2.2.4.1. Mô phỏng
Với các kích thước đã khởi tạo ở phần trên, sử dụng phần mềm mô phỏng CST, em thu được kết quả mô phỏng suy hao phản xạ sau:
Hình 2.9 Kết quả mô phỏng suy hao phản xạ của anten
Với kết quả mô phỏng trên, dải thông của anten từ 2,2 ~ 2,7 GHz đã đạt yêu cầu nhưng suy hao phản xạ còn hơi thấp (13 dB) và cần thêm bước tối ưu lại các kích thước của các phần tử.
Hình 2.10 Kết quả mô phỏng đồ thị phương hướng biên độ của anten
Theo Hình 2.10, độ lợi của anten chỉ đạt 7,4 dBi, hơi thấp so với lí thuyết (8,5 dBi), hiệu suất của anten cũng chỉ đạt 65%. Nguyên nhân có thể do các chấn tử anten nằm trên một lớp điện môi, nên cấu trúc của hệ sẽ không giống với cấu trúc anten Yagi trên lí thuyết. Đồng thời, do sự tương tác lẫn nhau của các chấn tử trong không gian ba chiều, dẫn đến sự sai lệch so với lí thuyết, và cần thêm một bước tối ưu để thu được kết quả tốt hơn.
2.2.4.2. Tối ưu anten
Sử dụng thuật toán tối ưu trong phần mềm CST để tối ưu lại kích thước và khoảng cách giữa các phần tử, sao cho suy hao phản xạ lớn nhất và độ lợi của anten lớn nhất. Kết quả thu được như sau:
Hình 2.11 Suy hao phản xạ của anten sau tối ưu
Từ Hình 2.11, suy hao phản xạ trong dải tần 2,4 ~ 2,5 GHz đã tăng lên đạt 21,7 dB (so với 13 dB trước tối ưu). Dải thông đạt được từ 2,2 ~ 2,65 GHz.
Hình 2.12 Độ lợi của anten sau tối ưu
Sau tối ưu, độ lợi của anten cao nhất đã đạt 8.43 dBi (tăng thêm 1 dB so với trước tối ưu), hiệu suất đã đạt 78%. Kết quả thu được đã rất tốt và không cần thay đổi kích thước và khoảng cách giữa các phần tử.
Nhận thấy búp sóng anten còn tương đối rộng (58°), em quyết định bổ sung một phần tử anten trên cùng PCB tạo thành một mảng anten 1x2. Hai chấn tử anten được ghép với nhau qua mạch ghép công suất hình T với mô hình dưới:
Hình 2.13 Mảng anten 1x2
Sau khi ghép, thực hiện mô phỏng và tối ưu lại các kích thước, em thu được suy hao phản xạ của mảng anten như Hình 2.14 sau:
Hình 2.14 Kết quả mô phỏng suy hao phản xạ của mảng anten 1x2
Từ kết quả mô phỏng Hình 2.14, dải thông của hệ thống đạt 2,05 ~ 2,63 GHz. Suy hao phản xạ trong dải 2,4 ~ 2,5 GHz đạt 20 dB là đạt yêu cầu đề ra.
Hình 2.15 Kết quả mô phỏng đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten 1x2
Độ lợi của mảng anten đạt 9,01 dBi. Độ rộng búp sóng chính mức nửa công suất đạt 42°.
2.2.5. Chế tạo và đo đạc anten2.2.5.1. Chế tạo anten 2.2.5.1. Chế tạo anten
Thực hiện vẽ anten trên phần mềm vẽ mạch Altium, với các kích thước xuất từ phần mềm CST, lớp Top màu đỏ và lớp Bottom màu xanh như Hình 2.16.
Hình 2.16 Anten vẽ trên phần mềm Altium
Sau khi vẽ hoàn thiện, em thực hiện xuất file Gerber để gửi cho đối tác gia công. Anten thực tế sau khi sản xuất như Hình 2.17.
Hình 2.17 Anten thực tế
2.2.5.2. Thiết lập kịch bản đo
Kịch bản đo hệ số suy hao phản xạ: đầu ra của anten được mắc với cổng 1 của máy phân tích mạng (Vector network analyzer) như Hình 2.18. Kết quả suy hao phản xạ lấy từ phép đo suy hao phản xạ S11 và đồ thị Smith.
Hình 2.18 Thiết lập kịch bản đo suy hao phản xạ
Kịch bản đo đồ thị phương hướng biên độ: sắp xếp như Hình 2.19, anten cần đo được đặt trên trục quay và nối với máy phát. Một anten độ định hướng cao (ví dụ anten loa) được kết nối với máy thu. Trục quay được đồng bộ với máy thu, với mỗi góc quay máy thu sẽ đo cường độ sóng tới và lưu lại. Toàn bộ hệ thống
được đặt trong buồng cách li sóng điện từ gắn các tấm tiêu tán (absorber) trên tường.
Hình 2.19 Thiết lập kịch bản đo đồ thị phương hướng biên độ
2.2.5.3. Kết quả đo
Kịch bản đo 1: đo hệ số suy hao phản xạ
Hình 2.20 Kết quả đo hệ số suy hao phản xạ
Kết quả đo được tổng hợp tại Bảng 2.7. Toàn bộ các chỉ tiêu về suy hao phản xạ đã đạt so với yêu cầu đặt ra.
Bảng 2.7 Kết quả đo suy hao phản xạ
Suy hao phản xạ (2,4 ~ 2,5 GHz)
> 10 dB 15.62 dB Đạt
Dải thông của anten 2,4 ~ 2,5 GHz 2,05 ~ 2,65 GHz Đạt
Hệ số sóng đứng (SWR) < 1,92 1,38 Đạt
Kịch bản đo 2: đồ thị phương hướng biên độ: trong phạm vi đề tài, do điều kiện chưa cho phép nên em chưa tiến hành đo được. Phần này em sẽ thực hiện trong hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
2.2.6. Xây dựng mảng anten
Như đã nói ở mục 1.2.1, đặc tính của đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số chấn tử, góc dịch pha giữa các chấn tử, khoảng cách giữa các chấn tử. Tổng hợp lại ưu và nhược điểm của các yếu tố, em có bảng sau.
Bảng 2.8 Ưu và nhược điểm khi thay đổi các yếu tố tác động đến mảng anten
Yếu tố Ưu điểm Nhược điểm
Tăng số chấn tử của mảng
- Tăng độ lợi toàn mảng - Thu hẹp búp sóng chính
- Xuất hiện thêm búp sóng phụ - Tăng giá thành và độ phức tạp của hệ thống
Tăng khoảng cách giữa các chấn tử
- Thu hẹp búp sóng chính - Xuất hiện thêm búp sóng phụ - Tăng kích thước mảng
Thay đổi góc dịch pha
- Thay đổi hướng búp sóng chính
- Làm giảm độ lợi của mảng nếu góc quét quá lớn
Như vậy, thay đổi mỗi một yếu tố lại có những ưu, nhược điểm riêng và có tác động tới toàn mảng anten. Do vậy, khi xây dựng mảng anten, em phải cân nhắc đến tất cả các ưu, nhược điểm trên để lựa chọn các thông số như số các chấn tử của mảng, cách sắp xếp các chấn tử trong không gian, khoảng cách giữa các chấn tử. Kết quả cuối cùng là mảng anten 1x4 có mô hình như Hình 2.21, với trục u theo phương vuông góc với mặt đất.
Hình 2.21 Mô hình mảng anten 1x4
Mảng anten bao gồm bốn chấn tử đã xây dựng trong các phần trước, được sắp xếp cách đều nhau một khoảng (tại tần số 2,45 GHz). Kết quả mô phỏng mảng anten có đồ thị phương hướng biên độ trên mặt phẳng song song với mặt đất có dạng như Hình 2.22.
Hình 2.22 Kết quả mô phỏng mảng anten 1x4 trên phần mềm CST
Do chấn tử phát xạ chủ động của mỗi chấn tử anten trong mảng nằm vuông góc với mặt đất, nên mảng anten có phân cực đứng. Tổng hợp lại các thông số của mảng anten sau mô phỏng, em có Bảng 2.9 sau.
Bảng 2.9 Tổng hợp các thông số của mảng anten sau mô phỏng
Thông số Giá trị
Số chấn tử 4
Khoảng cách giữa các chấn tử 92 mm
Độ lợi 15,4 dBi
Độ rộng búp sóng mức nửa công suất 17,1 °
Phân cực Đứng
2.3. Thiết kế mạch xử lí tín hiệu
2.3.1. Sơ đồ khối mạch xử lí tín hiệu
Hình 2.23 Sơ đồ khối mạch xử lí tín hiệu
Mạch xử lí tín hiệu được chia thành 8 khối như Hình 2.23 và thực hiện các chức năng:
Khối dịch pha: dịch pha tín hiệu vào từ các chấn tử anten.
Bộ ghép công suất: cộng tổng tín hiệu sau dịch pha từ các chấn tử.
Khối LNA (khuếch đại tạp âm thấp): khuếch đại công suất với hệ số tạp âm nhỏ.
Bộ BPF (lọc thông dải): lọc tín hiệu có dải thông 2,4 ~ 2,5 GHz.
Khối đo công suất: đo công suất tín hiệu thu được sau một loạt các tầng trước.
Khối hiển thị: hiển thị các thông tin cần thiết cho người dùng.
Khối truyền thông: truyền tín hiệu tới máy tính xử lí qua giao tiếp UART.
Khối vi điều khiển: kiểm soát và điều khiển hoạt động của khối đo công suất, khối hiển thị, khối truyền thông.
Trong đó, các đường mũi tên xanh dương thể hiện đường đi của tín hiệu cao tần thu từ anten, đường mũi tên xanh lá là các đường tín hiệu số.
2.3.2. Tính toán quỹ công suất của hệ thống
Để đảm bảo hệ thống đạt được cự li phát hiện mục tiêu đã đề ra, cần tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu thu được, bao gồm các yếu tố: công suất phát của mục tiêu PTX, độ lợi anten phát của mục tiêu GTX, suy hao trong không gian tự do LFSPL, độ lợi anten thu GRX, suy hao của bộ dịch pha Lphaseshifter, suy hao của bộ ghép công suất Lcombiner, độ lợi của bộ khuếch đại tạp âm thấp GLNA, suy hao của bộ lọc thông dải LBPF. Các yếu tố này được thể hiện như hình Hình 2.24.
Hình 2.24 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu thu được
Cường độ tín hiệu thu được tại vị trí trước điểm đo công suất được tính theo công thức sau, với đơn vị là dB:
(2.5)
Trong đó, suy hao trong không gian tự do LFSPL phụ thuộc vào tần số, khoảng cách và được tính bởi công thức sau:
(2.6) với d là khoảng cách có đơn vị là mét, f là tần số sóng có đơn vị MHz. Với yêu cầu đặt ra là khoảng cách phát hiện mục tiêu lớn hơn 200m, tại tần số trung tâm 2450 MHz, suy hao trong không gian tự do được tính bằng:
86,2 dB (2.7)
Tham khảo trên thị trường, em thu được các khoảng giá trị thông thường của các yếu tố ảnh hưởng tới cường độ tín hiệu thu như sau:
Bảng 2.10 Giá trị thông thường của các thành phần ảnh hưởng tới cường độ tín hiệu thu
Thông số Giá trị thông thường
Công suất phát PTX 10 dBm ~ 30 dBm (10mW ~ 1W)
Độ lợi anten phát GTX 2 ~ 6 dBi
Suy hao xen trên bộ dịch pha Lphaseshifter 4 ~ 8 dB Suy hao xen trên bộ ghép công suất Lcombiner 1 dB Độ lợi bộ khuếch đại tạp âm thấp GLNA 15 ~ 30 dB Suy hao xen trên bộ lọc thông dải LBPF 1 ~ 2 dB
Giả sử PTX = 10 dBm, GTX = 2 dBi, Lphaseshifter = 8 dB, Lcombiner = 1 dB, GLNA = 30 dB, LBPF = 2 dB. Đồng thời, với kết quả mô phỏng độ lợi của mảng anten thu GRX ≈ 15,4 dBi, tính được cường độ tín hiệu thu được như sau:
(2.8)
Dự phòng thêm 10 dB cho các yếu tố suy hao do cáp, connector, vật liệu làm mạch …, ta được độ nhạy thu tối thiểu đặt ra với bộ đo công suất là Psense < -51 dBm. Đồng thời dựa vào các giá trị suy hao, độ lợi đã lựa chọn ở trên để lựa chọn linh kiện có các giá trị tương ứng phù hợp.
2.3.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lí chi tiết từng khối2.3.3.1. Khối dịch pha 2.3.3.1. Khối dịch pha
a. Chức năng và tiêu chí lựa chọn linh kiện
Khối dịch pha đảm nhiệm vai trò làm trễ pha của tín hiệu đi từ đầu vào tới đầu ra của khối, dẫn đến làm quay búp sóng chính của đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten. Như đã chứng minh ở phần 1.2.2, muốn quay đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten tới góc , ta cần dịch pha đầu ra mỗi chấn tử một góc .
Trên thị trường có nhiều hãng có sản xuất dòng IC dịch pha như Analog Device, Peregrine, … Mỗi dòng IC lại có một đặc điểm và thông số khác nhau. Dưới đây là các tiêu chí em đặt ra với IC dịch pha để phù hợp với hệ thống của mình.
Bảng 2.11 Tiêu chí lựa chọn IC dịch pha
Tiêu chí Yêu cầu
Giá thành Rẻ nhất có thể Số bit độ phân giải pha Lớn nhất có thể Suy hao xen (insertion loss) < 8 dB
Điện áp hoạt động 3,3 ~ 5 V
b. Lựa chọn linh kiện thích hợp
Bảng thống kê dưới đây đưa ra các thông số của hai dòng IC dịch pha em đã tham khảo trên trang phân phối linh kiện digikey.com.
Bảng 2.12 Thống kê thông số kĩ thuật của các IC dịch pha
Loại IC PE44820 MAPS-010164
Dải tần 1,1 ~ 3,0 GHz 2,3 ~ 3,8 GHz
Giá thành 10,73 $ 64,37 $
Số bit độ phân giải pha 8 6
Suy hao xen (insertion loss) 7 dB 4 dB
Điện áp hoạt động 3 ~ 5 V 3 ~ 5 V
Công suất đầu vào tối đa 28 dBm 27 dBm
Do trong hệ thống sử dụng bốn IC dịch pha, nên giá thành và băng thông hoạt động của các IC là yêu cầu quan trọng khi đánh giá lựa chọn IC thích hợp. Nhận thấy IC PE44820 của hãng Peregrine hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu đặt ra, trong khi giá thành lại thấp nhất, em đã quyết định lựa chọn IC PE44820 cho bộ dịch pha.
Hình 2.25 mô tả sơ đồ chân của IC PE44820. Trong đó, RF1 và RF2 là hai chân tín hiệu RF vào và ra; S/P là chân chọn chế độ hoạt động nối tiếp hay song song; SI, CLK, LE là ba chân tín hiệu điều khiển vào ở chế độ nối tiếp; LE0, CLK0, SDO1 là ba chân tín hiệu điều khiển ra ở chế độ nối tiếp đã được đệm; bốn chân A0, A1, A2, A3 là chân cài đặt địa chỉ cho mỗi IC PE44820.
Hình 2.25 Sơ đồ chân của IC PE44820
c. Thiết kế sơ đồ nguyên lí
Khối dịch pha sử dụng 4 IC PE44820, được mắc theo chế độ nối tiếp như mô tả Hình 2.26 để tiết kiệm chân điều khiển. Để hoạt động ở chế độ này, cần kéo chân S/P lên mức cao.
Hình 2.26 Sơ đồ kết nối 4 IC PE44820
IC PE44820 số 1 được kết nối trực tiếp với chân IO của vi điều khiển bằng đường logic: tín hiệu chốt (LE), xung đồng hồ (CLK) và dữ liệu vào (SI). Ở chế độ nối tiếp, ba tín hiệu logic này được đệm và đưa ra ba chân logic khác của IC
PE44820 số 1, và được kết nối nối tiếp với IC PE44820 số 2. Kết nối tương tự với IC P44820 số 3 và số 4. Bốn đường tín hiệu cao tần RFin được kết nối trực tiếp với bốn chấn tử anten. Bốn đầu ra RFout được nối với khối ghép công suất ở tầng tiếp theo.
2.3.3.2. Khối ghép công suất
a. Chức năng
Khối ghép công suất thực hiện chức năng ghép tổng tín hiệu từ nhiều cửa để đưa ra một cửa duy nhất, ở đây là ghép tổng tín hiệu sau dịch pha từ 4 chấn tử anten để đưa vào các tầng tiếp theo. Khối ghép công suất phải đảm bảo phối hợp trở kháng tại tất cả các cửa, để tín hiệu vào và tín hiệu ra không bị phản xạ, đồng thời đảm bảo trọng số về công suất là như nhau tại cả 4 đường ghép.
b. Cơ sở lí thuyết
Khối ghép công suất được sử dụng trong hệ thống của em sử dụng công nghệ của bộ chia/ghép công suất Wilkinson. Trong hệ thống có 4 đầu vào từ 4 chấn tử anten, do vậy cần xây dựng bộ ghép công suất Wilkinson với 4 đầu vào. Tuy nhiên, để đơn giản hóa khi phân tích cơ sở lí thuyết, em chỉ tập trung vào bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào. Bộ ghép công suất 4 đầu vào sẽ được xây dựng bằng cách ghép các bộ ghép công suất 2 đầu vào.
Hình 2.27 Cấu trúc bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào
Từ Hình 2.27, ta thấy bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào chính là một mạng 3 cửa. Trong đó, đầu ra là một đường truyền siêu cao tần trở kháng Ω, nối tiếp với một nhánh 2 đường truyền siêu cao tần trở kháng Ω, chiều dài điện λ/4. Mỗi nhánh lại nối tiếp với đường truyền siêu cao tần đầu vào có trở kháng Z0 Ω. Ma trận tán xạ [S] đặc trưng cho sự phản xạ và truyền đạt của mạng 3 cửa này có dạng:
(2.9)
Trong đó, mạng 3 cửa này có các tính chất sau:
(cửa 1 phối hợp trở kháng)
(cửa 2 và cửa 3 phối hợp trở kháng) (công suất ghép đều giữa 2 cửa) (đối xứng đầu vào và đầu ra) (cách li giữa cửa 2 và cửa 3)
d. Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lí với các đường truyền lí tưởng
Yêu cầu kĩ thuật do em đặt ra với bộ ghép công suất Wilkinson như sau:
Bảng 2.13 Yêu cầu kĩ thuật cho bộ ghép công suất Wilkinson