NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢN ĐỒ HƯỚNG HỆ ANTEN THẲNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢN ĐỒ HƯỚNG HỆ ANTEN THẲNG Chủ nhiệm đề tài: PGS TS TRẦN XUÂN VIỆT Hải Phòng, tháng 4/2016 i Mục lục DANH SÁCH BẢNG BIỂU ii DANH SÁCH HÌNH ẢNH iii MỞ ĐẦU CHƯƠNG .3 MÔ HÌNH TOÁN KHẢO SÁT HỆ ANTEN THẲNG 1.1.Các dạng cấu trúc hệ anten 1.2.Một số giả thiết 1.3.Mô hình toán khảo sát hệ anten thẳng CHƯƠNG .9 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG HỆ ANTEN 2.1.Các lợi ích hệ anten có xử lý tín hiệu 2.2.Các phương pháp xử lý tín hiệu hệ anten 14 2.2.1Định dạng búp sóng 14 2.2.2Mạng ấn định búp sóng 16 2.2.3.Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng 17 2.2.4.Hệ anten phân tập không gian 18 2.3.Kết luận chương 21 CHƯƠNG 22 3.1.Hàm phương hướng hệ anten thẳng 22 3.2.Tổng hợp giải pháp điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng 24 3.3.Đặc tính hệ anten thẳng điều khiển giản đồ hướng 25 3.3.1.Búp sóng (cực đại chính) 25 3.3.2.Cực đại phụ 26 3.3.3.Hệ anten Dolph-Chebyshev 27 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO .31 i DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng : Phân loại giải pháp điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng 24 ii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Mô hình hệ anten có xử lý tín hiệu Hình 2a Biểu diễn hình học hệ anten vòng hệ anten phẳng Hình 2b Biểu diễn hình học hệ anten thẳng .4 Hình3 Một mô hình tín hiệu hệ anten có xử lý tín hiệu .5 Hình Hiệu mở rộng vùng phủ sóng phụ thuộc số phần tử hệ anten 11 Hình SNRout ứng với số phần tử anten khác 12 Hình Một ví dụ giản đồ hướng hệ anten thẳng 15 Hình 7.a Ma trận Butler hệ anten ấn định búp sóng x 17 Hình 7.b Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng NxN 18 Hình Một hệ thống phân tập không gian sử dụng hệ anten 19 Hình Cấu trúc hệ anten phân vùng rẻ quạt 120 độ 20 Hình 10 Mô hình hình học hệ anten thẳng 22 Hình 11 Giản đồ hướng hệ anten thẳng N=6 24 Hình 12 Phân bố biên độ dòng điện hệ anten DolphChebyshev N=8, SLL=20dB 28 Hình 13 Giản đồ hướng hệ anten DolphChebyshev N=8, SLL=20dB .28 iii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Sóng vô tuyến lan truyền dạng tín hiệu không gian-thời gian Một anten đơn, chẳng hạn anten thu độc lập, tín hiệu cảm ứng từ anten không chứa đựng đặc tính không gian tín hiệu Còn hệ anten nhiều phần tử, việc xử lý tín hiệu kết hợp khai thác lượng tin tức có đặc tính không gian phân bố trường sóng vô tuyến phân bố không gian phần tử anten Hệ anten có xử lý tín hiệu hướng công nghệ quan tâm đặc biệt để nâng cao hiệu hệ thống thông tin vô tuyến điện Hệ anten có xử lý tín hiệu cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng hiệu dung lượng hệ thống thông tin, mở rộng phạm vi hoạt động giảm thiểu chi phí đầu tư triển khai hệ thống Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Sóng vô tuyến lan truyền không gian dạng tín hiệu nhiều chiều, biến thời gian, tín hiệu mang thông tin chứa đựng đặc tính không gian [1] Trong hệ anten, việc xử lý tín hiệu kết hợp cho phép khai thác lượng tin tức chứa đặc tính không gian phân bố trường sóng vô tuyến phân bố không gian thành phần anten Hệ anten có xử lý tín hiệu quan tâm nghiên cứu ứng dụng từ hàng chục năm Từ công trình nghiên cứu, tài liệu kinh điển anten quét điện (Microwave scanning antennas), anten mạng pha (Phase array antennas), xuất từ năm 60, 70 kỷ trước đến nghiên cứu thời gian gần anten thích nghi (Adaptive antennas) , Smart antennas, xử lý tín hiệu không gian-thời gian hệ anten cho thấy hướng nghiên cứu lớn kỹ thuật anten, tiếp tục tập trung nhiều công sức nhiều chuyên gia lĩnh vực Trong hệ anten, phần tử xếp không gian theo nhiều dạng hình học khác nhau, theo vòng tròn, theo mặt phẳng hay theo hình khối…, hệ anten thẳng với phần tử xếp dọc theo trục thẳng có khoảng cách cấu trúc điển hình tập trung nghiên cứu Trong ứng dụng hệ anten thẳng, tạo búp sóng hẹp điều khiển quét búp sóng nghiên cứu từ lâu áp dụng ngày tinh tế nhiều lĩnh vực quan trọng, hệ thống kiểm soát tần số vô tuyến điện, hệ thống Rađa hàng không từ mục đích giám sát không lưu đến mục đích phát truy theo tên lửa Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu đề tài sâu nghiên cứu tìm số giới hạn điều khiển quét búp sóng hệ anten dựa điều chỉnh trọng số pha nghiên cứu vấn đề lượng tử hóa góc dịch pha hệ anten có gia công tín hiệu theo đặc tính pha Đối tượng nghiên cứu đề tài hệ anten thẳng - hệ anten có cấu trúc điển hình, thường sử dụng nghiên cứu ứng dụng hệ anten có xử lý tín hiệu Phạm vi nghiên cứu đề tài không đề cập đến tất đặc tính hệ anten thẳng, số đặc tính quan trọng số điều kiện khảo sát định, có liên quan đến kết nghiên cứu ghi nhận trình bày đề tài Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài mô máy tính dựa mô hình toán thành phần hệ anten thẳng phương pháp tính số tiện ích đồ họa công cụ phần mềm MATLAB Các tính toán giải tích sử dụng đề tài cho mục tiêu định, cần thiết để giảm nhẹ yêu cầu tính toán mô phỏng, hay xử lý kết mô Kết đạt đề tài Nội dung đề tài giải toán liên quan đến vấn đề điều khiển giản đồ hướngcủa hệ anten thẳng Đó giải pháp điều khiển pha, điều khiển biên độ, điều khiển kết hợp pha-biên độ trọng số phần tử hệ anten thẳng nhằm cải thiện đặc tính hệ anten CHƯƠNG MÔ HÌNH TOÁN KHẢO SÁT HỆ ANTEN THẲNG 1.1.Các dạng cấu trúc hệ anten Hệ anten có xử lý tín hiệu sử dụng mạng anten nhiều phần tử có độ tăng ích nhỏ Các phần tử xếp theo dạng hình học mà thường gặp xếp thẳng hàng, xếp theo vòng tròn theo mặt phẳng (hình 1.2) Một dãy thẳng hàng bao gồm phần tử mà tâm pha dóng theo trục thẳng [2], khoảng cách phần tử ta có hệ anten thẳng (Uniform Linear Array) Tương tự, hệ anten vòng bao gồm phần tử mà tâm pha chúng nằm đường tròn Và, hệ anten phẳng bao gồm phần tử có tâm pha nằm mặt phẳng Hình Mô hình hệ anten có xử lý tín hiệu Trong hai loại hệ anten thẳng hệ anten vòng tạo búp sóng chiều (trong mặt phẳng nằm ngang) hệ anten phẳng dùng để tạo búp sóng hai chiều (cả mặt phẳng nằm ngang mặt phẳng thẳng đứng) Mặc dù kết cấu hình học khác nhau, nguyên lý xử lý tín hiệu có điểm chung, nên đề tài chủ yếu khảo sát hệ anten thẳng Các phương pháp toán sử dụng để mở rộng cho dạng hình học khác [2] Một ví dụ đơn giản hệ anten thẳng thể hình 1.2b Ở  góc phương vị,  góc ngẩng mặt sóng đến, mặt phẳng nằm ngang tương ứng với    / Hệ anten vòng Hệ anten phẳng Hình 2a Biểu diễn hình học hệ anten vòng hệ anten phẳng Hình 2b Biểu diễn hình học hệ anten thẳng 1.2.Một số giả thiết Để đơn giản phân tích hệ anten có xử lý tín hiệu, đưa giả thiết [2], [6]: - Khoảng cách phần tử đủ nhỏ để khác biệt biên độ tín hiệu cảm ứng phần tử khác - Không xét tới ghép tương hỗ phần tử - Tất sóng đến phân tách số hữu hạn mặt sóng Có nghĩa có hữu hạn tín hiệu 1.3.Mô hình toán khảo sát hệ anten thẳng Hình3 Một mô hình tín hiệu hệ anten có xử lý tín hiệu Đối với mặt sóng đến hệ anten từ hướng  ,  , khác pha tín hiệu đến phần tử i phần tử 0, gốc tọa độ, là: i  kx di  k. xi cos.sin   yi sin .sin   zi cos  (1.1) hệ số pha, λ bước sóng, di vị trí phần tử i Biểu diễn hình học hệ anten thẳng hình 1.2b biểu diễn mô hình xử lý tín hiệu hệ anten hình 1.3 Mỗi nhánh tác động thành phần trọng số, wi Thành phần trọng số wi biến đổi độ lớn pha tương ứng với phần tử Hướng mặt sóng đến (θ, có quan hệ với trục hệ anten Biểu diễn tín hiệu tác động vào hệ anten s(t) Giả thiết tạp âm tất phần tử riêng biệt có độ lớn hướng Sử dụng (1.1) với x=i.d, tín hiệu thu phần tử i hệ anten là: ui (t )  As(t )e(  j ).i  As(t )e(  j ).k i.d  As(t )e(  j ).k i.d cos.sin  (1.2) A số Tín hiệuz(t) đầu hệ anten là: N 1 N 1 i 0 i 0 z (t )   w iui (t )  As(t ) wi e(  j ).k i.d cos  sin   As (t ) f ( , ) (1.3) Hàm f ( , ) gọi hệ số mạng : N 1 f ( , )   wi e(  j ).k i.d cos  sin  (1.4) i 0 Hệ số mạng xác định tỷ số tín hiệu thu đầu hệ anten z (t ) , tín hiệuAs(t), đo phần tử gốc, hàm hướng sóng tới ( , ) Bằng việc điều chỉnh giá trị trọng số, w i  , thu cực đại hệ số mạng theo hướng mong muốn    ,    Công suất thu đầu hệ anten là: Pr  1 2 z (t )2  As(t) f ( , ) 2 (1.5) Trong trường hợp tổng quát, giản đồ hướng hệ anten hàm   Nếu giản đồ hướng phần tử g a ( , ) tất phần tử có hướng tính chung, giản đồ hướng tính tổng hợp hệ anten cho [2]: với giản đồ búp sóng Giản đồ búp sóng hệ anten ấn định búp sóng ma trận x biểu diễn hình 1.7b Hình 7.a Ma trận Butler hệ anten ấn định búp sóng x 2.2.3.Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng Trong hệ thống dùng mạng anten ấn định búp sóng, chuyển mạch sử dụng để lựa chọn búp sóng tốt để thu tín hiệu xác định Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng biểu diễn hình 1.8 mô hình thực đơn giản, cần có hệ anten định dạng búp sóng, chuyển mạch cao tần điều khiển logic để lựa chọn búp sóng xác định Với việc lựa chọn đầu ra, M véc tơ trọng số định trước sử dụng biểu diễn theo (1.23) Việc lựa chọn búp sóng riêng biệt phải thực máy thu Kỹ thuật lựa chọn búp sóng phụ thuộc nhiều vào đặc trưng hệ thống FDMA, TDMA hay CDMA, nhiên thực chuyển mạch cho phương thức đa truy nhập [4], [5] Các hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng có nhiều lợi so với hệ anten khác chỗ giảm thiểu tính phức tạp giá thành Tuy nhiên có số hạn chế Trước hết, hệ thống loại trừ thành phần đa đường có hướng tới gần với hướng sóng tới mong muốn Theo [6], hệ 17 thống dựa sở mạng ấn định búp sóng nhạy cảm với phân bố hướng sóng tới thành phần đa đường hệ thống dựa sở xử lý thích nghi Nhược điểm thứ hai hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng chỗ tận dụng lợi đặc tính đa dạng đường truyền cách kết hợp thành phần đa đường có tương quan… Mặc dù có nhược điểm định, hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng sử dụng có số lợi so với hệ anten có xử lý tín hiệu phức tạp khác Tùy thuộc môi trường truyền sóng, hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng giảm trải trễ thời gian, hệ thống yêu cầu tương thích vừa phải với máy thu trạm gốc so với hệ thống anten thích nghi Cuối cùng, hệ thống coi công nghệ cao, nên yêu cầu kỹ thuật phù hợp với không khắt khe hệ thống phức tạp khác Hình 7.b Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng NxN 2.2.4.Hệ anten phân tập không gian Tính đa đường kênh vô tuyến dẫn tới tượng pha-đinh tín hiệu thu, đặc biệt trường hợp băng thông tín hiệu nhỏ so với băng thông tương quan kênh Điều vấn đề đáng quan tâm tận dụng đặc tính phân tập không gian máy thu trạm gốc hệ 18 thống thông tin di động Sự chọn lọc phân tập không gian ứng dụng cách có hiệu nhằm hạn chế ảnh hưởng pha-đinh băng hẹp Các hệ anten thích nghi, trường hợp định, có khả kết hợp thành phần đa đường, dẫn tới kết làm suy giảm ảnh hưởng pha-đinh băng hẹp Đáng tiếc là, có nhiều tác động nhiễu, số thành phần đa đường nhiều, phân biệt hướng tới thành phần nhỏ, mức tạp âm lớn, khả làm suy giảm ảnh hưởng phađinh băng hẹp bị hạn chế Hình Một hệ thống phân tập không gian sử dụng hệ anten cách số bước sóng nhằm hạn chế pha-đinh băng hẹp 19 Hình Cấu trúc hệ anten phân vùng rẻ quạt 120 độ, phân vùng gồm hệ anten phân tập không gian[5] Đối với hệ anten sử dụng hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng, khả làm suy giảm ảnh hưởng pha-đinh băng hẹp hạn chế, điều kiện tốt Vì phân tập không gian sử dụng kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật khác Một ví dụ mô tả hình 9, việc định dạng búp sóng thực độc lập hai hệ anten, hệ thống chọn lọc phân tập phối hợp tín hiệu để có chất lượng tín hiệu cao Kết hợp với phân tập không gian, hầu hết hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng kỹ thuật phân vùng rẻ quạt (sectoring), tế bào phân chia thành số vùng hình rẻ quạt theo góc phương vị Điển hình tế bào phân chia làm vùng rẻ quạt góc 120 độ, vùng rẻ quạt góc 60 độ Đối với tế bào, tái sử dụng tần số nhờ kỹ thuật phân vùng rẻ quạt, tăng dung lượng thông tin cho tế bào Kỹ thuật phân vùng rẻ quạt cho phép trạm gốc chuyển vùng nhiều dung lượng thông tin so với trạm gốc phủ sóng đẳng hướng Hơn với việc phân vùng rẻ quạt, hướng tính anten có độ tăng ích lớn anten đẳng hướng, ứng dụng trạm gốc Điều làm tăng kích thước vùng phủ sóng, tức làm tăng kích thước tế bào Cấu trúc điển hình hệ anten có kết hợp phân vùng rẻ quạt biểu diễn hình 1.10 Trong cấu trúc này, hệ thống phân chia thành phân vùng rẻ quạt góc 120 độ, vùng rẻ quạt sử dụng hai hệ anten phải trái cho mục đích phân tập không gian 20 2.3.Kết luận chương Hệ anten có xử lý tín hiệu hướng công nghệ quan tâm đặc biệt để nâng cao hiệu hệ thống thông tin vô tuyến điện Các hệ anten có xử lý tín hiệu băng hẹp hệ thống ấn định búp sóng hay hệ thống xử lý tín hiệu đường xuống không xử lý tín hiệu linh hoạt có ứng dụng nhiều hệ thống viễn thông, hệ thống phát trạm gốc (base station), trạm cổng (gateway) Hệ anten thích nghi sử dụng định dạng búp sóng theo hướng nguồn tín hiệu mong muốn, đồng thời suy giảm không phía nguồn nhiễu Quá trình phân biệt người dùng riêng biệt tập hợp nhiễu dựa đặc tính không gian gọi lọc không gian Ở đường lên thông tin di động, mục đích xử lý tín hiệu thích nghi làm cực đại SINR tín hiệu thu mong muốn Đồng thời, xử lý tín hiệu thích nghi sử dụng đường xuống (từ trạm gốc tới mobile) để làm cực đại công suất phát trạm gốc tới đầu cuối mobile mong muốn, làm cực đại SINR đường xuống Trong số trường hợp thiết kế để lái búp không hướng đặc biệt để khử nhiễu Hệ anten thích nghi chủ đề công trình nghiên cứu lý thuyết anten đại khác [5] 21 CHƯƠNG CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢN ĐỒ HƯỚNG HỆ ANTEN THẲNG 3.1.Hàm phương hướng hệ anten thẳng Hình 10 Mô hình hình học hệ anten thẳng Đối với hệ anten (nhiều thành phần), việc xử lý tín hiệu kết hợp cho phép khai thác lượng tin tức chứa đặc tính không gian phân bố trường sóng điện từ phân bố không gian thành phần anten, mang lại nhiều ứng dụng thực tế, [3]: - Cải thiện số đặc tính hướng anten mà hạn chế việc phải tăng kích thước hay số phần tử anten, - Thiết lập anten với giản đồ hướng thích nghi, có cực đại phía tín hiệu hữu ích suy giảm không hướng can nhiễu, - Kiểm soát đồng thời vùng không gian định (anten nhiều tia), - Điều khiển giản đồ hướng phương pháp quét điện tử, … Các phần tử hệ anten xếp không gian theo nhiều dạng hình học khác nhau, theo vòng tròn, theo mặt phẳng hay theo hình khối…, nhiên thường gặp hệ anten thẳng Cấu trúc điển hình hệ anten thẳng hình Nó bao gồm N phần tử từ đến N-1 xếp dọc trục ox, cách khoảng 22 d ( / 2) , tức d coi khoảng cách chuẩn hóa (so với  /2), chọn gốc tọa độ trùng với vị trí phần tử 0, hướng dương trục ox thể hình vẽ Các phần tử anten đẳng hướng mặt phẳng chứa trục ox (hình 1b) có giản đồ hướng gần hình sin(hình 1a) Hàm phương hướng hệ anten tính theo nguyên lý nhân đồ thị phương hướng : f ( )  f1 ( ) f k ( ) (3.1) Trong : f1() hàm phương hướng phần tử f1 ( )  với hệ anten hình 10b (3.2) f1()=sin với hệ anten hình 10a (3.3) Và hàm phương hướng tổ hợp, gần coi hàm phương hướng hệ anten thẳng, : N 1 f k ( )   wi e  j i i 0 N 1   e i i e  j i i 0 (3.4) Ở biên độ dòng điện phần tử thứ i (so với biên độ dòng điện phần tử 0, lấy làm chuẩn so sánh) : a i  e i i  Ii I0 (3.5)  i  arg(a i )  i.  i. cos Và lệch pha chênh lệch đường từ phần tử thứ i với phần tử e ji  e j.i. d cos (3.6) Tóm lại, hàm phương hướng tổ hợp hệ anten viết sau : N 1 f ( )   e i 0 j  i e  j  i N 1   e j i. (cos cos ) i 0 (3.7) Bằng việc điều chỉnh phân bố dòng điện phần tử điều khiển giản đồ hướng với nhiều mục đích : - Thu hẹp độ rộng búp sóng 3 - Lái búp sóng tới hướng  mong muốn 23 - Suy giảm cực đại phụ Các khái niệm : độ rộng búp sóng 3, hướng lái tia , mức cực đại phụ (SLL-Side Lobe Level) đưa hình vẽ giản đồ hướng hệ anten N phần tử hệ tọa độ cực (hình 3a) hệ tọa độ Decac (hình 3b) Lưu ý cần vẽ giản đồ hướng nửa mặt phẳng  từ đến , lấy đối xứng qua hàm phương hướng hàm chẵn Hình 11 Giản đồ hướng hệ anten thẳng N=6 [3] 3.2.Tổng hợp giải pháp điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng Bảng : Phân loại giải pháp điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng 24 Hệ anten thẳng thường gặp với khoảng cách phần tử nửa bước sóng, đồng pha, đẳng biên với tác dụng chủ yếu thu hẹp độ rộng búp sóng Hệ anten ULA xử dụng phần bao hàm hai nghĩa [3]: - Thứ nhất: ULA (Uniform Linear Array) mạng tuyến tính phần tử (được xếp trục thẳng), cách - Thứ hai: ULA (Uniformly excited Linear Array) mạng tuyến tính phần tử kích thích (hoặc cảm ứng) đồng đều, tức biên độ tín hiệu phần tử nhau, sai khác pha Tác dụng chủ yếu hệ anten ULA việc thu hẹp độ rộng búp sóng, quét búp sóng tới hướng mong muốn Giải pháp điều khiển giản đồ hướng tổng hợp đồng thời điều khiển biên độ pha dòng điện phần tử anten để vừa thu hẹp độ rộng búp sóng, vừa lái tia nén cực đại phụ theo thuật toán Dolph-Chebyshev, TaylorKansor 3.3.Đặc tính hệ anten thẳng điều khiển giản đồ hướng 3.3.1.Búp sóng (cực đại chính) Một ứng dụng quan trọng hệ anten thẳng tạo búp sóng hẹp điều khiển quét búp sóng Độ rộng búp sóng hệ anten ULA theo số phần tử N hướng lái tia  Khi N đủ lớn, độ rộng búp sóng tính gần theo [6]: 3  0.8858. N l sin  (3.8) Nếu tính 3bằng độ, đổi l khoảng cách phần tử thành khoảng cách tương đối so với nửa bước sóng l  d ( / 2) , có công thức tính gần dễ nhớ : 3 (0 )  100 N d sin  (3.9) 25 Theo (9), số trường hợp cụ thể : d =1,  = 900, tức hệ anten thẳng có khoảng cách phần tử nửa bước sóng, hướng mạn (Broadside) nhận công thức tính độ rộng búp sóng đơn giản [2]:   3 (0 )  100 N (3.10) Từ (9) hay (10), rút nhận xét : - Độ rộng búp sóng tỷ lệ nghịch với số phần tử N, N lớn, độ anten lớn, búp sóng hẹp Đó ứng dụng hệ anten ULA - Độ rộng búp sóng tỷ lệ nghịch với giá trị sin hướng lái tia  , hướng lái tia  = 900, sin  = 1, độ rộng búp sóng hẹp Ở hướng lái tia nhỏ, theo (9), độ rộng búp sóng có giá trị lớn, nhiên kết đưa [2] chưa luận giải điểm bất thường - Khi sử dụng hệ anten ULA để tạo búp sóng hẹp điều khiển hướng lái tia, muốn giữ độ rộng búp sóng hướng lái tia  (không nhỏ) theo hướng mạn, phải tăng số phần tử N số lần suy giảm giá trị sin  - Độ rộng búp sóng tỷ lệ nghịch với khoảng cách phần tử, d tăng, số lượng phần tử, độ hệ anten tăng lên, độ rộng búp sóng hẹp Các phân tích phần sau cho thấy nhận xét chấp nhận phạm vi biến đổi định giá trị d Tuy nhiên nhiều ứng dụng cụ thể, chọn d > 1, tức khoảng cách phần tử lớn nửa bước sóng dễ gặp giản đồ hướng có xuất nhiều búp sóng, nhiên chọn d < tức làm giảm độ anten, làm tăng độ rộng búp sóng Do thường chọn d=1 (tức khoảng cách phần tử thường chọn nửa bước sóng) 3.3.2.Cực đại phụ Giản đồ hướng hệ anten thẳng N phần tử có N điểm N-1 cực đại, có cực đại (Main Lobe-búp sóng) N-2 cực đại phụ (Side Lobe) 26 Cực đại phụ thứ (gần búp sóng nhất) có mức :  0.217 ~ (-13.26dB so với cực đại chính) 3. SLL  (3.11) 3.3.3.Hệ anten Dolph-Chebyshev Hệ anten Dolph-Chebyshev hệ anten thẳng điều khiển biên độ pha dòng điện phần tử điển hình Khi a i  e i i  Ii  Chebarray ( N , db) I0 (3.12)  i  arg(a i )  i.  i. cos Trong Chebarray ( N , db) phân bố biên độ dòng điện phần tử theo thuật toán Dolph-Chebyshev với hai tham số số phần tử (N) mức suy giảm cực đại phụ tính (dB) Ví dụ : Hệ anten Dolph-Chebyshev gồm phần tử, SLL=20dB hướng lái tia   600 có phân bố biên độ dòng điện giản đồ hướng biểu diễn hình Cửa sổ Dolph-Chebyshev N=8 SLL=-20dB 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 Hình 12 Phân bố biên độ dòng điện hệ anten DolphChebyshev 27 N=8, SLL=20dB -5 -10 Muc suy giam bien (dB) -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 30 60 90 Theta (do) 120 150 180 Hình 13 Giản đồ hướng hệ anten DolphChebyshev N=8, SLL=20dB Có nhiều dạng cửa sổ phân bố biên độ áp dụng kỹ thuật hệ anten: dạng chữ nhật, dạng Hamming, dạng Taylor-Kaiser, dạng DolphChebyshev Dạng cửa sổ phân bố biên độ chữ nhật, tức đẳng biên, chủ yếu áp dụng cho trường hợp điều khiển đồ thị phương hướng để quét búp sóng, chấp nhận mức suy giảm cực đại phụ 13,26 dB Các dạng cửa sổ phân bố biên độ khác áp dụng để điều khiển đồ thị phương hướng yêu cầu có mức cực đại phụ nhỏ Khi kết hợp điều khiển dòng điện phần tử anten biên độ pha vừa điều khiển quét búp sóng, vừa nén mức cực đại phụ đủ nhỏ Khi đóđộ rộng búp sóng hướng điều khiển quét búp sóng thay đổi không phụ thuộc vào hướng điều khiển quét búp sóng , mà phụ thuộc vào dạng cửa sổ phân bố biên độ vào tham số mức nén cực đại phụ Tổng quát, độ rộng búp sóng mức suy giảm dB, có dạng : 3  0.8858. b N d sin  (3.13) b hệ số phụ thuộc dạng cửa sổ phân bố biên độ tham số mức nén cực đại phụ : - Dạng chữ nhật : b=1, (R=13.26 dB) 28 - Dạng Hamming : b=2, (R=40 dB) - Dạng Taylor-Kaiser : b 6( R  12) 155   - Dạng Dolph-Chebyshev: b   0.636  cosh( acosh (Ra )  2 )   Ra  R mức suy giảm cực đại phụ tính dB, Ra mức suy giảm cực đại phụ tính số lần, tức : R  20 log10 ( Ra ) Ra R 20  10 29 KẾT LUẬN Hệ anten thẳng hệ thống anten nhiều phần tử có nhiều ứng dụng kỹ thuật viễn thông Việc xử lý tín hiệu kết hợp cho phép khai thác lượng tin tức chứa đặc tính không gian phân bố trường sóng điện từ phân bố không gian thành phần anten Hệ anten thẳng đơn giản gồm chấn tử đồng pha, đẳng biên đặt cách khoảng nửa bước sóng có tác dụng thu hẹp độ rộng búp sóng chính, với công thức tính gần đơn giản hóa (3.10) Có thể điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng cách điều khiển pha trọng số tác động lên phần tử hệ anten, nhận hệ anten ULA, quét búp sóng quanh hướng mạn ( Cũng điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng cách điều khiển phân bố biên độ trọng số tác động lên phần tử hệ anten với thuật toán khác nhau, điển hình thuật toán Dolph-Chebyshev, nhận hệ anten có giản đồ hướng nén cực đại phụ, suy giảm sâu -13.26 dB Tổng quát, điều khiển pha biên độ trọng số tác động lên phần tử hệ anten thẳng có giản đồ hướng có độ rộng búp sóng thu hẹp, cực đại phụ nén thấp lái búp sóng theo hướng mong muốn phạm vi định Cũng có công trình nghiên cứu khảo sát giới hạn điều khiển giản đồ hướng hệ anten thẳng [3] 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Anh (2000), Trường điện từ & truyền sóng, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà nội Phan Anh (2003), Lý thuyết kỹ thuật anten, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội Trần Xuân Việt (2005), Nghiên cứu hệ anten thẳng có gia công tín hiệu theo đặc tính pha, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà nội Đặng Đình Lâm, Nguyễn Minh Dân, Chu Ngọc Anh, ILGuy Kim, Nguyễn Quang Hưng (2004), “Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng phân tập cho hệ thống WCDMA môi trường pha-đinh”, Chuyên san công trình nghiên cứutriển khai viễn thông công nghệ thông tin, Tạp chí Bưu viễn thông & Công nghệ thông tin, (13), tr 5-14 Hoàng Đình Thuyên (2004), Nghiên cứu phương pháp số để tổng hợp đặc trưng hướng mạng anten thiết lập mạng anten thích nghi, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà nội Hancen R C (1998), Phased array antennas, John Wiley & Sons, Inc 31