intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu các phương pháp làm giảm sự tương hỗ giữa các phần tử trong dàn cũng như trong các hệ thống đa anten

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

10
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu các phương pháp làm giảm sự tương hỗ giữa các phần tử trong dàn cũng như trong các hệ thống đa anten" gồm 4 chương trình bày ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong anten dàn, các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten, lý thuyết siêu vật liệu, thiết kế anten sử dụng cấu trúc siêu vật liệu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu các phương pháp làm giảm sự tương hỗ giữa các phần tử trong dàn cũng như trong các hệ thống đa anten

  1. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại bùng nổ thông tin, nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng cao. Do đó, việc sử dụng các hệ thống thu phát vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin một cách nhanh chóng và chính xác. Các hệ thống MIMO (Multiple Input - Multiple Output) cũng đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu trên. Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO đó là việc cải thiện đáng kể dung lượng và tốc độ dữ liệu của hệ thống. Tuy nhiên, do các phần tử được đặt gần nhau nên xảy ra sự tương hộ giữa các phần tử. Tương hỗ đã làm giảm hiệu suất hệ thống một cách đáng kể. Việc này gây ra sự lãng phí công suất và gây nhiễu, ảnh hưởng xấu tới hệ thống. Do đó, tương hỗ là vấn đề quan trọng trong hệ thống đa anten. Siêu vật liệu (metamaterial) có những đặc tính khác biệt so với các vật liệu thông thường. Do đó, việc áp dụng cấu trúc siêu vật liệu là một hướng đi mới và có thể giải quyết được vấn đề trên. Với lý do như vậy, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu các phương pháp làm giảm sự tương hỗ giữa các phần tử trong dàn cũng như trong các hệ thống đa anten làm luận văn của mình. Luận văn trình bày phương pháp giảm thiểu sự tương hỗ bằng cấu trúc siêu vật liệu. Mặc dù, tôi đã rất cố gắng để hoàn thành Luận văn một cách tốt nhất, tuy nhiên chắc chắn vẫn không tránh khói sai sót. Do đó, tôi mong nhận được các ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo và các bạn để Luận văn có thể hoàn thiện hơn. Trong quá trình thực hiện, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của những người xung quanh. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Vũ Văn Yêm - người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn tới anh NCS Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã nhiệt tình giải đáp cho tôi trong quá trình làm luận văn. Cảm ơn anh Võ Xung Hà - Phòng anten - Viện Radar - Viện KHCN Quân sự đã giúp đỡ tôi trong quá trình thiết kế anten Nguyễn Ngọc Lan - 12BKTTT1 - ĐHBKHN 1
  2. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm cũng như đo kiểm. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã động viên và luôn đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, tháng năm 2014 Học viên thực hiện Nguyễn Ngọc Lan Nguyễn Ngọc Lan - 12BKTTT1 - ĐHBKHN 2
  3. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong những năm gần đây, các hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output) ngày các nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Rõ ràng là, hệ thống MIMO cho phép cải thiện tốc độ dữ liệu, phân tập, dung lượng kênh tốt hơn so với hệ thống SISO (Single Input Single Output). Tuy nhiên, vấn đề đối với hệ thống MIMO cũng như các anten dàn đó là tương hỗ. Tương hỗ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất, đồ thị bức xạ, dung lượng kênh, ước lượng kênh, v.v… của hệ thống. Hiện nay, có nhiều phương pháp để giảm thiểu như việc sử dụng ma trận bù hay dùng phương pháp xử lý tín hiệu. Ngoài ra, chúng ta có thể thiết kế phần cứng như thiết kế slot hay lập dải phân cách để giảm tương hỗ. Tuy nhiên, cách tốt nhất và triệt để hơn cả là thiết kế anten bằng việc sử dụng cấu trúc siêu vật liệu, và đây chính là mục đích của Luận văn này. Hiệu quả của phương pháp này được kiểm chứng bằng kết quả thực hiện (mô phỏng và đo lường) đối với anten vi dải hai phần tử hoạt động trong băng tần 5.8 GHz. Anten được thiết kế bằng phần mềm CST Microwave Studio 2011. Nguyễn Ngọc Lan - 12BKTTT1 - ĐHBKHN 3
  4. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm ABSTRACT In recent years, MIMO (Multi Input Multi Output) systems is more attention from researchers. It is clear that, the MIMO allow improved data rate, diversity, channel capacity better than single input and single output (SISO) systems. However, the problem for MIMO systems and array antenna is mutual coupling. The mutual coupling significantly affects be systems, such as: performance, radiation pattern, channel capacity, channel estimation, … of the system. Currently, there are many methods to mutual coupling reduction, such as compensation matrix or signal processing method. In addition, we can design hardware such as slot design or separator between antenna elements to mutual coupling reduction. However, the best method to mutual coupling reduction is antenna design by using metamaterial structure, and this is the purpose of this thesis. The effectiveness of this method are tested (simulation and measurement) in array antenna of two antenna elements which operate in frequency of 5.8 GHz. The antenna is designed by CST Microwave Studio 2011 software. Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 4
  5. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm MỤC LỤC MỤC LỤC .......................................................................................................................5 CHƯƠNG I: ẢNH HƯỞNG TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG ANTEN DÀN ................................................................................................................11 1.1 Mô hình hệ thống MIMO................................................................................13 1.2 Lý thuyết anten dàn (antenna array) ..............................................................14 1.2.1 Trường xa của anten dàn...........................................................................14 1.2.2 Các mảng đồng nhất..................................................................................16 1.3 Ảnh hưởng tương hỗ lên hệ thống .................................................................18 1.3.1 Ảnh hưởng tương hỗ lên hiệu suất của hệ thống .......................................18 1.3.2 Ảnh hưởng tương hỗ lên dung lượng kênh, ước lượng kênh và BER........21 1.4 Tổng kết chương ...............................................................................................25 CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN...............26 2.1 Khái niệm cơ bản.............................................................................................26 2.1.1 Tiêu chuẩn Fano-Bode cho đáp ứng thông dải .........................................26 2.1.2 Tiêu chuẩn Fano-Bode cho đáp ứng thông cao.........................................28 2.1.3 Tiêu chuẩn Chu..........................................................................................30 2.2 Kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten ..............................................................32 2.2.1 Hệ số giảm nhỏ kích thước ........................................................................32 2.2.2 Kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten..........................................................33 2.2.2.1 Giảm nhỏ kích thước anten bằng cách tăng tụ song song (shunt Capacitance)...........................................................................................................33 2.2.2.2 Giảm nhỏ kích thước anten bằng cách tăng cuộn cảm nối tiếp ATL (series inductance)..................................................................................................34 2.2.2.3 Giảm nhỏ kích thước anten bằng cách sử dụng vật liệu có hằng số điện môi cao ................................................................................................................36 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 5
  6. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm 2.2.2.4 Giảm nhỏ kích thước anten bằng cấu trúc siêu vật liệu.........................37 2.3 Tổng kết chương ..............................................................................................39 CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT SIÊU VẬT LIỆU .......................................................40 3.1 Khái niệm ............................................................................................................40 3.2 Đặc điểm của siêu vật liệu ..................................................................................41 3.3 Phương trình Maxwell cho LHM.......................................................................44 3.4 Một số tính chất của siêu vật liệu.......................................................................49 3.4.1 Điều kiện Entropy.............................................................................................49 3.4.2 Điều kiện biên...................................................................................................49 3.4.3 Đảo ngược hiệu ứng Doppler...........................................................................52 3.4.4 Các hệ số Fresnel .............................................................................................53 3.4.5 Đảo ngược định luật Snell: khúc xạ âm ...........................................................55 3.5 Lý thuyết đường truyền siêu vật liệu..................................................................58 3.5.1 Các đặc tính cơ bản của đường truyền ............................................................58 3.5.2 Cấu trúc CRLH cân bằng và không cân bằng..................................................61 3.5.3 Đường truyền CRLH lý tưởng ..........................................................................64 3.6 Tổng kết chương .................................................................................................64 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ ANTEN SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU ...66 4.1 Tổng quan về anten vi dải ...............................................................................66 4.1.1 Định nghĩa anten vi dải ..............................................................................66 4.1.2 Ưu và nhược điểm của anten vi dải...........................................................67 4.1.3 Nguyên lý bức xạ........................................................................................68 4.2 Phân tích và thiết kế anten siêu vật liệu .........................................................69 4.2.1 Phân tích cấu trúc CRLH ............................................................................69 4.2.2 Thiết kế anten siêu vật liệu ........................................................................69 4.3 Các kết quả mô phỏng và đo lường ................Error! Bookmark not defined. 4.4 Tổng kết chương ..............................................................................................82 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 6
  7. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................84 PHỤ LỤC …………………………………………………………………………….86 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 7
  8. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm DANH MỤC HÌNH Hình 1.1.1 Mô hình hệ thống MIMO...................................................................13 Hình 1.2.1.1 Một mảng anten bất kì ....................................................................14 Hình 1.2.2.1 Hệ số mảng và đồ thị góc của 8 phần tử đồng nhất. .......................17 Hình 1.3.1.1 Tổn hao công suất do tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực λ/2 với Z load = Z *s .........................................................................................................................20 Hình 1.3.1.2 Trở kháng tương hỗ giữa hai anten theo khoảng cách....................20 Hình 1.3.2.1 Dung lượng kênh với khoảng cách anten phát (kênh MIMO 4 x 4, SNR = 20dB)...................................................................................................................23 Hình 1.3.2.2 Dung lượng kênh với khoảng cách anten thu (kênh MIMO 4 x 4, SNR = 20dB)...................................................................................................................23 Hình 1.3.2.3 Lỗi ước lượng dung lượng kênh MMSE MSE 4 x 4 có ảnh hưởng tương hỗ với SNR ...........................................................................................................24 Hình 1.3.2.4 Hiệu suất MMSE MSE 4 x 4 có ảnh hưởng tương hỗ với SNR.....24 Hình 1.3.2.5 BER tại khoảng cách anten 0.1λ và 0.5λ ........................................25 Hình 2.1.1.1Đáp ứng thông dải với hệ số phản xạ theo tiêu chuẩn Fano-Bode ..27 Hình 2.1.2.1 Hệ số phản xạ trong băng Г0 với kích thước cắt (cutoff size) ωc a ( ka = ) hoặc tần số cắt. Kích thước cắt là nhỏ kích thước anten nhỏ nhất mà c Γ ≤ Γ 0 ...........................................................................................................................29 Hình 2.1.2.2 Tần số cắt đạt được nhỏ nhất với Q cực tiểu theo độ lợi ...............30 Hình 2.2.1.1 Các kết quả lý tưởng của giảm nhỏ anten. (a) Giảm nhỏ của anten băng hẹp (b) Giảm nhỏ anten băng rộng.........................................................................33 Hình 2.2.2.1.1Giảm nhỏ kích thước anten bằng cách tăng tụ song song thông qua việc sử dụng lớp điện môi ........................................................................................34 Hình 2.2.2.1.2 So sánh hiệu suất độ lợi với việc giảm nhỏ khi μr = 1 và μr ≠ 1..34 Hình 2.2.2.2.1 Giảm nhỏ anten patch qua ATL bằng cách sử dụng các khe dẫn 35 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 8
  9. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm Hình 2.2.2.3.1 Giảm nhỏ kích thước anten bằng việc sử dụng vật liệu có hằng số điện môi cao. (a): μ = 1, εr > 2.54, (b): εr = μr = 1.74 .....................................................36 Hình 2.2.2.4.1 Cấu trúc cell đơn vị hình nấm......................................................38 Hình 2.2.2.4.2 Mô hình anten sử dụng cấu trúc CRLH .......................................38 Hình 3.1.1 Sơ đồ vector Poynting của sóng điện từ (bên trái: vật liệu thông thường (RHM), bên phải: siêu vật liệu (LHM)) .............................................................40 Hình 3.2.1 Phân loại vật liệu................................................................................41 Hình 3.2.2 Cấu trúc của vật liệu “meta thin-wire” ..............................................42 Hình 3.2.3 Vật liệu có cấu trúc split-ring resonator.............................................43 Hình 3.2.4 Cấu trúc LH, kết hợp của TWs và SRRs: (a): cấu trúc LH một chiều; (b): cấu trúc LH hai chiều ..............................................................................................44 r r r Hình 3.3.1 Biểu diễn trường điện, trường từ, vector sóng ( E , B, H ) và vector r Poynting S . (a): RHM với ε, μ > 0; (b): LHM với ε, μ < 0 ............................................47 Hình 3.3.2: Biểu diễn vector Poynting và vector sóng: (a) vật liệu thông thường (RHM); (b) siêu vật liệu (LHM) ......................................................................................49 Hình 3.4.2.1Các điều kiện biên tại bề mặt giữa hai môi trường RH và LH .......50 Hình 3.4.3.1: Hiệu ứng Doppler: (a) trong môi trường RH ( Δω > 0 ); (b) trong môi trường LH ................................................................................................................52 Hình 3.4.4.1 Sự khúc xạ của sóng điện từ tại mặt phân cách giữa hai môi trường: (a): hai môi trường giống nhau (cùng là RH hoặc cùng là LH); (b): hai môi trường khác nhau: một trong hai môi trường là RH hoặc LH) .......................................54 Hình 3.4.4.2 Hiệu ứng gấp đôi trong “thấu kính phẳng”, môi trường LH với độ dày d và chỉ số khúc xạ nL kẹp giữa hai môi trường RH với chỉ số khúc xạ nR; n L = -nR41 ..............................................................................................................................55 Hình 3.4.5.1 Minh họa sóng đến, sóng phản xạ, sóng khúc xạ tại biên giữa hai môi trường.......................................................................................................................56 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 9
  10. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm Hình 3.4.5.2 Khúc xạ sóng điện từ tại bề mặt giữa hai môi trường: (a): hai môi trường giống nhau (cùng là RH hoặc cùng là LH); (b): hai môi trường khác nhau (một môi trường là RH, một môi trường là LH)......................................................................58 Hình 3.5.1.1Mô hình mạch tương đương cho CRLH TL ....................................59 Hình 3.5.2.1: Trở kháng đặc tính của CRLH TL khi ω sh < ωse............................62 Hình 3.5.3.1: Minh họa đường truyền lý tưởng ...................................................64 Hình 4.1.1.1 Cấu tạo của một anten vi dải...........................................................67 Hình 4.1.3.1 Phân bố điện tích và mật độ dòng của anten vi dải.........................68 Hình 4.1.3.2 Vùng biên........................................................................................68 Hình 4.2.2.1: Mô hình của anten..........................................................................70 Hình 4.2.2.2: Sơ đồ mạch tương đương của anten...............................................70 Hình 4.2.2.3: Quy trình thiết kế anten vi dải cấp nguồn dạng khe ......................71 Hình 4.2.2.4 Sơ đồ tương đương của chấn tử patch ............................................72 Hình 4.3.1 Mô hình anten thiết kế .......................................................................74 Hình 4.3.2 (a) Return Loss (S11) của anten thứ nhất (b) Return Loss (S22) của anten thứ hai .............................................................................................................. 75-76 Hình 4.3.3 Đồ thị Smith về sự phối hợp trở kháng của anten..............................77 Hình 4.3.4 (a) Hệ số S21 của anten (b) Hệ số S12 của anten ..............................78 Hình 4.3.5 (a) Gain của anten thứ nhất (b) Gain của anten thứ hai .............. 79-80 Hình 4.3.6 (a) Tỉ số sóng đứng (SWR) của anten thứ nhất (b) Tỉ số sóng đứng (SWR) của anten thứ hai ........................................................................................... 80-81 Hình 4.3.7 Mô hình thực tế của anten..................................................................82 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 10
  11. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.2.2.3.1: Các tham số mô phỏng của anten cơ bản với độ rộng slot, hằng số điện môi cao và Magneto-Dielectric ..........................................................................37 Bảng 3.2.2.4.1: Kích thước anten ........................................................................39 Bảng 4.2.2.1 : Kích thước vật lý của anten..........................................................74 Bảng 4.3.1: Kết quả đo dạng text của S11........................................................... 75 Bảng 4.3.2: Kết quả đo dạng text của S22........................................................... 76 Bảng 4.3.3 : Kết quả đo dạng text của S12 và S21..............................................79 Bảng 4.3.4 : Kết quả đo dạng text của SWR1 và SWR2..................................... 81 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 11
  12. Luận văn cao học GVHD: PGS. TS Vũ Văn Yêm CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên thuật ngữ đầy đủ Ý nghĩa MIMO Miltiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm EMF Electromagnetic Field Trường điện từ PAS Power Azimuth Spectrum Năng lượng phổ góc phương vị AOA Angle of Arrival Góc đến MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương tối thiểu MSE Mean Square Error Sai số trung bình bình phương MTM Metamaterial Siêu vật liệu LHM Left Handed Material Vật liệu bàn tay trái RHM Right Handed Material Vật liệu bàn tay phải SAR Specific Absorption Rate Tỉ số mức hấp thụ riêng SRR Split-Ring Resonator Vòng chia cộng hưởng có khe TW Thin-wire Dây dẫn mỏng TEM Transverse Electromagnetic Sóng điện từ ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TE Transverse Electric Điện trường ngang NRI Negative Refractive Index Chỉ số khúc xạ âm CRLH Composite Right/Left handed Đường truyền kết hợp trái và phải TL Transmission Line Đường truyền FBW Fractional Bandwidth Băng thông PEC Perfect Electrical Conductor Vật dẫn điện hoàn hảo ATL Artificial Transmission Line Đường truyền nhân tạo CSRR Complementary Split-Ring Vòng chia cộng hưởng có khe bổ sung Resonator DSRC Dedicated Short-Range Thông tin dải ngắn đến trung bình Communication SWR Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 12
  13. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ CHƯƠNG I: ẢNH HƯỞNG TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG ANTEN DÀN 1.1 Mô hình hệ thống MIMO Chúng ta giả sử rằng có N T anten phát và NR anten thu và các kênh fading phẳng như hình 1.1.1. Ở đây, tín hiệu lối vào là x và lối ra của kênh là y. Khi đó, chúng ta có quan hệ sau: y = Hx + n (1.1.1) Trong đó H là ma trận kênh NT x MR và n là tạp âm Gauss AWGN. Ma trận H có thể được biểu diễn như sau: Hình 1.1.1: Mô hình hệ thống MIMO [1] h11 h12 L h1NT ⎤ ⎢⎡ ⎥ h21 h22 L h2 NT ⎥ H =⎢ (1.1.2) ⎢ M L L L ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ hN R 1 hN R 2 L hN R NT ⎥⎦ Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 13
  14. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ Và dung lượng kênh được cho bởi ⎡ ⎛ γ ⎤ ⎞ C (γ , H ) = log2 ⎢ det ⎜I + HH H ⎥ ⎟ (1.1.3) ⎣ ⎝ Nt ⎠ ⎦ Trong đó, I là ma trận đơn vị, γ là tỉ số SNR trung bình trên anten thu và chỉ số mũ H là toán tử Hermitian [1]. 1.2 Lý thuyết anten dàn (antenna array) 1.2.1 Trường xa của anten dàn Cho một anten mảng tùy ý như hình 1.2.1.1. Giả sử điểm quan sát ở vô cực. Trong đó, ρ 1, ρ2, …, ρi, ρN là các vector vị trí của các phần tử anten; r1, r2, …, r i, rN là khoảng cách từ các phần tử anten tới điểm quan sát; r0 là khoảng cách từ gốc tọa độ cho tới điểm quan sát [2]. Hình 1.2.1.1: Một mảng anten bất kì [2] Khi đó, tổng của các trường xa E được bức xạ từ mảng là: N E = ∑ Ei (1.2.1.1) i= 1 Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 14
  15. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ Trong đó Ei là trường xa của anten thứ i được cho bởi: Ei = ⎡⎣ aˆθ fθi (θ ,φ ) + aˆφ fφi (θ ,φ )⎤⎦ wi Ki e − j kr i (1.2.1.2) fθ i (θ , φ ) : thành phần θ của đồ thị bức xạ fφi (θ , φ ) : thành phần φ của đồ thị bức xạ wi : hệ số trọng số của nguồn bức xạ Ki : hằng số có tính đến suy hao Chúng ta cần chú ý rằng fθ i (θ , φ) và f φi (θ , φ ) thu được với phần tử anten thứ i (cho tất cả các i) ở vị trí gốc tọa độ [2] Với các phần tử anten như nhau nên đồ thị bức xạ thành phần là như nhau và độc lập với i. Do đó: N E = ⎡⎣ aˆθ , fθ (θ ,φ ) + aˆφ , fφ (θ ,φ )⎤⎦ ∑ wi Ki e − jk i (1.2.1.3) i =1 Hơn nữa, chúng ta giả sử rằng Ki hằng số xấp xỉ đó là K1 = K2 = L K N = K (1.2.1.4) Chúng ta có thể viết: ri = r0 − Δr = r0 − ρ i ⋅aˆ r (θ ,φ ) (1.2.1.5) Khi đó N E = Ke− jkr ⎡⎣ aˆθ fθ (θ , φ ) + aˆφ fφ (θ , φ )⎤⎦ ∑ wie jk ρ ⋅a ( θ ,φ) 0 i ˆr i =1 (1.2.1.6) = Ke − jkr0 ⎡⎣ aˆθ fθ (θ ,φ ) + aˆφ f φ (θ ,φ )⎤⎦ farray (θ ,φ ) Kết quả trong phương trình (1.2.1.6) còn được biết đến cái tên “Pattern of Multiplication”, trong đó nói rằng đồ thị mảng (array pattern) là tích của đồ thị phần tử anten với hệ số mảng farray ( θ , φ) . Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 15
  16. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ 1.2.2 Các mảng đồng nhất Để đơn giản, chúng ta xét mảng một chiều là mảng đồng nhất có trọng số bằng nhau. Cho một mảng gồm N phần tử ở các vị trí xn = nd với n = 0, 1, … N – 1, chúng ta định nghĩa [3]: 1 a = [a0 , a1, K , aN −1 ] = [1,1K 1 ] (1.2.2.1) N Đa thức mảng tương ứng với hệ số mảng là: 1 1 z N −1 A( z ) = ⎡⎣1 + z + z 2 + L + z N −1 ⎤⎦ = N N z −1 (1.2.2.2) 1 ⎡ 1 e jNψ −1 A (ψ ) = ⎣1 + e + e + L + e jψ 2ψ j ( N −1) jψ ⎤ ⎦ = N e Nψ −1 N ở đây z = e jψ và ψ = kd cos φ cho một mảng dọc theo trục x và nhìn về hướng mặt phẳng xy. Chúng ta cũng có thể viết A (ψ ) theo dạng [3]: ⎛Nψ ⎞ sin ⎜ ⎟ A (ψ ) = ⎝2 ⎠ e j ( N −1)ψ / 2 ⎛ψ ⎞ (1.2.2.3) N sin ⎜ ⎟ ⎝2 ⎠ Hệ số mảng đã được chuẩn hóa để có độ lợi thống nhất tại dc, đó là tại số lượng sóng ψ = 0 hoặc tại góc phương vị φ = 90o . Độ lợi công suất chuẩn hóa của mảng sẽ là: 2 2 sin ( Nψ / 2 ) sin ( Nkd / 2 ) cos φ g (φ ) = A (ψ ) 2 = = (1.2.2.4) N sin (ψ / 2) N sin (kd / 2 ) cos φ Hình 1.2.2.1 hiển thị A (ψ ) trong vùng nhìn thấy cho mảng 8 phần tử với các khoảng cách d = 0.25λ, d = 0.5λ và d = λ. Hai tính chất quan trọng nhất của mảng tuyến tính là độ rộng chùm 3dB Δψ 3dB hay Δϕ 3dB trong không gian góc (angle-space) và mức thùy bên (sidelobe) Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 16
  17. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ R. Những thông số này được hiển thị trong hình 1.2.2.1 cho 8 phần tử mảng đồng nhất với d = 0.5λ. Đối với N > khoảng 5 – 6, mức thùy bên trở thành độc lập với N và có giá trị giới hạn R = 13 dB. Tương tự, độ rộng chùm trong không gian ψ được định nghĩa là toàn bộ chiều rộng của thùy chính tại mức nửa công suất có dạng: 2π Δψ 3 dB = 0.886 (1.2.2.5) N Hình 1.2.2.1: Hệ số mảng và đồ thị góc của 8 phần tử đồng nhất [3] Độ rộng 3dB Δ 3dB trong không gian góc có thể thu được bằng cách vi phân phương trình ψ = kd cos φ , đó là dψ = ∂ψ / ∂φ dφ = − kd sin φ d φ . Việc ước lượng ( ) ( ) đạo hàm tại broadside ( φ = 90o ) và giả thiết rằng búp chính hẹp, ta có: Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 17
  18. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ ∂ψ Δψ 3dB = Δφ3dB = kd Δφ3 dB (1.2.2.6) ∂φ Giải cho Δφ3dB , ta thu được Δφ3 dB = Δψ 3 dB / ( kd ) = 0.886 ( 2π / N ) / ( 2π d / λ ) hoặc: λ Δφ3dB = 0.886 (1.2.2.7) Nd Nhìn vào biểu thức trên, ta thấy độ rộng chùm (beamwidth) thùy chính hẹp hơn khi N tăng, trong khi mức thùy bên tương ứng vẫn giữ nguyên. Để các mức thùy bên tốt hơn (thấp hơn), chúng ta phải sử dụng các trọng số không đồng nhất. 1.3 Ảnh hưởng tương hỗ lên hệ thống 1.3.1 Ảnh hưởng tương hỗ lên hiệu suất của hệ thống Xét hai anten lưỡng cực với các tham số sau: λ: bước sóng của tín hiệu, λ = c/f l: chiều dài của anten lưỡng cực D: khoảng cách giữa hai anten, D = d/λ Z S = Rs + jX S: trở kháng của anten Z m = Rm + jXm : trở kháng tương hỗ giữa các anten Z load = R load + jXload : trở kháng tải của các anten Ảnh hưởng của việc tương hỗ có thể được mô hình hóa theo ma trận sau [4]: −1 ⎡Z + Z s Zm ⎤ H C ,Zload = C p HU ,Zload = ( Zload + Zs ) ⎢ load ⎥ HU ,Zload (1.3.1.1) ⎣ Zm Z load + Z s ⎦ ở đây, H C , Zload và H U ,Zload là các ma trận kênh tương hỗ và không tương hỗ với trở kháng tải Zload, Cp là ma trận tương hỗ. Ở đây, chúng ta giả sử rằng trở kháng tải được phối hợp với trở kháng nguồn của anten, có nghĩa là Zload = Z s* . Trở kháng tương hỗ Z m là hàm của chiều dài lưỡng cực l, khoảng cách anten D và cấu hình vị trí anten. Trở kháng Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 18
  19. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ tương hỗ có thể được tính bằng cách phương pháp trường điện từ (EMF). Với trường hợp đặc biệt d = 0, hai anten trở thành một. Trong trường hợp này, trở kháng tương hỗ bằng với trở kháng nguồn của anten, nghĩa là Z m = Zs. Nếu ta có thể mô hình hóa việc tương quan từ môi trường và ảnh hưởng tương hỗ độc lập thì ma trận tương quan phát và ma trận tương quan thu có thể viết như sau R tx = C tx AtxC txH (1.3.1.2) R rx = C rx ArxC rxH C tx và Crx là các ma trận tương quan cho các anten phát và anten thu, Atx và Arx là các ma trận tương quan của các anten phát và thu từ PAS (Power Azimuth Spectrum). Với AOA phân bố đều, chúng ta có a i,j(d) = J 0(2πD). Từ (1.3.1.2), chúng ta có thể viết ma trận tương quan phát cho hệ thống 2 anten phát như sau [4]: ⎡ Ctx,1,1 Ctx,1,2 ⎤ ⎡ 1 J 0 ( 2π D )⎤ ⎡ Ctx* ,1,1 Ctx* ,2,1 ⎤ Rtx = ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ * ⎥ ⎣ Ctx,2,1 Ctx,2,2 ⎦ ⎣ J 0 ( 2π D ) 1 ⎦ ⎣ Ctx,1,2 Ctx* ,2,2 ⎦ (1.3.1.3) ⎡ 1 ρ%tx ,1,2 ⎤ = Ptx ⎢ ⎣ ρ%tx ,2,1 1 ⎥⎦ Trong đó, Ptx là công suất tổn hao do tương hỗ và ρ%i , j là các hệ số tương quan kết hợp do môi trường truyền sóng và tương hỗ. Điều này cũng được áp dụng tương tự cho ma trận tương quan thu R rx. Công suất tổn hao là một hàm của khoảng cách anten cho hệ thống 2 anten được hiển thị trong hình 1.3.1.1. Ở đây, chúng ta giả sử rằng hai anten lưỡng cực với chiều dài 0.5λ. Với anten như vậy, trở kháng bản thân của anten là Zs = (73 + j42) Ohm. Từ hình 1.3.1.1, chúng ta có thể thấy rằng hệ thống bị tổn hao công suất đáng kể nếu hai anten được đặt ở ví trị gần nhau. Việc tổn hao công suất trở nên không đáng kể khi khoảng cách giữa hai anten là λ. Hình 1.3.1.2 minh họa trở kháng tương hỗ giữa hai anten theo khoảng cách Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 19
  20. Luận văn cao học Chương I: Ảnh hưởng tương hỗ Hình 1.3.1.1: Tổn hao công suất do tương hỗ giữa hai ten lưỡng cực λ/2 với Zload = Z s* [4] Hình 1.3.1.2: Trở kháng tương hỗ giữa hai anten theo khoảng cách[4] Nguyễn Ngọc Lan – 12BKTTT1 – ĐHBKHN 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2