(a) mặt trên
(b) mặt dưới
Thiết kế anten mảng DSPD-2 được mô tả tại Hình 4.25 ởtrên. Anten mảng DSPD-2 sử dụng các phần tử anten đơn DSPD và cấu trúc mặt phản xạ hoàn toàn giống với anten mảng DSPD-1, mạng tiếp điện được điều chỉnh để phù hợp với phân bố mới về biên độ và khoảng cách giữa các phần tử.
4.4.4. Kết quảmô phỏng anten mảng DSPD-2
Anten mảng DSPD-2 được thiết kế và mô phỏng bẳng phần mềm CST MWS phiên bản 2018. Anten mảng DSPD-2 và mặt phản xạ được thiết kế với kích thước và vật liệu hoàn toàn giống với anten mảng DSPD-1: vật liệu Rogers RO4003C (εr = 3,55) có kích thước là 450 × 160 × 1,524 mm3. Mặt phản xạ được sử dụng là tấm vật liệu FR4 (εr = 4,4) với hai mặt phủ kim loại đồng, kích thước là 503 × 213 × 1,6 mm3. Hình 4.26 thể hiện thiết kế mảng DSPD-2.
Hình 4. 26. Thiết kế hoàn chỉnh của anten mảng DSPD-2
Hình 4.27 trình bày kết quảmô phỏng hệ số S11 tại lối vào của anten mảng DSPD-2. Anten mảng DSPD-2 có băng thông hoạt động khoảng 410 MHz (3,27-3,68 GHz) tại S11 = -10 dB.
Hình 4.28 trình bày kết quả mô phỏng tăng ích cực đại và hiệu suất bức xạ của anten mảng DSPD-2 cho thấy, anten mảng DSPD-2 có hiệu suất bức xạ trung bình 90% trong dải tần hoạt động, trong khi tăng ích cực đại đạt 18,3 dBi. Tại tần số thiết kế 3,5 GHz, tăng ích của anten mảng DSPD-2 là 18 dBi.
z y
Hình 4. 27. Kết quả mô phỏng hệ số S11 của anten mảng DSPD-2
Hình 4. 28. Kết quả mô phỏng tăng ích cực đại và hiệu suất bức xạ của anten mảng DSPD-2
Đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 được mô phỏng trong mặt phẳng xOz và yOz với cả hai trường hợp đồng phân cực và phân cực chéo. Kết quả mô phỏng tại các tần số 3,48 GHz; 3,5 GHz và 3,52 GHz được trình bày từ Hình 4.29 đến Hình 4.31 cho thấy, mức búp sóng phụ thứ nhất được suy giảm rõ ràng trong mặt phẳng xOz đối với cả trường hợp đồng phân cực và phân cực chéo tại ba tần sốđược khảo sát. Chi tiết như sau:
Tại tần số3,48 GHz, điểm không được đặt tại góc -21o với giá trị NDL là -43,19 dB. Mức búp sóng phụ tốt nhất tại góc ±17ođạt -30,1 dB. Mức cao nhất của các búp sóng phụ là -21 dB.
(a) mặt phẳng xOz (b) mặt phẳng yOz Hình 4. 29. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2
tại tần số 3,48 GHz
Tại tần sốtrung tâm 3,5 GHz, điểm khôngđược đặt tại góc -18o với giá trị NDL là -44,69 dB. Mức búp sóng phụ tốt nhất tại góc ±17o đạt -39,5 dB. Mức cao nhất của các búp sóng phụlà -21 dB.
(a) mặt phẳng xOz (b) mặt phẳng yOz
Hình 4. 30. Kết quảmô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,5 GHz
Tại tần số3,52 GHz, điểm không được đặt tại góc -18o với giá trị NDL là -36,57 dB. Mức búp sóng phụ tốt nhất tại góc±17ođạt -32,68 dB. Mức cao nhất của các búp sóng phụ là -21,23 dB.
(a) mặt phẳng xOz (b) mặt phẳng yOz Hình 4. 31. Kết quảmô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2
tại tần số 3,52 GHz
Bảng 4.15 trình bày tổng hợp chi tiết kết quảmô phỏng mức búp sóng phụ và vịtrí các điểm không được đặt trên đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-2.
Bảng 4. 15. Kết quảmô phỏng mức búp sóng phụvà vịtrí điểm không
Tần số (GHz) 3,48 3,50 3,52
Vị tríđiểm không (độ) -21 -18 -18
Giá trị NDL (dB) -43,19 -44,69 -36,57
Mức nhỏ nhất tại góc ±17o (gócđặt điểm
khôngtheo lý thuyết) (dB) -30,1 -39,5 -32,68 Mức lớn nhất của các búp sóng phụ (dB) -21 -21 -21,23
Tăng ích cực đại (dBi) 17,95 18,0 18,03
4.4.5. So sánh kết quảmô phỏng anten mảng DSPD-1 và DSPD-2
So sánh băng thông hoạt động và tăng ích cực đại:
Hình 4.32(a) trình bày kết quả mô phỏng giá trị hệ số phản xạ S11 của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2. Anten mảng DSPD-1 có băng thông hoạt động 600 MHz, rộng hơn 190 MHz so với băng thông hoạt động 410 MHz của anten mảng DSPD-2. Tại tần số 3,5 GHz, giá trị S11
của anten mảng DSPD-1 khoảng -16,5 dB trong khi giá trị S11 của anten mảng DSPD-2 là xấp xỉ -15 dB.
Hình 4.32(b) trình bày kết quả mô phỏng tăng ích cực đại theo tần số hoạt động của hai anten mảng DSPD. Anten mảng DSPD-2 có tăng ích được cải thiện khoảng 1 dB so với anten mảng DSPD-1. Tại tần số 3,5 GHz sựchênh lệch này khoảng xấp xỉ 0,7 dB.
(a) hệ số S11 (b) tăng ích
Hình 4. 32. Kết quảmô phỏng tăng ích cực đại và hệ số S11 của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2
So sánh góc một nửa công suất của búp sóng chính:
Hình 4.33 trình bày kết quảmô phỏng góc một nửa công suất của búp sóng chính (HPBW) của hai anten mảng DSPD. Trong dải tần khảo sát 3,2-3,8 GHz: Tại mặt phẳng xOz (Hình 4.33a), HPBW của hai anten mảng DPSD là không có sựkhác biệt nhiều, HPBW của anten mảng DSPD-2 chỉ nhỏhơn từ 0,5ođến 1o; ngược lại, tại mặt phẳng yOz (Hình 4.33b) thì HPBW của anten mảng DSPD-2 lớn hơn từ 3o đến 5o so với HPBW anten mảng DSPD-1.
(a) mặt phẳng xOz (b) mặt phẳng yOz
Hình 4. 33. Kết quả mô phỏng HPBW búp sóng chính của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2
So sánh đồ thị bức xạvà mức nén búp sóng phụ thứ nhất:
Hình 4.34 và Bảng 4.16 trình bày kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ tại tần số 3,5 GHz của hai anten mảng DSPD. Trong mặt phẳng yOz, đồ thị bức xạ của hai anten mảng là tương đương nhau. Trong mặt phẳng xOz, anten mảng DSPD-2 cho độ sâu điểm không tại búp sóng phụ thứ nhất là tốt hơn so với mảng DSPD-1. Tuy nhiên, mảng DSPD-1 nén búp sóng phụ thứ nhất ở góc rộng hơn, đồng thời mức các búp sóng phụcòn lại được kiểm soát tốt hơn.
(a) mặt phẳng xOz (b) mặt phẳng yOz
Hình 4. 34. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten mảng DSPD-1 và anten mảng DSPD-2 tại tần số 3,5 GHz.
Bảng 4. 16. Đồ thị bức xạ của hai anten mảng DSPD tại tần số 3,5 GHz
Anten mảng
Tham sốso sánh DSPD-1 DSPD-2
Góc có điểm không (o) -24 -18
Giá trị NDL của điểm không (dB) -49 -44,69
Mức búp sóng phụ tại góc 17o (góc đặt
điểm khôngtheo lý thuyết) (dB)
-21,1 -39,5
Giá trị SLL lớn nhất (dB) -21,4 -20,99
Tăng ích cực đại (dBi) 17,3 18,0
Góc HPBW (búp sóng chính) 12,7 12,4
Đánh giá chung:
So với anten mảng DSPD-1, anten mảng DSPD-2 có cải thiện vềtăng ích, vị trí đặt điểm không và độ sâu của điểm không đặt tại búp sóng phụ thứ nhất. Băng thông hoạt động của anten mảng DSPD-2 là nhỏhơn so với anten mảng DSPD-1.
4.5. Đánh giá giải pháp
Trên cơ sở kết quả mô phỏng các mảng DSPD và đo đạc thực nghiệm đã nêu ở trên, có thể đánh giá giải pháp phát triển anten mảng DSPD như sau:
- Ưu điểm của giải pháp:
Điểm nổi bật của giải pháp phát triển mảng anten DSPD ở Chương này so với các nghiên cứu về mảng DSPD khác là thông qua việc sử dụng thuật toán đàn Dơi và kỹ thuật đặt điểm không cho phép thiết kế được mảng DSPD có mức búp sóng phụ thấp, có thể nén sâu riêng búp sóng thứ nhất và vẫn duy trì được tăng ích ở mức cao trên 17 dBi trong dải tần hoạt động 3,5 GHz. Việc phát triển mảng DSPD nén được riêng búp sóng phụ thứ nhất là
cơ sởđểnghiên cứu, áp dụng đối với bài toán yêu cầu nén riêng các búp sóng phụ khác.
Giải pháp đề xuất ở đây có thể áp dụng được cho cả hai trường hợp yêu cầu vềđiều khiển biên độvà điều khiển khoảng cách giữa các phần tử của anten mảng DSPD.
Việc cấu trúc lại các phần tử anten DSPD đơn trong giải pháp đề xuất ở Chương này đã giảm đáng kể độ lệch của búp sóng chính của anten mảng DSPD có sử dụng mặt phản xạ. Đồng thời, so với đề xuất tại Chương 3 của luận án này, việc sử dụng phần tử DSPD thay cho phần tử Vivaldi cũng cải thiện được về mặt kích thước tổng thể của anten. Từ đó, nâng cao hiệu quả sử dụng của anten.
- Hạn chế và hướng cải thiện:
Điểm hạn chế chính của giải pháp phát triển anten mảng DSPD đó là các anten DSPD này mặc dù có băng thông hoạt động rộng nhưng chỉ có thể nén sâu búp sóng phụ thứ nhất ở một băng thông hẹp lân cận tần số trung tâm 3,5 GHz do mạng tiếp điện nối tiếp chỉ đáp ứng được các phân bố biên độ tín hiệu theo yêu cầu trong khoảng băng thông hẹp đó. Hướng cải thiện đối với các anten mảng DSPD này là nghiên cứu, sử dụng các mạng tiếp điện có khả năng đáp ứng các phân bốbiên độ với băng thông rộng.
4.6. Kết luận Chương 4
Chương 4 đề xuất giải pháp thiết kế anten mảng DSPD 10 phần tử hoạt động ở dải tần 3,5 GHz đáp ứng yêu cầu tăng ích cao và nén búp sóng phụ thứ nhất bằng cách đặt điểm không tại búp sóng phụ thứ nhất thông qua các kỹ thuật điều khiển biên độ tín hiệu kích thích hoặc điều khiển khoảng cách giữa các phần tử. Thuật toán đàn Dơi đã được vận dụng để tính toán các phân bố biên độ và khoảng cách tương ứng. Cấu trúc mạng tiếp điện được
đề xuất tại Chương 2 đã được áp dụng để thiết kế các mạng tiếp điện thực thi các bộ trọng số được tính toán từ thuật toán đàn Dơi nêu trên. Các phần tử anten của mảng được lựa chọn là anten DSPD kết hợp các phần tử ký sinh để mở rộng băng thông và cải thiện tăng ích.
Trên cơ sở đó, hai anten mảng đã được thiết kế gồm mảng DSPD-1 (điều khiển biên độ) và mảng DSPD-2 (điều khiển khoảng cách). Các kết quả mô phỏng cho thấy, anten mảng DSPD-1 và DSPD-2 có tăng ích trên 17 dBi, băng thông hoạt động đạt 600 MHz (anten mảng DSPD-1) và 410 MHz (anten mảng DSPD-2) tương ứng với S11 = -10 dB. Tại tần số trung tâm 3,5 GHz, búp sóng phụ thứ nhất có thể giảm tốt nhất dưới -40 dB. Anten mảng DSPD-1 đã được chế tạo và đo đạc thực nghiệm giản đồ bức xạ và hệ số S11. Các kết quả thực nghiệm thu được là chấp nhận được so với các tính toán, mô phỏng. Điểm hạn chế của các anten mảng DSDP là băng thông tương ứng với trường hợp búp sóng phụ thứ nhất được nén sâu là khá hẹp, bởi vì mạng tiếp điện chỉ đáp ứng tốt được phân bốbiên độ và phân bố pha theo yêu cầu trong một dải băng thông nhỏlân cận tần số thiết kế ban đầu.
KẾT LUẬN
Trong luận án này, lý thuyết về anten mảng tuyến tính và thuật toán tối ưu đàn Dơiđã được nghiên cứu đểáp dụng cho bài toánđiều khiển mức búp sóng phụ bằng hai kỹ thuật là điều khiển biên độ tín hiệu kích thích và điều khiển khoảng cách giữa các phần tử của anten mảng tuyến tính. Một cấu trúc mạng tiếp điện nối tiếp được phát triển dựa trên ý tưởng sử dụng các phần tử cơ bản là các bộ chia công suất hình T và cân bằng pha bằng các đường truyền vi dải hình bán nguyệt. Mạng tiếp điện này được sử dụng để triển khai các bộ trọng số biên độ và khoảng cách nhận được từ việc thực thi thuật toán đàn Dơi. Trên cơ sở đó, ứng dụng để phát triển các anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu về mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao.
Nội dung chính của luận án đề xuất giải pháp thiết kế ba anten mảng tuyến tính vi dải 10 phần tử đáp ứng yêu cầu về mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao. Trong sốđó, hai anten mảng đã được chế tạo và đo đạc, đánh giá phù hợp với các kết quảmô phỏng.
Những đóng góp khoa học của luận án:
(1) Ứng dụng thuật toán tối ưu đàn Dơi để tổng hợp hệ số mảng của anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu nén búp sóng phụ bằng phương pháp điều khiển biên độ tín hiệu kích thích và phương pháp điều khiển khoảng cách giữa các phần tử của mảng. Trên cơ sở đó, đề xuất giải pháp phát triển một mạng tiếp điện nối tiếp có một lối vào và 2N lối ra để triển khai phân bốbiên độ và khoảng cách giữa các lối ra theo kết quảtính toán từ thuật toán tối ưu đàn Dơi. Cấu trúc này được ứng dụng cho việc thiết kế các anten mảng tuyến tính có yêu cầu biết trước về mức nén búp sóng phụ.
(2) Đề xuất giải pháp phát triển anten mảng tuyến tính trên cơ sở sử dụng mạng tiếp điện nối tiếp đã đề xuất trong luận án để thiết kế các anten mảng
tuyến tính đáp ứng yêu cầu khác nhau về nén mức búp sóng phụ trong hai trường hợp sau:
i) Thiết kế anten mảng Vivaldi tuyến tính có 10 phần tử có tăng ích cao 16,5 dBi và giảm mức búp sóng phụ thấp dưới -25 dB trong toàn bộbăng thông hoạt động 140 MHz (3,45-3,59 GHz), mức búp sóng phụ tốt nhất có thể đạt được tại tần sốtrung tâm 3,5 GHz là xấp xỉ -27 dB.
ii) Thiết kế anten mảng tuyến tính gồm 10 phần tử lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) có tăng ích cao trên 17 dBi, băng thông hoạt động 570 MHz (3,26-3,83 GHz) và nén riêng búp sóng phụ thứ nhất ở mức tốt nhất có thểđạt là -40 dB tại tần sốtrung tâm 3,5 GHz.
Hướng phát triển tiếp theo của luận án:
(1) Phát triển giải pháp áp dụng thuật toán đàn Dơi theo hướng tích hợp trong các phần mềm mô phỏng để tự động hoá quá trình thiết kế, tối ưu các mạng tiếp điện.
(2) Phát triển các anten mảng tuyến tính có tăng ích cao, mức búp sóng phụ thấp và băng thông rộng dựa trên kỹ thuật tối ưu kết hợp đồng thời nhiều tham số.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Các công bốtrên các tạp chí
[1]. L.X.Truong, T.V.B.Giang, T.M.Tuan (2020), “A New Design of a Linear Double-sided Printed Dipole Array Based on Bat Algorithm for Interference Suppression in the First Sidelobe Direction”, IET Microwaves, Antennas & Propagation, Vol. 14 (12), pp. 1371 –1376. (Q1 - Scimago journal ranking).
[2]. L.X. Truong, T.V.B. Giang, T.M. Tuan (2020), “A New Linear Printed Vivaldi Array Antenna with Low Sidelobe Level and High Gain for Applications in the Band of 3500 MHz”, REV-Journal on Electronics and
Communications, Vol. 10, No. 1–2, pp. 30-37.
2. Các công bốtrên các hội nghị quốc tếvà trong nước
[1]. L.X. Truong, T.V.B. Giang, T.M. Tuan (2019), “Design of Vivaldi Antenna Array with a Back Reflector for Low Side Lobe Level and High Gain”, Conference Proceedings of International Conference on Advanced Technologies for Communicationes (ATC), Ha Noi, Vietnam, pp. 2-6.
[2]. L.X. Truong, T.V.B. Giang, T.M. Tuan (2019), “Application of Bat Algorithm on the Design of a Linear Microstrip Antenna Array for Pattern Nulling”, Conference Proceedings of International Conference on Advanced Technologies for Communicationes (ATC), Ha Noi, Vietnam,
pp. 198-203.
[3]. L.X. Trường, T.V.B. Giang, T.M. Tuấn (2019), “Thiết kế mạng tiếp điện song hành cho anten mảng tuyến tính có yêu cầu đặt dải rộng các điểm không trên giản đồ bức xạ”, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (REV-ECIT 2019), Hà Nội, Việt Nam, tr. 85-89.
[4]. L.X. Trường, T.V.B. Giang, T.M. Tuấn (2018), “A new Feeding Network Design based on Bat Algorithm for Pattern-Nulling of a Linear Antenna Array”, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ 22 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệthông tin (REV-ECIT 2018), Hà Nội, Việt Nam, tr. 184-187. [5]. L.X. Truong, T.M. Tuan, T.V.B. Giang, V.Q. Tao (2015) “Design A
Microstrip Antenna With Defected Ground Structure”, Conference Proceedings of International Conference on Advanced Technologies for Communicationes (ATC), Ho Chi Minh city, Vietnam, pp. 160 – 163. [6]. L.X. Truong, T.M. Tuan, T.V.B. Giang, N.C. Tien (2015), “Design A Log
Periodic Fractal Koch Microstrip Antenna For S Band And C Band Applications”, Conference Proceedings of International Conference on