Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết anten mạng pha, anten mạng pha số cũng nhƣ các giai đoạn trong công nghệ, quá trình chế tạo anten mạng pha. Trong đó tập trung vào những ƣu điểm nổi bật của anten mạng pha số và vai trò của việc xử lý số trong anten mạng pha số. Chương 2 nghiên cứu về vấn đề xử lý số trong anten mạng pha. Trong đó bao gồm cải tiến thời gian tính toán của thuật toán di truyền, áp dụng trong anten thích nghi để loại bỏ ảnh hƣởng các nguồn nhiễu cố định, biết trƣớc bằng cách đặt cực tiểu công suất máy thu để giảm ảnh hƣởng của hƣớng có nhiễu.
Tăng tốc thời gian tính toán trong quá trình ƣớc lƣợng hƣớng tới của tín hiệu sử dụng thuật toán MUSIC trên các hệ thống tính toán song song. Chương 3 tập trung vào vấn đề đo lƣờng, kiểm tra quá trình chế tạo anten. Chƣơng này trình bày về phƣơng pháp đo giản đồ hƣớng mới có khả năng đƣa ra kết quả nhanh có thể ứng dụng đƣợc trong kiểm tra quá trình chế tạo anten mạng pha số. Chương 4 áp dụng các kết quả tính toán và mô phỏng của các chƣơng 2 và chƣơng 3 vào thử nghiệm trên anten mạng pha 4 kênh (4x8 phần tử) tại Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.
Phần kết luận chung tổng kết lại những kết quả, thảo luận và nêu lên những đóng góp mới của luận án so với những kết quả đã có trong các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã có. Đặc biệt nhấn mạnh tới tính tối ƣu trong việc cải thiện các thuật toán thích nghi, thuật toán ƣớc lƣợng hƣớng tín hiệu tới và tính hiệu quả của phƣơng pháp đo nhanh giản đồ hƣớng. Về vai trò đóng góp thực tiễn, luận án kết hợp cùng nội dung nghiên cứu của đề tài hợp tác Quốc tế giữa Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Quân sự và Trƣờng đại học Kinh tế Kỹ thuật Budapet - Hungary. Luận án đã đề xuất và cải tiến bài toán thích nghi và bài toán ƣớc lƣợng hƣớng tới của anten mạng pha số.
Tính toán, thực hiện mô phỏng trên anten có số lƣợng lớn các phần tử trƣớc khi áp dụng vào thực tiễn anten mạng pha 4 kênh thu (4x8 phần tử) hoạt động ở tần số 9. Đồng thời đề xuất một phƣơng pháp đo mới có thể ứng dụng trong kiểm tra nhanh anten mạng pha số sau khi chế tạo cũng đƣợc áp dụng trên phần cứng anten này. Tuy nhiên luận án mới chỉ đạt đƣợc những kết quả khiêm tốn làm cơ sở ban đầu, chắc chắn rằng chúng sẽ đƣợc xem xét rộng hơn trong quá trình phát triển nghiên cứu ứng dụng anten mạng pha ở Việt Nam. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ANTEN MẠNG PHA SỐ CHO TUYẾN THU BĂNG X Anten mạng pha số là anten đƣợc tạo thành mạng các chấn tử mà pha của mỗi phần tử trong mạng có thể đƣợc điều khiển độc lập bằng phƣơng pháp điều khiển số.
Điều khiển phƣơng pháp số các pha của mỗi phần tử bởi các thiết bị điện tử làm giảm quán tính việc quét búp sóng so với điều khiển bằng thiết bị cơ điện. Nhờ đó không những đặc trƣng hƣớng của anten có thể thay đổi một cách linh hoạt mà còn có khả năng tăng công suất phát xạ theo hƣớng có ích, nâng cao khả năng chống nhiễu bằng phƣơng pháp điều khiển số. Do vậy, công nghệ chế tạo anten mạng pha số ngoài việc đƣa ra mô hình, thiết kế, các thiết bị phần cứng… ta còn phải xây dựng các phần mềm tính toán trên các hệ thống xử lý tín hiệu số để điều khiển hoạt động của anten.1 Tổng quan về anten mạng pha số và công nghệ chế tạo 1.1 Tổng quan về anten mạng pha Lịch sử của anten mạng gắn với tên tuổi của Karl Ferdinand Braun và Luis Avarez nhận giải Nobel vào các năm 1909 và 1968. Đƣợc đƣa vào thực nghiệm đầu tiên vào năm 1905 bởi Karl Ferdinand Braun [23] sau đó đƣợc phát triển thêm trong thời kỳ chiến tranh thế giới thứ II bởi Luis Avarez để ứng dụng vào hệ thống điều khiển mặt đất giúp các máy bay cất cánh và hạ cánh tại các sân bay [10-13].
Loại anten này đã có những đóng góp nhất định trong ngành vô tuyến vũ trụ và đã giúp cho Anton Hewish và Martin Ryle nhận giải nobel vật lý vào năm 1974 [42, 63]. Anten mạng đƣợc xây dựng dựa trên ý tƣởng của anten lƣỡng cực nửa bƣớc sóng [44], gồm hai chấn tử phát xạ đặt cách nhau một nửa bƣớc sóng (Hình 1. Trong đó, mỗi chấn tử phát xạ sẽ bức xạ sóng điện từ theo tất cả 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mọi hƣớng. Tuy nhiên, khi kết hợp hai chấn tử lại với nhau thì sẽ có sự khác biệt về đặc trƣng bức xạ do khi bức xạ theo các hƣớng khác nhau thì sóng điện từ phát ra từ các chấn tử khác nhau sẽ có độ lệch pha khác nhau.
Nhƣ trong Hình 1.1a ta thấy với sóng điện từ bức xạ theo vuông góc với trục của anten thì hai sóng cùng pha nên cộng hƣởng với nhau, tuy nhiên thành phần theo phƣơng song song thì ngƣợc pha nhau nên triệt tiêu lẫn nhau. Tƣơng tự nhƣ vậy, với các phƣơng bức xạ khác sẽ có cƣờng độ nằm trong khoảng từ 0 tới cực đại (Hình 1.1 (a) Lưỡng cực anten nửa bước sóng; (b) Đặc trưng bức xạ Dựa trên nguyên lý này, khi ta sử dụng nhiều phần tử bức xạ gắn vào trong một hệ thống theo những cách sắp xếp nhất định ta sẽ có hệ thống anten mạng có đặc trƣng hƣớng phù hợp với nhu cầu sử dụng. Không chỉ vậy, để thay đổi đặc trƣng hƣớng ta còn có thể sử dụng các phƣơng pháp khác nhƣ thay đổi hệ số điện dung, hệ số từ môi [54], [76]… hoặc là sử dụng các hệ thống số để điều khiển các pha của các phần tử bức xạ làm thay đổi đặc trƣng hƣớng của anten. Dựa vào phƣơng pháp đƣợc sử dụng để thay đổi đặc trƣng hƣớng từ các phần tử, ta có thể phân loại anten mạng ra làm hai loại là anten 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mạng tƣơng tự và anten mạng pha số.
Anten mạng cũng có thể đƣợc phân loại thành anten tuyến phát, anten tuyến thu và anten hỗn hợp. Tuy nhiên, việc phân loại này chỉ mang tính chất tƣơng đối bởi quá trình thu phát sóng điện từ của anten là thuận nghịch nên anten phát và thu có nguyên lý giống nhau.2 Lý thuyết anten mạng pha tuyến tính Là hệ thống bức xạ mà các phần tử bức xạ có tâm pha nằm trên một đƣờng thẳng. Đƣờng thẳng này gọi là trục của hệ thống. Do sự giao thoa trƣờng của các phần tử trong hệ nên tính định hƣớng chung của hệ tăng lên.
Thông thƣờng ngƣời ta dùng các nguồn phát xạ đồng nhất, định hƣớng nhƣ nhau. Để khảo sát, ta chọn gốc toạ độ trùng với tâm pha của phần tử thứ nhất [1] (Hình 1.2 Sơ đồ mạng tuyến tính cách đều Biểu thức cƣờng độ bức xạ của mạng có thể viết dƣới dạng [1]: ik e jkR E f ( , ) (1.1) 4 R Giả sử hệ thống mạng gồm N phần tử cùng loại đặt cách đều với nhau khoảng cách d. Các phần tử đƣợc kích thích bởi dòng mà quan hệ của nó với dòng trong phần tử thứ nhất đƣợc xác định bởi: .2) I1 Khi đó hàm đặc trƣng hƣớng của mạng đƣợc xác định bởi: [1] 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3) n 1 Với f 1 ( , ) là đặc trƣng hƣớng của một phần tử. Nếu dòng kích thích cho các phần tử có biên độ bằng nhau, còn góc pha giữa hai phần tử liên tiếp lệch nhau một đại lƣợng không đổi bằng nghĩa là: I 2 I1ei I 3 I1ei 2 .3) bây giờ có thể viết: N f N f 1 ei ( n1) (1.6) Hàm đặc trƣng hƣớng tổng hợp trong trƣờng hợp này sẽ là: N f KN ei ( n1) (1.7) n 1 Khi ấy biểu thức cƣờng độ trƣờng bức xạ của mạng ở công thức (1.1) đƣợc viết lại dƣới dạng: ik eikR E f 1 f KN (1.8) 4 R ik eikR Nếu chú ý rằng số hạng f1 là cƣờng độ trƣờng bức xạ của phần 4 R tử thứ nhất của mạng thì: 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.9) E E1 f KN Ta thấy (1.7) có dạng một cấp số nhân, số hạng đầu có giá trị bằng 1, công bội bằng ei.
Có thể tính giá trị của đặc trƣng hƣớng tổ hợp f KN bằng cách áp dụng công thức đã biết đối với tổng các số hạng của cấp số nhân. Tuy nhiên cũng có thể lấy tổng (1.7) bằng phƣơng pháp hình học véc-tơ trong mặt phẳng phức. Khi ấy mỗi số hạng của (1.7) có thể đƣợc biểu diễn bởi một véc- tơ đơn vị. Véc-tơ thứ nhất (ứng với n 1 ) sẽ trùng với trục thực, còn các véc- tơ tiếp theo sẽ quay so với trục thực một góc bằng (n 1).
Nếu 0 thì hƣớng quay thuận chiều kim đồng hồ (Hình 1.3 Phương pháp hình học véc-tơ mặt phẳng phức Để xác định mô-đun của véc-tơ tổng cần tính bán kính của vòng tròn ngoại tiếp với đa giác tạo bởi các véc-tơ. Ta có: 1 2sin 2 Biết bán kính sẽ tính đƣợc mô-đun của véc-tơ tổng (mô-đun của hàm đặc trƣng hƣớng) dựa vào tam giác cân có đáy là véc-tơ tổng còn góc ở đỉnh bằng N. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com N N sin ( f KN ) m 2 sin 2 2 sin 2 Hàm đặc trƣng hƣớng biên độ tổ hợp bằng: N sin 2 f KN (1.10) sin 2 Argument của f KN đƣợc xác định bằng hình học, theo (Hình 1.3) nó có giá trị bằng: ( N 1) arg f KN (1.6) ta có: N 1 arg f KN (kdcos ) (1.12) 2 Từ công thức (1.12) có thể thấy rằng khi thay đổi, nghĩa là khi dịch chuyển điểm khảo sát quanh tâm pha của phần tử thứ nhất mà ta chọn làm gốc toạ độ, thì pha của f KN cũng biến đổi liên tục. Điều đó chứng tỏ gốc toạ độ đƣợc chọn ban đầu không phải là tâm của anten mà nằm chính giữa hệ thống anten [1]: ( N 1)d z0 (1.13) 2 Bây giờ ta khảo sát chi tiết hơn đối với hàm đặc trƣng của mạng tổ hợp f KN .