Nghiên cứu ứng dụng anten mảng cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và cả ở Việt Nam. Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một vấn đề cấp thiết. Điều đó đòi hỏi các nhà mạng cùng với các nhà phát triển cần phải nghiên cứu ra những hệ thống thông tin truyền thông di động tốc độ cao, hiệu năng tốt đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Một trong số các giải pháp có thể giúp cải thiện đáng kể các chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động là sử dụng anten mảng. Anten mảng đang ngày càng trở nên quan trọng trong truyền thông vô tuyến bởi những lợi thế của việc sử dụng anten mảng như : Chúng có thể cung cấp khả năng định hướng được búp sóng ; có thể cung cấp một hệ số khuếch đại cao do sử dụng nhiều phần tử anten ; cung cấp hệ số khuếch đại phân tập trong việc thu nhận tín hiệu đa đường ; cho phép thực hiện xử lý tín hiệu mảng… Do đó anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị thông tin liên lạc. Trong khi đó, những nghiên cứu về ứng dụng của anten mảng cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới ở Việt Nam chưa có nhiều. Từ động lực đó, theo định hướng của người hướng dẫn khoa học, học viên lựa chọn đề tài « Nghiên cứu ứng dụng anten mảng cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Chương I: Lý thuyết thông số anten Anten hệ thống thông tin di động 1.1 Sự phát triển kỹ thuật anten 1.1.1 Lịch sử phát triển Sóng vô tuyến phát minh vào năm 1861 Maxell (Đại học Hoàng Gia Luân đôn) đưa lý thuyết sóng điện từ Hertz (Đại học Karlsruhe) chứng minh tồn sóng thực nghiệm vào năm 1887 sóng đứng (tĩnh) Năm 1890 Branly (Paris) xây dựng “bộ quán” phát có mặt sóng điện từ chai thuỷ tinh chứa kim loại Bộ quán sau tiếp tục phát triển Lodge (Anh) Mùa hè 1895, Marconi sử dụng máy phát Hertz, quán Lodge lắp thêm anten để tạo máy phát vô tuyến Ứng dụng dân dụng kỹ thuật vô tuyến hệ thống điện thoại vô tuyến 2MHz vào năm 1921 ngành Cảnh sát Những hệ thông phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin Bell tần số 50MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM AT&T (1946); Khái niệm cellular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970); Vào năm 1990s: hệ thống thông tin tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… đời phát triển cách mạnh mẽ Kỹ thuật anten sử dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến có phát triển sau: - 1880- tới năm1890: Hertz, Marconi, Popov thiết kế anten có tần số hoạt động băng thông tốt - Những năm 1900: anten định hướng sử dụng cho phép liên lạc qua biển Atlantic - 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu - Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda phát minh đem lại tăng ích băng thông tốt - Chiến tranh giới thứ 2: Dàn anten sử dụng cho rađa - Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu triệt nhiễu xử lý tín hiệu số quân Việc sử dụng anten nhiều phần tử máy thu thông tin vô tuyến mở chiều xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho phép cải thiện tiêu hệ thống Tuy nhiên, đến trước năm 1990, vấn đề phát triển chủ yếu với anten mảng kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới) - Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp miền không gian thời gian) + 1996: Anten nhiều phần tử sử dụng trạm gốc để hỗ trợ nhiều người dùng kênh + 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến cách sử dụng anten nhiều phần tử máy phát máy thu Ý tưởng tiếp tục phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu cách mạng lý thuyết truyền thông - Từ năm 2000: Kỹ thuật thu-phát không gian-thời gian tập trung nghiên cứu phát triển Có thể thấy rằng, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian với mảng (dàn) anten nhiều phần tử nhiều cấp độ phức tạp khác ứng dụng quân từ lâu, tính chất thay đổi liên tục môi trường truyền sóng thông tin di động khả xử lý theo thời gian thực máy thu phát nhiều hạn chế mà kỹ thuật thực nghiên cứu ứng dụng hệ thống thông tin di động thời gian gần 1.1.2 Khái niệm Anten Sóng điện từ truyền dẫn hai phương pháp: - Truyền dẫn thiết bị định hướng đường dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sang, cáp sợi quang Khi truyền lan hệ thống sóng điện từ bị giới hạn khoảng không gian thiết bị gọi sóng điện từ ràng buộc - Bức xạ sóng không gian để sóng truyền môi trường thực gọi sóng điện từ tự Thiết bị dùng để chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự ngược lại gọi anten IEEE định nghĩa Anten “phần hệ thống truyền hay nhận thiết kế để xạ hay nhận sóng điện từ” Nói cách khác Anten lấy tín hiệu RF (được sinh radio) xạ vào không khí hay anten nhận sóng điện từ cho radio Anten thiết bị ứng dụng nhiều lĩnh khác kỹ thuật vô tuyến Tùy theo nhiệm vụ hệ thống vô tuyến mà có yêu cầu khác thiết bị anten Ví dụ kỹ thuật vô tuyến định vị cần sử dụng anten có búp sóng nhọn (đồ thị phương hướng hẹp) búp sóng phải có khả quét không gian để phát bám theo mục tiêu di động, xác định tọa độ mục tiêu (anten rada) Anten hệ thống cấu trúc có khả xạ thu nhận sóng điện từ Anten thiết bị thiếu hệ thống thông tin vô tuyến điện, thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ xạ không gian để truyền lan từ nơi phát đến nơi thu Một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát anten thu (hình 1.1) Hệ thống truyền tin đơn giản Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần truyền dẫn từ máy phát đến anten thông qua hệ thống fidơ dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc fidơ thành sóng từ tự xạ không gian Cấu tạo anten định đặc tính biến đổi lượng điện từ nói Tại nơi thu, anten thu làm nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa tiếp nhận sóng điện từ tự từ không gian bên biến đổi chúng thành sóng điện từràng buộc Sóng truyền theo fidơ tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten - fidơ phải thực việc truyền biến đổi lượng sóng điện từ với hiệu suất cao không gây méo dạng tín hiệu Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật cho phép tối ưu hoá trình thu phát tín hiệu cách dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian theo miền thời gian máy thu phát, nhờ cho phép sử dụng tối đa hiệu phổ tần mạng thông tin tổ ong Anten sử dụng hệ thống thông tin khác phải có yêu cầu khác Trong hệ thống thông tin quảng bá phát thanh, truyền hình, yêu cầu anten phải có xạ đồng mặt phẳng ngang (mặt đất) hướng thu tín hiệu đài phát Nhưng mặt phẳng thẳng đứng anten lại phải có xạ định hướng cho hướng cực đại mặt phẳng song song với mặt đất, để máy thu thu tín hiệu lớn giảm lượng xạ hướng không cần thiết, giảm công suất máy phát, giảm can nhiễu Tuy nhiên, hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm hệ thống thông tin vi ba, thông tin vệ tinh, rađa yêu cầu anten anten xạ với tính hướng cao, nghĩa sóng xạ tập trung vào góc hẹp không gian Như nhiệm vụ anten không đơn chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự ngược lại mà phải xạ sóng điện từ theo hướng định với yêu cầu kỹ thuật đề Anten phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo cách phân loại sau: - Công dụng anten: Anten phân thành anten phát, anten thu anten phát + thu dùng chung Thông thường anten làm nhiện vụ cho phát thu - Dải tần công tác anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn anten sóng cực ngắn - Cấu trúc anten: - Đồ thị phương hướng anten: anten vô hướng anten có hướng - Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứng 1.1.3 Các hệ thống anten thông tin di động - Hệ thống an ten hình quạt (sectored systems) Hệ thống anten hình quạt kết hợp an ten định hướng đặt trạm gốc (base station-BS) để chia ô (cell) truyền thống thành phần hình quạt (sector) Một cell thường chia thành sector, sector hoạt động cell độc lập Hệ thống an ten hìnhquạt cho phép tăng khả tái sử dụng kênh tần số giảm bớt xuyên nhiễu hệ thống thông tin di động - Hệ thống anten phân tán (diversity systems) Hệ thống anten phân tán kết hợp an ten đặt vị trí khác trạm gốc nhằm hạn chế hiệu ứng đa đường (fading) Để đơn giản ta xét hệ thống anten phân tán gồm hai anten Hệ thống cải thiện độ lớn tín hiệu thu cách sử dụng hai phương pháp sau: - Anten phân tán chuyển mạch-Sử dụng chuyển mạch tự động để chọn kết nối kênh tín hiệu với an ten vị trí thu tín hiệu tốt Hệ thống có khả cải thiện hiệu ứng fading, nhiên nâng cao độ tăng ích thời điểm có an ten làm việc.Anten phân tán phối hợp-Thực việc nhận tín hiệu từ hai an ten, sửa lệch pha nhằm phối hợp hai tín hiệu để đưa tín hiệu tốt Hệ thống cải thiện tượng fading mà tăng độ tăng ích anten/ Bởi cường độ tín hiệu phát trạm gốc (hướng xuống) thường lớn nhiều cường độ tín hiệu phát mobile (hướng lên) nên hệ thống anten phân tán thường dùng trạm gốc để cải thiện tín hiệu thu từ mobile Hệ thống anten phân tán có cải thiện hiệu ứng fading chưa đáp ứng đòi hỏi phải giảm xuyên lẫn gữa kênh, nâng cao độ nhạy, tăng khả tái sử dụng kênh tần số tăng dung lượng hệ thống Các yêu cầu dẫn đến việc đòi hỏi nghiên cứu phát triển hệ thống anten thông minh cho hệ thống thông tin di động hệ Phần tiếp sau trình bày tổng quan loại an ten thông minh nghiên cứu phát triển 1.2 Các thông số anten Để đánh giá, lựa chọn sử dụng tốt anten phải dựa đặc tính tham số Dưới đặc tính tham số anten 1.2.1 Hàm tính hướng Khi sử dụng anten ta cần biết anten xạ vô hướng hay có hướng, hướng anten xạ cực đại, hướng anten không xạ để đặt vị trí anten Muốn ta phải biết tính hướng anten Một thông số đặc tả hướng tính anten hàm tính hướng Hàm tính hướng hàm số biểu thị phụ thuộc cường độ trường xạ anten theo hướng khác không gian với khoảng cách không đổi, ký hiệu f(θ,φ) Hàm tính hướng thể dạng sau: Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng hàm véc tơ phức, bao gồm thành phần theo θ φ f ( θ , ϕ ) = fθ ( θ , ϕ ) iθ + fϕ ( θ , ϕ ) iϕ Hàm tính hướng biên độ hàm số biểu thị quan hệ tương đối biên độ cường độ trường xạ theo hướng khảo sát cự ly khảo sát không đổi, biên độ hàm tính hướng phức (cụ thể modun hàm tính hướng phức) f ( θ ,ϕ ) = fθ ( θ , ϕ ) + fϕ ( θ , ϕ ) 2 Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng anten thiết lập phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng hàm biên độ chuẩn hóa, hàm số biểu thị biên độ cường độ trường hướng khảo sát biên độ cường độ trường hướng cực đại F ( θ ,ϕ ) = f ( θ ,ϕ ) f ( θ , ϕ ) max Như giá tri cực đại hàm biên độ chuẩn hóa 1.2.2 Đồ thị phương hướng độ rộng búp sóng Hàm tính hướng cho biết giá trị cụ thể tính hướng anten, muốn cảm nhận trực thị tính hướng anten ta phải sử dụng đồ thị Đồ thị phương hướng vẽ hàm tính hướng Đồ thị phương hướng anten mô tả quan hệ cường độ trường xạ công suất xạ anten hướng khác với khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten) Đồ thị phương hướng biểu diễn không gian ba chiều (có dạng hình khối) khó để hiển thị cách đầy đủ Thông thường, đồ thị phương hướng mặt cắt đồ thị hướng tính ba chiều Đó đồ thị hướng tính hai chiều hệ tọa độ cực hệ tọa độ vuông góc, loại đồ thị hiển thị dễ dàng giấy Để đơn giản đồ thị phương hướng thường vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa gọi đồ thị phương hướng chuẩn hóa anten Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng anten khác Từ đồ thị phương hướng hình 4.3 nhận thấy rằng, giá trị trường xạ biến đổi theo biến đổi góc phương hướng khác Vì để đánh giá dạng đồ thị phương hướng anten khác ta sử dụng khái niệm độ rộng đồ thị phương hướng hay gọi độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng xác định góc hai hướng mà theo hai hướng cường độ trường công suất xạ giảm giá trị định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường độ rộng búp sóng nửa công suất sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất góc hai hướng mà theo hai hướng công suất xạ giảm nửa so với công suất xạ cực đại Nếu tính theo giá trị cường độ điện trường độ rộng búp sóng ứng với góc hai hướng mà theo hai hướng cường độ điện trường giảm cực lần so với giá trị cực đại anten tọa độ Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), công suất giảm nửa tương ứng với công suất giảm dB Bởi độ rộng búp sóng nửa công suất gọi độ rộng búp sóng dB, ký hiệu θ3dB Như độ rộng búp sóng thể tính chất tập trung lượng xạ theo hướng đó, góc θ 3dB bé anten tập trung công suất xạ mạnh 1,0 0,75 0,50 0,25 -90 -60 -30 o 30 60 90 Ví dụ đồ thị phương hướng Ví dụ đồ thị phương hướng hệ tọa độ vuông góc hệ tọa độ cực Độ rộng đồ thị phương hướng 1.2.3 Công suất xạ, điện trở xạ hiệu suất anten Công suất đặt vào anten PA máy phát đưa trực tiếp đến anten thông thường qua fidơ cung cấp cho anten Trong trình chuyển đổi lượng cao tần từ máy phát thành lượng xạ sóng điện từ tránh tổn hao nhiệt vật dẫn, chất điện môi anten, phần mát cảm ứng che chắn linh kiện phụ đỡ chiếu xạ, thân chiếu xạ… Vì vậy, công suất bao gồm công suất tổn hao Pth công suất xạ Pbx PA = Pbx + Pth Một cách hình thức ta coi công suất xạ anten tương tự công suất tiêu hao điện trở tương đương R bx Khi ta viết PA = I ( Rbx + Rth ) Đại lượng Rbx gọi điện trở xạ anten, mang tính chất tượng trưng mức độ dùng để đánh giá khả xạ anten Anten coi thiết bị chuyển đổi lượng, thông số quan trọng đặc trưng hiệu suất làm việc Hiệu suất anten, η A, tỷ số công suất xạ, Pbx công suất máy phát đưa vào anten, (PA) Hay ηA = Pbx PA ηA = Pbx Rbx = Pbx + Pth Rbx + Rth Hiệu suất anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất anten Thông thường hiệu suất anten nhỏ 1.2.4 Hệ số hướng tính hệ số khuếch đại anten Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng kích thước chúng đa dạng Để biểu thị tính hướng anten, thông số độ rộng búp sóng người ta đưa vào hệ số hướng tính (còn gọi hệ số phương hướng) hệ số khuếch đại (còn gọi hệ số tăng ích hay độ lợi) Các hệ số cho phép đánh giá tính phương hướng hiệu xạ anten điểm xa trường xạ sở biểu thức đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Như việc so sánh anten với lựa chọn loại anten thích hợp cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng Anten lý tưởng anten có hiệu suất làm việc 100% lượng xạ sóng điện từ đồng tất hướng Anten lý tưởng xem nguồn xạ vô hướng chấn tử đối xứng nửa bước sóng - Hệ số hướng tính Hệ số hướng tính anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ công suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất xạ hai anten D ( θ ,ϕ ) = S ( θ ,ϕ ) S0 Trong D(θ,φ) hệ số hướng tính anten khảo sát hướng (θ,φ) với khoảng cách r S(θ,φ) S0 mật độ công suất xạ anten khảo sát hướng (θ,φ), khoảng cách r mật độ công suất xạ anten vô hướng điểm xét - Hệ số khuếch đại anten Hệ số khuếch đại anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ công suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào hai anten anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất 10 Taylor-Kaiser [1217]: b= Dolph-Chebyshev [1215]: b= 1+ 0.636 [cosh( )]2 R Ra đại diện cho mức búp sóng phụ dB đơn vị tuyệt đối, tương ứng, R= 20log10(Ra)  Ra = 10 R/20 Ở đây, R Ra đại diện cho suy giảm búp sóng phụ và, đó, R> Ra> Độ lợi tương ứng búp sóng phụ so với búp sóng là: = 2.2.9.Lợi ích anten mảng Để hiểu lợi ích anten mảng, ta xét gồm anten nằm dọc theo trục z, nhân tín hiệu (sóng phẳng thông tin mong muốn) đến từ góc tương trục z, hình sau: Ba phần tử anten tiếp nhận sóng phẳng Các anten mảng pha đặt cách nửa bước sóng (trọng tâm z = 0) Trường E sóng phẳng (giả định có biên độ không đổi vị trí) viết sau: E(x,y,z)= = = Trong k vectơ sóng, rõ biến đổi pha hàm vị trí Tọa độ (x,y) anten (0,0) ; có z thay đổi anten Giả sử anten đẳng hướng cảm biến, tín hiệu nhận từ anten tỉ lệ với E vùng anten Do đó, anten i, tín hiệu nhận là: Xi = Các tín hiệu nhận riêng biệt pha tổ hợp phần tử, phụ thuộc vào phân ly anten góc tới Nếu tín hiệu cộng lại với nhau, kết quả: Y= + + = = Nếu độ lớn Y biểu diễn hàm hệ số mảng θ thì: Độ lớn Y biểu diễn hàm góc phát xạ θ Hình cho thấy mảng pha xử lý tín hiệu tốt số hướng Ví dụ anten mảng tiếp thu tốt góc phát xạ 90 o Ngược lại đến 45o 135o anten mảng có công suất đầu Theo cách mô hình xạ định hướng thu lại dù anten thành phần giả định đẳng hướng Bằng cách lựa chọn hệ số mảng dạng hình học mảng anten, mảng pha thiết kế để loại bỏ lượng từ hướng không mong muốn nhận lượng cách nhạy từ hướng khác Nếu phần tử giống hệt (Anten mảng tạo thành từ tất loại anten), có định hướng vật lý (tất điểm mặt phải hướng), sau xạ (hoặc thu) mẫu cho anten mảng đơn giản phần tử mảng nhân với mô hình xạ R (θ, φ) Khái niệm gọi mô hình nhân Mạng cấp điện cho mảng Các phần tử anten riêng biệt mảng cấp điện mạng cấp điện Sự phức tạp mạng cấp điện phụ thuộc vào số lượng yếu tố, biên độ / phân phối pha yếu tố, ….Mạng cấp điện phần phức tạp mảng Vấn đề thiết kế mạng đường truyền cung cấp dòng điện có biên độ pha cho trước phần tử phức tạp vì: - Trở kháng vào phần tử chịu ảnh hưởng trở kháng tương hỗ với tất phần tử khác - Trường hợp yêu cầu kích thích không đồng cần sử dụng số dạng mạch chia công suất với tổn hao thấp - Sự ảnh hưởng dải tần công tác lên phối hợp trở kháng + Phương thức tổng quát: Chia mảng thành nhóm vùng tùy theo đối kháng chung mảng Các vùng tương tự nuôi mạng nuôi đối xứng VD: Mảng phẩn tử chia thành nhóm, nhóm nuôi đường truyền đơn Nhờ kích thích mảng có tính đối xứng cao, không phụ thuộc vào ảnh hưởng phối hợp trở kháng trở kháng tương hỗ 2.3 Các ứng dụng anten mảng 3G, 4G 2.3.1 Thực trạng thông tin di động ngày Trong thông tin vô tuyến thông tin di động lĩnh vực phát triển nhanh năm gần Các hệ thống thông tin di động cung cấp dịch vụ ngày sát với mạng cố định mặt tốc độ Với hệ sau 3G 4G đạt tốc độ số liệu từ 10-100Mb/s Để đạt điều phải sử dụng công nghệ không dây tiên tiến nhằm cải thiện cao hiệu suất sử dụng phổ tần Các công nghệ không dây hệ sử dụng kỹ thuật tiên tiến nghiên cứu năm gần OFDMA, SCFODMA, MIMO, lập biểu phụ thuộc kênh, truyền dẫn thích ứng HARQ Điều bắt buộc nhà cung cấp dịch vụ phải tìm kiếm công nghệ nhằm sử dụng cách hiệu phổ tần họ nâng cao dung lượng hệ thống chất lượng dịch vụ Một giải pháp hiệu cho vấn đề cải tiến công nghệ chế tạo anten cho hệ thống Với vai trò quan trọng anten hệ thống thông tin vô tuyến thân anten cần có thay đổi, cải tiến để phù hợp với hệ thống Có nhiều loại anten nghiên cứu áp dụng suốt trình phát triển hệ thông tin di động, trước tìm hiểu hệ thống an ten phức tạp, điểm qua hai loại anten dùng phổ biến, an ten đẳng hướng (omnidirectional antenna) anten định hướng (directional antenna) Anten đẳng hướng loại anten đơn giản dùng để phát thu sóng đồng tất hướng Loại anten thích hợp cho việc tìm kiếm máy điện thoại di động (mobile station -MS) xác máy nằm vị trí nào, nhiên làm phân tán lượng cường độ tín hiệu đến MS phần nhỏ tổng lượng tín hiệu phát Để khắc phục nhược điểm người ta phải nâng công suất phát, điều lại làm tăng xuyên lẫn kênh (còn gọi xuyên nhiễu) Nói chung anten đẳng hướng có nhiều hạn chế độ tăng ích, hiệu sử dụng phổ tần khả tái sử dụng kênh tần số Anten định hướng loại anten đơn giản, khác với anten đẳng hướng thiết kế để phát thu tín hiệu tập trung hướng định (Hình 2) Trong hệ thống thông tin di động, đặc tuyến phủ sóng an ten định hướng thường hình quạt với góc mở 1200 So với anten đẳng hướng, anten định hướng có độ tăng ích hiệu tín hiệu cao nhờ tập trung tín hiệu Tuy nhiên khắc phục nhược điểm lớn anten đẳng hướng, vấn đề xuyên lẫn kênh Để khắc phục nhược điểm loại anten đơn giản nêu người ta cố gắng kết hợp nhiều an ten với để tạo thành hệ thống anten Các anten hệ thống phải làm việc đồng với nhằm nâng cao độ tăng ích mở rộng vùng phủ sóng 2.3.2 Ứng dụng anten mảng thông tin di động Các hệ thống anten mảng xem xử lý không gian-thời gian Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép tối ưu hoá trình thu phát tín hiệu cách xử lý theo hai miền không gian miền thời gian máy thu phát 2.3.2.1 Điều khiển búp sóng Anten mảng có khả tạo điều khiển búp sóng phương pháp số để tạo đặc trưng xạ theo số yêu cầu định trước Nó chứng minh nhiều nghiên cứu mảng sử dụng cách thích hợp hệ thống truyền thông di động, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống cách tăng dung lượng kênh hiệu phổ tần, mở rộng phạm vi hoạt động, đạo nhiều tia để theo dõi nhiều điện thoại di động , bù méo độ điện tử Nó làm giảm nhiễu phading đa đường, nhiễu đồng kênh, BER, phức tạp hệ thống, … 2.3.2.2 Khử nhiễu a Khử nhiễu đồng kênh Một Anten mảng sử dụng nhiều phương pháp cải thiện hiệu suất hệ thống thông tin liên lạc Khả quan trọng loại bỏ nhiễu đồng kênh Mảng hoạt động tiền đề cho tín hiệu mong muốn nhiễu đồng kênh không mong muốn đến từ hướng khác Mẫu beam mảng điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu cách kết hợp tín hiệu từ anten khác với trọng số thích hợp Bằng cách sử dụng anten mảng thông minh hệ thống CDMA, nhiều người sử dụng đồng thời dùng chung băng tần; kỹ thuật tạo búp sóng giúp người sử dụng có SINR cao b Khử nhiễu fadinh Anten mảng thích nghi có khả chống lại nhiễu fadinh hay nhiễu giao thoa sóng cách xử lý không gian Khi thuê bao hệ thống mạng trao đổi thông tin từ địa điểm khác nhau,mỗi thuê bao có thông tin không gian liên quan tới thuê bao Anten mảng thích nghi dựa vào đặc tính không gian tín hiệu để giảm bớt nhiễu giao thoa sóng Việc xử lý thực Beamformer Beamformer giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ thống CDMA hoạt động tốt kênh tín hiệu giao thoa với Dung lượng hệ thống CDMA tăng lên cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel Các yếu tố môi trường tán xạ, phân bố người dùng, môi trường phađinh v.v đóng vai trò quan trọng việc xác định tiêu hệ thống di động không gian-thời gian Một hệ thống thông tin di động thiết kế tốt phải sử dụng phần truyền dẫn chung cho: tổng lưu lượng thông tin phát trung bình lớn tốt; xác suất lỗi trung bình phía người dùng nhỏ tốt; trễ trung bình nhỏ tốt Tuy nhiên tiêu chí thoả mãn đồng thời; thiết kế tốt đòi hỏi phải cân đối tiêu chí Ví dụ, kỹ thuật tạo búp sóng dùng để giảm xác suất lỗi hệ thống cách giảm nhiễu CDMA Điều thực cách kết hợp thông minh tín hiệu thu từ nhiều phần tử anten trạm gốc máy di động Trong hệ thống thông tin di động dùng anten mảng, thành phần tín hiệu pha-đinh nhanh tạo biên độ pha ngẫu nhiên cho tín hiệu thu phần tử anten, làm nhiễu loạn véc-tơ quay mảng Trong trường hợp pha-đinh Rayleigh Nakagami, pha giá trị khoảng (0, 2π], xác định hướng tới sóng giám sát tín hiệu thời gian ngắn Tương tự, khái niệm giản đồ phương hướng mảng dựa giả thiết sóng phẳng tới phần tử mảng có biên độ không đổi Do đó, môi trường pha-đinh, việc thực tạo búp để tạo triệt (null) búp tương ứng phía nguồn tín hiệu mong muốn nhiễu không hiệu Khi pha-đinh nhanh có tương quan mạnh phần tử, coi nhân vô hướng với vec-tơ quay, tác động lên phần tử Do thực việc khôi phục lại véc-tơ quay Tuy nhiên, tăng ích phân tập thu kỹ thuật dựa pha-đinh không tương quan Chính phát sinh mâu thuẫn việc tránh làm nhiễu búp sóng mong muốn có phân tập thu Từ phân tích trên, ta thấy loại bỏ bớt ảnh hưởng kênh với thiết kế máy thu tốt Tuy nhiên, yêu cầu hạn chế độ phức tạp máy đầu cuối đặc tính đường xuống, giải pháp sử dụng để cải thiện đường xuống dùng nhiều anten phát trạm gốc, nhờ không làm tăng độ phức tạp máy đầu cuối Ảnh hưởng pha-đinh đa đường hệ thống vô tuyến giảm bớt cách sử dụng phân tập theo không gian (anten máy thu gồm nhiều phần tử) Trong môi trường pha-đinh, công suất sóng mang cần phải phát cao công suất trung bình để đạt tỉ lệ lỗi bít (BER) mong muốn Trong anten mảng, tín hiệu thu phần tử khác lấy trọng số phù hợp để tạo tín hiệu kết hợp biến thiên chậm tín hiệu thành phần Anten mảng yêu cầu công suất thấp so với trường hợp sử dụng anten phần tử, mà đạt BER mong muốn Anten mảng gắn xe, tàu, máy bay, vệ tinh, trạm gốc dự kiến đóng vai trò quan trọng việc thực nhu cầu gia tăng yêu cầu kênh cho dịch vụ, để thực ước mơ thiết bị truyền thông di động kích thước đồng hồ đeo tay có sẵn với chi phí phải cho dịch vụ CHƯƠNG 3: Tính toán, thiết kế mẫu anten mảng Dựa vào mô hình toán học phân tích kỹ thuật anten mảng chương 2, đồ án tiến hành thiết kế tính toán Matlab thể búp sóng mẫu anten mảng có số lượng phần tử khác nhau, cung cấp dòng điện có biên độ khác để kiểm nghiệm đánh giá, từ lựa chọn mẫu anten phù hợp 3.1 Cơ sở lý thuyết Kỹ thuật tạo búp sóng kỹ thuật xử lý không gian chung thực anten mảng Nguyên lý tạo búp sóng tức dựa vào liệu đầu vào để điều chỉnh tạo búp sóng phát phù hợp với hướng thu thiết bị Kỹ thuật tạo búp sóng thường thực cách sử dụng anten mảng để quét, điều chỉnh độ rộng búp sóng,… nhờ việc điều chỉnh trọng số phức phần tử anten mảng Chính trọng số giúp anten tập trung xạ theo hướng mong muốn - Biên độ trọng số định độ rộng búp sóng búp phụ - Pha trọng số định hướng búp sóng Trong tạo búp sóng, biên độ pha phần tử Anten điều khiển để điều chỉnh mức búp bên búp phụ tốt đạt cách điều khiển pha Tối ưu hóa kỹ thuật cho phép nhà thiết kế để thiết kế mảng anten có búp sóng phụ không đối xứng / -búp tùy ý Trong phần này, chứng minh làm tối ưu hóa công cụ MATLAB sử dụng để làm ăng-ten tối ưu hóa mảng Ở sử dụng xây dựng chức fmincon hộp công cụ, chức thực phi tuyến hạn chế tối ưu hóa Điều phù hợp với thiết kế mảng ăng ten có mô hình hàm phi tuyến biến định hướng mô hình hạn chế hướng khác với đáp ứng yêu cầu búp sóng phụ Khai thác tương đồng lý thuyết xử lý tín hiệu lý thuyết anten mảng, chứng minh với phân tích nỗ lực mảng ăng ten thực tín hiệu công cụ xử lý hình ảnh MATLAB Sự giống lọc FIR mảng sử dụng cách hiệu để giải thích khái niệm mảng Ngoài ra, tổng hợp mảng, với xấp xỉ đầu tiên, thực công cụ tín hiệu xử lý trường hợp mảng chiều, công cụ xử lý hình ảnh trường hợp mảng hai chiều, bỏ qua ghép nối lẫn phần tử Nó chứng minh việc tối ưu hóa hộp công cụ MATLAB sử dụng để thiết kế ăng-ten mảng với các búp sóng phụ không đối xứng Phased array mảng ăng-ten mà hướng (main lobe) điều khiển cách thay đổi pha tín hiệu ăng-ten Thông thường pha tín hiệu điều khiển dịch pha (phase shifter: mạch điều khiển pha tín hiệu vào/ra ăng-ten) Độ phân giải pha dịch pha định khả điều chỉnh hướng độ bao phủ (coverage) mảng ăng-ten 3.2 Mô Chương trình mô phương pháp anten dãy gồm có: Broadside, Endfire, Binomial Dolph Chebyshev Cả phương pháp thay đổi số lượng anten khoảng cách chúng để tính toán xác định dạng búp sóng chúng Hình 1: Giao diện chương trình Hình Phương pháp Broadside Dạng búp sóng phương pháp tập trung theo hướng số lượng búp phụ Chế độ hoạt động thông thường thấy anten mảng tuyến tính chế độ broadside Trường hợp tất vả dòng điện phần tử pha Chùm xạ vuông góc với trục hệ thống Hình Phương pháp Binomial Dạng búp sóng phương pháp tương tự phương pháp Broadside cường độ búp phụ lớn so với Broadside Hình Phương pháp Endfire Phương pháp Endfire xạ ngang với tập trung vào hướng búp sóng phụ tương đối lớn Cái tên End-fire xạ cực đại anten mảng nằm dọc theo trục chứa phần tử anten mảng Do đó, xạ cực đại nằm “sau cùng” anten mảng Độ rộng búp sóng trường hợp cho end-fire gốc lớn độ rộng búp sóng trường hợp broadside Do anten mảng end-fire gốc không cho hiệu độ rộng búp sóng anten mảng broadside Hiệu độ rộng búp sóng trường hợp mối quan hệ độ rộng búp sóng khả thi với tổng độ dài anten mảng Hình Phương pháp Dolph Chebyshev Phương pháp Dolph Chebyshev dạng sóng tập trung theo hướng búp sóng phụ Một dãy anten tuyến tính phần tử cách với trường kích thích D-T (Dolph-Chebychev) sinh đồ thi tối ưu với độ rộng búp nhỏ cho mức búp phụ không đổi theo lý thuyết Thuật toán Chebyshev có ý nghĩa việc chống nhiễu Anten phát trình phát, giản đồ hướng sử dụng đơn giản búp sóng hướng phía máy thu Trong trường hợp cần biết trước góc mở búp sóng máy thu phải lưu ý đến môi trường xung quanh máy thu Đôi xảy việc ta muốn hạn chế tối thiểu tác động máy phát lên máy thu khác Đây tác động công suất xạ búp sóng phụ mà nhiễu không mong muốn hạn chế Trong trường hợp cần áp dụng phương pháp làm giảm số búp sóng phụ, tăng độ suy giảm búp sóng phụ Thiết kế anten mảng Để xác định độ lợi mảng, hệ số mảng anten chiều phải xác định Hệ số mảng nhân lên số phần tử mảng để đạt độ lợi mặt lý thuyết Hệ số định hướng anten mảng phụ thuộc vào bước sóng không gian tự λ, số phần tử mảng anten phụ thuộc vào khoảng cách phần tử trục x t Một mảng gồm 16 phần tử với khoảng cách λ/2 đơn vị tế bào đạt độ định hướng 17,98dB Có hai cách cấp nguồn cho phần tử xạ: Cấp nguồn trực tiếp cấp nguồn song song Phương pháp cấp nguồn cho anten vi dải sử dụng cấp nguồn song song sử dụng cáp đồng trục Mạng lưới cấp điện song song sử dụng để cấp điện cho 2n phần tử xạ, thiết kế ta áp dụng cho 16 phần tử [...]... Chương II: Anten mảng Chương này nghiên cứu kỹ thuật anten mảng và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động 2.1 Giới thiệu về anten mảng Trong nhiều ứng dụng, cần thiết phải thiết kế nhiều Anten với những đặc tính chi phối (độ lợi rất cao) để đáp ứng yêu cầu cho truyền thông khoảng cách xa Thông thường điều này chỉ có thể hoàn thành bằng cách tăng đặc tính điện của anten Cách khác là ghép các thành... cấu trúc hình học bất kỳ Tùy cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đường, mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng Anten mảng có thể là một, hai hoặc ba chiều Anten mảng được chia thành Anten mảng pha và Anten mảng thích nghi theo chức năng và hoạt động của nó 2.1.1 Anten mảng pha Anten mảng pha là Anten sử dụng các phần tử đơn và kết hợp với tín hiệu tạo... nơi đặt anten thu và khả năng làm việc của anten thu Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi một tham số gọi là di n tích hiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten Nếu anten là anten bức xạ mặt thì công suất thu được tại anten sẽ là tích của mật độ thông lượng công suất với di n tích hiệu dụng của anten thu Di n tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức: Ae = A.η A Trong đó A là di n tích... của một mảng anten gồm N phần tử Dùng X1, X2, …,XN biểu di n đầu ra từ Anten 1 đến N tương ứng Đầu ra của các anten sẽ được nhân với hệ số mảng của N anten: w1, w2,…, wN và trường tổng của chúng được thể hiện như hình sau: Hệ số mảng, tổng các tín hiệu từ các anten để tạo đầu ra trong một anten mảng pha Đầu ra của một anten mảng được thể hiện như sau : Y= 2.2.3 Sự chuyển dịch pha Cấu hình mảng điển... a2F(k)+… Các hệ số F (k) do một phần tử ăng ten duy nhất là gốc chung cho tất cả các thành phần Ftot(k)= A(k)F(k) (mảng mô hình nhân) trong đó a là hệ số mảng: A(k) = a0+ a1+a2+… (hệ số mảng) Khi k = k ta có thể biểu di n các hệ số mảng như là A ( hoặc A (θ, φ) Nói tóm lại, hiệu quả chủ yếu của một mảng gồm các anten giống hệt nhau là chỉnh sửa các vec-tơ bức xạ đơn anten bằng cách sử dụng hệ số mảng Ở đó... tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, η A là hiệu suất làm việc của anten Quan hệ giữa di n tích hiệu dụng và hệ số khuếch đại của anten thu được biểu thị bởi biểu thức Ae = GR λ 2 4π Trong đó Ae là di n tích hiệu dụng của anten (m) GR là hệ số khuếch đại của anten thu λ là bước sóng công tác (m) Tương tự đối với các anten dây, chấn tử đối xứng… biểu thị bằng chiều dài hiệu dụng Nếu cường độ điện... của Anten mảng Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần, vào sự định hướng, vào vị trí của các anten, vào biên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng Nếu các phần tử của mảng. .. và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Thích ứng với hầu hết các chuẩn Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ thông tin vô tuyến thống thông tin di động sử dụng các chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA hay các chuẩn song công FDD, TDD Có tính trong suốt đối với mạng Cho phép tạo ra các sản phẩm và lưới -Không bị giới hạn bởi một phương dịch vụ chất lượng cao và đưa lại cho thức điều chế hay giao thức vô tuyến cụ... Mỗi anten hình thành mảng được gọi là phần tử của mảng Hướng có độ lợi cực đại xảy ra luôn được điều khiển bởi đặc tính biên độ và pha giữa những thành phần khác nhau Anten mảng pha cho phép kiểm soát hướng các chùm tia và hình dạng hoa văn 2.1.2 Anten mảng thích nghi Anten mảng thích nghi là Anten có khả năng chống nhiễu tốt, thu được tín hiệu chính xác và tự hiệu chỉnh trong hệ thống truyền thông. .. thu được Các phần tử của anten có thể được sắp đặt ở những vị trí bất kì trong không gian, trên thực tế loại anten thường được sử dụng là anten mảng thích nghi phẳng, là loại anten mà tâm các phần tử của anten được sắp xếp nằm trên cùng một mặt phẳng Có hai loại anten mảng phẳng được biết đến rộng rãi là anten mảng tròn và anten tuyến tính Trong mảng tuyến tính, tâm các phần tử anten được sắp xếp theo