Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu một loại anten mảng phản xạ mới cho phép điều khiển hướng bức xạ thông qua việc điều khiển trạng thái ON/OFF của phần tử chuyển mạch. Anten mảng phản xạ được cấu tạo bởi các phần tử phản xạ cho phép điều khiển pha thông qua điều khiển độ dài 2 dây vi dải.
ANTEN MẢNG PHẢN XẠ BIT CHO TRUYỀN THÔNG VỆ TINH ANTEN MẢNG PHẢN XẠ BIT CHO TRUYỀN THÔNG VỆ TINH Hồng Phúc Định, Nguyễn Bình Dương Trường Đại học Quốc Tế, ĐHQG-HCM; Tóm tắt: Bài báo giới thiệu loại anten mảng phản xạ cho phép điều khiển hướng xạ thông qua việc điều khiển trạng thái ON/OFF phần tử chuyển mạch Anten mảng phản xạ cấu tạo phần tử phản xạ cho phép điều khiển pha thông qua điều khiển độ dài dây vi dải Phần tử phản xạ tối ưu để để trở thành phần tử bit, cung cấp trạng thái pha với bước pha 90° tần số 12 GHz với phần tử chuyển mạch Kết mô cho thấy pha phản xạ tuyến tính với tổn hao thấp Mẫu anten mảng phản xạ chế tạo để kiểm chứng tính tốn lý thuyết Kết đo đạc chứng minh anten mảng phản xạ cho phép thay đổi hướng xạ với việc thay đổi trạng thái ON/OFF phần tử chuyển mạch Keywords: Anten mảng phản xạ; phần tử phản xạ; anten có độ lợi cao; anten điều khiển hướng xạ; anten cho vệ tinh I đẶT VấN đỀ Anten có độ lợi cao (high gain) thiết bị quan trọng hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh hệ thống Radar với mục tiêu tập trung lượng vào hướng mong muốn Trong đó, anten mảng phản xạ với cơng nghệ vi dải lựa chọn tốt cho hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh hệ thống Radar có ưu điểm: cung cấp độ lợi cao, gọn, nhẹ, tổn hao thấp Khác với anten gương cầu (parabolic antenna) cổ điển, anten mảng phản xạ có cấu trúc phẳng cấu tạo mảng phần tử anten vi dải cung cấp lượng Tác giả giả liên liênlạc: lạc:Nguyen NguyenBinh BinhDuong, Duong,email: Tác email:nbduong@hcmiu.edu.vn; nbduong@hcmiu.edu.vn; Đến tòa soạn: 05/1/2017, chỉnh Đến 20/1/2017, tòa soạn: 05/1/2017, sửa: chấp nhận đăng: 09/3/2017 chỉnh sửa: chấp đăng: 09/3/2017 Nghiên cứu20/1/2017, tài trợnhận Trường Đại học Quốc Gia Nghiên cứu tàicótrợ Đại học Quốc Gia TP.HCM (VNU-HCM) mãbởi sốTrường 138/QĐ–ĐHQG-KHCN TP.HCM (VNU-HCM) có mã số 138/QĐ–ĐHQG-KHCN Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 66 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG nguồn phát xạ đặt tiêu cự Nguyên lý hoạt động anten mảng phản xạ dựa vào khả bù pha phần tử anten mảng phản xạ (hay phần tử phản xạ) với mục tiêu bù vào lệch pha phần tử quãng đường khác từ nguồn phát đến phần tử anten phản xạ Với việc sử dụng công nghệ vi dải, anten thấu kính phẳng có khả cho phép linh kiện điện tử varactor, RF-MEMS, PIN diode tích hợp vào phần tử anten để thay đổi pha phần tử phản xạ nhằm thay đổi hướng xạ Đây ưu điểm lớn anten mảng phản xạ Hiện nay, anten mảng phản xạ với khả thay đổi hướng xạ điện tử đầu tư nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu ngày cao truyền thông vệ tinh môi trường di động: radio, TV vệ tinh, internet băng thông rộng qua vệ tinh sử dụng môi trường di động tàu thủy, ôtô, xe lửa, máy bay Anten cho ứng dụng đòi hỏi phải nhỏ, gọn dễ dàng lắp đặt phương tiện di động phải có khả thay đổi hướng xạ tự động để đảm bảo đường truyền trình di động [1] Mặt khác, điều khiển hướng xạ điện tử có nhiều ưu điểm so với điều khiển hướng xạ khí cho phép thay đổi hướng xạ với tốc độ cao, không bị rung không cần bảo dưỡng thường xuyên Đối với anten mảng phản xạ cho phép điều khiển hướng xạ điện tử có số cơng trình nghiên cứu [2]-[6] Các linh kiện gắn bề mặt phần tử phản xạ gắn phía sau phần tử xạ Việc linh kiện gắn bề mặt có ưu điểm cấu trúc đơn giản, có nhược điểm cần không gian cho việc thiết kế dây dẫn điện cung cấp cho linh kiện Với cấu trúc phần tử phản xạ trình bày [4]-[6], pha phản xạ thay đổi theo chiều dài dây vi dải Linh kiện điện tử gắn vào dây vi dải để điều khiển pha phản xạ thông qua việc điều khiển điện áp đầu vào linh kiện Ưu Số - (CS.01) 2016 Hồng Phúc Định, Nguyễn Bình Dương điểm lớn cấu trúc linh kiện điện tử không nằm mặt phẳng phản xạ, cách ly với phần tử phản xạ Do đó, cấu trúc cho phép tạo nhiều không gian cho việc thiết kế hệ thống cấp điện điều khiển linh kiện hệ thống cấp điện hồn tồn khơng tác động đến xạ anten Mặc dù vậy, cấu trúc phần tử phản xạ trình bày [4]-[6] cho phép điều khiển pha với dây vi dải Vì với N phần chuyến mạch cho phép N+1 bước pha Trong thời gian gần đây, loại phần tử có cấu trúc dựa cảm ứng điện từ từ phần tử phát xạ hình chữ C với dây vi dải thông qua khe hở hình vành khuyên nghiên cứu [7] Với loại phần tử này, pha phản xạ điều khiển độc lập dây vi dải Nguồn phát xạ II Cấu Trúc phần tử phản xạ cho anten mảng phản xạ Hình trình bày cấu trúc phần tử phản xạ cho anten mảng phản xạ Phần tử phản xạ cấu tạo từ vật liệu Duroid có điện mơi xếp chồng lên nhau, có kích thước h1 =3.175 mm h2=0.787 mm Một anten vi dải hình chữ C nằm bề mặt mặt vật liệu thứ nhất, khe hở hình vành khuyên nằm lớp chung mạch Ở mạch thứ hình tròn nối với dây vi dải Dây vi dải anten chữ C trao đổi lượng qua khe vành khuyên Hướng xạ (θ, φ) Phần tử phản xạ Bề mặt phản xạ Hình Cấu trúc anten mảng phản xạ Nhờ vào đặc điểm đó, phần tử loại tạo nhiều bước pha so với nghiên cứu [4][6] với số lượng linh kiện điện tử chứng minh [8] Trong nội dung báo, kế thừa kết đạt [8], chúng tơi sử dụng phần tử phản xạ hình chữ C để thiết kế anten mảng phản xạ làm việc tần số trung tâm 12 GHz Phần tử phản xạ cung cấp trạng thái pha phản xạ với bước pha 90° (2 bit) với phần tử chuyển mạch Một mẫu anten mảng phản xạ thiết kế, chế tạo đo đạc để kiểm chứng khả năng, ưu điểm phần tử phản xạ điều khiển hướng xạ thông qua việc điều khiển trạng thái ON/ OFF phần tử chuyển mạch Hình Cấu trúc phần tử phản xạ Như trình bày [8], pha phản xạ điều khiển thông qua điều khiển độ dài dây vi dải Chính linh kiện điện tử chuyển mạch PIN diode, RF-MEMS tích hợp tích dây vi dải để điều khiển pha theo trạng thái ON/OFF linh kiện Điều sở để thiết kế phần tử phản xạ 2-bit cung cấp trạng thái pha tương ứng 0°, 90°, 180°, 270° Hình thể phần tử phản xạ tương ứng với trạng thái pha với việc sử dụng linh kiện điện tử chuyển mạch Các dây vi dải chia thành đoạn tách rời Các linh kiên điện tử chuyển mạch gắn vào đoạn Khi linh kiện trạng thái OFF, đoạn vi dải tách rời Trong trường hợp linh kiện trang thái ON, đoạn dây nối với Việc thay đổi ON/OFF linh kiện tạo khả kết hợp dây vi dải, tương ứng với trang thái pha Kích thước phần tử phản xạ trình bày Bảng I Phần tử phản xạ thiết kế với tần số làm việc trung tâm 12 GHz Số - (CS.01) 2016 Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 67 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ANTEN MẢNG PHẢN XẠ BIT CHO TRUYỀn THÔNG VỆ TINH L4 L3 Rc L1 L2 W (a) (b) (c) (d) Hình Bốn trạng thái pha phản xạ phần tử a) Trạng thái (00); b) Trạng thái (01); c) Trạng thái (10); d) Trạng thái (11) Bảng I Thông số kích thước phần tử phản xạ Khoảng cách phần tử (mm) a = 18 Phần tử chữ C (mm) Rout = 4.6, Rin = 2.5, t = 1.0 Khe hở vành khuyên (mm) R’out = 3.8, R’in = 3.5 Tấm tròn (mm) Rc = 1.5 Bản mạch (mm) h1 = 3.175 εr=2.2, tanδ = 0.0009 Bản mạch (mm) h2 = 0.787 εr=2.2, tanδ = 0.0009 Dây vi dải (mm) W=1 L1=3.2; L2=5.7 L3=2.7 ; L4=6.5 -50 Pha phản xạ (0) -150 -200 -250 Trạng thái Trạng thái Trạng thái Trạng thái -300 -350 11.6 11.8 12.0 12.2 12.4 TÇn sè (GHz) (a) -0.4 Biên độ phản xạ (dB) -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 Trạng thái Trạng thái Trạng thái Trạng thái -1.0 -1.1 -1.2 Hỡnh th pha phản xạ tổn hao phần tử phản xạ tương ứng với trạng thái pha tối ưu trình bày bảng I Kết mô cho thấy pha phản xạ trạng thái kề khác 90° tần số làm việc trung tâm 12 GHz Sự sai lệch 90° pha khơng giữ tần số xa tần số trung tâm Điều giải thích khơng tuyến tính pha phần tử phản xạ đặc biệt trường hợp độ dài dây vi dải đối xứng lớn trạng thái (1,0) (0,1) Tổn hao phần tử thấp 0.8 dB cho toàn dải tần từ 11.5 GHz-12.5 GHz Tổn hao gây tổn hao vật liệu, tổn hao dây vi dải xạ ngồi khơng gian III Thiết kế anten mảng phản xạ -100 -400 Phần tử phản xạ phân tích tối ưu thông qua phần mềm mô HFSS ANSYS Trong thiết kế, phần tử không mô tách rời phần tử mà phải mô mảng phần tử phản xạ Điều cho phép phần tử phân tích tồn diện với ảnh hưởng của phần tử bên cạnh 11.6 11.8 12.0 12.2 12.4 TÇn sè (GHz) (b) Hình Kết mô phần tử phản xạ dải tần (11.5-12.5 GHz); (a) pha phản xạ; (b)biên độ phản xạ Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 68 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Sau phần tử phản xạ tối ưu, phần tử kết hợp với để tạo thành anten mảng phản xạ Một anten mảng phản xạ với 8x12 phần tử phản xạ thiết kế, chế tạo đo đạc nhằm đánh giá khả làm việc phần tử phản xạ Hình thể mẫu thử nghiệm anten mảng phản xạ Nguồn phát xạ anten loa đặt tọa độ xf=-54 mm, yf =0 mm, zf=200 mm, lệch so với tâm bề mặt phản xạ góc θ=-15° để giảm che chắn sóng phản xạ Độ lệch so với phương vng góc θ=-15° để phân biệt với hướng xạ θ=15° anten thiết kế nội dung Nguyên lý hoạt động anten mảng phản xạ dựa chế bù pha, để lượng tập trung vào hướng xạ (θ,φ), pha phản xạ phần tử phản xạ phải thỏa mãn cơng thức (1) Trong đó: xi, yi tọa độ phần tử thứ i, xf, yf, zf tọa độ nguồn phát xạ, φ(xi, yi) pha phải xạ phần tử i có tọa độ xi,yi Số - (CS.01) 2016 Hồng Phúc Định, Nguyễn Bình Dương Như trình bày bên trên, anten mảng phản xạ cấu tạo phần tử phản xạ cung cấp giá trị pha phản xạ tương ứng với 0°, 90°, 180° 270° Chính thế, pha phản xạ ψ phần tử i tính từ cơng thức (1) lượng tử hóa sau: ψ(xi,yi) =0° -45°