng tuyến tính đồng dạng, mức búp sóng phụ lớn nhất được tính gần đúng theo số phần tử của mảng bởi công thức sau [68]:
𝑆𝐿𝐿 [𝑑𝐵] = 20 𝑙𝑜𝑔 1 3𝜋 (1. 20)
Với N đủ lớn, thì (1.20) có thể được đơn giản hoá như sau [69]:
𝑆𝐿𝐿 [dB] = 20 log 2
3𝜋= −13,46 [dB] (1. 21) - Hướng tính của anten mảng tuyến tính:
Hướng tính của anten mảng tuyến tính có N phần tử giãn cách đều nhau khoảng cách là d được quyết định bởi số phần tử của mảng, khoảng cách giữa các phần tử của mảng và được tính gần đúng bởi công thức sau [68]:
𝐷 = 2𝑁𝑑
𝜆 (1. 22)
- Tăng ích cực đại của anten mảng tuyến tính:
Giả thiết anten mảng có N phần tử giống nhau và có tăng ích là gE0, phân bố biên độ tín hiệu lối vào các phần tử là an. Khi đó, tăng ích cực đại GA
của anten mảng được tính gần đúng bởi công thức sau [69]:
𝐺𝐴 = 𝑔𝐸0(∑|𝑎𝑛|)2
∑|𝑎𝑛|2 (1. 23)
- Góc một nửa công suất của búp sóng chính:
Đối với anten mảng tuyến tính đồng dạng, góc một nửa công suất HPBW của búp sóng chính được tính xấp xỉ bởi công thức [69]:
𝐻𝑃𝐵𝑊 = 0,886𝐵𝑏 𝜆
𝑁𝑑 (1. 24)
Ở đây, Bb là hệ số mở rộng búp sóng, thường được chọn xấp xỉ là 1.
1.2.3. Giải pháp cải thiện tăng ích anten mảng
- Cải thiện tăng ích của anten mảng thông qua thay đổi các đặc điểm của anten mảng
Ta có thể viết lại công thức (1.23) như sau:
𝐺𝐴 = 𝜂. 𝑁. 𝑔𝐸0 (1. 25) Trong đó, ƞ là hệ số hiệu quả của mạng tiếp điện cho anten mảng, ƞ xác định bởi công thức sau [69]:
𝜂 = (∑|𝑎𝑛|)2
𝑁 ∑|𝑎𝑛|2 (1. 26)
Từ công thức (1.25) cho thấy, để cải thiện tăng ích của anten mảng có thể thực hiện ít nhất một trong số các yếu tố là tăng số lượng phần tử của mảng, cải thiện tăng ích của phần tử anten đơn hoặc cải thiện hiệu quả của mạng tiếp điện.
- Cải thiện tăng ích của anten mảng nhờ sử dụng mặt phản xạ
Tại một số nghiên cứu gần đây, giải pháp sử dụng mặt phản xạ kim loại phẳng hoặc mặt phản xạ góc đã được áp dụng cho anten mảng mặt phẳng.
Trường hợp đơn giản nhất của mặt phản xạ là sử dụng chính mặt phẳng đất trong cấu trúc anten mảng. Khi đó, các mặt phát xạ được sắp xếp đồng phẳng ở mặt trên của tấm vật liệu điện môi, mặt đối diện phía dưới được phủ kín làm mặt phẳng đất đóng vai trò là mặt phản xạ. Tuy nhiên, khi anten mảng có các thành phần của phần tử bức xạ phân bố trên cả hai mặt như trường hợp của các diplole mạch in hai mặt thì các mặt phản xạ có thể là các tấm kim loại rời.
Việc áp dụng các mặt phản xạ có thể làm giảm mức búp sóng phụ, cải thiện băng thông hoạt động và tăng ích của anten mảng như tại các công bố [5], [21] và [34]. Tuy nhiên, sự có mặt của các tấm kim loại phản xạ có thể làm thay đổi hình dạng, hướng bức xạ của anten mảng. Sự thay đổi các đặc điểm của anten mảng phụ thuộc vào vị trí đặt mặt phản xạ so với anten và tính chất của mặt phản xạ. Tại [70-72], mặt phản xạ kim loại thường được cải tiến bằng một mặt phản xạ kết hợp cấu trúc EBG cho kết quả tăng ích được cải thiện và mức búp sóng phụ được suy giảm tốt hơn. Tuy nhiên, khi bổ sung mặt phản xạ ngoài sẽ làm tăng kích thước khối của cấu trúc anten.
1.2.4. Giải pháp nén mức búp sóng phụ và đặt điểm không trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính bằng cách thay đổi hệ số mảng
Từ công thức (1.1) cho thấy hệ số mảng đóng vai trò như một “cửa sổ” để khuếch đại và định hướng bức xạ của anten phần tử đơn thành bức xạ tổng hợp của mảng. Theo (1.2) thì hệ số mảng lại phụ thuộc vào phân bố biên độ, pha hay khoảng cách giữa các phần tử. Anten mảng tuyến tính đồng dạng có phân bố biên độ và pha đồng đều có điểm không và mức búp sóng phụ được xác định trước theo các tính toán lý thuyết trình bày tại Mục 1.1. Tuy nhiên, khi các yêu cầu về mức búp sóng phụ và vị trí các điểm không được thay đổi thì các tham số trong hệ số mảng không còn phân bố đều mà sẽ thay đổi theo. Trong quá trình thiết kế anten mảng tuyến tính, các tham số có thể được kiểm soát chủ động hoặc bị động nhờ vào mạng tiếp điện. Với ba tham số phụ thuộc là biên độ, pha và khoảng cách, có tương ứng ba kỹ thuật chính để tổng hợp hệ số mảng đáp ứng yêu cầu cho trước về mức búp sóng phụ và đặt điểm không là:
- Chỉ điều khiển biên độ, phân bố pha và khoảng cách không đổi.
- Chỉ điều khiển pha, phân bố biên độ và khoảng cách không đổi.
- Chỉ điều khiển khoảng cách, phân bố biên độ và pha không đổi.
Ngoài ra, để cải thiện tính chính xác thì kỹ thuật điều khiển hỗn hợp các tham số như: kết hợp biên độ và pha hoặc kết hợp biên độ và khoảng cách cũng được sử dụng tại một số nghiên cứu [27], [63] và [64].
Trong hệ thống anten tích cực, điểm không có thể được đặt và thay đổi theo thời gian thực nhờ sử dụng bộ điều khiển búp sóng số. Tuy nhiên, những anten mảng này có cấu trúc phần cứng phức tạp bao gồm các thành phần đi kèm như bộ xử lý tín hiệu, bộ biến đổi tương tự-số, bộ dịch pha. Các hệ thống này thường có giá thành và chi phí vận hành cao, phù hợp với các hệ thống lớn.
Vì vậy, đối với những trường hợp đơn giản hơn trong thực tế khi mà hướng
nguồn tín hiệu gây nhiễu là xác định trước và không thay đổi theo thời gian, anten mảng cố định có thể được sử dụng để giảm sự phức tạp của hệ thống và giảm chi phí. Anten mảng khi đó được thiết kế với yêu cầu về nén mức búp sóng phụ tại những hướng cố định được biết trước. Anten mảng sẽ được tiếp điện bởi một mạng tiếp điện cố định được thiết kế có lối ra tương ứng với yêu cầu phân bố biên độ (quy đổi về công suất) hay pha của tín hiệu lối vào các phần tử của anten mảng hoặc khoảng cách giữa chúng.
a) Kỹ thuật nén búp sóng phụ sử dụng các trọng số biên độ theo phân bố toán học
Tại nghiên cứu tổng quan ở trên cho thấy hiện nay kỹ thuật điều khiển phân bố biên độ của hệ số mảng bằng cách sử dụng phân bố toán học nhằm đạt được yêu cầu về giảm mức búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính được sử dụng rộng rãi khi thiết kế anten mảng cố định. Trong số đó, các chuỗi toán học được sử dụng nhiều là Chebyshev và Taylor. Trong trường hợp này, phân bố biên độ sẽ là nghiệm của các đa thức, có thể giải được bằng phương pháp toán học. Lý thuyết về phương pháp tổng hợp hệ số mảng với yêu cầu biết trước về mức búp sóng phụ tương đối phức tạp, đã được trình bày trong tài liệu tham khảo [68] và [69]. Tuy vậy, ngày nay các phương pháp này đã được tin học hóa và có thể dễ dàng thực hiện từ các chương trình máy tính cơ bản như Matlab.
Sự khác biệt cơ bản giữa phương pháp Chebyshev và phương pháp Taylor là: Phương pháp Chebyshev chỉ nén tất cả các búp sóng phụ về một mức giới hạn duy nhất xác định trước, trong khi phương pháp Taylor có tính linh động hơn khi cho phép thiết kế hệ số mảng đáp ứng mức các búp sóng phụ có thể giảm dần với tỉ lệ biết trước.
Phân bố biên độ theo phương pháp Chebyshev và phương pháp Taylor đối với anten mảng tuyến tính 10 phần tử có mức búp phụ lớn nhất là -25 dB
