Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng

g của anten phần tử. Căn cứ vào các công thức tính toán đặc tính búp sóng của anten mảng (1.43), (1.44) và (1.45); căn cứ vào tần số lựa chọn; để kích thước anten mảng không quá lớn mà vẫn đáp ứng được độ rộng búp sóng theo phương xoy, yoz và vùng quét của AĐKBS; các tham số thiết kế cho anten mảng được lựa chọn như sau: mảng bốn phần tử, khoảng cách d giữa các phần tử xấp xỉ nửa bước sóng, độ rộng búp sóng theo phương xoy và yoz của phần tử ~60 và ~100. Ngoài ra, từ góc quét yêu cầu ước tính độ lệch pha φ giữa các nguồn cấp cho từng phần tử trong mảng, làm tiêu chí để thiết kế mạch dịch pha cho AĐKBS. Giải pháp thiết kế anten phần tử lưỡng cực mạch in Như đề xuất ở trên, anten phần tử được lựa chọn là loại anten lưỡng cực mạch in, để giản đồ bức xạ đẳng hướng hoàn hảo việc lựa chọn anten lưỡng cực mạch in nửa bước sóng là giải pháp hiệu quả. Không những thế anten lưỡng cực mạch in nửa bước sóng có hiệu suất bức xạ cao. Thêm vào đó, loại anten phần tử trên có thể điều chỉnh được hình dạng búp sóng đảm bảo đúng yêu cầu của AĐKBS đề xuất, dựa trên việc thêm vào cấu trúc những chấn tử phản xạ hoặc dẫn xạ cho anten. 49 Anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng Nguyên lý hoạt động của anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng (LC-ĐaH) tương tự như anten lưỡng cực dây. Chiều dài cánh bức xạ L của anten đặc trưng cho tần số cộng hưởng và hình dáng giản đồ bức xạ, chiều rộng cánh bức xạ W tỷ lệ với bán kính dây a của anten lưỡng cực dây (a = 0,25W) có mối ràng buộc mật thiết với độ rộng băng thông của anten. Mối quan hệ giữa hai loại anten này được Balanis [95] mô tả trên Hình 2.1: Hình 2.1: Lưỡng cực mạch in tiếp điện trung tâm và lưỡng cực dây tương đương Tương tự như anten lưỡng cực dây, sự phân bố dòng điện trên anten lưỡng cực mạch in sẽ cho biết đặc tính bức xạ cũng như các thông số về trở kháng bức xạ, trở kháng vào của anten. Các nghiên cứu [176] đã tính toán, phân tích phân bố dòng điện và trở kháng vào của anten lưỡng cực mạch in dựa trên biểu thức Pocklington với phương pháp moment. Trở kháng vào của anten được tính toán dựa trên các tham số chất nền và kích thước của anten lưỡng cực mạch in theo công thức (2.1) [177]. Cấu trúc của anten lưỡng cực mạch in tiếp điện trung tâm được mô tả cụ thể trong Hình 2.2. Hình 2.2: Cấu trúc anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng   8 120 1in L Z ln A jB W         (2.1) trong đó :         sinh 2 sin 2 cosh 2 cos 2 L L A L L          ;         sinh 2 sin 2 cosh 2 cos 2 L L B L L          L : Chiều dài cánh bức xạ; W : chiều rộng cánh bức xạ;  : hệ số tổn hao; β : hệ số truyền sóng trong môi trường chất điện môi. 50 Với cấu trúc như Hình 2.2, việc tiếp điện cho lưỡng cực mạch in đảm bảo giữ được tính cân bằng về điện cho hai cánh bức xạ nhằm giữ nguyên đặc trưng của anten lưỡng cực là điều cần thiết. Để giải quyết vấn đề này, bộ tạo cân bằng tín hiệu vi dải ở đầu ra (gọi là balun) được đề xuất dựa trên nguyên lý balun dây của W.Roberts [178]. Balun có nhiệm vụ chuyển tiếp cấu trúc truyền sóng không đối xứng sang đối xứng, cấp nguồn cho hai cánh bức xạ của anten lưỡng cực mạch in. Trên Hình 2.3 mô tả sơ đồ tương đương của balun và tính toán trở kháng theo các công thức (2.2), (2.3) và (2.4). Theo công thức (2.4), để đạt được phối hợp trở kháng hoàn hảo và băng thông rộng, các tham số của balun phải thỏa mãn yêu cầu sau: Lf2 = Lb = λ/4 hay θ = θf2 = θb = 90°. Hình 2.3: Cấu trúc của anten LC-ĐaH tích hợp balun hình chữ “J” và sơ đồ tương đương của balun. Anten lưỡng cực mạch in nửa bước sóng được thiết kế tại tần số trung tâm 2,45GHz trên chất nền Roger RO4003 với các thông số: bề dày chất nền h = 0,8mm, bề dày lớp đồng t = 0,035mm, hằng số điện môi r = 3,55 và hệ số suy hao điện môi tan = 0,0027. Các tham số kích thước của anten đề xuất được chỉ ra trong Bảng 2.1. M = - j Zf2 cotgθf2 ; N = j Zb tgθb (2.2) L in L N Z Z M N Z     (2.3) 2 2 b b L in f f b b L j Z tg Z Z j Z cotg j Z tg Z              (2.4) 51 Bảng 2.1: Các tham số kích thước của anten LC-ĐaH Cánh bức xạ (mm) Balun (mm) L W g Lb Wb Wsg Lf1 Lf2 Ws 21.56 4.01 1.5 23 4.01 7 9.5 23 4.01 Hình 2.4 là kết quả S11 khá tương ứng giữa mô phỏng và đo, băng thông rộng 500 MHz, hệ số tăng ích mô phỏng là 2 dBi, hiệu suất tổng đạt 98%. Anten LC-ĐaH được thiết kế chế tạo với kích thước tổng 45×62mm như Hình 2.5. Hình 2.4: Kết quả mô phỏng, đo của hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐaH a) Mặt trên b) Mặt dưới Hình 2.5: Hình ảnh anten LC-ĐaH được chế tạo Nếu sử dụng LC-ĐaH, anten mảng có góc mở dải quạt rộng như trình bày trong mục 3.2, điều này không phù hợp với mục tiêu đặt ra cho AĐKBS dải quạt hẹp ~90. Để giảm góc mở dải quạt của AĐKBS, cần phải giảm góc mở theo phương yoz của LC-ĐaH xuống ~ 100, do đó cần thiết kế thêm các thanh phản xạ trình bày ở mục b và dẫn xạ ở mục c trong phần tiếp theo, để điều chỉnh độ rộng búp sóng theo phương yoz phù hợp với tiêu chí đặt ra cho AĐKBS. Anten lưỡng cực mạch in định hướng Đối với các ứng dụng yêu cầu khoảng cách truyền tín hiệu xa và theo hướng xác định thì giản đồ bức xạ của anten được yêu cầu là loại bức xạ định hướng. Để đạt 52 được điều này cần thêm một mặt phản xạ hoặc một chấn tử phản xạ cho anten mạch in là hai cách phổ biến được sử dụng. Hình 2.6 là mô hình anten lưỡng cực định hướng (LC-ĐiH) xuất phát từ anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng đã thiết kế chế tạo trong Hình 2.5. Khi thiết kế thêm thanh chấn tử phản xạ, đặt sau cánh bức xạ một khoảng cách bằng một phần tư bước sóng cho anten LC-ĐaH tạo nên anten LC-ĐiH. Do đó, giản đồ bức xạ từ đa hướng chuyển thành định hướng trực giao với cánh bức xạ. Tham số của chấn tử phản xạ được xác định thông qua nguyên lý tương hỗ. Mối quan hệ giữa dòng tích cực của cánh bức xạ chủ động (I1) và dòng cảm ứng trên các chấn tử thụ động (I2) được thể hiện trong công thức (2.5). 2 1 iI ae I  (2.5) 2 2 2 2 12 12 22 22( ) ( )a R X R X    (2.6) 12 22 12 22 ar ar X X ctg ctg R R                 (2.7) Trong đó, R12 và X12 là phần thực và phần cảm của trở kháng tương hỗ giữa chấn tử bức xạ và chấn tử phản xạ; R22 và X22 là phần trở và phần cảm của tổng trở riêng của chấn tử phản xạ. Nếu 22 22 ar X ctg R       > 0 chấn tử là phản xạ hay X22 > 0 (độ dài của chấn tử lớn hơn nửa bước sóng), nếu 22 22 ar X ctg R       < 0 chấn tử dẫn xạ hay X22 < 0 (độ dài của chấn tử nhỏ hơn nửa bước sóng). Khoảng cách giữa chấn tử phản xạ và cánh bức xạ thường (0,15 ÷ 0,25) [149], trong thiết kế đã chọn chiều dài chấn tử phản xạ bằng 0,25g. Sau quá trình tính toán lựa chọn, các tham số của anten LC-ĐiH thể hiện trong Bảng 2.2, hiệu suất tổng mô phỏng đạt 97,7%. Anten được mô phỏng, chế tạo và đo kiểm đạt kết quả như Hình 2.6 và Hình 2.7. Hình 2.6: Cấu trúc của anten LC-ĐiH và hình ảnh chế tạo 53 Anten cũng được thiết kế tại tần số trung tâm 2,45 GHz trên chất nền Roger RO4003 với các thông số: bề dày chất nền h = 0,8mm, bề dày lớp đồng t = 0,035mm, hằng số điện môi r = 3,55 và hệ số suy hao điện môi tan = 0,0027. Các tham số kích thước của anten được cho trong Bảng 2.2. Bảng 2.2: Các tham số kích thước của anten LC-ĐiH; đơn vị mm Cánh bức xạ Balun Chấn tử phản xạ L W g Lb Wb Wsg Lf1 Lf2 Wf Lg Wg 23,5 4,2 1,5 18 4,2 4,2 22 16 2 20 10 Kết quả mô phỏng và đo hệ số S11 của anten LC-ĐiH được mô tả trên Hình 2.7.a. Anten có băng thông trong dải 2,36 ÷ 2,6 GHz. Giản đồ bức xạ định hướng có dạng hình dải quạt độ rộng búp sóng của LC-ĐiH theo phương xoy là 67, theo phương yoz là 118 và hệ số tăng ích 6,4 dBi. Kích thước tổng của anten LC-ĐiH sau khi chế tạo là 45×62 mm. Hình 2.7: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐiH Theo Hình 2.7.b cho thấy, giản đồ bức xạ của LC-ĐiH có dạng hình dải quạt hẹp theo phương xoy và rộng theo phương còn lại (yoz). Đây là đặc điểm lợi thế của anten LC-ĐiH để tích hợp trong AĐKBS mảng pha dải quạt được nói tới trong mục 3.2 của chương 3. Như vậy, LC-ĐiH chưa đạt được yêu cầu về độ rộng búp sóng theo phương xoy ~ 60 và phương yoz ~100 của anten phần tử cho anten mảng. Do đó cần tăng độ định hướng thêm cho anten, thu hẹp búp sóng theo các phương dẫn tới anten phần tử dẫn xạ sẽ được đề cập tới trong mục c. Anten lưỡng cực mạch in sử dụng chấn tử dẫn xạ Với cánh bức xạ chủ động đảm bảo tính chất nửa bước sóng, đồng thời giảm kích thước theo chiều ngang của anten, cánh bức xạ được thiết kế uốn cong. Bên cạnh đó còn giúp tăng độ định hướng theo phương trực giao với cánh bức xạ. Để tăng thêm 54 độ định hướng, các chấn tử dẫn xạ được thêm vào phía trước song song với cánh bức xạ như Hình 2.8 tạo thành anten lưỡng cực dẫn xạ mạch in (LC-DâX). Khoảng cách giữa các chấn tử dẫn xạ và cánh bức xạ thường (0,1 ÷ 0,35) [149]. Sau quá trình khảo sát dựa trên nguyên lý của anten lưỡng cực dẫn xạ thì X22 < 0 và dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn của phần mềm mô phỏng CST, các tham số của anten LC-DâX được lựa chọn như trong Bảng 2.3 tại các tần số 2,45GHz và 5GHz. Kết quả hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten thể hiện trong các Hình 2.9, Hình 2.10 và Hình 2.11. Hình 2.8: Hình ảnh nguyên lý và chế tạo của anten LC- DâX Bảng 2.3: Các tham số của anten LC- DâX tại 2,45GHz; đơn vị mm Cánh bức xạ Balun Thành phần định hướng Tham số Giá trị Tham số Giá trị Tham số Giá trị Larm 23,3 Wbalun 2,1 Ldirec 30 Warm 4,2 La 20 Wdirec 4,2 Ls 23 Lb 15,1 y1 14 (0,15g) g 0,7 Wfeed 4,2 y2 14 (0,15g) hsub 0,8 Lgnd 7 Lsub 74 Wgnd 24 Wsub 57,1 Hình 2.9: Hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC- DâX tại dải tần 2,45GHz 55 Đặc điểm của LC- DâX vẫn duy trì các tính chất của anten dẫn xạ thông thường khi tăng số chấn tử dẫn xạ thì độ tăng tích cũng tăng theo. Việc tối ưu LC- DâX làm các tham số như Lgnd, Larm, Lfeed, g, Warm, Ldirec thay đổi không đáng kể khi tăng số chấn tử dẫn xạ yi ( i =1, 2, 3n). Kết quả về băng thông và hệ số tăng ích được biểu diễn trong Bảng 2.5. Hệ số tăng ích càng cao thì kích thước của anten càng lớn, với LC- DâX có 2 chấn tử dẫn xạ nhận được tăng ích là 7,37 dBi tại 2,45GHz và 7,64 dBi tại 5GHz. Bảng 2.4: Các tham số của anten LC-DâX tại 5GHz; đơn vị mm Cánh bức xạ Balun Thành phần định hướng Tham số Giá trị Tham số Giá trị Tham số Giá trị Larm 11,4 Wbalun 2,1 Ldirec 15 Warm 2,1 La 10,1 Wdirec 2,1 Ls 11,5 Lb 8 y1 7 (0,15g) g 0,7 Wfeed 2,1 y2 7 (0,15g) hsub 0,8 Lgnd 3,5 Lsub 37 Wgnd 12 Wsub 29 Bảng 2.5: Băng thông và hệ số tăng ích của anten LC-DâX khi thay đổi số lượng chấn tử dẫn xạ (n) tại tần số trung tâm 5GHz n BW [MHz] Tăng ích [dBi] n BW [MHz] Tăng ích [dBi] 0 770 6,03 5 580 8,77 1 592 7,00 6 470 9,28 2 500 7,64 7 450 9,64 3 450 8,18 8 588 9,81 4 820 8,43 9 582 9,89 Hình 2.10: Cấu trúc anten LC-DâX nhiều chấn tử dẫn xạ và hệ số S11 của các anten lưỡng cực tại dải tần 5GHz 56 Hình 2.11: Giản đồ bức xạ của các anten LC-ĐaH, LC-ĐiH, LC-DâX gồm 2, 8 chấn tử dẫn xạ tại dải tần 5GHz Sau khi nghiên cứu, đề xuất các loại anten lưỡng cực mạch in phần tử như trình bày ở trên. Các loại anten và hình dạng búp sóng của chúng đã được tổng hợp và xem xét để đưa ra lựa chọn phù hợp cho những AĐKBS đề xuất trong những phần tiếp theo. Anten LC-DâX hoạt động tại dải 2,45GHz với 2 chấn tử dẫn xạ sẽ được đề xuất làm anten phân tử của AĐKBS mảng pha dải quạt hẹp khi đáp ứng được yêu cầu về hình dạng búp sóng đã đề ra: theo phương xoy 67 và 100  theo phương yoz. Thiết kế bộ dịch pha vi dải sử dụng ma trận Butler Với mạch vi dải có nhiều lựa chọn khác nhau để thiết kế mạch dịch pha, với mục đích tăng hiệu suất cho mạch, số cầu nối ít, loại bỏ phần tử chuyển mạch sử dụng PIN đi-ốt, luận án sử dụng bộ dịch pha ghép song song dựa trên ma trận Butler. Ma trận dịch pha Butler Hình 2.12: Cấu trúc chung của ma trận dịch pha Butler N×N Ma trận Butler có cấu trúc gồm N đầu vào và N đầu ra với N = 2l |(l =1, 2, 3,), mỗi đầu vào ứng với một độ lệch pha ở các đầu ra tương ứng theo công thức (2.8). 57 Với mỗi độ lệch pha ở các đầu ra sẽ tạo ra một búp sóng chính với góc quay tương ứng như công thức (2.9). Mạch dịch pha dựa trên ma trận Butler bao gồm: các bộ dịch pha cố định dựa theo chiều dài đường vi dải (22,5; 45; 67,5), bộ chia đôi nguồn vuông pha QPD và cầu nối chéo như ví dụ ở mạch Butler 4×4 trên Hình 2.13 và Butler 8×8 trên Hình 2.22. Nếu ma trận Butler N×N sẽ có l lớp với N = 2l |(l =1, 2, 3,), mỗi lớp có N/2 bộ QPD và N/2 bộ dịch pha cố định [179]. Nếu mảng có N phần tử, sẽ sử dụng ma trận dịch pha Butler N×N từ đó tạo ra N búp sóng. Độ lệch pha giữa các phần tử của mảng: 2 1 180 l N       (2.8) Góc quay của các búp sóng chính được xác định bởi: arccos kd           ; k = 2π/ (2.9) Nếu sử dụng ma trận Butler 4×4 thì độ lệch pha φ ở các đầu ra gồm: 45 ; 1 35    Nếu sử dụng ma trận Butler 8×8 thì 22,5 ; 67,5 ; 1 12,5 ; 157,5          Mạch dịch pha sử dụng ma trận Butler 4×4 tại tần số 2,45 GHz. Căn cứ vào góc quét, dải tần sử dụng và kích thước của AĐKBS như đã trình bày ở trên dẫn đến việc lựa chọn mảng bốn phần tử. Ứng với mảng bốn phần tử, mạch dịch pha Butler tương ứng với N = 4 gồm hai lớp, mỗi lớp hai bộ QPD, hai bộ dịch pha cố định. Để nối hai lớp với nhau cần hai cầu nối chéo như Hình 2.13 dưới đây: Bộ chia đôi nguồn vuông pha QPD: Bộ QPD hay còn gọi bộ lai có chức năng chia đôi nguồn và tín hiệu đầu ra lệch pha nhau một góc 90. QPD là mạch điện bốn cửa có bộ tham số S được xác định Hình 2.13: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler với N = 4 58 theo công thức (2.10) [180]. Các tham số về chiều dài và trở kháng được thiết kế như Hình 2.14.   0 1 0 0 0 11 1 0 02 0 1 0 QPD j j S j j              (2.10) Hình 2.14: Cấu trúc của bộ QPD và cầu nối chéo Kết quả mô phỏng các tham số của mạch QPD tại tần số trung tâm 2,45 GHz được thể hiện trong Hình 2.15.a, nhận thấy các tham số S11, S22 nhỏ và các tham số S31, S41 lớn phản ánh đường truyền hiệu suất cao từ các cổng 1, 2 ra cổng 3, 4. Kết quả tham số S12 hay S21 phản ánh sự cách ly giữa 2 cổng vào. Hình 2.15. b. là kết quả độ lệch pha giữa hai đầu ra của QPD bằng 90,2. Hình 2.15: Các tham số S và độ lệch pha giữa 2 cổng ra của bộ QPD Cầu nối chéo: Hình 2.14.b là cấu trúc của cầu nối chéo, đặc điểm của cầu này là truyền tín hiệu theo đường chéo: tín hiệu từ cổng 1 truyền sang cổng 4 và cách ly với hai cổng còn lại, tín hiệu từ cổng 2 truyền sang cổng 3 cách ly với hai cổng 1 và 4. Cầu nối chéo 59 có đặc điểm độ lệch pha giữa vào và ra bằng 0 hay tín hiệu vào và ra đồng pha nhau. Trường hợp đơn giản người ta có thể dùng cáp đồng trục để thay thế cầu này, tuy nhiên mối hàn sẽ làm suy giảm tín hiệu đáng kể so với đường vi dải không mối hàn. Các tham số về chiều dài và trở kháng được thể hiện rõ trên Hình 2.14.b. Cầu nối chéo là mạch bốn cửa, các bộ tham số S được mô tả theo công thức (2.11).   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 j j S j j             CÇu nèi chÐo (2.11) Hình 2.15.b thể hiện các tham số S khi đầu vào tích cực, tham số S11 rất nhỏ thể hiện tín hiệu truyền đi tốt, tín hiệu phản xạ nhỏ. Tham số S21 và S31 nhỏ thể hiện sự cách ly tín hiệu giữa các cổng này được đảm bảo. Thông số S41 phản ánh việc tín hiệu truyền từ cổng 1 đến cổng 4, trong dải tần từ 2,2 ÷ 2,4 GHz tín hiệu truyền rất tốt (-0,19dB tại 2,45GHz), các dải khác bị suy giảm dần. Trên Hình 2.15 cũng cho thấy tín hiệu vào và tín hiệu ra là cùng pha (độ lệch pha bằng 0) Bộ dịch pha cố định 45: Bộ dịch pha cố định 45 dựa trên sự trễ pha do chiều dài đường truyền vi dải, được thiết kế và kết quả mô phỏng độ lệch pha 45 º được thể hiện trong Hình 2.16. Hình 2.16: Cấu trúc bộ dịch pha 45º và kết quả mô phỏng của đường vi dải. Cấu trúc ma trận dịch pha Butler 4×4 gồm các phần tử cũng như việc phối hợp trở kháng được thực hiện trên Hình 2.17.a. Lựa chọn một trong bốn cổng vào sẽ hình thành bốn búp sóng tương ứng ở các vị trí được thể hiện trong Hình 2.13. Các hệ số phản xạ khi các đầu vào được tiếp điện lần lượt được thể hiện trên Hình 2.17.b. Từ 60 kết quả cho thấy bộ dịch pha có băng thông rộng BW = 500MHz, phối hợp trở kháng tốt trong dải 2,2 ÷ 2,7GHz. Hình 2.17: Cấu trúc của ma trận Butler 4×4 thiết kế và tham số S mô phỏng Sau khi mô phỏng, các tham số S của bộ dịch pha được thể hiện trên Hình 2.18, từ đó cho thấy hệ số truyền qua từ cổng vào tới các cổng ra và độ lệch pha giữa các cổng ra tương ứng với các đầu vào được tiếp điện. Các hệ số truyền qua xấp xỉ -6 dB và độ lệch pha giữa các đầu ra ~ ±45° và ±135° được tổng hợp lại trong Bảng 2.6. Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng độ lệch pha giữa các đầu ra của Butler 4×4 Cổng vào Cổng ra Độ lệch pha Cổng 5 Cổng 6 Cổng 7 Cổng 8 φ Cổng 1 0 º 41.3º 86.6º 132.3º ~ +45º Cổng 2 0 º -130.0º 87.6º -39.0º ~ -135º Cổng 3 0 º 125.8º -91.45º 38.3º ~ +135º Cổng 4 0 º -45.9º -91.18º -132.7º ~ -45º 61 Cổng 1 tích cực a) Hệ số truyền qua b) Độ lệch pha giữa các đầu ra Cổng 2 tích cực c) Hệ số truyền qua d) Độ lệch pha của các dầu ra Cổng 3 tích cực e) Hệ số truyền qua f) Độ lệch pha của các đầu ra Cổng 4 tích cực g) Hệ số truyền qua h) Độ lệch pha của các đầu ra Hình 2.18: Kết quả các tham số truyền qua và độ lệch pha giữa các đầu ra 62 Kết quả anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp Anten điều khiển búp sóng sử dụng phần tử anten lưỡng cực dẫn xạ mạch in tại tần số trung tâm 2,45GHz Sau khi tích hợp bốn anten phần tử LC-DâX vào mảng tuyến tính, thực hiện mô phỏng mảng không ghép bộ dịch pha. Xuất hiện sự lệch tần nhẹ của các anten phần tử trong mảng là do ảnh hưởng của hiện tượng tương hỗ giữa các phần tử gây nên. Sau khi hiệu chỉnh lại các tham số của anten phần tử trong mảng sao cho chúng cộng hưởng tại tần số trung tâm 2,45GHz tốt nhất, tiến hành ghép bộ dịch pha Butler 4×4. Để kiểm chứng nguyên lý thiết kế dựa trên việc mô phỏng sau đó tiến hành chế tạo và đo kiểm AĐKBS mảng pha. Hình ảnh AĐKBS mảng pha được chế tạo thể hiện trong Hình 2.19, anten được đo tại phòng thí nghiệm IMEP-LAHC, Đại học Greno- ble, Cộng hòa Pháp. Kết quả đo và mô phỏng tham số S tại các cổng vào của anten khá tương đồng được thể hiện trong Hình 2.20. Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ theo phương xoy và yoz của AĐKBS trình bày trong Hình 2.21. Mặt trên Mặt dưới Hình ảnh đo AĐKBS Hình 2.19: Hình ảnh AĐKBS mảng pha được chế tạo và đo kiểm Hình 2.20: Kết quả mô phỏng và đo bộ tham số S của AĐKBS đề xuất. 63 Hình 2.21: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS. Để đánh giá kết quả AĐKBS đề xuất với các nghiên cứu có liên quan trên thế giới được thể hiện trong Bảng 2.7. Các công bố trong bảng ở cùng dải tần thiết kế, cùng số lượng anten phần tử và có mạch dịch pha tương tự với đề xuất. Ưu điểm nổi bật của AĐKBS đề xuất có độ rộng búp sóng theo phương xoy của AĐKBS dải quạt đề xuất hẹp từ 21,5º ÷ 24,5º điều này là một trong những tiêu chí làm tăng độ chính xác trong định vị khi quét hay dò tìm đối tượng. Hệ số tăng ích của bốn búp từ 9,13 dBi đến 9,8 dBi cao hẳn so với các nghiên cứu [49-51] đối với công bố [48] giản đồ bức xạ dạng hình bút, năng lượng tập trung hơn nhiều so với anten đề xuất hình dải quạt, mặt khác chế tạo dựa trên chất nền Duroid 5880 tổn hao thấp hơn ba lần so với RO4003C nên tăng ích có cao hơn so với anten đề xuất. Bởi độ rộng búp sóng theo phương quét hẹp do đó góc quay cũng hẹp theo để tránh hiện tượng lọt khe khi dò đối tượng, góc quét gồm: -36º, -12º, +12º, +37º, do đó vùng quét của anten đề xuất là 97 phù hợp với yêu cầu thiết kế. Độ rộng búp sóng theo phương yoz của anten đề xuất trong khoảng: 60º ÷ 100º phù hợp với ứng dụng đã đề ra: (1) vùng phủ theo phương thẳng đứng rộng hơn, có thể dò được đối tượng ở các chiều cao khác nhau, điều này là những hạn chế của các công bố sử dụng anten phần tử tấm; (2) góc mở của dải quạt không quá rộng kết quả đo trong khoảng 60 ÷ 100 sẽ tránh được hiện tượng phản xạ lại từ sàn hay trần khi lắp đặt trong hệ thống, giảm thiểu tín hiệu đa đường. Hiệu suất tổng của AĐKBS lớn hơn 80%; băng thông rộng 400MHz (16,3%). Để đạt được tiêu chí về giản đồ bức xạ, hiệu suất cao và cấu trúc phẳng, anten lưỡng cực thiết kế dạng mảng tuyến tính ngang, khoảng cách giữ các phần tử phải lớn hơn nửa bước sóng dẫn đến hạn chế của AĐKBS đề xuất là kích thước của anten còn lớn 220mm×260mm. Ngoài ra búp sóng phụ của AĐKBS còn cao lên tới -6,8 dB. 64 Bảng 2.7: So sánh với các công bố khác có liên quan @ 2,4 GHz [48] 2009 [49] 2011 [50] 2013 [51] 2015 Đề xuất Góc quét (°) ± 14,3°; ± 47,8° ± 12°; -39°; +40° ± 15°; ± 45° ± 20°; ± 40° ± 12°; -36°; +37° HPBW (°) xoy 25,2 34,9 ÷ 60,6; 28; 30 33,8 ÷ 40,3 21,5 ÷ 24,5 yoz -- -- -- -- 60 ÷ 100 Glớn nhất (dBi) 11,4 6,6 ÷ 11,8 6 ÷ 7.5 3,94 ÷ 6,11 9,13  9,8 BW (MHz) 200 -- 600 100 400 Búp phụ (dB) -14 ÷ -8 -16 ÷ -3,1 -9,5 ÷ -5,5 -- -9,2 ÷ -6,8 Chất nền Duroid 5880 FR4 FR4 FR4 RO 4003C Hiệu suất 90% Thấp 70% Thấp 80% Cấu trúc Phẳng Không phẳng Không phẳng Không phẳng Phẳng Kích thước () (1,52×1,74) -- -- (2,1 × 2,29) (1,8 × 2,1) Anten điều khiển búp sóng sử dụng phần tử anten lưỡng cực dẫn xạ mạch in tại dải tần 5GHz Dựa trên cùng nguyên lý sử dụng ma trận dịch pha Butler, anten phần tử LC-DâX như mục a, với mục tiêu thu hẹp độ rộng búp sóng và tăng vùng phủ theo phương quét, trong mục này luận án đề xuất AĐKBS có thể được áp dụng cho chuẩn Wi-Fi thế hệ mới IEEE 802.11 ac. Xét về mọi phương diện như: giản đồ bức xạ, tần số, kích thước và khả năng chế tạo ở Việt Nam, AĐKBS đề xuất gồm tám búp sóng chính và được thiết kế tại tần số trung tâm 5GHz. Theo nguyên lý mạch dịch pha dựa trên ma trận Butler 8×8, tám đầu vào và tám đầu ra. Với N = 8 mạch dịch pha có bốn lớp, mỗi lớp ba bộ QPD, trong đó độ lệch Hình 2.22: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận dịch pha Butler 8×8 65 pha ở các cổng ra được xác định theo công thức (2.8) và chi tiết theo Bảng 2.8. Bộ dịch pha đã được thiết kế và mô phỏng như Hình 2.23. Hình 2.23: Cấu trúc của ma trận Butler 8×8 đã thiết kế và tham số S mô phỏng Bộ chia đôi nguồn trực giao pha QPD và cầu nối chéo, được tiểu hình hóa bằng việc gấp khúc thu nhỏ kích thước trình bày trong Hình 2.24. Các bộ tham số S mô tả hệ số suy hao, hệ số truyền qua và pha giữa các tín hiệu được mô phỏng cho bộ QPD và cầu nối chéo được thể hiện trong những Hình 2.25 và Hình 2.26. Bảng 2.8: Theo nguyên lý độ lệch pha giữa các đầu ra của Butler 8x8 Đầu ra 4L (B2) 3L (B6) 2L (B4) 1L (B8) 1R (B1) 2R (B5) 3R (B3) 4R (B7) A 1 157.5 157.5 135 90 -112.5 112.5 -135 -180 A 2 -45 -90 -157.5 112.5 -135 -180 112.5 22.5 A 3 112.5 22.5 -90 135 -157.5 112.5 0 -135 A 4 -90 135 -22.5 157.5 -180 45 -112.5 67.5 A 5 67.5 -112.5 45 -180 157.5 -22.5 135 -90 A 6 -135 0 112.5 -157.5 135 -90 22.5 112.5 A 7 22.5 112.5 -180 -135 112.5 -157.5 -90 -45 A 8 -180 -135 -112.5 -112.5 90 135 157.5 157.5 ∆ φ 157.5 112.5 67.5 22.5 -22.5 -67.5 -112.5 -157.5 Búp chính B2 B6 B4 B8 B1 B5 B3 B7 66 Hình 2.24: Cấu trúc của bộ dịch pha lai 900 và cầu nối thu nhỏ kích thước Hình 2.25: Kết quả mô phỏng các tham số của bộ QPD Hình 2.26: Kết quả mô phỏng các tham số của bộ cầu nối chéo 67 l = 0,19g ứng với lệch 67,5 l = 0,125g ứng với lệch 45 l = 0,0625g ứng với lệch 22,5 Hình 2.27: Kết quả mô phỏng độ lệch của các bộ dịch pha 22,5; 45 và 67,5 Các hình ảnh AĐKBS chế tạo và đo kiểm tại phòng thí nghiệm IMEP - LAHC, Đại học Grenoble, Pháp được mô tả trong Hình 2.28. Mặt trên Mặt dưới Hình ảnh đo AĐKBS Hình 2.28: Anten điều khiển búp sóng mảng pha sử dụng ma trận Butler 8×8 Kết quả mô phỏng và đo các tham số S của AĐKBS được mô tả trong Hình 2.29 cho thấy AĐKBS có băng thông rộng 13,2% với tần số trung tâm là 5GHz. Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS được thể hiện trên Hình 2.30 với độ rộng búp sóng theo phương xoy xấp xỉ 12, tám búp của anten ứng với các góc quét lần lượt là -52, -37, -20, -8, +9, +25, +40 và +56. Hệ số tăng ích lớn nhất của AĐKBS ứng với các búp đạt từ 7,8 dBi đến 11 dBi. 68 a) Kết quả mô phỏng các tham số S của AĐKBS b) Kết quả đo các tham số S của AĐKBS Hình 2.29: Kết quả mô phỏng và đo tham số S của AĐKBS đề xuất. 69 Hình 2.30: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS. Bảng 2.9: So sánh với các công bố khác trên thế giới [181]; 2006 [182]; 2010 [183]; 2017 [184]; 2018 Đề xuất Hướng búp sóng (°) -55o; -35o; -20o; -8o ; +7o; +22o, +34o;+55o -64o; -38,7o; -22o; -7,2o, +7,2o, +22o; +3