Nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính có tăng ích cao và mức búp sóng phụ thấp sử dụng mạng tiếp điện nối tiếp và thuật toán đàn dơi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lương Xuân Trường NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CĨ TĂNG ÍCH CAO VÀ MỨC BÚP SĨNG PHỤ THẤP SỬ DỤNG MẠNG TIẾP ĐIỆN NỐI TIẾP VÀ THUẬT TOÁN TỐI ƯU ĐÀN DƠI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9510302.02 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Minh Tuấn PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Hà nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu trình bày luận án thật riêng Các kết chưa công bố nơi khác Tác giả i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang PGS.TS Trần Minh Tuấn, hai thầy theo sát, hướng dẫn khoa học cho tơi định hướng q báu tồn trình học tập, nghiên cứu khoa học việc hồn thành Luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Quý thầy, cô, nghiên cứu sinh, học viên nghiên cứu học tập Bộ môn Thông tin Vô tuyến, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn tới người thân gia đình bạn bè đồng nghiệp động viên, khích lệ hỗ trợ cho tơi suốt q trình làm nghiên cứu sinh viết Luận án Nghiên cứu sinh ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN BÚP SĨNG CỦA ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giải pháp nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính 1.1.2 Ứng dụng thuật toán tối ưu thiết kế anten mảng tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp 1.1.3 Những tồn nghiên cứu nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính 10 1.1.4 Lựa chọn băng tần 3,5 GHz nghiên cứu 12 1.2 Anten mảng tuyến tính 13 1.2.1 Khái niệm anten mảng tuyến tính 13 1.2.2 Đặc điểm anten mảng tuyến tính 13 1.2.3 Giải pháp cải thiện tăng ích anten mảng 18 1.2.4 Giải pháp nén mức búp sóng phụ đặt điểm không đồ thị xạ anten mảng tuyến tính cách thay đổi hệ số mảng 20 1.2.5 Ứng dụng anten mảng tuyến tính 24 1.3 Ứng dụng thuật toán đàn Dơi kỹ thuật nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính 25 iii 1.3.1 Tổng quan thuật toán đàn Dơi 25 1.3.2 Đánh giá thuật toán đàn Dơi 26 1.3.3 Sử dụng thuật tốn đàn Dơi kỹ thuật điều khiển búp sóng anten mảng tuyến tính 27 1.4 Kết luận Chương 34 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠNG TIẾP ĐIỆN CHO ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN DƠI 36 2.1 Tổng quan mạng tiếp điện vi dải 36 2.1.1 Vai trò cấu trúc mạng tiếp điện vi dải 36 2.1.2 Các thành phần mạng tiếp điện vi dải 39 2.2 Đề xuất giải pháp thiết kế mạng tiếp điện 44 2.2.1 Tổng quan cấu trúc đề xuất 44 2.2.2 Giải pháp tính tốn phân bố cơng suất đến lối đáp ứng yêu cầu trọng số biên độ cho trước 45 2.2.3 Giải pháp tính tốn cân pha lối mạng tiếp điện khoảng cách lối tuỳ ý 47 2.3 Đề xuất quy trình thiết kế mạng tiếp điện 49 2.3.1 Mô tả quy trình 49 2.3.2 Các bước thực quy trình 51 2.4 Áp dụng thiết kế mô mạng tiếp điện 01 lối vào 10 lối 53 2.5 Kết luận Chương 56 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CĨ MỨC BÚP SĨNG PHỤ THẤP VÀ TĂNG ÍCH CAO 57 3.1 Đặt vấn đề 57 3.2 Đề xuất quy trình thiết kế anten mảng luận án 59 3.3 Thiết kế anten mảng Vivaldi tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp, tăng ích cao 61 3.3.1 Tính tốn trọng số biên độ 61 3.3.2 Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng Vivaldi 61 3.3.3 Thiết kế anten Vivaldi đơn 63 3.3.4 Thiết kế anten mảng Vivaldi 66 3.4 Các kết mô anten mảng Vivaldi 67 iv 3.5 Các kết đo đạc thực nghiệm anten mảng Vivaldi 73 3.6 Đánh giá giải pháp 77 3.7 Kết luận Chương 78 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CĨ TĂNG ÍCH CAO VÀ NÉN RIÊNG BÚP SĨNG PHỤ THỨ NHẤT 79 4.1 Đặt vấn đề 79 4.1.1 Yêu cầu nén riêng búp sóng phụ thứ anten mảng tuyến tính 79 4.1.2 Đề xuất sử dụng anten mảng DSPD 80 4.2 Đề xuất giải pháp nén búp sóng phụ thứ anten mảng tuyến tính 81 4.3 Giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính DSPD-1 có tăng ích cao, nén riêng búp sóng phụ thứ sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ 82 4.3.1 Tính tốn trọng số biên độ 82 4.3.2 Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng DSPD-1 83 4.3.3 Thiết kế anten mảng DSPD-1 85 4.3.4 Kết mô anten mảng DSPD-1 90 4.3.5 Kết đo đạc thực nghiệm anten mảng DSPD-1 95 4.4 Giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính DSPD-2 có tăng ích cao, nén riêng búp sóng phụ thứ sử dụng kỹ thuật điều khiển khoảng cách phần tử 99 4.4.1 Tính tốn phân bố khoảng cách 99 4.4.2 Thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng DSPD-2 101 4.4.3 Thiết kế anten mảng DSPD-2 103 4.4.4 Kết mô anten mảng DSPD-2 104 4.4.5 So sánh kết mô anten mảng DSPD-1 DSPD-2 107 4.5 Đánh giá giải pháp 110 4.6 Kết luận Chương 111 KẾT LUẬN 113 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 128 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Việt AF Array factor Hệ số mảng APSO Adaptive particle swarm optimization Tối ưu bầy đàn thích nghi DEA Differential evolution algorithm Thuật tốn tiến hóa DSPD Doubled-side printed dipole Anten lưỡng cực mạch in hai mặt vật liệu EBG Electromagnetic band gap Dải chắn điện từ FA Firefly algoirthm Thuật tốn đom đóm GA Genetic algorithm Thuật tốn di truyền HPBW Half-power beam width ITU-R International Telecommunication Union – Radio Góc nửa cơng suất búp sóng Ban vô tuyến Liên minh Viễn thông quốc tế IWO Invasive weed optimization Thuật toán cỏ dại xâm lấn LMS Least mean squares MDE Modified differential evolution MoM Method of moments Phương pháp mô-men NDL Null deep level Mức sâu điểm không PSO Particle swarm optimization Tối ưu bầy đàn SLL Sidelobe level Mức búp sóng phụ RFID Radio-frequency identification WLAN Wide local access network vi Trung bình bình phương tối thiểu Thuật tốn tiến hóa (biến đổi) Nhận dạng qua sóng vơ tuyến Mạng truy cập nội diện rộng DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Mơ tả tiếng Việt λ Bước sóng λg Bước sóng hiệu dụng λ0 Bước sóng sóng truyền không gian tự f Tần số vô tuyến điện π dn Số pi, giá trị xấp xỉ 3,1415 Phân bố pha tín hiệu lối vào phần tử thứ n anten mảng tuyến tính Phân bố biên độ tín hiệu lối vào phần tử thứ n anten mảng tuyến tính Khoảng cách hai phần tử thứ n-1 n anten mảng θ Góc theta, góc quét mặt phẳng xOz φ β Góc phi, góc quét mặt phẳng yOz Được định nghĩa (𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝛿) sử dụng để tính tốn hệ số mảng Chương Hệ số phát xạ г Hệ số phản xạ k0 Số bước sóng chu kỳ 2π ϕ Độ dài điện εr Hằng số điện môi tương đối h Độ dày lớp vật liệu cấu trúc vi dải Z Trở kháng đặc tính đường truyền vi dải w Độ rộng đường truyền vi dải N Số phần tử anten đơn anten mảng Q Số phần tử đàn Dơi giả định xi Vị trí phần tử Dơi thứ i vi Vận tốc phần tử Dơi thứ i Ai Biên độ xung phát phần tử Dơi thứ i δn an 𝜓 vii Ký hiệu Mô tả tiếng Việt Ri Tỉ lệ xung phát phần tử Dơi thứ i fi Tần số phát xung phần tử Dơi thứ i fmin Tần số phát xung tối thiểu phần tử Dơi fmax Tần số phát xung cực đại phần tử Dơi t_max Số vịng tìm kiếm tối đa thực thi thuật toán đàn Dơi Giá trị ngưỡng chấp nhận hàm mục tiêu để kết thúc trình tìm kiếm tối ưu thuật tốn đàn Dơi Tỉ số điện áp sóng phản xạ điện áp sóng tới quan sát lối vào mạng tiếp điện lối vào anten đơn (trường hợp mô riêng anten đơn Chương 3, Chương 4) threshold S11 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1 Phân bố biên độ theo chuỗi Chebyshev anten mảng 10 phần tử 22 Bảng Phân bố biên độ theo chuỗi Taylor anten mảng 10 phần tử 22 Bảng Tham số thực thi thuật toán đàn Dơi sử dụng luận án 31 Bảng Yêu cầu toán thiết kế mạng tiếp điện 1×10 53 Bảng 2 Yêu cầu phân bố biên độ lối 53 Bảng Yêu cầu khoảng cách lối 53 Bảng Phân bố biên độ nhận từ kết mô 54 Bảng Yêu cầu thiết kế anten mảng có mức búp sóng phụ thấp tăng ích cao 58 Bảng Phân bố biên độ đáp ứng yêu cầu nén mức búp sóng phụ -30 dB 61 Bảng 3 Tính tốn trở kháng mạng tiếp điện (Ω) 62 Bảng Kết mô đặc điểm lối mạng tiếp điện 62 Bảng Tham số thiết kế anten Vivaldi phần tử đơn (mm) 65 Bảng Đặc điểm đồ thị xạ thay đổi df 70 Bảng Giá trị SLL đo đạc tần số lấy mẫu 75 Bảng So sánh anten mảng Vivaldi với nghiên cứu tương tự 76 Bảng u cầu thiết kế anten mảng có tăng ích cao nén riêng búp sóng phụ thứ 80 Bảng Phân bố biên độ đáp ứng yêu cầu nén búp sóng phụ thứ 83 Bảng Tính tốn trở kháng mạng tiếp điện (Ω) 84 Bảng 4 Kết mô hệ số lối mạng tiếp điện 84 Bảng Tham số thiết kế anten DSPD đơn sử dụng luận án (mm) 87 Bảng Đồ thị xạ anten mảng DSPD-1 thay đổi df 91 Bảng Băng thông tương ứng với mức nén búp sóng phụ thứ 94 Bảng Kết đo thực nghiệm vị trí điểm khơng mức búp sóng phụ 98 ix ... nén búp sóng phụ anten mảng tuyến tính 1.1.2 Ứng dụng thuật tốn tối ưu thiết kế anten mảng tuyến tính có mức búp sóng phụ thấp 1.1.3 Những tồn nghiên cứu nén búp sóng phụ. .. thi thuật toán đàn Dơi Trên sở đó, ứng dụng để phát triển anten mảng tuyến tính đáp ứng u cầu mức búp sóng phụ thấp tăng ích cao Nội dung luận án đề xuất giải pháp thiết kế ba anten mảng tuyến tính. .. tuyến tính có yêu cầu biết trước mức nén búp sóng phụ (2) Đề xuất giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính sở sử dụng mạng tiếp điện nối tiếp đề xuất luận án để thiết kế anten mảng 113 tuyến tính