(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ăng ten tái cấu hình ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh

TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG

Giới thiệu về công nghệ V2X trong hệ thống giao thông thông minh

1.1.1 Ý tưởng ra đời công nghệ V2X

Mạng lưới đường bộ là một trong những bộ phận lớn nhất của cơ sở hạ tầng mà các thành phố và các cơ quan giao thông vận tải phải quản lý Trong thập kỷ qua, dân số gia tăng đã khiến mức độ giao thông đô thị và những tác động tiêu cực mà chúng mang lại cho các thành phố tăng lên, gây áp lực lớn lên cơ sở hạ tầng đường bộ và các cơ quan chức năng.

Tình trạng giao thông quá tải và tắc nghẽn ở các thành phố làm giảm chất lượng cuộc sống ở khu vực đô thị từ việc người dân ít có không gian để đi bộ, đạp xe đến việc mức độ ô nhiễm gia tăng, chất lượng không khí xấu đi Tình hình giao thông trong đại dịch COVID-19 đã cho thấy việc thay đổi tư duy và thói quen của người dân có thể khó khăn như thế nào Chỉ khi tỷ lệ nhiễm COVID-

19 ở đỉnh cao, mức độ tham gia giao thông mới giảm đáng kể, chất lượng không khí ở các trung tâm kinh tế và đô thị được cải thiện.

Nhưng khi dịch lắng xuống, xu hướng giao thông đông đúc và tắc nghẽn quay trở lại nhanh chóng và trong một số trường hợp, vượt quá mức trước đại dịch, lượng người đi phương tiện giao thông công cộng vẫn chưa trở lại bình thường, nhiều người tham gia giao thông bằng phương tiện cá nhân, làm trầm trọng thêm tình trạng tắc nghẽn.

Các giải pháp công nghệ quản lý giao thông đã phát triển một chặng đường dài, đáp ứng nhu cầu cụ thể của các thành phố và thúc đẩy toàn cầu hướng tới các hệ sinh thái giao thông kết nối và bền vững hơn Sự ra đời của các công nghệ mới như máy học và V2X (Vehicle-to-everything), tích hợp các công nghệ này vào các phương tiện, cơ sở hạ tầng và nền tảng quản lý giao thông, đã giúp giải bài toán quản lý giao thông, từ việc cải thiện mạng lưới giao thông đến thay đổi cách các thành phố được quy hoạch và phát triển.

Những giải pháp này đang có tác động cả ngắn hạn và dài hạn đến quy hoạch giao thông và đô thị, giúp các cơ quan giao thông đối phó với các sự kiện giao thông, xác định các xu hướng và mô hình cần thiết để hỗ trợ việc đi lại.

Hình 1 1 Công nghệ và hình thức di chuyển thông minh trong tương lai

Thuật ngữ “V2X” (vehicle-to-everything) đề cập đến giao tiếp không dây giữa phương tiện với mọi thứ Hệ thống V2X nhằm cải thiện sự an toàn, thoải mái và tiện lợi của xe bằng cách cho phép chúng giao tiếp với hầu hết mọi thứ có thể được kết nối

Giao tiếp V2X vượt ra khỏi hệ thống cảm biến và nhận biết an toàn chủ động có sẵn trên nhiều phương tiện hiện nay, hỗ trợ các tính năng như giữ làn đường và tránh va chạm dựa trên dữ liệu từ radar, camera, cảm biến siêu âm.

Trong truyền thông V2X, các phương tiện có thể nhận được tín hiệu truyền không dây từ các phương tiện đang di chuyển khác, từ tín hiệu giao thông, từ mạng báo cáo thời tiết và thậm chí từ người đi xe đạp và người đi bộ để hiểu rõ hơn và tương tác với thế giới xung quanh Hiện tại có hai tiêu chuẩn chính cho V2X:

1 Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) 802.11p: 802.11p xác định truy cập không dây trong môi trường xe cộ (WAVE) bao gồm các thiết bị liên lạc tầm ngắn (DSRC) chuyên dụng trong xe cộ và các đơn vị bên đường (RSU) Đây là bản sửa đổi đối với các tiêu chuẩn mạng không dây (Wi-Fi) phổ biến 802.11 DSRC hoạt động ở băng tần 5,9 gigahertz (GHz) với băng thông 75 megahertz (MHz) và phạm vi hoạt động xấp xỉ 1.000 mét.

2 Quá trình phát triển dài hạn của mạng di động dành cho phương tiện di động đến mọi thứ (C-V2X) (LTE): C-V2X được thiết kế để hỗ trợ an toàn chủ động và giúp nâng cao nhận thức tình huống bằng cách phát hiện và trao đổi thông tin bằng cách sử dụng đường truyền trực tiếp có độ trễ thấp trong 5,9 GHz Thông minh Băng tần Hệ thống Giao thông vận tải (ITS) dành cho các tình huống V2V, V2I và phương tiện giao thông đến người đi bộ (V2P) mà không cần đăng ký di động hoặc bất kỳ hỗ trợ mạng nào C-V2X được xác định bởi các thông số kỹ thuật Phiên bản 14 của Dự án Đối tác Thế hệ Thứ ba (3GPP), bao gồm liên lạc trực tiếp dựa trên PC5, với lộ trình phát triển rõ ràng hướng tới Đài phát thanh Mới 5G (5GNR).

Ngày nay, các sản phẩm dựa trên IEEE 802.11p đã có mặt trên thị trường Nhiều phương tiện ngày nay đã được trang bị công nghệ IEEE 802.11p Ngược lại, C-V2X chỉ mới bắt đầu tham gia vào lĩnh vực ô tô Với sức mạnh của hệ sinh thái di động ngày nay, C-V2X rất có thể sẽ trưởng thành nhanh chóng Có thể có những ưu và nhược điểm đối với cả hai công nghệ, nhưng cuối cùng thì sự kết hợp giữa sở thích của người tiêu dùng và công nghệ sẽ quyết định mức độ thành công của cả hai công nghệ trong lĩnh vực 5G.

1.1.3 Phân loại các loại hình truyền thông không dây V2X

V2V (Vehicle-to-vehicle): Các phương tiện được trang bị công nghệ giữa xe với xe (V2V) sẽ có thể xác định tốc độ, vị trí và hướng của các phương tiện khác trong phạm vi khoảng 300 mét, giúp họ tránh tai nạn thông qua cải thiện nhận thức tình huống tại các điểm mù và giao lộ, khi giao thông đông đúc và trong các tình huống khác mà người lái xe có thể không nhận thức được nguy hiểm sắp xảy ra vì vật cản, thời tiết hoặc địa hình

V2I (Vehicle-to-infrastructure): Công nghệ kết nối phương tiện với mọi cơ sở hạ tầng từ tín hiệu giao thông đến giao cắt với đường sắt và cảnh báo về các điều kiện trên đường, chẳng hạn như xây dựng đường hoặc tắc đường Ví dụ: có thể sử dụng thông tin V2I để xác định chỗ đậu xe còn trống trong nhà để xe và bãi đậu xe trên đường có đồng hồ đo, có nghĩa là không bao giờ tìm kiếm chỗ đậu xe Khi các tín hiệu giao thông có thể truyền trực tiếp trạng thái của chúng đến các phương tiện, các phương tiện có thể lập kế hoạch tốc độ của mình tốt hơn khi chúng đến gần Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng này cải thiện lưu lượng giao thông và có thể giảm lượng khí thải tới 15% khi V2X được triển khai rộng rãi.

V2N (Vehicle-to-network): Hệ thống V2N kết nối phương tiện với các mạng dựa trên đám mây cung cấp các dịch vụ như cập nhật giao thông và thời tiết theo thời gian thực Hệ thống V2N có thể sử dụng thông tin về tuyến đường của người lái xe để điều chỉnh nhanh chóng.

V2P (Vehicle-to-pedestrian): V2P cho phép giao tiếp trực tiếp giữa xe và người đi bộ trong phạm vi gần Trong trường hợp này, người đi bộ sẽ có một ứng dụng trên điện thoại thông minh của họ để giao tiếp với các phương tiện Cảnh báo có thể là hai hướng;ứng dụng của người đi bộ có thể gửi cảnh báo bằng âm thanh đến người lái xe và hệ thống của người lái xe có thể gửi cảnh báo tương tự đến điện thoại của người đi bộ hoặc cả hai nếu cảm nhận được tình huống nguy hiểm Trong các tình huống khác, một thiết bị riêng biệt có thể được gắn trên xe lăn của người khuyết tật hoặc xe đạp đường trường của người đi xe đạp.

PHƯƠNG TIỆN VỚI MẠNG LƯỚI

PHƯƠNG TIỆN VỚI PHƯƠNG TIỆN

PHƯƠNG TIỆN VỚI NGƯỜI ĐI BỘ

Hình 1 2: Các loại hình truyền thông không dây V2X

1.1.4 Mô hình hệ thống truyền thông của V2X

Công nghệ Ăng-ten trong hệ thống giao thông thông minh

Ăng-ten được sử dụng trong hệ sinh thái V2X có thể được phân loại thành hai loại: ăng-ten phẳng và ăng-ten không phẳng. Trong khi ăng-ten phẳng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng Hỗ trợ người lái nâng cao (ADAS) và giao tiếp trên xe, thì ăng-ten không phẳng chủ yếu được sử dụng cho liên lạc V2X.

1.2.1 Ăng-ten phẳng Ăng-ten phẳng đang trở nên phổ biến trong các ứng dụng cảm biến ô tô do chi phí thấp, cấu hình thấp (gọn và nhẹ hơn) và dễ tích hợp trên các nền tảng máy chủ Những ăng-ten này đáp ứng các yêu cầu cơ bản của các ứng dụng ô tô khác nhau do mức tăng cao và suy hao thấp Cấu hình thấp cũng tạo điều kiện tích hợp dễ dàng mà không cản trở tính thẩm mỹ của xe Một trong những ưu điểm chính của ăng-ten phẳng là sự tiện lợi mà chúng mang lại để tạo thành các cấu trúc mảng lớn kết hợp nhiều yếu tố khác nhau như vi dải và miếng patch, cung cấp chùm tia hẹp hơn và độ phân giải góc tốt hơn Các nhà thiết kế thích ăng-ten phẳng hơn để tạo thành các mảng theo pha và tuân thủ và có thể hỗ trợ phân cực tròn và tuyến tính dựa trên thiết kế được sử dụng.

1.2.1.1 Ăng-ten Patch vi dải Ăng-ten patch vi dải đã trở nên rất phổ biến trong những thập kỷ gần đây do cấu hình phẳng mỏng của chúng có thể được tích hợp trên bề mặt của các sản phẩm tiêu dùng, ô tô, máy bay và tên lửa Các ăng-ten phẳng này có cấu hình thấp, chi phí thấp và phù hợp với các bề mặt phẳng và không phẳng Chúng có thể dễ dàng chế tạo và tích hợp vào các hệ thống thông tin liên lạc khi chúng được in trực tiếp trên bảng mạch Công nghệ mạch in cũng cung cấp độ chính xác về kích thước cao, điều thường khó đạt được bằng các phương pháp chế tạo ăng-ten thông thường Ăng- ten vi dải điển hình có một miếng phát xạ ở một bên và mặt đất ở phía bên kia.

Hình 1 5 Cấu trúc điển hình của Ăng-ten patch vi dải Ăng-ten patch vi dải có thể có nhiều hình dạng khác nhau (hình chữ nhật, hình tròn, vòng, hình tam giác, hình ngũ giác, v.v.), được thiết kế để phù hợp với các đặc điểm cụ thể của ứng dụng. Chúng thường được sử dụng trong liên lạc vệ tinh SDARS, mạng WLAN và liên lạc Car-2-Car, hệ thống GPS Các ăng-ten này phẳng và có thể dễ dàng sử dụng trong cấu trúc của xe, thường là phía sau chắn bùn hoặc cản.

1.2.1.2 Ăng-ten Patch xếp chồng lên nhau

Hình 1 6 Cấu trúc điển hình của Ăng-ten Patch xếp chồng lên nhau Ăng-ten patch vi dải mặc dù ngày càng được ưa chuộng nhưng cũng có những hạn chế riêng, đặc biệt như dải thông hẹp về trở kháng, tỷ số trục phân cực tròn, mức khuếch đại, v.v là những tham số được ưu tiên hàng đầu cho các nhà thiết kế Và một trong những phương pháp được áp dụng gần đây để khắc phục những hạn chế của ăng-ten patch vi dải là xếp chồng nhiều patch, được gọi là ăng-ten patch xếp chồng lên nhau.

Trong một ăng-ten patch xếp chồng lên nhau, hai chất nền đang được sử dụng để cải thiện hiệu suất của ăng-ten Phương pháp xếp chồng các patch được thực hiện thông qua khớp nối điện từ Phương pháp này giúp tăng băng thông hoạt động, phân cực chéo thấp hơn, hệ số tăng ích của ăng-ten tốt hơn, tăng tính định hướng và tăng hiệu suất Ăng-ten patch xếp chồng ngày càng được sử dụng trong các phương tiện để truyền thông vệ tinh nhanh hơn và hiệu quả hơn, theo dõi tín hiệu không dây, SDR, WLAN, v.v.1.2.1.3 Ăng-ten patch UWB

Một ăng-ten phẳng khác đang được các nhà thiết kế hệ thống không dây ô tô rất ưa chuộng là ăng-ten patch băng siêu rộng (UWB) Ăng-ten phẳng vi dải có băng thông tần số thông thường là 7%, có thể không đáp ứng được nhu cầu của các công nghệ không dây hiện đại Hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng ăng-ten vi dải UWB, có băng thông rộng hơn và kiểu đơn cực Do băng thông rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, tiêu thụ điện năng thấp, ít phức tạp hơn và chi phí chế tạo tương đối thấp, ăng-ten patch UWB trở thành một thành phần quan trọng trong môi trường ô tô và các ứng dụng truyền thông không dây khác Ăng-ten UWB hoạt động trong dải tần 3,1–10,6 GHz và được thiết kế để thể hiện các đặc tính bức xạ đa hướng Các ăng-ten này rất lý tưởng cho liên lạc tầm ngắn, để truyền dữ liệu qua các dải tần số rộng trên 500MHz.

1.2.1.4 Ăng-ten chip Ăng-ten chip nhỏ gọn, cấu hình thấp và mang lại hiệu suất và độ tin cậy cao Chúng được thiết kế để tích hợp dễ dàng vào các hệ thống thông tin liên lạc không dây Trong môi trường ô tô, ăng- ten chip có băng thông khác nhau được sử dụng để thiết lập kết nối trong xe và giữa xe với cơ sở hạ tầng Ăng-ten cho BLUETOOTH, WLAN, Cellular, GNSS, DSRC, SDAR, v.v hiện đã có trong Chip, làm cho nó nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Hình 1 7 Ăng-ten chip của hãng Taoglas sử dụng cho V2X

1.2.1.5 Ăng-ten Patch mảng Ăng-ten mảng là sự kết hợp của nhiều ăng ten giống hệt nhau giúp tạo ra bức xạ mạnh hơn theo hình dạng cụ thể Độ lợi và hướng tương đối cao hơn trong các mảng ăng ten so với các ăng ten phần tử đơn lẻ Ăng-ten mảng được coi là phương pháp tốt nhất để thiết kế ăng-ten cấu hình thấp, hiệu suất cao do độ khuếch đại và tính định hướng cao, khả năng ghép nối lẫn nhau thấp giữa các phần tử mảng và thùy bên/phía sau thấp Hình dạng và vị trí của các phần tử ăng ten, khoảng cách giữa các phần tử, pha kích thích và dạng bức xạ của từng phần tử xác định sự hình thành chùm tia. Ăng-ten phẳng cấu hình 24 GHz và 77 GHz đang trở thành thành phần thiết yếu nhất của các ứng dụng ADAS và Autonomous do khả năng đa chức năng và độ chính xác cao của chúng Ba loại radar được sử dụng trong các nền tảng ADAS và Autonomous để phát hiện đối tượng và tránh va chạm – Radar tầm ngắn (0,5- 20m), Radar tầm trung (1-20m) và Radar tầm xa (10 – 250m) [4].

Radar mmWave 24 GHz và 77 GHz có thể được thiết kế dựa trên các mẫu ăng-ten khác nhau Một số loại ăng-ten phổ biến được sử dụng cho các ứng dụng SRR và MRR là Ăng-ten mảng patch vi dải, ăng-ten lưới vi dải, ăng-ten lược vi dải, ăng-ten lưới tròn, ăng-ten patch vi dải phân cực kép phẳng, v.v Các phần tử phẳng có thể tạo thành các cấu trúc mảng bằng cách hợp nhất các patch vi dải đơn giản Đây là nguyên tắc cơ bản đằng sau việc thiết kế ăng-ten mmWave 77GHz Các mảng lưới giúp cải thiện khả năng quét chùm tia với băng thông rộng 4 GHz trong dải tần 77–81 GHz Số lượng phần tử truyền và nhận (thường là các patch vi dải) có thể thay đổi tùy theo ứng dụng cuối cùng.

Hình 1 8 Mô phỏng bức xạ của Ăng-ten Patch mảng vi dải

1.2.2 Ăng-ten không phẳng Ăng-ten không phẳng thường là ăng-ten patch được tích hợp trên bề mặt cong hoặc chất nền không phẳng Thông thường, các ăng-ten này được chế tạo bằng cách sử dụng chất nền uốn dẻo có thể được đúc trên bề mặt không phẳng Ăng-ten không phẳng tương đối phức tạp so với ăng-ten phẳng, do những thách thức về hình học và chế tạo của nó Các nhà thiết kế phải xem xét tác động của việc uốn cong chất nền đối với trở kháng của ăng-ten. Các ăng-ten phẳng phổ biến được sử dụng trong Ô tô là ăng-ten Monopole (Còn được gọi là ăng-ten Whip) và ăng-ten vây cá mập (Sharkfin).

1.2.2.1 Ăng-ten đơn cực Đây là một trong những ăng-ten phổ biến nhất cho phép nhiều ứng dụng, từ phát sóng âm thanh VHF đến liên lạc giữa xe hơi và xe hơi Ăng-ten đơn cực bao gồm một chân và một thanh và thường được đặt ở giữa mui ô tô Ngoài ra, chúng có thể được đặt trên một cạnh của mái nhà hoặc trên tấm cản Ăng-ten đơn cực rất lý tưởng cho các ứng dụng VHF, UHF, Cellular, LTE và WLAN trong Ô tô Do giá cả cạnh tranh và tích hợp dễ dàng trên các phương tiện, ăng-ten Whip là một trong những sản phẩm được ưa chuộng nhất trong ngành ô tô.

Tuy nhiên, ăng-ten đơn cực mang lại hai nhược điểm lớn Các ăng-ten này khá lớn và nhô ra khỏi mui xe, ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ của xe Do đó, các nhà sản xuất Ô tô hiện đang quan tâm đến việc áp dụng các công nghệ và thiết kế mới hơn đảm bảo hiệu quả cao hơn nhưng ít ảnh hưởng nhất đến hệ số hình ảnh của xe. Một nhược điểm khác của ăng-ten đơn cực là băng thông hẹp của chúng, điều này hạn chế khả năng truyền tín hiệu thu ở các tần số khác nhau Nghiên cứu để khắc phục những hạn chế này cuối cùng đã dẫn đến sự đổi mới của ăng-ten vây cá mập.

Hình 1 9 Ăng-ten đơn cực

1.2.2.2 Ăng-ten vây cá mập (Sharkfin) Ăng-ten vây cá mập là những cải tiến gần đây hơn so với các ăng-ten thông thường khác được sử dụng trong hệ sinh thái ô tô.Những ăng-ten này đang trở nên phổ biến vì chúng có nhiều chức năng hơn, hấp dẫn về mặt thẩm mỹ và chắc chắn Ăng-tenSharkfin có kích thước nhỏ gọn hơn và bao gồm nhiều phần tử ăng- ten phục vụ cho nhiều ứng dụng Ví dụ: ăng-ten vây cá mập có thể bao gồm nhiều PIFA (hỗ trợ MIMO-LTE), ăng-ten V2V hoạt động ở tần số 5,9 GHz, WiFi (có thể hỗ trợ băng tần kép ở 2,4 GHz và 5GHz), ăng-ten patch cho ứng dụng GPS, v.v.

Sự cùng tồn tại của nhiều ăng-ten phục vụ cho nhiều ứng dụng trong vỏ vây cá mập nhỏ gọn là một thách thức về thiết kế, vì nó có thể ảnh hưởng đến hiệu quả do hiệu ứng tương hỗ lẫn nhau Tuy nhiên, một ăng-ten Sharkfin được thiết kế hoàn hảo mang lại mức tăng cao và hiệu suất vượt trội cho các ứng dụng như điều hướng, theo dõi, liên lạc, SDAR, liên lạc V2V, WiFi, v.v.

Hình 1 10 Module Ăng-ten với các phần tử tích cực được tích hợp vào vây cá mập

1.2.3 Vị trí đặt Ăng-ten

Thách thức và giải pháp trong thiết kế Ăng-ten

1.3.1 Thách thức về ảnh hưởng của môi trường đến vùng phủ Ăng-ten

Theo yêu cầu thời gian thực được rút ra từ tài liệu [7, 8] được Volvo Cars áp dụng, mô-đun ăng-ten V2X cần cung cấp vùng phủ sóng bức xạ cho toàn bộ mặt phẳng phương vị (nghĩa là góc phương vị φ = 0° – 360°) trong một khu vực nhất định trong mặt phẳng độ cao (tức là góc độ cao θ = 75° – 105°, với θ = 0° tương ứng với trục Z) Vùng phủ sóng ở bán cầu trên ( θ = 75° – 90°) đảm bảo liên lạc với các cơ sở hạ tầng và mạng khác Mặt khác, để giao tiếp với người đi bộ, các phương tiện khác và các đơn vị bên đường, cần có vùng phủ sóng ở bán cầu dưới ( θ = 90°– 105°) Ví dụ, đối với Volvo S60 và XC90, phạm vi phủ sóng ở góc cắt θ = 105° tạo điều kiện thuận lợi cho việc liên lạc với các thiết bị bên đường (ví dụ: cảm biến đỗ xe) được đặt ở khoảng cách 5m-6m tính từ tâm xe

Yêu cầu về vùng phủ là một thách thức do có nhiều thành phần/bộ phận bên trong xe Ngoài ra, tín hiệu từ ăng-ten được lắp đặt bên trong xe sẽ bị chặn và phân tán do thân xe bằng kim loại Để giảm thiểu tắc nghẽn, ăng-ten nên ở nửa trên của thân xe, nếu chúng ở dưới mui xe Trong trường hợp này, tắc nghẽn tín hiệu chủ yếu là do các trụ bên, do chiều rộng của chúng (thường) >100mm, lớn hơn đáng kể so với bước sóng) là các chướng ngại vật ở tần số 5,9 GHz, tạo ra các khoảng trống sâu theo các hướng tương ứng Trong Hình 1.12, nhóm tác giả Kranti Kumar Katare đã chứng minh rằng một cột bên (theo trục –Y của ăng ten lưỡng cực) che khuất sóng điện từ Do đó, tác động của môi trường phức tạp trong xe đối với hiệu suất của ăng-ten V2X tần số tương đối cao là rất phức tạp và cần được nghiên cứu kỹ lưỡng Hơn nữa, việc tìm kiếm một ăng-ten V2X thích hợp và xác định vị trí của nó trong xe là những thách thức bổ sung.

Trong bối cảnh đó, nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được đề xuất [9 - 15].

Ví dụ, trong tài liệu tham khảo [12], một mô-đun ăng-ten nhỏ gọn mới phù hợp để sử dụng kết hợp với LTE và ITS-G5 đã được đề xuất và hiệu suất của mô-đun này được đánh giá thông qua mô phỏng Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều ăng-ten thu phát vô tuyến di động trong thế giới thực đặt ra những thách thức đáng kể phát sinh từ nhiều hạn chế về phần cứng và xử lý tín hiệu cũng như các đặc thù của phương tiện không dây. Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ (Pattern Reconfigurable Ăng-ten) với khả năng tự thay đổi đồ thị bức xạ là một ứng cử viên lý tưởng để thay thế cho hệ thống nhiều ăng-ten và khắc phục các hạn chế về kích thước, vùng phủ và chi phí do ngành công nghiệp ô tô áp đặt Khả năng cấu hình lại đồ thị bức xạ là một “tài sản” quan trọng trong truyền thông V2V vì nó giúp nâng cao hiệu suất hệ thống ITS về dung lượng cũng như độ tin cậy [16, 17].

Trên thế giới, mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về ăng-ten cho V2X; tuy nhiên chủ yếu tập chung vào Ăng-ten MIMO [18], Ăng-ten mảng [19,

20] Ứng dụng ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ cho hệ thống giao thông thông minh và truyền thông V2X vẫn còn là một lĩnh vực khá mới mẻ và nhiều hứa hẹn.

1.3.2 Thách thức trong thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ

Trong các thông số có thể điều chỉnh để tái cấu hình ăng-ten, đặc biệt là kiểu tái cấu hình theo đồ thị bức xạ vì nó mang lại cơ hội thay thế các ăng-ten mảng pha đắt tiền và cồng kềnh Thay vì sử dụng nhiều phần tử bức xạ với bộ dịch pha, chức năng điều khiển búp sóng có thể được triển khai trong một ăng-ten duy nhất Nếu cho rằng đồ thị bức xạ của ăng-ten là một biến đổi Fourier của phân bố dòng điện trên bề mặt một hoặc nhiều phần tử bức xạ, thì có thể đưa ra kết luận rằng thay đổi đồ thị bức xạ của ăng-ten bằng cách tác động đến phân bố dòng điện Có một số khả năng để làm điều đó:

 Sử dụng shorting pins thay đổi phân bố dòng điện trên phần tử bức xạ, do đó có thể tạo ra các mẫu khác nhau (Hình 1.13a).

 Sử dụng Ăng-ten đa chế độ, trong trường hợp này các phân bố dòng điện khác nhau thu được bằng cách cấp nguồn tại các điểm khác nhau (Hình 1.13b).

 Sử dụng chuyển đổi phần tử bức xạ, phân phối hiện tại của một mảng được thay đổi bằng cách chuyển đổi giữa các phần tử (Hình 1.13c).

 Sử dụng phần tử ký sinh, trong trường hợp này các phần tử ký sinh được đặt gần bộ bức xạ Sự phân bố dòng điện trên bộ bức xạ bị ảnh hưởng bởi điều đó, nhưng quan trọng hơn là tùy thuộc vào trở kháng của phần tử ký sinh, các phân bố dòng điện khác nhau được sử dụng để kích thích các phần tử ký sinh, chính chúng sẽ ảnh hưởng đến hướng bức xạ (Hình 1.13d).

Tất cả các khái niệm trên đều cung cấp các mẫu có thể cấu hình lại và thiết kế nhỏ gọn Tuy nhiên, các giải pháp sử dụng shorting pins và ăng-ten đa chế độ bị hạn chế về mặt tự do xác định hướng của bức xạ Điều này là do chúng dựa trên các chế độ đặc trưng của phần tử bức xạ được sử dụng Trong trường hợp sử dụng chuyển đổi phần tử bức xạ và các phần tử ký sinh, các hướng có thể được xác định tự do hơn và do đó giải pháp này được học viên khảo sát, áp dụng và đánh giá trong luận văn.

(a) Ăng-ten patch với shorting pins (b) Ăng-ten đa chế độ

(c) Chuyển đổi phần tử bức xạ (d) Phần tử ký sinh

Hình 1 13 Ví dụ về các khái niệm khác nhau để tái cấu hình cho Ăng-ten

1.3.2.1 Ăng-ten tái cấu hình sử dụng chuyển đổi phần tử bức xạ a) Ăng-ten vi dải tái cấu hình dựa trên chuyển đổi phần tử bức xạ

Hình 1 14 Mẫu Ăng-ten tái cấu hình sử dụng phần tử bức xạ hình cá

Trong [21], Rahmani Faouzi và những cộng sự của mình đã đề xuất một ăng- ten tái cấu hình được cấp điện bằng cáp đồng trục và bao gồm một miếng patch hình tròn, sáu phần tử bức xạ hình con cá và một mặt đất phẳng tròn như Hình 1.14. Việc sử dụng sáu tế bào phát xạ hình con cá hoạt động như các mặt phản xạ với mặt đất phẳng hình tròn tùy theo trạng thái chuyển đổi Bằng cách thay đổi trạng thái của sáu điốt PIN, mô hình bức xạ có thể được đổi thành sáu trạng thái bao phủ mặt phẳng phương vị và cả sáu hướng này đều nằm trong trong một nửa mặt phẳng độ cao.

Tuy nhiên, với thiết kế này kích thước tổng thể của ăng-ten lên đến 80mm ×1,57 mm tại tần số cộng hưởng 5,9 GHz Bên cạnh đó búp sóng của ăng-ten được điều hướng đến khoảng 20° (đầu lửa bên phải), 16° (đầu lửa bên phải), −15° (đầu cuối bên trái), −20° (đầu cuối bên trái), −15° (đầu cuối bên trái) và 16° (đầu cuối bên phải), tương ứng cho trạng thái 1 đến trạng thái 6 đều cùng trên mặt phẳng độ cao (φ=0 ° ) là một điểm bất lợi về mặt vùng phủ theo yêu cầu trong tài liệu [7,8]. b) Ăng-ten 3D tái cấu hình dựa trên chuyển đổi phần tử bức xạ

Một cách khác để thiết kế một ăng-ten bao phủ các hướng quan trọng sử dụng cho công nghệ V2X là sử dụng cấu trúc 3D thay vì cấu trúc phẳng Trong [22] tác giả đã đề xuất một ăng-ten bao gồm hai phần ăng-ten phẳng, trực giao với nhau Trong trường hợp này, việc cấu hình lại mẫu cũng được thực hiện bằng cách chuyển đổi giữa các phần tử Ăng-ten này tạo ra bốn chùm tia khác nhau được dịch chuyển 90° theo phương vị so với nhau.

Hình 1 15 Phối trí Ăng-ten và tích hợp 3D

Mỗi bộ phận của ăng-ten bao gồm hai phần tử bức xạ (Hình 1.15a và 1.15b),một đường truyền CPW được sử dụng để cấp nguồn Các phần tử bức xạ bao gồm một miếng patch kim loại và cấu trúc chữ L ngược ở trên cùng Mục đích của cấu trúc chữ L ngược này là giảm kích thước của Ăng-ten Khoảng cách giữa các phần tử là 1mm và do đó chúng được liên kết chặt chẽ với nhau và có chức năng như là một tấm phản xạ Độ lợi tối đa đo được ở các trạng thái là 6 dBi và HPBW bao gồm phạm vi góc từ 100° đến 260° theo mặt phẳng phương vị, và từ -20° và 85° theo mặt phẳng độ cao Kích thước tổng thể của ăng-ten 3D sau khi tích hợp là 48 × 28 ×

Tuy nhiên, ăng-ten 3D trên có nhược điểm là chế tạo phức tạp đồng thời ăng-ten chỉ hoạt động ở 4 trạng thái nhưng sử dụng đến 8 điốt PIN để thay đổi phần tử phản xạ càng làm tăng thêm độ phức tạp khi tích hợp ăng-ten.

1.3.2.2 Ăng-ten vi dải tái cấu hình bằng cách sử dụng các phần tử ký sinh (ESPAR)

Hình 1 16 (a) Mặt trước và mặt sau của Ăng-ten ESPAR; (b) Mẫu Ăng-ten ESPAR được chế tạo Ăng-ten ESPAR tạo thành một loại ăng-ten tái cấu hình đặc biệt cung cấp tính năng cấu hình lại đồ thị bức xạ bằng cách điều chỉnh phần tử điện của các phần tử ký sinh [23, 24] Trong [25], ăng-ten ESPAR được hình thành từ một phần tử tích cực duy nhất và một số phần tử ký sinh cụ thể được phân phối gần phần tử đang hoạt động theo một cách sắp xếp hình học nhất định (tuyến tính, hình tròn, v.v.) như Hình 1.13 Các phần tử ký sinh được đặt ở khoảng cách gần hơn so với các mảng ăng ten thông thường và do đó, chúng có kích thước nhỏ hơn, mang lại kích thước tương đối nhỏ gọn cho hệ thống ăng-ten cuối cùng Ưu điểm chính của ăng-ten ESPAR là khả năng kiểm soát dạng bức xạ của chúng Cụ thể, khoảng cách gần giữa các phần tử hoạt động và phần tử ký sinh tạo ra các hiệu ứng liên kết lẫn nhau đáng kể và tạo ra dòng điện mạnh chạy trên các phần tử ký sinh ảnh hưởng đến toàn bộ đồ thị bức xạ của mảng Do đó, bằng cách kiểm soát trở kháng của các phần tử ký sinh bằng công tắc RF (điốt PIN) hoặc thay đổi công suất (bộ biến đổi), việc điều chỉnh phối hợp trở kháng và tái cấu hình theo đồ thị bức xạ của mảng ăng-ten là khá đơn giản.

Tuy nhiên, với mẫu ăng-ten ESPAR này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như: đồ thị bức xạ chỉ có thể thay đổi từ cấu hình bức xạ đa hướng chuyển sang định hướng ở bên trái và bên phải tương ứng Đồng thời do sử dụng phần tử kí sinh nên ăng-ten ESPAR dễ bị ảnh hưởng đến hiệu suất bởi yếu tố môi trường chẳng hạn như thời tiết và nhiễu từ các thiết bị khác.

Kết luận chương 1

Chương 1 đã giới thiệu chức năng và hoạt động của ăng-ten ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh Đưa ra những thách thức còn tồn tại về mặt thiết kế ăng-ten làm tiền đề cho việc nghiên cứu đề xuất ở chương 2.

Chương tiếp theo của luận văn sẽ lựa chọn công nghệ, kỹ thuật và công cụ để thiết kế ăng-ten cho hệ thống giao thông thông minh đồng thời áp dụng những lựa chọn này đề xuất một thiết kế đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra như: phủ sóng bức xạ cho toàn bộ mặt phẳng phương vị trong một khu vực nhất định thuộc mặt phẳng độ cao để đảm bảo liên lạc với các cơ sở hạ tầng mạng khác.

THIẾT KẾ ĂNG-TEN

Đặt vấn đề

Như đã trình bày trong tiểu mục 1.2.3 và 1.3.1, theo yêu cầu được rút ra từ tài liệu [7, 8] được Volvo Cars áp dụng, ăng-ten đặt tại mui xe ứng dụng công nghệ V2X cần cung cấp vùng phủ sóng cho toàn bộ mặt phẳng phương vị (góc phương vị φ = 0° – 360°) trong một khu vực nhất định có mặt phẳng độ cao (góc độ cao θ = 75° – 105°, với θ = 0° tương ứng với trục - Z) Vùng phủ sóng ở bán cầu trên ( θ = 75° – 90°) đảm bảo liên lạc với các cơ sở hạ tầng truyền thông và mạng lưới Mặt khác, để giao tiếp với người đi bộ các phương tiện khác và các thiết bị bên đường cũng cần có vùng phủ sóng ở bán cầu dưới ( θ = 90°–105°)

Sau khi đã xác định được yêu cầu thiết kế, việc lựa chọn phương pháp điều chỉnh để tái cấu hình ăng-ten là rất quan trọng, đặc biệt là kiểu tái cấu hình theo đồ thị bức xạ được triển khai trong một ăng-ten duy nhất Có

4 phương pháp đã được trình bày trong tiểu mục 1.3.2, đều cung cấp các mẫu có thể cấu hình lại và thiết kế nhỏ gọn Tuy nhiên, giải pháp sử dụng shorting pins và Ăng-ten đa chế độ bị hạn chế về mặt tự do xác định hướng của đồ thị bức xạ Điều này là do chúng dựa trên các chế độ đặc trưng của phần tử bức xạ được sử dụng.

Trong trường hợp sử dụng chuyển đổi phần tử bức xạ và các phần tử ký sinh, các hướng có thể được xác định tự do Theo mục 1.2.3, việc lựa chọn vị trí đặt ăng- ten cũng là một thách thức cho các nhà thiết kế Do vật liệu thiết kế phương tiện có các đặc tính khác nhau như: che khuất sóng điện từ, phản xạ sóng … Mà phương pháp sử dụng các phần tử ký sinh lại dễ bị ảnh hưởng đến hiệu suất bởi yếu tố môi trường như thời tiết và nhiễu từ các thiết bị khác Vì vậy, phương pháp chuyển đổi phần tử bức xạ là tối ưu nhất được lựa chọn để xây dựng thiết kế.

Sau khi đã xác định được yêu cầu và phương pháp thiết kế, việc lựa chọn băng tần hoạt động của ăng-ten là vô cùng quan trọng vì sẽ phải đáp ứng được các yêu cầu đặt ra theo chuẩn công nghệ hoạt động tại băng tần đã chọn Băng tần 5,9 GHz được chỉ định cho Hệ thống giao thông thông minh (ITS ở Hoa Kỳ, Châu Âu) và giao tiếp truyền thông trên toàn thế giới bằng phương tiện [26]. Chính vì vậy đề tài quyết định chọn đây là băng tần chính được sử dụng trong thiết kế ăng-ten ứng dụng cho hệ thống giao thông thông minh.

2.1.2 Lựa chọn kỹ thuật và công cụ thiết kế

2.1.2.1 Lựa chọn kỹ thuật tái cấu hình

Có nhiều loại ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ ứng dụng cho hệ thống giao thông thông minh, từ Ăng-ten phẳng đến không phẳng Vì thế để sử dụng phương pháp chuyển đổi phần tử bức xạ nhằm thay đổi phân bố dòng điện trên bề mặt ăng-ten cũng có nhiều kỹ thuật để thực hiện và được phân loại như Hình 2.1.

Hình 2 1 Các kỹ thuật tái cấu hình Ăng-ten

1 Kỹ thuật phổ biến nhất để thay đổi hình dạng của ăng-ten chính là sử dụng các bộ chuyển mạch điện tử nhằm làm thay đổi phân bố dòng bề mặt và làm thay đổi cấu trúc bề mặt bức xạ hoặc cạnh bức xạ của ăng-ten Các bộ chuyển mạch điện tử bao gồm Điốt PIN, bộ chuyển mạch hệ vi cơ điện tử vô tuyến RF-MEMS, transistor trường FET hoặc là điốt biến dung Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm cho người thiết kế ăng-ten như dễ dàng trong việc thiết kế, điều khiển tái cấu hình, tích hợp phần tử điện tử sẽ gọn nhẹ hơn so với các kỹ thuật khác.

2 Chuyển mạch quang cũng là một giải pháp cho ăng-ten tái cấu hình Một chuyển mạch quang dẫn khi ánh sáng laser chiếu vào vật liệu bán dẫn làm cho các hạt điện tử nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn để tạo nên miền dẫn điện Ưu điểm của chuyển mạch quang đó là độ tin cậy cao, việc kích hoạt tắt bật chuyển mạch quang bằng ánh sáng không sinh ra hài và không làm méo tín hiệu do nó có đặc tính tuyến tính Ngoài ra, chuyển mạch quang còn có ưu điểm đó là khi tích hợp vào ăng-ten tái cấu hình thì không cần mạch phân cực như các chuyển mạch điện, vì thế sẽ không sinh nhiễu, suy hao, méo đồ thị bức xạ Tuy nhiên, chuyển mạch quang lại có nhược điểm là suy hao lớn (từ 0,5 đến 1,5 dB trong dải 1 GHz đến 10 GHz), yêu cầu hệ thống kích hoạt phức tạp và chi phí đắt nên không được sử dụng phổ biến.

3 Ăng-ten tái cấu hình có thể được thực hiện bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý của thành phần bức xạ để thay đổi đặc tính bức xạ Việc thay đổi cấu trúc vật lý có thể đạt được bằng cách thay đổi từ trường, điện trường ngoài Ưu điểm của phương pháp này là không cần các chuyển mạch, không có sợi quang, không có mạch cấp điện làm ảnh hưởng đến hoạt động của ăng-ten Tuy nhiên phương pháp này không được sử dụng rộng rãi do nhược điểm của nó là đáp ứng chậm, giá thành cao, kích thước và độ phức tạp của ăng-ten tăng do phải sử dụng cơ cấu tái cấu hình vào ăng-ten.

4 Ăng-ten tái cấu hình có thể thay đổi đặc tính bức xạ bằng cách sử dụng vật liệu có khả năng thay đổi đặc tính bằng tác động bên ngoài như tinh thể lỏng, ferit Ví dụ đối với tinh thể lỏng, đặc tính của vật liệu này là không tuyến tính, hằng số điện môi của tinh thể lỏng có thể được thay đổi dưới sự thay đổi của điện áp đặt bên ngoài để điều khiển hướng của các phân tử tinh thể lỏng Đối với vật liệu ferit thì có thể đặt một điện trường, từ trường bên ngoài để làm thay đổi độ từ thẩm hoặc hằng số điện môi của vật liệu Các ăng-ten tái cấu hình bằng cách thay đổi vật liệu có ưu điểm là kích thước giảm, tuy nhiên, hiệu suất ăng-ten cũng bị giảm theo.

Mỗi kỹ thuật được áp dụng cho ăng-ten tái cấu hình đều có những ưu nhược điểm riêng, không thể kết luận được một phương pháp nào là ưu điểm nhất Việc áp dụng kỹ thuật nào mang lại hiệu quả cao nhất là tùy vào ứng dụng và nhu cầu của người dùng Tuy nhiên, ăng-ten tái cấu hình sử dụng các chuyển mạch điện tử là phổ biến hơn cả bởi nó có nhiều ưu điểm kết hợp Trong đó, như đã trình bày ở trên, điốt PIN có ưu điểm về nguồn cấp điện bé, suy hao thấp, độ cách ly tốt, giá thành rẻ và tốc độ chuyển mạch nhanh nhất trong tất cả các chuyển mạch Tốc độ chuyển mạch nhanh là một yếu tố rất quan trọng cho các ứng dụng vô tuyến, đặc biệt là ứng dụng cho hệ thống vô tuyến nhận thức Đây chính là lý do mà điốt PIN được lựa chọn để áp dụng cho tất cả các thiết kế được trình bày trong luận văn này.

2.1.2.2 Lựa chọn công cụ. Đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và chế tạo thiết bị công nghệ, hàng loạt các công cụ hỗ trợ thiết kế và mô phỏng được ra đời và phát triển mạnh mẽ Các công cụ được sử dụng phổ biến nhất để mô phỏng ăng-ten là Ansoft HFSS và CSTMICROWAVE STUDIO Hai công cụ có chức năng và cách sử dụng tương tự nhau nhưng CST MICROWAVE STUDIO cho hình ảnh 2D, 3D rõ nét cùng với các tùy chọn thông số, công cụ hỗ trợ rất tốt cho việc thiết kế, tối ưu ăng-ten Chính vì vậy

CST được học viên lựa chọn cho việc thiết kế ăng-ten Ngoài ra, để điều khiển được chuyển mạch điốt PIN giúp ăng-ten tái cấu hình thay đổi trạng thái hoạt động cần thiết kế một mạng điều khiển điện áp một chiều Công cụ được sử dụng để thiết kế mạch phổ biến nhất là Altium Designer và Alegro nhưng học viên lựa chọn AltiumDesigner là phần mềm thiết kế mạch do có những đặc điểm nổi bật sau: Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế, mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều – tính năng mà học viên đưa ra trong phần thiết kế sau đây, ngoài ra phần mềm này còn liên kết trực tiếp với mô hình STEP,kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cho cả 2D và 3D.

Thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ

Trước khi bắt đầu thiết kế ăng-ten tái cấu hình, các nguyên tắc thiết kế, quy trình và đặc điểm của ăng-ten cần được cân nhắc và hiểu biết rõ Hơn nữa, các kỹ thuật thiết kế ăng-ten vi dải, cấu trúc và hình dạng khác nhau, phương pháp phân tích và cấp điện được áp dụng để cải thiện các đặc tính và hiệu suất của ăng-ten. Ăng-ten vi dải sử dụng tiếp điện cáp đồng trục là lựa chọn tốt nhất vì có nhiều ưu điểm như là vật liệu giá rẻ, nhẹ và cũng dễ chế tạo Các tham số như: Tham số S11, độ lợi, khả năng định hướng hiệu suất của ăng-ten và băng thông là các đặc điểm quan trọng cần thiết để xem xét và tối ưu.

Phối hợp trở kháng: Để đạt được sự kết hợp hiệu quả của năng lượng RF từ máy phát đến ăng-ten, cả hai cần phải có cùng trở kháng Sự phù hợp này cũng liên quan đến phương tiện đường truyền được sử dụng để kết nối chúng, chẳng hạn như cáp đồng trục Trở kháng 50 Ohm là điển hình cho hầu hết các thành phần đường truyền và tần số vô tuyến.

Hiệu suất của Ăng-ten: Đây là thước đo mức độ hiệu quả của ăng-ten trong việc phát tín hiệu RF Hiệu quả là tỷ lệ công suất phát ra từ ăng-ten so với công suất đầu vào và được biểu thị bằng dB. Độ lợi và hướng của Ăng-ten: Một số ăng-ten sử dụng các kỹ thuật thiết kế giúp chúng phát tín hiệu theo một hướng cụ thể hiệu quả hơn Ăng-ten đa hướng bức xạ đều theo mọi hướng so với ăng-ten định hướng được thiết kế để tập trung năng lượng truyền và thể hiện đặc tính khuếch đại theo một hướng nhất định Độ lợi của ăng-ten được biểu thị bằng dB so với ăng-ten tiêu chuẩn hoặc nguồn đẳng hướng – dBi Bảng dữ liệu của ăng-ten định hướng sẽ bao gồm một mẫu bức xạ cho biết cường độ trường tương đối được đo ở cùng khoảng cách xung quanh ăng-ten.

Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR): VSWR, hay thường được viết tắt là

SWR, là thước đo mức độ phù hợp của ăng-ten với máy phát ở tần số hoạt động cộng hưởng cần thiết Nó được biểu thị bằng tỷ lệ giữa công suất đầu ra của máy phát và lượng phản xạ trở lại máy phát trước khi được bức xạ Tỷ lệ VSWR 1:1 cho biết rằng ăng-ten và bộ phát được kết hợp hoàn hảo Đối với hầu hết các mục đích thực tế, VSWR từ 2,5:1 trở xuống được chấp nhận. Để thiết kế và ứng dụng ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ, độ rộng băng thông trong tất cả các cấu hình sử dụng cần đáp ứng tiêu chuẩn IEEE 802.11p [27].

Hình 2 2 Phổ truyền thông tầm ngắn chuyên dụng (DSRC).

2.2.1 Tiến trình thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ

Quá trình thiết kế, tính toán ăng-ten phẳng tái cấu hình theo đồ thị bức xạ được tiến hành theo các bước như sơ đồ ở Hình 2.3 Đầu tiên, một ăng-ten phẳng đơn có tần số hoạt động cố định 5,9 GHz được thiết kế với phần cấp điện cáp đồng trục và độ dài của phần tử bức xạ của ăng-ten được tính toán ở tần số này

Tiếp theo, dựa vào nguyên lý chuyển đổi phần tử bức xạ nhằm thay đổi phân bố dòng điện trên bề mặt ăng-ten, các phần tử bức xạ của ăng-ten được thay đổi bằng cách sử dụng các chuyển mạch điốt PIN nối giữa phần tử phản xạ với mặt phẳng đất, các cấu trúc khác của ăng-ten bao gồm cấu trúc cấp điện và kích thước tổng thể được giữ nguyên không thay đổi Trạng thái BẬT của điốt PIN nhờ vào nguồn cấp điện một chiều DC để hoạt động, khi đo Ăng-ten được tính toán để thay đổi hướng của búp sóng chính từ 60 ° sang 150 ° ,

240°, 330°, 17° và 197°, 107° và 287° Với độ rộng của búp sóng nửa công suất từ 45° đến 51°, bao phủ toàn bộ mặt phẳng phương vị

Cùng với việc điều chỉnh hướng của búp sóng chính, băng thông hoạt động của ăng-ten là khoảng tần số mà |S11| nhỏ hơn hoặc bằng mức -10 dB cũng cần được tối ưu và điều chỉnh sao cho với ăng-ten chỉ tái cấu hình theo đồ thị bức xạ thì tần số cộng hưởng ở các cấu hình khác nhau được thiết kế càng ít thay đổi càng tốt

Lựa chọn công nghệ chuyển mạch và kỹ thuật

Thiết kế anten đơn hoạt động tại tần số 5.9 GHz

Lựa chọn tần số hoạt động và chất nền chế tạo

Xác định vị trí đặt chuyển mạch điện tử

Thay đổi cấu hình anten

Tập hợp đầy đủ cấu hình

Kết thúc Đồ thị bức xạ phù hợp?

Hình 2 3 Tiến trình thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ

2.2.2 Thiết kế Ăng-ten phẳng tái cấu hình sử dụng tiếp điện cáp đồng trục

Cấu trúc ăng-ten vi dải tái cấu hình sử dụng tiếp điện cáp đồng trục đề xuất như ở Hình 2.7 Cấu trúc bao gồm: bốn phần tử bức xạ ở mặt trên có hình cánh quạt với góc mở α , bốn cánh phản xạ đặt dưới mặt đất có góc mở β Ăng-ten được thiết kế trên một đế điện môi FR4 có hằng số điện môi hiệu dụng là 4,4, hệ số tổn hao 0,02 và độ dày 1,6 mm với kích thước tổng của Ăng-ten là

Hình 2 4 Cấu trúc của Ăng-ten vi dải tái cấu hình theo đồ thị bức xạ

Bảng 2 1 Kích thước chi tiết của Ăng-ten đề xuất (mm)

Thông số Kích thước (mm) Thông số Kích thước (mm)

Bốn chuyển mạch điốt PIN SMP1345 được sử dụng để ngắt hoặc nối giữa các cánh phản xạ với mặt đất nhằm tạo ra sáu cấu hình ăng-ten khác nhau Giới hạn tần số của các điốt PIN là từ 10 MHz đến 6 GHz, phù hợp yêu cầu đối với băng tần thiết kế Nguồn điện một chiều DC được tạo ra từ Arduino UNO R3 và DAC MCP4725 cung cấp cho điốt PIN có tác dụng điều khiển trạng thái đóng ngắt như Hình 2.5 Khi cấp cho điốt một điện áp thuận thì điốt hoạt động ở trạng thái “BẬT”, khi đó cánh phản xạ và mặt đất nằm giữa điốt này được nối với nhau tạo thành phần tử phản xạ Ngược lại, khi cấp một điện áp ngược hoặc không cấp điện áp cho điốt thì điốt ở trạng thái

“NGẮT”, khi đó, cánh phản xạ không được nối với mặt phẳng đất và không tạo thành phần tử phản xạ Bằng cách này, phần tử bức xạ được chuyển đổi để đạt được sáu cấu hình Ăng-ten khác nhau, gọi là S1, S2, S3, S4, S5 và S6.

Trạng thái của điốt được mô tả như trong Bảng 2.2 Sơ đồ tương đương của điốt PIN, mạch điều khiển trạng thái và mạch PCB điều khiển trạng thái của điốt PIN được trình bày ở Hình 2.6 (a), (b), (c) và (d)

Hình 2 5 Vị trí đặt điốt PIN và cách cấp nguồn cho điốt

Hình 2 6 (a) Sơ đồ tương đương, (b) Mạch điều khiển trạng thái và (c) Mạng điều khiển điện áp DC sử dụng Arduino UNO R3 và DAC MCP4725

Các trạng thái bật (ON) và tắt (OFF) của điốt PIN tương ứng với các cấu hình hoạt động của ăng-ten được mô tả như ở Bảng 2.2.

Bảng 2 2 Trạng thái hoạt động của Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ

Băng tần hoạt động (GHz)

Hiệ u suất (%) Độ lợi (dBi)

S5 Bật Tắt Bật Tắt 5,5-6,02 3,5 61 1,37 17 và

S6 Tắt Bật Tắt Bật 5,5-6,02 3,5 61 1,37 107 và

2.2.2.2 Tính toán kích thước Ăng-ten

Bước 1: Thiết kế đường tiếp điện.

Một ăng-ten vi dải cộng hưởng ở tần số cố định cấp điện kiểu cáp đồng trục được thiết kế với cấu trúc như Hình 2.5.

Hình 2 7 Cấu trúc Ăng-ten vi dải sử dụng tiếp điện cáp đồng trục

Cáp đồng trục là một môi trường truyền sóng được sử dụng rộng rãi trong thực tế như truyền hình, số liệu, các thiết bị đo vv nhờ ưu điểm nhỏ gọn, khả năng chống nhiễu tốt Cáp đồng trục gồm một dây dẫn trung tâm và một dây dẫn bao quanh, giữa chúng được nhồi chất điện môi như được mô tả trên Hình 2.8 Tất cả còn được bao bọc bên ngoài bởi một hoặc nhiều lớp vỏ nhựa có tác dụng chống va chạm, chống ẩm cho cáp Khi sử dụng, đường tín hiệu thường được nối vào dây trung tâm còn lớp dây dẫn bao quanh được nối tới điểm đất của mạch điện Nhờ cấu trúc như vậy mà lớp dây dẫn bên ngoài có khả năng chống nhiễu từ môi trường chung quanh tác động lên đường dây tín hiệu.

Qua tính toán với việc giải các phương trình Maxwell có thể xác định được các tham số đường truyền như sau: Điện cảm:

Mạch vi dải được tính toán theo lý thuyết đường truyền vi dải với trở kháng đường truyền được chọn là 50 phù hợp với đấu nối SMA Trở kháng đường truyền Z0 được tính như công thức (2.3) với D là đường kính vỏ dây; d là đường kính lõi dây và ϵ là hằng số điện môi của lớp Teflon.

Khảo sát connector SMA trên thị trường cho thấy Connector có mã:

0732510420 của hãng Molex [28] có đường kính lõi: d= 1,27 mm và đường kính vỏ:

D=4,25mm Học viên đã đặt giá trị d=1,4mm và D=4,7mm làm giá trị đường kính lỗ via nhằm phù hợp với quá trình chế tạo ăng-ten tại Chương 3

Trở kháng đặc tính sau tính toán:

Như vậy, theo lý thuyết của đường truyền vi dải và thông số tham khảo từ connector SMA trên thị trường Kích thước đường kính lỗ đặt dây dẫn trung tâm là 1,4 mm.

Bước 2: Thiết kế phần tử bức xạ

Phần tử bức xạ của ăng-ten được thiết kế để hoạt động tại tần số trung tâm 5,9 GHz là patch hình tròn với kích thước được tính toán thô dựa trên Hàm Bessel bậc n cho ăng-ten có bức xạ tròn kết hợp tối ưu hóa bằng phần mềm CST [29] Ở chế độ TM nm , tần số cộng hưởng của ăng-ten được xác định theo công thức (2.4): f nm = X nm c

Kết quả mô phỏng và phân tích

Trong phần này, học viên sẽ trình bày về kết quả mô phỏng của ăng-ten được thực hiện trên phần mềm CST gồm hệ số suy hao phản hồi |S11| và đồ thị bức xạ 3D.

Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của ăng-ten tái cấu hình được chỉ ra ở Hình2.14 Có thể thấy rằng tại cả 6 cấu hình S1, S2, S3, S4, S5 và S6 của ăng-ten đều bao phủ băng tần 5,9 GHz (5,85 – 5,925 GHz) theo tiêu chuẩn IEEE802.11p Băng thông ở mức -10 dB là 215 MHz (từ 5,84 GHz đến 6,07 GHz) với các cấu hình S1, S2, S3 và S4; 517 MHz (từ 5,5 GHz đến 6,02 GHz) đáp ứng yêu cầu về băng thông ứng dụng cho công nghệ V2X và hệ thống giao thông thông minh.

(c) Hình 2 14 Kết quả mô phỏng tham số |S11|

2.3.2 Phân bố dòng điện trên bề mặt của Ăng-ten Để giải thích hoạt động của ăng-ten vi dải tái cấu hình, phân bố dòng bề mặt được mô phỏng và trình bày ở Hình 2.15 (a) - (h) ở tần số 5,9 GHz Dễ dàng thấy rằng, dòng bề mặt phân bố mạnh nhất qua các cạnh của phần tử bức xạ hình quạt và yếu dần khi chạy hết cánh phản xạ ở mặt dưới Hơn nữa, chiều dài điện của phần tử bức xạ ở cấu hình S5 và S6 dài hơn bốn cấu hình S1, S2, S3 và S4 Điều này có nghĩa là vị trí của các điểm nối là nguyên nhân gây ra việc dịch tần số ở đồ thị tham số S11 (Hình 2.14).

Hình 2 15 Phân bố dòng trên bề mặt của Ăng-ten tái cấu hình ở 6 cấu hình khác nhau S1, S2, S3, S4, S5 và S6

2.3.3 Đồ thị bức xạ 2D và 3D Đồ thị bức xạ 2D và 3D của ăng-ten với sáu cấu hình khác nhau được thể hiện trên Hình 2.16 (a) - (f) và Hình 2.17 (a) – (f).

(g) Tổng hợp sáu cấu hình theo mặt phẳng phương vị

Hình 2 16 Đồ thị bức xạ 2D

Hình 2 17 Đồ thị bức xạ 3D

Hình 2.16 (a) – (f) chỉ ra đồ thị bức xạ 2D của ăng-ten tại các cấu hình khác nhau Có thể thấy rằng, ở các cấu hình hướng búp sóng chính của ăng-ten là khác nhau trong khi tần số cộng hưởng ít thay đổi Kết hợp với Hình 2.16 (g) là tập hợp của cả 6 cấu hình theo mặt phẳng phương vị cho thấy thiết kế đề xuất cung cấp vùng phủ sóng cho toàn bộ mặt phẳng phương vị ( φ = 0° – 360°) trong một khu vực mặt phẳng độ cao (θ = 75° – 105°, với θ = 0° tương ứng với trục - Z) thỏa mãn yêu cầu về vị trí đặt ăng-ten từ tiểu mục 1.2.3 và đồng thời cũng thỏa mãn yêu cầu về thời gian thực được rút ra từ tài liệu mà Volvo Cars áp dụng trong tiểu mục 1.3.1.

Hệ số tính hướng của ăng-ten lần lượt là 4,56 dBi, 4,56 dBi, 4,56 dBi, 4,56 dBi, 3,5 dBi và 3,5 dBi tương ứng với các cấu hình S1, S2, S3, S4, S5 và S6 Bảng 2.2 trình bày tóm tắt các kết quả mô phỏng của ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ, bao gồm các tham số như: tần số cộng hưởng, băng thông, hệ số tăng ích và hiệu suất, hệ số tính hướng, hướng của búp sóng chính và búp sóng nửa công suất.

Chương 2 đã lựa chọn phương pháp chuyển đổi phần tử bức xạ và kỹ thuật tái cấu hình sử dụng chuyển mạch điện tử điốt PIN để thay đổi đồ thị bức xạ của ăng-ten Công cụ mô phỏng CST Microwave Studio với đặc tính nổi bật trong hỗ trợ thiết kế và mô phỏng ăng-ten cao tần cũng được lựa chọn.

Nội dung thứ hai mà chương đạt được là áp dụng những lựa chọn nêu trên cùng với yêu cầu đã đặt ra ở Chương 1 để thiết kế một ăng-ten vi dải tái cấu hình theo đồ thị bức xạ với quy trình đầy đủ từ đặt mục tiêu, thiết kế, mô phỏng và đánh giá Ăng-ten thiết kế đáp ứng đầy đủ các mục tiêu thiết kế đã đặt ra dành cho công nghệ V2X và hệ thống giao thông thông minh Các thông số kỹ thuật và đặc tính bức xạ thu được từ kết quả mô phỏng sẽ được xác thực bằng chế tạo, đo kiểm trong phòng LAB và trong môi trường thực Kết quả này sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.

ĐO KIỂM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ DỰA TRÊN THỰC NGHIỆM

Đo Ăng-ten thụ động

3.1.1 Các tham số đo thụ động

Do điều kiện phòng Lab, các phép đo thụ động thường được thực hiện chủ yếu trên máy phân tích mạng VNA, đánh giá khả năng hoạt động của ăng-ten thông qua hai tham số cơ bản là tần số hoạt động và băng thông Hai tham số này có thể được xác định thông qua một trong hai tham số đặc thù khác Đó là hệ số phản xạ và hệ số sóng đứng VSWR Hệ số phản xạ được xác định bởi tỷ lệ giữa công suất phản xạ và tổng công suất đầu vào, có thể dùng một cách gọi khác là Sii, i = 1-N với N là số cổng ăng-ten có trong thiết bị VSWR là tỷ lệ giữa điện áp tối đa và tối thiểu của sóng đứng trên đường truyền Mặc dù các định nghĩa của chúng là khác nhau, hai phép đo này thực sự tương đương nhau Các công thức chuyển đổi giữa chúng được hiển thị trong Công thức (3.1) và (3.2).

Hệ số phản xạ ∗log 10 ( VSWR−1 VSWR+1) (dB) (3.1)

Bảng 3.1 đưa ra một số chuyển đổi tương ứng giữa hệ số phản xạ và VSWR. Khi cài đặt thông số kỹ thuật ăng-ten, một số công ty muốn sử dụng hệ số phản xạ trong khi những công ty khác thích VSWR, do đó việc sử dụng bảng chuyển đổi này sẽ thuận tiện hơn cho người dùng khi học viên kết quả đo để đánh giá tham số hoạt động của ăng-ten

Bảng 3 1 Bảng chuyển đổi giữa VSWR và hệ số phản xạ

VSWR Hệ số phản xạ (dB)

Như một cách hiểu dễ dàng, chỉ cần ghi nhớ hai mối quan hệ gần đúng:

1 Xác định hệ số phản xạ -10dB xấp xỉ bằng VSWR 2: 1

2 Xác định hệ số phản xạ -6dB xấp xỉ bằng VSWR 3: 1

(a) Hệ số phản xạ (b) VSWR

Hình 3 1 Suy hao phản hồi (Return Loss) và hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) Để đánh giá băng tần hoạt động của ăng-ten, tham số “hệ số phản xạ” tiêu chuẩn là -10dB Tuy nhiên tùy từng trường hợp cụ thể mà tham số này có thể thay đổi Ví dụ: một ăng-ten có hệ số phản xạ -6dB vẫn phù hợp nếu đó là ăng-ten đa băng tần và ăng-ten đó được lắp đặt trong vỏ thiết bị Đối với ăng-ten trạm gốc hệ số phản xạ thường yêu cầu là -20dB Với hệ số phản xạ là -6dB xấp xỉ VSWR bằng 3: 1 còn hệ số phản xạ -20 dB xấp xỉ 1,22:1 Trong luận văn này, học viên đã đề xuất mẫu ăng-ten tái cấu hình kích thước nhỏ cho thiết bị đầu cuối nên sử dụng mức tham chiếu tiêu chuẩn S11 là -10dB.

Hình 3 2 Một vật đo cố định được kết nối với máy đo VNA Ăng-ten là phần tử bức xạ nên bất kỳ vật thể nào ở gần đều có thể ảnh hưởng đến phản xạ của ăng-ten Vì vậy, ăng-ten khi tiến hành đo trong phòng Lab cần phải cách xa và được đặt trên một miếng xốp, có độ từ thẩm gần bằng 1 Hình 3.2 mô tả một thiết lập thử nghiệm và đảm bảo ăng-ten không bị ảnh hưởng bởi các vật thể gần đó Khi cần, có thể thay đổi khoảng cách từ ăng-ten đến bàn gỗ bằng cách thêm nhiều xốp sẽ làm cho hệ số phản xạ của ăng-ten ổn định

Hình 3 3 Một chiếc máy VNA của hãng Rohde & Schwarz

Máy phân tích mạng là thiết bị có thể đo nhiều loại thông số khác nhau, chẳng hạn như hệ số phản xạ, suy hao phản hồi, v.v Một máy phân tích mạng Vector (Vector Network Analyzer) như giới thiệu trong Hình 3.3 có thể đo cả biên độ và pha, nghĩa là nó có thể hiển thị giá trị trở kháng của ăng-ten trên Biểu đồ Smith và điều này rất cần thiết khi điều chỉnh phối hợp trở kháng Với sự giúp đỡ của một máy VNA, quá trình điều chỉnh này diễn ra rất thuận tiện

Hình 3 4 Sơ đồ của một VNA đơn giản

Trên Hình 3.4 là sơ đồ của một máy phân tích mạng Vector (VNA) đơn giản. Bao gồm hai cổng chỉ để đo S11 và S21 Có ba máy thu vector bên trong VNA Mỗi máy có thể đo biên độ và pha đồng thời R là một máy thu tham chiếu được kết nối với nguồn tín hiệu thông qua một bộ chia công suất Do đó, giá trị đo được tỷ lệ thuận với công suất phát ra từ cổng 1, được kết nối với nhánh khác của bộ chia công suất A là máy thu phản xạ, được kết nối với cổng 1 thông qua bộ ghép có hướng.

Bộ ghép được thiết kế để chỉ ghép đôi công suất được tạo ra từ DUT và bỏ qua công suất từ cổng 1 B là bộ thu, đo mức năng lượng truyền qua DUT và đi vào cổng 2. Dựa trên các giá trị phức được đo từ máy thu A và R, giá trị S11 có thể được xác định chính xác Với các giá trị từ các máy thu B và R, S21 cũng xác định

Một VNA hai cổng trong thực tế có thể đo cả bốn tham số S (S11, S21, S12 và S22) tuy nhiên cấu trúc thiết bị sẽ phức tạp hơn Mặc dù vậy, nguyên lý đo lường là như nhau

3.1.2 Phòng câm trong phép đo thụ động

Môi trường tốt nhất để đảm bảo độ chính xác của ăng-ten khi đưa vào áp dụng trong thực tế là trong không gian tự do Tuy nhiên, điều này không thể thực hiện được trong phòng lab Vì vậy để giảm thiểu sai số đo kiểm, các phòng nghiên cứu sử dụng phòng câm không phản xạ Trong một phòng câm không phản xạ lý tưởng, tất cả các sóng điện từ truyền ra bên ngoài và không được phản hồi trở lại, tương tự như truyền sóng trong không gian tự do Một phòng câm không phản xạ là một phòng mà tất cả các bề mặt bên trong được phủ bằng vật liệu hấp thụ bức xạ (Radiation Absorbent Material).

Trên Hình 3.5 (a) là một phòng câm hình chữ nhật và hình 3.5 (b) là một phòng câm hình horn Cả hai đều được sử dụng rộng rãi trong các phòng đo siêu cao tần Trong hầu hết các phòng, ăng-ten truyền và thiết bị thử nghiệm được đặt dọc theo chiều dài của phòng Trong Hình 3.5 (b), một ăng-ten horn được đặt ở phần búp đóng vai trò là ăng-ten truyền và ăng-ten thử nghiệm được đặt nằm tại trung tâm của phần hình chữ nhật So với phòng câm hình horn, phòng câm hình chữ nhật nhỏ gọn hơn và chi phí xây dựng thấp hơn Tuy nhiên, dải tần số làm việc của nó hẹp hơn và hiệu suất bức xạ tổng thể cũng kém hơn.

(a) Phòng câm hình chữ nhật (b) Phòng câm hình horn

Hình 3 5 Hai loại phòng câm phổ biến

Vật liệu hấp thụ bức xạ (Radiation Absorbent Material) được thiết kế và được đặt tại các vị trí khác nhau trong phòng để hấp thụ bức xạ RF không mong muốn, hấp thụ càng nhiều càng tốt và từ càng nhiều hướng càng tốt Dựa trên nguyên lý vật lý, tại một điểm tiếp giáp của hai chất điện môi khác nhau, một phần sóng điện từ không mong muốn sẽ được phản xạ trở lại Vì toàn bộ mục đích của RAM là để hấp thụ năng lượng thay vì phản xạ lại nên giảm thiểu sự khác biệt giữa hai chất điện môi là cần thiết Chất điện môi là không khí, có độ thấm là 1 Vật liệu hấp thụ được làm từ xốp hoặc cao su, bao gồm một lượng lớn không khí và độ thấm của nó cũng gần bằng 1. Để hoạt động như một chất hấp thụ bức xạ, độ thấm thấp không phải là yêu cầu duy nhất RAM phải có đặc tính tổn hao thích hợp và cần phải làm suy hao hầu hết sóng điện từ trước khi bức xạ tới bức tường che chắn kim loại phía sau nó, nơi sóng được phản xạ trở lại Bằng cách pha tạp xốp cao su với hỗn hợp có kiểm soát của carbon hoặc sắt, tính chất hấp thụ mong muốn có thể đạt được.

Trên Hình 3.6 là hình dạng của vật liệu hấp thụ thường được sử dụng Hình3.6 (a) có hình kim tự tháp và Hình 3.6 (b) còn lại có hình nêm Chất hấp thụ nêm đã được sử dụng trong phòng câm như trong Hình 3.5 (b) và có thể nhìn thấy chúng trong phần thon của phòng câm hình horn.

(a) Hình kim tự tháp (b) Hình nêm

Hình 3 6 Hình dạng vật liệu hấp thụ bức xạ

Trên Hình 3.7 là một thiết lập thử nghiệm tiêu chuẩn trong phòng câm 2D. Một ăng-ten horn phân cực kép đóng vai trò là ăng-ten phát và điện thoại chứa Ăng- ten thử nghiệm được đặt trên bàn xoay đóng vai trò là máy thu Vì hệ thống là đối ứng, do đó giá trị đo phải giống nhau nếu điện thoại đóng vai trò là máy phát và ăng-ten horn phân cực kép đóng vai trò là máy thu Một máy phân tích mạng Vector đo lường tổn hao truyền dẫn giữa ăng-ten horn phân cực kép và điện thoại là trung tâm của hệ thống đo lường.

Hình 3 7 Sơ đồ khối đơn giản của thiết lập thử nghiệm 2D Để đánh giá ăng-ten, phải đo các mẫu bức xạ của cả phân cực ngang và đứng Ăng-ten horn phân cực kép là một ăng-ten tiêu chuẩn Một chuyển mạch kép hai cực (SPDT) có thể được sử dụng để thay đổi giữa hai chế độ phân cực Đối với các phòng câm đòi hỏi băng thông rộng hơn và sự cách ly phân cực tốt hơn thì ăng- ten horn phân cực đơn thường được sử dụng Trong một hệ thống như vậy, điện thoại phải được đo hai lần với bàn xoay quay 90 giữa các lần đo

Một phòng câm 2D rất hữu ích để đo các ăng-ten có độ lợi cao, chẳng hạn như ăng-ten mảng Tuy nhiên, trong lĩnh vực cao tần sử dụng phòng câm 3D là tiêu chuẩn để đo kiểm ăng-ten Trên hình 3.8 là phòng câm 3D, sự khác biệt duy nhất giữa phòng câm 2D và phòng câm 3D là bàn xoay Trong phòng câm 3D, điện thoại có thể xoay trong mặt phẳng góc phương vị và nó cũng có thể xoay quanh góc ngẩng.

Hình 3 8 Sơ đồ khối đơn giản của thiết lập thử nghiệm 3D

3.1.3 Kết quả đo thụ động Ăng-ten tái cấu hình được chế tạo trên vật liệu FR4 có kích thước tổng thể

Đo Ăng-ten chủ động

Trong đo ăng-ten thụ động, ăng-ten được cách ly khỏi hệ thống, mang lại môi trường lý tưởng để thiết kế, sửa lỗi và tối ưu hóa Các phép đo thụ động là một bài kiểm tra ở mức thành phần Để là một sản phẩm sử dụng trên thị trường, các thiết bị mạng không dây luôn được nhà kiểm thử, nhà sản xuất thiết bị đánh giá tổng thể mà không thực sự quan tâm đến việc ăng-ten hoạt động như thế nào Thử nghiệm ăng-ten chủ động đó thường được gọi là Thử nghiệm hiệu suất môi trường bên ngoài (Over the Air Performance Testing- OTA), là điều kiện thử nghiệm hệ thống được các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra để sản phầm được chấp nhận Các thử nghiệm OTA xác định một cách cụ thể các nguồn gây ảnh hưởng đến hiệu suất kết nối của thiết bị Các thử nghiệm này đáp ứng nhu cầu kiểm tra sản phẩm trên thực địa về kết nối và cũng cho phép các nhà khai thác nhanh chóng đánh giá các sản phẩm mới

3.2.1 Các tham số đo chủ động

Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả (Effective Isotropic Radiated Power), công suất bức xạ hiệu quả (Effective Radiated Power) và tổng công suất bức xạ (Total Radiated Power) là tất cả các tham số được sử dụng để đánh giá hiệu suất. Đơn vị thường được sử dụng là dBm, viết tắt của tỷ lệ công suất tính bằng decibel (dB) được tham chiếu đến một milliwatt (mW).

Trên Hình 3.12 là minh họa của công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả(EIRP) Giả sử tín hiệu có công suất 0 dBm được phát ra từ một ăng-ten đẳng hướng và nó truyền ra ngoài không gian tự do Rõ ràng, giả sử ăng-ten đẳng hướng chỉ là lý thuyết, vì không có ăng-ten như vậy trong thực tế Ở một khoảng cách R nhất định, tín hiệu công suất thu được theo lý thuyết từ ăng-ten đẳng hướng là X dBm Bây giờ thay thế ăng-ten đẳng hướng bằng ăng-ten được tích hợp trên thiết bị nếu công suất của tín hiệu thu được tăng thêm 3 dB thì EIRP của thiết bị ở hướng góc đó là 3 dB trên 0 dBm, tương đương 3 dBm EIRP là một phép đo tương đối, do đó cho dù khoảng cách R là bao nhiêu thì EIRP của các thiết bị tích hợp ăng-ten luôn giống nhau.

Vì ăng-ten tích hợp trên thiết bị không phải lúc nào cũng là ăng-ten đẳng hướng, năng lượng mà nó tỏa ra theo các hướng khác nhau cũng khác nhau Do đó, tham số ERIP của thiết bị tích hợp ăng-ten thử nghiệm là một biến phụ thuộc vào hướng kiểm tra và định hướng của thiết bị thử nghiệm Tuy nhiên, thông thường khi nhắc đến EIRP thì sẽ hiểu là EIRP đỉnh Mối quan hệ giữa EIRP đỉnh của thiết bị, công suất dẫn (conductive power) và độ lợi có thể được viết theo công thức 3.3:

EIRP peak (dBm)=P cond (dBm)+Gain(dB) (3.3)

Công suất dẫn là công suất khả dụng tại đầu nối SMA với cổng của ăng-ten. Chỉ dựa trên EIRP đỉnh sẽ không thể đánh giá chính xác chất lượng ăng-ten Có thể có được EIRP đỉnh tương tự bằng cách tăng công suất dẫn có hiệu suất thấp.

Công suất bức xạ hiệu quả (ERP) khá giống với EIRP, ngoại trừ nó sử dụng một ăng-ten lưỡng cực làm ăng-ten tham chiếu thay vì một ăng-ten đẳng hướng.

ERP nhỏ hơn EIRP 2,14 dB là giá trị khuếch đại của ăng-ten lưỡng cực nửa sóng. Trên thực tế, chúng ta cần cả ERP và EIRP Điều này là vì lý do lịch sử Trong phòng câm 2D, ăng-ten lưỡng cực thường được sử dụng làm ăng-ten tham chuẩn, việc tính toán ERP từ sự khác biệt giữa ăng-ten đo kiểm và ăng-ten lưỡng cực dễ hơn một chút so với tính toán EIRP Sau khi phòng câm 3D được sử dụng rộng rãi, EIRP được sử dụng thường xuyên hơn

Ngày nay, tham số được sử dụng thường xuyên nhất để đánh giá máy phát không phải là ERP hay EIRP, đó là TRP (tổng công suất bức xạ) Đúng như tên gọi của nó, TRP thể hiện lượng bức xạ mà thiết bị không dây tỏa vào không gian tự do.

Nó là tích phân của EIRP trên diện tích bề mặt của một bán cầu:

[ EIRP θ (θ , ϕ)+EIRP ϕ (θ , ϕ)] sin (θ )dϕdθ (3.4 ) trong đó EIRP θ và EIRP ϕ là phân cực Theta và Phi của EIRP Phân cực Theta còn được gọi là phân cực dọc và phân cực Phi được gọi là phân cực ngang Trong thực tế, TRP được tính toán từ dữ liệu đo lường rời rạc Đối với một hình cầu hoàn chỉnh được đo bằng các khoảng N-Theta và M-Phi, cả hai đều có khoảng cách góc đều nhau, TRP có thể được viết là:

[EIRP θ ( θ i , ϕ j )+ ¿¿ EIRP ϕ ( θ i , ϕ j )]sin ⁡ (θ i )¿ ¿ (3.5) Đơn vị của TRP ở đây là dBm Sự khác biệt giữa công suất dẫn ( P cond ) và TRP là hiệu suất ăng-ten TRP luôn thấp hơn công suất dẫn Đây là lý do mà các tổ chức thích sử dụng dB làm đơn vị khi nói về hiệu suất ăng-ten

Bên cạnh công thức tích phân, có một cách trực quan hơn để định nghĩa TRP:

TRP=P cond (dBm)+Efficiency(dB) (3.6)

Từ phương trình (3.3) và (3.6), mối quan hệ giữa EIRP đỉnh và TRP tương tự như mối quan hệ giữa độ lợi và hiệu suất EIRP đỉnh và TRP đỉnh có mối tương quan cao Tuy nhiên, TRP yêu cầu một phép đo 3D đầy đủ và EIRP có thể thu được bằng một phép đo duy nhất Độ lợi cực đại của hầu hết các ăng-ten cho di động là khá thấp, điều này có nghĩa là phép đo EIRP không nhạy cảm với sự thay đổi vị trí. Để đánh giá 20 mẫu ăng-ten, phép đo TRP cần ít nhất nửa ngày, trong khi phép đo EIRP có thể được thực hiện trong vài phút Trước khi sử dụng phương pháp EIRP để thay thế các phép đo TRP, các mẫu tham chuẩn của tất cả các mẫu ăng-ten được nhất quán

3.2.2 Thiết bị sử dụng trong thiết lập đo chủ động

3.2.2.1 Máy phát tín hiệu cao tần

Hình 3 12 Máy phát tín hiệu R&S®SMB100A

Máy phát tín hiệu là nguồn phát ra tín hiệu Tín hiệu này có thể là sóng sin cơ bản, xung hoặc tín hiệu điều chế Các máy phát tín hiệu cũng thường được gọi là nguồn tín hiệu hoặc đơn giản là nguồn Một máy phát tín hiệu cho phép bạn phát tín hiệu với tần số, biên độ và khoảng thời gian khác nhau.

Máy phát tín hiệu thường được sử dụng để cung cấp một tín hiệu sóng sin ổn định Tín hiệu này có nhiều ứng dụng trong viễn thông Ví dụ trong thử nghiệm máy thu RF Một tín hiệu sóng sin sạch, nhiễu pha và méo thấp được đưa tới máy thu RF Điều này cho phép các nhà thiết kế đánh giá được hiệu suất thực tế của máy thu RF.

Khi thử nghiệm một thiết kế, muốn đảm bảo sự chắc chắn và chính xác trong các phép đo Do đó máy phát tín hiệu phải xuất ra một tín hiệu sin lý tưởng nhất có thể Tín hiệu sin không lý tưởng sẽ khiến mức tạp âm, hài và tín hiệu giả cao Nhiễu pha cao che khuất tín hiệu mức thấp Một máy phát tín hiệu hiệu suất cao cung cấp một tín hiệu hình sin gần như lý tưởng, với nhiễu pha, hài và tín hiệu giả thấp.

Một máy phát tín hiệu cũng cho phép tạo ra các tín hiệu phức tạp từ một thiết bị tích hợp, đơn lẻ mà không cần thêm phần cứng bổ trợ phức tạp Để làm được điều đó phải sử dụng cùng với phần mềm mạnh mẽ, các tín hiệu phức tạp như tín hiệu điều chế số,… có thể được tạo ra bởi duy nhất một máy phát tín hiệu có hiệu suất, độ trung thực cao.

Chương 3 đã giới thiệu về các tham số sử dụng trong quá trình đo kiểm đồng thời trình bày về các phương pháp đo và cách thức thiết lập các mô hình đo kiểm nhằm đánh giá trong môi trường thực đối với mẫu ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ đề xuất ở Chương 2 Từ kết quả đo thụ động đến kết quả đo chủ động đều cho thấy rằng ăng-ten đề xuất hoàn toàn có thể ứng dụng được trong môi trường thực.

KẾT LUẬN LUẬN VĂN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, luận văn đã nêu ra những đặc điểm, chức năng và hoạt động của ăng-ten trong công nghệ V2X và hệ thống giao thông thông minh cùng với đó trình bày những thách thức, yêu cầu trong thiết kế ăng-ten. Tiếp theo, luận văn hướng đến lựa chọn công nghệ, phương pháp, kỹ thuật và công cụ nhằm thiết kế một mẫu ăng-ten vi dải tái cấu hình theo đồ thị bức xạ sử dụng tiếp điện cáp đồng trục mới giải quyết những vấn đề còn tồn tại trong việc thiết kế ăng- ten như: đơn giản, kích thước nhỏ và phủ sóng bức xạ cho toàn bộ mặt phẳng phương vị trong một khu vực mặt phẳng độ cao từ 75° – 105° Phần cuối cùng, ăng- ten đề xuất được chế tạo và đo kiểm qua hai vòng là thử nghiệm trong phòng LAB với máy phân tích mạng Vector (VNA) và thử nghiệm trong môi trường thực với máy phân tích phổ Keysight N9918A và máy phát tín hiệu R&S®SMB100A Kết quả thu được từ máy phân tích phổ cho thấy ăng-ten cường độ tín hiệu thu được xấp xỉ ăng-ten dipole tham chuẩn có độ lợi là 2dBi ở các búp sóng chính Từ đó, cho thấy ăng-ten đề xuất có thể hoạt động tốt trong môi trường thực và là ứng cử viên tiềm năng để tích hợp vào hệ thống giao thông thông minh trong tương lai.

Trong thời gian sắp tới, để cải thiện độ lợi và hiệu suất cho ăng-ten học viên sẽ áp dụng cấu trúc đề xuất để chế tạo trên chất nền như (RO4350B hay RT/duroid® 5880) đồng thời tối ưu kích thước mạch điều khiển điện áp để trong thời gian sớm nhất đưa những sản phẩm với công nghệ tiên tiến này áp dụng trong hệ thống giao thông thông minh trong tương lai.

TỔNG HỢP MẠCH ĐIỆN TỬ & THIẾT BỊ SỬ DỤNG

T Tên mạch & thiết bị Ứng dụng

1 Mạch điều khiển điện áp

Thay đổi điện áp một chiều để điều khiển chuyển mạch điốt PIN. Đầu vào:

Nhận điện áp đầu vào từ có giá trị

+5VDC. Đầu ra: Điện áp một chiều đầu ra thay đổi từ +0,9 VDC cho trạng thái

ON và 0 VDC cho trạng thái OFF của điốt PIN.

2 Máy phân tích mạng vector

Chức năng được sử dụng : Đo kiểm hai tham số: Hệ số phản xạ (S11) và độ cách ly (S21) giữa hai cổng của Ăng-ten.

Chức năng được sử dụng :

Sử dụng để cung cấp một tín hiệu sóng sin với công suất phát ổn định tại tần số5,9 GHz

4 Máy phân tích phổ Keysight