MỞ ĐẦU Với sự bùng nổ của các dịch vụ viễn thông cũng nhƣ sự đòi hỏi ngày càng khắt khe của khách hàng về chất lƣợng và chủng loại dịch vụ, những vấn đề công nghệ mới luôn là động lực thúc đẩy sự tìm tòi và sáng tạo của các nhà khoa học và các nhà kinh doanh. Anten thông minh là một công nghệ mới hứa hẹn cải thiện đáng kể dung lƣợng cũng nhƣ chất lƣợng của các hệ thống không dây trong môi trƣờng truyền thông có tỷ số C/I (tín hiệu/nhiễu) thấp. §· cã nh÷ng c«ng tr×nh nghiªn cøu vµ nh÷ng øng dông cô thÓ dùa trªn nhiÒu khÝa c¹nh vËt lý cña hÖ ph-¬ng tr×nh Maxwell; tuy nhiên, còn một khía cạnh đặc biệt của nguyªn lý anten cần phải đề cập đến, đó là anten mảng pha (phased antenna array) đƣợc dùng trong ứng dụng quân sự nhƣ hệ thống radar tìm hƣớng hoặc trong một số ứng dụng ®Æc biệt phục vụ phủ sóng cho các mục tiêu di động víi tèc ®é nhanh. Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã thực hiện đƣợc những nội dung sau: - Nghiên cứu lý thuyết anten mảng pha và tổng quan về anten thông minh.
- Xây dựng mô hình hoạt động của anten mảng pha. - Mô phỏng thuật toán định hƣớng sóng đến cho anten mảng pha (sử dụng chƣơng trình MATLAB). - Đã xây dựng thành công hệ anten và hệ điều khiển búp sóng cho anten mảng pha hoạt động tại tần số 2. TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Chi tiết luận văn bao gồm 4 chƣơng và 1 mục hƣớng phát triển tiếp theo của luận văn: Chƣơng 1: Anten mảng pha và môi trƣờng truyền sóng - Giới thiệu sơ lƣợc về các loại anten thông minh mà anten mảng pha là một trong số đó.
- Môi trƣờng truyền sóng đối với các ứng dụng sử dụng anten mảng pha. - Sơ đồ khối hoạt động của anten mảng pha. Chƣơng 2: Hệ thống xử lý tín hiệu xác định hƣớng sóng đến cho hệ anten mảng pha - Giới thiệu sơ lƣợc các thuật toán xác định hƣớng sóng đến: đánh giá và lựa chọn một thuật toán. - Lý thuyết và mô hình tín hiệu sử dụng thuật toán MUSIC.
- Mô phỏng thuật toán MUSIC - xác định hƣớng sóng đến sử dụng chƣơng trình MATLAB. Chƣơng 3: Xây dựng dàn anten và hệ thống điều khiển búp sóng cho anten mảng pha. - Giới thiệu lý thuyết anten dàn và nguyên lý điều khiển búp sóng bằng cách điều khiển pha trong anten dàn (anten mảng pha). - Mô phỏng khả năng điều khiển búp sóng của anten mảng pha.
- Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ anten gồm 2 phần tử. - Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và chế tạo bộ quay pha tín hiệu cao tần. Chƣơng 4: Lắp đặt và đo đạc hệ thống điều khiển búp sóng cho anten mảng pha. - Hình ảnh của hệ thống.
- Điều kiện, môi trƣờng đo. TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 - Đo giản đồ bức xạ ứng với các trƣờng hợp lệch pha khác nhau của hệ thống anten mảng pha. Đánh giá kết quả của luận văn và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 CHƢƠNG 1 ANTEN MẢNG PHA VÀ MÔI TRƢỜNG TRUYỀN SÓNG - Giới thiệu sơ lược về các loại anten thông minh mà anten mảng pha là một trong số đó.
- Môi trường truyền sóng đối với các ứng dụng sử dụng anten mảng pha. - Sơ đồ khối hoạt động của anten mảng pha. Khái niệm anten mảng pha – phân biệt anten mảng pha với các loại anten khác trong họ anten thông minh. Anten mảng pha là một loại anten thuộc họ anten thông minh mới phát triển trong những thập niên gần đây.
Một cách tổng quát, anten thông minh là một hệ anten gồm nhiều phần tử anten đơn giản kết hợp với bộ xử lý tín hiệu có khả năng thay đổi giản đồ hƣớng một cách tự động theo những biến động của môi trƣờng. Cho đến nay, anten thông minh đƣợc chia thành 3 loại chính - tuỳ theo mức độ xử lý phức tạp của bộ xử lý tín hiệu: - Anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam system) - Anten mảng pha (Phased Array Antenna) - Anten thích nghi (Adaptive antenna system) Anten chuyển mạch búp sóng thực chất nhằm mục đích chọn búp sóng chính (trong số các búp sóng sẵn có) sao cho tín hiệu nhận đƣợc là mạnh nhất. Trong khi đó, anten thích nghi lại thực hiện việc điều khiển búp sóng thích nghi để búp sóng chính hƣớng về phía nguồn tín hiệu mong muốn còn các điểm 0 hƣớng về các nguồn TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Anten mảng pha là trung gian giữa anten chuyển mạch búp sóng và anten thích nghi.
Giản đồ hƣớng của anten mảng pha có búp sóng chính hƣớng về phía tín hiệu mong muốn nhƣng lại không quan tâm đến các búp sóng phụ và các điểm 0, nghĩa là không quan tâm đến các nguồn nhiễu khác. Hƣớng tín hiệu mong muốn Hƣớng can nhiễu a. Anten chuyển mạch búp sóng b. Anten mảng pha c.
Anten thích nghi Hình 1. Giản đồ hƣớng của các loại anten khác nhau trong họ anten thông minh 1. Ứng dụng của anten mảng pha Với những đặc trƣng về giản đồ hƣớng đã mô tả ở mục 1.1, hệ thống vô tuyến sử dụng anten mảng pha có những khả năng sau: - Sử dụng nhiều phần tử nên hệ anten có: Độ tăng ích cao: Đối với máy thu: giảm công suất phát yêu cầu của thuê bao tăng thời gian sử dụng của pin, giảm kích thƣớc của thuê bao. Đối với máy phát: tối ƣu hoá công suất phát giảm chi phí cho bộ khuếch đại, giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy của hệ.
TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Xác định hƣớng sóng đến: bằng cách kết hợp với các thuật toán xử lý không gian, thời gian, việc xác định hƣớng sóng đến trong các ứng dụng quân sự không cần phải thực hiện việc phát và thu tín hiệu cao tần cũng nhƣ việc quay anten bằng cơ khí nhƣ trong các hệ rada trƣớc đây. - Búp sóng chính có khả năng quét hoặc quay về một hƣớng nhất định trong không gian: Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu: tỷ số này đƣợc nâng lên nhờ giảm đƣợc số nguồn nhiễu tác động lên búp sóng chính cho phép giảm nhỏ khoảng cách tái sử dụng, từ đó tăng thêm dung lƣợng của hệ thống. Có khả năng phân tập theo không gian: do búp sóng chính chỉ phủ trong một phần không gian nhất định của tế bào tăng dung lƣợng của hệ thống. Có khả năng chống hiệu ứng đa đƣờng: hệ anten có năng lƣợng chỉ tập trung về phía nguồn phát tín hiệu nên giảm đáng kể số lƣợng sóng đến là bản sao của tín hiệu gốc cho phép nâng cao tốc độ bít mà không cần dùng đến bộ cân bằng.
Tăng số lƣợng dịch vụ: búp sóng chính có khả năng thay đổi bám theo sự chuyển động của vật thể phục vụ các dịch vụ truyền thông riêng biệt nhƣ phủ sóng cho các máy bay chiến đấu, máy bay dân dụng. mà không cần đến vệ tinh. Môi trƣờng truyền sóng Để có đƣợc các ứng dụng nêu trong mục 1.2, anten mảng pha phải làm việc trong 2 môi trƣờng, đó là: TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Môi trường truyền sóng mặt đất - Là môi trƣờng có địa hình phức tạp.
Sóng điện từ truyền trong môi trƣờng này có thể bị hấp thụ bởi ao, hồ, sông, suối; bị phản xạ tại bề mặt trái đất, các toà nhà hay các bức tƣờng; bị nhiễu xạ bởi gờ, cạnh của các toà nhà,…; bị tán xạ khi sóng điện từ gặp những vật cản nhỏ so với bƣớc sóng nhƣ bề mặt xù xì, lá cây, cột đèn,…Tất cả những nhân tố này gây nên sự suy giảm và hiện tƣợng phađinh tại đầu thu tín hiệu. [12] - Hơn nữa, đối với các ứng dụng luôn có sự di chuyển của máy thu khiến đáp ứng kênh luôn thay đổi theo tốc độ chuyển động của máy thu và đƣợc coi tƣơng đƣơng là hiện tƣợng di tần Doppler làm mở rộng độ rộng băng của tín vfc hiệu một khoảng Bd với v là vận tốc chuyển động của máy thu, fc là tần c số hoạt động của máy thu và c là vận tốc ánh sáng. Môi trường truyền sóng trong không gian tự do không vật cản Trong không gian tự do không có vật cản, sóng điện từ chịu ảnh hƣởng nhiều nhất của tầng đối lƣu và tầng điện ly bao quanh Trái đất. Nếu chỉ xét các vật thể bay thông thƣờng (ở độ cao nhỏ hơn 12.000 m so với mặt nƣớc biển) thì việc truyền sóng đƣợc thực hiện trong tầng đối lƣu.
Với quá trình thông tin trong môi trƣờng này, tín hiệu nhận đƣợc tại máy thu sẽ chủ yếu chịu ảnh hƣởng bởi các hiện tƣợng [2]: - Suy giảm trong môi trƣờng: chủ yếu do mƣa và sƣơng mù và chỉ các sóng có bƣớc sóng centimét và milimét là bị ảnh hƣởng nhiều. - Pha đinh: do trong tầng đối lƣu, mật độ hơi nƣớc trong khí quyển thay đổi theo chiều cao làm thay đổi chiết suất của khí quyển, từ đó gây ra các hiện tƣợng phản xạ và khúc xạ cộng với sự chuyển động của vật bay tạo nên sự thăng giáng tín hiệu. TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ khối hoạt động của một hệ anten mảng pha Circulator Receiver Receiver Phase Shifter Receiver A/D A/D A/D DOA CONTROL SPLITER PA Hình 2.
Sơ đồ khối hoạt động của hệ anten mảng pha 1. Cấu trúc của một hệ anten mảng pha Nhƣ trên hình 2, hệ anten mảng pha gồm 3 khối chính: - Hệ anten : gồm nhiều phần tử anten có độ tăng ích thấp. Các phần tử này có thể sắp xếp trong không gian một cách tuỳ ý. - Khối thu và tính hƣớng sóng đến DOA : bao gồm các bộ thu (bằng số phần tử anten) nhằm chuyển đổi từ cao tần xuống trung tần sau đó thực hiện lấy mẫu rồi đƣa vào bộ xử lý tín hiệu DSP để tính ra hƣớng sóng tới DOA bằng thuật toán đánh giá góc.
TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 - Khối điều khiển búp sóng anten : là các bộ quay pha đƣợc điều khiển bởi các thông số điện áp.