CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN TẠO CHÙM
3.1. Qúa trình thiết kế và phương pháp thiết kế
Quá trình thiết kế đề xuất bao gồm một số bước hoặc mục tiêu.
Bước đầu tiên của quá trình này là thiết kế một anten phù hợp với các yêu cầu mạng/truyền thông như độ rộng búp sóng cần thiết để duy trì một tỷ lệ lỗi bit (BER) hoặc thông lượng có thể chấp nhận được .
Thiết kế anten cấu thành một thiết kế phần tử duy nhất (chẳng hạn như, kích thước, vật liệu, và hình dạng ngoài), và thiết kế mảng (ví dụ, cấu hình, khoảng cách giữa các thành phần, và số lượng các thành phần).
Tối ưu hóa việc thiết kế anten, phân tích thiết kế và tính toán các thông số S, thông số Z, và các mẫu biên độ trường xa.
Sau khi bước thiết kế anten hoàn tất, bước thứ hai là chọn một thuật toán thích nghi giảm thiểu các MSE.
Ngoài ra, một kỹ thuật điều khiển búp sóng cạnh được thực hiện để ngăn không cho búp sóng cạnh cao nhận được tiếng ồn môi trường hoặc tiếng ồn nhiễu và giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Do tính phức tạp của nó, các chi tiết của bước này sẽ được bỏ qua.
Sau khi thuật toán thích nghi đã xác định được các trọng số phức hợp quét chùm tia theo hướng của SOI, và đặt các ký tự rỗng theo hướng của các SNOI, như là bước cuối cùng của quá trình thiết kế để xác minh thiết kế tổng thể.
Cụ thể, bước cuối cùng bao gồm việc so sánh các mẫu biên độ trường, sử dụng các trọng số phức hợp tính toán với các mẫu trường xa mô hình hốc cộng hưởng (chẳng hạn, sử dụng yếu tố mảng được tạo ra bởi các trọng số của thuật toán LMS và mẫu thành phần duy nhất).
3.1.1. Thiết kế thành phần đơn – miếng vi dải
– Bước đầu tiên của quá trình thiết kế và thiết kế một thành phần đơn.
– Như đã đề cập trước đó, vì anten patch vi dải rẻ, nhẹ, bảo giác, dễ chế tạo, và rất linh hoạt, chúng là những loại thành phần phù hợp nhất đối với hầu hết các thiết bị di động cầm tay.
– Nó được thiết kế để hoạt động ở tần số 20 GHz (tức là., fr = 20 GHz) sử dụng silicon làm chất nền có hằng số điện môi 11.7, tổn thất 0.04 ,độ dày 0.300 mm (tức là, h = 0.300 mm), và trở kháng đầu vào 50 ohms (tức là., Rin = 50 ohms).
3.1.2. Miếng hình chữ nhật
• Miếng hình chữ nhật là hình dạng được sử dụng rộng rãi nhất. Nó có những đặc trưng bức xạ rất cuốn hút và bức xạ phân cự thấp .
• Miếng vá hình chữ nhật được phân tích và thiết kế bằng việc sử dụng mô hình khoang, và sau đó thiết kế của nó được tối ưu hóa tính toán các thông số đối với các cấu trúc vi dải và vi sóng .
• Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế của một ăng-ten miếng hình chữ nhật là tính toán kích thước vật lý của nó.
• Chiều rộng vật lý, W, được tính toán ,Chiều dài vật lý, L, được tính toán
• Sau đó, vị trí đầu dò hoặc điểm tiếp liệu kích thích được xác định để phù hợp với trở kháng (Rin = 50 ohms).
• Sau khi anten miếng hình chữ nhật được thiết kế bằng việc sử dụng mô hình khoang, và sau đó thiết kế của nó được thẩm định bằng Matlab.
• Theo dự kiến, vị trí và kích thước vật lý đầu dò của miếng hình chữ nhật cần được tính đến và được tối ưu hóa để thành phần đó cộng hưởng ở 20 GHz với điện trở đầu vào là 50 ohms.
• Cường độ 511 so với tần số (còn được gọi là độ suy giảm thích ứng) được hiển thị.
• Nó cho thấy anten miếng hình chữ nhật thực sự cộng hưởng ở 20 GHz với độ suy giảm thích ứng -21,5 dB, -3 dB và - 10 dB và các dải băng tần là 0,74 GHz và 0,25 GHz, tương ứng.
• Do bộ khuếch đại công suất của sóng vô tuyến có xu hướng giảm công suất đầu ra của nó, , thì một khái niệm chặt chẽ hơn về dải băng tần anten được khuyến khích.
• Do đó, băng tần dưới -10 dB được sử dụng.
Hình 3.1. Thiết kế anten miếng hình chữ nhật sử dụng mô hình khoang [1]
Hình 3.2. S (độ suy giảm thích ứng) cho anten miếng hình chữ nhật 20 GHz [1]
Các mẫu biên độ trường xa mặt phẳng E ( khi p = 0°) và mặt phẳng H (khi p = 90 ) được so sánh với các hình mẫu mô hình khoang.
Mặt phẳng H các hình mẫu trường xa từ hai mô hình phù hợp gần như hoàn hảo; tuy nhiên, hình mẫu trường xa mặt phẳng E là ưu điểm nhất.
Lý do về những khác biệt giữa hai hình mẫu này là mô hình khoang (kém chính xác nhất trong hai phương pháp).
Không tính đến vị trí đầu dò.
Vật liệu điện môi của chất nền bị vát và không che phủ mặt đáy qua các cạnh của miếng.
3.1.3. Thiết kế mảng
Quét kiểu điện tử một mẫu bức xạ theo một hướng nhất định, mảng của các thành phần được sắp xếp theo một cấu hình cụ thể là cần thiết.
Hai cấu hình được chọn ở đây là mảng tuyến tính tuyến tính và mạng lưới phân tử phẳng.
Mặc dù mảng tuyến tính thiếu khả năng quét trong không gian 3-D, các mạng lưới phân tử phẳng có thể quét chùm tia chính theo hướng bất kỳ.
Do đó, mạng lưới phân tử phẳng là phù hợp nhất cho các thiết bị di động yêu cầu truyền theo bất kỳ hướng nào.
Mảng tuyến tính ban đầu được thiết kế và phân tích đơn giản để minh họa một số đặc tính quan trọng
Sau đó, một mạng lưới phân tử phẳng được thiết kế và cuối cùng được tích hợp vào hệ thống anten thông minh cho thiết bị không dây và điện thoại di động.
3.1.4. Thiết kế mảng tuyến tính
Sau khi thiết kế anten miếng hình chữ nhật, một mảng tuyến tính của tám
đó X là 1.5 cm (dựa trên tần số cộng hưởng 20 GHz),
Hình 3.3. Mẫu biên độ của Anten miếng hình chữ nhật sử dụng mô hình khoang [1]
Hình 3.4. Thiết kế mảng tuyến tính 8 thành phần với các miếng hình chữ nhật.[1]
Lý do lựa chọn khoảng cách giữa các thành phần của X/2 như sau. Để khoảng cách giữa các thành phần ít nhất phải là X/2 là cần thiết để các tín hiệu nhận được từ các thành phần anten khác nhau là (gần như) độc lập trong môi trường tán xạ nặng (chính xác hơn là trong một môi trường tán xạ thống nhất .
Trong các trường hợp như vậy, các mảng anten cung cấp cải thiện hiệu suất thông qua sự đa dạng không gian.
Tuy nhiên, để tránh các búp sóng cực đại (nhiều tối đa), thì khoảng cách giữa các thành phần không được vượt quá một bước sóng.
Nhưng quan trọng nhất, để tránh hiện tượng chồng phổ và gây cho các null bị đặt không đúng chỗ, thì khoảng cách giữa các thành phần nên nhỏ hơn hoặc bằng X/2 ( tỷ lệ Nyquist) .
Do đó, để đáp ứng tất cả ba điều kiện trên, thì khoảng cách giữa các thành phần của X/2 (một nửa bước sóng) được chọn.
Tổng số các mẫu bức xạ biên độ của mảng tuyến tính tám thành phần dựa trên mô hình khoang được trình bày, bỏ qua khớp nối, theo sản phẩm của mẫu thành phần (mẫu tĩnh) và yếu tố mảng (mẫu động).
Trong phần này nó được gọi là sự khuyếch đại mẫu. Yếu tố mảng là động lực trong trường hợp nó có thể được kiểm soát bởi các trọng số phức hợp, wn.
Biên độ của các trọng số phức hợp chủ yếu kiểm soát hình dạng của mẫu và tỷ lệ búp sóng từ lớn đến nhỏ trong khi các giai đoạn chủ yếu kiểm soát khả năng quét của mảng.
3.1.5. Thiết kế mạng lưới phân tử phẳng
– Mạng lưới phân tử phẳng được thiết kế trong mục này chỉ bao gồm các miếng hình chữ nhật.
– Mạng lưới phân tử phẳng của các thành phần 4 x 4 và 8 x 8 của các miếng vi dải hình chữ nhật có khoảng cách giữ các thành phần X/2 (một nửa bước
sóng), trong đó X là 1.5 cm, được thiết kế. . – Trong thiết kế 4x4 cũng tương tự.
3.1.6. Mạng lưới phân tử phẳng 4x4 so với Mạng lưới phân tử phẳng 8x8 – Sau khi thiết kế và phân tích mạng lưới phân tử phẳng 4 x 4 và 8 x 8 với các
thành phần miếng hình chữ nhật, cần thiết phải xác định mảng cấu hình hấp dẫn nhất đối với một Mạng tùy biến không dây (MANET).
– Số lượng các thành phần mảng ảnh hưởng đến búp sóng của một mẫu bức xạ.
Đó là, khi càng có nhiều thành phần được sử dụng trong một mảng (mảng có kích thước lớn hơn), thì dầm chính càng hẹp hơn.
– Búp sóng hẹp hơn sẽ giải quyếtchính xác hơn các SOI và SNOI.
Hình 3.5. Thiết kế mạng lưới phân tử phẳng với các miếng hình chữ nhật.[1]
Hình 3.6. Thông lượng mạng trung bình so với tải mạng đối với các kích thước mảng khác nhau và các kích thích [1].
– Tuy nhiên, những kết quả và kết luận không xác định số lượng hiệu suất tổng thể của mạng.
– Do đó, một mạng tùy biến không dây có 55 giao điểm được trang bị các mạng lưới phân tử phẳng 4 x 4 và 8 x 8 như được mô phỏng, và thông lượng mạng trung bình được đo.
– Hình 3.7. cho thấy thông lượng mạng trung bình so với tải trọng mạng đối với các mẫu ăng-ten không thích ứng khác nhau;
– Hình này cho thấy thông lượng đối với trường hợp kích thước mảng 8 x 8 lớn hơn so với kích thước mảng 4 x 4.
– Các mảng này được cho là tương ứng với các búp sóng nhỏ hơn của mảng 8 x 8 (so với mảng 4 x 4) và các búp sóng cạnh thấp hơn của mảng Tschebyscheff (so với các mảng thống nhất).
– Trong cả hai trường hợp, các búp sóng nhỏ hơn và búp sóng cạnh thấp hơn dẫn đến nhiễu cùng kênh thấp hơn
3.1.7. Tạo chùm tia thích ứng
Các yếu tố mảng của phần này được tạo ra từ các trọng số phức hợp hoặc các kích thích phụ thuộc vào môi trường tín hiệu.
Kỹ thuật này được gọi là sự tạo chùm tia thích ứng trong trường hợp một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) tính toán các trọng số phức hợp sử dụng một thuật toán thích ứng tạo ra một yếu tố mảng cho một tỉ lệ tín hiệu tới nhiễu tối ưu (SIR).
Kết quả này trong một mẫu mảng trường hợp lý tưởng là tối đa các mẫu được đặt về phía nguồn hoặc SOI trong khi làm vô hiệu các nhiễu hoặc SNOIs.
Hình 3.7. Ảnh hưởng góc của tín hiệu hướng đến và độ rộng búp sóng [1]
Mỗi búp sóng cũ được trang bị với một mảng phẳng 8 x 8 và nhận được một SOI .
Các chùm tia thích ứng hoặc các thuật toán tạo ra mô hình LMS thể hiện trong hình có tối đa về phía SOI và null về phía SNOI .
Như vậy, bằng suy giảm công suất gây nhiễu hơn, dự kiến thông lượng của chùm tia thích ứng sẽ cao hơn so với thông lượng của chùm tia không thích ứng từ sự nhiếu cùng kênh giảm và SIR cao.
Hình 3.8. Mặt phẳng E = 0° so sánh mẫu phóng xạ đối với sự tạo chùm tia không thích ứng và chùm tia thích ứng. [1]
Hình 3.9. So sánh thông lượng mạng
của sự tạo chùm tia thích ứng và không thích ứng. [1]