Nghiên cứu và thiết kế anten mảng pha tái cấu hình 8 cổng sử dụng bộ chuyển pha phản xạ

• Tác giả: Nguyen Cong Thuan
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Thanh Huong
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Computer Science
• Đề tài: Study and Design of 8-Port Reconfigurable Phased Array Antenna Using Programmable Reflection Type Phase Shifter
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hanoi

• Declaration of Authorship
• Abstract
• Acknowledgements
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Application and Technical Area
• 1.2. Problem Statement and Technical Issue
• 1.3. Research Aim and Objective
• 1.4. Thesis Outline
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Basics of Microwave Engineering
• 2.1.1. Transmission Line Impedance
• 3. CHAPTER 3: DESIGN OF PHASED ARRAY ANTENNA
• 3.1. Requirement for Power Divider
• 3.2. Requirement for Phase Shifter
• 3.3. Phase Shifter Types
• 3.4. Reflection Type Phase Shifter
• 3.5. Design of Controller for Reflection Type Phase Shifter
• 3.6. Requirement for Antenna Element
• 3.7. Microstrip Patch Antenna
• 4. CHAPTER 4: EXPERIMENTAL RESULT
• 4.1. Wilkinson Power Divider
• 4.2. Reflection Type Phase Shifter
• 4.3. Microstrip Patch Antenna
• 4.3.1. Return Loss and VSWR
• 4.4. Phased Array Antenna
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND FUTURE WORK
• Appendix A: Calibration Procedure
• Appendix B: Antenna Radiation Pattern Measurement System
• Appendix C: Main beam angle versus DC bias look up table
• Appendix D: Dimension of parts in phased array antenna

I. Nghiên cứu Anten Mảng Pha Tái Cấu Hình Tổng quan chi tiết

Bài viết này đi sâu vào nghiên cứu và thiết kế anten mảng pha tái cấu hình 8 cổng sử dụng bộ chuyển pha phản xạ. Anten mảng pha đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ radar đến liên lạc không dây. Việc tái cấu hình cho phép anten thích ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất. Nghiên cứu này tập trung vào một thiết kế cụ thể sử dụng bộ chuyển pha phản xạ, hứa hẹn khả năng điều khiển chùm tia linh hoạt và chính xác. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về các khái niệm cơ bản, thách thức, phương pháp thiết kế, kết quả thực nghiệm và triển vọng tương lai của lĩnh vực này. Các nghiên cứu trước đây về anten tái cấu hình cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống liên lạc. Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều cổng và điều khiển pha một cách hiệu quả vẫn là một thách thức.

1.1. Ứng dụng tiềm năng của Anten Mảng Pha Tái Cấu Hình

Anten mảng pha tái cấu hình có ứng dụng rộng rãi. Chúng có thể được sử dụng trong liên lạc vô tuyến, radar anten mảng pha, hệ thống định vị trong nhà, và nhiều ứng dụng khác. Khả năng điều chỉnh hướng sóng (beamforming) giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm nhiễu. Trong hệ thống 5G anten và MIMO anten, anten mảng pha tái cấu hình có thể tăng cường hiệu suất và dung lượng hệ thống. Chúng cũng có thể được sử dụng để theo dõi mục tiêu và điều khiển chùm tia trong các ứng dụng radar.

1.2. Các thành phần chính của hệ thống Anten Tái Cấu Hình 8 Cổng

Hệ thống anten tái cấu hình 8 cổng bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Đầu tiên là các phần tử anten riêng lẻ, thường là anten microstrip patch. Thứ hai là bộ chia công suất để phân phối tín hiệu đến các anten. Thứ ba là bộ chuyển pha, cho phép điều chỉnh pha của tín hiệu đến từng anten. Cuối cùng, hệ thống điều khiển sẽ điều chỉnh bộ chuyển pha để thay đổi hướng sóng. Việc lựa chọn và tối ưu hóa các thành phần này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất.

II. Thách thức Yêu cầu trong Thiết Kế Anten Mảng Pha

Thiết kế anten mảng pha tái cấu hình hiệu quả đòi hỏi giải quyết nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là duy trì hiệu suất anten cao trong khi vẫn đảm bảo khả năng tái cấu hình. Bộ chuyển pha cần có độ suy hao thấp và dải điều chỉnh pha rộng. Việc quản lý tần số anten và băng thông anten cũng rất quan trọng. Hơn nữa, sự tương tác giữa các phần tử anten (mutual coupling) có thể ảnh hưởng đến hiệu suất. Cuối cùng, việc tích hợp tất cả các thành phần thành một hệ thống nhỏ gọn và chi phí thấp là một yêu cầu quan trọng. Nghiên cứu của Cidronali [2] về anten chuyển mạch chùm tia đã chỉ ra những hạn chế về độ phân giải góc đến.

2.1. Ảnh hưởng của Mutual Coupling đến Hiệu suất Anten

Mutual coupling là sự tương tác điện từ giữa các phần tử anten. Điều này có thể làm thay đổi trở kháng đầu vào, hướng sóng và hiệu suất anten. Mutual coupling trở nên nghiêm trọng hơn khi các phần tử anten đặt gần nhau. Để giảm thiểu ảnh hưởng của mutual coupling, cần lựa chọn khoảng cách giữa các phần tử anten phù hợp và sử dụng các kỹ thuật giảm nhiễu. Mô phỏng anten bằng các phần mềm chuyên dụng có thể giúp dự đoán và giảm thiểu mutual coupling.

2.2. Tối ưu hóa Bộ Chuyển Pha cho Anten Tái Cấu Hình

Bộ chuyển pha đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hướng sóng của anten mảng pha. Bộ chuyển pha cần có độ suy hao thấp, dải điều chỉnh pha rộng và tốc độ chuyển mạch nhanh. Có nhiều loại bộ chuyển pha khác nhau, bao gồm bộ chuyển pha điện tử, bộ chuyển pha cơ điện và bộ chuyển pha phản xạ. Việc lựa chọn loại bộ chuyển pha phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Các kỹ thuật tối ưu hóa anten có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của bộ chuyển pha.

III. Phương pháp Thiết kế Anten Mảng Pha 8 Cổng với Bộ Chuyển Pha

Thiết kế anten mảng pha 8 cổng sử dụng bộ chuyển pha phản xạ đòi hỏi một quy trình có hệ thống. Đầu tiên, cần xác định các thông số kỹ thuật của anten, bao gồm tần số anten, băng thông anten, và góc quét mong muốn. Tiếp theo, cần lựa chọn các phần tử anten phù hợp và thiết kế bộ chia công suất để phân phối tín hiệu. Bộ chuyển pha sau đó được thiết kế để điều chỉnh pha của tín hiệu. Cuối cùng, toàn bộ hệ thống được mô phỏng anten để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Quá trình này có thể cần lặp lại nhiều lần để tối ưu hóa hiệu suất.

3.1. Lựa chọn và Thiết kế Anten Microstrip Patch

Anten microstrip patch là một lựa chọn phổ biến cho anten mảng pha do kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và chi phí thấp. Thiết kế anten microstrip patch đòi hỏi lựa chọn vật liệu nền phù hợp, xác định kích thước của patch và vị trí của đường cấp nguồn. Hiệu suất anten có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật như chèn rãnh hoặc sử dụng các lớp điện môi nhiều lớp. Phân tích anten bằng các phần mềm mô phỏng có thể giúp tối ưu hóa thiết kế.

3.2. Thiết kế Bộ Chia Công Suất Wilkinson cho Anten 8 Cổng

Bộ chia công suất Wilkinson là một loại bộ chia công suất phổ biến do có khả năng cách ly tốt giữa các cổng đầu ra. Thiết kế bộ chia công suất Wilkinson đòi hỏi lựa chọn trở kháng đặc tính phù hợp và bố trí các điện trở cách ly. Đối với anten 8 cổng, cần thiết kế một bộ chia công suất nhiều tầng để phân phối tín hiệu đều cho tất cả các anten. Mô phỏng anten và đo đạc thực tế có thể giúp tối ưu hóa thiết kế.

IV. Ứng dụng Anten Mảng Pha Tái Cấu Hình Kết quả Thực nghiệm

Nghiên cứu này đã tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của anten mảng pha tái cấu hình 8 cổng sử dụng bộ chuyển pha phản xạ. Kết quả cho thấy anten có khả năng điều khiển chùm tia linh hoạt và chính xác. Hiệu suất anten được duy trì ở mức chấp nhận được trong quá trình tái cấu hình. Các phép đo được thực hiện trong buồng không dội âm (anechoic chamber) để đảm bảo độ chính xác. So sánh với các thiết kế anten trước đây cho thấy anten này có nhiều ưu điểm về khả năng điều khiển chùm tia.

4.1. Đo đạc Hướng Sóng của Anten Mảng Pha

Hướng sóng của anten mảng pha được đo bằng cách sử dụng một hệ thống đo lường anten tự động (ARPM). Anten được đặt trên một bàn xoay và được xoay quanh trục của nó. Tín hiệu phát ra từ anten được thu bởi một anten thu và được phân tích bởi một máy phân tích mạng (network analyzer). Kết quả đo đạc cho thấy hướng sóng có thể được điều khiển một cách chính xác bằng cách điều chỉnh bộ chuyển pha.

4.2. Đánh giá Hiệu suất Anten trong Môi trường Thực tế

Hiệu suất anten được đánh giá bằng cách đo hệ số phản xạ (return loss) và hệ số sóng đứng điện áp (VSWR). Hệ số phản xạ thấp và hệ số sóng đứng điện áp thấp cho thấy anten được phối hợp trở kháng tốt với đường truyền tín hiệu. Hiệu suất anten cũng được đánh giá bằng cách đo công suất bức xạ. Kết quả cho thấy anten mảng pha có hiệu suất bức xạ tốt.

V. Kết luận Hướng phát triển Anten Mảng Pha Tái Cấu Hình

Nghiên cứu này đã trình bày một thiết kế anten mảng pha tái cấu hình 8 cổng sử dụng bộ chuyển pha phản xạ. Anten có khả năng điều khiển chùm tia linh hoạt và chính xác, hứa hẹn nhiều ứng dụng trong liên lạc vô tuyến, radar anten mảng pha và các hệ thống định vị. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải thiện hiệu suất anten, giảm kích thước và chi phí, và tích hợp anten với các hệ thống khác. Công nghệ anten tiếp tục phát triển với các vật liệu mới và kỹ thuật thiết kế tiên tiến.

5.1. Tiềm năng sử dụng Anten Tái Cấu Hình trong 5G Anten

Anten tái cấu hình có tiềm năng lớn trong các hệ thống 5G anten. Khả năng điều chỉnh hướng sóng và tần số của anten cho phép cải thiện hiệu suất và dung lượng hệ thống. Anten tái cấu hình cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ các công nghệ như beamforming và MIMO anten. Nghiên cứu về anten tái cấu hình cho 5G đang được tiến hành tích cực.

5.2. Nghiên cứu Bộ Chuyển Pha mới cho Anten Mảng Pha

Nghiên cứu về bộ chuyển pha mới là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của anten mảng pha. Các bộ chuyển pha mới cần có độ suy hao thấp, dải điều chỉnh pha rộng và tốc độ chuyển mạch nhanh. Các vật liệu và công nghệ mới đang được khám phá để phát triển các bộ chuyển pha hiệu quả hơn. Kỹ thuật anten tiên tiến đang được áp dụng để thiết kế các bộ chuyển pha nhỏ gọn và chi phí thấp.