Anten mảng (Array Antenas).

CHƯƠNG 3: CÁC LOẠI ANTEN CHO ĐẦU CUỐI THUÊ BAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.

3.2.2.Anten mảng (Array Antenas).

Anten mảng là một cấu hình các phần tử bức xạ riêng biệt được sắp xếp trong không gian và có thể được sử dụng để tạo ra một giản đồ bức xạ định hướng. Các anten phần tử đơn có đặc tính bức xạ rộng và do đó có độ định hướng thấp, không thích hợp cho thông tin xa. Một độ định hướng cao vẫn có thể đạt được với anten phần tử đơn bằng cách tăng kích thước về điện ( trong điều kiện bước sóng), dẫn đến thay đổi kích thước vật lý của anten.

Anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống mỗi ngày. Trong mảng lý thuyết cổ điển , nó được xem xét ứng dụng nhiều trong thông tin vệ tinh và điện tử.

Nó được ứng dụng trong các hệ thống thông tin point-to-point đòi hỏi định hướng rất cao của anten, điều này phụ thuộc vào chùm bức xạ anten, do đó phải tôt hợp anten đơn giản theo một trật tự nhất định nhằm tạo ra anten mảng có độ tăng ích(độ lợi) cao, tuy nhiên công suất phát sẽ giảm.

Định nghĩa một số tham số anten :

• Mật độ bức xạ nguồn. Wr

Mật độ bức xạ nguồn Wr cho biết công suất bức xạ trung bình của anten theo một hướng cụ thể và có được bằng thời gian trung bình vecto Poynting.

( ) 1 [ ] 1 2 2 W , , Re E*H | ( , , ) | (W / ) 2 2 r r θ φ E rθ φ atts m η = =

Trong đó, E là cường độ điện trường, H là cường độ từ trường và η là nội trở.

•Cường độ bức xạ. U

Cường độ bức xạ U theo một hướng nhất định là công suất bức xạ của anten theo đơn vị góc khối. Nó được tính dựa vào mật độ bức xạ và bình phương khoảng cách.

2.Wr

U =r (Watts/đơn vị góc khối)

•Công suất bức xạ tổng. Ptot

Công suất bức xạ tổng Ptot của anten theo tất cả các hướng được cho bởi công thức sau : ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 0 0 2 0 0 W , , sin , sin (W ) tot r P r r d d U d d atts π π π π θ φ θ θ φ θ φ θ θ φ = = ∫ ∫ ∫ ∫ •Độ định hướng. D0

Độ định hướng cao Dg là tỷ số giữa cường độ bức xạ theo một hướng với cường độ bức xạ theo tất cả các hướng.

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 0 0 0 0 4 , 4 W , , 4 , W , , sin , sin r g tot r U r r U D P r r d d U d d π π π π π θ φ π θ φ π θ φ θ φ θ θ φ θ φ θ θ φ = = = ∫ ∫ ∫ ∫

Độ định hướng D0 là giá trị lớn nhất của độ định hướng cao Dg cho một hướng. ( ) ax 0 4 m , tot U D P π θ φ = Trong đó Umax(θ φ, ) là cường độ bức xạ lớn nhất . • Đồ thị bức xạ.

Đồ thị bức xạ của anten có thể được định nghĩa là sự thay đổi về cường độ trường như là một hàm của vị trí hay góc. Xét một bức xạ không đẳng hướng, có bức xạ mạnh theo một hướng hơn các hướng khác. Đồ thị bức xạ của bức xạ không đẳng hướng (hình 3.17)

3.2.3.Anten mảng pha tuyến tính.( the linear phased Array Antenas ).

a. Độ dốc pha tuyến tính.

Xét một anten mảng tuyến tính với K phần tử, đều cách nhau một khoảng cách d. Hướng của sóng được biểu diễn là góc ϑ giữa tia sáng và mảng thông thường. Mạng tiếp điện cả anten có thêm một sóng cực ngắn giữa 2 cổng mỗi phần tử anten và nó là một nhánh của mạng tiếp điện. như hình vẽ 3.18

Hình 3.18. Các bức xạ K của anten mảng tuyến tính, đều được định vị dọc theo một đường thẳng, đó là mặt phẳng sóng tới tạo một góc với mảng thôn thường.

Hai cổng cho phép chúng ta thay đổi biên độ của mỗi tín hiệu Si( )ϑ và diêu quan

trọng nhất bây giờ là nó cho phép chúng ta thay đổi pha của tín hiệu nhận được. Mở ra cơ hội để hoạt động một anten mảng pha.

Khi Si( )ϑ = '( ) i S ϑ Hi( )ϑ và với ' ( ) ( ) jk K i d0( ) sin( ) i e S ϑ =S ϑ e − ϑ , ở đây 0 2 k π λ = là số sóng không gian tự do và λlà dạng của phần tử bức xạ, ta có thể viết cho dạng bức xạ mảng nhủ sau : ( ) ( ) ( ) 0( 1 sin) ( ) 1 1 i K K j k K d i e i i i S ϑ S ϑ S ϑ a e  − ϑ ψ+  = = =∑ = ∑

Trong phương trình này, ta hoàn toàn có thểgiả định rằng tác động lẫn nhau giữa các khớp nối mảng các phần tử anten là không đáng kể, cho phép một dạng phần tủ bức xạ phổ biến được đưa ra từ bài toán này.

Tất cả các hệ số ai, hình thanh nên độ dốc biên độ. Ta giả định chuẩn hóa biên độ phân bố

ai = 1 với i = 1,2,………K.

Bây giờ, ta xem xét tới hệ số mảng, Sa( )ϑ được cho bởi : ( ) 0( ) sin( ) sin( )0 1 K jk K i d a i S ϑ e −  ϑ− ϑ  = =∑

Với ϑ0 =0, độ dốc pha là không hoặc không tồn tại. Giá trị lớn nhất của các phần tử mảng trong trường hợp ϑ=0 hoặc chính xác hơn với sin( ) 0ϑ = .

Trường hợp anten mảng pha tuyến tính, ta tìm được hệ số mảng lớn nhất với : ( ) sin( ) sinϑ − ϑ =0, hoặc 0 0 0 90 ϑ ϑ, 90 − ≤ ≤ với ϑ ϑ= 0. ( ) '( )( ) i j i i i i S H a e S ψ ϑ ϑ ϑ = = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Vậy, với yêu cầu chọn đặc tính hướng chùm tia ϑ0và dịch pha các phần tử

anten mảng tuyến tính theo ψi = −k K i d0( − ) sin( )ϑ0 , hệ số mảng lớn nhất sẽ lớn

nhất với yêu cầu góc ϑ ϑ= 0.

b. Sự dịch pha.

Giả sử các tín hiệu điều hòa theo thời gian, ví dụ thay đổi ejwt, nghĩa là tín hiệu vật lý hiện tại s(w) thay đổi theo phần thực của tín hiệu ghép jwt

e

( )w os w( )

s : c t ,

ở đây w 2= π f , f là tần số tín hiệu. Đối số của hàm cosin được gọi là pha ψ .

Thời gian t ta có thể biểu diễn bằng tỷ lệ khoảng cách l, với vận tốc của tín hiệu c, trong đó c= 1εµ , để ta tìm ψ : ψ =2πfl εµ ,

Hình 3.19. Hệ số mảng của 1 anten mảng pha tuyến tính 32 phân tử với khoảng cách phân tử 3 0

4

d = λ

và coi u=sin( )ϑ như một hàm của ϑ, pha của chùm tia

0 0 0

ϑ = .

Ở đây ε là là hăng số điện môi của môi trường tín hiệu được truyền qua và µ là

hằng số điện môi của môi trường này.

Với phương trình này hinh thành nên các khả năng dịch pha có thể là : + Dịch pha bằng cách thay đổi tần số;

+ Dịch pha bắng cách thay đổi chiều dài;

+ Dịch pha bằng cách thay đổi hằng số điện môi;

Hình 3.19. Hệ số mảng của 1 anten mảng pha tuyến tính 32 phân tử với khoảng cách phân tử 3 0

4

d = λ

và coi u=sin( )ϑ như một hàm của ϑ, pha của chùm tia

0 0 30

ϑ = .

• Dịch pha bằng cách thay đổi tần số.

Dịch pha bằng cách thay đổi tần số hoặc quét tần số hoàn thành vớicác phân tử anten mảng tiếp điện nối tiếp, các phân tử có vị trí cách đều thuộc một đường và thay đổi tần số.

Hình 3.20. Tiếp điện nối tiếp anten mảng tuyến tính gồm K phần tử xác định, cách đều nhau một (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

khoảng d.

Có thể thấy rằng sự thay đổi tân số làm thay đổi pha. Quan sat theo cách khác về sự thay đổi pha này là sự thay đổi độ dài về điện trong tính toán. Sử dụng

1 , c c f λ εµ = = và k 2π λ

= , thay vào hàm của ψ , được kết quả :

kl

ψ =

đó được gọi là độ dài về điện.

• Dịch pha bằng cách thay đổi chiều dài.

Một cách khác hoàn thành đòi hỏi dịch pha là thay đổi chiều dài vật lý,

như phương trình s(w) ~ cos(wt). Dịch pha kiểu này có thể được đặt trong mảng tiếp điện nối tiếp (hình 3.21a,b), mảng tiếp điện tập trung (hình 3.21c),

Hình 3.21. Dịch pha trong mạng tiếp điện anten mảng pha tuyến tính. a, b, Tiếp điện nối tiếp anten mảng pha tuyến tính. c, tiếp điện tập trung anten mảng pha

tuyến tính.

Ở những kỷ nguyên trước thời kì số hóa, dịch pha cở bản dựa trên thay đổi chiều dài vật lý bằng các phương tiện điện cơ. Bộ căng dây dẫn là một ví dụ cho kiểu dịch pha ra đời sớm nhất.

Ngày nay, chiều dài khác nhau của đường truyền được lựa chọn kỹ thuật số. Quan sát sơ đồ ghép tầng, 4 bít, dịch pha chuyển mạch số được mô tả như hình 3.22.

Chuyển mạch trong mỗi tầng được chọn hoặc là chuyển chiều dài chuẩn của đường truyền trong mạng hoặc một phần của đường truyền mà thêm vào chiều dài chuẩn này một phần chiều dài xác định trước. Chiều dài này được chọn khi mà chiều dài chuẩn của tầng ghép được đưa ra làm tham chiếu., có pha ψ =00, 16 pha (4 bits), khoảng cách từ ψ =00 tới ψ =337,50. trong đó bước nhảy 22,50 ( LSB_ bít có nghĩa tối thiểu) có thể được chọn.

• Dịch pha bằng cách thay đổi hằng số điện môi.

Như biểu diễn phương trình s(w) ~ cos(wt), dịch pha có thể hoàn thành bằng cách thay đổi hằng số điện môi,ε, hay hằng số điện môi của vật liệu, một tín hiệu

đươc truyền qua.

Hình 3.23. Ghép tầng, 4 bít, chuyển mạch dịch pha bộ ghép lai.

Một cách là sử dụng một lưu lượng khí hay plasma, nơi hằng số điện môi, và do đó dịch pha được thay đổi bằng cách thay đổi dòng điện qua thiết bị.

Cách khác là cung cấp bằng cách sử dụng cái được gọi là vật liệu sắt điện. Vật liều sắt điện là vật liệu mà hằng số điện môi là một hàm của vùng điện trường đặt vào vật liệu.

c. Anten mảng thích nghi. ( Adaptive array antenna).

Những thập kỷ gần đây, một số đề xuất đã đưa ra dịch vụ truyền thông cá nhân thực hiện bằng các phương tiện của các hệ thống đa vệ tinh.. Các hệ thống vệ tinh cũng tương tự như công nghệ hiện đại về di động, còn tương đối mới và có nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan đến chúng. Kết quả là, các hệ thống vệ tinh cũng sẽ bị một số vấn đề tương tự. Hai trong số các vấn đề như vậy là những vấn về đa hướng và nhiễu. Những vấn đề này có thể dẫn đến suy giảm liên kết rất lớn và ảnh hưởng đến năng lượng tổng thể. Để khắc phục vấn đề này, anten mảng thích nghi trên thiết bị đầu cuối cầm tay được đề xuất. KỸ thuật này được cho là tốt hơn so với anten đa hướng( bức xạ phát ra tất cả các hướng). Anten mảng thích nghi có khả năng thích ứng với môi trường thay đổi và triệt tiêu nhiễu. Các thuật toán LMS ( Least mean squares_bước kích thước) được nghiên cứ và sử dụng trong mô phỏng mảng thích nghi.

Cấu trúc mảng : để phân tích các mảng anten, cần lam một số giả định.Đâu tiên, giả định rằng có một đường dẫn trực tiếp cho các tín hiệu vệ tinh và cũng có một vài dạng nhiễu, nơi các tín hiệu nhiễu không tương quan với tín hiệu truyền đi. Hơn nữa, cũng tồn tại các thành phần đa hướng do tán xạ, nhiễu xạ và phản xạ đươc.

Các sóng này được giả định là các sóng phẳng. Đó là tiếp tục giả định rằng các máy phát và bất kỳ đối tượng mà kết quả trong các thành phần đa hướng là trong vùng xa của anten của máy thu Tiếp theo, giả định rằng tất cả các phần tử của mảng được đặt đủ chặt chẽ như vậy mà không có sự thay đổi biên độ đáng kể do sự khác biệt về chiều dài đường truyền dẫn cho bất kỳ hai phân tử. Hơn nữa, ta sẽ giả định rằng không có sự khác biệt đáng kể giữa đặc tính hướng đến (Direction- of-Arrival (DOA) )của một sóng phẳng cụ thể tại bất kỳ hai phần tử. Cuối cùng, giả định rằng phân tử trong các thành phần ăng-ten có cùng đồ thị và định hướng như nhau.

Hình 3.24. 1 ví dụ về anten mảng thích nghi. Cấu trúc anten mảng thích nghi này cơ bản dựa theo thuật toán LMS. Ở hình vẽ, sóng phẳng đến các phân tử anten. Các tín hiệu này sau đó được đổi tần xuống đến một tần số trung bình và biến đổi bằng cách chuyển đổi từ tương tự sang số.. Biến đổi A/D biến tín hiệu

điện từ tương tự sang số. Rồi, tín hiệu đầu vào này là tăng lên với giá trị cân nặng và tát cả các bảng biểu tinh’ tổng để cung cấp cho đầu ra.

Hình 3.23. Anten mảng thích nghi.

Thuật toán LMS sử dụng r(k) làm chuẩn(tham chiếu). Lỗi tín hiệu, e(k) , được trên hình vẽ cho thấy sự khác biệt ở đầu ra tính toán., y(k) và tín hiệu tham chiếu r(k) . Khối xử lý lỗi sau đó tính toán điều chỉnh trọng lượng yêu cầu cần thiết để triệt tiêu tín hiệu không mong muốn.

tóm lại, tất cả tín hiệu đều có dạng : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

( ) 2 f tc s t =Ae ϕ +ϕ

ỏ đây A và ϕ mang thông tin truyền đi, trong khi đó fc là tần số sóng mang chuẩn. Khi tín hiệu là sóng tới trên tất cả các phần tử anten là khác pha phải, được cho bởi :

2πdsin( )i

ϕ

λ =

d là khoảng cách giữa các pha trung tâm của các phần tử anten kế tiếp, i là hướng sóng tới trục Y. và λlà đô dài bước sóng. Đầu ra của mỗi phần tử là tín hiệu giống như khóa dich pha, khóa bằng góc pha ϕ. Tham chiếu thường được dùng

như là yếu tố trung tâm của anten hay phần tử đầu tiên. Do đó, sự chuyển dịch pha của phần tử thứ ith có thể được hình thành bằng cách nhân tín hiệu này với ej tϕ .

Dựa vào điều này. Hệ số dịch pha của các phần tử có thể biểu diễn như một vector :

U=1 ejϕ ej2ϕ...ejNϕT

Vector này được gọi là các vector chỉ đạo, mà về cơ bản điều khiển hướng của chùm tia anen. Tín hiệu bao gồm Nth phần tử của mảng được ký hiệu là SN(t) và tín hiệu nhận được có nhiễu được ký hiệu là dN(t). Giả sử nguồn sóng mặt đơn truyền di một tín hiệu không đổi trong suốt quá trình khi sóng mặt qua tất cả các phần tử. Ta nhận được vector gồm các phần tử như vậy :

S=s(t)U, (*)

Sau khi thêm tỷ lệ nhiễu trắng ( Additive White Gausian Noise (AWGN)), (*) trở thành vector dữ liệu đầu ra của các phần tử và được cho bởi :

D = S + AWGN,

ở đây AWGN là một vector của nhiễu trong mỗi phần tử/ nhánh thu. Giả sử phần tử anten đa hướng và sóng mặt đơn tới mảng, đáp ứng của mảng, được cho bởi trọng số đầu ra của mỗi phần tử với sự đáp ứng lại trọng số và tính toán tất cả trọng số đầu ra. Điều này được cho bởi : ( ) WT

y t = D

trong đó WTlà vector trọng số cho bởi :

W = W= w w .w[ 1 2 … N]T

Trọng số này là điều chỉnh được như hình 3.23. Mục đích của trọng số cở bản là để xác định đồ thị bức xạ và các hệ số mảng của anten thích nghi.