Ứng dụng ăng ten tái cấu hình trong hệ thống giao thông thông minh
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
THIẾT KẾ ĂNG-TEN
Do vật liệu thiết kế phương tiện có các đặc tính khác nhau như: che khuất sóng điện từ, phản xạ sóng … Mà phương pháp sử dụng các phần tử ký sinh lại dễ bị ảnh hưởng đến hiệu suất bởi yếu tố môi trường như thời tiết và nhiễu từ các thiết bị khác. Sau khi đã xác định được yêu cầu và phương pháp thiết kế, việc lựa chọn băng tần hoạt động của ăng-ten là vô cùng quan trọng vì sẽ phải đáp ứng được các yêu cầu đặt ra theo chuẩn công nghệ hoạt động tại băng tần đã chọn. Vì thế để sử dụng phương pháp chuyển đổi phần tử bức xạ nhằm thay đổi phân bố dòng điện trên bề mặt ăng-ten cũng có nhiều kỹ thuật để thực hiện và được phân loại như Hình 2.1.
Kỹ thuật phổ biến nhất để thay đổi hình dạng của ăng-ten chính là sử dụng các bộ chuyển mạch điện tử nhằm làm thay đổi phân bố dòng bề mặt và làm thay đổi cấu trúc bề mặt bức xạ hoặc cạnh bức xạ của ăng-ten. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm cho người thiết kế ăng-ten như dễ dàng trong việc thiết kế, điều khiển tái cấu hình, tích hợp phần tử điện tử sẽ gọn nhẹ hơn so với các kỹ thuật khác. Ngoài ra, chuyển mạch quang còn có ưu điểm đó là khi tích hợp vào ăng-ten tái cấu hình thì không cần mạch phân cực như các chuyển mạch điện, vì thế sẽ không sinh nhiễu, suy hao, méo đồ thị bức xạ.
Tuy nhiên phương pháp này không được sử dụng rộng rãi do nhược điểm của nó là đáp ứng chậm, giá thành cao, kích thước và độ phức tạp của ăng-ten tăng do phải sử dụng cơ cấu tái cấu hình vào ăng-ten. Ví dụ đối với tinh thể lỏng, đặc tính của vật liệu này là không tuyến tính, hằng số điện môi của tinh thể lỏng có thể được thay đổi dưới sự thay đổi của điện áp đặt bên ngoài để điều khiển hướng của các phân tử tinh thể lỏng. Công cụ được sử dụng để thiết kế mạch phổ biến nhất là Altium Designer và Alegro nhưng học viên lựa chọn Altium Designer là phần mềm thiết kế mạch do có những đặc điểm nổi bật sau: Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế, mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều – tính năng mà học viên đưa ra trong phần thiết kế sau đây, ngoài ra phần mềm này còn liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cho cả 2D và 3D.
Thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ Trước khi bắt đầu thiết kế ăng-ten tái cấu hình, các nguyên tắc thiết kế, quy trỡnh và đặc điểm của ăng-ten cần được cõn nhắc và hiểu biết rừ. Hơn nữa, cỏc kỹ thuật thiết kế ăng-ten vi dải, cấu trúc và hình dạng khác nhau, phương pháp phân tích và cấp điện được áp dụng để cải thiện các đặc tính và hiệu suất của ăng-ten. Đầu tiên, một ăng-ten phẳng đơn có tần số hoạt động cố định 5,9 GHz được thiết kế với phần cấp điện cáp đồng trục và độ dài của phần tử bức xạ của ăng-ten được tính toán ở tần số này.
Tiếp theo, dựa vào nguyên lý chuyển đổi phần tử bức xạ nhằm thay đổi phân bố dòng điện trên bề mặt ăng-ten, các phần tử bức xạ của ăng-ten được thay đổi bằng cách sử dụng các chuyển mạch điốt PIN nối. Cùng với việc điều chỉnh hướng của búp sóng chính, băng thông hoạt động của ăng-ten là khoảng tần số mà |S11| nhỏ hơn hoặc bằng mức -10 dB cũng cần được tối ưu và điều chỉnh sao cho với ăng-ten chỉ tái cấu hình theo đồ thị bức xạ thì tần số cộng hưởng ở các cấu hình khác nhau được thiết kế càng ít thay đổi càng tốt. Phần tử bức xạ của ăng-ten được thiết kế để hoạt động tại tần số trung tâm 5,9 GHz là patch hình tròn với kích thước được tính toán thô dựa trên Hàm Bessel bậc n cho ăng-ten có bức xạ tròn kết hợp tối ưu hóa bằng phần mềm CST [29].
Nội dung thứ hai mà chương đạt được là áp dụng những lựa chọn nêu trên cùng với yêu cầu đã đặt ra ở Chương 1 để thiết kế một ăng-ten vi dải tái cấu hình theo đồ thị bức xạ với quy trình đầy đủ từ đặt mục tiêu, thiết kế, mô phỏng và đánh giá.
ĐO KIỂM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ DỰA TRÊN THỰC NGHIỆM
Khi cài đặt thông số kỹ thuật ăng-ten, một số công ty muốn sử dụng hệ số phản xạ trong khi những công ty khác thích VSWR, do đó việc sử dụng bảng chuyển đổi này sẽ thuận tiện hơn cho người dùng khi học viên kết quả đo để đánh giá tham số hoạt động của ăng-ten. Suy hao phản hồi (Return Loss) và hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) Để đánh giá băng tần hoạt động của ăng-ten, tham số “hệ số phản xạ” tiêu chuẩn là -10dB. Trong luận văn này, học viên đã đề xuất mẫu ăng-ten tái cấu hình kích thước nhỏ cho thiết bị đầu cuối nên sử dụng mức tham chiếu tiêu chuẩn S11 là -10dB.
Một máy phân tích mạng Vector (Vector Network Analyzer) như giới thiệu trong Hình 3.3 có thể đo cả biên độ và pha, nghĩa là nó có thể hiển thị giá trị trở kháng của ăng-ten trên Biểu đồ Smith và điều này rất cần thiết khi điều chỉnh phối hợp trở kháng. Vì hệ thống là đối ứng, do đó giá trị đo phải giống nhau nếu điện thoại đóng vai trò là máy phát và ăng-ten horn phân cực kép đóng vai trò là máy thu. Để là một sản phẩm sử dụng trên thị trường, các thiết bị mạng không dây luôn được nhà kiểm thử, nhà sản xuất thiết bị đánh giá tổng thể mà không thực sự quan tâm đến việc ăng-ten hoạt động như thế nào.
Thử nghiệm ăng-ten chủ động đó thường được gọi là Thử nghiệm hiệu suất môi trường bên ngoài (Over the Air Performance Testing- OTA), là điều kiện thử nghiệm hệ thống được các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra để sản phầm được chấp nhận. Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả (Effective Isotropic Radiated Power), công suất bức xạ hiệu quả (Effective Radiated Power) và tổng công suất bức xạ (Total Radiated Power) là tất cả các tham số được sử dụng để đánh giá hiệu suất. Bây giờ thay thế ăng-ten đẳng hướng bằng ăng-ten được tích hợp trên thiết bị nếu công suất của tín hiệu thu được tăng thêm 3 dB thì EIRP của thiết bị ở hướng góc đó là 3 dB trên 0 dBm, tương đương 3 dBm.
Trong phòng câm 2D, ăng-ten lưỡng cực thường được sử dụng làm ăng-ten tham chuẩn, việc tính toán ERP từ sự khác biệt giữa ăng-ten đo kiểm và ăng-ten lưỡng cực dễ hơn một chút so với tính toán EIRP. Để làm được điều đó phải sử dụng cùng với phần mềm mạnh mẽ, các tín hiệu phức tạp như tín hiệu điều chế số,… có thể được tạo ra bởi duy nhất một máy phát tín hiệu có hiệu suất, độ trung thực cao. Máy phân tích phổ là thiết bị được dùng phân tích tín hiệu truyền qua hoặc truyền đi bởi hệ thống hoặc thiết bị cá nhân, để xác định được đường đặc tính của tín hiệu từ đó phát hiện ra lỗi và khắc phục sự cố.
Do đó, máy phân tích phổ được sử dụng rộng rãi trong việc đo đạc các đặc tính đáp ứng tần số, nhiễu méo dạng của mạch RF bằng cách so sánh phổ tín hiệu của đầu vào và ra. Điển hình trong viễn thông, máy phân tích phổ hay máy phân tích mạng dùng để xác định chính xác độ rộng băng thông bị lấn chiếm, độ méo, biến dạng của tớn hiệu và theo dừi cỏc nguồn nhiễu. Mỏy phõn tớch phổ sẽ giao diện với thiết bị kết nối với bộ phận wireless hay máy tính cá nhân để cho phép hiện hình ảnh và phân tích tín hiệu qua bộ xác định tần số.
Do phòng thí nghiệm không có đủ những thiết bị kỹ thuật chuyên dụng cần thiết để thực hiện chi tiết bài thử nghiệm trong môi trường thực (phương tiện giao thông,…) nên việc kiểm chứng mức tín hiệu thu được của ăng-ten được thực hiện bằng cách sử dụng máy phân tích phổ gắn với ăng-ten đề xuất di chuyển các hướng vòng quanh máy phát tín hiệu đặt tại vị trí cố định.
