Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ điều khiển búp sóng cho anten mảng pha luận văn ths kỹ thuật điển tử viễn thông 2 07 00

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THÚY QUỲNH Nghiên cứu, mô thiết kế hệ điều khiển búp sóng cho Anten mảng pha LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn: GS.TSKH Phan Anh Hà nội - 2005 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG ANTEN MẢNG PHA VÀ MÔI TRƢỜNG TRUYỀN SÓNG 10 1.1 Khái niệm anten mảng pha 10 1.2 Ứng dụng anten mảng pha 11 1.3 Mơi trƣờng truyền sóng 12 1.3.1 Mơi trƣờng truyền sóng mặt đất 13 1.3.2 Mơi trƣờng truyền sóng khơng gian tự không vật cản .13 1.4 Sơ đồ khối hoạt động hệ anten mảng pha 14 1.4.1 Cấu trúc hệ anten mảng pha 14 1.4.2 Nguyên tắc hoạt động hệ anten mảng pha 15 1.5 Kết luận chƣơng 15 CHƢƠNG HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH HƢỚNG SĨNG ĐẾN CHO HỆ ANTEN MẢNG PHA 16 2.1 Sơ lƣợc thuật toán xác định hƣớng sóng đến DOA 16 2.1.1 Xác định DOA cách đánh giá công suất tín hiệu thu đƣợc theo khơng gian 16 2.1.2 Xác định DOA sử dụng việc phân tích cấu trúc riêng khơng gian tín hiệu 17 2.2 Đánh giá lựa chọn thuật toán 18 2.3 Lý thuyết mơ hình tín hiệu sử dụng thuật tốn MUSIC 21 TrÇn Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 2.3.1 Điều kiện áp dụng thuật toán MUSIC 21 2.3.2 Mơ hình hệ thống 21 2.4 Mơ thuật tốn MUSIC xác định hƣớng sóng đến chƣơng trình MATLAB 30 2.4.1 Xây dựng hệ anten 30 2.4.2 Xây dựng vectơ tín hiệu thu thập 31 2.4.3 Kết mô 31 2.5 Kết luận chƣơng 32 CHƢƠNG XÂY DỰNG DÀN ANTEN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG CHO ANTEN MẢNG PHA 33 3.1 Vài nét công nghệ mạch dải 34 3.2 Nguyên lý điều khiển búp sóng theo hƣớng mong muốn 36 3.3 Thiết kế hệ thống anten cấu trúc anten mảng pha 37 3.3.1 Mơ mẫu anten mạch dải hình chữ nhật 38 3.3.2 Mô khả điều khiển búp sóng anten mảng pha 39 3.4 Thiết kế hệ điều khiển pha cấu trúc anten mảng pha 43 3.4.1 Khái quát quay pha 43 3.4.2 Phân tích chế hoạt động quay pha kết hợp mạch hybrid điốt biến dung 49 3.5 Kết luận chƣơng 52 CHƢƠNG LẮP ĐẶT VÀ ĐO ĐẠC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG CHO ANTEN MẢNG PHA 53 4.1 Thiết kế, chế tạo phần tử hệ thống anten mảng pha 53 4.1.1 Sơ đồ thực nghiệm hệ anten khối điều khiển búp sóng cho anten mảng pha 53 4.1.2 Hệ anten mạch dải gồm hai phần tử 54 4.1.3 Bộ quay pha 55 4.2 Đo đạc giản đồ hƣớng hệ anten mảng pha 57 Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiÖp cao häc 4.2.1 Điều kiện đo đạc 57 4.2.2 Giản đồ hƣớng hệ anten mảng pha ứng với số độ lệch pha hai phần tử 59 4.3 Kết luận chƣơng 60 KẾT LUẬN 61 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ LUẬN VĂN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 62 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC (Bảng thông số đo đạc khả điều khiển búp sóng cho anten mảng pha) 65 Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiÖp cao häc DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT C/I Carrier/Interference DOA Direction of Arrival DSP Digital Signal Processing ESPRIT Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique MUSIC Multiple Signal Classification ULA Uniform Linear Antenna DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Đánh giá độ phức tạp độ xác thuật tốn DOA Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao häc DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Giản đồ hƣớng loại anten khác họ anten thơng minh Hình Sơ đồ khối hoạt động củ Hình Sơ đồ xác định hƣớng s Hình Sơ đồ xác định hƣớng s riêng khơng gian tín Hình Mơ hình tín hiệu thu đƣ Hình Hình Phổ khơng gian tín Cấu trúc mạch dải Hình Cấu trúc anten mạch dả Hình Anten mạch dải hình ch Hình 10 Hệ số phản xạ đo lối Hình 11 Đồ thị phƣơng hƣớng c Hình 12 Cấu trúc hệ anten phầ Hình 13 Trƣờng hợp phần tử Hình 14 Hình 15 Trƣờng hợp phần tử Cấu trúc hệ anten phầ Hình 16 Đồ thị phƣơng hƣớng c đồng pha Hình 17 Đồ thị phƣơng hƣớng c Hình 18 lệch pha 900 Cấu trúc quay pha dù Hình 19 Hình 20 Cấu trúc hybrid Mạch hybrid đƣợc chuẩ Hình 21 Khai triển mạch hybrid Hình 22 Khai triển mạch hybrid Hình 23 Cấu trúc chuẩn hố Hình 24 Sơ đồ khối h anten v Trần Thị Thuý Quỳnh Hỡnh 25 Hệ anten phần tử (thực nghiệm) Hình 26 Tham số return loss phần tử hệ anten Hình 27 Hệ số sóng đứng phần tử hệ anten Hình 28 Cấu trúc quay pha mạch dải Hình 29 Độ suy giảm quay pha theo điện áp điều khiển Hình 30 Khoảng dịch pha quay pha theo điện áp điều khiển Hình 31 Anten thu thí nghiệm Hình 32 Tham số return loss anten thu tần số hoạt động Hình 33 Đồ thị mơ tả khả quay bỳp súng ca h anten Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học M U Vi s bùng nổ dịch vụ viễn thông nhƣ đòi hỏi ngày khắt khe khách hàng chất lƣợng chủng loại dịch vụ, vấn đề công nghệ động lực thúc đẩy tìm tịi sáng tạo nhà khoa học nhà kinh doanh Anten thông minh công nghệ hứa hẹn cải thiện đáng kể dung lƣợng nhƣ chất lƣợng hệ thống khơng dây mơi trƣờng truyền thơng có tỷ số C/I (tớn hiu/nhiu) thp Đà có công trình nghiên cứu ứng dụng cụ thể dựa nhiều khía cạnh vật lý hệ ph-ơng trình Maxwell; nhiên, cịn khía cạnh đặc biệt nguyªn lý anten cần phải đề cập đến, anten mảng pha (phased antenna array) đƣợc dùng ứng dụng quân nhƣ hệ thống radar tìm hƣớng s ng dng đặc bit phc v ph súng cho mục tiêu di động víi tèc ®é nhanh Bằng nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, luận văn thực đƣợc nội dung sau: - Nghiên cứu lý thuyết anten mảng pha tổng quan anten thơng minh - Xây dựng mơ hình hoạt động anten mảng pha - Mơ thuật tốn định hƣớng sóng đến cho anten mảng pha (sử dụng chƣơng trình MATLAB) - Đã xây dựng thành công hệ anten hệ điều khiển búp sóng cho anten mảng pha hoạt ng ti tn s 2.36 GHz Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học Chi tit lun văn bao gồm chƣơng mục hƣớng phát triển luận văn: Chƣơng 1: Anten mảng pha mơi trƣờng truyền sóng - Giới thiệu sơ lƣợc loại anten thông minh mà anten mảng pha số - Mơi trƣờng truyền sóng ứng dụng sử dụng anten mảng pha - Sơ đồ khối hoạt động anten mảng pha Chƣơng 2: Hệ thống xử lý tín hiệu xác định hƣớng sóng đến cho hệ anten mảng pha - Giới thiệu sơ lƣợc thuật toán xác định hƣớng sóng đến: đánh giá lựa chọn thuật tốn - Lý thuyết mơ hình tín hiệu sử dụng thuật tốn MUSIC - Mơ thuật tốn MUSIC - xác định hƣớng sóng đến sử dụng chƣơng trình MATLAB Chƣơng 3: Xây dựng dàn anten hệ thống điều khiển búp sóng cho anten mảng pha - Giới thiệu lý thuyết anten dàn nguyên lý điều khiển búp sóng cách điều khiển pha anten dàn (anten mảng pha) - Mô khả điều khiển búp sóng anten mảng pha - Nghiên cứu lý thuyết mô hệ anten gồm phần tử - Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế chế tạo quay pha tín hiệu cao tần Chƣơng 4: Lắp đặt đo đạc hệ thống điều khiển búp sóng cho anten mảng pha - Hình ảnh hệ thống - iu kin, mụi trng o Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học - o gin xạ ứng với trƣờng hợp lệch pha khác hệ thống anten mảng pha Đánh giá kết luận văn hƣớng nghiên cứu Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 53 CHƢƠNG LẮP ĐẶT VÀ ĐO ĐẠC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG CHO ANTEN MẢNG PHA Lý thuyết mô hệ anten mảng pha chương 1, 2, tiền đề cho việc tiến hành xây dựng hệ anten mảng pha Luận văn xây dựng thành công khối: Hệ anten Khối điều khiển búp sóng anten hoạt động tần số 2.36GHz 4.1 Thiết kế, chế tạo phần tử hệ thống anten mảng pha 4.1.1 Sơ đồ thực nghiệm hệ anten khối điều khiển búp sóng cho anten mảng pha Hệ anten phần tử Bộ quay pha Vs SPLITER Tín hiệu vào Hình 24 Sơ đồ khối hệ anten khối điều khiển búp sóng (thực nghim) Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao häc 54 4.1.2 Hệ anten mạch dải gồm hai phần tử - Cấu trúc Hình 25 Hệ anten phần tử (thực nghiệm) - Tham số tán xạ S11 , S22 phần tử hệ (khoảng -20.7dB) Hình 26 Tham số return loss phần tử h anten Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao häc 55 - Hệ số sóng đứng phần tử (khoảng 1:1.09) a Phần tử thứ Hình 27 Hệ số sóng đứng phần tử hệ anten 4.1.3 Bộ quay pha - Cấu trúc Hình 28 Cu trỳc b quay pha mch di Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 56 - Tham số truyền S21 quay pha mạch dải Hình 29 Độ suy giảm quay pha theo điện áp điều khiển - Đáp ứng pha theo điện áp điều khiển tần số hoạt động Hình 30 Khoảng dịch pha quay pha theo điện áp iu khin - Khong thay i pha: 500 Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 57 4.2 Đo đạc giản đồ hƣớng hệ anten mảng pha Bằng cách thay đổi giá trị điện dung điốt biến dung thông qua việc thay đổi điện áp ta thay đổi pha quay pha, từ điều khiển đƣợc búp sóng hệ anten 4.2.1 Điều kiện đo đạc - Hệ thống đƣợc đặt mơi trƣờng khơng gian tự vật cản – kết đo tin cậy đƣợc - Khoảng cách anten thu anten phát 1.5 m – anten thu nằm vùng trƣờng xa - Thời tiết tốt - Hệ đo sử dụng:  Phần phát: Anten cần đo giản đồ hƣớng (nhƣ hình 25)  Phần thu: Anten định hƣớng có búp sóng hẹp (góc nửa cơng suất 200), dải tần rộng  Máy phân tích mạng Advantest R3765CG đƣợc sử dụng để phỏt v thu tớn hiu Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 58 Hỡnh 31 Anten thu thí nghiệm Hình 32 Tham số return loss anten thu ti tn s hot ng Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học - Ton b hệ thống đƣợc đo tần số 2.36GHz - Công suất phát: -10 dBm 4.2.2 Giản đồ hướng hệ anten mảng pha ứng với số độ lệch pha hai phần tử - Trƣớc hết, kiểm tra giá trị biên độ độ lệch pha dòng tiếp điện cho hệ anten (biên độ nhau, độ lệch pha thay đổi phụ thuộc vào điện áp điều khiển quay pha) Giản đồ hƣớng đƣợc đo giá trị điện áp quay pha [0 25] V Độ lệch pha phần tử tƣơng ứng [100 670] E chuẩn hoá Giản đồ hƣớng có độ phân giải 50 Hình 33 Đồ thị mơ tả khả quay búp sóng hệ anten Nhƣ vậy, búp sóng hệ anten quay góc 200 theo điều khiển quay pha Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao häc 60 4.3 Kết luận chƣơng Dàn anten hệ thống điều kiển búp sóng anten mảng pha xây dựng, lắp đặt đo đạc thực nghiệm thành cơng Kết đạt xác, sử dụng cho nghiên cứu sau Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 61 KẾT LUẬN Từ nghiên cứu, phân tích, thiết kế, mô từ chƣơng đến chƣơng 3, thực nghiệm, đo đạc chƣơng 4, luận văn xây dựng thành cơng hệ điều khiển búp sóng cho anten mảng pha băng hẹp khoảng điều khiển búp sóng chƣa lớn (do khoảng điều khiển pha dừng 500) Việc thực đề tài giúp cho tác giả nắm vững kiến thức kỹ thuật anten, siêu cao tần x lý tớn hiu khụng gian Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 62 ỏnh giỏ kết luận văn hƣớng nghiên cứu Luận văn bƣớc mở đầu nghiên cứu chế tạo anten mảng pha - trƣờng hợp anten thông minh Tuy điều kiện sở vật chất cịn khó khăn, tác giả cố gắng đƣa số kết thiết thực định Hƣớng phát triển luận văn có vấn đề sau: - Xây dựng hệ định hƣớng sóng đến điều kiện tín hiệu nguồn tƣơng quan với - Thiết kế hệ thống định hƣớng sóng đến DSP - Thiết kế phần tử quay pha có độ rộng băng khoảng dịch pha lớn hn Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao häc 63 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ  Nghiên cứu chế tạo khuếch đại công suất cao tần dùng công nghệ mạch dải, Hội nghị nhà khoa học trẻ Đại học Quốc gia Hà nội năm 2002  Investigation, designing, and manufacturing microwave amplifiers, Stateof Art and Future of Information Technologies in Korea and Vietnam 2/2003  Microwave phase shifter using hybrid combined varactor diode, Vietnam Conference on Radio & Electronics 2004 Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 64 TI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật Anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội [2]GS.TSKH Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà nội, Hà nội [3]Vũ Đình Thành, Lý thuyết sở kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội Tiếng Anh [4]David M.Pozar, Microwave Engineering, JohnWilley &Sons, INC [5]Jame, J.R, Microstrip Antenna-Theory and Design [6]J.Reed and G.J.Wheeler, “A Method of Analysis of Symmetrical Four-Port Networks”, IRE Trans On Microwave Theory and Techniques, vol MTT-4, pp 246-252, October 1956 [7]Joseph C Liberti, Jr & Theodore S.Rappaport, Smart Antenna for Wireless Communications IS-95 and Third Generation CDMA Applications, Prentice Hall PTR [8]K.C.Gupta-Abdelaziz.Benalla, Microstrip Antenna Design [9]Lal Chand Godara, Smart Antennas, CRC Press [10]Robert E.Collin, Antenna and Radiowave Propagation [11]Tran thi Thuy Quynh, Prof Phan Anh, Microwave phase shifter using hybrid combined varactor diode, Vietnam Conference on Radio & Electronics 2004, November 26-27, 2004, Hanoi [12]Theodore S.Rappaport, Wireless Communication Và tài liệu, bỏo, khỏc trờn mng Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học 65 PH LC - BẢNG THÔNG SỐ ĐO ĐẠC KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SĨNG CHO ANTEN MẢNG PHA Góc theta 360 355 350 345 340 335 330 325 320 315 310 305 300 295 290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240 235 230 225 220 215 Loss (dB) (Vs=25V) -36 -35,4 -35 -34,5 -34 -33,9 -34,5 -35,3 -36,3 -36,5 -38,9 -39,2 -40,2 -42 -43 -43,8 -45 -46 -46 -47 -47 -49 -51 -52 -53 -54 -54 -56 -56 -51 P nhận(dbm) (Vs=25V) -46 -45,4 -45 -44,5 -44 -43,9 -44,5 -45,3 -46,3 -46,5 -48,9 -49,2 -50,2 -52 -53 -53,8 -55 -56 -56 -57 -57 -59 -61 -62 -63 -64 -64 -66 -66 -61 Trần Thị Thuý Quỳnh 66 Gúc theta 210 205 200 195 190 185 180 175 170 165 160 155 150 145 140 135 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 Trần Thị Thuý Quỳnh Loss (dB) (Vs=25V) P nhn(dbm) (Vs=25V) -49 -46,3 -46 -45 -45 -45,2 -45,2 -45 -45,5 -46 -45,2 -45 -45 -44,5 -44 -44,2 -43,5 -44 -43,5 -43,2 -43,9 -43 -43 -42,8 -42,5 -42 -42,5 -43 -42,7 -42,7 -42,5 -59 -56,3 -56 -55 -55 -55,2 -55,2 -55 -55,5 -56 -55,2 -55 -55 -54,5 -54 -54,2 -53,5 -54 -53,5 -53,2 -53,9 -53 -53 -52,8 -52,5 -52 -52,5 -53 -52,7 -52,7 -52,5 Luận văn tốt nghiệp cao học 67 Góc theta 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Trần Thị Thuý Quỳnh Loss (dB) (Vs=25V) P nhận(dbm) (Vs=25V) -42,5 -42,5 -44 -45 -46 -46,3 -46,3 -45 -43 -41 -38,5 -36,5 -52,5 -52,5 -54 -55 -56 -56,3 -56,3 -55 -53 -51 -48,5 -46,5 Luận văn tèt nghiÖp cao häc P nhận (mW) (Vs=25V) 5,62341E-06 5,62341E-06 3,98107E-06 3,16228E-06 2,51189E-06 2,34423E-06 2,34423E-06 3,16228E-06 5,01187E-06 7,94328E-06 1,41254E-05 2,23872E-05 ... thuyết anten dàn nguyên lý điều khiển búp sóng cách điều khiển pha anten dàn (anten mảng pha) - Mô khả điều khiển búp sóng anten mảng pha - Nghiên cứu lý thuyết mô hệ anten gồm phần tử - Nghiên. .. VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG CHO ANTEN MẢNG PHA - Giới thiệu lý thuyết anten dàn nguyên lý điều khiển búp sóng cách điều khiển pha anten dàn (anten mảng pha) - Mơ khả điều khiển búp sóng anten. .. cấu trúc anten mảng pha 37 3.3.1 Mô mẫu anten mạch dải hình chữ nhật 38 3.3 .2 Mô khả điều khiển búp sóng anten mảng pha 39 3.4 Thiết kế hệ điều khiển pha cấu trúc anten mảng pha