Luận Văn Vật Lý Vô Tuyến, Điện Tử Học, Anten Mạng Pha, Phương Pháp Số.pdf

LỜI CAM ĐOAN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Quang Thảo NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ANTEN MẠNG PHA SỐ TUYẾN THU BĂNG X LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ Hà nội 2015 1 of 68 Th[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

Lê Quang Thảo

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ANTEN MẠNG PHA SỐ TUYẾN THU BĂNG X

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ

Hà nội - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

Lê Quang Thảo

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ANTEN MẠNG PHA SỐ TUYẾN THU BĂNG X

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Lê Quang Thảo

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong luận án của mình, em xin chân thành bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ hướng dẫn TS Nguyễn Thị Ngọc Minh và

PGS.TS Phạm Quốc Triệu đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tận tình em

trong suốt thời gian thực hiện luận án

Em xin được gửi lời cảm ơn đến các Cán bộ tại Viện Rada, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá

trình thực hiện luận án của mình

Trong thời gian thực hiện luận án tại bộ môn Vật lý Vô tuyến - Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên em đã được bộ môn tạo điều kiện

hết sức thuận lợi về thời gian công tác cũng như khai thác, sử dụng các thiết

bị hiện đại như máy phân tích phổ, máy phát chức năng, dao động ký số …

Em xin cảm ơn vì sự giúp đỡ quý báu đó

Để hoàn thành luận án của mình, em gửi lời cảm ơn tới các Thầy Cô

TS Đỗ Trung Kiên, TS Nguyễn Ngọc Đỉnh, CN Đàm Trung Thông đã

giúp đỡ em trong việc thu thập và xử lí số liệu của mình Và cuối cùng em gửi

lời biết ơn đến gia đình, bạn bè đã bên em trong suốt thời gian thực hiện luận

án

Hà nội, 2014

Lê Quang Thảo

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ANTEN MẠNG PHA SỐ CHO TUYẾN THU BĂNG X 12

1.1 Tổng quan về anten mạng pha số và công nghệ chế tạo 12

1.1.1 Tổng quan về anten mạng pha 12

1.1.2 Lý thuyết anten mạng pha tuyến tính 14

1.1.3 Tình hình nghiên cứu về anten mạng pha và công nghệ chế tạo 24 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 28

1.2 Công nghệ chế tạo anten mạng pha số 33

1.2.1 Chế tạo phần cứng cho anten mạng pha số 33

1.2.2 Xây dựng phần mềm cho anten mạng pha số 35

1.3 Kết luận chương 1 và chỉ ra vấn đề nghiên cứu của luận án 35

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA XỬ LÝ TÍN HIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 37

2.1 Thuật toán thích nghi 37

2.1.1 Giới thiệu về bài toán thích nghi 37

2.1.2 Mạng anten thích nghi 39

2.1.3 Thuật toán di truyền trong bài toán thích nghi 47

2.1.4 Thuật toán di truyền song song 55

2.2 Thuật toán ước lượng hướng sóng tới 66

2.2.1 Giới thiệu các thuật toán ước lượng 67

2.2.2 Thuật toán MUSIC 71

2.2.3 Sử dụng tính toán song song cho thuật toán MUSIC 76

2.3 Kết luận chương 2 83

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TRƯNG HƯỚNG NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ 85

3.1 Phương pháp đo lường anten 85

3.1.1 Đo trực tiếp trường xa 86

3.1.2 Đo gián tiếp qua trường gần 87

3.1.3 Một số phương pháp đo đặc trưng hướng tự động 89

3.2 Sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số để đo nhanh đặc trưng hướng của anten mạng pha số bằng phương pháp quay pha 92

3.2.1 Thuật toán tạo búp sóng số bằng quay pha số 92

3.2.2 Phương pháp đo nhanh 95

3.2.3 Kết quả thực nghiệm 96

3.3 Kết luận chương 99

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 100

4.1 Thuật toán di truyền song song 100

4.1.1 Trường hợp 1 nguồn nhiễu ở -20o 101

4.1.2 Trường hợp 1 nguồn nhiễu ở 30o 102

4.1.3 Trường hợp 2 nguồn nhiễu tại -20o và 30o 103

4.1.4 Nhận xét 104

4.2 Tính toán song song cho thuật toán MUSIC 105

4.3 Kết luận chương 4 107

KẾT LUẬN CHUNG 109

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN

QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 1 120

PHỤ LỤC 2 126

PHỤ LỤC 3 129

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC - Analog Digital Converter - Bộ chuyển đổi tương tự - số

ADN - Acid Deoxyribo Nucleic - Phân tử mang thông tin di truyền

DAC - Digital Analog Converter - Bộ chuyển đổi số - tương tự

DSP - Digital Signal Processing - Xử lý tín hiệu số

FPGA - Field Programmable Gate Array - Trường các cổng logic khả trình

GA - Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền

GPU - Graphic Processing Unit - Đơn vị xử lý đồ họa

IF - Intermediate Frequency - Tần số trung tần

LMS - Least Mean Square - Bình phương cực tiểu

MSN - Maximum Signal-to-Noise ratio - Tỷ số tín hiệu/tạp lớn nhất

MUSIC - Multiple Signal Classification - Nhận dạng nhiều tín hiệu

PGA - Parallel Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền song song

PIAA - Power Inversion Adaptive Array - Nghịch đảo công suất trong

mạng thích nghi SMI - Sample Matrix Inversion - Nghịch đảo ma trận lấy mẫu

ULA - Uniform Linear Array - Mạng tuyến tính cách đều

SISD - Single Instruction Single Data - Đơn dòng lệnh đơn, đơn dòng

Streams dữ liệu SIMD - Single Instruction Multiple Data - Đơn dòng lệnh đơn, đa dòng dữ

Streams liệu MISD - Multiple Instruction Single Data - Đa dòng lệnh đơn, đơn dòng dữ

Streams liệu

MIMD - Multiple Instruction Multiple Data - Đa dòng lệnh đơn, đa dòng dữ

DANH MỤC CÁC BẢNG

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 32

Bảng 2.1 Các tham số sử dụng trong mô phỏng thuật toán di truyền 52

Bảng 2.2 Các tham số sử dụng trong thuật toán di truyền song song 64

Bảng 2.3 So sánh cực tiểu hóa công suất về nguồn nhiễu khi sử dụng thuật

toán di truyền song song 65

Bảng 2.4 Tham số sử dụng trong mô phỏng thuật toán MUSIC 74

Bảng 2.5 Tham số thực hiện mô phỏng thuật toán MUSIC song song 79

Bảng 2.6 Số liệu về thời gian tính toán (s) của thuật toán MUSIC sử dụng tính

toán song song trong trường hợp =0.005 81

Bảng 2.7 Số liệu về thời gian tính toán (s) của thuật toán MUSIC sử dụng tính

toán song song trong trường hợp =0.001 81

Bảng 4.1 Kết quả tính toán độ lệch pha giữa các phần tử 101

Bảng 4.2 Kết quả tính toán độ lệch pha giữa các phần tử (góc nhiễu = 30 độ)

102

Bảng 4.3 Kết quả tính toán độ lệch pha giữa các phần tử 103

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 (a) Lưỡng cực anten nửa bước sóng; (b) Đặc trưng bức xạ 13

Hình 1.2 Sơ đồ mạng tuyến tính cách đều 14

Hình 1.3 Phương pháp hình học véc-tơ mặt phẳng phức 16

Hình 1.4 Đặc trưng hướng của mạng tuyến tính 5 phần tử 19

Hình 1.5 Hệ thống anten mạng pha số tuyến thu băng X 29

Hình 1.6 Sơ đồ khối máy thu băng X 30

Hình 1.7 Hình ảnh thực của hệ anten mạng pha của Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự 31

Hình 1.8 Đặc trưng hướng của hệ anten mạng pha số theo góc ngẩng 32

Hình 1.9 Sơ đồ phần cứng của anten mạng pha số 34

Hình 2.1 Ví dụ về ảnh hưởng của mật độ nguồn phát lên việc thu tín hiệu 38

Hình 2.2 Ví dụ về sử dụng anten parabol làm anten thích nghi 39

Hình 2.3 Mạng anten thích nghi chuẩn 40

Hình 2.4 Đồ thị hướng tính của mạng anten 41

Hình 2.5 Bộ tạo búp sóng băng hẹp 43

Hình 2.6 Bánh xe roulet 49

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán của thuật toán di truyền 50

Hình 2.8 Anten thích nghi sử dụng thuật toán di truyền với 3 nguồn nhiễu ở các góc -60o, -30o và 30o 53

Hình 2.9 Kết quả 3 mô hình khác nhau của thuật toán di truyền 54

Hình 2.10 Mô hình tính toán song song 56

Hình 2.11 Đồ thị Grosch biểu diễn quan hệ Năng suất – Chi phí 57

Hình 2.12 Sự phụ thuộc của độ tăng tốc độ tính toán vào số lượng chip và tỷ lệ song song hóa 58

Hình 2.13 Kiến trúc SISD 60

Hình 2.14 Kiến trúc SIMD 60

Hình 2.15 Cấu trúc MIMD 61

Hình 2.16 Mô hình thực hiện thuật toán di truyền song song 63

Hình 2.17 Sử dụng thuật toán di truyền song song với 4 nguồn nhiễu 65

Hình 2.18 Ước lượng hướng tới sử dụng thuật toán Bartlett trong trường hợp 2 nguồn tín hiệu 69

Hình 2.19 Ước lượng hướng tới sử dụng thuật toán Capon trong trường hợp 2 nguồn tín hiệu 70

Hình 2.20 Sơ đồ khối của thuật toán MUSIC 74

Hình 2.21 Kết quả mô phỏng ước lượng hướng tới sử dụng thuật toán MUSIC với 3 nguồn tín hiệu tại -35o , 0o và 40o 75

Hình 2.22 Kết quả mô phỏng ước lượng hướng tới sử dụng thuật toán MUSIC với 3 nguồn tín hiệu tại -35o , 0o và 40o với 20 phần tử anten 76

Hình 2.23 Sơ đồ thuật toán MUSIC sử dụng tính toán song song 78

Hình 2.24 Mô phỏng của thuật toán MUSIC sử dụng tính toán song song 80

Hình 2.25 Thời gian tính toán của thuật toán MUSIC với =0.005 trong các trường hợp: sử dụng từ 1 đến 4 máy tính 82

Hình 2.26 Thời gian tính toán của thuật toán MUSIC với =0.001 trong các trường hợp: sử dụng từ 1 đến 4 máy tính 82

Hình 3.1 Mô tả trường xa và trường gần của anten 85

Hình 3.2 Sơ đồ đo giản đồ hướng trực tiếp từ trường xa 86

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý đo trường gần 87

Hình 3.4 Ba phương pháp dịch chuyển trong đo trường gần 88

Hình 3.5 Mô hình đo đặc trưng hướng gián tiếp từ trường gần qua phân tích tín hiệu trên mặt cầu[41] 89

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống đo đặc trưng hướng anten ORBIT/FR [49] 91

Hình 3.7 Kết quả đo đặc trưng hướng sử dụng ORBIT/FR [49] 91

Hình 3.8 Sơ đồ khối của anten mạng pha số 92

Hình 3.9 Quay búp sóng chính của anten mạng pha số sử dụng phương pháp

quay pha - biểu diễn dưới dạng phẳng 94

Hình 3.10 Quay búp sóng chính của anten mạng pha số sử dụng phương pháp quay pha - biểu diễn dưới dạng cầu 95

Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống để đo nhanh đặc trưng hướng 96

Hình 3.12 Bố trí đo đặc trưng hướng sử dụng phương pháp đo nhanh 97

Hình 3.13 Kết quả đo đặc trưng hướng nhanh của anten mạng pha số 98

Hình 4.1 Sơ đồ thiết lập đo đặc trưng hướng để khảo sát thuật toán di truyền 101

Hình 4.2 Đặc trưng hướng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật toán di truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc -20 độ 102

Hình 4.3 Đặc trưng hướng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật toán di truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc 30 độ 103

Hình 4.4 Đặc trưng hướng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật toán di truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc -20 và 30 độ 104

Hình 4.5 Sơ đồ kiểm tra thuật toán MUSIC 105

Hình 4.6 Tính toán song song cho thuật toán MUSIC: Trường hợp nguồn phát ở góc -30 và 20 độ 106

Hình 4.7 Tính toán song song cho thuật toán MUSIC: Trường hợp nguồn phát ở góc -20 và 30 độ 106

Hình 4.8 Tính toán song song cho thuật toán MUSIC: Trường hợp nguồn phát ở góc -30, 20 và 60 độ 107

dải tần số cao trong vài thập kỷ nay đã tạo ra sự phát triển ứng dụng mạnh mẽ

của anten mạng pha số, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự, bởi các ưu điểm của

nó như: gọn nhẹ, tốc độ xử lý tín hiệu nhanh, lựa chọn độ rộng búp sóng hẹp,

điều khiển búp sóng quét với tốc độ khác nhau, có thể lựa chọn các giải pháp

chống nhiễu trong không gian

Người ta chia công nghệ chế tạo anten mạng pha số ra hai mảng chính là:

- Chế tạo phần cứng bức xạ

- Xây dựng phần mềm điều khiển búp sóng số

Ngoài những vấn đề chung về nguyên lý được công bố, do bí mật công nghệ chế tạo, tính toán và mục đích sử dụng nên thông tin về công nghệ thiết

kế, chế tạo rất hạn chế Thực tế ở Việt Nam cũng hầu như chưa có cơ sở hoặc

cá nhân nghiên cứu và đi sâu vào công nghệ chế tạo anten Tuy anten mạng

pha đã được đưa vào sử dụng trong các khí tài quân sự

Vì những lý do trên, việc nghiên cứu anten mạng pha và công nghệ chế

tạo là cấp thiết Đề tài luận án “Nghiên cứu công nghệ xây dựng anten mạng

pha số tuyến thu băng X” là công trình nghiên cứu nhằm xây dựng các

phương pháp tính toán, xử lý tín hiệu điều khiển búp sóng, kiểm chứng bằng

mô phỏng nhằm xây dựng các mô đun phần mềm cho anten mạng pha, là

bước đi ban đầu góp phần làm sáng tỏ các nội dung khoa học của vấn đề về

anten mạng pha và ứng dụng các kết quả đó vào thực tiễn

Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận:

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết anten mạng pha, anten mạng

pha số cũng như các giai đoạn trong công nghệ, quá trình chế tạo anten mạng

pha Trong đó tập trung vào những ưu điểm nổi bật của anten mạng pha số và

vai trò của việc xử lý số trong anten mạng pha số

Chương 2 nghiên cứu về vấn đề xử lý số trong anten mạng pha Trong

đó bao gồm cải tiến thời gian tính toán của thuật toán di truyền, áp dụng trong

anten thích nghi để loại bỏ ảnh hưởng các nguồn nhiễu cố định, biết trước

bằng cách đặt cực tiểu công suất máy thu để giảm ảnh hưởng của hướng có

nhiễu Tăng tốc thời gian tính toán trong quá trình ước lượng hướng tới của

tín hiệu sử dụng thuật toán MUSIC trên các hệ thống tính toán song song

Chương 3 tập trung vào vấn đề đo lường, kiểm tra quá trình chế tạo

anten Chương này trình bày về phương pháp đo giản đồ hướng mới có khả

năng đưa ra kết quả nhanh có thể ứng dụng được trong kiểm tra quá trình chế

tạo anten mạng pha số

Chương 4 áp dụng các kết quả tính toán và mô phỏng của các chương 2

và chương 3 vào thử nghiệm trên anten mạng pha 4 kênh (4x8 phần tử) tại

Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

Phần kết luận chung tổng kết lại những kết quả, thảo luận và nêu lên những đóng góp mới của luận án so với những kết quả đã có trong các nghiên

cứu trong và ngoài nước đã có Đặc biệt nhấn mạnh tới tính tối ưu trong việc

cải thiện các thuật toán thích nghi, thuật toán ước lượng hướng tín hiệu tới và

tính hiệu quả của phương pháp đo nhanh giản đồ hướng

Về vai trò đóng góp thực tiễn, luận án kết hợp cùng nội dung nghiên cứu của đề tài hợp tác Quốc tế giữa Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ

Quân sự và Trường đại học Kinh tế Kỹ thuật Budapet - Hungary

Luận án đã đề xuất và cải tiến bài toán thích nghi và bài toán ước lượng hướng tới của anten mạng pha số Tính toán, thực hiện mô phỏng trên anten

có số lượng lớn các phần tử trước khi áp dụng vào thực tiễn anten mạng pha 4

kênh thu (4x8 phần tử) hoạt động ở tần số 9.7Ghz Đồng thời đề xuất một

phương pháp đo mới có thể ứng dụng trong kiểm tra nhanh anten mạng pha

số sau khi chế tạo cũng được áp dụng trên phần cứng anten này

Tuy nhiên luận án mới chỉ đạt được những kết quả khiêm tốn làm cơ sở ban đầu, chắc chắn rằng chúng sẽ được xem xét rộng hơn trong quá trình phát

triển nghiên cứu ứng dụng anten mạng pha ở Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ANTEN

MẠNG PHA SỐ CHO TUYẾN THU BĂNG X

Anten mạng pha số là anten được tạo thành mạng các chấn tử mà pha của mỗi phần tử trong mạng có thể được điều khiển độc lập bằng phương

pháp điều khiển số Điều khiển phương pháp số các pha của mỗi phần tử bởi

các thiết bị điện tử làm giảm quán tính việc quét búp sóng so với điều khiển

bằng thiết bị cơ điện Nhờ đó không những đặc trưng hướng của anten có thể

thay đổi một cách linh hoạt mà còn có khả năng tăng công suất phát xạ theo

hướng có ích, nâng cao khả năng chống nhiễu bằng phương pháp điều khiển

số Do vậy, công nghệ chế tạo anten mạng pha số ngoài việc đưa ra mô hình,

thiết kế, các thiết bị phần cứng… ta còn phải xây dựng các phần mềm tính

toán trên các hệ thống xử lý tín hiệu số để điều khiển hoạt động của anten

1.1 Tổng quan về anten mạng pha số và công nghệ chế tạo

1.1.1 Tổng quan về anten mạng pha

Lịch sử của anten mạng gắn với tên tuổi của Karl Ferdinand Braun và Luis Avarez nhận giải Nobel vào các năm 1909 và 1968 Được đưa vào thực

nghiệm đầu tiên vào năm 1905 bởi Karl Ferdinand Braun [23] sau đó được

phát triển thêm trong thời kỳ chiến tranh thế giới thứ II bởi Luis Avarez để

ứng dụng vào hệ thống điều khiển mặt đất giúp các máy bay cất cánh và hạ

cánh tại các sân bay [10-13] Loại anten này đã có những đóng góp nhất định

trong ngành vô tuyến vũ trụ và đã giúp cho Anton Hewish và Martin Ryle

nhận giải nobel vật lý vào năm 1974 [42, 63]

Anten mạng được xây dựng dựa trên ý tưởng của anten lưỡng cực nửa bước sóng [44], gồm hai chấn tử phát xạ đặt cách nhau một nửa bước sóng

(Hình 1.1a) Trong đó, mỗi chấn tử phát xạ sẽ bức xạ sóng điện từ theo tất cả

mọi hướng Tuy nhiên, khi kết hợp hai chấn tử lại với nhau thì sẽ có sự khác

biệt về đặc trưng bức xạ do khi bức xạ theo các hướng khác nhau thì sóng

điện từ phát ra từ các chấn tử khác nhau sẽ có độ lệch pha khác nhau Như

trong Hình 1.1a ta thấy với sóng điện từ bức xạ theo vuông góc với trục của

anten thì hai sóng cùng pha nên cộng hưởng với nhau, tuy nhiên thành phần

theo phương song song thì ngược pha nhau nên triệt tiêu lẫn nhau Tương tự

như vậy, với các phương bức xạ khác sẽ có cường độ nằm trong khoảng từ 0

tới cực đại (Hình 1.1b)

(a) (b)

Hình 1.1 (a) Lưỡng cực anten nửa bước sóng; (b) Đặc trưng bức xạ

Dựa trên nguyên lý này, khi ta sử dụng nhiều phần tử bức xạ gắn vào trong một hệ thống theo những cách sắp xếp nhất định ta sẽ có hệ thống anten

mạng có đặc trưng hướng phù hợp với nhu cầu sử dụng Không chỉ vậy, để

thay đổi đặc trưng hướng ta còn có thể sử dụng các phương pháp khác như

thay đổi hệ số điện dung, hệ số từ môi [54], [76]… hoặc là sử dụng các hệ

thống số để điều khiển các pha của các phần tử bức xạ làm thay đổi đặc trưng

hướng của anten Dựa vào phương pháp được sử dụng để thay đổi đặc trưng

hướng từ các phần tử, ta có thể phân loại anten mạng ra làm hai loại là anten

mạng tương tự và anten mạng pha số

Anten mạng cũng có thể được phân loại thành anten tuyến phát, anten tuyến thu và anten hỗn hợp Tuy nhiên, việc phân loại này chỉ mang tính chất

tương đối bởi quá trình thu phát sóng điện từ của anten là thuận nghịch nên

anten phát và thu có nguyên lý giống nhau

1.1.2 Lý thuyết anten mạng pha tuyến tính

Là hệ thống bức xạ mà các phần tử bức xạ có tâm pha nằm trên một đường thẳng Đường thẳng này gọi là trục của hệ thống Do sự giao thoa

trường của các phần tử trong hệ nên tính định hướng chung của hệ tăng lên

Thông thường người ta dùng các nguồn phát xạ đồng nhất, định hướng như

nhau Để khảo sát, ta chọn gốc toạ độ trùng với tâm pha của phần tử thứ nhất

[1] (Hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ mạng tuyến tính cách đều

Biểu thức cường độ bức xạ của mạng có thể viết dưới dạng [1]:

4

R jk

( 1) cos

i i

i n n

1

N

i n N

ik e

f R

1 1

nhiên cũng có thể lấy tổng (1.7) bằng phương pháp hình học véc-tơ trong mặt

phẳng phức Khi ấy mỗi số hạng của (1.7) có thể được biểu diễn bởi một

véc-tơ đơn vị Véc-véc-tơ thứ nhất (ứng với n 1) sẽ trùng với trục thực, còn các

véc-tơ tiếp theo sẽ quay so với trục thực một góc bằng (n 1) Nếu   0 thì

hướng quay thuận chiều kim đồng hồ (Hình 1.3)

Hình 1.3 Phương pháp hình học véc-tơ mặt phẳng phức

Để xác định mô-đun của véc-tơ tổng cần tính bán kính  của vòng tròn ngoại tiếp với đa giác tạo bởi các véc-tơ Ta có:

12sin2

Biết bán kính  sẽ tính được mô-đun của véc-tơ tổng (mô-đun của hàm đặc trưng hướng) dựa vào tam giác cân có đáy là véc-tơ tổng còn góc ở đỉnh

bằng N

sin2( ) 2 sin

2 sin

2

N N

KN

N f

toạ độ, thì pha của f KN cũng biến đổi liên tục Điều đó chứng tỏ gốc toạ độ

được chọn ban đầu không phải là tâm của anten mà nằm chính giữa hệ thống

anten [1]:

0

( 1)2

(1.13) Bây giờ ta khảo sát chi tiết hơn đối với hàm đặc trưng của mạng tổ hợp

KN

f Nếu cho ,d N các giá trị nhất định thì hàm tổ hợp sẽ chỉ phụ thuộc vào

 Điều đó chứng tỏ đặc trưng hướng của hàm tổ hợp trong không gian sẽ là

một khối tròn xoay mà các trục của nó trùng với trục của hệ thống

Cực đại chính của đặc trưng hướng (1.10) sẽ có giá trị bằng N khi   0, hoặc khi  k2  (k là số nguyên) Điều này cũng nhận thấy khi khảo sát đồ

thị véc-tơ ở Hình 1.3 Khi   0, tất cả các véc-tơ đơn vị sẽ nằm trên cùng

một đường thẳng và có hướng trùng với hướng của véc-tơ đơn vị đầu tiên Vì

vậy véc-tơ tổng có mô-đun bằng N Khi   0 đồ thị véc-tơ là một đường gẫy

khúc Nếu đường gẫy khúc khép kín, véc-tơ tổng có giá trị bằng không Góc

 thoả mãn điều kiện trên sẽ xác định một trong các hướng bức xạ không của

hàm đặc trưng hướng

Nếu hàm đặc trưng hướng biên độ tổ hợp (1.10) có thể được chuẩn hoá bằng cách chia cho N là giá trị cực đại của nó thì:

sin2sin2

KN

N F

Hình 1.4 Đặc trưng hướng của mạng tuyến tính 5 phần tử

Bây giờ chúng ta cần khảo sát giới hạn của hàm số F KN khi  biến thiên trong giới hạn thực của nó Do tính đối xứng của mạng, ta chỉ cần khảo

sát đặc trưng hướng trong một nửa mặt phẳng, nghĩa là trong giới hạn của 

từ 0

180 , còn trong nửa mặt phẳng kia 0 0

( 180 360 ), đồ thị phương hướng sẽ nhận được bằng cách lấy đối xứng qua trục Khi  biến thiên từ 0

Ta có:  kdcosHướng cực đại chính được xác định theo (1.17) bằng:

KN

Nkd c f

kd c

KN

Nkd c F

Ta có biểu thức biên độ cường độ trường bức xạ của hệ thống được xác định theo (1.9):

1

sin os

2sin os2

Nkd c

kd c

E N E Kết quả này được giải thích như sau:

Khi điểm khảo sát nằm trên các hướng 0

90

 

 và ở xa vô cùng, thì có thể coi các tia bức xạ từ các phần tử của hệ thống đến điểm khảo sát là song

song và có độ dài bằng nhau; do đó độ lệch pha khoảng cách bằng không

Theo giả thiết, mạng được kích thích bởi các dòng điện đồng pha nên sai pha

dòng điện cũng bằng không Vì vậy đặc trưng hướng tổng cộng theo hướng

vuông góc sẽ là tổng đại số biên độ đặc trưng hướng của các phần tử riêng rẽ

và có giá trị cực đại bằng N lần trường bức xạ của một phần tử

Hướng bức xạ không của đặc trưng hướng được xác định từ điều kiện:

Từ (1.21), (1.22) cho thấy độ rộng của búp sóng chính và số cực đại phụ

phụ thuộc vào số phần tử bức xạ N của hệ thống và khoảng cách d Với N và d

càng lớn, búp sóng chính càng hẹp đồng thời số các cực đại phụ càng nhiều

Trường hợp số phần tử N khá lớn và được phân bố trên một khoảng chiều dài

đủ lớn, ta có thể xác định độ rộng búp sóng chính theo công thức gần đúng từ

công thức (1.22)

  0 012

 

Trong đó LNd là chiều dài của mạng

Từ đó thấy rằng mạng đồng pha có hướng tính càng cao khi chiều dài tương đối của hệ thống so với bước sóng càng lớn

Bây giờ ta xác định các cực đại phụ của đặc trưng hướng Trước hết có thể nhận thấy rằng mỗi cực đại phụ tất nhiên sẽ nằm trong khoảng giới hạn

giữa hai hướng bức xạ không của đặc trưng hướng Khi khoảng cách tương

2

m

E E

m N

 1 1

23

1sin cos 1802

N kd

sau:

Theo hướng 0

90

 

 (hướng vuông góc với trục của mạng), trường bức

xạ của các phần tử có độ lệch pha khoảng cách bằng không, nhưng độ lệc pha

theo các hướng này độ lệch pha khoảng cách giữa hai phần tử kd   sẽ được

bù bởi độ lệch pha dòng điện   Kết quả là đặc trưng hướng của các phần

tử sẽ được cộng đại số với nhau và cực đại có giá trị bằng N E1 Hàm đặc

trưng hướng biên độ tổ hợp chuẩn hoá trong trường hợp này có dạng:

1sin cos 1802

KN

N kd F

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 được thực hiện bởi trường 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

Phòng không Không quân, Học viện Bưu chính viễn thông,… Trong phạm vi

tổng quan tài liệu, luận án đã tham khảo các nhóm nghiên cứu tiêu biểu như:

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 phương pháp ước lượng hướng 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 Hưng tập trung vào nghiên cứu quá trình tạo búp sóng số, xử lý các tín hiệu số theo không gian và thời gian trong các hệ thống

GSM và CDMA ở nước ta [4]

PGS TS Trương Vũ Bằng Giang đã chủ trì nhiều đề tài liên quan tới lĩnh vự này như:

Nghiên cứu về phương pháp đo tự động đặc trưng bức xạ của anten thông qua điều khiển quay hướng anten tự động từ máy tính [2]

Nghiên cứu các phương pháp số hóa tạo búp sóng cho hệ anten phẳng cho truyền thông vệ tinh và dẫn đường, nghiên cứu tổng quan về anten mạng

và các thuật toán tạo búp sóng số [3]

Ngoài nước:

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

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 mô hình anten mạng pha khác nhau với các phần tử anten sắp

xếp trên không gian ba chiều [77]

-Nhóm nghiên cứu của Y C Guo nghiên cứu về phương pháp làm giảm các búp sóng phụ của anten mạng pha sử dụng các bộ dịch pha số [33, 34]

-Nhóm nghiên cứu của Linrang Zhang nghiên cứu về phương pháp tạo

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 phương pháp số thay cho việc điều khiển bằng phương pháp tương

tự

-Nhóm nghiên cứu của R L Haupt đã có những nghiên cứu bước 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 phương pháp chính để đo đặc trưng bức xạ của anten [28] Ngoài 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 phương pháp để đo đặc trưng 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 toán song song vào 2 thuật toán

MUSIC và thuật toán di truyền nhằm nâng cao chất lượng xử lý ở phần thu

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu của luận án này là anten mạng pha số

hoạt động ở băng tần X (9,7GHz) Được sử dụng trong các đài Ra-đa điều

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 toán di truyền bằng tính toán song song, để có thể loại bỏ ảnh hưởng của nguồn nhiễu một cách nhanh chóng và chính xác trong bài

toán thích nghi tín hiệu

- Cải tiến thuật toán MUSIC bằng cách áp dụng linh hoạt tính toán song song, việc này làm giảm thời gian tính toán đồng thời nâng cao độ phân giải

mục tiêu trong bài toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu

- Mở rộng kết quả tính toán để đo kiểm tra nhanh đặc trưng hướng 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, công nghệ đã có, từ đó tìm ra những vấn đề cần cải thiện, tối ưu hóa

hệ thống theo mục tiêu luận án đề ra

Để chứng minh tính đúng đắn của luận án Các mô hình toán học trong luận án đã thực hiện mô phỏng cho hệ thống có số lượng phần tử rất lớn trước

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

được cho thấy phương pháp nghiên cứu được lựa chọn giải quyết được 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 như công nghệ chế tạo, nhưng vấn đề

này liên quan tới các bí mật quân sự về công nghệ của các nước phát triển

cũng như là các sản phẩm thương mại nên rất khó khăn trong việc tiếp cận,

triển khai và cập nhật các tài liệu liên quan

- Do điều kiện trong nước chưa tự sản xuất được các loại anten này, nên

hiện nay tại nước ta số lượng anten mạng pha số được sử dụng để nghiên cứu

rất ít, làm cho việc triển khai các kết quả tính toán ra thực tế còn 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, được 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 trường Đại học Kỹ thuật và Kinh tế Budapest – Hungary

[5] Sơ đồ khối được mô tả trong Hình 1.5, Hình 1.6 và hình ảnh thực tế được

mô 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 tương tự sang tín hiệu số (ADC) Với chức năng cụ thể của từng

bộ phận như 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 trưng 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 như

bộ phận khuếch đại, trộn, lọc,…(Hình 1.6) Chức năng chính của bộ phận này

là khuếch đại tín hiệu thu được, 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 đưa 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 được sau khi đã đưa 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

điều khiển độ lệch pha và biên độ của từng phần tử anten và bộ tổng hợp các

tín hiệu Thông thường, phần số được thực hiện trên một bộ xử lý số chuyên

dụng như máy tính, DSP, FPGA, …

Khối anten mạch dải được chia làm 4 kênh giống nhau được thiết kế ở tần số 9,7GHz, trong mỗi kênh gồm 8 phần tử đồng pha, các phần tử được

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

đưa xuống 4 kênh thu độc lập Do vậy, với anten này ta có thể điều khiển búp

sóng theo góc phương vị, còn theo góc ngẩng thì đặc trưng hướng 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

Xét trên khả năng xử lý phần mềm số thì hệ anten này tương đương 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 được thực hiện với số lượng

phần tử lớn hơn để đảm bảo tính tổng quát Tuy nhiên, để có thể kiểm chứng

được các kết quả mô phỏng đấy, tác giả cũng thực hiện cả mô phỏng với cả

trường hợp 4 phần tử anten và đem kết quả tính toán được áp dụng vào hệ

thống anten trên thì thu được kết quả có thể chấp nhận được

1.2 Công nghệ chế tạo anten mạng pha số

Như đã trình bày ở trên, anten mạng pha số là sự kết hợp của phần cứng

hệ thống bức xạ và phần mềm điều khiển anten Vì vậy, chế tạo anten mạng

pha số không chỉ đơn giản là thiết kế chế tạo ra các mô-đun phần cứng mà

còn bao gồm quá trình lập trình xây dựng các phần mềm điều khiển giúp

anten có thể hoạt động hiệu quả hơn

1.2.1 Chế tạo phần cứng cho anten mạng pha số

Phần cứng (Hình 1.9) chính là bộ xương của anten mạng pha số Nó bao gồm các thành phần chính sau: phần tử thu phát, máy phát cao tần, bộ lọc, bộ

trộn, bộ khuếch đại công suất, bộ chuyển đổi ADC, DAC… Một số bộ phận

chính có vai trò quan trọng đối với anten mạng pha:

- Phần tử bức xạ: Đóng vai trò trong việc thu phát các bức xạ điện từ

Đây là phần tử cơ bản nhất, đóng vai trò quan trọng nhất đối với một anten nó

qui định hầu hết các thông số còn lại trong toàn bộ phần cứng anten và có vai

trò lớn đối với đặc trưng hướng của anten Đặc trưng của các phần tử này phụ

thuộc vào vật liệu chế tạo anten, môi trường bên trong của anten và thiết kế

của anten Phần tử này có thể được thiết kế theo những cách khác nhau để tạo

ra các loại anten khác nhau, có đặc trưng hướng phù hợp với mục đích khác

sử dụng Với anten mạng pha và anten mạng pha số thì phần tử thu phát có

thể là phần tử thu phát của bất cứ một loại anten nào Do vậy nếu muốn

nghiên cứu về phần tử thu phát của anten mạng pha số thì ta phải khảo sát

toàn bộ các loại anten

Hình 1.9 Sơ đồ phần cứng của anten mạng pha số

- Máy phát cao tần: Tạo ra tần số sóng mang để truyền tín hiệu đi xa hoặc để trộn vào tín hiệu thu được nhằm chuyển tín hiệu về trung tần Tần số

này phụ thuộc vào phần tử thu phát

- Bộ trộn: Để trộn các tín hiệu truyền vào các sóng cao tần phục vụ việc truyền tín hiệu đi xa hoặc tách phần trung tần của tín hiệu thu được

- Bộ khuếch đại: nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu để nâng công suất

- Bộ chuyển đổi ADC/DAC: Dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số trong anten thu hoặc từ tín hiệu số thành tín hiệu tương tự trong

anten phát Bộ phận này tạo nên sự khác biệt về phần cứng giữa anten mạng

pha số với các loại anten khác Chính bộ phận này mở ra khả năng cho phép

tác động vào tín hiệu của anten thông qua các hệ thống số

Với đặc điểm như vậy nên, mảng phần cứng của anten mạng pha số là một mảng rất rộng Hơn nữa do anten này sử dụng chung khá nhiều bộ phận

với các loại anten truyền thống đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu về

vấn đề này [9-10][54] Luận án không tập trung sâu vào phần này

1.2.2 Xây dựng phần mềm cho anten mạng pha số

Nếu như phần cứng là bộ xương, thì phần mềm chính là linh hồn của anten mạng pha số Nó tác động lên các tín hiệu số ở lối ra của ADC hoặc lối

vào của DAC nhờ đó việc xử lý số liệu với sự hỗ trợ của các hệ tính toán

mạnh được phát huy hết khả năng của mình Chính phần mềm tạo nên khả

năng điều khiển linh hoạt của anten mạng pha số Đây là điểm khác biệt lớn

nhất giữa anten mạng pha số với anten mạng pha tương tự cũng như các loại

anten khác

Nhờ có phần mềm mà ta có thể thay đổi búp sóng một cách linh hoạt anten mạng pha số để loại bỏ tín hiệu từ các hướng có nhiễu hoặc có nguồn

tín hiệu không mong muốn trong anten thích nghi, hoặc ước lượng chính xác

hướng tới của tín hiệu

Xây dựng phần mềm cho anten mạng pha số là một vấn đề khá mới Tuy

đã được nhiều nhóm tác giả nghiên cứu [15], [16] nhưng chưa có nhiều kết

quả và vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết trong bài toán tối ưu các thuật

toán nhất là về khả năng tăng tốc tính toán

1.3 Kết luận chương 1 và chỉ ra vấn đề nghiên cứu của luận án

Chương 1 đã tổng quan về lý thuyết, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của anten mạng pha số và công nghệ chế tạo anten mạng pha số Công nghệ chế

tạo anten mạng pha số gồm có hai quá trình có mối quan hệ chặt chẽ với nhau

nhưng có thể tiến hành độc lập với nhau:

- Chế tạo phần cứng: bao gồm các phần tử thu phát, máy phát cao tần,

bộ trộn, bộ khuếch đại công suất, bộ chuyển đổi ADC, DAC,… Quá trình này

có mối liên hệ với công nghệ chế tạo của các loại anten khác Do vậy, đây là

một mảng nghiên cứu lớn và đã được nghiên cứu khá kỹ trong nhiều các công

trình quốc tế [5], [9-10], [17], [18], [54]

- Xây dựng phần mềm: tạo ra các phần mềm điều khiển cho anten mạng

pha số Đây là điểm khác biệt nhất của anten mạng pha số so với các loại

anten khác Ngoài ra đây là một mảng nghiên cứu mới, còn nhiều vấn đề cần

giải quyết, đặc biệt là trong các bài toán tối ưu

Từ kết luận chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu các module trong công nghệ chế tạo phần cứng anten mạng pha số tuyến thu băng X tần số 9.7 Ghz

(4 kênh thu, 4x8 phần tử) đã có ở Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ

Quân sự, luận án tập trung vào nghiên cứu và xây dựng phần mềm trong công

nghệ chế tạo anten mạng pha số với mục tiêu cải thiện một số bài toán của