Giới thiệu về anten

Anten là một thiết bị công nghệcó khả năng bức xạ (nhận) năng lượng điện từ từ (đến) không gian. Tín hiệu đến có thể được xác định bởi đặc tính bức xạ của anten. Mô hình bức xạ của anten (hoặc mô hình chùm tia) xác định khả năng thay đổi của bức xạ/nhận năng lượng bởi một anten giống như một chức năng của điều

hướng từ anten. Mô hình bức xạ thường được thể hiện dưới dạng cực hoặc dạng phẳng xác định sựbiến đổi năng lượng của tín hiệu ảnh hưởng được quan sát trong từ trường xa như một hàm của góc tín hiệu đến. Mô hình này được quan sát tại một tần số đặc biệt và xác định sựphân cực và giúp xác định được hướng mà anten bức xạ/nhận năng lượng. Mô hình bức xạ bị thay đổi bởi tần số, mặc dù nhìn chung sự thay đổi của nó khá mượt như hàm của tham sốnày. Một mô hình bức xạmẫu trong miền trước với các tham sốchính của nó được cung cấp trên hình 4.1.

Hình 4. 1: Mô hình bức xạanten với các thông sốchính của nó

- Búp sóng chính (Main Lobe) là miền xung quanh hướng bức xạlớn nhất. Trên hình 4.1, búp sóng lớn được tập trung tại đường bậc 0.

- Các búp sóng phụ(Side Lobes) là các chùm tia nhỏkhông mong muốn cách xa với chùm tia chính và không thểkhửhoàn toàn. Trên hình 4.1, các búp sóng phụcó mặt tại 400và 1350.

- Độ rộng tia nửa công suất (HPBW) là sự tách biệt góc trong đó cường độcủa mô hình bức xạ giảm 50% (tương đương với 3 dB) khi so sánh với giá trị lớn nhất của búp sóng chính.

- Độ rộng giữa các bức xạ không đầu tiên (FNBW) là sự tách biệt góc giữa các null

đầu tiên xung quanh búp sóng chính.

- Mức búp sóng bên (SL) là một tham số quan trọng, nó định nghĩa giá trị lớn nhất của búp sóng bên.

Trên hình 4.1, HPBW có độ lớn 800, FNBW có độlớn 1800 và SL là -20dB với việc chú ý đến giá trịlớn nhất của búp sóng chính.

Dựa trên mô hình bức xạ, anten được phân thành anten đẳng hướng, anten đa hướng và anten định hướng. Ví dụ về sự phân loại anten được biểu diễn trên hình 4.2. Anten đẳng hướng cung cấp mô hình bức xạ (tăng ích) là như nhau đối với tất cả các hướng, trái lại anten đa hướng cung cấp tăng ích tương tựchỉtrong một mặt phẳng. Anten định hướng được cấu hình để cung cấp độ tăng ích của anten cao theo một hướng được quan tâm. Tùy vào từng ứng dụng, anten có thể được lựa chọn sao cho phù hợp từba kiểu anten kể trên. Anten đa hướng thường được sửdụng cho các

ứng dụng GNSS. Anten GNSS nhận tín hiệu đến đồng nhất bằng cách cung cấp một mô hình bức xạ không đổi dọc theo mặt phẳng phương vị trong khi bức xạ/nhận tín hiệu làm giảm công suất tín hiệu đểgiảm góc nâng trên hướng của anten. Búp sóng chính của anten GNSS tập trung ở900trên hướng anten và SL được thiết kếsao cho nhỏ hơn -25dB.

Hình 4. 2: Phân loại anten dựa trên mô hình bức xạ

Trong các ứng dụng truyền thông ở khoảng cách xa, để giảm sự can thiệp/nhiễu đa đường và cải thiện tỷsốtín hiệu/nhiễu của tín hiệu đến, cần đến các anten với các đặc tính phân biệt. Ví dụ, sự có mặt của tín hiệu nhiễu có thể được làm giảm bớt bằng cách áp dụng một mô hình bức xạ với các null trong sự định

hướng của tín hiệu gây nhiễu.

Nhìn chung, sẽ là khó khăn để anten một thành phần để thực hiện được với các tia hẹp, SL thấp, tăng ích búp sóng chính cao, và vị trí null chọn lọc. Thêm vào

đó, việc sửa đổi thời gian thực của các đặc tính bức xạ của anten không thể được thực hiện với một anten đơn trừ khi sử dụng thiết bị lái cơ học. Một phương pháp

khác có thểáp dụng một cách hiệu quả mà không thay đổi các cấu hình vật lý hay

điện của anten đơn là sử dụng tập hợp các anten với các dạng hình học khác nhau. Một tập hợp của nhiều anten như vậy được gọi là mảng anten. Phần sau đây sẽmô tảchi tiết vềmảng anten và lợi thếcủa nó so với một anten duy nhất.

2. Mảng anten

Một mảng anten là một tập hợp của các anten được xắp sếp theo một, hai hoặc ba mặt phẳng đểcó thểthuận lợi theo dõi trên một anten đơn:

- Tăng toàn bộ tăng ích của hệthống,

- Xác định được hướng đến cần thiết và các tín hiệu gây nhiễu,

- Loại bỏnhiễu từ các hướng cụthểbằng cách kết hợp dữliệu mảng anten,

- Lái mảng theo một hướng cụ thể bằng điện tử thay đổi mô hình bức xạ mảng anten (hoặc đơn giản là mô hình mảng),

- Tối đa hóa tỷlệtín hiệu trên nhiễu cộng với tiếng ồn bằng cách thực hiện xửlý tín hiệu cấp cao trên các dữliệu mảng anten.

Mảng anten có thể được cấu trúc như một mảng đường thẳng, mảng hai chiều hoặc mảng tròn như biểu diễn trên hình 4.3. Các mảng tuyến tính tạo ra một mô hình thứnguyên cung cấp một góc tựdo, vì vậy mô hình của mảng này có thể được thay đổi cảgóc nâng và mặt phẳng phương vị. Mặt khác, các mảng hai chiều cung cấp mô hình mảng điều khiển cả mặt phẳng độ cao và góc phương vị. Mảng hai chiều là một tập hợp của các mảng đường thẳng trong một mặt phẳng hai chiều. Mảng tròn là dạng đặc biệt của mảng hai chiều.

Một mảng của các phần tử M trong một mặt phẳng với nguồn tín hiệu đơn

(vệ tinh GNSS) được biểu diễn trên hình 3.4. Trong điều kiện lý tưởng, pha tương đối giữa các tín hiệu nhận được từ các anten khác nhau có thể được biểu diễn theo hàm của số sóng vector như sau

 

2

cos sin cos cos sin

k      





 (4.1)

Trong đó: ε và α là góc nâng và góc phương vị của nguồn tín hiệu được xác định với ba trục như thểhiện trong hình 4.4.

λlà bước sóng của sóng mang tín hiệu.

Trong trường hợp tín hiệu băng hẹp, thời gian trễ tương ứng với thời gian các tín hiệu đến từng anten có thể gần đúng với trễ pha. Vì vậy mỗi thành phần anten nhận được một bản sao của tín hiệu có ích với một pha khác nhau được xác định bởi vector lái theo công thức

 ,   0 1 ... M 1

s   s s s s  



 1  2  1

1 exp jk r exp jk r ... exp jk r M  

 

    

(4.2)

Trong đó: rm em nm um là vector xác định vịtrí của anten thứm. Yếu tố đầu tiên của anten được đặt ởtrung tâm của hệthống tọa độtrong thực tếlà s0= 1.

Hình 4. 4: Mô hình mô tảmảng anten nhận tín hiệu đơn từnguồn tại góc nâng và mặt phẳng phương vị

Việc xửlý các tín hiệu tổng hợp từmảng anten được gọi là việc tạo ra chùm

tia. Đầu ra của mảng anten thu bởi tổng hợp dữ liệu từcác anten riêng lẻ theo hình 4.5 và được mô tảbởi công thức

  1      0 w M H H wm m m z t  w s y t y t    (4.3) Trong đó: ww0 w1 ... wM1là vector trọng số phức tạp, và    0 1 ... M 1  

y t  s s s  y t với phương trình (2.1) xác định được y(t).

Hình 4. 5:Sơ đồkhối biểu diễn hoạt động cơ bản khi tạo chùm tia

Các trọng số được tính toán để đưa thêm vào các tín hiệu anten riêng lẻvà có thể được cập nhật đểtối đa hóa tăng ích của anten dọc theo hướng đến của tín hiệu mong muốn. Một vài kỹ thuật như việc tạo chùm tia thông thường, sựtạo chùm tia

đáp ứng không méo phương sai cực tiểu (MVDR) và tạo chùm tia MSSE có thể được xử dụng để tính toán các trọng số để hình thành mảng chùm tia với hướng mong muốn đồng thời giảm thiểu tác động của nhiễu và giao thoa. Đối với một sự

tạo chùm tia thông thường, các trọng số được đặt bằng với vector lái của tín hiệu

1 wH sH

M

 (4.4)

Vì vậy, đầu ra của mảng anten, z(t), thu được sử dụng vector trọng số ởtrên có thểcung cấp tăng ích lớn nhất theo hướng mong muốn. Có một số yếu tố độc lập có thể được kiểm soát trong công thức (4.2) và (4.3) để thay đổi mô hình mảng cho hiệu quả hơn bao gồm:

i. Dạng của cấu trúc mảng (đường thẳng hoặc mặt phẳng), ii. Sốanten (m= 1, 2, …, M),

iii. Khoảng cách giữa các mảng anten (vị trí tương đối giữa rm), iv. Mô hình bức xạcủa từng anten (đẳng hướng hoặc đa hướng).

Mô hình bức xạ mẫu cho một mảng theo đường thẳng được thể hiện trong hình 4.6 và 4.7. Mô hình mảng thu được bởi sự thay đổi giá trị của các anten và khoảng cách giữa các mảng anten trong (4.2). Nhìn vào hình 4.6, có thể thấy rằng SL của hệthống mô hình mảng có thể được hoàn thiện với việc tăng số lượng anten.

Hơn nữa mức của Sl có thểbị thay đổi bởi sựphối hợp của các cấu trúc mảng khác nhau.

Hình 4. 6: Sựso sánh của mô hình mảng với các số lượng M các phần tửmảng anten khác nhau

Hình 4.7 biểu diễn HPBW của mô hình mảng có thể được thay đổi bởi việc

điều chỉnh khoảng cách giữa các inter-antenna. Cũng cần lưu ý rằng khi khoảng

cách được tăng lên lớn hơn so vớiλ, các búp sóng lưới (các búp sóng không mong muốn mà có hiệu suất xấp xỉvới búp sóng chính) bắt đầu xuất hiện trong mô hình mảng.

Hình 4. 7: So sánh của mô hình mảng với không gian anten khác nhau cho cấu trúc mảng tuyến tính, M = 8

Ưu điểm của việc sử dụng một mảng anten để làm giảm sự can thiệp của nhiễu trên anten đơn được làm rõ trong hình 4.8. Cần chú ý rằng khi sửdụng một mảng anten, null có thể được đặt vào hướng của tín hiệu nhiễu trong khi duy trì tăng

ích lớn nhất dọc theo hướng của tín hiệu mong muốn mà không thể thực hiện với một anten duy nhất. Mảng anten có thểcung cấp một null tại hướng đến của tín hiệu gây rối (300) trong khi duy trì một chùm tia tối đa dọc theo hướng tín hiệu (600).

Hình 4. 8: Mô hình chùm tia của mảng anten so sánh với anten đơn với sựcó mặt của nhiễu

3. Hiệu chuẩn mảng anten

Một trong những khó khăn khi sử dụng mảng anten chính là việc xác định

kích thước của nó. Tín hiệu được nhận từ các sensor khác nhau trong mảng bị tổn thất từviệc bù pha do các cặp anten chung, tăng ích/pha của anten không phù hợp, sự thay đổi pha trung tâm của anten và biến dạng đầu vào bởi front-end RF khác nhau cùng với sự bù pha vì cấu trúc mảng anten. Ngoài ra, các yếu tố môi trường

như nhiệt độ, đa đường gây ảnh hưởng đến tăng ích và pha của một mảng anten. Khi sự ảnh hưởng của các trễ khác nhau không được giải quyết, dẫn đến giảm hiệu suất của thuật toán xử lý mảng. Đểkhắc phục, cần thực hiện hiệu chỉnh bù vào ảnh

hưởng kết hợp đó. Các yếu tố làm ảnh hưởng đến pha của các tín hiệu đến từ các mảng anten được mô hình hóa như sau:

- Trễhình học: trễdo cách cấu hình các mảng khác nhau,

- Trễ điện: trễ do các đường đi trong phần cứng khác nhau từ đầu ra của anten

đến đầu vào của máy thu,

- Trễanten: trễdo thiết kếmảng không giống nhau, các ghép nối chung, sự định

Đểxửlý mảng hiệu quả, việc hiệu chuẩn chính là bước xửlý quan trọng cần thực hiện trước khi kết hợp các tín hiệu từ mảng. Vì vậy, việc thiết kế thuật toán hiệu chuẩn tối ưu đểsửa những lỗi pha trong dữliệu mảng trởnên cần thiết. Một số phương án đã được đề xuất dựa trên việc tối đa hóa khả năng và các điều chỉnh tối thiểu. Kỹ thuật này giả định rằng có một sự tương ứng một – một giữa ma trận

phương sai của các tín hiệu nhận được và vector mảng, điều này hiếm khi đúng đối với các tín hiệu GNSS phức tạp. Thuật toán hiệu chuẩn mảng anten đòi hỏi các nguồn tín hiệu tham khảo tại các địa điểm đã biết. Các máy thu GNSS có khả năng

cung cấp vịtrí vệtinh với độ chính xác tính là mét, điều này rất có lợi cho các thuật toán hiệu chỉnh. Bảy phần tử mảng tùy chỉnh được hiệu chỉnh cho các lỗi tăng

ích/pha của anten, sử dụng xây dựng bình phương nhỏ nhất trên đầu ra bộ tương

quan GPS. Một phương pháp để thu được tính đa dạng của dãy của các anten GNSS sử dụng để xử lý sự thích nghi không gian – thời gian (STAP). Đối với phương

pháp này, các trọng sốcủa STAP được cập nhật nhằm mục đích tối ưu đầu ra của bộ tương quan chéo. Bước tiếp theo, tính đa năng của dãy được xác định theo hướng bình phương tối thiểu. Trong các phương pháp tiếp cận, anten mẫu được giả định

các đặc tính, liên quan tới mô hình tăng ích và đặc trưng về pha. Tất cả việc xửlý

được biểu diễn liên quan đến anten mẫu này với yêu cầu nghiêm ngặt khi thực hiện thuật toán.

4. Mô hình tín hiệu

Tín hiệu dải tần cơ sở thu được từ máy thu GNSS với anten đơn có thể mở

rộng đểchứa cảL vệtinh khác nhau   1     0 L i i y t  x t  t            1 0, 0, 0, 0 exp L i i i i i i i A d t  c t  j  t       (4.5)

y(t)là tổng của L thành phần có ích và thành phần nhiễu,  t

Ailà biên độcủa tín hiệu thứi

0,i 2 f t0,i 0,i

    là pha của tín hiệu có ích với f0,i và 0,i là tần số Doppler và pha sóng mang

ci(.)là mã đo khoảng cách được sửdụng đểtruyền dữliệu định vị, di(.)

0,i

 biểu thịtrễmã được cung cấp bởi kênh truyền trên thành phần có ích thứi

Trong công thức (4.5), Ltín hiệu GNSS được nhận từLhướng khác nhau và

vector điều khiển khác nhau được liên kết với từng thành phần có ích. Vì vậy, với

điều kiện lý tưởng, vector của tín hiệu thu được bởi mảng anten có thể được mô hình hóa như sau             0 1 1 0 1 L i i i M y t y t y t s x t n t y t                     (4.6)

Trong đó: si  si,0 si,1  si M, 1 biểu diễn cho vector điều khiển liên kết với tín hiệu GNSS thứiđã được định nghĩa trong công thức (4.2).

  0  1  M 1 

n t   t  t    t  là vector của thành phần nhiễu được quan sát bởi

Manten. Mỗi anten nhận một thành phần nhiễu độc lập và một chỉsố được đưa vào đểbiểu thịcác tín hiệu từ anten đặc trưng.

Công thức (4.6) biểu diễn mô hình của các tín hiệu thu được bởi một mảng anten lý tưởng mà tại đó các vị trí khác nhau của sensor chỉ đưa vào một pha bổ

sung cố định được thu bởi vector điều khiển. Mô hình này đơn giản và bỏ qua những tác động của liên kết tương hỗ và sai lệch tăng ích/pha giữa các phần tử

4.1. Mô hình tương hỗ

Liên kết tương hỗtrong các mảng anten hiện có do thực tếlà anten bức xạlại một phần tín hiệu nhận được, đây là các tín hiệu được thu lại bởi các thành phần khác của mảng. Sai lệch tăng ích và pha tạo ra sựkhác nhau của anten theo các biên

độ tín hiệu khác nhau như biểu diễn trên hình 4.9 cho mảng anten hai thành phần. Các hệsốv00và v11 thu được tăng ích của các anten riêng lẻ và pha phản hồi trong