Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính có tăng ích cao và mức búp sóng phụ thấp sử dụng mạng tiếp điện nối tiếp và thuật toán tối ưu đàn dơi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính có tăng ích cao và mức búp sóng phụ thấp sử dụng mạng tiếp điện nối tiếp và thuật toán tối ưu đàn dơi" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu và làm chủ thuật toán đàn Dơi. Đề xuất được giải pháp áp dụng thuật toán này trong bài toán thiết kế anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu cho trước về mức búp sóng phụ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính có tăng ích cao và mức búp sóng phụ thấp sử dụng mạng tiếp điện nối tiếp và thuật toán tối ưu đàn dơi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lương Xuân Trường NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ TĂNG ÍCH CAO VÀ MỨC BÚP SÓNG PHỤ THẤP SỬ DỤNG MẠNG TIẾP ĐIỆN NỐI TIẾP VÀ THUẬT TOÁN TỐI ƯU ĐÀN DƠI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9510302.02 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Minh Tuấn 2. PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang Hà nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là đúng sự thật và của riêng tôi. Các kết quả chưa được công bố tại nơi nào khác. Tác giả i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang và PGS.TS. Trần Minh Tuấn, hai thầy đã luôn theo sát, hướng dẫn khoa học và cho tôi những định hướng quý báu trong toàn bộ quá trình học tập, nghiên cứu khoa học cũng như trong việc hoàn thành Luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy, cô, các nghiên cứu sinh, học viên đang nghiên cứu và học tập tại Bộ môn Thông tin Vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu ở đây. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình cùng bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh và viết Luận án này. Nghiên cứu sinh ii
MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... vi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN BÚP SÓNG CỦA ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH ..................................................................................... 7 1.1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu........................................................... 7 1.1.1. Tình hình nghiên cứu về các giải pháp nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính ................................................................................................... 7 1.1.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu trong thiết kế anten mảng tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp ..................................................................................... 9 1.1.3. Những tồn tại hiện nay của các nghiên cứu về nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính ............................................................................................... 10 1.1.4. Lựa chọn băng tần 3,5 GHz trong nghiên cứu này ............................... 12 1.2. Anten mảng tuyến tính .......................................................................... 13 1.2.1. Khái niệm anten mảng tuyến tính ......................................................... 13 1.2.2. Đặc điểm của anten mảng tuyến tính .................................................... 13 1.2.3. Giải pháp cải thiện tăng ích anten mảng ............................................... 18 1.2.4. Giải pháp nén mức búp sóng phụ và đặt điểm không trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính bằng cách thay đổi hệ số mảng ............................ 20 1.2.5. Ứng dụng của anten mảng tuyến tính ................................................... 24 1.3. Ứng dụng thuật toán đàn Dơi trong kỹ thuật nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính ............................................................................................... 25 iii
1.3.1. Tổng quan về thuật toán đàn Dơi .......................................................... 25 1.3.2. Đánh giá thuật toán đàn Dơi ................................................................. 26 1.3.3. Sử dụng thuật toán đàn Dơi trong kỹ thuật điều khiển búp sóng của anten mảng tuyến tính ............................................................................................... 27 1.4. Kết luận Chương 1 ................................................................................ 34 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠNG TIẾP ĐIỆN CHO ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI .................... 36 2.1. Tổng quan về mạng tiếp điện vi dải ...................................................... 36 2.1.1. Vai trò và các cấu trúc mạng tiếp điện vi dải........................................ 36 2.1.2. Các thành phần cơ bản trong mạng tiếp điện vi dải.............................. 39 2.2. Đề xuất giải pháp thiết kế mạng tiếp điện ............................................ 44 2.2.1. Tổng quan về cấu trúc đề xuất .............................................................. 44 2.2.2. Giải pháp tính toán phân bố công suất đến các lối ra đáp ứng yêu cầu bộ trọng số biên độ cho trước.......................................................................... 45 2.2.3. Giải pháp tính toán cân bằng pha giữa các lối ra của mạng tiếp điện khi khoảng cách giữa các lối ra là tuỳ ý .......................................................... 47 2.3. Đề xuất quy trình thiết kế mạng tiếp điện ............................................. 49 2.3.1. Mô tả quy trình ...................................................................................... 49 2.3.2. Các bước thực hiện quy trình ................................................................ 51 2.4. Áp dụng thiết kế mô phỏng mạng tiếp điện 01 lối vào và 10 lối ra ..... 53 2.5. Kết luận Chương 2 ................................................................................ 56 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ MỨC BÚP SÓNG PHỤ THẤP VÀ TĂNG ÍCH CAO ........................... 57 3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 57 3.2. Đề xuất quy trình thiết kế các anten mảng tại luận án .......................... 59 3.3. Thiết kế anten mảng Vivaldi tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp, tăng ích cao...................................................................................................... 61 3.3.1. Tính toán bộ trọng số biên độ ............................................................... 61 3.3.2. Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng Vivaldi ................................. 61 3.3.3. Thiết kế anten Vivaldi đơn.................................................................... 63 3.3.4. Thiết kế anten mảng Vivaldi ................................................................. 66 3.4. Các kết quả mô phỏng anten mảng Vivaldi .......................................... 67 iv
3.5. Các kết quả đo đạc thực nghiệm anten mảng Vivaldi .......................... 73 3.6. Đánh giá giải pháp ................................................................................ 77 3.7. Kết luận Chương 3 ................................................................................ 78 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ TĂNG ÍCH CAO VÀ NÉN RIÊNG BÚP SÓNG PHỤ THỨ NHẤT ..... 79 4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 79 4.1.1. Yêu cầu nén riêng búp sóng phụ thứ nhất của anten mảng tuyến tính . 79 4.1.2. Đề xuất sử dụng anten mảng DSPD...................................................... 80 4.2. Đề xuất giải pháp nén búp sóng phụ thứ nhất của anten mảng tuyến tính ....................................................................................................... 81 4.3. Giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính DSPD-1 có tăng ích cao, nén riêng búp sóng phụ thứ nhất sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ .......... 82 4.3.1. Tính toán bộ trọng số biên độ ............................................................... 82 4.3.2. Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng DSPD-1................................ 83 4.3.3. Thiết kế anten mảng DSPD-1 ............................................................... 85 4.3.4. Kết quả mô phỏng anten mảng DSPD-1............................................... 90 4.3.5. Kết quả đo đạc thực nghiệm anten mảng DSPD-1 ............................... 95 4.4. Giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính DSPD-2 có tăng ích cao, nén riêng búp sóng phụ thứ nhất sử dụng kỹ thuật điều khiển khoảng cách giữa các phần tử .............................................................................................. 99 4.4.1. Tính toán phân bố khoảng cách ............................................................ 99 4.4.2. Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng DSPD-2.............................. 101 4.4.3. Thiết kế anten mảng DSPD-2 ............................................................. 103 4.4.4. Kết quả mô phỏng anten mảng DSPD-2............................................. 104 4.4.5. So sánh kết quả mô phỏng anten mảng DSPD-1 và DSPD-2............. 107 4.5. Đánh giá giải pháp .............................................................................. 110 4.6. Kết luận Chương 4 .............................................................................. 111 KẾT LUẬN ................................................................................................... 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ........................ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 117 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 128 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Việt AF Array factor Hệ số mảng Adaptive particle swarm APSO Tối ưu bầy đàn thích nghi optimization DEA Differential evolution algorithm Thuật toán tiến hóa Anten lưỡng cực mạch in DSPD Doubled-side printed dipole trên hai mặt của vật liệu EBG Electromagnetic band gap Dải chắn điện từ FA Firefly algoirthm Thuật toán đom đóm GA Genetic algorithm Thuật toán di truyền Góc một nửa công suất HPBW Half-power beam width của búp sóng International Telecommunication Ban vô tuyến của Liên minh ITU-R Union – Radio Viễn thông quốc tế IWO Invasive weed optimization Thuật toán cỏ dại xâm lấn Trung bình bình phương LMS Least mean squares tối thiểu Thuật toán tiến hóa MDE Modified differential evolution (biến đổi) MoM Method of moments Phương pháp mô-men NDL Null deep level Mức sâu của điểm không PSO Particle swarm optimization Tối ưu bầy đàn SLL Sidelobe level Mức của búp sóng phụ Nhận dạng qua sóng RFID Radio-frequency identification vô tuyến Mạng truy cập nội bộ WLAN Wide local access network diện rộng vi
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Mô tả tiếng Việt λ Bước sóng λg Bước sóng hiệu dụng λ0 Bước sóng của sóng truyền trong không gian tự do f Tần số vô tuyến điện π Số pi, giá trị xấp xỉ bằng 3,1415 Phân bố pha của tín hiệu tại lối vào phần tử thứ n của anten mảng δn tuyến tính Phân bố biên độ của tín hiệu tại lối vào phần tử thứ n của an anten mảng tuyến tính dn Khoảng cách giữa hai phần tử thứ n-1 và n của anten mảng θ Góc theta, góc quét trong mặt phẳng xOz φ Góc phi, góc quét trong mặt phẳng yOz Được định nghĩa là (𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝛿) sử dụng để tính toán 𝜓 hệ số mảng tại Chương 1. β Hệ số phát xạ г Hệ số phản xạ k0 Số bước sóng trong một chu kỳ 2π ϕ Độ dài điện εr Hằng số điện môi tương đối h Độ dày lớp vật liệu nền trong cấu trúc vi dải Z Trở kháng đặc tính của đường truyền vi dải w Độ rộng của đường truyền vi dải N Số phần tử anten đơn của anten mảng Q Số phần tử của đàn Dơi giả định xi Vị trí của phần tử Dơi thứ i vi Vận tốc của phần tử Dơi thứ i Ai Biên độ xung phát bởi phần tử Dơi thứ i vii
Ký hiệu Mô tả tiếng Việt Ri Tỉ lệ xung phát bởi phần tử Dơi thứ i fi Tần số phát xung của phần tử Dơi thứ i fmin Tần số phát xung tối thiểu của phần tử Dơi fmax Tần số phát xung cực đại của phần tử Dơi t_max Số vòng tìm kiếm tối đa khi thực thi thuật toán đàn Dơi Giá trị ngưỡng chấp nhận được của hàm mục tiêu để kết thúc threshold ngay lập tức quá trình tìm kiếm tối ưu của thuật toán đàn Dơi. Tỉ số giữa điện áp sóng phản xạ trên điện áp sóng tới quan sát S11 tại lối vào của mạng tiếp điện hoặc lối vào anten đơn (trường hợp mô phỏng riêng anten đơn tại Chương 3, Chương 4). viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1. 1. Phân bố biên độ theo chuỗi Chebyshev của anten mảng 10 phần tử 22 Bảng 1. 2. Phân bố biên độ theo chuỗi Taylor của anten mảng 10 phần tử ... 22 Bảng 1. 3. Tham số thực thi thuật toán đàn Dơi sử dụng tại luận án.............. 31 Bảng 2. 1. Yêu cầu của bài toán thiết kế mạng tiếp điện 1×10....................... 53 Bảng 2. 2. Yêu cầu về phân bố biên độ giữa các lối ra ................................... 53 Bảng 2. 3. Yêu cầu về khoảng cách giữa các lối ra ........................................ 53 Bảng 2. 4. Phân bố biên độ nhận được từ kết quả mô phỏng ......................... 54 Bảng 3. 1. Yêu cầu thiết kế một anten mảng có mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao...................................................................................................... 58 Bảng 3. 2. Phân bố biên độ đáp ứng yêu cầu nén mức búp sóng phụ -30 dB 61 Bảng 3. 3. Tính toán trở kháng của mạng tiếp điện (Ω) ................................. 62 Bảng 3. 4. Kết quả mô phỏng đặc điểm các lối ra của mạng tiếp điện ........... 62 Bảng 3. 5. Tham số thiết kế anten Vivaldi phần tử đơn (mm)........................ 65 Bảng 3. 6. Đặc điểm của đồ thị bức xạ khi thay đổi df ................................... 70 Bảng 3. 7. Giá trị SLL đo đạc tại các tần số được lấy mẫu ............................ 75 Bảng 3. 8. So sánh anten mảng Vivaldi với các nghiên cứu tương tự ............ 76 Bảng 4. 1. Yêu cầu thiết kế anten mảng có tăng ích cao và nén riêng búp sóng phụ thứ nhất ..................................................................................................... 80 Bảng 4. 2. Phân bố biên độ đáp ứng yêu cầu nén búp sóng phụ thứ nhất ...... 83 Bảng 4. 3. Tính toán các trở kháng của mạng tiếp điện (Ω) ........................... 84 Bảng 4. 4. Kết quả mô phỏng các hệ số của lối ra mạng tiếp điện ................. 84 Bảng 4. 5. Tham số thiết kế anten DSPD đơn sử dụng tại luận án (mm) ....... 87 Bảng 4. 6. Đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 khi thay đổi df................. 91 Bảng 4. 7. Băng thông tương ứng với các mức nén búp sóng phụ thứ nhất... 94 Bảng 4. 8. Kết quả đo thực nghiệm vị trí điểm không và mức búp sóng phụ 98 ix
Bảng 4. 9. So sánh anten mảng DSPD-1 với anten mảng Vivaldi tại Chương 3 và các nghiên cứu khác ................................................................................... 99 Bảng 4. 10. Bộ trọng số biên độ Chebyshev cho trường hợp SLL = -25 dB 101 Bảng 4. 11. Phân bố khoảng cách đáp ứng nén búp sóng phụ thứ nhất ....... 101 Bảng 4. 12. Tính toán các trở kháng của mạng tiếp điện (Ω) ....................... 102 Bảng 4. 13. Khoảng cách dri và bán kính ri để cân bằng pha (mm).............. 102 Bảng 4. 14. Kết quả mô phỏng các hệ số của lối ra mạng tiếp điện ............. 103 Bảng 4. 15. Kết quả mô phỏng mức búp sóng phụ và vị trí điểm không ..... 107 Bảng 4. 16. Đồ thị bức xạ của hai anten mảng DSPD tại tần số 3,5 GHz ....... 110 x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Trang Hình 1. 1. Mô tả mối quan hệ giữa đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính với hệ số mảng và đồ thị bức xạ của phần tử anten đơn ................................. 14 Hình 1. 2. Mô hình một anten mảng tuyến tính N phần tử ............................. 15 Hình 1. 3. Biểu diễn AF với trọng số biên độ phân bố đều và Chebyshev ..... 22 Hình 1. 4. Biểu diễn AF với trọng số biên độ phân bố đều và Taylor ............ 22 Hình 1. 5. Giải thuật chi tiết của thuật toán đàn Dơi ...................................... 30 Hình 1. 6. Đặt một điểm không tại góc 17o trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi ............................................................ 32 Hình 1. 7. Đặt hai điểm không tại góc 17o và 45o trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi .................................................. 32 Hình 1. 8. Đặt dãy điểm không từ góc 17o đến 45o trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi .................................................. 33 Hình 2. 1. Vị trí, vai trò của mạng tiếp điện trong anten mảng ...................... 36 Hình 2. 2. Cấu trúc mạng tiếp điện nối tiếp .................................................... 37 Hình 2. 3. Cấu trúc mạng tiếp điện song song ................................................ 38 Hình 2. 4. Đường truyền vi dải ....................................................................... 40 Hình 2. 5. Bộ phối hợp trở kháng một phần tư bước sóng ............................. 40 Hình 2. 6. Sự thay đổi của độ dài điện của đường truyền một phần tư bước sóng theo hệ số phản xạ гm ...................................................................................... 42 Hình 2. 7. Bộ chia công suất hình T................................................................ 42 Hình 2. 8. Bộ chia công suất hình T và mạch điện tương đương ................... 43 Hình 2. 9. Bộ chia công suất hình T có trở kháng lối ra chuẩn hóa................ 44 Hình 2. 10. Cấu trúc mạng tiếp điện nối tiếp có 2N lối ra được đề xuất ........ 45 Hình 2. 11. Tính toán phân bố công suất tại nút thứ i của mạng tiếp điện ..... 46 Hình 2. 12. Giải pháp cân bằng pha giữa các lối ra của mạng tiếp điện......... 48 Hình 2. 13. Quy trình thiết kế mạng tiếp điện ................................................ 52 xi
Hình 2. 14. Mạng tiếp điện 1 × 10 được thiết kế theo quy trình đã đề xuất ... 54 Hình 2. 15. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của mạng tiếp điện .......................... 54 Hình 2. 16. Phân bố pha nhận được từ kết quả mô phỏng .............................. 55 Hình 2. 17. Đáp ứng của hệ số mảng theo lý thuyết và theo mô phỏng ......... 55 Hình 3. 1. Quy trình thiết kế anten mảng tuyến tính tại luận án ..................... 60 Hình 3. 2. Mạng tiếp điện được đề xuất cho anten mảng Vivaldi .................. 62 Hình 3. 3. Đáp ứng của AF với trọng số biên độ lý thuyết và mô phỏng ....... 63 Hình 3. 4. Thiết kế phần tử anten Vivaldi đơn................................................ 64 Hình 3. 5. Mạch tương đương của anten Vivaldi đơn .................................... 64 Hình 3. 6. Kết quả mô phỏng thay đổi của S11 theo các tham số .................... 65 Hình 3. 7. Cấu trúc anten mảng Vivaldi được đề xuất.................................... 66 Hình 3. 8. Đồ thị bức xạ ba chiều của mảng 10 phần tử anten Vivaldi .......... 66 Hình 3. 9. Cấu trúc anten mảng Vivaldi và mặt phản xạ ................................ 67 Hình 3. 10. Anten mảng Vivaldi được thiết kế hoàn chỉnh ............................ 67 Hình 3. 11. Kết quả mô phỏng S11 của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df ... 68 Hình 3. 12. Kết quả mô phỏng tăng ích và mức búp sóng phụ cực đại của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df ........................................................................... 69 Hình 3. 13. Đồ thị bức xạ ba chiều của anten mảng Vivaldi khi thay đổi df .. 70 Hình 3. 14. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng Vivaldi khi df = 0,49λ0 71 Hình 3. 15. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng Vivaldi khi có sử dụng và không sử dụng mặt phản xạ............................................................... 72 Hình 3. 16. Kết quả mô phỏng tăng ích và hiệu suất bức xạ của mảng Vivaldi 72 Hình 3. 17. Hình ảnh anten mảng Vivaldi và mặt phản xạ đã được chế tạo .. 73 Hình 3. 18. Mô tả các mặt phẳng đo đạc đồ thị bức xạ thực nghiệm ............. 73 Hình 3. 19. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm hệ số S11 của anten mảng Vivaldi khi có mặt phản xạ ............................................................................. 74 Hình 3. 20. Kết quả đo đạc đồ thị bức xạ trong mặt phẳng xOz của anten mảng Vivaldi ............................................................................................................. 74 xii
Hình 3. 21. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của anten mảng Vivaldi tại tần số 3,5 GHz ..................................................................... 75 Hình 4. 1. Mạng tiếp điện đề xuất cho anten mảng DSPD-1 .......................... 83 Hình 4. 2. Đáp ứng của AF với trọng số biên độ mô phỏng và lý thuyết ....... 84 Hình 4. 3. Giải pháp điều chỉnh hướng các mặt phát xạ của DSPD ............... 86 Hình 4. 4. Thiết kế của anten DSPD đơn tối ưu được sử dụng tại luận án ..... 86 Hình 4. 5. Kết quả mô phỏng anten DSPD đề xuất và DSPD hình chữ nhật . 87 Hình 4. 6. Kết quả mô phỏng anten DSPD đơn .............................................. 88 Hình 4. 7. Mô phỏng anten mảng DSPD lý tưởng với các phân bố biên độ khác nhau......................................................................................................... 89 Hình 4. 8. Thiết kế anten mảng DSPD-1 với 10 phần tử ................................ 89 Hình 4. 9. Đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 khi không có mặt phản xạ . 90 Hình 4. 10. Cấu trúc anten mảng DSPD-1 và mặt phản xạ ............................ 90 Hình 4. 11. Thiết kế hoàn chỉnh của anten mảng DSPD-1 ............................. 91 Hình 4. 12. Sự thay đổi đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 khi thay đổi df ...... 92 Hình 4. 13. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của mảng DSPD-1 .......................... 92 Hình 4. 14. Kết quả mô phỏng tăng ích và hiệu suất bức xạ của mảng DSPD-1 93 Hình 4. 15. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ mảng DSPD-1 mặt phẳng xOz 94 Hình 4. 16. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 khi df = 0,15λ0 95 Hình 4. 17. Hình ảnh anten mảng DSPD-1 và mặt phản xạ được chế tạo...... 95 Hình 4. 18. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm hệ số S11 của anten mảng DSPD-1 ........................................................................................................... 96 Hình 4. 19. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 tại tần số 3,46 GHz ........................................................................... 97 Hình 4. 20. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 tại tần số 3,50 GHz ........................................................................... 97 Hình 4. 21. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đồ thị bức xạ của mảng DSPD-1 tại tần số 3,52 GHz ........................................................................... 98 Hình 4. 22. Mô tả anten mảng tuyến tính có N phần tử giãn cách bất kỳ..... 100 xiii
Hình 4. 23. Mạng tiếp điện đề xuất cho anten mảng DSPD-2...................... 102 Hình 4. 24. Đáp ứng của hàm AF với bộ trọng số mô phỏng và lý thuyết ... 103 Hình 4. 25. Thiết kế anten mảng DSPD-2 .................................................... 103 Hình 4. 26. Thiết kế hoàn chỉnh của anten mảng DSPD-2 ........................... 104 Hình 4. 27. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của anten mảng DSPD-2 .............. 105 Hình 4. 28. Kết quả mô phỏng tăng ích cực đại và hiệu suất bức xạ của anten mảng DSPD-2 ............................................................................................... 105 Hình 4. 29. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,48 GHz ............................................................................................. 106 Hình 4. 30. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,5 GHz ............................................................................................... 106 Hình 4. 31. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,52 GHz ............................................................................................. 107 Hình 4. 32. Kết quả mô phỏng tăng ích cực đại và hệ số S11 của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 .................................................................. 108 Hình 4. 33. Kết quả mô phỏng HPBW búp sóng chính của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 ................................................................................. 109 Hình 4. 34. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,5 GHz. ................................................................ 109 xiv
MỞ ĐẦU 1. Lí do lựa chọn đề tài nghiên cứu Nghiên cứu các anten mảng tuyến tính vi dải có mức búp sóng phụ thấp, tăng ích cao là hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm nhiều hiện nay nhằm đáp ứng các yêu cầu của lý thuyết và thực tiễn sử dụng. Thế kỷ XXI được dự báo là kỷ nguyên của thông tin vô tuyến, ngày càng có nhiều các công nghệ và ứng dụng vô tuyến điện được nghiên cứu, phát triển. Tuy nhiên, phổ tần số vô tuyến điện - yếu tố không thể thiếu đối với bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào lại là nguồn tài nguyên có hạn. Chính vì vậy, để tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần số, hiện nay các đoạn băng tần thường được xem xét phân bổ để dùng chung cho nhiều hệ thống thông tin vô tuyến khác nhau. Để tránh nhiễu có hại giữa các hệ thống vô tuyến này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) khuyến nghị nhiều giải pháp kỹ thuật để sử dụng chia sẻ băng tần như kỹ thuật cấp phép tần số chủ động (cấp theo thời gian, khu vực, nhu cầu sử dụng), giải pháp thiết lập các điều kiện phát sóng để tối ưu vùng phủ sóng [1]. Trong số các giải pháp đó, sử dụng các anten mảng có điều khiển búp sóng, tạo các hướng (điểm) không trên đồ thị bức xạ để tránh nhiễu đường truyền vô tuyến là một giải pháp hiệu quả và thuận tiện. Các hệ thống như ra- đa hay hệ thống thu kiểm soát tần số thường sử dụng anten mảng tích cực với mạng tiếp điện chủ động để điều khiển các điểm không theo thời gian thực. Các hệ thống này khá phức tạp và chi phí triển khai, vận hành cao, phù hợp với các hệ thống lớn có yêu cầu về điều khiển búp sóng thích nghi theo môi trường và thời gian thực. Trong các kịch bản đơn giản hơn, khi yêu cầu về búp sóng phụ là xác định trước và không thay đổi theo thời gian như đối với các trạm thu, phát sóng cố định thì các anten mảng thụ động (mảng cố định) là một giải pháp thích hợp hơn do có chi phí thấp và đơn giản. Vì vậy, việc lựa chọn nghiên cứu 1
thiết kế các anten mảng tuyến tính vẫn có tính cần thiết và khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn. Khác với anten mảng tích cực, anten mảng tuyến tính cố định sử dụng các mạng tiếp điện thụ động được thiết kế với các phân bố nguồn xác định trước để đáp ứng được yêu cầu về điều khiển đồ thị bức xạ. Do vậy, việc nghiên cứu, thiết kế mạng tiếp điện có vai trò quan trọng khi phát triển anten mảng tuyến tính cố định. Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu phương pháp thiết kế các mạng tiếp điện cho anten mảng cố định có điều khiển búp sóng còn hạn chế, chủ yếu mới là các đề xuất cho từng trường hợp bài toán cụ thể mà chưa có nhiều công bố về giải pháp tổng thể để thiết kế mạng tiếp điện này nhằm đáp ứng yêu cầu đa dạng của bài toán điều khiển đồ thị bức xạ trong thực tiễn. Trong các dạng anten mảng tuyến tính, anten sử dụng công nghệ vi dải đang là đối tượng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến như ra-đa dân sự và quân sự, truyền dẫn cố định, thông tin di động băng thông rộng (trạm gốc và các thiết bị đầu cuối),... Anten mảng tuyến tính vi dải có lợi thế là dễ tích hợp cùng với mạng tiếp điện và các thành phần khác trên cùng một bo mạch giúp tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm kích thước của thiết bị. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của mảng anten dạng này là thường có mức búp sóng phụ cao. Đây là vấn đề vẫn đang thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, ứng dụng anten mảng tuyến tính. Ứng dụng thuật toán đàn Dơi trong nghiên cứu, thiết kế các anten mảng tuyến tính vi dải đáp ứng yêu cầu về giảm mức búp sóng phụ là một hướng nghiên cứu còn mới mẻ và tiềm năng. Thuật toán đàn Dơi là một thuật toán tối ưu lấy cảm hứng từ tự nhiên được đề xuất cho kỹ thuật điều khiển búp sóng của anten mảng tuyến tính 2
từ năm 2014. Thuật toán đàn Dơi đã được chứng tỏ tính chính xác và hiệu quả cao hơn so với một số thuật toán tối ưu truyền thống đã phổ biến như thuật toán GA và PSO. Tại Việt Nam, thuật toán đàn Dơi đã được ứng dụng để đề xuất về mặt lý thuyết cho hệ điều khiển búp sóng trong các hệ thống anten mảng tuyến tính. Tuy vậy, điểm hạn chế chung trong các nghiên cứu về thuật toán đàn Dơi và thuật toán GA, PSO là việc sử dụng thuật toán này vào thiết kế anten mảng tuyến tính ít được đề cập, cần thiết có thêm các nghiên cứu áp dụng thuật toán vào anten mảng cụ thể để đánh giá khả năng đáp ứng của nó trong thực tế. Xuất phát từ thực tiễn nghiên cứu và phân tích đánh giá ở trên, luận án lựa chọn nội dung nghiên cứu là giải pháp thiết kế mạng tiếp điện vi dải, anten mảng vi dải tuyến tính có tăng ích cao, đáp ứng yêu cầu về nén mức búp sóng phụ trên cơ sở ứng dụng thuật toán đàn Dơi. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu và làm chủ thuật toán đàn Dơi. Đề xuất được giải pháp áp dụng thuật toán này trong bài toán thiết kế anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu cho trước về mức búp sóng phụ. Nghiên cứu đề xuất được giải pháp ứng dụng thuật toán đàn Dơi để thiết kế mạng tiếp điện sử dụng cho các anten mảng tuyến tính. Nghiên cứu đề xuất được giải pháp thiết kế anten mảng tuyến tính có tăng ích cao, mức búp sóng phụ thấp và nén mức búp sóng phụ sử dụng thuật toán đàn Dơi. Đối tượng nghiên cứu: Thuật toán tối ưu đàn Dơi và ứng dụng trong bài toán tối ưu hệ số mảng của anten mảng tuyến tính. 3
Anten vi dải và anten mảng tuyến tính vi dải, phương pháp nén mức búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính, phương pháp đặt điểm không trên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính. Các bộ chia công suất vi dải một (01) lối vào và 2N lối ra không cân bằng để ứng dụng thiết kế anten mảng tuyến tính có điều khiển mức búp sóng phụ. Phạm vi nghiên cứu: Mạng tiếp điện vi dải và anten vi dải, anten mảng tuyến tính. Các phương pháp tổng hợp đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính dựa trên kỹ thuật tối ưu trọng số biên độ và tối ưu khoảng cách giữa các phần tử của anten mảng. Thuật toán tối ưu lấy cảm hứng từ tự nhiên, trọng tâm là thuật toán đàn Dơi. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: Tổng hợp và phân tích hiện trạng nghiên cứu đã có để định hướng nội dung tập trung nghiên cứu có khả năng mang lại những đóng góp khoa học mới. Trên cơ sở tính toán lý thuyết, sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế, mô phỏng và tối ưu các cấu trúc được đề xuất. Chế tạo mẫu, đo đạc thử nghiệm để đánh giá sự phù hợp với các tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng, đồng thời so sánh với các kết quả đạt được từ các nghiên cứu đã được công bố khác trong và ngoài nước. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đề xuất được giải pháp thiết kế mạng tiếp điện vi dải có một lối vào và 2N lối ra đối xứng; đề xuất giải pháp phát triển các anten mảng 4
tuyến tính vi dải có tăng ích cao, mức búp sóng phụ thấp trên cơ sở sử dụng thuật toán tối ưu đàn Dơi. Kết quả nghiên cứu này có thể làm cơ sở để phát triển giải pháp thiết kế các mạng tiếp điện và anten mảng tuyến tính vi dải có tăng ích cao với yêu cầu bất kỳ cho trước về mức búp sóng phụ thấp, có thể mở rộng áp dụng cho các thuật toán tối ưu khác. Sản phẩm được thiết kế, chế tạo trong luận án có thể ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống viễn thông hoạt động trong băng tần 3,5 GHz nhằm giải quyết vấn đề giảm nhiễu có hại trong các kịch bản dùng chung tần số để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số vô tuyến điện. 5. Cấu trúc, nội dung trình bày tại luận án Nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về anten mảng tuyến tính; phương pháp điều khiển búp sóng phụ trong thiết kế anten mảng tuyến tính; tổng quan về thuật toán đàn Dơi và ứng dụng nó để tổng hợp hệ số mảng của anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu cho trước về nén mức búp sóng phụ. Chương 2: Trình bày tổng quan về mạng tiếp điện vi dải và đề xuất giải pháp phát triển mạng tiếp điện vi dải nối tiếp có một lối vào và 2N lối ra để ứng dụng cho anten mảng đáp ứng yêu cầu cho trước về nén mức búp sóng phụ. Chương 3: Trình bày giải pháp phát triển một anten mảng tuyến tính Vivaldi 10 phần tử có mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao. Chương 4: Trình bày giải pháp phát triển một anten mảng tuyến tính DSPD 10 phần tử có tăng ích cao và đáp ứng yêu cầu nén riêng búp sóng phụ thứ nhất. 6. Các đóng góp mới của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trên 06 công trình khoa học có liên quan trực tiếp. Trong đó, 02 tạp chí chuyên ngành (01 công bố quốc tế 5