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

Nội dung bài viết trình bày 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 Anten Tuyến Tính Có u Cầu Đặt Dải Rộng Các Điểm Không Trên Giản Đồ Bức Xạ Lương Xuân Trường1, Trương Vũ Bằng Giang2, Trần Minh Tuấn3 Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Đại học Quốc gia Hà Nội Viện Chiến lược Thông tin Truyền thông, Bộ Thông tin Truyền thông Email: truonglx01@gmail.com, giangtvb@vnu.edu.vn, tm_tuan@mic.gov.vn Tóm tắt- Bài báo đề xuất giải pháp thiết kế mạng tiếp điện song hành hoạt động dải tần 5.8 GHz sử dụng cho mảng anten tuyến tính 12 phần tử đáp ứng yêu cầu đặt dải rộng điểm không (nulls) giản đồ xạ Thuật toán đàn Dơi sử dụng để tính tốn phân bổ cơng suất lối mạng tiếp điện dựa kỹ thuật tối ưu điều khiển biên độ Mạng tiếp điện sử dụng chia hai cơng suất hình T chia ba công suất Bagley thiết kế vật liệu Rogers RT/5870 có kích thước 331.5 x 72 x 1.575 mm3 Kết mô với giả thiết dãy điểm khơng đặt khoảng góc 42-66o cho thấy phân bổ công suất lối mạng tiếp điện đáp ứng yêu theo lý thuyết; mạng tiếp điện có băng thơng hoạt động 490 MHz với giá trị -10 dB hệ số phản xạ S1,1 Từ khóa- Thuật tốn đàn Dơi, kỹ thuật điều khiển búp sóng mảng anten tuyến tính, thiết kế mạng tiếp điện song hành I GIỚI THIỆU Ngày nay, hệ thống thông tin vô tuyến ngày phát triển số lượng ứng dụng Vì vậy, băng tần sử dụng chia sẻ cho nhiều loại nghiệp vụ vô tuyến khác Để giảm ảnh hưởng nhiễu có hại từ nguồn tín hiệu bên điều kiện phải dùng chia sẻ băng tần, nhiều trường hợp thực tế hệ thống vô tuyến yêu cầu thay đổi giản đồ xạ anten để hướng định, điểm khơng đặt vào nhằm giảm tối đa tăng ích thu/phát anten để hạn chế thu/phát tín hiệu không mong muốn Kỹ thuật biết đến kỹ thuật điều kiển điểm không giản đồ xạ (pattern-nulling) Có loại yêu cầu đặt điểm không giản đồ xạ anten là: Đặt điểm không đơn lẻ (single null); đặt đồng thời nhiều điểm không rời rạc (multi nulls); đặt dải rộng liên tục điểm khơng (broad null) Trong số đó, trường hợp đặt dải rộng điểm không phổ biến Đối với mảng anten tuyến tính, việc đặt điểm không giản đồ xạ thực thông qua việc điều chỉnh phân bổ biên độ (công suất) nguồn tín hiệu đặt đầu vào phần tử anten mảng Trong mảng anten thơng minh, điểm khơng đặt thay đổi theo thời gian thực nhờ sử dụng điều khiển búp sóng số (digital beamformers) Tuy nhiên, mảng anten thơng minh có cấu trúc phần cứng phức tạp vớt thành phần kèm xử lý tín hiệu, biến đổi tương tự-số thường có giá thành cao Trên thực tế, triển khai hệ thống khu vực mà hướng nguồn tín hiệu ngồi gây nhiễu xác định trước không thay đổi theo thời gian, mảng anten cố định sử dụng để giảm phức tạp hệ thống giảm giá thành Khi đó, mảng anten tiếp điện mạng tiếp điện cố định thiết kế với lối tương ứng với yêu cầu phân bổ công suất (biên độ) tín hiệu lối vào phần tử mảng anten Có hai loại cấu trúc mạng tiếp điện song hành nối tiếp [1] Cấu trúc nối tiếp có kích thước nhỏ gọn, suy hao băng thơng hẹp Việc tính tốn cơng suất lối phức tạp nên không thuận lợi thiết kế mảng có kích thước lớn Ngược lại, cấu trúc song hành có kích thước lớn, bị tổn hao nhiều ghép nối lại có băng thơng rộng Các mạng tiếp điện song hành cho phép tính tốn lối cách dễ dàng chúng chủ yếu xây dựng từ phần tử chia công suất hình T Wikinson Đã có nhiều thiết kế mạng tiếp điện cho mảng anten tuyến tính đề xuất Cụ thể, mạng tiếp điện nối tiếp đề xuất [2-5] mạng tiếp điện song hành đề xuất [6-9] Tuy nhiên, thiết kế hướng đến giải yêu cầu tốn giảm mức búp sóng phụ Các mạng tiếp điện thiết kế dựa phân bổ biên độ theo chuỗi số học Chebyshev, Taylor hay Binomial Tại nghiên cứu [10] nhóm tác giả báo này, cấu trúc tiếp điện nối tiếp đề xuất cho mảng anten tuyến tính 12 phần tử đáp ứng yêu cầu đặt dãy điểm khơng khoảng góc 55o-60o Tuy vậy, nhược điểm cấu trúc tín hiệu lối mạng tiếp điện đồng pha băng thông hẹp Trong báo này, cấu trúc tiếp điện song hành đề xuất để sử dụng cho mảng anten tuyến tính 12 phần tử đáp ứng yêu cầu giảm nhiễu hướng búp sóng phụ phương pháp đặt dải rộng điểm không giản đồ xạ Mạng tiếp điện thiết kế hoạt động dải tần số 5.8 GHz, dải tần sử dụng phổ biến cho hệ thống vơ tuyến phục vụ mục đích nghiên cứu khoa học, y tế công nghiệp (ISM) hệ thống di động, cố định vơ tuyến định vị Nội dung trình bày phần báo sau: Mục II trình bày phương pháp tính tốn phân bổ biên độ đáp ứng yêu cầu đặt dải rộng điểm không giản đồ xạ mảng anten tuyến tính Mục III trình 851 bày chi tiết thiết kế mạng tiếp điện Các kết mơ trình bày Mục IV nội dung nghiên cứu kết luận Mục V II TÍNH TỐN PHÂN BỔ BIÊN ĐỘ ĐÁP ỨNG U CẦU ĐẶT DẢI RỘNG CÁC ĐIỂM KHƠNG Thuật tốn đàn Dơi sử dụng nghiên cứu để tính phân bổ công suất mảng tiếp điện dựa kỹ thuật tối ưu điều khiển biên độ Ứng dụng thuật toán đàn Dơi điều khiển búp sóng phương pháp điều khiển biên độ phát triển cơng bố nghiên cứu có liên quan đồng tác giả báo [11] Với nguyên lý tương tự, thuật toán đàn Dơi áp dụng để tính tốn phân bổ biên độ cho mảng anten tuyến tính đáp ứng yêu cầu đặt dải rộng điểm không giản đồ xạ mảng anten tuyến tính Mảng anten lựa chọn nghiên cứu báo mảng tuyến tính gồm 12 phần tử dãn cách khoảng cách nửa bước sóng Khoảng dải rộng điểm khơng giả định khoảng góc [42o, 66o] giản đồ xạ (là khoảng góc bao trùm búp sóng phụ liền kề nhau, từ búp sóng phụ thứ đến búp sóng phụ thứ tư) Theo lý thuyết anten mảng hệ số mảng (array factor) AF tính cơng thức: 𝑗(𝑛𝑑𝑘𝑠𝑖𝑛(𝜃)+𝛿𝑛 ) 𝐴𝐹(𝜃) = ∑𝑁 𝑛=−𝑁 𝑎𝑛 𝑒 Hình So sánh hàm AFo tối ưu (broad null) hàm AFr tham chiếu (Chebyshev) III Trong phần này, cấu trúc mạng tiếp điện song hành chia công suất 12 lối theo tỉ lệ tương ứng với phân bổ biên độ đề xuất theo tính tốn Mục II Mạng tiếp điện đề xuất sở phân tích đặc điểm phân bổ cơng suất lối Để tính tốn chia công suât thành phần mạng tiếp điện, tỉ lệ biên độ quy đổi thành tỉ lệ công suất lối mạng tiếp điện sau: (1) 𝑃𝑖 = Ở đây, N = 6, d = λ/2, k số sóng, tính 𝑘 = 2𝜋/λ Để giữ búp sóng nằm vị trí trung tâm mảng, phân bổ pha biên độ hàm AF phải thoả mãn: δn = a-n = an Kỹ thuật điều khiển biên độ thay đổi phân bổ an giữ không đổi δn Hàm mục tiêu F thiết kế cho trình tìm kiếm phân bổ biên độ đáp ứng yêu cầu đặt dãy điểm không liên tục khoảng 42-66o sau: 𝐹= { )|2 , 𝜂|𝐴𝐹𝑜 (𝜃𝑖 𝜃𝑖 = [42, 66] 𝑣à 𝜂 𝑙à ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố ∑180 (θ) |𝐴𝐹 − 𝐴𝐹 𝜃 ≠ 𝜃𝑖 𝑜 𝑟 (θ)| , 𝜃=0 ±2 ±3 ±4 ±5 ±6 0,2017 0,4730 0,6501 0,9077 1,000 Lối 1;12 2; 11 3;10 4;9 5;8 6;7 0,1066 0,2017 0,4730 0,6501 0,9077 1.000 Pi 0,0114 0,0407 0,2238 0,4227 0,8240 1.000 Pi [dB] -26,47 -20,93 -13,52 -10,77 -7,87 -7,03 PN1 = P1 + P2 + P3 + P4 (4) PN2 = P5 + P6 + P7 + P8 (5) PN3 = P9 + P10 + P11 + P12 (6) PN1 = PN3 (7) PN1 : PN2 : PN3 = : ɑ : (8) Trong đó, Giá trị ɑ = 4/3 tính từ Pi Bảng Trên sở phân nhóm lối trên, mạng tiếp điện đề xuất với cấu trúc sau: Đặt trung tâm chia công suất đối xứng theo tỉ lệ công thức (8) Tại nhánh chia công suất, ghép tầng chia cơng suất hình T để phân bổ công suất đến lối mạng tiếp điện theo tỉ lệ Bảng Cấu trúc tổng thể mạng tiếp điện trình bày Hình Bảng 1: Phân bổ biên độ cho đặt dải rộng điểm không ±1 (3) Bảng cho thấy phân bổ biên độ công suất lối đối xứng qua trung tâm mạng tiếp điện Các lối mạng tiếp điện chia thành nhóm, nhóm có lối sau: (2) 0,1066 𝑎𝑖 2 ∑12 𝑛=1 𝑎𝑛 Bảng 2: Chuyển đổi tỉ lệ biên độ thành tỉ lệ công suất Hàm F hàm cực tiểu Quá trình tìm kiếm tối ưu kết thúc tìm giá trị F nhỏ giá trị tối thiểu vượt qua số vòng lặp xác định trước AFo hệ số mảng tương ứng với phân bổ biên độ cần tìm Và AFr hệ số tham chiếu đáp ứng yêu cầu giảm mức búp sóng phụ vị trí khơng bao gồm điểm khơng Trong nghiên cứu này, AFr chọn hệ số mảng với phân bổ biên độ theo chuỗi Chebyshev (mức búp phụ cài đặt -30 dB) Kết tính tốn tối ưu từ thuật toán đàn Dơi sử dụng hàm mục tiêu (2) cho phân bổ biên độ đáp ứng yêu cầu đặt dải rộng điểm không khoảng [42o, 66o] trình bày Bảng Hàm AF0 tương ứng phân bổ biên độ biểu diễn so sánh với hàm AFd Hình n a THIẾT KẾ MẠNG TIẾP ĐIỆN 86 Hình Cấu trúc mạng tiếp điện song hành có 12 lối đề xuất a) Thiết kế chia công suất Khi chia cơng suất có số lối số lẻ, thực phương pháp ghép tầng chia cơng suất cấu trúc mạng tiếp điện trở nên phức tạp Trong trường hợp này, chia Bagley thường sử dụng Ở dạng bản, chia công suất Bagley mơ tả Hình Đối với trường hợp tổng quát, chia Bagley thực chia cơng suất có lối đối xứng, không cân đề xuất nghiên cứu [12] Hình Sơ đồ mạch tương đương chia công suất Áp dụng định luật Kirchhoff cho phân tích dịng nút giao mạch tương đương, sở tìm mối quan hệ trở kháng sau: Z 𝑍1 𝑍2 = Hình Bộ chi cơng suất Bagley Tuy nhiên, chia cơng suất Hình có nhược điểm pha tín hiệu lối không đồng pha Để giải nhược điểm đó, nghiên cứu đề xuất dạng biến đổi chia cơng suất Bagley Hình Ở mơ hình này, đường tín hiệu từ lối vào đến lối nhau, qua cân pha tín hiệu lối Nhờ tính chất đối xứng lối chia nên sơ đồ mạch tương đương cấu trúc mơ tả Hình Z2 Z1 Z2 00 √𝛼 01 ) 𝑍2 (9) (10) 𝑍02 b) Thiết kế chia công suất hình T: Bộ chia cơng suất hình T sử dụng nghiên cứu thiết kế đề xuất Hình Trở kháng lối vào lối chuẩn hóa Z0 = 50 Ω Các trở kháng Zt, Zt1 Zt2 trở kháng đường truyền chuyển tiếp có độ dài ¼ bước sóng P01 Z0 PN2 Z02 PN1 Z01 = √2𝑍 (𝑍 − PN3 Z01 Zt1 Zt2 λ/4 Zt P02 Z0 λ/4 Z1 Z0 = 50 Ω Hình Bộ chia cơng suất hình T Pin Z00 Hình Đề xuất chia công suất cải tiến chia Bagley Giả thiết rằng, tỉ lệ chia công suất chia hình T β thỏa mãn: β= 873 𝑃01 𝑃02 (11) chia không tổn hao ( tổng (P01 + P02) cơng suất lối vào) Khi đó, trở kháng chuyển tiếp Zt, Z1t Z2t tính sau: 𝑍𝑡1 = 𝑍𝑜𝑡 √(1 + ) (12) 𝑍𝑡2 = 𝑍𝑜𝑡 √(1 + 𝛽) (13) 𝛽 𝑍𝑜𝑡 = IV 𝑍𝑡 𝑍0 Bảng 3: Kết mô phân bổ biên độ (chuẩn hóa) 12 lối mạng tiếp điện (14) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trên sở sử dụng công thức (9) đến (14), mạng tiếp điện tính tốn tối ưu Thiết kế mạng tiếp điện thực với vật liệu Rogers RT/Duroid RT5780 (hệ số điện mơi ԑ = 2.33) có kích thước (331.5 x 72 x 1.575 mm), dải tần hoạt động tính tốn 5.8 GHz Cấu trúc mạng tiếp điện có hai mặt, chia cơng suất thiết kề đồng phẳng mặt miếng vật liêu, mặt mặt phẳng đất Kết mô hệ số phản xạ lối vào mạng tiếp điện (S1,1) trình bày Hình Theo đó, mạng tiếp điện có dải tần hoạt động từ 5.59 GHz đến 6.08 GHz giá trị -10 dB S1,1 (băng thông 490 MHz) 1;12 2; 11 3;10 4;9 5;8 6;7 Lý thuyết 0,1066 0,2017 0,4730 0,6501 0,9077 1.000 Mô 0.1096 0.2164 0.4518 0.641 0.8930 1.000 Đáp ứng hệ số mảng AF với phân bổ biên độ nhận từ liệu mô mạng tiếp điện thể so sánh với giá trị lý thuyết Hình Mặc dù độ xâu điểm khơng có sai khác nhỏ, dãy điểm khơng hình thành rõ rệt hồn tồn phù hợp với dãy điểm khơng thiết kế theo lý thuyết Hình Đáp ứng hàm AF (chuẩn hóa) với phân bổ biên độ theo lý thuyết theo mô Kết mô phân bố dịng cơng suất thành phần mạng tiếp điện thể Hình 10 Phần lớn công suất tập trung lối trung tâm mạng tiếp điện Hình Kết mô hệ số phản xạ S1,1 Kết mô phân bổ công suất (biên độ) lối mạng tiếp điện tần số 5.8 GHz tổng hợp so sánh với giá trị lý thuyết trình bày Bảng Hình Giá trị biên độ nhận có sai khác nhỏ so với tính tốn lý thuyết Mục II (Bảng 1) Hình Đáp ứng hàm AF với trọng số biên độ nhận từ kết mơ Hình 10 Phân bổ dịng cơng suất mạng tiếp điện V KẾT LUẬN Trong báo này, mạng tiếp điện song hành đề xuất sở tính tốn phân bổ cơng suất thực thuật tốn đàn Dơi Dữ liệu mơ với trường hợp yêu cầu đặt dãy điểm không khoảng [42o, 66o] giản đồ xạ mảng anten tuyến tính cho thấy, mạng tiếp điện đáp ứng yêu cầu phân bổ công suất theo lý thuyết Mạng tiếp điện có băng thơng hoạt động rộng 490 MHz dải tần 5.8 GHz Với phương pháp tính tốn phân bổ cơng suất đề xuất, cấu trúc mạng tiếp điện đề xuất dễ dàng sử dụng cho yêu cầu khác điều khiển búp sóng sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo, mạng tiếp điện sử dụng thiết kế mảng anten tuyến tính có u cầu điều khiển búp sóng để hạn chế nhiễu có hại, ứng dụng cho hệ thống vô tuyến hoạt động dải tần 5.8 GHz 884 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.G Fang, “Antenna Theory and Microstrip Antennas”, ISBN13: 978-1439807279, publisher: CRC Press, 1st edition, Dec, 2009 [2] T T Toan, N M Tran , T V B Giang, “A Novel Chebyshev Series Fed Linear Array with High Gain and Low Sidelobe Level for WLAN Outdoor Systems”, The Applied Computational Electromagnetics Society Journal, Vol 34, No 8, Aug 2019 [3] J Lin, W Shen and K.Yang, “A Low Side lobe and Wide band Series Fed Linear Dielectric Resonator Antenna Array”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, pp 513 – 516, Jun 2016 [4] W Shen, J Lin, K Yang, "Design of a V-band Low Sidelobe and Wideband Linear DRA Array", 2016 Progress in Electromagnetic Reseach Symposium, pp 477-480, 2016 [5] W Wei, X Wang, "A 77 GHz Series Fed Weighted Antenna Arrays with Suppressed Sidelobes in E- and H -Plane, “Progress In Electromagnetics Research Letters”, Vol 72, 23-28, 2018 [6] S Koziel and S.Ogurtsov, “Surrogate-Assisted Desing of LowSidelobe Microstrip Linear Arrays with Corporate Feeds”, 2018 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), 2018 [7] T.T Toan, N.M Tran, T.V.B Giang, “A Feeding Network with Chebyshev Distribution for Designing Low Sidelobe Level Antenna Array”, VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng., pp 16-21, Vol 33, No 1, 2017 [8] O S Ginting, Chairunnisa, A Muni, “Side Lobe Level Suppression for L-Band Array Antenna Using Binomial Power Distribution”, The 3rd International Conference on Wireless and Telematics 2017 Indonesia, pp 8-10, July 2017 [9] Z Saif, I Shahid, M S Arif, “Implementation of 1×48 stripline feed network for 30 dB first sidelobe level using Taylor aperture distribution”, 2017 14th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST), pp 754-757, March 2017 [10] L X Truong, T V B Giang, T M Tuan, “A new Feeding Network Design based on Bat Algorithm for Pattern-Nulling of a Linear Antenna Array ”, The National Conference on Electronics, Communications and Information Technology, pp 184-187, Hanoi, Dec 2018 [11] T V Luyen, T V B Giang, “Null-Steering Beam former Using Bat Algorithm”, The Applied Computational Electromagnetics Society Journal, Vol 33, No 1, pp 23-29, Jan 2018 [12] O Abu-Alnadi, N Dib, K Al-Shamaileh, and A Sheta, “Design and Analysis of Unequal Split Bagley Power Dividers”, International Journal of Electronics, 2013 895 ... quan đồng tác giả báo [11] Với nguyên lý tương tự, thuật toán đàn Dơi áp dụng để tính tốn phân bổ biên độ cho mảng anten tuyến tính đáp ứng yêu cầu đặt dải rộng điểm không giản đồ xạ mảng anten tuyến. .. mạng tiếp điện song hành đề xuất sở tính tốn phân bổ cơng suất thực thuật tốn đàn Dơi Dữ liệu mô với trường hợp yêu cầu đặt dãy điểm không khoảng [42o, 66o] giản đồ xạ mảng anten tuyến tính cho. ..bày chi tiết thiết kế mạng tiếp điện Các kết mơ trình bày Mục IV nội dung nghiên cứu kết luận Mục V II TÍNH TỐN PHÂN BỔ BIÊN ĐỘ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU ĐẶT DẢI RỘNG CÁC ĐIỂM KHÔNG Thuật toán đàn