CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG
2.1. anten m n
Trong nhiều ứng ụng, cần thiết phải thiết kế nhiều Anten với những đặc t nh chi phối (độ lợi rất cao) để đáp ứng yêu cầu cho truyền thông khoảng cách xa. Thông thƣờng điều này chỉ có thể hồn thành ằng cách tăng đặc t nh điện của anten. Cách khác là ghép các thành phần ức xạ lại với nhau trong một hình thể và cấu hình điện, khơng cần thiết phải tăng k ch thƣớc của các thành phần ức xạ riêng. Nhiều thành phần ức xạ thì đƣợc định nghĩa là Anten mảng. Anten (và mảng anten) thƣờng hoạt động trong môi trƣờng năng động, nơi các t n hiệu (cả hai mong muốn và can thiệp) đến từ việc thay đ i hƣớng và với quyền hạn khác nhau.
Nhƣ vậy anten mảng là tập g m nhiều anten thành phần đƣợc ố tr tại những vị tr khác nhau trong không gian mảng. Các anten thành phần này có thể đƣợc sắp xếp theo các cấu trúc hình h c ất kỳ. Tùy cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đƣờng, mảng tròn hay mảng ph ng. Mảng đƣờng và mảng tròn là trƣờng hợp đặc iệt của mảng ph ng. Anten mảng có thể là một, hai hoặc a chiều.
Anten mảng đƣợc chia thành anten mảng pha và anten mảng th ch nghi theo chức năng và hoạt động của nó.
2.1.1. Anten mảng pha
Anten mảng pha là anten sử ụng các phần tử đơn và kết hợp với t n hiệu tạo ra trên mỗi phần tử để tạo thành đầu ra. Mỗi anten hình thành mảng đƣợc g i là phần tử của mảng. Hƣớng có độ lợi cực đại xảy ra ln đƣợc điều khiển ởi đặc t nh iên độ và pha giữa những thành phần khác nhau. Anten mảng pha cho phép kiểm sốt hƣớng các chùm tia và hình ạng hoa văn.
Hình 2.1 Anten mảng pha với các ch m tia đƣợc kiểm soát
2.1.2. Anten mảng th ch nghi
Anten mảng th ch nghi là Anten có khả năng chống nhiễu tốt, thu đƣợc t n hiệu ch nh xác và tự hiệu chỉnh trong hệ thống truyền thông. Một mảng th ch nghi là một hệ thống anten có thể iễn đ i những mẫu t n hiệu ằng điều khiển phản h i trong hệ thống anten điều khiển. Một anten mảng th ch nghi ao g m một nhóm các phần tử phát xạ đƣợc ph n ố theo không gian, mỗi phần tử tƣơng ứng với ản sao có độ tƣơng quan cao của t n hiệu có ch. Đầu ra của mỗi phần tử đƣợc đặt tr ng số th ch nghi và kết hợp với các đầu ra khác để tách ra t n hiệu hữu ch ằng cách xếp ch ng các t n hiệu thu đƣợc.
Các phần tử của anten có thể đƣợc sắp đặt ở những vị trí bất kì trong không gian, trên thực tế loại anten thƣờng đƣợc sử dụng là anten mảng thích nghi ph ng, là loại anten mà tâm các phần tử của anten đƣợc sắp xếp nằm trên cùng một mặt ph ng. Có hai loại anten mảng ph ng đƣợc biết đến rộng rãi là anten mảng trịn và anten tuyến tính. Trong mảng tuyến tính, tâm các phần tử anten đƣợc sắp xếp theo một đƣờng th ng, các phần tử của anten thƣờng đƣợc đặt cách nhau một khoảng khác không.
Hình 2.2 Mơ hình Anten thích nghi
Hình trên mơ tả một trong các mơ hình của anten th ch nghi, trong đó có 3 khối cơ ản là khối mảng anten, khối bộ xử lý thích nghi và khối định dạng búp sóng. Mảng anten là một hệ thống bao g m một dàn các anten phần tử, thƣờng là g m M phần tử đƣợc sắp xếp tuyến tính. Bộ xử lý thích nghi xử lý với thời gian thực, nó tiếp nhận các thơng tin liên tục từ đầu vào của dàn r i tự động điều khiển các tr ng số Wi của bộ định dạng búp sóng nhằm điều khiển liên tục đ thị phƣơng hƣớng của dàn sao cho thỏa mãn yêu cầu đề ra với các chỉ tiêu nhất định. Các tr ng số đƣợc điều chỉnh để đạt bộ tr ng số tối ƣu theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật tốn đƣợc lựa ch n.
Những mảng anten sử ụng một thuật toán tr ng số th ch nghi, mà điều chỉnh các tr ng số ựa trên các t n hiệu nhận đƣợc để cải thiện hiệu suất của
mảng. Một mảng th ch nghi là một hệ thống anten có thể iến đ i những mẫu t n hiệu ằng điều khiển phản h i trong hệ thống anten điều khiển. Đặc t nh ức xạ của những Anten này sẽ chuyển đ i th ch nghi theo sự chuyển đ i của môi trƣờng ằng cách lái các úp không và giảm các úp phụ trong hƣớng nhiễu, trong khi giữ đặc t nh úp t n hiệu mong muốn.
Các vùng của một mẫu, nơi mà tăng ch có vùng phủ cực đại đƣợc g i là úp. Búp sóng là độ rộng của tia t n hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng c đƣợc đo theo độ và vng góc với mặt đất cịn úp sóng ngang đƣợc đo theo độ và song song với mặt đất. Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau. Do đó, ch n lựa úp sóng rộng hay hẹp sẽ quyết định hình ạng vùng phủ sóng mong muốn, úp sóng càng hẹp thì tăng ch càng cao.
2.2. ặ ín à n yên lý o ộn anten m n
2.2.1. Các đ c t nh
Một đặc điểm quan tr ng của một mảng là sự thay đ i của mơ hình ức xạ của nó để đáp ứng với các k ch th ch khác nhau của các phần tử anten của nó. Với một Anten thƣờng thì để thay đ i đ thị ức xạ ta phải quay cả hệ thống Anten, còn với Anten mảng ta chỉ việc thay đ i một trong các thông số nhƣ khoảng cách, iên độ, pha,… là đã có thể thay đ i đƣợc đ thị ức xạ của Anten. Dạng hình h c của Anten mảng và các yếu tố khác nhau nhƣ giản đ phƣơng hƣớng, hƣớng, ph n cực của các phần tử đều có thể ảnh hƣởng trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng của Anten mảng. Góc phát xạ của một mảng đƣợc xác định ựa vào góc phát xạ của các anten thành phần, vào sự định hƣớng, vào vị tr của các anten, vào iên độ và pha của t n hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đ ng hƣớng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và t n hiệu đến mảng. Trong trƣờng hợp này góc phát xạ của mảng đƣợc g i là hệ số mảng. Nếu các phần tử của mảng giống
nhau nhƣng khơng đ ng hƣớng thì góc phát xạ của mảng đƣợc t nh theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần.
Trƣờng t ng của anten mảng đƣợc xác định ằng phƣơng pháp cộng vector của các trƣờng ức xạ từ các anten thành phần. Ở đ y ỏ qua tác động tƣơng hỗ giữa các anten phần tử.
Trong một mảng g m các anten phần tử giống nhau có t nhất năm yếu tố quan tr ng ảnh hƣởng đến kiểu ức xạ của anten mảng:
- Cách sắp xếp các phần tử (sắp xếp theo đƣờng th ng, đƣờng tròn, tam giác....);
- Khoảng cách giữa phần tử;
- Biên độ òng đƣợc k ch th ch trên các phần tử; - Pha của òng đƣợc k ch th ch trên các phần tử; - Kiểu ức xạ của các phần tử.
Đ c điểm, lợi ch c a anten mảng
Đ c điểm Lợi ch
- Độ tăng ch cao: T n hiệu vào từ nhiều anten đƣợc phối hợp để n ng cao độ tăng ch từ đó tối ƣu hố cơng suất phát yêu cầu đối với một vùng phủ sóng nhất định
- Mở rộng đƣợc vùng phủ sóng: Việc tập trung năng lƣợng truyền sóng vào trong cell cho phép mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc. Mặt khác tăng ch trạm gốc lớn cho phép giảm cơng suất phát u cầu của MS, từ đó tăng thời gian sử ụng của pin và cho phép giảm nhỏ k ch thƣớc cũng nhƣ tr ng lƣợng mo ile.
- Chống xuyên lẫn: Tỷ số t n hiệu/ xuyên nhiễu (C/I) đƣợc n ng cao nhờ giảm đƣợc số ngu n nhiễu tác động lên eam định hƣớng.
- Tăng ung lƣợng: Việc tăng tỷ số C/I cho phép giảm nhỏ khoảng cách tái sử ụng, từ đó tăng thêm ung lƣợng của hệ thống.
- Sự ph n tập không gian: Các tín hiệu từ ma trận an ten đƣợc phối hợp nhằm giảm thiểu hiệu ứng fading và các ảnh hƣởng khác của hiệu ứng đa đƣờng
- N ng cao khả năng chống hiệu ứng đa đƣờng: Có thể giảm đƣợc tác động của việc trễ trong kênh, cho phép n ng cao tốc độ ( it rate) mà không cần ùng đến ộ c n ằng.
- Tối ƣu hố cơng suất phát: Kết hợp t n hiệu vào của nhiều an ten nhằm tối ƣu hoá độ tăng ch đƣờng xuống.
- Giảm chi ph hệ thống: Giảm chi ph cho các ộ khuyếch đại, giảm mức tiêu thụ điện năng và n ng cao độ tin cậy của hệ thống.
- Th ch ứng với hầu hết các chuẩn thông tin vô tuyến
- Có thể áp ụng cho hầu hết các hệ thống thông tin i động sử ụng các chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA hay các chuẩn song cơng FDD, TDD.
- Có t nh trong suốt đối với mạng lƣới: Không ị giới hạn ởi một phƣơng thức điều chế hay giao thức vô tuyến cụ thể nào.
- Cho phép tạo ra các sản phẩm và ịch vụ chất lƣợng cao và đƣa lại cho các nhà cung cấp ịch vụ một khả năng cạnh tranh mạnh.
2.2.2. Ng yên tắc hoạt động
Một anten mảng là tập hợp của N anten riêng biệt trong khơng gian. Số lƣợng anten trong một mảng có thể nhỏ nhƣ 2, hoặc lớn nhƣ vài ngàn. Nhìn chung, hiệu suất của một anten mảng tăng lên theo số lƣợng anten (phần tử) trong mảng, nhƣng nhƣợc điểm là sẽ tăng chi ph , k ch thƣớc và độ phức tạp.
Số phần tử và khoảng cách giữa các phần tử xác định diện tích bề mặt của cấu trúc phát xạ t ng thể. diện tích bề mặt này đƣợc g i là khẩu độ.
Các hệ số mảng phụ thuộc vào số lƣợng các các phần tử, khoảng cách giữa các phần tử, iên độ và pha của tín hiệu áp dụng cho mỗi phần tử.
Dạng t ng quát của một anten mảng đƣợc minh h a ở hình sau. Đầu tiên gốc và hệ t a độ đƣợc ch n, và sau đó N phần tử đƣợc định vị, ở từng vị tr đƣợc cho bởi:
dn = [xn yn zn]
Các vị trí của các phần tử trong anten mảng pha đƣợc minh h a nhƣ hình sau:
Dùng X1, X2, …,XN biểu diễn đầu ra từ anten 1 đến N tƣơng ứng. Đầu ra của các anten sẽ đƣợc nhân với hệ số mảng của N anten: w1, w2,…, wN và trƣờng t ng của chúng đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:
Hình 2.4 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 đƣợc thể hiện nhƣ sau : Y= ∑
2.2.3 Sự chuyển dịch pha
Hình 2.5 Cấu hình mảng điển hình
Hình trên cho thấy một số ví dụ về mảng một chiều và hai chiều g m các anten tuyến tính giống hệt nhau. Mỗi phần tử anten tuyến tính, trỏ theo trục z, đã có một mơ hình đa hƣớng liên quan đến góc phƣơng vị φ.
Hình 2.6 Dịch chuyển anten
Hình trên cho thấy phía bên trái một anten đƣợc dịch bởi các vector d, và bên phải, một số anten dịch đến các địa điểm khác nhau và sử dụng iên độ tƣơng đối khác nhau.
Tr ng số hiện thời của các anten dịch là Jd(r) = J (r- ). Theo định nghĩa, vector bức xạ là biến đ i Fourier ba chiều của tr ng số hiện thời. Do đó, vector bức xạ của dịch chuyển hiện thời sẽ là:
= ∫ (r) r = ∫ J(r-d) r= ∫ J(r’) r’ = ∫ J(r’) r’ = F
Nếu ta thay biến r’= r-d, thì: Fd(k)=
2.2.4 Nhân ồ thị p n ng
T ng quát hơn, chúng ta hãy xem xét một mảng ba chiều của một số anten giống hệt nhau đặt tại vị trí d0, d1, d2,. . . với hệ số cấp dữ liệu tƣơng đối a0, a1, a2,. . . , Nhƣ thể hiện trong hình sau. (Để khơng mất tính t ng qt, ta có thể thiết lập d0 = 0 và a0 = 1)
Tỷ tr ng hiện tại của anten thứ n sẽ là Jn(r)= anJ(r − n) và vec-tơ ức xạ tƣơng ứng:
Fn(k)= an
T ng tỷ tr ng hiện tại của mảng sẽ là: Jtot(r) = a0J(r-d0)+a1J(r-d1)+a2J(r-d2)+… và t ng vec-tơ ức xạ:
Ftot(k)= F0+F1+F2+…= a0 F(k)+ a1 F(k)+ a2 F(k)+… Các hệ số F (k) do một phần tử anten duy nhất là gốc chung cho tất cả các thành phần.
Ftot(k)= A(k)F(k) (mảng mơ hình nhân) trong đó a là hệ số mảng:
A(k) = a0 + a1 +a2 +…(hệ số mảng)
Khi k = k ̂ ta có thể biểu diễn các hệ số mảng nhƣ A ( ̂ hoặc A (θ, φ) Nói tóm lại, hiệu quả chủ yếu của một mảng g m các anten giống hệt nhau là chỉnh sửa các vec-tơ ức xạ đơn anten bằng cách sử dụng hệ số mảng.
Ở đó ta kết hợp tất cả sự dịch chuyển của các pha chuyển tiếp và hệ số tr ng số tƣơng đối của các phần tử mảng.
Phƣơng trình. Ftot(k) là phƣơng trình đầu vào / đầu ra của một hệ thống tuyến tính với A (k) là hàm truyền. Lƣu ý rằng cƣờng độ phát xạ tƣơng ứng và độ lợi cũng có liên quan nhƣ sau:
Utot (θ, φ)= |A(θ, φ)|2 U (θ, φ) Gtot (θ, φ)= |A(θ, φ)|2 G (θ, φ)
U (θ, φ) và G (θ, φ) là cƣờng độ phát xạ và độ lợi công suất của phần tử riêng biệt
Hệ số mảng có thể làm thay đ i đáng kể t nh định hƣớng của anten thành phần.
2.2.5 M n ồng nhất một chi u
Xét các mảng đ ng nhất một chiều. Một mảng d c theo chiều x, với các phần tử ở các vị trí xn, n= 0,1,2,….sẽ có vec-tơ chuyển vị dn= xn ̂ và hệ số mảng:
A(θ, φ)= ∑ = )= ∑ = ∑ v i kx= . θ. φ. Đối với các mảng đ ng nhất khoảng cách đều
nhau, vị trí của các phần tử xn=nd với d là khoảng cách giữa các phần tử. Lúc
này hệ số mảng trở thành: A(θ, φ)= ∑ Bởi vì các góc phụ thuộc các hệ số kxd= d. θ. φ., ta xác định các biến: ψ=kxd=kd θ. φ (số lƣợng sóng kỹ thuật số) Lúc đó, hệ số mảng có thể đƣợc coi nhƣ là một hàm của ψ:
Các biến ψ là một phiên bản ình thƣờng của số lƣợng sóng kx và đƣợc đo ằng đơn vị radian theo (khơng gian) mẫu. Nó có thể đƣợc g i là chuẩn hóa của số lƣợng sóng kỹ thuật số, tƣơng tự với miền thời gian tần số kỹ thuật số đƣợc chuẩn hóa ω = ΩT = 2πf / fs, đơn vị radian theo (thời gian) mẫu. Hệ số mảng A (ψ) là phiên ản số lƣợng sóng của đáp ứng tần số của một bộ l c kỹ thuật số đƣợc xác định bởi:
A( ∑
Các số lƣợng sóng ψ đƣợc định nghĩa tƣơng tự đối với các mảng d c theo hƣớng y- hoặc z. Tóm lại, chúng ta có các định nghĩa:
= k sinθcosφ (mảng d c theo trục x) = k sinθsinφ (mảng d c theo trục y) = k cosθ (mảng d c theo trục z) Các hệ số mảng theo trục y và z sẽ là: A(θ, φ)= ∑ = ∑ A(θ, φ)= ∑ ∑
với yn =nd và zn = nd. T ng quát hơn, cho một mảng theo một số hƣớng tùy ý, ta có ψ = k cosγ, nơi γ là góc đo từ các hƣớng của mảng.
Hai ƣớc ph biến nhất đƣợc sử dụng là giả sử một mảng d c theo trục của một mảng d c theo trục x và hệ số mảng của nó chỉ vào mặt ph ng xy, đó là, tại cực góc θ = 90o.
= k cosφ (mảng d c theo trục x, góc θ= 90o )
= k cosθ (mảng d c theo trục z)
Đối với các x-mảng, góc phƣơng vị thay đ i theo -π ≤ φ ≤ π, nhƣng phản ứng mảng là đối xứng qua φ và có thể đánh giá chỉ số 0 ≤ φ ≤ π. Đối với z-mảng, các góc cực thay đ i trên 0 ≤ θ ≤ π.
Trong tƣơng đ ng với miền thời gian DSP, chúng ta cũng có thể xác định không gian tƣơng tự của mặt ph ng Z bằng cách định nghĩa các iến z=ejψ và chuyển vị z tƣơng ứng:
A(z) = ∑ (hệ số mảng trong miền không gian z)
Các hệ số mảng A (ψ) có thể đƣợc g i là biến đ i Fourier rời rạc trong không gian chuyển đ i (DFT) của chuỗi mảng tr ng một, giống nhƣ iến đ i Fourier thời gian rời rạc (DTFT) của các trƣờng hợp trong miền thời gian. Nghịch đảo tƣơng ứng DFT thu đƣợc bằng
an=
∫ ψ (nghịch đảo DSFT)
Nghịch đảo này chuyển đ i hình thức cơ sở của hầu hết các phƣơng