Trong đó, hệ số F(Wi/h) là hàm phụ thuộc vào tỉ lệ W/h với h là độ dày của lớp điện môi.
2.3. Đề xuất quy trình thiết kế mạng tiếp điện 2.3.1. Mô tảquy trình 2.3.1. Mô tảquy trình
Để tổng quát việc thiết kế mạng tiếp điện làm cơ sở ứng dụng cho các đề xuất tiếp theo của luận án, Chương 2 đề xuất quy trình thiết kế một mạng tiếp điện cho anten mảng tuyến tính đáp ứng yêu cầu về nén búp sóng phụ sử dụng kỹ thuật tối ưu hệ số mảng bằng thuật toán đàn Dơi.
Quy trình này xuất phát từ việc tổng hợp các yêu cầu mức nén búp sóng phụ cho trước. Trên cơ sở đó, sử dụng thuật toán đàn Dơi thực hiện
việc tính toán phân bố tín hiệu lối ra của mạng tiếp điện về mặt lý thuyết để đạt được mức nén búp sóng phụ đã đặt ra. Các tham số được tính toán tối ưu là biên độ hoặc khoảng cách. Đểđáp ứng điều kiện giả thiết (1.36) và (1.37) thì phân bố biên độ được lấy là đối xứng qua trung tâm của mạng tiếp điện, phân bố pha là cân bằng giữa các lối ra và luôn được giữ không đổi với bất kỳ phân bố khoảng cách nào giữa các lối ra của mạng tiếp điện. Mã nguồn chương trình Matlab thực thi thuật toán đàn Dơi được trình bày tại Phụ lục của luận án. Việc thiết kế mạng tiếp điện được dựa trên hai bước: bước thứ nhất là tính toán phân bố công suất (tương ứng với tỉ lệ biên độ mong muốn) sử dụng các bộ chia công suất hình T và bộ phối hợp trở kháng một phần tư bước sóng; bước thứ hai là tính toán khoảng cách vật lý giữa các lối ra mong muốn, trên cơ sởđó tính toán bán kính các đường bán nguyệt sao cho độ dài điện hay trễ pha giữa hai lối ra liền kề luôn là 360o.
Trong quy trình này, mạng tiếp điện được tối ưu thông qua mô phỏng. Phân bố công suất tín hiệu tại các lối ra theo kết quả mô phỏng được quy đổi vềphân bốbiên độ từ đó tính toán được đáp ứng hệ số mảng với trọng số nhận được từ mô phỏng. Trên cơ sở so sánh đáp ứng hệ số mảng từ trọng số mô phỏng và từlý thuyết, tối ưu các thành phần của mạng tiếp điện sao cho sai số giữa hệ số mảng mô phỏng và hệ số mảng lý thuyết là có thể chấp nhận được. Ưu điểm nổi bật của quy trình thiết kế mạng tiếp điện này so với các nghiên cứu có liên quan [8], [12] và [34] là nó cho phép thiết kế để triển khai được mạng tiếp điện cho anten mảng tuyến tính có phân bố khoảng cách không đồng đều với pha luôn được kiểm soát là cân bằng. Ngoài ra, việc tính toán phân bố công suất chỉ dựa trên các công thức của bộ chia công suất hình T cơ bản nên đơn giản và thuận lợi khi điều chỉnh, tối ưu trong quá trình mô phỏng. Với việc kiểm soát được cả ba tham số: biên độ, pha và khoảng cách, quy trình
thiết kế có thểcho phép triển khai đa dạng các yêu cầu vềphân bốtín hiệu của các mảng anten tuyến tính không chỉ từ thuật toán đàn Dơi mà còn từ các thuật toán tối ưu khác.
Điểm hạn chế của mạng tiếp điện thiết kếtheo quy trình này là nó chỉđịnh hướng đến các mạng tiếp điện sử dụng cho các anten mảng cốđịnh, biết trước vềyêu cầu nén búp sóng phụ với kỹ thuật điều khiển biên độ hoặc khoảng cách.
2.3.2. Các bước thực hiện quy trình
Quy trình thiết kế được mô tả tại Hình 2.13 và có thể được tóm tắt gồm các bước như sau:
-Bước 1:Xác định yêu cầu đầu vào về kích thước của mạng tiếp điện (số lối ra), dải tần hoạt động, vật liệu chất nền và mức nén búp sóng phụ.
-Bước 2: Sử dụng thuật toán đàn Dơi tính toán tối ưu các trọng số của hệ số mảng đáp ứng yêu cầu vềnén búp sóng phụ. Xây dựng hàm AF lý thuyết. Trong phạm vi nghiên cứu, chỉ xét các phân bố biên độ và phân bố khoảng cách. Phân bố về pha luôn được yêu cầu là đồng pha.
-Bước 3: Biến đổi yêu cầu về tỉ lệbiên độ sang tỉ lệ công suất. Tính toán giá trị trởkháng của các bộ chia công suất thành phần. Tính toán đường vi dải đểcân bằng pha ở các lối ra.
-Bước 4: Mô phỏng mạng tiếp điện bằng phần mềm. Phân bố công suất thu được tại các lối ra được quy đổi về phân bố biên độ và xây dựng hàm AFs
với bộ trọng sốmô phỏng.
-Bước 5:Đánh giá hàm AFtlý thuyết so với hàm AFs mô phỏng; đánh giá phân bố pha tại các lối ra. Nếu chưa đạt yêu cầu thì thực hiện điều chỉnh lại các thông số của đường truyền vi dải và các trở kháng, sau đó quay lại Bước 4.
Hình 2. 13. Quy trình thiết kế mạng tiếp điện
BẮT ĐẦU
Lấy thông tin yêu về tần số
hoạt động, vật liệu nền
Lấy thông tin vềkích thước mảng, mức nén búp sóng phụ Tối ưu trọng số của hệ số mảng bằng thuật toán đàn Dơi Biến đổi phân bố biên độthành phân bốcông suất Tính toán các trởkháng của mạng tiếp điện Xây dựng hàm AFtlý thuyết đáp ứng nén búp sóng phụ Tính toán độdài đường truyền vi
dải đểcân bằng pha đáp ứng phân
bố khoảng cách
Mô phỏng
Biến đổi phân bốcông suất thành phân bốbiên độ Xây dựng hàm AFs với trọng số được mô phỏng AFs≈ AFt? KẾT THÚC Điều chỉnh các trởkháng Đúng Sai
2.4. Áp dụng thiết kế mô phỏng mạng tiếp điện 01 lối vào và 10 lối ra
Trong phần này, một mạng tiếp điện nối tiếp với cấu trúc đề xuất ở trên được thiết kế, mô phỏng. Giả định rằng mạng tiếp điện có các thông số như trình bày tại Bảng 2.1. Mạng tiếp điện được thiết kế cho anten mảng tuyến tính có yêu cầu nén búp sóng phụ dưới -25 dB và đặt một điểm không tại góc 17o. Phân bố biên độ tín hiệu và khoảng cách đáp ứng các yêu cầu này được trình bày tại Bảng 2.2 và Bảng 2.3.
Bảng 2. 1. Yêu cầu của bài toán thiết kế mạng tiếp điện 1×10
Tham số Yêu cầu
Kích thước 01 lối vào, 10 lối ra
Phân bố công suất lối ra Bảng 2.2
Phân bố pha các lối ra Đồng pha
Khoảng cách giữa các lối ra Bảng 2.3, Hình 2.14
Dải tần hoạt động 3,5 GHz
Vật liệuđiện môi RO4003C (εr = 3,55) độ dày: h = 1,524 mm Bảng 2. 2. Yêu cầu vềphân bố biên độ giữa các lối ra
Lối ra 1 và 10 2 và 9 3 và 8 4 và 7 5 và 6
an 0,3950 0,5056 0,7214 0,8993 1,0000
Bảng 2. 3. Yêu cầu về khoảng cách giữa các lối ra
n 1 2 3 4 5
dn 0,6498λ 0,6574λ 0,6095λ 0,5650λ 0,5683λ
Trên cơ sở quy trình và các giải pháp tính toán đề xuất tại Mục 2.2, mạng tiếp điện được thiết kế và mô phỏng. Hình 2.14 mô tả mạng tiếp điện được thiết kếhoàn chỉnh bằng phần mềm CST MSW 2018.
Hình 2. 14. Mạng tiếp điện 1 × 10 được thiết kế theo quy trình đã đề xuất
- Kết quảmô phỏng hệ số S11:
Kết quả mô phỏng trình bày trên Hình 2.15 chỉ ra rằng mạng tiếp điện có băng thông hoạt động là 260 MHz (3,35- 3,61 GHz) tại giá trị S11 = -10 dB và có tần số cộng hưởng tại lân cận 3,50 GHz.
Hình 2. 15. Kết quảmô phỏng hệ số S11 của mạng tiếp điện
Bảng 2.4 trình bày phân bố công suất (biên độ) mô phỏng của các lối ra tại tần số 3,50 GHz và được so sánh với phân bố biên độ yêu cầu tại Bảng 2.2.
Bảng 2. 4. Phân bốbiên độ nhận được từ kết quả mô phỏng
Lối ra
Tham số 1 và 10 2 và 9 3 và 8 4 và 7 5 và 6
Công suất mô phỏng (dB) -17,11 -14,05 -10,58 -8,65 -8,10
an mô phỏng (chuẩn hoá) 0,3594 0,5041 0,7516 0,9386 1,000
- Kết quảmô phỏng phân bố pha giữa các lối ra:
Hình 2.16 trình bày về phân bố pha tại lối ra của mạng tiếp điện. Pha của tín hiệu tại các lối ra ởlân cận tần sốtrung tâm 3,50 GHz là tương đối cân bằng.
Hình 2. 16. Phân bố pha nhận được từ kết quảmô phỏng - Tính toán đáp ứng của hệ số mảng AF:
Hệ số mảng AF được tính toán với phân bốbiên độ theo lý thuyết và theo mô phỏng được trình bày tại Hình 2.17.
Hình 2. 17. Đáp ứng của hệ số mảng theo lý thuyết và theo mô phỏng Kết quảmô phỏng cho thấy mức suy giảm của búp sóng phụ xấp xỉ 25 dB. Riêng búp sóng phụ tại góc 17ođược nén ở mức -48 dB. Búpsóng phụ thứ nhất
trung bình được nén ở mức dưới -33 dB. Do vậy, mạng tiếp điện đáp ứng được yêu cầu đề ra.
2.5. Kết luận Chương 2
Các mạng tiếp điện cho anten mảng vi dải có thể phân chia theo hai cấu trúc cơ bản là nối tiếp và song song. Mạng tiếp điện nối tiếp có ưu điểm là kích thước nhỏ hơn, do đó giảm tổn hao và phát xạ không mong muốn. Tuy nhiên, giải pháp thiết kế mạng tiếp điện nối tiếp thông thường chưa giải quyết vấn đềcân bằng pha giữa các lối ra khi khoảng cách giữa chúng thay đổi.
Chương 2 đã đề xuất một giải pháp mới để phát triển mạng tiếp điện nối tiếp có một lối vào và 2N lối ra. Mạng tiếp điện này sử dụng các bộ chia công suất hình T ghép nối tiếp để phân bố công suất tới các lối ra đối xứng với tỉ lệ cho trước và áp dụng giải pháp bổ sung các hình bán nguyệt kết nối giữa các lối ra liền kềđểcân bằng pha giữa chúng khi khoảng cách là phân bốkhông đồng đều.
Quy trình thiết kế mạng tiếp điện kết hợp với thuật toán đàn Dơi được đề xuất tại Chương này được sử dụng xuyên suốt trong luận ánđểnghiên cứu, phát triển giải pháp thiết kếcác anten mảng tuyến tính có tăng ích cao, đáp ứng yêu cầu nén búp sóng phụ với mức cho trước.
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁPPHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG TUYẾN TÍNH CÓ MỨC BÚP SÓNG PHỤ THẤP VÀ TĂNG ÍCH CAO
Chương 3 trình bày giải pháp phát triển một anten mảng tuyến tính gồm 10 phần tử Vivaldi hoạt động ở dải tần 3,5 GHz có mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao tương đương với tiêu chuẩn dành cho các trạm gốc thông tin di động [76][77]. Cấu trúc mạng tiếp điện đã đề xuất tại Chương 2 được áp dụng để thực thi bộ trọng số biên độ tính toán từ thuật toán đàn Dơi đáp ứng yêu cầu vềnén búp sóng phụ. Để cải thiện tăng ích của anten, luận án sử dụng giải pháp bổ sung mặt phản xạ kim loại. Trong nghiên cứu này, để khảo sát khả năng cải thiện mức suy giảm búp sóng phụ và cải thiện tăng tích cao do ảnh hưởng của mặt phản xạ, giả định rằng các điều kiện về hướng búp sóng chính bị lệch là chấp nhận được. Anten mảng Vivaldi đã được mô phỏng, chế tạo và đo đạc thực nghiệm đểđánh giá kết quả.
3.1. Đặt vấn đề
Các anten Vivaldi đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực anten. Một số nghiên cứu gần đây đã tập trung vào phát triển anten mảng Vivaldi vi dải cho các ứng dụng vô tuyến mới, chẳng hạn cho hệ thống vô tuyến 5G như tại [18], [20], [78] và [79]; hệ thống băng thông siêu rộng hoạt động ởbăng tần X tại [19] hay băng tần L và S tại [80]. Trong các nghiên cứu này, yếu tố băng thông hoạt động rộng, tăng ích cao của anten mảng được giải quyết nhưng vấn đề giảm mức búp sóng phụ lại ítđược đề cập. Một sốcông bốkhác đã có nghiên cứu giải pháp giảm mức búp sóng phụ của anten mảng Vivaldi như tại [32], [81] và [82]. Nếu tại [81], tác giảđã khảo sát bằng mô phỏng với các anten mảng Vivaldi phân bố đều hoạt động ở dải tần 2-4 GHz và chỉ ra mức búp phụ tương đối cao thì tại [82], mảng Vivaldi có kích thước lớn được đề xuất áp dụng phân bố Chebyshev để nén mức búp phụ với kết quả mô phỏng đạt tối thiểu
-26,7 dB ở dải tần dưới 1 GHz. Trong khi đó, tác giả nghiên cứu [32] đã sử dụng kỹ thuật tối ưu tín hiệu kích thích theo thời gian của mảng Vivaldi hoạt động ở dải tần 15 GHz bằng thuật toánPSO đểđạt mức búp sóng phụ thấp -40 dB. Tuy nhiên, đây là kỹ thuật khá phức tạp đểcó thể triển khai trong thực tiễn.
Trên cơ sở đó, tại Chương 3, luận án đặt vấn đề nghiên cứu, phát triển giải pháp thiết kế anten mảng Vivaldi tuyến tính có tăng ích cao, mức búp sóng phụ thấp. Thuật toán đàn Dơi và kỹ thuật tối ưu biên độ hệ số mảng được áp dụng để giải quyết yêu cầu nén búp sóng phụ. Cấu trúc và quy trình thiết kế mạng tiếp điện nối tiếp đã đề xuất ở Chương 2 được sử dụng để triển khai bộ trọng sốbiên độnày.
Giả định rằng, yêu cầu thiết kế một anten mảng gồm 10 phần tử anten Vivaldi vi dải có dải tần hoạt động 3,5 GHz với các đặc điểm như mô tả tại Bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3. 1. Yêu cầu thiết kế một anten mảng có mức búp sóng phụ thấp và tăng ích cao
Tiêu chí Yêu cầu
Tần số trung tâm 3,5 GHz
Độ rộng băng thônghoạt động tối thiểu 100 MHz
Mức nén búp sóng phụ 25-30 dB
Tăng ích cực đại 17 dBi
Vị tríbúp sóng chính trung tâm anten mảng, trong mặt phẳng yOz
Số phần tử của mảng 10
Độ rộng búp sóng chính trong mặt phẳng yOz ≤ 90o
Trong phần tiếp theo, Chương 3 trình bày quy trình thiết kế anten mảng được đề xuất và giải pháp thiết kế anten mảng Vivaldi 10 phần tử đáp ứng
yêu cầu mức búpsóng phụ thấp, tăng ích cao. Các dữ liệu mô phỏng được trình bày và so sánh với kết quả đo đạc thực nghiệm.
3.2. Đề xuất quy trình thiết kếcác anten mảng tại luận án
Để tổng quát việc thiết kế các anten mảng thành quy trình áp dụng cho thiết kế anten mảng Vivaldi tại Chương này và các nghiên cứu tiếp theo, luận án đề xuất quy trình thiết kế anten mảng đáp ứng yêu cầu vềnén búp sóng phụ. Quy trình này được tổng hợp trong các bước thực hiện như sau:
- Bước 1: Tập hợp các yêu cầu đầu vào của thiết kế anten mảng: tần số hoạt động, yêu cầu mức nén các búp sóng phụ, tăng ích cực đại anten, cấu trúc và kích thước mảng, vị trí và độ rộng búp sóng chính, đặc điểm của vật liệu điện môi được sử dụng.
- Bước 2: Lựa chọn kỹ thuật tối ưu hệ số mảng đểnén mức búp sóng phụ theo bộ trọng sốnào: biên độ, pha của tín hiệu kích thích hay khoảng cách giữa các phần tử.
- Bước 3: Thiết kế mạng tiếp điện đáp ứng yêu cầu bộ trọng số tối ưu đã lựa chọn tại Bước 2. Tại bước này, áp dụng quy trình đã được đề xuất tại Chương 2 để thiết kế, tối ưu mạng tiếp điện. Thuật toán đàn Dơi được sử dụng để tính toán bộ trọng số nhằm đạt được yêu cầu cho trước về mức búp sóng phụ.
- Bước 4: Thiết kế phần tử anten đơn phù hợp với yêu cầu về dải tần, băng thông hoạt động.
- Bước 5: Tích hợp mạng tiếp điện và các anten đơn để hình thành cấu trúc anten mảng. Mô phỏng cấu trúc anten mảng.
- Bước 6: Tối ưu cấu trúc anten mảng trên cơ sở đánh giá kết quả mô phỏng so với yêu cầu đặt ra ban đầu. Nếu các tiêu chí chưa đạt, điều chỉnh
các thành phần phối hợp trở kháng, vi chỉnh mạng tiếp điện, hoặc thành phần của anten đơn và lặp lại các mô phỏng.
- Bước 7: Trên cơ sở cấu trúc anten mảng được thiết kế và mô phỏng đạt các yêu cầu đề ra, tiến hành chế tạo mẫu anten, đo đạc thử nghiệm và đánh giá.