1.1 Tổng quan về anten mạng pha số và công nghệ chế tạo
1.1.3 Tình hình nghiên cứu về anten mạng pha và công nghệ chế tạo
Trong nƣớc:
Do nhận thức đƣợc những ƣu điểm của anten mạng pha số so với các loại anten khác, nên cùng với sự phát triển của khoa học thế giới, nƣớc ta cũng có nhiều đề tài khoa học về loại anten này. Các đề tài không chỉ liên quan đến ứng dụng trong quân sự mà còn liên quan tới các hệ thống truyền thông dân dụng khác. Hầu hết các đề tài này đƣợc thực hiện bởi trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Ra đa thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học viện Quân chủng Phịng khơng Khơng qn, Học viện Bƣu chính viễn thơng,… Trong phạm vi tổng quan tài liệu, luận án đã tham khảo các nhóm nghiên cứu tiêu biểu nhƣ:
Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự nghiên cứu chủ yếu về kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật mạch dải và các kỹ thuật điều khiển búp sóng thích nghi trong chế tạo Anten mạng pha băng X. [5].
Nhóm nghiên cứu do GS.TSKH. Phan Anh đứng đầu nghiên cứu phƣơng pháp ƣớc lƣợng hƣớng sóng tới sử dụng thuật toán MUSIC [7], Ứng dụng anten thông minh cho các hệ thống ra đa tích cực [8].
TS. Nguyễn Quang Hƣng tập trung vào nghiên cứu q trình tạo búp sóng số, xử lý các tín hiệu số theo khơng gian và thời gian trong các hệ thống GSM và CDMA ở nƣớc ta [4].
PGS. TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang đã chủ trì nhiều đề tài liên quan tới lĩnh vự này nhƣ:
Nghiên cứu về phƣơng pháp đo tự động đặc trƣng bức xạ của anten thông qua điều khiển quay hƣớng anten tự động từ máy tính [2].
Nghiên cứu các phƣơng pháp số hóa tạo búp sóng cho hệ anten phẳng cho truyền thông vệ tinh và dẫn đƣờng, nghiên cứu tổng quan về anten mạng và các thuật tốn tạo búp sóng số [3].
Ngồi nƣớc:
Các nghiên cứu về anten mạng pha số xuất hiện trên nhiều tạp chí khoa học và kỹ thuật. Trong đó chủ yếu là các tạp chí của IEEE (Institude of Electrical and Electronic Engineers) ở Mỹ (bao gồm các ấn phẩm thuộc các chủ đề Aerospace and Electronic System, Antenna and Propagation, Antenna and Wireless Propagation, Evolutionary Computation, Instrumentation and Measurement, Microwave and Wireless Component, Wireless Communication,…) và trên tạp chí của IEE (Institude of Electrical Engineers) của Anh. Một số nghiên cứu liên quan tới công nghệ chế tạo anten mạng pha số nhƣ:
-Nhóm nghiên cứu của M. S. R Mohd Shah tại trƣờng Teknikal Malaysia Melaka nghiên cứu về thiết kế anten mạng vi dải lƣỡng cực trên vật liệu FR4 hoạt động ở tần số 2.4 Ghz [54].
-Nhóm nghiên cứu của Yuusuke Yamashita ở tập đoàn Toshiba, Nhật Bản với kết quả nghiên cứu về sử dụng vật liệu Gali Nitrit để chế tạo anten mạng pha băng X với bộ khuếch đại chuyên dụng công suất lớn [76].
-Nhóm nghiên cứu của Zhao Yan-Qui ở Trung Quốc nghiên cứu về các thiết kế nhiều mơ hình anten mạng pha khác nhau với các phần tử anten sắp xếp trên khơng gian ba chiều [77].
-Nhóm nghiên cứu của Y. C. Guo nghiên cứu về phƣơng pháp làm giảm các búp sóng phụ của anten mạng pha sử dụng các bộ dịch pha số [33, 34].
búp sóng để thu các tín hiệu kết hợp [48].
-Nhóm nghiên cứu của Lu Jiaguo nghiên cứu về anten tích cực dựa trên hệ thống điều khiển đồng bộ số [51] hay chính là điều khiển anten mạng pha sử dụng phƣơng pháp số thay cho việc điều khiển bằng phƣơng pháp tƣơng tự.
-Nhóm nghiên cứu của R. L. Haupt đã có những nghiên cứu bƣớc đầu về áp dụng thuật toán di truyền cho anten mạng pha số [35, 36, 37, 38].
-Nhóm nghiên cứu của M. D. Fanton đã đánh giá, so sánh về hai phƣơng pháp chính để đo đặc trƣng bức xạ của anten [28]. Ngồi ra nhóm nghiên cứu của D. W. Hess và nhóm nghiên cứu Lior Shmidov cùng nhiều nhóm nghiên cứu khác đã nghiên cứu về các phƣơng pháp để đo đặc trƣng bức xạ tự động [41, 49].
Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án này là nghiên cứu về công nghệ xây dựng phần điều khiển số của anten mạng pha số sử dụng trong hệ thống Ra đa tuyến thu băng X, trong đó bằng cách mở rộng tính tốn song song vào 2 thuật toán MUSIC và thuật toán di truyền nhằm nâng cao chất lƣợng xử lý ở phần thu. Cụ thể:
- Cực tiểu hố cơng suất về nguồn nhiễu cố định và biết trƣớc một cách nhanh chóng để giảm ảnh hƣởng của nhiễu trong bài tốn thích nghi tín hiệu.
- Nâng cao hiệu suất tính tốn đồng thời tăng độ phân giải mục tiêu trong bài toán ƣớc lƣợng hƣớng sóng tới.
- Mở rộng kết quả tính tốn để áp dụng đo nhanh đặc trƣng hƣớng của hệ thống anten bằng phƣơng pháp quay pha số.
Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng: Đối tƣợng nghiên cứu của luận án này là anten mạng pha số
khiển hỏa lực, các đài Ra-đa cảnh giới. Luận án tập trung vào giải quyết ba vấn đề trong công nghệ xây dựng phần điều khiển số là:
- Cải tiến thuật tốn di truyền bằng tính tốn song song, để có thể loại bỏ ảnh hƣởng của nguồn nhiễu một cách nhanh chóng và chính xác trong bài tốn thích nghi tín hiệu.
- Cải tiến thuật toán MUSIC bằng cách áp dụng linh hoạt tính tốn song song, việc này làm giảm thời gian tính tốn đồng thời nâng cao độ phân giải mục tiêu trong bài tốn ƣớc lƣợng hƣớng sóng tới của tín hiệu.
- Mở rộng kết quả tính tốn để đo kiểm tra nhanh đặc trƣng hƣớng của hệ thống anten mà không cần quay bề mặt bức xạ với chi phí thấp.
Phương pháp nghiên cứu: Trên cở sở tìm hiểu, nghiên cứu những lý
thuyết, cơng nghệ đã có, từ đó tìm ra những vấn đề cần cải thiện, tối ƣu hóa hệ thống theo mục tiêu luận án đề ra.
Để chứng minh tính đúng đắn của luận án. Các mơ hình tốn học trong luận án đã thực hiện mô phỏng cho hệ thống có số lƣợng phần tử rất lớn trƣớc khi áp dụng vào thực nghiệm trên anten mạng pha 4 kênh, 4x8 phần tử để kiểm tra, so sánh và đánh giá hiệu quả của nội dung nghiên cứu. Kết quả thu đƣợc cho thấy phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc lựa chọn giải quyết đƣợc các nội dung đề ra trong luận án là phù hợp.
Tuy nhiên vẫn gặp phải một số khó khăn hạn chế, đặc biệt là hai vấn đề sau:
- Anten mạng pha và anten mạng pha số hiện nay tuy không phải là những vấn đề mới cả về lý thuyết cũng nhƣ công nghệ chế tạo, nhƣng vấn đề này liên quan tới các bí mật qn sự về cơng nghệ của các nƣớc phát triển cũng nhƣ là các sản phẩm thƣơng mại nên rất khó khăn trong việc tiếp cận, triển khai và cập nhật các tài liệu liên quan.
hiện nay tại nƣớc ta số lƣợng anten mạng pha số đƣợc sử dụng để nghiên cứu rất ít, làm cho việc triển khai các kết quả tính tốn ra thực tế cịn rất hạn chế.
1.1.4 Cấu tạo anten mạng pha số tuyến thu băng X tại Viện Ra-đa, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
Cấu tạo của anten mạng pha số tuyến thu băng X, đƣợc xây dựng trên cơ sở đề tài khoa học hợp tác Quốc tế giữa Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự với trƣờng Đại học Kỹ thuật và Kinh tế Budapest – Hungary [5]. Sơ đồ khối đƣợc mơ tả trong Hình 1.5, Hình 1.6 và hình ảnh thực tế đƣợc mơ tả trong Hình 1.7. Từ sơ đồ ta thấy có thể chia anten mạng pha số gồm hai thành phần chính là phần cứng và phần số.
Hình 1.5 Hệ thống anten mạng pha số tuyến thu băng X
Phần cứng: Bao gồm các phần tử bức xạ cơ bản, máy thu và bộ chuyển
đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số (ADC). Với chức năng cụ thể của từng bộ phận nhƣ sau:
Các phần tử bức xạ cơ bản hay còn gọi là các chấn tử anten. Bộ phận
này thực hiện chức năng thu sóng điện từ theo những đặc trƣng thu nhất định phụ thuộc vào thiết kế, vật liệu,…
Máy thu ở đây là một tổ hợp phức tạp của nhiều thiết bị khác nhau nhƣ
là khuếch đại tín hiệu thu đƣợc, lọc tần số, chuyển tín hiệu cao tần về trung tần, khuếch đại tín hiệu trung tần, lọc nhiễu,…
Hình 1.6 Sơ đồ khối máy thu băng X
Khối máy thu có chức năng khuếch đại tín hiệu thu nhận từ anten, và chuyển tín hiệu đó về tín hiệu trung tần 30MHz để đƣa sang khối trung tần (IF) số.
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số thực hiện chức năng biến đổi
các tín hiệu thu đƣợc sau khi đã đƣa xuống tần số trung tần ra dạng số phục vụ cho quá trình biến đổi số ở phần số.
Trong thực tế, phần cứng có thể coi là tổ hợp của các anten số riêng lẻ độc lập với nhau.
Phần số: Hay còn gọi là phần xử lý số, đƣợc mô tả bằng trọng số wi để
điều khiển độ lệch pha và biên độ của từng phần tử anten và bộ tổng hợp các tín hiệu. Thơng thƣờng, phần số đƣợc thực hiện trên một bộ xử lý số chuyên dụng nhƣ máy tính, DSP, FPGA, …
Khối anten mạch dải đƣợc chia làm 4 kênh giống nhau đƣợc thiết kế ở tần số 9,7GHz, trong mỗi kênh gồm 8 phần tử đồng pha, các phần tử đƣợc liên kết với nhau bằng các bộ cộng công suất đồng pha trên mạch dải (độ lệch pha của tất cả các phần tử bằng 0). Khối anten có chức năng thu nhận tín hiệu
đƣa xuống 4 kênh thu độc lập. Do vậy, với anten này ta có thể điều khiển búp sóng theo góc phƣơng vị, cịn theo góc ngẩng thì đặc trƣng hƣớng là cố định (Hình 1.8)
a, Bề mặt bức xạ anten
b, Khối các máy thu c, Khối xử lý số
Hình 1.7 Hình ảnh thực của hệ anten mạng pha của Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
Bảng 1.1 Một số thông số chính của hệ anten mạng pha của Viện Ra-đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
Thông số Giá trị
Dải tần 9,7 GHz 50 MHz Số chấn tử phát xạ 32 phần tử
Hệ số khuếch đại 15,2 dB Công suất xung cực đại 1kW Công suất liên tục 1W
Tần số IF 30 MHz
Độ rộng dải IF 3,3 MHz Mức ra công suất IF ≤ 1,1 dBm Độ phân giải ADC 12 bit
Số kênh ADC 4 kênh
Độ rộng búp sóng theo phƣơng thẳng đứng 10 độ Độ rộng búp sóng theo phƣơng nằm ngang 20 độ
Kích thƣớc (d x r x c) 150 x 200 x 30 (mm)
Xét trên khả năng xử lý phần mềm số thì hệ anten này tƣơng đƣơng với một anten mạng pha số tuyến tính với 4 phần tử. Vì lý do này nên trong hầu hết các kết quả mô phỏng trong luận án này đều đƣợc thực hiện với số lƣợng phần tử lớn hơn để đảm bảo tính tổng qt. Tuy nhiên, để có thể kiểm chứng đƣợc các kết quả mô phỏng đấy, tác giả cũng thực hiện cả mô phỏng với cả trƣờng hợp 4 phần tử anten và đem kết quả tính tốn đƣợc áp dụng vào hệ thống anten trên thì thu đƣợc kết quả có thể chấp nhận đƣợc.