Hệ thống đo lường tự động đặc trưng bức xạ anten sử dụng bộ lọc phần mềm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thị Ngà

HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG TỰ ĐỘNG ĐẶC TRƢNG
BỨC XẠ ANTEN SỬ DỤNG BỘ LỌC PHẦN MỀM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thị Ngà

HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG TỰ ĐỘNG ĐẶC TRƢNG
BỨC XẠ ANTEN SỬ DỤNG BỘ LỌC PHẦN MỀM

Ngành:

Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành:

Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc

Mã số:

2.07.00
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƢƠNG VŨ BẰNG GIANG

Hà Nội-2007


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dƣới
sự hƣớng dẫn của TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang. Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Ngƣời làm cam đoan

Phạm Thị Ngà


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 4
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 5
CHƢƠNG 1. ĐO LƢỜNG ANTEN-CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ...................................... 7
1.1. Những khái niệm cơ bản trong việc đo lƣờng anten. ................................................ 7
1.2. Các định nghĩa. .......................................................................................................... 9
1.3. Một số mô hình đo lƣờng anten. .............................................................................. 15
1.3.1. Mô hình ngẩng. ............................................................................................... 16
1.3.2. Mô hình phản xạ đất. ....................................................................................... 18
1.3.3. Mô hình kích thƣớc nhỏ. ................................................................................. 18

1.3.4. Các mô hình trƣờng gần. ................................................................................. 19
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP DÙNG BỘ LỌC PHẦN MỀM ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ
CHÍNH XÁC PHÉP ĐO ...................................................................................................... 20
2.1. Khái niệm bộ lọc phần mềm. ................................................................................... 20
2.2. Phƣơng pháp sử dụng bộ lọc phần mềm.................................................................. 21
2.3. Hiệu suất và các yêu cầu về dữ liệu của bộ lọc phần mềm. .................................... 23
2.3.1. Dải Alias-Free. ................................................................................................ 23
2.3.2. Thời gian tăng và giảm của bộ lọc. ................................................................. 25
2.4. Giới hạn áp dụng của bộ lọc phần mềm. ................................................................. 27
2.4.1. Dữ liệu tại các biên của dải. ............................................................................ 28
2.4.2. Anten đo/ anten chuẩn không cố định. ............................................................ 29
2.4.3. Anten đo phi tuyến. ......................................................................................... 30
2.5. So sánh giữa bộ lọc phần mềm và bộ lọc phần cứng............................................... 30
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG TỰ ĐỘNG ĐẶC TRƢNG BỨC
XẠ CỦA ANTEN ................................................................................................................ 36
3.1. Nguyên lý. ................................................................................................................ 36
3.2. Xây dựng hệ thống................................................................................................... 39
3.2.1. Bộ định vị anten. ............................................................................................. 39
3.2.1.1. Motor bƣớc. ................................................................................................ 39
3.2.1.2. Điều khiển bộ định vị với cổng song song. ................................................ 42
3.2.2. Thu thập dữ liệu trong hệ thống đo lƣờng. ..................................................... 45
3.2.2.1. Sử dụng máy phân tích mạng trong các hệ thống đo lƣờng siêu cao tần. .. 45
3.2.2.2. Giao tiếp GPIB. .......................................................................................... 49
3.2.2.3. Phần mềm điều khiển hệ thống. ................................................................. 55
3.3. Cấu trúc của hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ của anten. .................... 56
3.4. Các hình ảnh về hệ đo. ............................................................................................. 57


CHƢƠNG 4. CÁC THUẬT TOÁN LỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ LỌC PHẦN
MỀM .................................................................................................................................... 59

4.1. Các thuật toán lọc và ứng dụng. .............................................................................. 59
4.2. Các kết quả đo. ........................................................................................................ 60
4.2.1. Chấn tử nửa bƣớc sóng. .................................................................................. 61
4.2.2. Chấn tử 3/2 bƣớc sóng. ................................................................................... 62
4.3. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp dùng bộ lọc phần mềm. .......................................... 62
4.4. Hiệu quả đạt đƣợc. ................................................................................................... 63
PHỤ LỤC 1. TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 65
PHỤ LỤC 2. CHỨNG NHẬN GIẢI THƢỞNG CỦA HỆ ĐO ........................................... 66


1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
TIẾNG ANH
Antenna Under Test
AUT

TIẾNG VIỆT
Anten cần đo

DUT

Device Under Test

Thiết bị cần đo

GPIB

General Purpose Interface Bus Bus ghép nối đa năng

MSL

Maximum Signal Level

Mức tín hiệu lớn nhất

MSP

Maximum Signal Position

Vị trí có mức tín hiệu lớn nhất

LH

Left Handed

Hƣớng bên tay trái

LPT

Line Print Terminal

Cổng máy in

RF

Radio Frequency

Tần số cao tần

RH

Right Handed

Hƣớng bên tay phải

VSWR

Voltage Standing Wave Ration Hệ số điện áp sóng đứng


2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một số tính chất cơ bản của anten .......................................................................... 8
Hình 1.2. Đồ thị bức xạ .......................................................................................................... 9
Hình 1.3. Các định nghĩa về độ tăng ích và độ định hƣớng ................................................. 10
Hình 1.4. Định nghĩa phân cực............................................................................................. 12
Hình 1.5. Các thành phần trong phân cực elip ..................................................................... 13
Hình 1.6. Hình cầu Poincaré biểu diễn phân cực bất kỳ ...................................................... 13
Hình 1.7. Các hệ tọa độ đƣợc sử dụng ................................................................................. 14
Hình 1.8. Phân cực Elip với các tín hiệu phát và thu ........................................................... 14
Hình 1.9. Một số mô hình đo đồ thị bức xạ cơ bản .............................................................. 15
Hình 1.10. Cấu hình một số mô hình cơ bản........................................................................ 16
Hình 1.11. Các thành phần cơ bản trong mô hình ngẩng ..................................................... 17
Hình 1.12. Mô hình phản xạ đất ........................................................................................... 18
Hình 1.13. Mô hình kích thƣớc nhỏ ..................................................................................... 18
Hình 1.14. Các mô hình trƣờng gần ..................................................................................... 19
Hình 2.1. Tín hiệu đa đƣờng không mong muốn ................................................................ 20

Hình 2.2. Quy trình lọc phần mềm ....................................................................................... 22
Hình 2.3. Dải Alias-Free (theo mét) ..................................................................................... 24
Hình 2.4. Dải Alias-Free (theo feet). .................................................................................... 25
Hình 2.5. Thời gian tăng và giảm của bộ lọc đạt giá trị nhỏ nhất khi sử dụng bộ lọc
„Normal‟ ............................................................................................................................... 26
Hình 2.6. Sơ đồ khối minh họa bộ lọc phần mềm ................................................................ 33
Hình 2.7. Đồ thị bức xạ anten trong trƣờng hợp có và không có lỗi đa đƣờng ................... 34
Hình 2.8. Các đáp ứng dữ liệu miền thời gian tại 00 trong trƣờng hợp có và không có tín
hiệu đa đƣờng và đáp ứng khi sử dụng bộ lọc phần mềm.................................................... 34
Hình 2.9. So sánh đồ thị bức xạ trong trƣờng hợp không có tín hiệu đa đƣờng và trƣờng hợp
có tín hiệu đa đƣờng nhƣng có sử dụng bộ lọc phần mềm .................................................. 34
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống đo lƣờng anten............................................................................. 37
Hình 3.2. Sơ đồ ghép nối anten với máy phân tích mạng .................................................... 37
Hình 3.3. Lƣu đồ thuật toán thực hiện một phép đo anten ................................................... 38
Hình 3.4. Sơ đồ vị trí rotor 6 cực và stator 4 cực của một motor bƣớc thông thƣờng ......... 39
Hình 3.5. Chuyển động của rotor khi xung điện đặt vào stator ........................................... 40


3

Hình 3.6. Sơ đồ kích thích motor trong các chế độ khác nhau ............................................ 41
Hình 3.7. Cấu hình cổng song song ..................................................................................... 42
Hình 3.8. Bộ ghép nối quang 4N35 ...................................................................................... 45
Hình 3.9. Máy phân tích mạng Advantest R3765CG .......................................................... 45
Hình 3.10. Đo lƣờng các đặc tính thiết bị ............................................................................ 46
Hình 3.11. Lƣu đồ hệ thống đo lƣờng thiết bị siêu cao tần .................................................. 46
Hình 3.12. Các cách biểu diễn tham số mạng ...................................................................... 47
Hình 3.13. Cách xác định tham số S của thiết bị. ................................................................ 48
Hình 3.14. Bộ hiệu chuẩn cho phép chuẩn các tham số ghép nối. ....................................... 49
Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng bus GPIB ................................................... 49

Hình 3.16. Mô hình giao tiếp các thiết bị GPIB theo phân cấp chức năng .......................... 50
Hình 3.17. Sơ đồ các đƣờng tín hiệu bus GPIB ................................................................... 52
Hình 3.18. Giao diện của phần mềm điều khiển hệ đo ........................................................ 56
Hình 3.19. Bộ định vị anten cần đo ...................................................................................... 57
Hình 3.20. Toàn bộ hệ đo anten ........................................................................................... 58
Hình 4.1. Thuật toán lọc phần mềm ..................................................................................... 60
Hình 4.2. Đồ thị bức xạ (gain) của chấn tử nửa bƣớc sóng tại 850 MHz ............................ 61
Hình 4.3. Đồ thị bức xạ (gain) của chấn tử 3/2 bƣớc sóng tại 850 MHz ............................. 62


4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các đặc tính bộ lọc phần mềm miền thời gian. ................................................... 27
Bảng 2.2. Dữ liệu tại biên của dải không nên sử dụng khi dùng bộ lọc phần mềm............. 28
Bảng 3.1. Sơ đồ kích thích pha trong các chế độ của motor bƣớc. ...................................... 41
Bảng 3.2. Sơ đồ chân cổng song song .................................................................................. 44
Bảng 3.3. Các tham số của thiết bị ....................................................................................... 47
Bảng 3.4. Ý nghĩa các bít trong địa chỉ GPIB ...................................................................... 51
Bảng 3.5. Các đƣờng bắt tay GPIB ...................................................................................... 51
Bảng 3.6. Các đƣờng quản lý dữ liệu GPIB ......................................................................... 52


5

MỞ ĐẦU
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì yêu cầu về các hệ thống truyền thông
vô tuyến cũng nhƣ yêu cầu về anten của các hệ thống đó ngày càng cao. Để xác định
anten có đáp ứng các yêu cầu của hệ thống hay không thì việc đo lƣờng anten với độ

chính xác cao là rất quan trọng.
Đo lƣờng anten có thể đƣợc thực hiện với môi trƣờng trong nhà (indoor) và môi
trƣờng ngoài trời (outdoor). Tuy nhiên khi thực hiện đo đạc với mỗi môi trƣờng thì đều
gặp phải một số khó khăn, đó là:
 Với việc đo đạc giản đồ bức xạ, khoảng cách của vùng trƣờng xa (r>2D2/λ) là
quá lớn do đó rất khó tránh khỏi các ảnh hƣởng phản xạ sóng từ mặt đất và các vật
trong môi trƣờng xung quanh.
 Trong nhiều trƣờng hợp ta không thể di chuyển anten từ trong môi trƣờng hoạt
động tới khu vực đo đạc.
 Với một số loại anten thì thời gian cần để đo các đặc tính trƣờng có thể rất lớn.
 Việc đo đạc ngoài trời (outdoor) chịu nhiều ảnh hƣởng của môi trƣờng.
 Các hệ thống đo lƣờng khép kín thƣờng không thỏa mãn đƣợc các hệ anten lớn
(ví dụ nhƣ tàu, máy bay…)
Các khó khăn trên có thể đƣợc khắc phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật đặc biệt
nhƣ đo đạc trong môi trƣờng trong nhà, tiên đoán giản đồ trƣờng xa từ các kết quả đo đạc
trƣờng gần, tự động hóa quá trình đo đạc với sự trợ giúp của máy tính điện tử…Đề tài:
“Hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ anten sử dụng bộ lọc phần mềm” đƣợc thực
hiện nhằm góp phần giải quyết một phần các khó khăn gặp phải trong quá trình đo lƣờng
anten. Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ đề tài mang mã số QC.06.12, Đại
học Quốc gia Hà Nội.
Nội dung luận văn gồm có 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Đo lƣờng anten - Các khái niệm cơ bản.


6

Trình bày một số khái niệm cơ bản trong đo lƣờng anten và đƣa ra một số mô hình
đo lƣờng anten.
Chƣơng 2: Phƣơng pháp dùng bộ lọc phần mềm để nâng cao độ chính xác
phép đo.

Trình bày phƣơng pháp dùng bộ lọc phần mềm để nâng cao độ chính xác phép đo
trong hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ anten.
Chƣơng 3: Xây dựng hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ của anten.
Dựa trên cơ sở lý thuyết trình bày trong các chƣơng 1 và 2, chƣơng 3 xây dựng hệ
thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ anten có hiệu quả cao bằng phƣơng pháp sử
dụng máy phân tích mạng với các tính năng đo đạc và xử lý mạnh.
Chƣơng 4: Các thuật toán lọc và ứng dụng của bộ lọc phần mềm.
Chƣơng này trình bày thuật toán lọc phần mềm, đƣa ra kết quả đo và đánh giá kết quả đo
khi sử dụng bộ lọc phần mềm.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang, ngƣời đã trực
tiếp giúp đỡ, hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu và phƣơng pháp luận nghiên cứu khoa học để
tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi cũng xin cám ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều
kiện học tập và nghiên cứu cho tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin gửi lời cám ơn
chân thành tới các bạn học, các đồng nghiệp và những ngƣời trong gia đình đã giúp đỡ,
động viên và chia sẻ với tôi những khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn.
Đo lƣờng anten là một vấn đề khó, thêm vào đó, do ảnh hƣởng của một số yếu tố
khác nhau nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong
nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp.


7

CHƢƠNG 1
ĐO LƢỜNG ANTEN-CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Anten đƣợc đề cập đến ở đây là các thiết bị điện từ hoạt động tại vùng phổ của
sóng vi ba, từ 200MHz đến hàng chục GHz. Dƣới vùng tần số này, kích thƣớc các anten
thƣờng quá lớn để có thể đo bằng các phƣơng pháp đang đƣợc thảo luận, còn trên vùng
tần số này thì việc sử dụng các kỹ thuật quang là thích hợp. Kích thƣớc vật lý của anten là
một thông số cơ bản trong việc thiết kế phép đo, ngoài ra chuyển động cơ học cũng là một

phần không thể thiếu trong quá trình đo kiểm. Trên thực tế, anten là giao diện giữa các
đƣờng truyền với các vùng không gian tự do. Số liệu lối ra không thể lấy trực tiếp từ các
cổng mà ta phải lấy các mẫu bức xạ thích hợp. Các kỹ thuật đo lƣờng anten hƣớng tới
việc làm thế nào để lấy mẫu một cách nhanh chóng và chính xác.
Khi các kỹ thuật sản xuất và máy móc đƣợc sử dụng trong việc chế tạo anten ngày
càng trở nên phức tạp hơn, kỹ thuật thiết kế phát triển lên một trình độ cao, câu hỏi đặt ra
là việc đo đạc với phạm vi rộng và phức tạp có là cần thiết? Tại sao các đồ thị bức xạ lại
không thể đƣợc dự đoán từ một dải nhất định của một anten mẫu? Câu trả lời chính là bên
cạnh việc kiểm tra đặc tính kỹ thuật thì việc đo đồ thị bức xạ còn đáp ứng nhiều mục đích
khác nhau, cụ thể là:
1. Để điều chỉnh kích thƣớc và các linh kiện tới hạn.
2. Để kiểm định và lƣu dữ liệu của các linh kiện thay đổi.
3. Để kiểm tra và giám định chất lƣợng.
4. Để kiểm chứng thiết kế.
5. Để đánh giá các lỗi thống kê.
Hầu hết các anten hoặc là tƣơng hỗ hoặc là độc lập trong các tuyến phát và thu.
Thông thƣờng, để dễ hiểu ta coi anten nhƣ một máy phát với các tín hiệu trải rộng ra các
bề mặt phát xạ khác nhau và tái kết hợp tại các điểm trong không gian.
1.1. Những khái niệm cơ bản trong việc đo lƣờng anten.
Các anten đƣợc thiết kế chủ yếu là để tạo ra sự phân bố năng lƣợng theo một đặc
trƣng biết trƣớc trong không gian với độ suy hao và phản xạ là tối thiểu. Sự phân bố đó là
“đặc trƣng bức xạ” của anten. Thông thƣờng, phân bố bao gồm một vùng (độ rộng chùm)


8

tập trung độ chiếu xạ cao vào một mục tiêu hoặc để kết nối đến hệ thống khác với phạm
vi lớn nhất. Trong vùng búp sóng chính, 10% lỗi tƣơng đƣơng với 20% lỗi trong công
suất phát vì thế việc đo các mức cao phải rất chính xác. Thông thƣờng, phát xạ theo các
hƣớng khác với búp chính cần giảm mạnh để tránh ảnh hƣởng đến việc chiếu xạ, giao

thoa với các hệ thống khác hoặc bị giao thoa bởi các hệ thống khác. Do đó yêu cầu thực
hiện đo đạc ở mức rất thấp ở các cạnh và mặt sau của anten. Mặc dù không có tính quyết
định về dung lƣợng nhƣ độ tăng ích, mức búp bên góp phần cấu thành thông số thiết kế
dải đo anten nhạy hay không. Các thông số khác của anten cũng nên quan tâm là độ phân
cực, hƣớng chùm, độ sâu búp không, hệ số phản xạ hoặc hệ số điện áp sóng đứng
(VSWR-Voltage Standing Wave Ratio). Các thông số đƣợc mô tả trong hình 1.1.
Boresight angle
Bức xạ vi sai
Độ sâu búp không (Null)
Tăng ích

Búp sau

Hệ số điện áp
sóng đứng (VSWR)

Mức búp bên

Độ rộng chùm
Hình dạng chùm
Phân cực chéo

Hình 1.1. Một số tính chất cơ bản của anten.

Ngoại trừ tính chất phản xạ, dạng dữ liệu anten đƣợc chấp nhận một cách rộng rãi
là dạng đồ thị bức xạ. Tùy thuộc vào ứng dụng, thƣờng là một trong số 3 loại. Loại mô tả
rõ nét nhất là biểu diễn dƣới dạng các tọa độ cực (Hình 1.2(a)) bởi góc quay của anten
đƣợc biểu diễn một cách trực tiếp. Loại phổ thông nhất (Hình 1.2(b)) là đồ thị hình chữ
nhật với góc phƣơng vị là hoành độ và các mức là tung độ. Mặc dù các đồ thị bức xạ biểu
diễn về mặt biên độ, nhƣng với nhiều cách xử lý dữ liệu, thông số pha là rất quan trọng.

Tuy nhiên, pha thƣờng không biểu diễn bằng đồ thị [4], [7].


9

dB tƣơng đối với đỉnh

Tọa độ cực-Biên độ tƣơng đối

0

0.2
(a)

0

0.2

Độ

-5
-10
-15
-20
-26
-90

60

-30

0

30

Độ

60

90
(b)

Hình 1.2. Đồ thị bức xạ: (a) Hệ tọa độ cực, (b) Hệ tọa độ vuông góc

Với mỗi loại đồ thị, biên độ có thể coi là điện thế tỷ đối, hoặc công suất tỷ đối,
hoặc là dB. Điện áp và công suất rất hiếm khi đƣợc sử dụng, trừ trƣờng hợp trong các
biểu đồ cực, bởi chúng cho ta rất ít thông tin chi tiết tại các mức thấp. [1], [7].
1.2. Các định nghĩa.
Độ tăng ích và hướng tính
Hình 1.3 minh họa một số độ tăng ích và hƣớng tính khác nhau trên phƣơng diện
truyền sóng. Máy phát có thể không phù hợp với đƣờng truyền, mà đƣờng truyền này
không đƣợc coi là một tham số của anten. Tại anten, thƣờng có sự không phù hợp
(mismatched) và suy hao do trở kháng hoặc hiệu suất phát xạ, một trong số yếu tố này có
thể đƣợc tính đến hoặc không. Thông thƣờng, về mặt nguyên tắc sự không phù hợp có thể
đƣợc điều chỉnh để bỏ qua nên độ tăng ích và hƣớng tính không bao hàm sự không phù
hợp. Trong trƣờng hợp có tính đến sự không phù hợp thì tăng ích sẽ là tăng ích thực. Khi
chỉ quan tâm đến hình dạng chùm tia trong không gian mà không tính đến các suy hao thì
sử dụng thuật ngữ hƣớng tính, nghĩa là tỷ số giữa cƣờng độ đỉnh với cƣờng độ trung bình
trên toàn khoảng không gian. Hầu hết các đồ thị bức xạ đƣợc tính toán để xác định hƣớng
tính của anten thay vì tính độ tăng ích.

10

Trong một vài trƣờng hợp sự phân cực đƣợc xem là không quan trọng bằng biên
độ tín hiệu thì độ tăng ích và độ định hƣớng đƣợc đo từ lối vào đến bộ tách sóng để thu
cƣờng độ bức xạ tổng tại điểm đó trong không gian (phân cực phù hợp-matched
polarization). Trong trƣờng hợp ngƣợc lại ta có thể khấu trừ hiệu suất phân cực từ độ tăng
ích và độ định hƣớng hoặc sử dụng thuật ngữ độ định hƣớng riêng phần hoặc độ tăng ích
riêng phần.
Thành phần
đo đƣợc
PAVAIL

Hiệu suất phát xạ
hay suy hao
PIN

Trƣờng tổng
(a)

PRAD
Cƣờng độ trung bình=PRAD/4 

PREFL

Tăng ích thực

Tăng ích

Độ định hƣớng

Tăng ích Tăng ích tổng
riêng phần

(b)

Độ định hƣớng tổng
Độ định hƣớng
riêng phần
(c)

Hình 1.3. Các định nghĩa về độ tăng ích và độ định hướng:
(a) các thuật ngữ, (b) độ tăng ích, (c) độ định hướng.

Phân cực
Trong đa số phép đo kiểm, phân cực ít đƣợc quan tâm. Ta bỏ qua sự phức tạp của
môi trƣờng dị hƣớng và coi sự phân cực là để nhận dạng hƣớng của trƣờng điện. Ngoài
ra, vấn đề cần quan tâm là dải đo tại một tần số ở mỗi thời điểm mà ở đó chỉ có một phân


11

cực đơn. Trong trƣờng hợp này, các véc tơ trƣờng điện và véc tơ trƣờng từ là trực giao
với nhau và trực giao với phƣơng truyền sóng. Sự phân cực mô tả hƣớng của véc tơ
trƣờng điện khi nó biến thiên theo thời gian. Quỹ tích các đỉnh véc tơ này tạo thành một
đƣờng elip, hình dạng và hƣớng (chiều quay) biểu diễn sự phân cực nhƣ đƣợc minh họa
trên hình 1.4(c). Nếu véc tơ trƣờng điện nằm trong mặt phẳng chứa phƣơng truyền sóng,
hình elip sẽ biến thành đƣờng thẳng và phân cực sẽ trở thành phân cực thẳng. Nếu biên độ
của véc tơ là hằng số theo thời gian, đƣờng elip trở thành đƣờng tròn và phân cực trở

thành phân cực tròn. Lƣu ý rằng chiều quay đƣợc xác định dựa vào hƣớng truyền sóng
(dọc theo trục z) và quan sát chiều quay tại một điểm cố định trên trục z theo thời gian.
Hƣớng sang phải hay sang trái tƣơng ứng với quay xuôi hay ngƣợc chiều kim đồng hồ.
Mô tả phân cực nhƣ sự biến thiên từng phần một cách tức thời dẫn đến tình huống rắc rối
khi mà hƣớng bên phải lại quay ngƣợc chiều kim đồng hồ dọc theo tuyến truyền khi đó
hƣớng tay phải sẽ tƣơng ứng với đƣờng xoắn ốc bên tay trái. Trong thực tế, xảy ra vấn đề
là đƣờng xoắn ốc của Hình 1.4(b) không quay theo thời gian nhƣ nguyên tắc xoắn đinh ốc
mà chuyển dịch toàn bộ theo phƣơng z. Vì thế ta chỉ quan tâm đến biến thiên theo thời
gian [2], [7].
Khái niệm hữu ích nhất là một trƣờng của bất kỳ phân cực nào có thể biểu diễn qua
tổng của hai thành phần trực giao, có thể là tuyến tính, tròn hoặc elip. Ví dụ, một véc tơ
phân cực elip bất kỳ E tại tần số f có thể tách thành 2 thành phần Ex và Ey:
E  E x cos(2f .t ) x  E y cos(2f .t   ) y

nếu chọn mốc thời gian là giá trị max của trục x ở thời điểm hiện tại. Sớm pha  xác định
mức mà ở đó phân cực không còn là tuyến tính. Nếu giá trị này bằng 0, Ex và Ey đơn giản
là hình chiếu của trƣờng đỉnh trên 2 trục. Phân cực tròn xảy ra khi 2 thành phần này bằng
nhau và  = ±  /2.
Ví dụ:
E  E x cos(2f .t   ) x  E y cos(2f .t     / 2) y

ở đó, độ trễ pha  đƣợc sử dụng để sao cho có cùng tham chiếu thời gian.

Trƣờng điện
Hƣớng truyền sóng
(a)


12

Hƣớng truyền sóng
(b)
Thành phần đứng
Thành phần ngang

(c)

Phân cực thẳng

Phân cực tròn

Phân cực elip

Hình 1.4. Định nghĩa phân cực: (a) phân cực thẳng, (b) phân cực tròn (bên trái),
(c) trường tại một mặt phẳng cố định, quay theo phương truyền sóng.

Bất kỳ phân cực nào cũng có thể chia đều thành các thành phần tròn bên phải và
bên trái. Hình 1.5 so sánh 2 phƣơng pháp này trong việc xây dựng phân cực elip bất kỳ.
Nói rộng ra, việc xây dựng này có thể dẫn đến việc lấy đạo hàm của mặt cầu Poincaré
trong hình 1.6, mà trên bề mặt mặt cầu này đã xác định vị trí tất cả các phân cực có thể có.
Ngoài việc đƣa ra cái nhìn một cách trực quan, tính hữu dụng của mặt cầu là sự phân tách
2 điểm trên mặt cầu xác định phạm vi trực giao của hai phân cực. Sự phân tách giữa phân
cực phát xạ và phân cực mong muốn xác định hiệu suất phân cực. Nếu góc giữa hai điểm
trên mặt cầu đƣợc định nghĩa là 2  thì hiệu suất là  =cos2  . Với hai điểm đối xứng,
 =900 và  =0. Với các điểm nằm trong ¼ đƣờng tròn, hoặc là tròn, hoặc là đƣờng thẳng,
 =450 và  =1/2. Phân cực tuyến tính thƣờng đƣợc biểu diễn qua tỷ lệ trục, việc quay trục

(nghiêng) trong mặt phẳng và chiều quay.

13
LH
V

RH

H

LH

(a)

(b)

Hình 1.5. Các thành phần trong phân cực elip:
(a) tuyến tính, (b) tròn.
Phân cực tròn-Bên trái
Phân cực thẳng 135 0
Ar
2α

C
2γ
2δ

Thẳng đứng-Phân cực thẳng

w

2β

D

L
Chéo(450)-Phân cực thẳng
Nằm ngang-Phân cực thẳng
Phân cực tròn-Bên phải
Hình 1.6. Hình cầu Poincaré biểu diễn phân cực bất kỳ.

Phân cực phụ thuộc vào hướng tính của anten.
Nếu anten phụ thuộc vào việc biểu diễn phân cực một cách chính xác thì ta phải
chú ý đến mối liên hệ giữa tọa độ phân cực và tọa độ của anten. Hệ tọa độ cầu truyền
thống cho anten đƣợc mô tả trong hình 1.7. Thông thƣờng phân cực đứng giống nhƣ các
vòng tròn lớn mà ở đó  là hằng số (hoặc phƣơng vị) và phân cực ngang là các hình nón
với  là hằng số (ngẩng). Hai phân cực này luôn trực giao với nhau [5].
Các khái niệm có thể phụ thuộc vào việc phát hoặc thu sóng. Với bất kỳ một
hƣớng nào trong không gian, quy ƣớc để sử dụng khi biểu diễn elip phân cực là một hệ


14

thống tọa độ hình chữ nhật có một trục tƣơng ứng với hƣớng truyền sóng, trục ngang và
trục đứng trực giao với nó. Độ nghiêng của elip đƣợc tính từ trục ngang. Căn nguyên của
một số nhầm lẫn là do hƣớng truyền sóng đảo chiều ta phải quan sát các tọa độ ngƣợc
hƣớng nên góc nghiêng cũng thay đổi theo. Hình 1.8 so sánh các tín hiệu phát và thu. Nếu
elip truyền nghiêng 1000, thì tốt nhất elip thu cũng nghiêng một góc tƣơng ứng, nhƣng
góc đó sẽ đƣợc gán là 1800-1000=800 trong hệ tọa độ mới. Chiều sẽ không đổi khi quan
sát đúng hƣớng và trạng thái của anten thu tƣơng tự nhƣ trạng thái khi nó đóng vai trò là
anten phát.
y



 
r 




z
x



(b)

(a)

Hình 1.7. Các hệ tọa độ được sử dụng: (a) Đề các, (b) Cầu.

Nếu phân cực của sóng thu đƣợc không phù hợp với phân cực của anten thu thì suy
hao sẽ đƣợc tính thông qua hiệu suất phân cực.
Nghiêng

Nghiêng

Thu
Phát
Hình 1.8. Phân cực Elip với các tín hiệu phát và thu

15

1.3. Một số mô hình đo lƣờng anten [7].
Tiêu chí xuyên suốt quá trình xây dựng mô hình đo lƣờng anten là pha và biên độ
phải đồng nhất trong khoảng khẩu độ cần đo. Một số mô hình đƣợc xây dựng theo các
phƣơng thức khác nhau nhƣ minh họa trong hình 1.9. Mô hình ngẩng và mô hình mặt đất
là các mô hình đo đạc trƣờng xa và phụ thuộc vào từng anten cụ thể để tạo ra mặt phẳng
pha. Các mô hình nhỏ (compact ranges) mô phỏng mô hình kích thƣớc vô hạn bằng các
bộ phản xạ, thấu kính, loa hoặc dãy để có thể tạo ra mặt phẳng pha từ nguồn. Các mô hình
trƣờng gần tận dụng ƣu điểm về khả năng tính toán của các mô hình hiện đại để tính toán
đồ thị bức xạ từ dữ liệu khảo sát thu đƣợc từ khẩu độ anten.

(a)

(b)

Vật liệu hấp thụ

(c)

Hình 1.9. Một số mô hình đo đồ thị bức xạ cơ bản:
(a) Mô hình ngẩng, (b) Mô hình phản xạ đất,
(c) Mô hình nhỏ (Compact range-Hệ đo trong nhà)


16

Mô hình ngẩng tránh đƣợc hiện tƣợng phản xạ do mặt đất nằm ngoài búp sóng
chính của nguồn hoặc anten đo. Các mô hình phản xạ đất thì ngƣợc lại, nguồn đƣợc đặt

phía trên một bề mặt phẳng vì thế tất cả tia phản xạ đều đến từ một điểm ảnh. Các mô
hình nhỏ và trƣờng gần thƣờng sử dụng với môi trƣờng trong nhà và cần số lƣợng lớn vật
liệu hấp thụ nhằm hạn chế sự phản xạ.
Một số trƣờng hợp riêng phát sinh khi các phƣơng pháp cơ bản không phù hợp.
Một số anten thì quá lớn và mỏng (có lẽ phù hợp trong vũ trụ) do đó chúng không thể
quay đƣợc. Trong trƣờng hợp đó, việc di chuyển nguồn (Hình 1.10(a)) là thích hợp. Có
thể lắp đặt các anten khác tại vị trí mà nguồn sóng trời phù hợp cho việc đo kiểm đơn giản
nhất (Hình 1.10(b)). Trong trƣờng hợp radar, dữ liệu bức xạ quan trọng có thể đạt đƣợc
bằng cách quan sát sự di chuyển của các mục tiêu giống nhƣ sự quay anten.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.10. Cấu hình một số mô hình cơ bản:
(a) nguồn di chuyển, (b) máy bay và vệ tinh, (c) mặt trời và sao

1.3.1. Mô hình ngẩng.
Hình 1.11 minh họa một mô hình ngẩng điển hình. Anten cần đo thƣờng hoạt động
nhƣ một máy thu. Máy phát thƣờng đặt tại anten nguồn, mặc dù các mô hình cự ly ngắn


17

có thể có các tuyến truyền dẫn sóng RF giữa các tháp đo. Tần số phát thƣờng đƣợc lựa
chọn tại vị trí thu với các đƣờng điện thoại hoặc các đƣờng tƣơng đƣơng để truyền lệnh
tới máy phát. Có thể thực hiện điều chỉnh độ phân cực truyền dẫn từ xa. Tại nơi thu sử
dụng một anten so sánh để thu mẫu của tín hiệu phát để điều chỉnh máy thu theo cách thủ

công hoặc tự động. Anten so sánh cũng có thể cho phép chuẩn pha.
Anten cần đo (AUT-Antenna Under Test) đƣợc gá trên một bệ có một hoặc nhiều
trục quay. Lối ra anten điều khiển một máy thu (thƣờng khá nhạy), dải hẹp để triệt nhiễu
và có độ tuyến tính cao. Lối ra máy thu có thể là dạng tƣơng tự hoặc số để điều khiển một
máy ghi và thƣờng là máy tính để lƣu dữ liệu.
Mô hình ngẩng phụ thuộc vào chiều cao tháp đo sao cho phản xạ đất nằm ngoài
búp chính của anten nguồn và anten cần đo. Các góc này phụ thuộc vào chiều dài của mô
hình. Thông thƣờng, chiều dài tối thiểu của mô hình cho mặt pha phẳng là 2D2/λ, trong đó
D là kích thƣớc lớn nhất của anten. Hạn chế gây ra chủ yếu là do các trục quay. Với các
anten cỡ lớn, 2D2/λ có thể hàng ngàn feet gây khó khăn trong việc tháp đo làm sao đủ cao
để có góc rộng.
Anten so sánh

Bộ phát
Bộ định vị
Bộ thu

Bộ ghi

Tính toán

Đƣờng điện thoại

Điều khiển

Hình 1.11. Các thành phần cơ bản trong mô hình ngẩng


18

1.3.2. Mô hình phản xạ đất.
Xét một mô hình phản xạ đất ở đó bề mặt giữa các tháp đo là phẳng nhƣ minh họa
trên hình 1.12. Anten nguồn đƣợc đặt trên một bề mặt và bề mặt này hoạt động giống nhƣ
mặt gƣơng. Tia phản xạ đƣợc xem nhƣ đến từ một nguồn ảnh và tín hiệu kết hợp có tâm
biểu kiến gần mặt đất phía dƣới anten nguồn. Phản xạ đất ở vị trí khác sẽ không đi tới
anten cần đo. Trong mô hình này tháp đo cao và anten cao là không cần thiết, nhƣng
anten nguồn và anten cần đo phải có chiều cao sao cho nguồn và ảnh của nó tạo thành
một chùm có đỉnh tại vị trí anten cần đo.

Hình 1.12. Mô hình phản xạ đất

1.3.3. Mô hình kích thước nhỏ.
Đo lƣờng anten yêu cầu AUT thu sóng đồng phẳng. Yêu cầu này có thể đạt đƣợc
trong trƣờng xa với chiều dài mô hình r>2D2/λ, mà trong nhiều trƣờng hợp khoảng cách
này là rất lớn. Mô hình kích thƣớc nhỏ có thể tạo ra trƣờng sóng phẳng với cự ly ngắn
giống nhƣ yêu cầu của mô hình trƣờng xa. Với kích thƣớc nhỏ nên mô hình này có thể
đƣợc thực hiện trong nhà. Trong mô hình này, sóng phẳng đƣợc tạo ra từ một tấm phản xạ
parabol lớn.

~
Hình 1.13. Mô hình kích thước nhỏ


19

Tấm phản xạ cho phép chuyển đổi sóng mặt cầu sang mặt pha phẳng gần với khẩu
độ của nó. AUT đƣợc đặt gần với khẩu độ của tấm phản xạ để thu sóng đồng phẳng. Có
một vài hệ số ảnh hƣởng đến hiệu suất của mô hình kích thƣớc nhỏ: độ chính xác bề mặt,
nhiễu xạ tại gờ của tấm phản xạ, các hiệu ứng khử cực…Khi thiết kế tấm phản xạ thì độ
chính xác bề mặt đóng vai trò rất quan trọng trong việc giảm sự biến thiên về biên độ và

pha của sóng phẳng phản xạ. Sự nhiễu xạ tại các gờ của tấm phản xạ có thể đƣợc hạn chế
bằng việc tạo ra các khía răng cƣa trên các gờ đó. Khắc phục các hiệu ứng khử cực bằng
cách sự dụng hệ thống Cassegrain hoặc tăng tiêu cự của tấm phản xạ. Phản xạ khác trong
phòng đƣợc hạn chế bằng cách phủ lên tƣờng các vật liệu hấp thụ.
1.3.4. Các mô hình trường gần.
Các mô hình trƣờng gần đã đƣợc phát triển nhanh chóng thay thế cho các mô hình
đo ngoài trời và tạo nên một sự thay đổi rõ rệt trong việc thiết kế các mô hình đo đó là
đƣa máy tính vào xử lý số liệu. Số liệu đƣợc thu thập từ một trong số các hệ tọa độ nhƣ
minh họa trên hình 1.13 đã chỉ ra. Đồ thị bức xạ trƣờng xa có thể tính toán từ dữ liệu
trƣờng gần.

(a)

(b)

(c)

~

Hình 1.14. Các mô hình trường gần: (a) phẳng, (b) hình trụ, (c) hình cầu

Với hệ tọa độ cầu, để quay anten đo nhƣ trong mô hình trƣờng xa là hợp lý và khá
thuận tiện. Tuy nhiên, việc tính toán đồ thị bức xạ từ dữ liệu trƣờng gần trên bề mặt cầu là
khá dài. Với hệ tọa độ trụ, cả đầu đo và anten đo đều di chuyển và việc tính toán đơn giản
hơn. Trong hệ phẳng anten đo là cố định, ngoại trừ trƣờng hợp khẩu độ lớn. Việc tính
toán là đơn giản và có thể thực hiện một cách nhanh chóng.
Tất cả các kỹ thuật đo trƣờng gần yêu cầu việc kiểm soát lỗi một cách nghiêm ngặt
để có thể cho kết quả nhƣ mong đợi. Số lƣợng các phép đo lớn và tốn thời gian.

20

CHƢƠNG 2
PHƢƠNG PHÁP DÙNG BỘ LỌC PHẦN MỀM
ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO
Để nâng cao độ chính xác phép đo luận văn đề cập đến phƣơng pháp dùng bộ lọc
phần mềm trong hệ thống đo lƣờng anten. Việc sử dụng bộ lọc phần mềm có thể giải
quyết các vấn đề sau:
 Sự mất đối xứng của các búp sóng bên và các búp sóng phía sau.
 Không thể đo chính xác điểm Null trong anten xung đơn.
 Độ chính xác của búp sóng bên thấp khi thực hiện đo đạc với trƣờng gần.
 Các mô hình có những gợn sóng rất lớn.
 Các phép đo với tỷ lệ trục không chính xác trên anten phân cực đơn.
2.1. Khái niệm bộ lọc phần mềm.
Bộ lọc phần mềm là một bộ lọc số đƣợc ứng dụng cho dữ liệu đo đƣợc sau quá
trình thu thập và lƣu trữ số liệu. Bộ lọc này tách tín hiệu mong muốn từ anten cần đo và
loại bỏ những tín hiệu không mong muốn thu đƣợc trƣớc và sau tín hiệu của anten cần đo
(AUT-Antenna Under Test). Một vài ví dụ về các tín hiệu không mong muốn: phản xạ
đất, tƣờng, trần nhà và sàn nhà trong phòng kín và các đáp ứng đa đƣờng khác.

Hình 2.1. Tín hiệu đa đường không mong muốn.