Tài liệu 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)