Nghiên Cứu Công Nghệ Xây Dựng Anten Mạng Pha Số Tuyến Thu Băng X

Lịch sử phát triển của anten mạng gắn liền với Karl Ferdinand Braun và Luis Alvarez, những người đoạt giải Nobel nhờ những đóng góp trong lĩnh vực này. Anten mạng đã được ứng dụng trong ngành vô tuyến vũ trụ và giúp Anton Hewish và Martin Ryle nhận giải Nobel vật lý năm 1974. Anten mạng được xây dựng dựa trên ý tưởng của anten lưỡng cực nửa bước sóng, trong đó mỗi chấn tử phát xạ sóng điện từ theo mọi hướng. Khi kết hợp nhiều chấn tử, đặc tính bức xạ sẽ thay đổi do sự khác biệt về độ lệch pha của sóng điện từ phát ra từ các chấn tử khác nhau. Braun đã thực nghiệm đầu tiên vào năm 1905 [23].

Dựa vào phương pháp thay đổi đặc tính hướng, anten mạng có thể được phân loại thành anten mạng tương tự và anten mạng pha số. Ngoài ra, anten mạng cũng có thể được phân loại thành anten tuyến phát, anten tuyến thu và anten hỗn hợp. Tuy nhiên, việc phân loại này chỉ mang tính tương đối vì quá trình thu phát sóng điện từ của anten là thuận nghịch, do đó anten phát và thu có nguyên lý hoạt động tương tự nhau.

Giả sử hệ thống mạng gồm N phần tử cùng loại đặt cách đều nhau một khoảng cách d. Các phần tử được kích thích bởi dòng mà quan hệ của nó với dòng trong phần tử thứ nhất được xác định bởi công thức (1.2). Khi đó, hàm đặc trưng hướng của mạng được xác định bởi công thức (1.3), trong đó f(θ, φ) là đặc trưng hướng của một phần tử.

Có thể tính giá trị của đặc trưng hướng tổ hợp f 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 phương pháp hình học vector trong mặt phẳng phức. Khi đó, mỗi số hạng của (1.7) có thể được biểu diễn bởi một vector đơn vị. Vector thứ nhất (ứng với n=1) sẽ trùng với trục thực, còn các vector tiếp theo sẽ quay so với trục thực một góc bằng (n-1)α.

Từ công thức (1.12), có thể thấy rằng khi θ thay đổi, nghĩa là khi dịch chuyển điểm khảo sát quanh tâm pha của phần tử thứ nhất mà ta chọn làm gốc tọa độ, thì pha của f cũng biến đổi liên tục. Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của góc pha và khoảng cách giữa các phần tử đến hình dạng và hướng của búp sóng.

Việc lựa chọn vật liệu cho anten mạng pha cần đảm bảo các yêu cầu về độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt, và đặc tính điện từ phù hợp với dải tần hoạt động. Các kỹ thuật chế tạo phần cứng bao gồm gia công cơ khí chính xác, in mạch điện tử, và lắp ráp các linh kiện điện tử. Việc kiểm soát chất lượng trong quá trình chế tạo là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của anten.

Phần mềm điều khiển búp sóng số đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển pha của các phần tử bức xạ và tạo ra búp sóng mong muốn. Các thuật toán điều khiển bao gồm thuật toán tạo búp sóng, thuật toán thích nghi, và thuật toán ước lượng hướng sóng tới. Giao diện người dùng cần được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng để người dùng có thể dễ dàng điều khiển và giám sát hoạt động của anten.

Thuật toán thích nghi được sử dụng để loại bỏ nhiễu và tối ưu hóa tín hiệu thu trong anten mạng pha. Các thuật toán thích nghi phổ biến bao gồm thuật toán LMS (Least Mean Square) và thuật toán SMI (Sample Matrix Inversion). Việc cải tiến thời gian tính toán của thuật toán di truyền, áp dụng trong anten thích nghi để loại bỏ ảnh hưởng các nguồn nhiễu cố định, biết trước bằng cách đặt cực tiểu công suất máy thu để giảm ảnh hưởng của hướng có nhiễu.

Thuật toán ước lượng hướng sóng tới (DOA) được sử dụng để xác định hướng của tín hiệu đến anten mạng pha. Các thuật toán DOA phổ biến bao gồm thuật toán MUSIC, thuật toán Capon, và thuật toán Bartlett. Tăng tốc thời gian tính toán trong quá trình ước lượng hướng tới của tín hiệu sử dụng thuật toán MUSIC trên các hệ thống tính toán song song.

Kỹ thuật tạo búp sóng số bằng quay pha dựa trên việc điều khiển pha của các phần tử bức xạ để tạo ra búp sóng mong muốn. Thuật toán tạo búp sóng số bằng quay pha số. Phương pháp đo nhanh. Kết quả thực nghiệm.

Phương pháp đo nhanh đặc trưng hướng sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số để quét nhanh không gian và đo cường độ tín hiệu tại các góc khác nhau. Quy trình đo bao gồm thiết lập hệ thống đo, hiệu chỉnh thiết bị, và thực hiện đo. Các thiết bị đo bao gồm máy phát tín hiệu, anten chuẩn, và máy phân tích phổ.

Trường hợp 1 nguồn nhiễu ở -20 độ. Trường hợp 1 nguồn nhiễu ở 30 độ. Trường hợp 2 nguồn nhiễu tại -20 độ và 30 độ.

Các kết quả thử nghiệm cho thấy việc sử dụng tính toán song song giúp tăng tốc độ tính toán của thuật toán MUSIC, đặc biệt khi số lượng phần tử anten lớn.