STT Tác nhân Nguyên nhân gây sai lệch
1 Tác nhân phần cứng
- Độ dài đường truyền tín hiệu khơng đồng nhất - Can nhiễu giữa các kênh
- Xuất hiện một số phần tử bị hỏng - Sai lệch vị trí của các chấn tử phát xạ
- Dung sai thiết kế, chế tạo các mạch điện, linh kiện điện tử
- Sự lão hóa của linh kiện theo thời gian - Sai lệch do các hệ thống đo
2 Tác nhân phần mềm
- Sai lệch do chuẩn hóa, làm trịn tham số - Sai lệch do thuật tốn tính tốn
- Sai lệch do tốc độ tính tốn
3 Tác nhân môi trường
- Tác động của nhiệt độ lên các linh kiện - Tác động của độ ẩm môi trường làm việc - Tác động của áp suất
15
Các sai lệch này xuất phát từ nhiều nguyên nhân như: sai lệch phần cứng, phần mềm, tác động của môi trường, công nghệ chế tạo v.v. Đặc biệt với hệ AMPS có mật độ tích hợp cao thì số lượng các tác nhân sai số càng lớn. Trên bảng 1.1 có trình bày các nguồn gây sai số chính được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu [36-44].
Mỗi nguồn sai số có mức độ ảnh hưởng khác nhau và có cách khắc phục khác nhau. Các nguồn gây sai số trên có thể phân chia thành nguồn gây sai số tĩnh và nguồn gây sai số động [5]. Nguồn gây sai số tĩnh gây ra các sai số không đổi theo thời gian như dung sai linh kiện, sai số chế tạo mạch, độ dài các đường truyền tín hiệu. Các nguồn sai số này có thể được khắc phục bằng cách đo kiểm tại nhà máy, phịng thí nghiệm rồi bù khi hiệu chuẩn. Còn nguồn gây sai số động gây ra các sai số thay đổi theo thời gian, thậm trí thay đổi ngay trong q trình hoạt động của hệ thống như mơi trường làm việc, sự lão hóa của linh kiện. Các nguồn sai số này phải được đo kiểm và bù trong quá trình khai thác sử dụng thiết bị. Mỗi một cấu trúc AMP sẽ có giải pháp hiệu chuẩn phù hợp riêng, điều này sẽ thảo luận ở tiểu mục sau.
1.2.2. Ảnh hưởng của sai số đến hình thành GĐH
Trước khi trình bày các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản, để có cái nhìn khái quát về tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn, phần này sẽ minh họa những ảnh hưởng của các sai số đến việc hình thành GĐH.
Phương trình hình thành GĐH của hệ thống AMP thể hiện trong biểu thức (1.3) đã chỉ ra mối quan hệ pha và biên độ của các kênh quyết định hình dạng và vị trí của GĐH trong khơng gian. Xét mảng pha tuyến tính với d / 2, biểu thức (1.3) có dạng như sau:
N 1
n 0
Y( ) X ( n )exp [j n(sin sin )]
16
trong đó, X(n) - là hàm truyền phức của mỗi kênh thu/phát, phản ánh sai
lệch pha và biên độ trên mỗi kênh. Các sai số này dẫn tới: suy giảm biên độ, sai lệch góc hướng, độ rộng búp chính; sai lệch vị trí, tăng mức các bướu bên; sai lệch vị trí và độ sâu của các điểm “0” v.v. [36]. Để minh họa, dưới đây trình bày các kết quả mơ phỏng GĐH mảng pha tuyến tính có 4 phần tử theo biểu thức (1.5) trên phần mềm Matlab trong các trường hợp sau:
- Với sai số biên độ: dẫn tới thay đổi hình dạng GĐH như độ rộng búp chính, búp phụ, vị trí các điểm ‘0’. Kết quả mơ phỏng GĐH với sai số biên độ ngẫu nhiên lần lượt là 1dB, 2dB và 3dB thể hiện trên hình 1.5.
Hình 1.5. Minh họa sai số biên độ
- Với sai số pha: ngoài việc làm thay đổi hình dạng GĐH cịn gây ra sai lệch vị trí khơng gian của GĐH. Kết quả mô phỏng GĐH với sai số pha ngẫu nhiên lần lượt là 2o, 5o và 10o thể hiện trên hình 1.6.
Gọi là sai số pha của hai kênh liền kề, trong trường hợp xấu nhất, sai số về góc hướng của GĐH được xác định như sau [30] (d / 2):
2 d sin / sin ac sin( / ) (1.6)
Với các sai số pha là 0,3o, 2o, 5o và 10o, GĐH có thể lần lượt lệch các góc 0,1o, 0,64o, 1,81o, 3,18o. Như vậy, nếu yêu cầu sai số góc của GĐH nhỏ hơn
17
0,1o thì sai số pha giữa các kênh nhỏ hơn 0,3o. Đây là yêu cầu rất cao và muốn đạt được cần phải có giải pháp hiệu chuẩn phù hợp.
Hình 1.6. Minh họa sai số pha
- Với sai số cả pha và biên độ: Kết quả mô phỏng GĐH với sai số pha ngẫu nhiên lần lượt là 2o, 5o và 10o, sai số biên độ ngẫu nhiên lần lượt là 1dB, 2dB và 3dB thể hiện trên hình 1.7.
Lý tưởng Sai số 2 độ, 1dB Sai số 5 độ, 2dB Sai số 10 độ, 3dB
Hình 1.7. Minh họa sai số pha và biên độ
Như vậy sai số pha và biên độ ảnh hưởng rất lớn đến hình dạng và vị trí của GĐH. Sai số lớn sẽ dẫn tới GĐH bị thay đổi về hình dạng và vị trí khơng gian, làm cho hệ thống giảm sức chiến đấu. Do vậy bài toán hiệu chuẩn trong các hệ thống AMP là tất yếu và chiếm một vị trí rất quan trọng, cần được
18
quan tâm ngay từ khâu thiết kế ban đầu. Đặc biệt với các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, các sai số xảy ra ngay trong quá trình hoạt động thì yêu cầu hệ hiệu chuẩn cần có cách tiếp cận mới để đảm bảo hiệu chuẩn trong TGT.
1.2.3. Các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản
Hiệu chuẩn AMP có nhiều phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, khơng có nhiều tài liệu mô tả chi tiết về các phương pháp cụ thể. Luận án nhận thấy rằng, trong [31] đã đưa ra cách phân loại tương đối hợp lý về các phương pháp hiệu chuẩn thơng dụng nhất. Theo đó, có bốn phương pháp hiệu chuẩn sử dụng phổ biến hiện nay. Đó là các phương pháp: qt đầu dị trường gần [6, 7], đặt đầu dò cố định [8, 9], đường hiệu chuẩn [10, 11, 76-79] và cảm ứng qua lại [12, 13]. Ngồi ra cịn một số phương pháp khác như phương pháp trường xa [14, 15], phương pháp nhảy pha [45, 46], phương pháp mã trực giao [47, 48], v.v. nhưng chúng thường bổ trợ cho các phương pháp cơ bản trên với miền ứng dụng cụ thể. Trong đó, phương pháp quét đầu dò trường gần chỉ dùng tại nhà máy, phịng thí nghiệm; cịn phương pháp đặt đầu dị cố định, đường hiệu chuẩn được sử dụng cho hiệu chuẩn ngồi trận địa; trong khi đó phương pháp cảm ứng qua lại được sử dụng cho cả hai trường hợp trên.
Bốn phương pháp hiệu chuẩn trên đều thực hiện qua các bước cơ bản, được tóm tắt như sau [31]:
+ Bước 1: Đo sự sai lệch pha và biên độ của tất cả các kênh ở nhà máy (phịng thí nghiệm) sử dụng phương pháp phù hợp ở cả chế độ thu và phát. Đây gọi là đo sai số tĩnh.
+ Bước 2: Đo các sai số ở tần số và nhiệt độ khác nhau mà hệ thống thường hoạt động.
+ Bước 3: Nếu bộ xoay pha, suy giảm được sử dụng (như búp sóng tương tự), thì chu trình hiệu chuẩn cần được thực hiện cho tất cả các bước dịch pha và suy giảm.
19
+ Bước 4: Hiệu chuẩn hệ thống ngoài trận địa (có thể là định kỳ hoặc thương xuyên trong quá trình vận hành).
Các tiểu mục dưới đây sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản nêu trên, cùng với các ưu điểm và hạn chế của chúng.
1.2.3.1. Phương pháp quét đầu dò trường gần (đo trường gần)
Trong phương pháp này [6, 7], ăng ten kiểm tra (ăng ten dò) được sử dụng để quét qua mảng ăng ten và đo trực tiếp giá trị pha, biên độ tương đối của mỗi phần tử. Trong chế độ phát, ra đa phát tín hiệu kiểm tra vào từng phần tử ăng ten, tín hiệu thu được trên ăng ten dị được sử dụng để đo tham số pha, biên độ. Trong chế độ thu, ăng ten dị phát tín hiệu kiểm tra, từng phần tử ăng ten thu và đo tham số. Cuối cùng, các hệ số sau khi tính tốn được lưu lại để sử dụng khi ra đa hoạt động trong mơi trường thực địa.
Hình 1.8. Mơ hình kỹ thuật hiệu chuẩn quét đầu dò trường gần
Mơ hình kỹ thuật của phương pháp được minh họa trên hình 1.8. Phương pháp này có ưu điểm là đo chính xác giá trị pha và biên độ, loại bỏ được các yếu tố không xác định như nhiễu, mức suy giảm của đầu dò. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp này cần thiết kế hệ đo phức tạp, chi phí cao và tốn rất nhiều thời gian. Vì thế, phương pháp này phù hợp cho việc hiệu chuẩn ban đầu ở nhà máy hơn là hiệu chuẩn định kỳ.
20
1.2.3.2. Phương pháp đặt đầu dò cố định
Trong phương pháp này [8, 9], một vài đầu dò (ăng ten dò) được đặt cố định ở bên ngoài mặt mở ăng ten. Khác với phương pháp đo trường gần, trong phương pháp này, các giá trị cảm ứng giữa đầu dò và các phần tử ăng ten không giống nhau (do khoảng cách giữa chúng khác nhau). Với mảng ăng ten có kích thước lớn, các giá trị cảm ứng rất khác nhau và có dải thay đổi lớn, do vậy cần phải đặt thêm các đầu dò vào bên trong của mảng.
MĐTP MĐTP ….. Thiết bị đo- điều khiển Dao động chuẩn Ăng ten dò Ăng ten - 1 Ăng ten - N
Hình 1.9. Mơ hình kỹ thuật phương pháp hiệu chuẩn đặt đầu dò cố định
Mơ hình kỹ thuật của phương pháp được chỉ ra trên hình 1.9. Dễ thấy rằng, khi sử dụng phương pháp này, trước tiên cần phải hiệu chuẩn ở nhà máy bằng phương pháp đo trường gần để đo các giá trị tín hiệu cảm ứng khác nhau giữa đầu dị và các phần tử ăng ten. Sau đó, các giá trị này được lưu lại và sử dụng trong q trình hiệu chuẩn ngồi thực địa.
Phương pháp này có ưu điểm là khơng cần di chuyển đầu dị, chi phí thấp, dễ triển khai. Vì vậy nó được sử dụng khá phổ biến. Tuy nhiên, nó có hạn chế là cần mở rộng kích thước mặt mở ăng ten, nên làm ảnh hưởng đến GĐH và gây ra sai số lớn.
1.2.3.3. Phương pháp đường hiệu chuẩn
Trong phương pháp này [10, 11, 76-79], tín hiệu tham chiếu được truyền tới từng phần tử ăng ten của mảng thông qua các đường dẫn. Đây là phương
21
pháp phổ biến để hiệu chuẩn hệ thống ngoài thực địa. Đường hiệu chuẩn lấy mẫu tín hiệu trong chế độ thu và phát thông qua các mạch ghép được lắp đặt ở gần các phần tử ăng ten. Tín hiệu đo được sẽ được sử dụng để tính tốn các giá trị sai lệch giữa các kênh và hiệu chỉnh cho phù hợp.
Để phương pháp này thành công, sai lệch về pha và biên độ do đường hiệu chuẩn và mạch ghép gây ra phải bằng nhau hoặc phải được xác định. Các đường hiệu chuẩn này phải thiết kế giống nhau và các hiệu ứng của nó cũng giống nhau. Hơn nữa, mức sai lệch pha và biên độ phải được đo kiểm và chuẩn hóa. Có như vậy, việc hiệu chuẩn theo phương pháp này mới đạt hiệu quả. Điều đó có nghĩa là, trước khi hiệu chuẩn ngồi thực địa, cần tiến hành hiệu chuẩn các phần tử ăng ten, các đường hiệu chuẩn và mạch ghép tại nhà máy. Mặc dù ba đối tượng này có thể đo độc lập, tuy nhiên để nâng cao độ chính xác thì nên kết nối hồn chỉnh chúng vào hệ thống để đo đồng thời.
Khi hiệu chuẩn tại nhà máy, ta có thể sử dụng phương pháp đo trường gần. Khi hiệu chuẩn ngoài thực địa, ta giả thuyết rằng các phần tử ăng ten, các đường hiệu chuẩn, các mạch ghép có giá trị khơng đổi theo thời gian. Vì chúng là các phần tử "thụ động" nên giả thuyết này là hợp lý. Tuy nhiên, nếu một trong các phần tử đó bị hỏng thì cần phải hiệu chuẩn lại tại nhà máy.
MĐTP MĐTP ….. Thiết bị đo- điều khiển Ăng ten - 1 Ăng ten - N Đ ư ờ n g h iệ u c h u ẩn Bộ chia 1:N
22
Mơ hình kỹ thuật của phương pháp được minh họa trên hình 1.10. Dễ nhận thấy, phương pháp có ưu điểm là giá trị đo chính xác, khơng phải mở rộng kích thước mặt mở ăng ten, thuận lợi khi hiệu chuẩn ngồi thực địa. Bên cạnh đó nó cũng có nhược điểm là cần mở rộng phần cứng, hiệu chuẩn tại nhà máy cần qua nhiều bước phức tạp.
1.2.3.4. Phương pháp cảm ứng qua lại (mutual coupling method)
Phương pháp này (gọi là phương pháp MCM) dựa trên ý tưởng là việc sử dụng tín hiệu lai ghép (cảm ứng) lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng để đo các giá trị pha và biên độ giữa các phần tử bằng cách phát từ một phần tử và thu từ một phần tử khác [12, 13].
Mơ hình kỹ thuật của phương pháp được minh họa trên hình 1.11. Đây là phương pháp hiệu chuẩn có những ưu điểm như khơng cần hiệu chuẩn trước ở nhà máy, không cần mở rộng phần cứng, dải động tín hiệu cảm ứng có thể được tối ưu. Bên cạnh ưu điểm thì nó có một số hạn chế, đó là các kênh phải có khả năng bật tắt độc lập, các phần tử ăng ten phải đối xứng theo hàng và theo cột, cần mở rộng ăng ten với mảng có kích thước nhỏ và khi một phần tử hỏng thì các phần tử xung quanh không thể hiệu chuẩn được.
MĐTP MĐTP Thiết bị đo- điều khiển Ăng ten - 1 MĐTP Ăng ten - 2 Ăng ten - 3 C12 C23
Hình 1.11. Mơ hình kỹ thuật hiệu chuẩn theo phương pháp MCM
1.2.4. Nhận xét
Trong mục trên đã phân tích làm rõ các nguồn gây sai số cho quá trình hiệu chuẩn hệ thống AMP, đồng thời cũng chỉ rõ được sự ảnh hưởng của các
23
sai số đó lên chất lượng hình thành GĐH. Từ đó cho thấy, tầm quan trọng của bài tốn hiệu chuẩn, nó cần được tính tốn, xem xét và đặt vấn đề ngay từ những bước đầu tiên khi thực hiện thiết kế sơ bộ hệ thống.
Trong mục trên cũng đã trình bày các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản. Phương pháp hiệu chuẩn tối ưu và hiệu quả hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc của mỗi hệ thống cụ thể. Trong bốn phương pháp trên thì phương pháp đo trường gần và MCM cho phép đo trực tiếp tham số pha và biên độ của cả mảng ăng ten và phần cứng. Do vậy, chúng có thể sử dụng hiệu chuẩn tại nhà máy. Phương pháp đo trường gần có độ chính xác cao hơn, cho phép hình thành búp sóng trường xa và phương pháp này có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống AMP. Trong khi đó, phương pháp MCM thì chỉ được sử dụng cho mảng ăng ten có cấu trúc đối xứng. Tuy nhiên, trong khi phương pháp MCM có thể hiệu chuẩn được cả ở nhà máy và ngoài thực địa thì phương pháp đo trường gần chỉ thực hiện được tại nhà máy. Hai phương pháp còn lại, đường hiệu chuẩn và đặt đầu dò cố định, thì bắt buộc phải được hiệu chuẩn ở nhà máy trước khi hiệu chuẩn ngoài thực địa. Tuy nhiên hai phương pháp này phù hợp nhất với các hệ thống cần hiệu chuẩn ngoài thực địa.
Hiện nay, ba phương pháp đặt đầu dò trường gần, MCM và đường hiệu chuẩn được sử dụng khá phổ biến. Tuy nhiên, các hệ thống AMPS có cấu trúc rất phức tạp, số lượng MĐTP lớn, mật độ tích hợp linh kiện trong các mơ-đun cao, dải nhiệt độ hoạt động rộng, điều này dẫn tới tác động của các nguồn gây sai số càng lớn, nhất là các nguồn gây sai số động, thì hiệu chuẩn TGT đồng thời trong quá trình hệ thống vận hành là yêu cầu bắt buộc. Và phương pháp đường hiệu chuẩn rất phù hợp để đáp ứng yêu cầu này và đang được nghiên cứu, ứng dụng thể hiện trong một số cơng trình đã cơng bố [5, 22-29, 32-35]. Phần tiếp theo sẽ phân tích chi tiết hiệu chuẩn cho các hệ thống AMPS, nhất là bài toán hiệu chuẩn TGT. Đây chính là hướng nghiên cứu của luận án.
24
1.3. Hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS
1.3.1. Đặc điểm hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS
Hệ thống AMPS là sự kết hợp hoàn hảo các ưu điểm của kỹ thuật mảng và