Chúng ta biết rằng các trọng số Chebychev làm thay đổi dễ dàng đồ thị bức xạ, do đó mức của búp phụ có thể điều khiển được. Theo một hướng khác, thuật toán SMI có thể hướng những búp sóng chính theo hướng mong muốn, và đặt những điểm không (null) của đồ thị bức xạ theo hướng của những nguồn gây nhiễu. Cả hai phương pháp có thể được áp dụng một cách đồng thời, để có được một đồ thị định hướng với một mức búp phụ điều khiển được và vị trí các điểm không. Nếu các trọng số được tính toán bằng phương pháp Chebychev cho một mức búp phụ nhất định được lưu trữ trong véc tơ
Chebw(SLL). Tiếp đó dùng thuật toán SMI để xác định các trọng số tối ưu và được
xác định là :
( )
−
= 1
W kM S.Chebw(SLL) (2.72)
Điểm hạn chể của việc kết hợp hai thuật toán là hệ số hướng tính thấp hơn so với việc chỉ dùng thuật toán SMI. Trên thực tế, hệ số định hướng thấp là hệ quả của việc sử dụng các trọng số Chebychev.
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỚNG ĐẾN TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Bốn tham số chính ảnh hưởng đến định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số:
- Kích thước của anten dãy - Sự phân cực trong anten dãy - Phương pháp điều khiển búp sóng
- Hiệu ứng ảnh hưởng tương hỗ (mutual coupling)
3.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước dãy đến điều khiển búp sóng
Giả sử hướng sóng đến (DOA) của tín hiệu là (φ ,θd d) (= 0,45), góc được tính theo độ,
sử dụng bằng thuật toán SMI, kết quả thu được như dưới đây [7].
Quan sát hình 3.1 ta thấy rằng hệ số hướng tính tăng lên khi số phần tử của dãy tăng lên. Hình 3.2 biểu diễn búp chính sắc nét hơn với dãy lớn hơn, và búp sóng chính được lái theo hướng (0,45). Nguyên nhân dẫn đến kết quả trên là do đồ thị của dãy phụ
thuộc vào đồ thị bực xạ của các phần tử và hệ số của dãy biểu diễn theo công thức (1.15).
Hình 3.2: Lát cắt tại góc φ 0= của đồ thị bức xạ
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của sự phân cực đến điều khiển búp sóng
Chúng ta không chỉ quan tâm đến công suất bức xạ tổng, ngoài ra còn phải phân biệt bức xạ thật sự trong phân cực chéo và phân cực chuẩn. Sự phân cực gồm bốn loại phân cực sau:
- Phân cực tuyến tính theo trục X - Phân cực tuyến tính theo trục Y - Phân cực tròn trái
- Phân cực tròn phải
Trong hệ tọa đồ cầu, trường ở khu xa bao gồm hai thành phần làEφvà Eθbiểu diễn như
Trong trường hợp phân cực tuyến tính theo trục x và trục y, mức của phân cực chéo là thấp, và trong thực tế thấp hơn 20dB so với mức của phân cực chuẩn. Điều này thì không xảy ra trong trường hợp dãy xoay tuần tự, bởi vì búp sóng chính được lái theo hướng (0,45), nhưng những búp phụ khác có mức cao trong đồ thị bức xạ của phân
cực chéo. Tuy nhiên, người ta có thể giảm mức của phân cực chéo trong dãy phân cực tròn phải và dãy phân cực tròn trái bằng việc kết hợp với một số kỹ thuật xoay tuần tự lặp lại và hệ số kích thích pha. Nhìn chung các búp phụ này thường xuất hiện ở những hướng ngược với hướng của búp sóng chính. Hình 3.3 biểu diễn đồ thị năng lượng của một dãy phân cực tròn phải với búp sóng chính có góc là (45,30), và búp phụ chính
của trong phân cực chéo là góc (45, 60− ), mức của búp phụ này nhỏ hơn 5 dB so với
với mức của búp chính như hình 3.4 dưới đây [7].
Hình 3.4: Đồ thị với góc φ 45= o
Trong thực tế, dãy phân cực tuyến tính có độ hướng tính là 21dB, trong khi với phân cực tròn giá trị này là 19,5dB. Điều đó có nghĩa là mức búp phụ trong phân cực tròn trái và tròn phải lớn hơn với mức búp phụ trong phân cực tuyến tính theo trục x và trục y.
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp điều khiển búp sóng
3.3.1. Thuật toán chebychev.
Chúng ta đã biết thuật toán Chebychev sẽ cho một đồ thị bức xạ với mức búp phụ bất biến. Hình 3.5 thể hiện một dãy 8 8× phần tử, phân cực tròn trái với mức búp phụ áp đặt là 20dB. Ta thấy độ định hướng là 22dB, búp sóng chính được hướng theo
Hình 3.5: Đồ thị của một dãy8 8× phần tử cực tròn trái
Trong thực tế đồ thị bức xạ của dãy không có mức búp phụ bất biến như hình vẽ trên, sự so sánh giữa đồ thị bức xạ của dãy với hệ số dãy sẽ làm rõ thêm vấn đề này như hình 3.6. Vì các phần tử của dãy là phần tử đẳng hướng và có hệ số tăng ích lớn nhất theo hướng ( )0,0 , nên trong một vài trường hợp đồ thị bức xạ của dãy sẽ bị suy giảm
Hình 3.6: So sánh giữa đồ thị bức xạ của dãy và hệ số dãy
Việc áp đặt mức của búp phụ có ảnh hưởng lớn độ hướng tính của đồ thị bức xạ, nếu áp đặt mức búp phụ lớn thì độ hướng tính của đồ thị bức xạ giảm, thường thì mức búp phụ áp đặt là không lớn hơn 25dB như hình 3.7 dưới đây [7].
Hình 3.7: Độ hướng tính đối với mức của búp phụ cho một dãy 8 8× .
3.3.2. Thuật toán SMI
Thuật toán SMI cho phép đặt các điểm không (null) ở một vị trí nhất định trên đồ thị bức xạ. Hình 3.8 thể hiện một dãy 8 8× phân cực tuyến tính theo trục x, với búp sóng chính lái theo hướng(45,30), nguồn nhiễu đến theo hướng(0,20)và (90,20) , vị
trí này trùng với vị trí của hai điểm không. Do đó thuật toán SMI có thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp (SNR) bằng việc thích nghi đồ thị bức xạ tới vị trí mong muốn. Thuật toán SMI làm thay đổi đồ thị bức xạ theo những hướng nhất định, nhưng vẫn duy trì được các tham số khác. Hình 3.8 là đồ thị bức xạ được thay đổi, sau khi thay đổi vị trí điểm không do áp dụng thuật toán [7].
Hình 3.8: Đồ thị bức xạ sau khi lái búp sóng và vị trí điểm không
Hình 3.9: Lát cắt tại góc φ 0= của đồ thị bức xạ
3.3.3. Kết hợp thuật toán SMI và thuật toán Chebychev
Trong thực tế người ta thường kết hợp hai thuật toán trên trong việc định dạng và điều khiển búp sóng. Ta đã biết rằng thuật toán Chebychev thì có độ hướng tính thấp, nhưng nó lại đảm bảo mức của búp phụ luôn dưới một mức nhất định. Hình 3.10 cho ta thấy sự so sánh giữa hai thuật toán SMI riêng và việc áp dụng sự kết hợp giữa thuật toán SMI và thuật toán Chebychev với mức của búp phụ được chọn là 20dB.
Hình 3.10: Biểu đồ so sánh giữa thuật toán SMI với thuật toán kết hợp SMI và Chebychev
3.3.4. Hiệu ứng ảnh hưởng tương hỗ (mutual coupling)
Không xét đến một dãy phân cực đặc biệt, chúng ta xem như đồ thị bức xạ của một dãy các phần tử giông nhau là tích của hệ số các phần tử và hệ số dãy, với giả định rằng tất cả các phần tử có đồ thị bức xạ tương đương nhau. Điều này không đúng cho một dãy trong thực tế, bởi vì có sự ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử, mỗi phần tử xem như là một môi trường khác nhau [8]. Hiệu ứng ảnh hưởng tương hỗ làm thay đổi phân bố dòng trên các phần tử, do đó trường bức xạ cũng bị thay đổi. Tại những vị trí khác nhau thì các phần tử này có đồ thị bức xạ khác nhau.
3.4. Một số kết quả mô phỏng
3.4.1 Tạo ra dãy các phần tử cách đều theo trục X
Khoảng cách giữa mỗi phần tử là d=0.5, dãy gồm 4 phần tử (array_size = 4) như hình 4.1:
Hình 4.1: Dãy các phần tử cách đều theo trục X
Dãy 8 8× phần tử bao gồm các mô đun 2 2× phần tử, trong đó mỗi mô đun
2 2× phần tử được phân cực tròn trái. Do vậy một dãy 8 8× phần tử sẽ bao gồm 16 mô đun 2 2× phần tử phân cực tròn trái. Hình 4.2 minh họa hướng phân cực trong mô đun 2 2× .
Hình 4.2: Mô đun 2 2× phần tử phân cực tròn trái
Hình 4.3: Dãy 8 8× phần tử phân cực tròn trái
Ứng dụng và phát triển các kỹ thuật cùng các thuật toán tạo và điều khiển búp sóng cho các hệ anten thông minh đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực vô tuyến.
Tìm hiểu lý thuyết để phát triển các ứng dụng theo định hướng trên cũng đã được triển khai ở Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả đã thực hiện được các nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu lý thuyết, các khái niệm cơ bản về định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số hóa.
- Tìm hiểu các thuật toán Chebychev, SMI, thuật toán kết hợp và các ứng dụng của nó để tạo các búp sóng với các thuộc tính định trước.
- Mô phỏng tạo ra dãy cách đều và phân cực tròn trái để áp dụng các thuật toán nói trên.
Trong thời gian tới tác giả sẽ tiếp tục thời gian cùng người hướng dẫn hoàn thiện phần mềm ứng dụng nhằm cung cấp một công cụ hữu hiệu tạo và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số phục vụ thí nghiệm và thực hành.
[1] John Litva and Titus Kwok – Yeung Lo, Digital Beamforming In Wireless Communications, Artech House, Boston – London, 1996.
[2] Http://en.wikipedia.org.
[3] A.C. Ludwig, The Definition Of Cross – Polarization, IEEE Transactions On Antennas And Propagation, pp 116-119, January 1973
[4] C. A. Balanis, Antenna theory: Analysis and Design, New York: John Wiley & Sons, 1997.
[5] Fung – I Tseng, David K.Cheng, Optimum Scannable Planar Arrays With An Invariant Sidelobe Level, proc.of the IEEE, Vol.56, No.11, pp.1771-1778, November 1968.
[6] I.S.Reed, J.D.Mallet, L.E.Brennan, Rapid Convergence Rate In Adaptive Arrays, IEEE Trans. On AES, Vol.10, pp. 853-863, November 1974
[7] M. Clergeud, Algorithms For Beamforming And Beamsteering Of Adaptive Antenna For Satellite Communications And Navigation, Master Thesis, DLR, 2001.
[8] P. Darwood, P.N. Fletcher, G.S. Hilton, Mutual Coupling Compensation In Small Planar Array Antenna, IEEE, Proc. – Microw. Antennas Propag, Vol 145, no.1. 1 – 6, February 1998