Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGUYỄN HỮU HIẾU

BEAMFORMING TRONG KỸ THUẬT
RADAR
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã ngành: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 naêm 2008


ii

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phan Hồng Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1: .............................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: .............................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ
LUẬNVĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng

năm 2008


iii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày tháng năm 200
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU HIẾU

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18/02/1975

Nơi sinh: Thái bình

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
I-

MSHV: 01406738


TÊN ĐỀ TÀI:
BEAMFORMING TRONG KỸ THUẬT RADAR

II-

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
• Nghiên cứu tổng quan hệ thống radar.
• Mô hình hệ thống anten thông minh sử dụng mảng anten vi dải.
• Nghiên cứu/áp dụng các giải thuật tạo hướng tới mục tiêu (Beamforming) và
xác định hướng đến (DOA)cho hệ thống sử dụng anten vi dải.
• Viết chương trình mô phỏng các giải thuật.

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008
IV-

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2008

V-

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày tháng năm 200

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH
TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


iv

LỜI CẢM ƠN

Tôi trân trọng gửi đến tiến sỹ PHAN HỒNG PHƯƠNG lời cảm ơn chân thành
và lòng biết ơn sâu sắc nhất vì những động viên và đóng góp ý kiến của cô trong
suốt thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, trường Đại học
Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong
quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.
Sau cùng, tôi xin được bày tỏ tình cảm đến các bạn cùng khóa đã trao đổi
nhiều tài liệu, giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tại trường.

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng11 năm 2008

Nguyễn Hữu Hiếu


v

GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay kỹ thuật radar đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lónh vực của
đời sống. Điển hình trong quân sự nó là khí tài không thể thiếu. Nó được dùng để
cảnh giới, phát hiện các mục tiêu địch ( máy bay, tên lửa, tàu chiến…), điều khiển vũ
khí ( tên lửa, pháo, ngư lôi …) để tiêu diệt mục tiêu. Trong dân sự dùng để dẫn đường
cho máy bay, khảo sát khí tượng, … . Trong các hệ thống radar cũ để quét búp sóng

phát hiện mục tiêu anten phải xoay tròn. Điều này gây khó khăn do hệ thống cơ dễ
bị hỏng, địch dễ phát hiện do anten chuyển động quay tròn.
Để giải quyết vấn đề này, ta có thể cho anten đứng yên nhưng tạo ra các búp
sóng tự dịch chuyển hướng trong không gian để phát hiện mục tiêu. Đó là các giải
pháp khi ta áp dụng lý thuyết anten thông minh để thiết kế, chế tạo các loại anten
radar quân sự. Trong một đài radar việc tạo hướng tới mục tiêu (Beamforming) và
xác định hướng đến (DOA) của mục tiêu là các thông số rất quan trọng, nó giúp ta
xác định được chính xác vị trí của mục tiêu ( là yêu cầu quan trọng nhất của bất kỳ
một đài radar nào) và khả năng bắt, bám một mục tiêu nào đó giúp ta có các thông
tin cập nhật về mục tiêu (góc phương vị, góc tà…) để điều khiển hỏa lực tiêu diệt
mục tiêu. Một trong những loại anten có thể phù hợp cho việc triển khai các hệ
thống anten radar sử dụng kỹ thuật anten thông minh là anten vi dải. Với đặc điểm
kích thước nhỏ gọn, dễ tạo ra các mảng anten với số lượng phần tử lớn, anten vi dải
có thể được ứng dụng ở hầu hết các đài radar dân sự cũng như quân sự. Do các giải
thuật về Beamforming cũng như DOA đều được xây dựng chủ yếu dựa trên giả thiết
về một dãy anten lý tưởng, đẳng hướng, nên cần thiết phải có những khảo sát về khả
năng áp dụng các giải thuật này vào trong anten vi dải. Và đó cũng chính là mục
tiêu của đề tài này.


vi

TÓM TẮT
Kỹ thuật anten RADAR sử dụng anten thông minh (Smart antenna) là một kỹ thuật
xử lý và phân tích tín hiệu áp dụng cho các hệ thống anten thế hệ mới nhằm nâng
cao khả năng thu phát tín hiệu với các mục tiêu di động.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài:
• Nghiên cứu tổng quan hệ thống radar.
• Nghiên cứu các đặc tính của anten và mảng anten vi dải.
• Mô hình hệ thống anten thông minh sử dụng mảng anten vi dải.

• Nghiên cứu/áp dụng các giải thuật tạo hướng tới mục tiêu (Beamforming) và
xác định hướng đến (DOA) cho hệ thống sử dụng anten vi dải.
• Viết chương trình mô phỏng các giải thuật.
• Chạy mô phỏng để lấy các kết quả, từ đó rút ra các đánh giá, nhận xét nhằm
đánh giá các giải thuật.
Nội dung cụ thể của đề tài được trình bày thành 7 chương như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
Giới thiệu tổng quan một hệ thống radar cơ bản.
Chương 2: ANTEN VI DẢI VÀ MẢNG ANTEN VI DẢI
Giới thiệu về anten vi dải, các tính toán cần thiết cho việc áp dụng vào anten radar
sử dụng kỹ thuật anten thông minh.
Chương 3: ANTEN THÔNG MINH SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ ANTEN VI DẢI
VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Đưa ra mô hình anten thông minh sử dụng anten vi dải và các công thức toán học có
liên quan.
Chương 4: CÁC GIẢI THUẬT TẠO HƯỚNG TỚI MỤC TIÊU - BEAMFORMING


vii

Các giải thuật tạo hướng tới mục tiêu và triển khai áp dụng cho anten vi dải.
Chương 5: CÁC GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH HƯỚNG ĐẾN CỦA MỤC TIÊU –
DOA.
Các giải thuật xác định hướng đến của mục tiêu và triển khai áp dụng cho anten vi
dải.
Chương 6: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CÁC GIẢI THUẬT
Chương trình và các kết quả mô phỏng, nhận xét các kết quả.
Chương 7: TỔNG KẾT
Các kết quả đạt được. Rút ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.
Cuối cùng là phần các tài liệu tham khaûo.



viii

Abstract

Nowadays, the technical microstrip antenna is being used widely in the radar
systems because it have advantage: small size and to make easily array antennas
with a lot of elements … . Therefore, we need to study algorithms

making

beamforming and estimate direction-of-arrival of target in microstrip antenna.
This thesis represents applicability methods of algorithms making beamforming
and estimate direction-of-arrival of target in microstrip antenna, it bases on
radiation characteristic and gain of microstrip antennas.
After simulation, this thesis explored and evaluated quality of algorithms, therefore
the results of this thesis can be applied to radar systems using microstrip antenna.


ix

TỪ VIẾT TẮT
A
AM

Amplitude Modulation
B

BER


Bit Error Rate

BS

Base Station
C

CDMA

Code Division Multiple Access

CMA

Constant Modulus Algorithm
D

DOA

Direct Of Arrival

DSP

Digital Signal Processing
E

ESPRIT

Estimation


of

Signal

Parameters

Invariance Technique
F
FDMA

Frequency Division Multiple Access

FSK

Frequency Shift Keying
G

GSM

Global System for Mobile Communication
H

HPBW

Half Power Beam Width

via

Rotational



x

I
ITU

International Telecommunication Union
L

LCMV

Linearly Constrained Minimum Variance

LMS

Least Mean Square

LS-ESPIRIT

Least Square ESPIRIT
M

MMSE

Minimum Mean Square Error

ML

Maximum Likelihood


MODE

Method Of Direction Estimation

MS

Mobile Station

MUSIC

MUltiple SIgnal Classification
P

PAM

Pulse Amplitude Modulation

PSK

Phase Shift Keying
Q

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying
S

SNR

Signal to Noise Ratio

T

TDMA

Time Division Multiple Access

TSL-ESPRIT

Total Least Square ESPRIT


xi

MỤC LỤC
A – CÁC ĐỀ MỤC
Trang bìa .................................................................................................................. i
Phiếu chấm luận văn ................................................................................................ ii
Nhiệm vụ luận văn ................................................................................................... iii
Lời cảm ơn................................................................................................................ iv
Giới thiệu chung ....................................................................................................... v
Tóm tắt ..................................................................................................................... vi
Abstract...................................................................................................................viii
Từ viết tắt ................................................................................................................. ix
Mục lục ..................................................................................................................... xi
B – NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR................................................ 1
1.1 Giới thiệu chung về radar ................................................................................... 1
1.2 Phân loại các đài radar ....................................................................................... 2
1.3 Cự ly hoạt động của đài radar............................................................................. 4
1.4 Sơ đồ khối hệ thống radar................................................................................... 7

1.5 Ứng dụng kỹ thuật beamforming và dự đoán hướng tới trong radar .................. 9
Chương 2: ANTEN VI DẢI VÀ MẢNG ANTEN VI DẢI ....................................... 10
2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 10
2.2 Giới thiệu anten vi dải ........................................................................................ 10
2.2.1 Cấu trúc anten vi dải ................................................................................... 10
2.2.2 Các hình dạng cơ bảng của anten vi dải ..................................................... 11


xii

2.2.3 Các ưu, nhược điểm của anten vi dải .......................................................... 12
2.2.4 Các phương pháp cấp tín hiệu (feed method) cho anten vi dải .................. 13
2.3 Đặc tính của một số loại anten vi dải cơ bản ...................................................... 15
2.3.1 Anten vi dải phân cực tuyến tính ................................................................ 15
2.3.2 Anten vi dải phân cực tròn .......................................................................... 20
2.4 Mảng anten vi dải ............................................................................................... 29
2.4.1 Trường bức xạ của mảng anten vi dải......................................................... 30
2.4.2 Phối hợp trở kháng trong hệ thống mảng anten vi dải ................................ 40
Chương 3: ANTEN THƠNG MINH SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ ANTEN VI DẢI VÀ
MƠ HÌNH TỐN HỌC................................................................................................ 41
3.1 Anten thông minh minh sử dụng anten vi dải ..................................................... 41
3.1.1 Khả năng sử dụng anten vi dải trong kỹ thuật anten thông minh ............... 41
3.1.2 Các kỹ thuật cấp tín hiệu cho anten vi dải trong hệ thống anten
thông minh ................................................................................................. 49
3.1.3 Phối hợp trở kháng cho các phần tử anten vi dải ........................................ 51
3.1.4 Mảng anten vi dải hai chiều và mảng có các dạng phân bố khác ............. 53
3.2 Mô hình toán học ................................................................................................ 55
3.2.1 Dãy anten vi dải tuyến tính......................................................................... 55
3.2.2 Mảng anten vi dải 2 chiều .......................................................................... 60
3.2.3 Mảng anten có phân bố phần tử bất kỳ ....................................................... 62

Chương 4: CÁC GIẢI THUẬT TẠO HƯỚNG TỚI MỤC TIÊU –
BEAMFORMING ................................................................................... 63
4.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 63
4.2 Các tiêu chuẩn để tối ưu hoạt động của beamforming thích nghi ...................... 66


xiii

4.2.1 Cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE) ....................................... 66
4.2.2 Cực đại tỷ số tín hiệu giao thoa trên cộng nhiễu (MSINR) ........................ 67
4.2.3 Cực đại Likelihood ..................................................................................... 69
4.2.4 Cực tiểu sự biến đổi (MV) .......................................................................... 70
4.3 Các thuật toán tạo Beamforming và ứng dụng cho mảng anten vi dải .............. 71
4.3.1 Giải thuật truyền thống – Conventional ..................................................... 71
4.3.2 Giải thuật tương đồng cực đại tối ưu-Maximum likelihood optimal.......... 73
4.3.3 Giải thuật Bussgang.................................................................................... 74
4.3.4 Giải thuật trung bình bình phương tối thiểu (Least Mean Square-LMS) ... 75
4.3.5 Giải thuật bình phương tối thiểu đệ quy (Recursive Least Square-RLS)... 77
4.3.6 Giải thuật sai số bình phương trung bình cực tiểu (Minimum Mean Square
Error - MMSE) ......................................................................................................... 79
Chương 5: CÁC GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH HƯỚNG ĐẾN CỦA MỤC TIÊU........ 82
5.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 82
5.1.1 Các phương pháp thông thường .................................................................. 83
5.1.2 Phương pháp dự đoán tuyến tính................................................................. 84
5.1.3 Các thuật toán sử dụng vector riêng ........................................................... 84
5.1.4 Phương pháp MUSIC .................................................................................. 85
5.1.5 Phương pháp ESPRIT ................................................................................. 85
5.1.6 Dự đoán hướng đến của các tín hiệu tương quan bằng phương pháp
làm phẳng không gian................................................................................. 86
5.1.7 Dự đoán DOA bằng tính dừng chu kì:......................................................... 87

5.1.8 Phương pháp tương đồng tối đa................................................................... 87
5.2 Các giải thuật DOA và ứng dụng cho maûng anten vi daûi ................................... 87


xiv

5.2.1 Giải thuật quét búp sóng hay phương pháp Delay and Sum....................... 87
5.2.2 Capon’s minimum variance........................................................................ 90
5.2.3 Phương pháp dự đoán tuyến tính................................................................. 92
5.2.4 Phương pháp MUSIC .................................................................................. 93
5.2.5 Phương pháp cyclic MUSIC........................................................................ 97
Chương 6: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ............................................................. 98
6.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 98
6.2 Phần tạo Beamforming.....................................................................................102
6.2.1 Yêu cầu mô phỏng....................................................................................105
6.2.2 Chương trình .............................................................................................105
6.2.3 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................107
6.2.4 Các kết quả ...............................................................................................116
6.3 Phần mô phỏng hướng đến của mục tiêu-DOA ................................................126
6.3.1 Yêu cầu mô phỏng....................................................................................126
6.3.2 Chương trình .............................................................................................126
6.3.3 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................128
6.3.4 Các kết quả ...............................................................................................135
Chương 7: Tổng kết ................................................................................................144
7.1 Các kết quả đạt được ...................................................................................144
7.2 Hướng phát triển của đề tài .........................................................................145
Tài liệu tham khảo..................................................................................................146
Lý lịch trích ngang..................................................................................................



1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1.1 Giới thiệu chung về radar
Radar (Radio Detecting and Ranging) có nghóa là dò tìm và phát hiện mục tiêu nhờ
sóng vô tuyến. Radar hoạt động theo nguyên lý phát xạ vào không gian các xung
điện từ và thu các tín hiệu phản xạ về từ mục tiêu. Những vật thể cần phát hiện như:
máy bay, tàu biển, tên lửa … gọi là các mục tiêu của radar.
Mỗi tín hiệu phản xạ nhận được biểu thị một mục tiêu, từ tín hiệu phản xạ này ta có
thể xác định được các thông số như: cự ly tới mục tiêu, vị trí góc của mục tiêu, vận
tốc của mục tiêu …
Cự ly tới mục tiêu được xác định bằng ½ khoảng thời gian từ khi phát xạ xung điện
từ vào không gian tới khi nhận được xung phản xạ từ mục tiêu nhân với vận tốc
truyền sóng điện từ.
Vị trí góc của mục tiêu được xác định bởi hướng của búp sóng của anten – khi so
sánh với góc chính bắc (góc phương vị) hoặc mặt phẳng ngang (góc tà).
Phạm vi sử dụng: Radar được sử dụng rộng rãi trong quân sự như cảnh giới, dẫn
đường, điều khiển hỏa lực. Trong dân sự như: Dẫn bay, khảo sát khí tượng, thăm dò
khoáng sản…
Quá trình thu nhận tin tức của Radar có thể chia thành các bước sau:
¾ Phát hiện mục tiêu
¾ Đo tọa độ và các tham số chuyển động
¾ Phân biệt
¾ Nhận biết
Phát hiện là xác định có mục tiêu hay không trong một vùng không gian với một xác
suất sai số cho pheùp.


2


Đo lường là xác định tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu với sai số cho
phép nào đó. Thường sử dụng hệ tọa độ cầu, các tham số là cự ly tới mục tiêu, góc
phương vị θ, góc tà φ.
Phân biệt là phân biệt các mục tiêu khác nhau – khi có nhiều mục tiêu ở gần nhau.
Khả năng phân biệt càng cao thể hiện đài radar có độ chính xác cao. Điều này rất
quan trọng đối với các đài radar quân sự, nhất là các đài radar điều khiển hỏa lực.
Nhận biết là xác định mục tiêu đó là của ta hay của địch. Nhận biết mục tiêu nhờ
các máy hỏi đáp.
Ngoài ra, các thiết bị radar cần phải có khả năng chống nhiễu cao – kể cả nhiễu
thiên nhiên hay nhiễu nhân tạo.
1.2 Phân loại các đài radar
Phân loại là chia các đài radar thành từng nhóm có những điểm chung để tiện cho
việc phân tích các đặc điểm cấu trúc của đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ
thống.
1.2.1 phân loại theo tính năng chiến thuật:
• Theo công dụng: cảnh giới, dẫn đường, điều khiển hỏa lực …
• Theo số lượng tọa độ đo được: 1 tọa độ, 2 tọa độ, 3 tọa độ.
• Theo tính cơ động: cố định, di động.
1.2.2 phân loại theo tính năng kỹ thuật:
• Dải sóng: m, dm, cm.
• Phương pháp radar: sơ cấp, thứ cấp.
• Phương pháp đo cự ly: xung, liên tục.
• Số kênh trong đài radar: 1 kênh, nhiều kênh.


3

1.2.3 phân loại theo đặc điểm sử dụng năng lượng sóng điện từ:
• Radar chủ động.
• Radar chủ động có trả lời.

• Radar nửa chủ động.
• Radar thụ động.
Tần số hoạt động của đài radar


4

1.3 Cự ly hoạt động của đài radar
1.3.1 Khái niệm về cự ly hoạt động của đài radar
Cự ly hoạt động của đài radar là một trong những tham số chiến thuật chủ yếu của
đài radar. Do có các yêu cầu khác nhau nên cự ly hoạt động của các đài radar cũng
khác nhau, lớn quá sẽ ảnh hưởng tới thiết kế, đài sẽ phức tạp, cồng kềnh. Nhỏ quá
thì không đảm bảo yêu cầu chiến thuật.
Cự ly hoạt động của đài radar là cự ly lớn nhất mà nó có thể phát hiện được mục tiêu
với xác suất phát hiện đúng không nhỏ hơn giá trị cho trước.
Cự ly hoạt động của đài radar không chỉ phụ thuộc vào các tham số của đài mà còn
phụ thuộc vào điều kiện lan truyền sóng và các tính chất của mục tiêu. Sự hấp thụ
năng lượng của khí quyển, mặt đất…, sự phản xạ, nhiễu xạ … đều ảnh hưởng tới cự ly
hoạt động của đài radar.
1.3.2 Phương trình cự ly hoạt động của đài radar trong không gian tự do
Không gian tự do là không gian đơn giản nhất và là không gian lý tưởng. Trong
không gian này chỉ có đài radar và mục tiêu, không có bất kỳ vật thể nào ảnh hưởng
tới sự lan truyền sóng. Chất điện môi là đồng nhất, sóng truyền theo đường thẳng.
Không có tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền sóng. Những giả thuyết này có
thể chấp nhận được với những radar có cánh sóng hẹp hoạt động ở góc tà cao (không
bị ảnh hưởng của mặt đất), hoặc cự ly hoạt động nhỏ trong điều kiện khí tượng tốt
(tiêu hao ít).
Trong điều kiện như vậy cự ly hoạt động của đài radar liên hệ với các yếu tố sau:
• Với cùng một mục tiêu, nếu công suất phát P lớn thì năng lượng phản xạ trở
về lớn do đó cự ly phát hiện tăng.

• Đài radar có hệ số tạp âm nhỏ thì mục tiêu ở xa vẫn có thể phát hiện được.


5

• Đài radar có hệ số khuyếch đại anten G lớn thì cự ly hoạt động của đài sẽ
tăng.
• Nếu mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng lớn, năng lượng phản xạ lớn do
đó dù ở xa đài radar vẫn phát hiện được.
• Bước sóng λ cũng ảnh hưởng tới cự ly hoạt động của đài radar.
Như vậy, cự ly hoạt động của đài radar là một hàm nhiều biến:
(1.1)

R = F ( PPhat , PTap , δ , G, λ ...)

Nếu anten phát không định hướng, mật độ công suất ở cự ly R có thể tính theo công
thức:
S1 =

PPhat
(W / m 2 )
2
4πR

(1.2)

Trong thực tế anten phát có tính định hướng với hệ số khuyếch đại G, khi đó ở cự ly
R trong búp sóng chính mật độ công suất tăng lên G lần:
S1 =


PPhat G
(W / m 2 )
2
4πR

(1.3)

Mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng là δ, do đó công suất phát xạ thứ cấp tại
mục tiêu là:
S2 =

PPhat Gδ
(W / m 2 )
2
4πR

(1.4)

Diện tích thu hiệu dụng của anten thu là A nên công suất đài radar thu được là:
Pa = S2.A

(1.5)

Mặt khác quan hệ giữa hệ số khuyếch đại anten G và diện tích thu hiệu dụng theo
công thức:
G=

4πA

λ2


(1.6)


6

Thế vào ta có:
Pa =

PPhat G P GT δλ2
(4π ) 3 R 4

(1.7)

Thông thường, anten phát và thu là một nên GP = GT , và tín hiệu phát và thu đều
qua một hệ thống fider nên sẽ bị tổn hao, do đó công suất tại đầu vào máy thu sẽ là:
PPhat G P GT δλ2ηη '
Pa =
(4π ) 3 R 4

(1.8)

Trong đó:
• η là hiệu suất truyền năng lượng từ máy phát tới anten (thường lấy trong
khoảng 0,7 – 0,8).
• η’ là hiệu suất truyền năng lượng từ anten tới máy thu (thường lấy trong
khoảng 0,8 – 0,9).
Khi mục tiêu ở càng xa, tín hiệu phản xạ về càng yếu, đến khi R = Rmax thì
Pthu=Pthumin.



7

1.4 Sơ đồ khối hệ thống Radar

SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG RADAR [1]

Antenna

Chuyển mạch
Cao tần

Máy phát hỏi
Máy thu

Chuyển mạch

Máy phát hỏi
Máy thu

Khối tách tín hiệu
Trả lời

Khối tách tín hiệu
Trả lời

Khối xử lý
quỹ đạo

Khối xử lý

quỹ đạo


8

Các thành phần chính trong sơ đồ:
1. anten: dùng để thu, phát tín hiệu cao tần trong không gian.
2. Chuyển mạch cao tần: Chuyển mạch thu phát từ kênh A sang kênh B và
ngược lại.
3. Máy phát hỏi và máy thu:
¾ Máy phát hỏi: tạo ra các xung cao tần theo yêu cầu để đưa ra anten phát vào
trong không gian.
¾ Máy thu: thu và xử lý các tín hiệu cao tần phản xạ từ mục tiêu trở về anten
thành các tín hiệu video dạng analog hoặc digital.
4. Khối tách tín hiệu trả lời: tách tín hiệu trả lời, biến đổi thành dạng dữ liệu
thông báo, tổ hợp, xử lý thành dạng điểm dấu mục tiêu đưa sang khối xử lý
quỹ đạo.
5. Khối xử lý quỹ đạo: Tạo ra quỹ đạo di chuyển của mục tiêu để đưa sang bộ
chỉ thò.


9

1.5 Ứng dụng kỹ thuật Beamforming và dự đoán hướng tới trong hệ thống
anten
thông minh của đài radar.

Hình 1.1 Ứng dụng của kỹ thuật beamforming và dự đoán hướng tới trong hệ thống
anten thông minh
Bộ tạo beamforming và dự đoán hướng tới được đặt trong máy thu của đài radar. Tín

hiệu mục tiêu thu được sau khi được biến đổi sang trung tần qua bộ chuyển đổi
tương tự/số qua bộ trộn được đưa tới khối dự đoán hướng tới và tạo beamforming.
Đầu ra của bộ tạo beamforming và dự đoán hướng tới được đưa trở lại điều khiển
anten tạo beamforming tới mục tiêu.


10

Chương 2: ANTEN VI DẢI VÀ MẢNG ANTEN VI DẢI
2.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây việc cải thiện chất lượng các hệ thống anten trong radar
nói riêng và trong thông tin di động nói chung đang phát triển mạnh mẽ. Một trong
những hướng nghiên cứu là chế tạo các anten có kích thước nhỏ, gọn và dải tần rộng,
đó là các anten vi dải ( microstrip antenna ). Điểm mạnh của các anten vi dải so với
các loại anten thông thường khác là cấu trúc ổn định và nhất là phù hợp với công
nghệ vi dải hiện nay đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch in và các IC
chuyên dụng. Không những thế, anten vi dải còn rất phù hợp với cấu trúc mảng
anten (antenna array), cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và có thể kết hợp với các
giải thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh.
2.2 Giới thiệu anten vi dải
2.2.1 Cấu trúc anten vi dải

Hình 2.1 Cấu trúc anten vi dải và qui ước về hệ trục tọa độ


11

Anten vi dải được trình bày trong hình 2.1a, gồm có một bản mặt (patch) kim loại rất
mỏng ( bề dày t << λ0 , với λ0 là bước sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt
phẳng đất một khoảng rất nhỏ ( h << λ0 thường thì 0,003λ0 < h < 0,05λ0 ). Đối với một

patch hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng λ0 / 3 < L < λ0 / 2
. Baûn mặt và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền (substrate). Có
nhiều điện môi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số điện môi
của chúng thường nằm trong khoảng 2.2< ε r <12. Khi anten vi dải kết hợp với các
hệ thống mạch cao tần khác, phải có sự hòa hợp giữa hiệu suất anten và mạch thiết
kế.
Cấu trúc mặt phẳng cắt và hệ trục tọa độ tính cho mỗi khe bức xạ được vẽ ở hình
2.1b, c.
2.2.2 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải [2]
Thông thường những phần tử bức xạ và đường cấp nguồn đều được in chung trên nền
điện môi. Hình dáng của anten vi dải có rất nhiều dạng, gồm các loại bản mặt hình
chữ nhật, vuông, tròn, elip, hình vành khăn … ( thể hiện ở hình 2.2). Tuy nhiên loại
phổ biến nhất là anten có bản mặt hình chữ nhật và hình vuông do dễ phân tích và
chế tạo.