Điều khiển hướng bức xạ của hệ thống anten dãy bằng kỹ thuật dịch pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN CAO HỌC Đề tài: ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG BỨC XẠ CỦA HỆ THỐNG ANTEN DÃY BẰNG KỸ THUẬT DỊCH PHA GVHD : P.GS, TS VŨ ĐÌNH THÀNH SVTH : BÙI HỮU PHÚ LỚP : CAO HỌC ĐT – VT KHÓA : 11 TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2002 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA o0o - BÙI HỮU PHÚ ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG BỨC XẠ CỦA HỆ THỐNG ANTEN DÃY BẰNG KỸ THUẬT DỊCH PHA Chuyên ngành : Kỹ thuật vô tuyến điện tử Mã số ngành : LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2002 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô Trường đại học bách khoa Thành phố Hồ chí minh, đặc biệt Thầy Cô thuộc Khoa Điện – Điện Tử tất kiến thức mà Quý Thầy Cô truyền đạt cho suốt thời gian qua Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Vũ Đình Thành, người định hướng đề tài, giúp đỡ hướng dẫn tận tình suốt thời gian làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Lãnh đạo Trung tâm kiểm sóat tần số khu vực đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thời gian cho hòan thành luận văn Cuối cùng,xin gởi đến gia đình với tình cảm sâu sắc lời động viên tạo điều kiện suốt trình học tập Thành phố Hồ chí minh 12.2002 Bùi Hữu Phú LỜI MỞ ĐẦU Anten phận quan trọng thiếu hệ thống vô tuyến điện nào, hệ thống vô tuyến nghóa hệ thống có sử dụng sóng điện từ, không dùng đến thiết bị để xạ thu sóng điện từ ( thiết bị anten ) Anten sử dụng với nhiều mục đích khác nhiều yêu cầu khác Với đài phát vô tuyến truyền hình anten cần xạ đồng mặt phẳng ngang máy thu đặt hướng thu tín hiệu đài phát Với đài phát Radar, vệ tinh … yêu cầu anten cần có tính định hướng cao nghóa tập trung tòan công súât thu phát vào góc hẹp không gian Với phát triển nhanh khoa học kỹ thuật, nhiều công nghệ đời đòi hỏi kỹ thuật cao anten để đáp ứng yêu cầu Việc sử dụng anten đơn lẻ xem gặp nhiều khó khăn việc đáp ứng yêu cầu thiết Thay vào người ta sử dụng hệ anten dãy ưu điểm mà anten đơn lẻ giải Với hệ anten dãy ta dễ dàng thay đổi đặc tính xạ anten : điều khiển hướng xạ theo hướng tùy chọn, thay đổi điều khiển độ định hướng hệ anten triệt side lobes dễ dàng cách kích thích biên độ pha cho phần tử anten giá trị thích hợp Luận văn tập trung chủ yếu vào việc điều khiển hướng xạ kỹ thuật dịch pha ba lọai anten dãy : dãy anten tuyến tính ( linear array), dãy anten vòng ( circular array ) anten phẳng ( planar array ) Luận văn chia làm ba phần : - Phần : trình bày chủ yếu lý thuyết anten đơn , dãy thuật giải CORDIC - Phần : trình bày nguyên lý đưa sơ đồ khối thực dịch pha phần tử anten - Phần : thực mô kết máy tính phần mềm Matlab Sau gần sáu tháng nghiên cứu, luận văn hòan thành Tuy nhiên có nhiều mặt hạn hạn chế nên chắn nhiều thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến Quý Thầy cô bạn đọc để bổ sung thêm cho luận văn MỤC LỤC Giới thiệu PHẦN LÝ THUYẾT Chương Tổng quan anten 1.Giới thiệu 2.Các thông số anten 2.1.Giản đồ xạ 2.1.1 Giản đồ đẳng hướng định hướng 2.1.2 Các giản đồ 2.1.3 Giản đồ búp sóng 2.1.4 Các vùng trường 2.1.5 Trường điện từ anten đẳng hướng 2.2 Các đại lượng đặc trưng trường xạ anten 2.2.1 Vector Poynting 2.2.2 Công suất xạ anten 2.3 Độ định hướng 2.4 Độ lợi anten 2.5 Hiệu suất anten 2.5 Băng thông nửa công súât 2.6 Hiệu suất tia 2.7 Băng thông 2.8 Phân cực 2.9 Vector chiều dài hiệu dụng diện tích tương đương 10 2.10 Nhiệt độ anten 11 3.Quan hệ trường xạ nguồn kích thích anten 13 4.Trường xạ dipole hertz 14 Chương Hệ thống anten dãy Dãy hai phần tử 17 18 Dãy tuyến tính n phần tử – đồng biên độ đồng khoảng cách 20 2.1 Dãy Broadside dãy End-Fire 23 2.2 Dãy Quét (Scanning Array) 25 Dãy tuyến tính n phần tử - đặc tính ba chiều 27 3.1 N phần tử nằm dọc theo trục Z 27 3.2 N phần tử nằm dọc theo trục X Y 27 Dãy tuyến tính n phần tử - khoảng cách đồng nhất, biên độ không đồng 28 4.1 Hệ số mảng 29 4.2 Dãy nhị thức 30 4.3 Dãy Schebyscheff 32 Dãy hai chiều 33 5.1 Hệ số mảng 33 5.2 Độ rộng búi sóng 36 5.3 Độ định hướng 38 Anten dãy vòng (circular array) 38 6.1 Hệ số dãy 38 Chương Thuật giải CORDIC 42 1.Giới thiệu thuật giải Cordic 42 1.1 tính tóan hàm sin cos 45 1.2 chuyển đổi tọa độ cực sang tọa độ đe-cac 45 1.3 tính tóan hàm arctan 45 1.4 biên độ vector 45 1.5.chuyển đổi tọa độ đe-cac sang tọa độ cực 46 1.6.tính tóan hàm arcsin arccos 46 1.7.Tính tóan hàm tuyến tính 47 1.8.Tính tóan hàm hyperbolic 47 2.Thực thuật giải CORDIC phần cứng 48 2.1.Bộ dịch CORDIC bit song song 48 2.2 Sơ đồ CORDIC không cuoán bit song song ( Unrolled cordic ) 49 2.3 Bộ dịch CORDIC bit nối tiếp 50 PHẦN THỰC HIỆN Mục đích giới hạn thực đề tài 53 2.Thực 53 2.1 Giới thiệu 54 2.2 Tính tóan ma trận trọng số anten 55 2.2.1 anten phát 55 2.2.1.1 linear array 55 2.2.1.2 circular array 55 2.2.1.3 planar array 55 2.2.2 Anten thu 56 2.3 Thiết kế sơ đồ khối tạo trọng số anten điều khiển hướng xạ cực đại hệ thống anten dãy 64 PHẦN MÔ PHỎNG Tài liệu tham khảo 77 111 PHẦN LÝ THUYẾT PHẦN THỰC HIỆN PHẦN MÔ PHỎNG Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 16 Giản đồ xạ 2D ứng với N =20, R = vaø R=2, freq =1 , vaø θ = φ = 90 Ta nhận thấy búp sóng có độ rộng hẹp hơn, hay tính định hướng tăng lên R tăng Tuy nhiên tăng R thành phần búp phụ tăng theo, điều mà không mong muốn Bây ta thử giảm bán kính R, chọn R=0.3 Kết sau : Trang 97 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Trang 98 Phần Mô Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 17 Giản đồ xạ 2D ứng với N =20, R = 0.3, freq =1 , vaø θ = φ = 90 Ta nhận thấy giảm bán kính R làm tăng độ rộng búp sóng lên, làm giảm tính định hướng hệ anten dãy xuống Từ kết qua kiểm chứng phần mềm tác giả nhận thấy hệ anten circular array, thiết kế nên chọn R = 1.25 λ N =20 tốt Giản đồ xạ ứng với thông số sau : Hình 18 Giản đồ xạ 2D ứng với N =20, R =1.25, freq =1 , θ =90, φ =270 Như so với hệ linear array anten, hệ anten circular array có nhiều ưu điểm ta điều khiển hướng xạ theo hai góc góc phương vị (azimuth) góc ngẩng (elevation), thiết kế lắp đặt diện tích chiếm dụng không gian nhỏ gọn 3.Chọn nút “ Planar Array “ Khi chọn nút cửa sổ chương trình mô sau : Trang 99 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 19 Cửa sổ giao diện để khảo sát đặc tính anten dãy phẳng Đây cửa sổ giao diện để ta khảo sát đặc tính xạ hệ thống anten dãy hai chiều (planar array ) Cửa sổ giao diện có năm button nhấn: - “ AF Pattern 3D “ : hiển thị kết giản đồ xạ dạng ba chiều hệ số dãy tương ứng với giá trị nhập vào phần edit bên - “ AF Pattern 2D “ : hiển thị kết giản đồ xạ dạng hai chiều hệ số dãy tương ứng với giá trị nhập vào phần edit bên - “ Current Dist “ : hiển thị phân bố dòng phần tử anten mảng, qua cho ta thấy độ lệch pha phần tử anten - “ Return to Main Windows” : trở lại cửa sổ giao diện - “ Close : thóat khỏi chương trình mô Trong cửa sổ giao diện có thông số cần phải nhập trước chạy mô : - Số phần tử anten dãy nằm dọc theo trục Ox( viết tắt Nx ) - Số phần tử anten dãy nằm dọc theo trục Oy( viết tắt My ) Trang 100 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô - Khỏang cách phần tử anten nằm theo trục Ox ( đơn vị nhập theo bước sóng) (viết tắt dx) - Khỏang cách phần tử anten nằm theo trục Oy ( đơn vị nhập theo bước sóng) (viết tắt dy) - Tần số họat động ( đơn vị GHz ) ( viết tắt freq.) - Giá trị hai góc ngẩng θ1 θ2 mà búp sóng quét khỏang - Giá trị hai góc phương vị φ1 φ2 mà búp sóng quét khỏang Giả sử, ta nhập thông số sau: - Nx = My = 3, dx=dy = 0.5, freq =1 , θ1 = θ2 = 45 φ1 = φ2 = 30 kết sau : *Khi nhấn vào nút “AF Pattern 3D “ : Hình 20 Giản đồ xạ 3D ứng với N=M = 3, kc = 0.5, freq =1 , vaø θ =45, φ= 30 Dựa vào kết ta thấy đồ thị xạ beam tròn với hướng xạ cực đại θ = 450 φ = 30 theo yêu cầu Trang 101 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô *Khi nhấp vào nút “ AF Pattern 2D”: Hình 21 Giản đồ xạ 2D ứng với N=M = 3, kc = 0.5, freq =1 , θ =45, φ= 30 Kết vẽ mặt phẳng (xOy), tức quan sát từ xuống, ta nhận thấy ngòai búp sóng góc φ = 300 xuất số búp sóng phụ khác *Khi nhấn vào nút “ Current Dist.” : Trang 102 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 22 Giản đồ phân bố dòng ứng với N=M = 3, kc = 0.5, freq =1, vaø θ =45, φ= 45 Từ kết ta thấy pha ban đầu phần tử anten là: - anten : ϕ = +0.9661 π - anten : ϕ = +0.6125 π - anten : ϕ = +0.2589 π - anten : ϕ = +0.3536 π - anten : ϕ = - anten : ϕ = -0.3536 π - anten : ϕ = -0.2589 π - anten : ϕ = -0.6125 π - anten : ϕ = -0.9661 π Nếu tính theo lý thuyết độ lệch pha phần tử anten so với điểm gốc : αn m = - [( n-(Nx+1)/2) k dx sinθ cosφ + (m-(My+1)/2) k dy sinθ sinφ)] = - [(n-2) * (2*pi/λ) * (λ /2) * sin ( pi/4) * cos(pi/6) + Trang 103 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô (m-2)*(2*pi/λ) * (λ /2) * sin ( pi/4) * sin(pi/6) ] = -0.3536 * pi* [ (n-2) sqrt(3) + (m-2) ] , n,m = – 3; Phân bố pha mảng anten phần tử sau : - anten : α 1 = +0.9661 π - anten : α = +0.6125 π - anten : α = +0.2589 π - anten : α = +0.3536 π - anten : α 2 = - anten : α = -0.3536 π - anten : α = -0.2589 π - anten : α = -0.6125 π - anten : α 3 = -0.9661 π So sánh ta nhận thấy phân bố pha phần tử anten hòan tòan trùng khớp với Bây ta nhập thông số sau: -Nx = My = 10, dx= dy = 0.5, freq =1 , θ1 = θ2 = 180 φ1 = φ2 = 25 kết giản đồ phân bố pha sau: Trang 104 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 23 Giản đồ phân bố dòng ứng với N=M =10, kc = 0.5, freq =1,θ =180, φ= 23 Ta nhận thấy đồ thị có đường hàm cos, ta suy lệch pha phần tử anten, hai phần tử có sai lệch pha ± 2π, so sánh với lý thuyết để hướng xạ cực đại θ = 1800, φ= 250 độ lệch pha phần tử anten α = - [k dx sinθ cosφ + k dx sinθ cosφ] = Do đồ thị pha đường hòan tòan phù hợp Bây ta thử thay đổi Nx, My, ta thử so sánh giản đồ hệ số dãy ứng với Nx=My=5 Nx=My=10, kết giản đồ array factor 2D sau:: Trang 105 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Trang 106 Phần Mô Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 24 Giản đồ xạ ứng với N=M =10 N=M=5 Ta nhận thấy búp sóng có độ rộng hẹp hơn, hay tính định hướng tăng lên Nx My tăng Bây ta thử thay đổi khoảng cách phần tử anten Khi cho dx=dy =1, dx=dy=1.5 tức khỏang cách phần tử bước sóng, 1,5 bước sóng, chọn Nx = My = 3, freq =5 , θ1 = θ2 = 90 φ1 = φ2 = 315, kết sau : Trang 107 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 25 Giản đồ xạ ứng với dx=dy = dx=dy= 1.5 Ngòai thành phần búp xuất nhiều búp phụ khác Như tăng khỏang cách phần tử anten làm tăng búp sóng phụ, điều mà không mong muốn Bây ta thử giảm khỏang cách phần tử anten, chọn dx = dy = 0.3, kết sau : Trang 108 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô Hình 26 Giản đồ xạ ứng với dx=dy = 0.3 Ta nhận thấy giảm khỏang cách phần tử anten tăng độ rộng búp sóng lên, làm giảm tính định hướng hệ anten dãy Như so với hai hệ thống anten trên, hệ thống anten dãy planar array có nhiều ưu điểm hẳn, điều khiển hướng xạ theo hai góc góc phương vị (azimuth) góc ngẩng (elevation) circular array, thay đổi cách linh họat đặc tính xạ độ định hướng, side lobes … Trang 109 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn thực yêu cầu điều khiển hướng xạ kỹ thuật dịch pha phần tử anten ba lọai cấu trúc anten dãy: linear, circular planar array Thiết kế sơ đồ khối thực phần cứng kỹ thuật điều khiển dịch pha thuật giải CORDIC Chương trình mô thể cách chi tiết đặc tính xạ cấu trúc anten, qua giúp ta nhiều việc khảo sát thiết kế anten dãy cách phù hợp với yêu cầu thực tế Phạm vi ứng dụng đề tài lớn : phát truyền hình để điều chỉnh thay đổi vùng phủ sóng tiết kiệm công suất phát, công nghệ GSM CDMA tương lai SDMA để thiết kế anten thông minh điều khiển đường downlink bám theo thuê bao giảm nhiễu đồng kênh dẫn đế tăng chất lượng phục vụ tăng dung lượng kênh, vô tuyến dẫn đường quân để thiết kế Radar quét main beam cách điện tử đáp ứng nhanh, nhạy xác cao so với lọai Radar chuyển mạch cơ, kỹ thuật định hướng để thiết kế hệ thống anten thu đo định vị phát xạ vô tuyến điện Do hạn chế mặt thời gian nên việc thi công thực hệ thống anten dãy điều khiển hướng xạ cực đại kỹ thuật dịch pha chưa thể thực hiện, có lẽ công việc tiếp tục đề tài Ngòai ra, việc tính tóan trọng số anten thu nghiên cứu môi trường nhiễu nhiệt môi trường multipaths có thành phần fading Môi trường Multipaths thực tế phức tạp, việc tính tóan vector ma trận trọng số anten môi trường hướng phát triển nghiên cứu tiếp tương lai Sinh viên thực Bùi Hữu Phú Trang 110 Luận văn cao học:Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy Phần Mô TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A Balanis, ANTENNA THEORY – Analysis and Design , Second Edition, JOHN WILEY & SONS, INC [2] Richard C Johnson, ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK, Third Edition, MCGRAW-HILL, INC [3] Theodore S Rappaport, SMART ANTENNAS – Adaptive Arrays, Algorithms and Wireless Position Location, IEEE Selected readings [4] GS TS Phan Anh, LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN, Nhà xuất khoa học kỹ thuaät 1997 [5] Grant Hampson and Andrew Paplinski, PHASE SHIFT BEAMFORMING USING CORDIC, (*.pdf file) [6] Andrew P Paplinski, Nandita Bhattacharjee and Charles Greif, A NEW WORDPARALLEL CORDIC PROCESSOR FOR ULTRASONIC IMAGING APPLICATIONS, April 3, 2001 (*.pdf file) [7] Norbert Lindlbauer, APPLICATION OF FPGA’s TO MUSICAL GESTURE COMMUNICATION AND PROCESSING, November 14, 1999 (*.pdf file) [8] G A Hampson, A BEARFORMER IMPLEMENTATION CAPBLE OF CALCULATING MULTIPLE INDEPENDENT BEAMS WITH INTERFERENCE REJECTION USING HAREWARE EFFICIENT CORDIC ROTATIONS, July 18, 2000 (*.pdf file) [9] Ray Andraka, A SURVEY OF CORDIC ALGORITHMS FOR FPGA BASED COMPUTERS, (*.pdf file) [10] Tanya Vladimirova and Hans Tiggeler, FPGA IMPLEMENTATION OF SINE AND COSINE GENERATORS USING THE CORDIC ALGORITHM, (*.pdf file) Trang 111 ... MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA o0o - BÙI HỮU PHÚ ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG BỨC XẠ CỦA HỆ THỐNG ANTEN DÃY BẰNG KỸ THUẬT DỊCH PHA Chuyên ngành : Kỹ thuật vô tuyến điện tử Mã số ngành : LUẬN VĂN THẠC SĨ... văn tập trung chủ yếu vào việc điều khiển hướng xạ kỹ thuật dịch pha ba lọai anten dãy : dãy anten tuyến tính ( linear array), dãy anten vòng ( circular array ) anten phẳng ( planar array ) Luận... cường độ xạ theo hướng θ - Uφ : cường độ xạ theo hướng φ Trang Luận án Cao học: Điều khiển hướng xạ cực đại hệ anten dãy - (Prad )φ : tổng công suất xạ theo hướng φ - (Prad)θ : tổng công suất xạ theo