Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỉ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn tại cùng hướng và cùng khoảng cách, khi công suất bức xạ của hai anten giống nhau.
(1.2) Trong đó, là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đã cho tại khoảng cách R; là mật độ công suất bức xạ của anten đẳng hướng ở hướng .
Với công suất bức xạ của anten là , hệ số định hướng có thể tính bằng:
(1.2) Trong thực tế, rất khó khăn để đo được công suất bức xạ của anten. Vì vậy, ta thường sử dụng hàm độ lợi của anten, được tính bằng:
(1.2) Với là công suất đưa vào anten. Mối liên hệ của công suất đưa vào anten với công suất bức xạ thể hiện qua hệ số hiệu suất của anten:
(1.2) 1.1.2.5. Trở kháng của anten
Anten không bao giờ đứng đơn lẻ mà luôn được sử dụng cùng với hệ thống khác. Vì vậy, việc xem xét tính toán trở kháng của anten là việc rất quan trọng, nhằm phối hợp trở kháng tốt với các tầng kết nối với anten, tối ưu hiệu quả của hệ thống.
Gọi là trở kháng của anten, bao gồm phần thực và phần phức :
+ (1.2)
Phần thực lại được chia thành hai phần, thành phần đặc trưng cho suy hao do vật liệu và thành phần đặc trưng cho năng lượng bức xạ ra không gian
+ (1.2)
Thành phần phức đặc trưng cho trường phản kháng khu gần, nơi năng lượng có bức xạ ra quay ngược trở lại anten.
1.1.2.6. Băng thông của anten
Băng thông của anten là khoảng tần số mà tại đó, anten hoạt động thỏa mãn với các yêu cầu cho trước. Thông thường, ta lấy khoảng tần số mà tại đó, suy hao phản xạ (return loss) của anten lớn hơn 10 dB là băng thông của anten.
Hình 1.5 Kết quả mô phỏng suy hao phản xạ của một anten mạch dải
Hình 1.5 là kết quả mô phỏng suy hao phản xạ của một anten mạch dải. Ta thấy, với yêu cầu suy hao phản xạ lớn hơn 10 dB, băng thông của anten này là:
(1.2) 1.1.2.7. Sự phân cực của anten
Xét một anten nằm ở tâm O của hệ trục tọa độ, điểm quan sát r nằm ở trường khu xa của anten, là vector đơn vị nằm dọc theo hướng khảo sát. Vector điện trường E được phân tích thành hai thành phần và như Hình 1.6.
Hình 1.6 Vector đơn vị và của vetor điện trường E
Khi đó, có thể viết:
Gọi là góc lệch pha giữa hai thành phần và . Sự lệch pha này cùng với biên độ của hai vector điện trường thành phần và quy định tính chất phân cực của anten, và được chia thành 3 trường hợp được thể hiện như Hình 1.7:
Hình 1.7 Các trạng thái phân cực của anten. a. Phân cực Elipse. b. Phân cực tròn. c. Phân cực tuyến tính [1]
Phân cực tròn: khi || = || và . Khi đó, trên mặt cắt vuông góc theo hướng quan sát, đầu mút vector điện trường E sẽ vạch nên một vòng tròn. Khi chiều quay ngược chiều kim đồng hồ là phân cực tròn trái, cùng chiều kim đồng hồ là phân cực tròn phải.
Phân cực tuyến tính: Khi đó, trên mặt cắt vuông góc theo hướng quan sát, đầu mút vector điện trường E sẽ vạch nên đường thẳng. Khi đường thẳng nằm song song với mặt đất, ta gọi là phân cực ngang. Khi đường thẳng nằm vuông góc với mặt đất, ta gọi là phân cực đứng.
Phân cực Elipse: xảy ra với các trường hợp còn lại. Khi đó, trên mặt cắt vuông góc theo hướng quan sát, đầu mút vector điện trường E sẽ vạch nên một hình Elipse.
Phân tích đúng sự phân cực có ý nghĩa quan trọng khi thiết kế các hệ thống thu phát sử dụng anten. Ta không thể thu được tín hiệu khi thiết lập một hệ có anten phát phân cực đứng, anten thu phân cực ngang. Bởi hình chiếu vector E theo phương nằm ngang với mặt đất bằng không.
Mảng anten có thể được sắp xếp với rất nhiều trật tự trong không gian: có thể là một chiều, hai chiều, ba chiều, hay các chấn tử cách nhau không đều … Do vậy, trong phần này, để giảm bớt độ phức tạp, em chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống anten mảng pha một chiều với các chấn tử cách đều nhau.
1.2.1. Anten mảng
Xét một mảng anten một chiều cách đều nhau một khoảng d, gồm K chấn tử. Tại thời điểm khảo sát, một mặt sóng bức xạ đi tới phần tử K của mảng anten này. Để tới được chấn tử K – 1, mặt sóng phải đi thêm một khoảng , như mô tả trên Hình 1.8.
Hình 1.8 Mảng anten K chấn tử
Khi đó, tín hiệu thu được bị trễ pha một khoảng , với = . Tổng quát, độ trễ pha khi tới chấn tử thứ i là:
(1.2) Giả sử, gọi là cường độ tín hiệu thu được từ một chấn tử anten độc lập. Khi đó, ảnh hưởng của độ trễ pha tới tín hiệu này là:
(1.2) với là trọng số cường độ tín hiệu giữa các chấn tử. Giả sử các anten được ghép chung lại bình đẳng với nhau, hay . Tín hiệu thu được sẽ là tổng của các tín hiệu từ các hiệu thành phần và bằng:
(1.2) Ta viết lại thành:
(1.2) với được gọi là hệ số chấn tử (Element factor) và:
(1.2) được gọi là hệ số mảng (Array factor).
Hàm biểu thị cường độ tín hiệu thu được của một hệ anten theo một hướng nào đó, hay cũng chính là biểu thị của hàm phương hướng biên độ của hệ anten này. Từ đó, ta có thể thấy khi ghép nhiều anten lại thành một mảng anten, đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten sẽ bị thay đổi tùy theo số phần tử của mảng và khoảng cách giữa các phần tử.
Tại hướng búp sóng chính (búp sóng có độ lợi cao nhất) của chấn tử, hay , hệ số mảng khi đó bằng:
(1.2) Khi đó, với thì . Do đó, độ định hướng của mảng anten ở hướng búp sóng chính sẽ lớn hơn K lần so với độ lợi của một chấn tử.
Hình 1.9 Đồ thị hệ số mảng 4 chấn tử cách nhau d = , hệ số chấn tử và đồ thị hướng tính của toàn mảng
Hình 1.9 mô tả đồ thị hệ số mảng 4 chấn tử cách nhau , hệ số chấn tử với hàm hướng tính = cos và đồ thị hướng tính của toàn mảng trong khoảng góc từ -90° đến 90°. Ta thấy, đồ thị hướng tính của toàn mảng thu được có độ rộng búp sóng chính theo mức 0 hẹp hơn rất nhiều (từ 180° giảm còn 40°), đồng thời độ lợi của toàn mảng sẽ tăng thêm 6 dB (gấp 4 lần) so với một chấn tử đơn thuần.
Từ công thức 1.23, ta thấy độ lợi của mảng sẽ tăng nếu số phần tử của mảng tăng. Điều này được chứng minh qua kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 1.10.
Hình 1.10 Mô phỏng đồ thị hệ số mảng gồm 4 và 8 phần tử
Từ Hình 1.10, khi tăng số phần tử của mảng, ta thấy không những độ lợi tăng, mà búp sóng chính còn được thu hẹp lại. Tuy nhiên, đồ thị phương hướng biên độ lại xuất hiện thêm búp sóng phụ. Búp sóng phụ này có thể góp phần làm sai lệch kết qủa vị trí chính xác của mục tiêu.
Hình 1.11 Đồ thị hệ số mảng khi d = và d =
Từ Hình 1.11, ta thấy khi các phần tử cách nhau xa hơn, búp sóng chính sẽ được thu hẹp lại. Tuy nhiên, số búp sóng phụ lại tăng thêm. Do vậy, cần lựa chọn khoảng cách giữa các phần tử thích hợp để đạt được các yêu cầu mong muốn.
1.2.2. Anten mảng pha
Hình 1.12 Mảng anten K chấn tử mắc thêm bộ dịch pha
Xét một mảng anten một chiều cách đều nhau một khoảng d, bao gồm K chấn tử, mỗi chấn tử được mắc nối tiếp với một bộ dịch pha có hàm truyền như Hình 1.12. Chứng minh tương tự như phần trên, ta tổng hợp tín hiệu thu được từ hệ anten trên: (1.2) Giả sử, các bộ dịch pha không làm thay đổi biên độ tín hiệu, hay:
(1.2) Như vậy, hệ số mảng trở thành:
(1.2) Ta lựa chọn độ dịch pha giữa các phần tử bằng:
(1.2) Khi đó, hệ số mảng trở thành:
(1.2) Tại hướng có góc , hệ số mảng sẽ cực đại. Khi đó, búp sóng chính của đồ thị phương hướng của mảng anten sẽ bị quay đi một góc . Như vậy, muốn đồ thị phương hướng của mảng anten quay tới góc , cần dịch pha tại phần tử thứ i của mảng một góc:
Hình 1.13 Mô phỏng hệ anten 4 chấn tử cách d = với góc dịch pha 15°
Từ Hình 1.13, ta thấy khi dịch pha tín hiệu thu một góc búp sóng chính của mảng anten bị dịch đi một góc 15° (đường màu đỏ). Tuy nhiên, dạng của đồ thị phương hướng cũng bị thay đổi không còn như ban đầu về độ cao các đỉnh. Nguyên nhân do đồ thị phương hướng biên độ của chấn tử mô phỏng không phải là dạng đẳng hướng, dẫn đến giá trị độ lớn độ định hướng tại mỗi góc là khác nhau. Vì thế, khi xây dựng xong mô hình hệ anten, cần đánh giá lại đồ thị phương hướng biên độ của anten ứng với mỗi góc quay pha để rõ hơn sự thay đổi này.
1.3. Đường truyền mạch vi dải (microstrip line)
1.3.1. Cấu trúc đường truyền mạch vi dải
Khi mà công nghệ mạch in PCB ngày càng phát triển và hoàn thiện, thì đường truyền mạch vi dải là đường truyền siêu cao tần được sử dụng chủ yếu. Bởi lẽ nó có những ưu điểm rất lớn như dễ dàng gia công, tích hợp trên các thiết bị điện tử nhỏ.
Hình 1.14 Cấu trúc đường truyền microstrip line
Cấu trúc của đường truyền microstrip line được thể hiện như Hình 1.14, với một đường dẫn điện mảnh có độ rộng W; kế đến là một lớp vật liệu cách điện có hệ
số cách điện , độ dày d; và cuối cùng là một mặt phẳng đất (ground plane). Hệ này có mode truyền sóng TEM.
1.3.2. Trở kháng của đường truyền mạch vi dải
Xét một đường truyền siêu cao tần mạch vi dải có các kích thước như Hình 1.14. Do cấu trúc không đối xứng và đồng nhất nên hệ số được quy đổi thành hệ số hiệu dụng, được tính bằng: 1 1 1 2 2 1 12 / r r e d W (1.2)
Trở kháng của đường truyền mạch vi dải được tính theo công thức sau:
(1.2) Ngoài ra, ta còn công thức quy đổi ngược lại tỉ số từ trở kháng :
(1.2) Với 0 1 1 0,11 (0, 23 ) 60 2 1 r r r r Z A (1.2) 0 377 2 r B Z (1.2)
Như vậy, cho trước trở kháng đường truyền, độ dày lớp cách điện và hệ số cách điện của vật liệu làm PCB, ta hoàn toàn có thể tính ra được độ rộng đường truyền W với trở kháng tương ứng.
1.4. Kết luận
Trong chương này, em đã tìm hiểu những lí thuyết cơ bản nhất về các thông số của anten, ảnh hưởng của việc ghép mảng anten và dịch pha tới đồ thị phương hướng biên độ của anten; lí thuyết về đường truyền siêu cao tần mạch vi dải. Đây là cơ sở quan trọng để hiểu rõ bản chất của hệ thống anten mảng pha, cũng như cho quá trình thiết kế anten mảng pha trong chương 2, đồng thời để tính toán, thiết kế mạch in cho đúng.
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Từ các cơ sở lí thuyết cơ bản đã tìm hiểu ở chương 1, trong chương 2, em sẽ bắt đầu đi vào thiết kế tất cả các thành phần của hệ thống, bao gồm nguyên lí hoạt động, mảng anten, mạch xử lí tín hiệu, firmware cho vi điều khiển và phần mềm giao diện người dùng trên máy tính.
2.1. Thiết kế tổng quan hệ thống
2.1.1. Lựa chọn phương án khả thi
Hiện nay, có hai phương pháp thường được sử dụng để phát hiện UAV. Phương pháp thứ nhất là phương pháp xử lí ảnh, trong đó sử dụng một số camera để ghi hình không gian xung quanh, sau đó dùng các thuật toán xử lí ảnh để phát hiện và định vị vị trí của UAV. Phương pháp thứ hai là phương pháp dùng sóng vô tuyến, sử dụng anten phát hoặc thu bức xạ điện từ trong không gian, từ đó phát hiện và định vị UAV. Mỗi phương án lại có những ưu điểm, nhược điểm riêng được liệt kê trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 So sánh ưu điểm và nhược điểm 2 phương pháp phát hiện UAV
Sử dụng sóng vô tuyến Xử lí ảnh Ưu điểm Tự chủ hoàn toàn về phần
cứng và phần mềm
Chạy dễ dàng phần mềm trên máy tính
Nhược điểm
- Có thể bị gây nhiễu - Có kiến thức về anten, kĩ thuật siêu cao tần, phần cứng - Khó khăn khi phát hiện các vật thể bay nhỏ
- Dễ bị nhầm lẫn giữa các vật thể bay (chim, máy bay …)
- Cần có kiến thức sâu về xử lí ảnh - Cần hệ thống camera chất lượng cao, đắt tiền
Nhận thấy bản thân chưa có kinh nghiệm nhiều trong lĩnh vựa xử lí ảnh, nhưng lại có chuyên môn sâu hơn về thiết kế phần cứng, hệ thống cao tần. Do vậy, em quyết định lựa chọn phương pháp sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện và định vị UAV.
2.1.2. Xây dựng giải pháp
2.1.2.1. Xây dựng nguyên lí hoạt động cho hệ thống
Thông thường, với phương pháp sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện và định vị vật thể bay, người ta thường dùng một anten phát một xung ngắn với công suất cao vào
không gian, sau đó đo thời gian tín hiệu phản xạ từ vật thể dội ngược trở lại, rồi tính toán cự li từ vật thể tới anten. Nhược điểm của cách làm này là yêu cầu công suất phát rất cao (hàng chục kW), đồng thời phải có hệ thống xử lí rất nhanh để đo chính xác thời gian tín hiệu dội ngược trở lại. Ngoài ra, do các UAV có kích thước nhỏ, nên tiết diện phản xạ radar rất nhỏ, khiến tín hiệu phản xạ lại rất bé và yêu cầu máy thu có độ nhạy thu rất lớn. Các nhược điểm trên là trở ngại lớn nếu thiết kế hệ thống theo phương pháp này.
Tìm hiểu kĩ hơn hoạt động của UAV, ta thấy thông thường, UAV sử dụng một băng tần phát từ bộ điều khiển cho tín hiệu điều khiển, một băng tần phát từ UAV cho tín hiệu truyền hình, được mô tả ở Hình 2.1. Chính tín hiệu này là điểm bộc lộ sự xuất hiện của UAV trong không gian. Do vậy, hoàn toàn có thể áp dụng nguyên lí của radar thụ động: thu tín hiệu liên lạc phát xạ từ mục tiêu để phát hiện và định vị.
Hình 2.1 Mô hình truyền tín phát tín hiệu của UAV
Các dạng UAV phổ biến trên thị trường thường sử dụng băng tần miễn phí ISM, với khoảng tần số 2,4 ~ 2,5 GHz và 5,725 ~ 5,875 GHz. Sử dụng một trong hai băng tần này lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Băng tần 2,4 ~ 2,5 GHz cho khoảng cách truyền xa hơn, nhưng lại dễ bị nhiễu do có nhiều thiết bị như wifi, Bluetooth … sử dụng băng tần này. Băng tần 5,725 ~ 5,875 GHz có khoảng cách truyền ngắn hơn, nhưng lại ít bị nhiễu hơn. Việc sử dụng băng tần nào cho truyền hình là do loại UAV và lựa chọn của người sử dụng.
Do thiết kế hệ thống thu tín hiệu băng tần 2,4 ~ 2,5 GHz đơn giản, ít tốn kém chi phí hơn so với băng tần 5,725 ~ 5,875 GHz. Do vậy, em quyết định lựa chọn nguyên lí hoạt động của hệ thống: bắt tín hiệu truyền hình 2,4 ~ 2,5 GHz phát ra từ UAV để phát hiện và định vị nó trong không gian.
2.1.2.2. Xây dựng giải pháp cho khối anten
Để phát hiện và định vị được vật thể trong không gian, cần một hệ anten có độ định hướng rất cao và búp sóng chính hẹp. Yêu cầu này có thể được giải quyết bằng cách lựa chọn loại anten có độ định hướng cao mắc thành một mảng anten.
Với các hệ radar thông thường, anten phải quay xung quay trục bằng kết cấu quay cơ khí sử dụng giao liên cao tần (RF rotary joint) để kết nối phần quay và phần cố định. Cơ cấu này rất phức tạp, giá thành cao và nhưng tốc độ quay lại chậm,