Vật lý vô tuyến, Điện tử học, Anten mạng pha, Phương pháp số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Quang Thảo NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ANTEN MẠNG PHA SỐ TUYẾN THU BĂNG X LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ Hà nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Quang Thảo NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ANTEN MẠNG PHA SỐ TUYẾN THU BĂNG X Chuyên ngành: Mã số: Vật lý Vô tuyến Điện tử 62440105 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh PGS.TS Phạm Quốc Triệu Hà nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Lê Quang Thảo LỜI CẢM ƠN Lời luận án mình, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể cán hƣớng dẫn TS Nguyễn Thị Ngọc Minh PGS.TS Phạm Quốc Triệu trực tiếp hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình em suốt thời gian thực luận án Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến Cán Viện Rada, Viện Khoa học Công nghệ Quân tạo điều kiện giúp đỡ em trình thực luận án Trong thời gian thực luận án môn Vật lý Vô tuyến - Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên em đƣợc môn tạo điều kiện thuận lợi thời gian công tác nhƣ khai thác, sử dụng thiết bị đại nhƣ máy phân tích phổ, máy phát chức năng, dao động ký số … Em xin cảm ơn giúp đỡ q báu Để hồn thành luận án mình, em gửi lời cảm ơn tới Thầy Cơ TS Đỗ Trung Kiên, TS Nguyễn Ngọc Đỉnh, CN Đàm Trung Thông giúp đỡ em việc thu thập xử lí số liệu Và cuối em gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè bên em suốt thời gian thực luận án Hà nội, 2014 Lê Quang Thảo MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ANTEN MẠNG PHA SỐ CHO TUYẾN THU BĂNG X 12 1.1 Tổng quan anten mạng pha số công nghệ chế tạo 12 1.1.1 Tổng quan anten mạng pha 12 1.1.2 Lý thuyết anten mạng pha tuyến tính 14 1.1.3 Tình hình nghiên cứu anten mạng pha công nghệ chế tạo 24 1.1.4 Cấu tạo anten mạng pha số tuyến thu băng X Viện Ra-đa, Viện Khoa học Công nghệ Quân 28 1.2 Công nghệ chế tạo anten mạng pha số 33 1.2.1 Chế tạo phần cứng cho anten mạng pha số 33 1.2.2 Xây dựng phần mềm cho anten mạng pha số 35 1.3 Kết luận chƣơng vấn đề nghiên cứu luận án 35 CHƢƠNG TỐI ƢU HÓA XỬ LÝ TÍN HIỆU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 37 2.1 Thuật tốn thích nghi 37 2.1.1 Giới thiệu tốn thích nghi 37 2.1.2 Mạng anten thích nghi 39 2.1.3 Thuật toán di truyền tốn thích nghi 47 2.1.4 Thuật toán di truyền song song 55 2.2 Thuật toán ƣớc lƣợng hƣớng sóng tới 66 2.2.1 Giới thiệu thuật toán ƣớc lƣợng 67 2.2.2 Thuật toán MUSIC 71 2.2.3 Sử dụng tính tốn song song cho thuật toán MUSIC 76 2.3 Kết luận chƣơng 83 CHƢƠNG XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TRƢNG HƢỚNG NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ 85 3.1 Phƣơng pháp đo lƣờng anten 85 3.1.1 Đo trực tiếp trƣờng xa 86 3.1.2 Đo gián tiếp qua trƣờng gần 87 3.1.3 Một số phƣơng pháp đo đặc trƣng hƣớng tự động 89 3.2 Sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số để đo nhanh đặc trƣng hƣớng anten mạng pha số phƣơng pháp quay pha 92 3.2.1 Thuật tốn tạo búp sóng số quay pha số 92 3.2.2 Phƣơng pháp đo nhanh 95 3.2.3 Kết thực nghiệm 96 3.3 Kết luận chƣơng 99 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 100 4.1 Thuật toán di truyền song song 100 4.1.1 Trƣờng hợp nguồn nhiễu -20o 101 4.1.2 Trƣờng hợp nguồn nhiễu 30o 102 4.1.3 Trƣờng hợp nguồn nhiễu -20o 30o 103 4.1.4 Nhận xét 104 4.2 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC 105 4.3 Kết luận chƣơng 107 KẾT LUẬN CHUNG 109 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC 120 PHỤ LỤC 126 PHỤ LỤC 129 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADC - Analog Digital Converter - Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ADN - Acid Deoxyribo Nucleic - Phân tử mang thông tin di truyền DAC - Digital Analog Converter - Bộ chuyển đổi số - tƣơng tự DSP - Digital Signal Processing - Xử lý tín hiệu số FPGA - Field Programmable Gate Array - Trƣờng cổng logic khả trình GA - Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền GPU - Graphic Processing Unit - Đơn vị xử lý đồ họa IF - Intermediate Frequency - Tần số trung tần LMS - Least Mean Square - Bình phƣơng cực tiểu MSN - Maximum Signal-to-Noise ratio - Tỷ số tín hiệu/tạp lớn MUSIC - Multiple Signal Classification - Nhận dạng nhiều tín hiệu PGA - Parallel Genetic Algorithm - Thuật tốn di truyền song song PIAA - Power Inversion Adaptive Array - Nghịch đảo cơng suất mạng thích nghi SMI - Sample Matrix Inversion - Nghịch đảo ma trận lấy mẫu ULA - Uniform Linear Array - Mạng tuyến tính cách SISD - Single Instruction Single Data - Đơn dòng lệnh đơn, đơn dòng liệu Streams SIMD - Single Instruction Multiple Data - Đơn dòng lệnh đơn, đa dòng liệu Streams MISD - Multiple Instruction Single Data - Đa dòng lệnh đơn, đơn dòng liệu Streams MIMD - Multiple Instruction Multiple Data - Đa dòng lệnh đơn, đa dòng liệu Streams DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số thơng số hệ anten mạng pha Viện Ra-đa Viện Khoa học Công nghệ Quân 32 Bảng 2.1 Các tham số sử dụng mơ thuật tốn di truyền 52 Bảng 2.2 Các tham số sử dụng thuật toán di truyền song song 64 Bảng 2.3 So sánh cực tiểu hóa cơng suất nguồn nhiễu sử dụng thuật toán di truyền song song 65 Bảng 2.4 Tham số sử dụng mô thuật toán MUSIC 74 Bảng 2.5 Tham số thực mơ thuật tốn MUSIC song song 79 Bảng 2.6 Số liệu thời gian tính tốn (s) thuật tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song trƣờng hợp =0.005 81 Bảng 2.7 Số liệu thời gian tính tốn (s) thuật tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song trƣờng hợp =0.001 81 Bảng 4.1 Kết tính tốn độ lệch pha phần tử 101 Bảng 4.2 Kết tính tốn độ lệch pha phần tử (góc nhiễu = 30 độ) 102 Bảng 4.3 Kết tính tốn độ lệch pha phần tử 103 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 (a) Lƣỡng cực anten nửa bƣớc sóng; (b) Đặc trƣng xạ 13 Hình 1.2 Sơ đồ mạng tuyến tính cách 14 Hình 1.3 Phƣơng pháp hình học véc-tơ mặt phẳng phức 16 Hình 1.4 Đặc trƣng hƣớng mạng tuyến tính phần tử 19 Hình 1.5 Hệ thống anten mạng pha số tuyến thu băng X 29 Hình 1.6 Sơ đồ khối máy thu băng X 30 Hình 1.7 Hình ảnh thực hệ anten mạng pha Viện Ra đa - Viện Khoa học Công nghệ Quân 31 Hình 1.8 Đặc trƣng hƣớng hệ anten mạng pha số theo góc ngẩng 32 Hình 1.9 Sơ đồ phần cứng anten mạng pha số 34 Hình 2.1 Ví dụ ảnh hƣởng mật độ nguồn phát lên việc thu tín hiệu 38 Hình 2.2 Ví dụ sử dụng anten parabol làm anten thích nghi 39 Hình 2.3 Mạng anten thích nghi chuẩn 40 Hình 2.4 Đồ thị hƣớng tính mạng anten 41 Hình 2.5 Bộ tạo búp sóng băng hẹp 43 Hình 2.6 Bánh xe roulet 49 Hình 2.7 Sơ đồ thuật tốn thuật tốn di truyền 50 Hình 2.8 Anten thích nghi sử dụng thuật tốn di truyền với nguồn nhiễu góc -60o, -30o 30o 53 Hình 2.9 Kết mơ hình khác thuật tốn di truyền 54 Hình 2.10 Mơ hình tính tốn song song 56 Hình 2.11 Đồ thị Grosch biểu diễn quan hệ Năng suất – Chi phí 57 Hình 2.12 Sự phụ thuộc độ tăng tốc độ tính tốn vào số lƣợng chip tỷ lệ song song hóa 58 Hình 2.13 Kiến trúc SISD 60 Hình 2.14 Kiến trúc SIMD 60 Microwave vision group, Horsham 50 L Lizzi, F Viani, M Benedetti, P Rocca, A.Massa (2008), The M-DSOESPIRIT method for maximum likely hood DOA estimation, Progress in Electromagnetics research, PIER, pp 477-497 51 Lu Jiaguo, Wu Manqin, Jin Xueming, Fang Zhengxing (2003), Active phased array antenna based on DDS, IEEE International Symposium on Phased array system and technology, pp 511-516 52 Marius Pesavento, Alex B Gershman, Martin Haardt (2000), “Unitary Root-MUSIC with a Real-Valued Eigendecomposition: A Theoretical and Experimental Performance Study”, IEEE, 48(5), pp 1306-1314 53 Mohamed M M Omar, Darwish A E Mohamed, Soha M Haikel (2011), “The mutual coupling effect on the MUSIC algorithm for direction of arrival estimation”, International Journal of Computer Application, 35(4), pp 36-40 54 M S R Mohd Shah, et al (2008), Design of 1x2, 1x4, and 2x2 dual polarization microstrip array antenna, IEEE proceeding of 6th National conference on telecommunication technologies, Malaysia, pp 113-116 55 A C Newell, M Francis (1994), “Planar near-field measurement of low-side lobe antennas”, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 99(2), p.143-167 56 A C Newell (2002), Near-field antenna measurement theory - planar, AMTA educational seminar 57 A C Newell (2002), Near-field antenna measurement theory cylindrical, AMTA educational seminar 58 A C Newell (2002), Near-field antenna measurement theory spherical, AMTA educational seminar 59 A C Newell, P Pelland, B Park, T White, A Haile (2011), Spherical 117 near-field measurement at UHF frequencies with complete uncertainty analysis, Antenna Measurement Techniques Association Conference 60 M Ohmiya, Y Ogawa,; K Itoh (1988), “Howells-Applebaum adaptive superresolution array for accelerated scanning”, IEEE Transaction on Antennas and propagation, 36(12), pp 1700-1706 61 Raviraj Adve, Direction of Arrival Estimation, note, unpublished 62 Robert A Monzingo, Thomas W Miller (2004), Introduction to adaptive arrays, SciTech Publishing, Inc 63 Ryle M (1974), Radio telescopes of large resolving power, Nobel lecture in Physics, Nobel Foundation 64 A Shroyer, R Lovestead, E Darnel, A Newell (2010), Planar nearfield measurement on radiometer antennas up to 183 GHz for the global precipitation measurement satellite, Antenna Measurement Techniques Association Conference 65 D Slater (1985), Near-field test facility design, Antenna Measurement Techniques Association Conference 66 D Slater, G Hindman (1989), A Low Cost Portable Near-Field Antenna Measurement System, Antenna Measurement Techniques Association Conference 67 D Slater (1991), Near-field antenna measurements, Artech House 68 D Slater (1994), A 550 GHz near-field antenna measurement system for the NASA submillimeter wave astronomy satellite, Antenna Measurement Techniques Association Conference 69 T Speicher, S Sapmaz, M Niwata (1998), 33m by 16m Near-field measurement system, Antenna Measurement Techniques Association Conference 70 F Soltankarimi, J Nourinia, C Ghobadi (2004), “Side lobe level 118 optimization in phased array antennas using genetic algorithm”, IEEE Eighth International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Application, pp 389-394 71 P Stoica and A Nehorai (1989), “MUSIC, Maximum likelihood, and Cramer-Rao Bound: further results and comparisons”, IEEE transactions on acoustics, speech, and signal processing, 38(12), pp 2140-2150 72 A Varahram, J Rashed-Mohassel (2002), “Sidelobe level optimization using modified genetic algorithm”, IEEE conference of Antennas and Propagation Society International Symposium, 1, pp 742-745 73 A Vesa, A Iozsa (2010), Direction - of - Arrival estimation for uniform sensor arrays, International symposium on electronics and telecommunications, pp 249-252 74 J Way, K Haner (1994), A low cost spherical near-field system, Antenna Measurement Techniques Association Conference 75 A Yaghjian (1986), “An overview of near-field antenna measurements”, IEEE transaction on Antennas and Propagation, 34 (1), pp 30-45 76 Yuusuke Yamashita (2009), X-band GaN HEMT Advanced Power Amplifier Unit for Compact Active Phased Array Antennas, ICROSSICE International Joint Conference, pp 3047-3050 77 Zhao Yan-Qui, Peng Zong (2009), Three-dimensional phased array antenna analysis and simulation, Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless communication, pp 538-542 119 PHỤ LỤC Code thuật toán di truyền song song % khoi tao quan the %min F(x)=-x*sin(10pi*x)+1.0 ; x thu?c [-1;2] close all; clear all; clc; tic amin=-pi/9; amin1=[-pi/9, -pi/6 pi/9 pi/4]; % -20 -30 20 45 xl=-pi()/2; xh=pi()/2; ngen=1000; ng1=30; npop=50; % population size time=60000; mrate=0.1; err=0.4; nvar=20; nbits=15; ff='AF1'; Nt=nvar*nbits; %gen %%%song song: parfor step=1:4 amin=amin1(step); natsel = npop/2; % npop/2 = 50% pop=round(rand(npop,Nt)); %ca the % luong gia (cost) for i=1:npop x(:,i)=xl+(xh-xl)*([2.^([1:nbits])]*reshape(pop(i,:),nbits,nvar)); end % figure(1) % delta=x(:,1); % x1=-pi/2:0.0001:pi/2; % ang=x1/pi*180; % plot(ang,AF1(x1,delta)); cost=feval(ff,amin,x); ng=0; while (ng