MỞ ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì yêu cầu về các hệ thống truyền thông vô tuyến cũng nhƣ yêu cầu về anten của các hệ thống đó ngày càng cao. Để xác định anten có đáp ứng các yêu cầu của hệ thống hay không thì việc đo lƣờng anten với độ chính xác cao là rất quan trọng. Đo lƣờng anten có thể đƣợc thực hiện với môi trƣờng trong nhà (indoor) và môi trƣờng ngoài trời (outdoor). Tuy nhiên khi thực hiện đo đạc với mỗi môi trƣờng thì đều gặp phải một số khó khăn, đó là: Với việc đo đạc giản đồ bức xạ, khoảng cách của vùng trƣờng xa (r>2D2/λ) là quá lớn do đó rất khó tránh khỏi các ảnh hƣởng phản xạ sóng từ mặt đất và các vật trong môi trƣờng xung quanh.
Trong nhiều trƣờng hợp ta không thể di chuyển anten từ trong môi trƣờng hoạt động tới khu vực đo đạc. Với một số loại anten thì thời gian cần để đo các đặc tính trƣờng có thể rất lớn. Việc đo đạc ngoài trời (outdoor) chịu nhiều ảnh hƣởng của môi trƣờng. Các hệ thống đo lƣờng khép kín thƣờng không thỏa mãn đƣợc các hệ anten lớn (ví dụ nhƣ tàu, máy bay…) Các khó khăn trên có thể đƣợc khắc phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật đặc biệt nhƣ đo đạc trong môi trƣờng trong nhà, tiên đoán giản đồ trƣờng xa từ các kết quả đo đạc trƣờng gần, tự động hóa quá trình đo đạc với sự trợ giúp của máy tính điện tử…Đề tài: “Hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ anten sử dụng bộ lọc phần mềm” đƣợc thực hiện nhằm góp phần giải quyết một phần các khó khăn gặp phải trong quá trình đo lƣờng anten.
Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ đề tài mang mã số QC.12, Đại học Quốc gia Hà Nội. Nội dung luận văn gồm có 3 chƣơng: Chƣơng 1: Đo lƣờng anten - Các khái niệm cơ bản. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 Trình bày một số khái niệm cơ bản trong đo lƣờng anten và đƣa ra một số mô hình đo lƣờng anten. Chƣơng 2: Phƣơng pháp dùng bộ lọc phần mềm để nâng cao độ chính xác phép đo.
Trình bày phƣơng pháp dùng bộ lọc phần mềm để nâng cao độ chính xác phép đo trong hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ anten. Chƣơng 3: Xây dựng hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ của anten. Dựa trên cơ sở lý thuyết trình bày trong các chƣơng 1 và 2, chƣơng 3 xây dựng hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ anten có hiệu quả cao bằng phƣơng pháp sử dụng máy phân tích mạng với các tính năng đo đạc và xử lý mạnh. Chƣơng 4: Các thuật toán lọc và ứng dụng của bộ lọc phần mềm.
Chƣơng này trình bày thuật toán lọc phần mềm, đƣa ra kết quả đo và đánh giá kết quả đo khi sử dụng bộ lọc phần mềm. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang, ngƣời đã trực tiếp giúp đỡ, hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu và phƣơng pháp luận nghiên cứu khoa học để tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi cũng xin cám ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện học tập và nghiên cứu cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới các bạn học, các đồng nghiệp và những ngƣời trong gia đình đã giúp đỡ, động viên và chia sẻ với tôi những khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn. Đo lƣờng anten là một vấn đề khó, thêm vào đó, do ảnh hƣởng của một số yếu tố khác nhau nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 CHƢƠNG 1 ĐO LƢỜNG ANTEN-CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Anten đƣợc đề cập đến ở đây là các thiết bị điện từ hoạt động tại vùng phổ của sóng vi ba, từ 200MHz đến hàng chục GHz.
Dƣới vùng tần số này, kích thƣớc các anten thƣờng quá lớn để có thể đo bằng các phƣơng pháp đang đƣợc thảo luận, còn trên vùng tần số này thì việc sử dụng các kỹ thuật quang là thích hợp. Kích thƣớc vật lý của anten là một thông số cơ bản trong việc thiết kế phép đo, ngoài ra chuyển động cơ học cũng là một phần không thể thiếu trong quá trình đo kiểm. Trên thực tế, anten là giao diện giữa các đƣờng truyền với các vùng không gian tự do. Số liệu lối ra không thể lấy trực tiếp từ các cổng mà ta phải lấy các mẫu bức xạ thích hợp.
Các kỹ thuật đo lƣờng anten hƣớng tới việc làm thế nào để lấy mẫu một cách nhanh chóng và chính xác. Khi các kỹ thuật sản xuất và máy móc đƣợc sử dụng trong việc chế tạo anten ngày càng trở nên phức tạp hơn, kỹ thuật thiết kế phát triển lên một trình độ cao, câu hỏi đặt ra là việc đo đạc với phạm vi rộng và phức tạp có là cần thiết? Tại sao các đồ thị bức xạ lại không thể đƣợc dự đoán từ một dải nhất định của một anten mẫu? Câu trả lời chính là bên cạnh việc kiểm tra đặc tính kỹ thuật thì việc đo đồ thị bức xạ còn đáp ứng nhiều mục đích khác nhau, cụ thể là: 1. Để điều chỉnh kích thƣớc và các linh kiện tới hạn. Để kiểm định và lƣu dữ liệu của các linh kiện thay đổi.
Để kiểm tra và giám định chất lƣợng. Để kiểm chứng thiết kế. Để đánh giá các lỗi thống kê. Hầu hết các anten hoặc là tƣơng hỗ hoặc là độc lập trong các tuyến phát và thu.
Thông thƣờng, để dễ hiểu ta coi anten nhƣ một máy phát với các tín hiệu trải rộng ra các bề mặt phát xạ khác nhau và tái kết hợp tại các điểm trong không gian. Những khái niệm cơ bản trong việc đo lƣờng anten. Các anten đƣợc thiết kế chủ yếu là để tạo ra sự phân bố năng lƣợng theo một đặc trƣng biết trƣớc trong không gian với độ suy hao và phản xạ là tối thiểu. Sự phân bố đó là “đặc trƣng bức xạ” của anten.
Thông thƣờng, phân bố bao gồm một vùng (độ rộng chùm) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 tập trung độ chiếu xạ cao vào một mục tiêu hoặc để kết nối đến hệ thống khác với phạm vi lớn nhất. Trong vùng búp sóng chính, 10% lỗi tƣơng đƣơng với 20% lỗi trong công suất phát vì thế việc đo các mức cao phải rất chính xác. Thông thƣờng, phát xạ theo các hƣớng khác với búp chính cần giảm mạnh để tránh ảnh hƣởng đến việc chiếu xạ, giao thoa với các hệ thống khác hoặc bị giao thoa bởi các hệ thống khác. Do đó yêu cầu thực hiện đo đạc ở mức rất thấp ở các cạnh và mặt sau của anten.
Mặc dù không có tính quyết định về dung lƣợng nhƣ độ tăng ích, mức búp bên góp phần cấu thành thông số thiết kế dải đo anten nhạy hay không. Các thông số khác của anten cũng nên quan tâm là độ phân cực, hƣớng chùm, độ sâu búp không, hệ số phản xạ hoặc hệ số điện áp sóng đứng (VSWR-Voltage Standing Wave Ratio). Các thông số đƣợc mô tả trong hình 1. Boresight angle Bức xạ vi sai Độ sâu búp không (Null) Tăng ích Búp sau Độ rộng chùm Hệ số điện áp Hình dạng chùm sóng đứng (VSWR) Mức búp bên Phân cực chéo Hình 1.
Một số tính chất cơ bản của anten. Ngoại trừ tính chất phản xạ, dạng dữ liệu anten đƣợc chấp nhận một cách rộng rãi là dạng đồ thị bức xạ. Tùy thuộc vào ứng dụng, thƣờng là một trong số 3 loại. Loại mô tả rõ nét nhất là biểu diễn dƣới dạng các tọa độ cực (Hình 1.2(a)) bởi góc quay của anten đƣợc biểu diễn một cách trực tiếp.
Loại phổ thông nhất (Hình 1.2(b)) là đồ thị hình chữ nhật với góc phƣơng vị là hoành độ và các mức là tung độ. Mặc dù các đồ thị bức xạ biểu diễn về mặt biên độ, nhƣng với nhiều cách xử lý dữ liệu, thông số pha là rất quan trọng. Tuy nhiên, pha thƣờng không biểu diễn bằng đồ thị [4], [7]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 9 0 Tọa độ cực-Biên độ tƣơng đối -5 dB tƣơng đối với đỉnh -10 -15 -20 -26 0.
Đồ thị bức xạ: (a) Hệ tọa độ cực, (b) Hệ tọa độ vuông góc Với mỗi loại đồ thị, biên độ có thể coi là điện thế tỷ đối, hoặc công suất tỷ đối, hoặc là dB. Điện áp và công suất rất hiếm khi đƣợc sử dụng, trừ trƣờng hợp trong các biểu đồ cực, bởi chúng cho ta rất ít thông tin chi tiết tại các mức thấp. Độ tăng ích và hướng tính Hình 1.3 minh họa một số độ tăng ích và hƣớng tính khác nhau trên phƣơng diện truyền sóng. Máy phát có thể không phù hợp với đƣờng truyền, mà đƣờng truyền này không đƣợc coi là một tham số của anten.
Tại anten, thƣờng có sự không phù hợp (mismatched) và suy hao do trở kháng hoặc hiệu suất phát xạ, một trong số yếu tố này có thể đƣợc tính đến hoặc không. Thông thƣờng, về mặt nguyên tắc sự không phù hợp có thể đƣợc điều chỉnh để bỏ qua nên độ tăng ích và hƣớng tính không bao hàm sự không phù hợp. Trong trƣờng hợp có tính đến sự không phù hợp thì tăng ích sẽ là tăng ích thực. Khi chỉ quan tâm đến hình dạng chùm tia trong không gian mà không tính đến các suy hao thì sử dụng thuật ngữ hƣớng tính, nghĩa là tỷ số giữa cƣờng độ đỉnh với cƣờng độ trung bình trên toàn khoảng không gian.
Hầu hết các đồ thị bức xạ đƣợc tính toán để xác định hƣớng tính của anten thay vì tính độ tăng ích. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 10 Trong một vài trƣờng hợp sự phân cực đƣợc xem là không quan trọng bằng biên độ tín hiệu thì độ tăng ích và độ định hƣớng đƣợc đo từ lối vào đến bộ tách sóng để thu cƣờng độ bức xạ tổng tại điểm đó trong không gian (phân cực phù hợp-matched polarization). Trong trƣờng hợp ngƣợc lại ta có thể khấu trừ hiệu suất phân cực từ độ tăng ích và độ định hƣớng hoặc sử dụng thuật ngữ độ định hƣớng riêng phần hoặc độ tăng ích riêng phần. Thành phần đo đƣợc Hiệu suất phát xạ Trƣờng tổng PAVAIL hay suy hao (a) PIN PRAD PREFL Cƣờng độ trung bình=PRAD/4 Tăng ích Tăng ích tổng Tăng ích thực Tăng ích riêng phần (b) Độ định hƣớng tổng Độ định hƣớng Độ định hƣớng riêng phần (c) Hình 1.