Từ yêu cầu kĩ thuật chung của hệ thống, em tách lọc và bổ sung thêm các yêu cầu kĩ thuật cho anten như Bảng 2.4 dưới đây.
Bảng 2.4 Yêu cầu kĩ thuật đặt ra với anten
Thông số Yêu cầu
Loại anten Anten Yagi vi dải
Tần số trung tâm 2,45 GHz Độ lợi > 8 dBi Độ rộng búp chính (mức 3dB) 15° Băng thông > 100 MHz Suy hao phản xạ > 10 dB Hiệu suất > 70 % Vật liệu chế tạo FR-4 Kích thước anten < 122 x 122 mm 2.2.3. Tính toán, thiết kế anten
2.2.3.1. Cấu trúc anten Yagi mạch dải
Hình 2.6 Cấu trúc anten Yagi mạch dải
Hình 2.6 mô tả cấu trúc của một anten Yagi mạch dải, bao gồm một chấn tử chủ động, một chấn tử phản xạ thụ động và một chấn tử dẫn xạ thụ động. Tất cả các chấn tử này nằm trên một tấm điện môi có hệ số điện môi là . Trong đó, chấn tử phản xạ và một nửa chấn tử chủ động nằm ở mặt sau, chấn tử dẫn xạ và một nửa chấn tử chủ động cùng đường tiếp điện nằm ở mặt trước.
Giả sử, xét một anten Yagi đơn giản gồm 3 phần tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P, chấn tử dẫn xạ D. Chấn tử chủ động A và chấn tử phản xạ P được tiếp điện với máy phát siêu cao tần. Khi đó, chấn tử A và chấn tử P sẽ cùng bức xạ. Đồng thời, xuất hiện dòng điện cảm ứng trên chấn tử dẫn xạ D, và chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp.
Nếu chọn được độ dài của P và khoảng cách từ P đến A thích hợp, thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A. Khi ấy, năng lượng bức xạ của cặp A-P sẽ giảm yếu về phía chấn tử P và tăng cường theo hướng ngược lại. Tương tự, nếu chọn được độ dài của D và khoảng cách từ A đến D thích hợp, D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi ấy, năng lượng của hệ bức xạ A – D sẽ được tập trung về phía chấn tử dẫn xạ và giảm yếu theo hướng chấn tử phản xạ. Kết quả là năng lượng của hệ sẽ được tập trung về một phía, dọc theo trục anten về phía các chấn tử dẫn xạ.
2.2.3.3. Tính toán thiết kế
Sau khi đã lựa chọn loại chấn tử thích hợp cho mảng anten là chấn tử Yagi mạch
dải, em thực hiện quá trình tính toán, thiết kế, tối ưu mảng anten như Hình 2.7, bắt
đầu với bước khởi tạo kích thước chấn tử.
Hình 2.7 Lưu đồ quá trình thực hiện tính toán, tối ưu anten
Với tần số trung tâm của anten là = 2,45 GHz, bước sóng được tình bằng: (2.1) Gọi l là chiều dài của các chấn tử, d là khoảng cách giữa chúng. Yêu cầu đặt ra là về chiều dài anten là . Ta giả sử . Theo bảng 19.12 trong tài liệu tham khảo [2], với , ta lựa chọn tỉ số là giá trị tối ưu cả độ lợi và chiều dài anten. Khi đó, anten
sẽ có độ lợi khoảng 8,5 dBi, và dải thông hoạt động khoảng 12%. Đồng thời, hệ số sóng chậm tối ưu là:
(2.2) với và , tra Bảng 2.5, ta được với . Khi đó, ta tính được và:
(2.3) Bảng 2.5 Hệ số chậm [2] kl/2 2d/l 1,26 1,28 1,30 1,32 1,34 1,36 1,38 1,40 1,42 1,44 0.5 1,14 1,17 1,22 1,30 1,37 1,43 1,43 1,51 1,58 1,67 1 1,08 1,13 1,16 1,20 1,20 1,26 1,48 1,44 1.5 1,07 1,09 1,12 1,12 1,29
Tổng số phần tử cần thiết của anten sẽ là
(2.4) trong đó có 1 chấn tử phản xạ, 1 chấn tử chủ động và 3 chấn tử dẫn xạ.
Tham khảo Bảng 2.6, ta lấy các kích thước chiều dài chấn tử phản xạ, chiều dài chấn tử dẫn xạ, khoảng cách chấn tử phản xạ và chấn tử chủ động, khoảng cách giữa các chấn tử dẫn xạ lấy từ cột chiều dài anten bằng .
Bảng 2.6 Kích thước tối ưu cho các chấn tử (tính theo bước sóng λ) [4]
Chiều dài anten 0.4 0.8 1.2 2.2 3.2 4.2
Chiều dài chấn tử phản xạ R 0.482 0.482 0.482 0.482 0.482 0.475 Chiều dài các chấn tử dẫn xạ D1D2 0.442 0.4280.424 0.428 0.432 0.428 0.4240.42 0.415 0.42 0.424 D3 0.428 0.42 0.407 0.407 0.42 D4 0.428 0.398 0.398 0.407 D5 0.39 0.394 0.403 D6 0.39 0.39 0.398 D7 0.39 0.386 0.394 D8 0.39 0.386 0.39 D9 0.398 0.386 0.39 D10 0.407 0.386 0.39 D11 0.386 0.39 D12 0.386 0.39
D13 0.386 0.39 D14 0.386 D15 0.386 Khoảng cách chấn tử phản xạ và chấn tử chủ động 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 Khoảng cách giữa các chấn tử dẫn xạ 0.2 0.2 0.25 0.2 0.2 0.308 Độ định hướng (dBi) 7.1 9.2 10.2 12.25 13.4 14.2 Kết quả thu được mô hình anten được vẽ trên phần mềm mô phỏng CST với các kích thước như Hình 2.8 dưới đây.
Hình 2.8 Kích thước các phần tử của anten
2.2.4. Mô phỏng và tối ưu anten2.2.4.1. Mô phỏng 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