Vật lý vô tuyến, Điện tử học, Anten mạng pha, Phương pháp số

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


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

Chuyên ngành:
Mã số:

Vật lý Vô tuyến và Điện tử
62440105

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh
2. PGS.TS. Phạm Quốc Triệu

Hà nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
cơng bố trong bất kỳ cơng 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 hƣớng dẫn TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh và
PGS.TS Phạm Quốc Triệu đã trực tiếp hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình em
trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Em xin đƣợc 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, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên em đã đƣợc bộ môn tạo điều kiện
hết sức thuận lợi về thời gian công tác cũng nhƣ khai thác, sử dụng các thiết
bị hiện đại nhƣ máy phân tích phổ, máy phát chức năng, dao động ký số …
Em xin cảm ơn vì sự giúp đỡ q báu đó.
Để hồn thành luận án của mình, em gửi lời cảm ơn tới các Thầy Cơ

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
CHƢƠNG 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 chƣơng 1 và chỉ ra vấn đề nghiên cứu của luận án .............. 35

CHƢƠNG 2 TỐI ƢU HĨA XỬ LÝ TÍN HIỆU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ
......................................................................................................................... 37
2.1

Thuật tốn thích nghi .......................................................................... 37

2.1.1 Giới thiệu về bài tốn thích nghi .................................................. 37
2.1.2 Mạng anten thích nghi .................................................................. 39
2.1.3 Thuật tốn di truyền trong bài tốn thích nghi ............................. 47
2.1.4 Thuật tốn di truyền song song .................................................... 55

1


2.2

Thuật tốn ƣớc lƣợng hƣớng sóng tới ................................................ 66

2.2.1 Giới thiệu các thuật toán ƣớc lƣợng ............................................. 67
2.2.2 Thuật toán MUSIC ....................................................................... 71
2.2.3 Sử dụng tính tốn song song cho thuật toán MUSIC ................... 76
2.3

Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 83

CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TRƢNG HƢỚNG
NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ .............................. 85
3.1

Phƣơng pháp đo lƣờng anten .............................................................. 85

3.1.1 Đo trực tiếp trƣờng xa .................................................................. 86
3.1.2 Đo gián tiếp qua trƣờng gần ......................................................... 87
3.1.3 Một số phƣơng pháp đo đặc trƣng hƣớng tự động....................... 89
3.2

Sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số để đo nhanh đặc trƣng hƣớng của

anten mạng pha số bằng phƣơng pháp quay pha ......................................... 92
3.2.1 Thuật tốn tạo búp sóng số bằng quay pha số.............................. 92
3.2.2 Phƣơng pháp đo nhanh ................................................................. 95
3.2.3 Kết quả thực nghiệm ................................................................... 96
3.3

Kết luận chƣơng ................................................................................. 99

CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................... 100
4.1

Thuật toán di truyền song song ........................................................ 100

4.1.1 Trƣờng hợp 1 nguồn nhiễu ở -20o .............................................. 101

4.1.2 Trƣờng hợp 1 nguồn nhiễu ở 30o ............................................... 102
4.1.3 Trƣờng hợp 2 nguồn nhiễu tại -20o và 30o ................................. 103
4.1.4 Nhận xét ..................................................................................... 104
4.2

Tính tốn song song cho thuật toán MUSIC .................................... 105

4.3

Kết luận chƣơng 4 ............................................................................ 107

KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 109

2


DANH MỤC CÁC CƠNG 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

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ADC

- Analog Digital Converter

- Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số

ADN

- Acid Deoxyribo Nucleic

- Phân tử mang thông tin di truyền

DAC

- Digital Analog Converter

- Bộ chuyển đổi số - tƣơng tự

DSP

- Digital Signal Processing

- Xử lý tín hiệu số

FPGA - Field Programmable Gate Array

- Trƣờng 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 phƣơng 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 tốn 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
dữ liệu

Streams
SIMD - Single Instruction Multiple Data

- Đơn dòng lệnh đơn, đa dòng dữ
liệu

Streams
MISD - Multiple Instruction Single Data

- Đa dòng lệnh đơn, đơn dòng dữ
liệu

Streams

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

Streams

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Một số thơng 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 mơ phỏng thuật tốn 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 cơng suất về nguồn nhiễu khi sử dụng thuật
toán di truyền song song ................................................................................. 65
Bảng 2.4 Tham số sử dụng trong mơ phỏng thuật tốn 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 tốn (s) của thuật tốn MUSIC sử dụng tính
tốn song song trong trƣờng hợp =0.005...................................................... 81
Bảng 2.7 Số liệu về thời gian tính tốn (s) của thuật tốn MUSIC sử dụng tính
tốn song song trong trƣờng hợp =0.001...................................................... 81
Bảng 4.1 Kết quả tính tốn độ lệch pha giữa các phần tử............................. 101
Bảng 4.2 Kết quả tính tốn độ lệch pha giữa các phần tử (góc nhiễu = 30 độ)
....................................................................................................................... 102
Bảng 4.3 Kết quả tính tốn độ lệch pha giữa các phần tử............................. 103

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 (a) Lƣỡng cực anten nửa bƣớc sóng; (b) Đặc trƣng bức xạ ............. 13
Hình 1.2 Sơ đồ mạng tuyến tính cách đều ...................................................... 14
Hình 1.3 Phƣơng pháp hình học véc-tơ mặt phẳng phức ............................... 16
Hình 1.4 Đặc trƣng hƣớng 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 Cơng nghệ Qn sự ............................................................................. 31
Hình 1.8 Đặc trƣng hƣớng 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 hƣởng 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 hƣớng 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 tốn của thuật tốn di truyền......................................... 50
Hình 2.8 Anten thích nghi sử dụng thuật tốn di truyền với 3 nguồn nhiễu ở
các góc -60o, -30o và 30o ................................................................................. 53
Hình 2.9 Kết quả 3 mơ hình khác nhau của thuật tốn di truyền.................... 54
Hình 2.10 Mơ hình tính tốn 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 tốn vào số lƣợng chip và tỷ
lệ song song hóa .............................................................................................. 58
Hình 2.13 Kiến trúc SISD ............................................................................... 60
Hình 2.14 Kiến trúc SIMD .............................................................................. 60

6


Hình 2.15 Cấu trúc MIMD .............................................................................. 61
Hình 2.16 Mơ hình thực hiện thuật tốn di truyền song song......................... 63
Hình 2.17 Sử dụng thuật toán di truyền song song với 4 nguồn nhiễu ........... 65
Hình 2.18 Ƣớc lƣợng hƣớng tới sử dụng thuật tốn Bartlett trong trƣờng hợp
2 nguồn tín hiệu ............................................................................................... 69
Hình 2.19 Ƣớc lƣợng hƣớng tới sử dụng thuật tốn Capon trong trƣờng hợp 2
nguồn tín hiệu .................................................................................................. 70
Hình 2.20 Sơ đồ khối của thuật tốn MUSIC ................................................. 74
Hình 2.21 Kết quả mô phỏng ƣớc lƣợng hƣớng tới sử dụng thuật tốn MUSIC
với 3 nguồn tín hiệu tại -35o, 0o và 40o ........................................................... 75
Hình 2.22 Kết quả mơ phỏng ƣớc lƣợng hƣớng 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 tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song .................. 78
Hình 2.24 Mơ phỏng của thuật tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song .... 80
Hình 2.25 Thời gian tính tốn của thuật toán MUSIC với =0.005 trong các
trƣờng hợp: sử dụng từ 1 đến 4 máy tính. ....................................................... 82

Hình 2.26 Thời gian tính tốn của thuật tốn MUSIC với =0.001 trong các
trƣờng hợp: sử dụng từ 1 đến 4 máy tính. ....................................................... 82
Hình 3.1 Mơ tả trƣờng xa và trƣờng gần của anten ........................................ 85
Hình 3.2 Sơ đồ đo giản đồ hƣớng trực tiếp từ trƣờng xa ................................ 86
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý đo trƣờng gần ........................................................ 87
Hình 3.4 Ba phƣơng pháp dịch chuyển trong đo trƣờng gần.......................... 88
Hình 3.5 Mơ hình đo đặc trƣng hƣớng gián tiếp từ trƣờng gần qua phân tích
tín hiệu trên mặt cầu[41] ................................................................................. 89
Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống đo đặc trƣng hƣớng anten ORBIT/FR [49] ............ 91
Hình 3.7 Kết quả đo đặc trƣng hƣớng sử dụng ORBIT/FR [49] .................... 91
Hình 3.8 Sơ đồ khối của anten mạng pha số ................................................... 92

7


Hình 3.9 Quay búp sóng chính của anten mạng pha số sử dụng phƣơng pháp
quay pha - biểu diễn dƣới dạng phẳng ............................................................ 94
Hình 3.10 Quay búp sóng chính của anten mạng pha số sử dụng phƣơng pháp
quay pha - biểu diễn dƣới dạng cầu ................................................................ 95
Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống để đo nhanh đặc trƣng hƣớng ............................... 96
Hình 3.12 Bố trí đo đặc trƣng hƣớng sử dụng phƣơng pháp đo nhanh .......... 97
Hình 3.13 Kết quả đo đặc trƣng hƣớng nhanh của anten mạng pha số .......... 98
Hình 4.1 Sơ đồ thiết lập đo đặc trƣng hƣớng để khảo sát thuật tốn di truyền
....................................................................................................................... 101
Hình 4.2 Đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật tốn di
truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc -20 độ ........................................... 102
Hình 4.3 Đặc trƣng hƣớng 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 trƣng hƣớng 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 tốn MUSIC ................................................. 105
Hình 4.6 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC: Trƣờng hợp nguồn phát
ở góc -30 và 20 độ ......................................................................................... 106
Hình 4.7 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC: Trƣờng hợp nguồn phát
ở góc -20 và 30 độ ......................................................................................... 106
Hình 4.8 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC: Trƣờng hợp nguồn phát
ở góc -30, 20 và 60 độ ................................................................................... 107

8


MỞ ĐẦU
Lý thuyết anten mạng pha đã đƣợc nghiên cứu từ khá lâu và đã đƣợc đƣa
vào ngành nghiên cứu vũ trụ từ những năm 50 - 60 từ thế kỷ trƣớc. Tuy nhiên
việc phức tạp trong tính tốn, xử lý cũng nhƣ kích thƣớc cồng kềnh ở dải sóng
làm việc khiến ứng dụng bị hạn chế.
Sự phát triển nhƣ vũ bão của công nghệ điện tử, công nghệ số, sự ra đời
của các bộ vi xử lý tốc độ cao cũng nhƣ việc nghiên cứu sử dụng hiệu quả các
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 ƣu điểm của
nó nhƣ: 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.
Ngƣời 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.
Ngồi những vấn đề chung về ngun lý đƣợc cơng bố, do bí mật cơng
nghệ chế tạo, tính tốn và mục đích sử dụng nên thơng tin về cơng nghệ thiết
kế, chế tạo rất hạn chế. Thực tế ở Việt Nam cũng hầu nhƣ chƣa có cơ sở hoặc

cá nhân nghiên cứu và đi sâu vào công nghệ chế tạo anten. Tuy anten mạng
pha đã đƣợc đƣa vào sử dụng trong các khí tài qn 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 cơng trình nghiên cứu nhằm xây dựng các
phƣơng pháp tính tốn, 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

9


bƣớc 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 chƣơng và kết luận:
Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết anten mạng pha, anten mạng
pha số cũng nhƣ các giai đoạn trong công nghệ, q trình chế tạo anten mạng
pha. Trong đó tập trung vào những ƣu 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 tốn của thuật tốn di truyền, áp dụng trong
anten thích nghi để loại bỏ ảnh hƣởng các nguồn nhiễu cố định, biết trƣớc
bằng cách đặt cực tiểu công suất máy thu để giảm ảnh hƣởng của hƣớng có
nhiễu. Tăng tốc thời gian tính tốn trong q trình ƣớc lƣợng hƣớng tới của
tín hiệu sử dụng thuật tốn MUSIC trên các hệ thống tính tốn song song.
Chương 3 tập trung vào vấn đề đo lƣờng, kiểm tra quá trình chế tạo
anten. Chƣơng này trình bày về phƣơng pháp đo giản đồ hƣớng mới có khả
năng đƣa ra kết quả nhanh có thể ứng dụng đƣợc trong kiểm tra quá trình chế
tạo anten mạng pha số.
Chương 4 áp dụng các kết quả tính tốn và mơ phỏng của các chƣơng 2
và chƣơng 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 ngồi nƣớc đã có. Đặc biệt nhấn mạnh tới tính tối ƣu trong việc
cải thiện các thuật tốn thích nghi, thuật tốn ƣớc lƣợng hƣớng tín hiệu tới và
tính hiệu quả của phƣơng pháp đo nhanh giản đồ hƣớng.
Về vai trị 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

10


Quân sự và Trƣờng đại học Kinh tế Kỹ thuật Budapet - Hungary.
Luận án đã đề xuất và cải tiến bài tốn thích nghi và bài tốn ƣớc lƣợng
hƣớng tới của anten mạng pha số. Tính tốn, thực hiện mơ phỏng trên anten
có số lƣợng lớn các phần tử trƣớc 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
phƣơng pháp đo mới có thể ứng dụng trong kiểm tra nhanh anten mạng pha
số sau khi chế tạo cũng đƣợc áp dụng trên phần cứng anten này.
Tuy nhiên luận án mới chỉ đạt đƣợc những kết quả khiêm tốn làm cơ sở
ban đầu, chắc chắn rằng chúng sẽ đƣợc xem xét rộng hơn trong quá trình phát
triển nghiên cứu ứng dụng anten mạng pha ở Việt Nam.

11


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ANTEN
MẠNG PHA SỐ CHO TUYẾN THU BĂNG X
Anten mạng pha số là anten đƣợc tạo thành mạng các chấn tử mà pha
của mỗi phần tử trong mạng có thể đƣợc điều khiển độc lập bằng phƣơng

pháp điều khiển số. Điều khiển phƣơng 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 khơng những đặc trƣng hƣớng của anten có thể
thay đổi một cách linh hoạt mà cịn có khả năng tăng cơng suất phát xạ theo
hƣớng có ích, nâng cao khả năng chống nhiễu bằng phƣơng pháp điều khiển
số. Do vậy, công nghệ chế tạo anten mạng pha số ngồi việc đƣa ra mơ hình,
thiết kế, các thiết bị phần cứng… ta còn phải xây dựng các phần mềm tính
tốn 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. Đƣợc đƣa vào thực
nghiệm đầu tiên vào năm 1905 bởi Karl Ferdinand Braun [23] sau đó đƣợc
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 đƣợc xây dựng dựa trên ý tƣởng của anten lƣỡng cực nửa
bƣớc sóng [44], gồm hai chấn tử phát xạ đặt cách nhau một nửa bƣớc sóng
(Hình 1.1a). Trong đó, mỗi chấn tử phát xạ sẽ bức xạ sóng điện từ theo tất cả

12


mọi hƣớng. Tuy nhiên, khi kết hợp hai chấn tử lại với nhau thì sẽ có sự khác
biệt về đặc trƣng bức xạ do khi bức xạ theo các hƣớng khác nhau thì sóng
điện từ phát ra từ các chấn tử khác nhau sẽ có độ lệch pha khác nhau. Nhƣ
trong Hình 1.1a ta thấy với sóng điện từ bức xạ theo vng góc với trục của
anten thì hai sóng cùng pha nên cộng hƣởng với nhau, tuy nhiên thành phần

theo phƣơng song song thì ngƣợc pha nhau nên triệt tiêu lẫn nhau. Tƣơng tự
nhƣ vậy, với các phƣơng bức xạ khác sẽ có cƣờng 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 trƣng hƣớng phù hợp với nhu cầu sử dụng. Khơng chỉ vậy, để
thay đổi đặc trƣng hƣớng ta cịn có thể sử dụng các phƣơng pháp khác nhƣ
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 trƣng
hƣớng của anten. Dựa vào phƣơng pháp đƣợc sử dụng để thay đổi đặc trƣng
hƣớng từ các phần tử, ta có thể phân loại anten mạng ra làm hai loại là anten

13


mạng tƣơng tự và anten mạng pha số.
Anten mạng cũng có thể đƣợc phân loại thành anten tuyến phát, anten
tuyến thu và anten hỗn hợp. Tuy nhiên, việc phân loại này chỉ mang tính chất
tƣơng đối bởi q 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
đƣờng thẳng. Đƣờng thẳng này gọi là trục của hệ thống. Do sự giao thoa
trƣờng của các phần tử trong hệ nên tính định hƣớng chung của hệ tăng lên.

Thơng thƣờng ngƣời ta dùng các nguồn phát xạ đồng nhất, định hƣớng nhƣ
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 cƣờng độ bức xạ của mạng có thể viết dƣới dạng [1]:
E

ik e jkR
f ( , )
4 R

(1.1)

Giả sử hệ thống mạng gồm N phần tử cùng loại đặt cách đều với nhau
khoảng cách d. Các phần tử đƣợc kích thích bởi dịng mà quan hệ của nó với
dịng trong phần tử thứ nhất đƣợc xác định bởi:
.

a

.
In
 an ei n
I1

Khi đó hàm đặc trƣng hƣớng của mạng đƣợc xác định bởi: [1]

14

(1.2)


N

.

f ( , )  f N ( , )  f ( , ) a n eik ( n1) d cos i n

(1.3)

n 1

Với f 1 ( , ) là đặc trƣng hƣớng của một phần tử.
Nếu dịng kích thích cho các phần tử có biên độ bằng nhau, cịn góc pha
giữa hai phần tử liên tiếp lệch nhau một đại lƣợng không đổi bằng  nghĩa là:

I 2  I1ei
I 3  I1ei 2
........
I n  I1ei ( n1)
Thì:

an  1; n  (n  1)

(1.4)

Cơng thức (1.3) bây giờ có thể viết:
N

f N  f 1  ei ( n1)

(1.5)

  kdcos 

(1.6)

n 1

Trong đó:
Hàm đặc trƣng hƣớng tổng hợp trong trƣờng hợp này sẽ là:
N

f KN   ei ( n1)

(1.7)

n 1

Khi ấy biểu thức cƣờng độ trƣờng bức xạ của mạng ở công thức (1.1)
đƣợc viết lại dƣới dạng:
ik eikR
E
f 1 f KN
4 R

Nếu chú ý rằng số hạng

(1.8)

ik eikR
f1 là cƣờng độ trƣờng bức xạ của phần
4 R

tử thứ nhất của mạng thì:

15


E  E1 f KN

(1.9)

E  E1 f KN

Ta thấy (1.7) có dạng một cấp số nhân, số hạng đầu có giá trị bằng 1,
cơng bội bằng ei . Có thể tính giá trị của đặc trƣng hƣớng tổ hợp f KN bằng
cách áp dụng công thức đã biết đối với tổng các số hạng của cấp số nhân. Tuy
nhiên cũng có thể lấy tổng (1.7) bằng phƣơng pháp hình học véc-tơ trong mặt
phẳng phức. Khi ấy mỗi số hạng của (1.7) có thể đƣợc biểu diễn bởi một véctơ đơn vị. Véc-tơ thứ nhất (ứng với n  1 ) sẽ trùng với trục thực, còn các véctơ tiếp theo sẽ quay so với trục thực một góc bằng (n  1) . Nếu   0 thì
hƣớng quay thuận chiều kim đồng hồ (Hình 1.3)

Hình 1.3 Phương pháp hình học véc-tơ mặt phẳng phức
Để xác định mơ-đun của véc-tơ tổng cần tính bán kính  của vịng trịn
ngoại tiếp với đa giác tạo bởi các véc-tơ. Ta có:



1

2sin


2

Biết bán kính  sẽ tính đƣợc mơ-đun của véc-tơ tổng (mô-đun của hàm
đặc trƣng hƣớng) dựa vào tam giác cân có đáy là véc-tơ tổng cịn góc ở đỉnh
bằng N .

16


( f KN ) m  2  sin

sin

N
2

N


2
sin
2

Hàm đặc trƣng hƣớng biên độ tổ hợp bằng:
sin
f KN 

N
2

sin



(1.10)

2

Argument của f KN đƣợc xác định bằng hình học, theo (Hình 1.3) nó có
giá trị bằng:
( N  1)
2

(1.11)

N 1
(kdcos   )
2

(1.12)

arg f KN 

Thay  bởi (1.6) ta có:
arg f KN 

Từ cơng thức (1.12) có thể thấy rằng khi  thay đổi, nghĩa là khi dịch

chuyển điểm khảo sát quanh tâm pha của phần tử thứ nhất mà ta chọn làm gốc
toạ độ, thì pha của f KN cũng biến đổi liên tục. Điều đó chứng tỏ gốc toạ độ
đƣợc chọn ban đầu không phải là tâm của anten mà nằm chính giữa hệ thống
anten [1]:
z0 

( N  1)d
2

(1.13)

Bây giờ ta khảo sát chi tiết hơn đối với hàm đặc trƣng của mạng tổ hợp

f KN . Nếu cho d , N các giá trị nhất định thì hàm tổ hợp sẽ chỉ phụ thuộc vào
 . Điều đó chứng tỏ đặc trƣng hƣớng của hàm tổ hợp trong khơng gian sẽ là

một khối trịn xoay mà các trục của nó trùng với trục của hệ thống.
Cực đại chính của đặc trƣng hƣớng (1.10) sẽ có giá trị bằng N khi   0 ,
hoặc khi   k 2 (k là số nguyên). Điều này cũng nhận thấy khi khảo sát đồ

17


thị véc-tơ ở Hình 1.3. Khi   0 , tất cả các véc-tơ đơn vị sẽ nằm trên cùng
một đƣờng thẳng và có hƣớng trùng với hƣớng của véc-tơ đơn vị đầu tiên. Vì
vậy véc-tơ tổng có mơ-đun bằng N. Khi   0 đồ thị véc-tơ là một đƣờng gẫy
khúc. Nếu đƣờng gẫy khúc khép kín, véc-tơ tổng có giá trị bằng khơng. Góc
 thoả mãn điều kiện trên sẽ xác định một trong các hƣớng bức xạ không của

hàm đặc trƣng hƣớng.

Nếu hàm đặc trƣng hƣớng biên độ tổ hợp (1.10) có thể đƣợc chuẩn hố
bằng cách chia cho

N

là giá trị cực đại của nó thì:
sin
FKN 

N
2

N sin



(1.14)

2

Ở đây FKN là hàm số của góc  , đƣợc biểu thị qua biến số trung gian

 , còn số phần tử bức xạ N đƣợc coi nhƣ là một thơng số.
Với mỗi N có giá trị nhất định, (1.14) sẽ là một hàm có chu kỳ bằng 2 .
Thật vậy, khi thay  bằng giá trị   2 thì FKN trở lại giá trị ban đầu. Ví
dụ khi N=5, dạng của đồ thị hàm số FKN đƣợc vẽ ở Hình 1.4. Trong khoảng
  2 đến   2 hàm FKN có ba cực đại chính và một số cực đại phụ.

18

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 FKN khi  biến
thiên trong giới hạn thực của nó. Do tính đối xứng của mạng, ta chỉ cần khảo
sát đặc trƣng hƣớng trong một nửa mặt phẳng, nghĩa là trong giới hạn của 
từ 00 đến 1800 , còn trong nửa mặt phẳng kia (  1800  3600 ) , đồ thị phƣơng
hƣớng sẽ nhận đƣợc bằng cách lấy đối xứng qua trục. Khi  biến thiên từ 00
đến 1800 , cos sẽ thay đổi trong giới hạn 1 . Vì vậy giới hạn biến đổi của 
đƣợc xác định theo (1.6) nhƣ sau:

kd     kd 

(1.15)

Để ví dụ, ta khảo sát giới hạn của  trong trƣờng hợp N=5 (đồ thị Hình

19


1.4). Giả sử cho

d



 0,5 ;   0.2 thì (kd   )  

4
6
và (kd   ) 

.
5
5

Khi ấy giới hạn của hàm phƣơng hƣớng đƣợc biểu thị trong khoảng gạch chéo
trên hình vẽ.
Nếu trên đồ thị của hàm biên độ tổ hợp FKN , điểm   0 nằm trong
khoảng giới hạn xác định bởi (1.15) thì khi thoả mãn điều kiện   kd ,
hƣớng cực đại chính của đồ thị phƣơng hƣớng trong nửa mặt phẳng thứ nhất
đƣợc xác định từ phƣơng trình:

kd cosM   0
cos M  

Do đó


kd

(1.16)
(1.17)

Sau đây ta sẽ khảo sát các trƣờng hợp cụ thể:
Trƣờng hợp   0 (hệ thống bức xạ đồng pha).
Ta có:   kd cos
Hƣớng cực đại chính đƣợc xác định theo (1.17) bằng:

M  



2

(1.18)

Đặc trƣng hƣớng biên độ tổ hợp (1.10) trong trƣờng hợp này có dạng:

f KN

 Nkd

sin 
cos 
 2


 kd

sin  cos 
 2


(1.19)

Đặc trƣng hƣớng biên độ tổ hợp chuẩn hoá đƣợc xác định theo (1.14)
bằng:

FKN

 Nkd


sin 
cos 
 2


 kd

N sin  cos 
 2


20

(1.20)


Ta có biểu thức biên độ cƣờng độ trƣờng bức xạ của hệ thống đƣợc xác
định theo (1.9):
 Nkd

sin 
cos 
 2

E  E1
 kd

sin  cos 
 2


(1.21)

Theo hƣớng cực đại chính, nghĩa là theo hƣớng   900 ta có:

E  N E1 . Kết quả này đƣợc giải thích nhƣ sau:
Khi điểm khảo sát nằm trên các hƣớng   900 và ở xa vơ 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 khơng.
Theo giả thiết, mạng đƣợc kích thích bởi các dòng điện đồng pha nên sai pha
dòng điện cũng bằng khơng. Vì vậy đặc trƣng hƣớng tổng cộng theo hƣớng
vng góc sẽ là tổng đại số biên độ đặc trƣng hƣớng của các phần tử riêng rẽ
và có giá trị cực đại bằng N lần trƣờng bức xạ của một phần tử.
Hƣớng bức xạ không của đặc trƣng hƣớng đƣợc xác định từ điều kiện:
kd cos0  

Ta có:

cos0  

2m
N

m
với m  1,2...
Nd

(1.22)

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.
Trƣờng hợp số phần tử N khá lớn và đƣợc phân bố trên một khoảng chiều dài
đủ lớn, ta có thể xác định độ rộng búp sóng chính theo cơng thức gần đúng từ
cơng thức (1.22).

 0  

21


2

 01