Thiết kế mạng tiếp điện song hành cho mảng anten tuyến tính có yêu cầu đặt dải rộng các điểm không trên giản đồ bức xạ

Thiết Kế Mạng Tiếp Điện Song Hành Cho Mảng<br /> Anten Tuyến Tính Có Yêu Cầu Đặt Dải Rộng Các<br /> Điểm Không Trên Giản Đồ Bức Xạ<br /> Lương Xuân Trường1, Trương Vũ Bằng Giang2, Trần Minh Tuấn3<br /> <br /> 1<br /> Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.<br /> 2<br /> Đại học Quốc gia Hà Nội.<br /> 3<br /> Viện Chiến lược Thông tin và Truyền thông, Bộ Thông tin và Truyền thông.<br /> Email: truonglx01@gmail.com, giangtvb@vnu.edu.vn, tm_tuan@mic.gov.vn<br /> <br /> Tóm tắt- Bài báo đề xuất giải pháp thiết kế một mạng tiếp điện hướng nguồn tín hiệu ngoài gây nhiễu là xác định trước và<br /> song hành hoạt động ở dải tần 5.8 GHz sử dụng cho mảng anten không thay đổi theo thời gian, các mảng anten cố định có thể<br /> tuyến tính 12 phần tử đáp ứng yêu cầu đặt dải rộng các điểm không được sử dụng để giảm sự phức tạp của hệ thống và giảm giá<br /> (nulls) trên giản đồ bức xạ. Thuật toán đàn Dơi được sử dụng để thành. Khi đó, mảng anten sẽ được tiếp điện bởi một mạng tiếp<br /> tính toán phân bổ công suất lối ra của mạng tiếp điện dựa trên kỹ<br /> điện cố định được thiết kế với các lối ra tương ứng với yêu cầu<br /> thuật tối ưu chỉ điều khiển biên độ. Mạng tiếp điện sử dụng các bộ<br /> chia hai công suất hình T và bộ chia ba công suất Bagley và được phân bổ công suất (biên độ) tín hiệu lối vào các phần tử của<br /> thiết kế trên nền vật liệu Rogers RT/5870 có kích thước là 331.5 x mảng anten.<br /> 72 x 1.575 mm3. Kết quả mô phỏng với giả thiết dãy các điểm Có hai loại cấu trúc cơ bản của các mạng tiếp điện là song<br /> không được đặt trong khoảng góc 42-66o cho thấy phân bổ công hành và nối tiếp [1]. Cấu trúc nối tiếp có kích thước nhỏ gọn, ít<br /> suất lối ra của mạng tiếp điện đáp ứng yêu theo lý thuyết; mạng suy hao nhưng băng thông hẹp. Việc tính toán công suất ở các<br /> tiếp điện có băng thông hoạt động 490 MHz với giá trị -10 dB của<br /> lối ra là phức tạp nên không thuận lợi khi thiết kế các mảng có<br /> hệ số phản xạ S1,1.<br /> kích thước lớn. Ngược lại, cấu trúc song hành có kích thước<br /> Từ khóa- Thuật toán đàn Dơi, kỹ thuật điều khiển búp sóng mảng lớn, bị tổn hao nhiều do ghép nối nhưng lại có băng thông rộng<br /> anten tuyến tính, thiết kế mạng tiếp điện song hành. hơn. Các mạng tiếp điện song hành cho phép tính toán các lối<br /> ra một cách dễ dàng vì chúng chủ yếu được xây dựng từ các<br /> I. GIỚI THIỆU phần tử cơ bản như bộ chia 2 công suất hình T hoặc Wikinson.<br /> Ngày nay, các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng phát Đã có nhiều thiết kế mạng tiếp điện cho các mảng anten<br /> triển cả về số lượng và các ứng dụng mới. Vì vậy, các băng tần tuyến tính được đề xuất. Cụ thể, các mạng tiếp điện nối tiếp đã<br /> được sử dụng chia sẻ cho nhiều loại nghiệp vụ vô tuyến khác được đề xuất tại [2-5] và các mạng tiếp điện song hành đề xuất<br /> nhau. Để giảm ảnh hưởng nhiễu có hại từ các nguồn tín hiệu tại [6-9]. Tuy nhiên, các thiết kế này mới chỉ hướng đến giải<br /> bên ngoài trong điều kiện phải dùng chia sẻ các băng tần, nhiều quyết yêu cầu của bài toán giảm mức của các búp sóng phụ. Các<br /> trường hợp trong thực tế. các hệ thống vô tuyến yêu cầu thay mạng tiếp điện này được thiết kế dựa trên phân bổ biên độ theo<br /> đổi giản đồ bức xạ của anten để tại các hướng nhất định, các các chuỗi số học như Chebyshev, Taylor hay Binomial. Tại<br /> điểm không được đặt vào đó nhằm giảm tối đa tăng ích thu/phát nghiên cứu [10] của cùng nhóm tác giả bài báo này, một cấu<br /> của anten để hạn chế thu/phát các tín hiệu không mong muốn. trúc tiếp điện nối tiếp được đề xuất cho mảng anten tuyến tính<br /> Kỹ thuật này được biết đến là kỹ thuật điều kiển các điểm không 12 phần tử đáp ứng được yêu cầu đặt dãy các điểm không trong<br /> của giản đồ bức xạ (pattern-nulling). Có 3 loại yêu cầu đặt các khoảng góc 55o-60o. Tuy vậy, nhược điểm của cấu trúc này là<br /> điểm không trên giản đồ bức xạ của một anten là: Đặt một điểm tín hiệu lối ra của mạng tiếp điện chỉ đồng pha trong một băng<br /> không đơn lẻ (single null); đặt đồng thời nhiều điểm không rời thông rất hẹp.<br /> rạc nhau (multi nulls); và đặt một dải rộng liên tục các điểm Trong bài báo này, một cấu trúc tiếp điện song hành mới<br /> không (broad null). Trong số đó, trường hợp đặt một dải rộng được đề xuất để sử dụng cho các mảng anten tuyến tính 12 phần<br /> các điểm không là phổ biến hơn cả. tử đáp ứng được yêu cầu giảm nhiễu hướng búp sóng phụ bằng<br /> Đối với các mảng anten tuyến tính, việc đặt các điểm không phương pháp đặt dải rộng các điểm không trên giản đồ bức xạ.<br /> trên giản đồ bức xạ được thực hiện thông qua việc điều chỉnh Mạng tiếp điện được thiết kế hoạt động ở dải tần số 5.8 GHz, là<br /> phân bổ biên độ (công suất) của nguồn tín hiệu đặt tại đầu vào dải tần được sử dụng phổ biến cho các hệ thống vô tuyến phục<br /> của các phần tử anten trong mảng. Trong các mảng anten thông vụ mục đích nghiên cứu khoa học, y tế và công nghiệp (ISM)<br /> minh, các điểm không có thể được đặt và thay đổi theo thời gian cũng như là các hệ thống di động, cố định và vô tuyến định vị.<br /> thực nhờ sử dụng các điều khiển búp sóng số (digital Nội dung được trình bày trong phần tiếp theo của bài báo<br /> beamformers). Tuy nhiên, các mảng anten thông minh có cấu như sau: Mục II trình bày về phương pháp tính toán một phân<br /> trúc phần cứng phức tạp vớt các thành phần đi kèm như bộ xử bổ biên độ đáp ứng yêu cầu đặt một dải rộng các điểm không<br /> lý tín hiệu, bộ biến đổi tương tự-số và thường có giá thành cao. trên giản đồ bức xạ của mảng anten tuyến tính. Mục III trình<br /> Trên thực tế, khi triển khai các hệ thống tại các khu vực mà<br /> <br /> <br /> <br /> 851<br /> bày chi tiết về thiết kế của mạng tiếp điện. Các kết quả mô<br /> phỏng được trình bày tại Mục IV và nội dung nghiên cứu được<br /> kết luận tại Mục V.<br /> II. TÍNH TOÁN PHÂN BỔ BIÊN ĐỘ<br /> ĐÁP ỨNG YÊU CẦU ĐẶT DẢI RỘNG CÁC ĐIỂM KHÔNG<br /> Thuật toán đàn Dơi được sử dụng trong nghiên cứu này để<br /> tính phân bổ công suất của mảng tiếp điện dựa trên kỹ thuật tối<br /> ưu chỉ điều khiển biên độ. Ứng dụng của thuật toán đàn Dơi<br /> trên các bộ điều khiển búp sóng bằng phương pháp điều khiển<br /> biên độ đã được phát triển và công bố tại nghiên cứu có liên<br /> quan của đồng tác giả bài báo này [11]. Với nguyên lý tương tự,<br /> thuật toán đàn Dơi được áp dụng để tính toán phân bổ biên độ<br /> cho mảng anten tuyến tính đáp ứng yêu cầu về đặt dải rộng các Hình 1. So sánh hàm AFo được tối ưu (broad null) và<br /> điểm không trên giản đồ bức xạ của mảng anten tuyến tính. hàm AFr tham chiếu (Chebyshev)<br /> Mảng anten được lựa chọn nghiên cứu trong bài báo này là III. THIẾT KẾ MẠNG TIẾP ĐIỆN<br /> mảng tuyến tính gồm 12 phần tử dãn cách đều nhau khoảng Trong phần này, cấu trúc mạng tiếp điện song hành chia<br /> cách một nửa bước sóng. Khoảng dải rộng các điểm không được công suất 12 lối ra theo tỉ lệ tương ứng với phân bổ biên độ<br /> giả định là khoảng góc [42o, 66o] trên giản đồ bức xạ (là khoảng được đề xuất theo tính toán tại Mục II. Mạng tiếp điện được đề<br /> góc bao trùm 4 búp sóng phụ liền kề nhau, từ búp sóng phụ thứ xuất trên cơ sở phân tích đặc điểm của phân bổ công suất lối ra.<br /> nhất đến búp sóng phụ thứ tư). Theo lý thuyết anten mảng thì<br /> hệ số mảng (array factor) AF được tính bởi công thức: Để tính toán các bộ chia công suât là thành phần của mạng<br /> tiếp điện, tỉ lệ giữa các biên độ được quy đổi thành tỉ lệ công<br /> suất tại các lối ra của mạng tiếp điện như sau:<br />