2.3.2.1.Anten có mặt phản xạ
Anten có mặt phản xạ parabol:
Nguyên lý cấu tạo gồm một mặt phản xạ , làm bằng các vật liệu có hệ số phản xạ cao (Rpx1), thường bằng nhôm hay hợp kim của nhôm, mặt phản xạ phải nhẵn
để sóng phản xạ không bị tán xạ. Tại tiêu điểm của gương parabol đặt một nguồn bức xạ sơ cấp (thường là một anten loa: feed horn) gọi là bộ chiếu xạ, sao cho tâm pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của gương, như chỉ ra trên hình 2.8
Hình 2.8: Anten parabol
Khoảng cách từ tiêu điểm F đến đỉnh gương O gọi là tiêu cự f, trục đi qua đỉnh gương và tiêu điểm gọi là trục quang (trục ox), nếu gương parabol tròn xoay thì đường kính miệng gương L được gọi là khẩu độ (aperture).
Theo tính chất của gương parabol, các tia sóng xuất phát từ tiêu điểm của
gương rồi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành các tia sóng song song nhau và có tổng đường đi từtiêu điểm đến mặt phản xạ tới miệng gương là bằng nhau và bằng một hằng số f + h ( ởđây h là độ sâu của gương). Như vậy nếu nguồn sơ cấp đặt tại
tiêu điểm gương bức xạ sóng cầu thì sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng phẳng. Bởi vậy anten gương parabol có bức xạđơn hướng, với tính hướng hẹp hệ sốtăng ích cao.
Nhược điểm của loại anten parabol này là bộ chiếu xạ đặt xa đỉnh gương nên
hệ thống đỡ bộ chiếu xạ có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, cùng với bộ chiếu xạ sẽ
chắn đi một phần sóng phản xạ từ gương, gây ra hiệu ứng che tối làm méo đồ thị tính hướng, tăng búp phụ và làm giảm hiệu suất của anten. Fide tiếp sóng cho bộ
chiếu xạ dài gây nên tổn hao và tạp âm lớn.
Anten hai gương
Nguyên lý cấu tạo gồm hai gương, một gương chính với đường kính lớn là
gương parabol, một gương phụ nhỏ là gương hypebol, được đặt sao cho tiêu điểm của hai gương trùng nhau tại F1, như chỉ ra trên hình 2.9
Hình 2.9: Anten parabol hai gương
Bộ chiếu xạ được đặt sao cho tâm pha trùng với tiêu điểm của gương phụ ảo hypebol F2. Do tính chất của gương hypebol là hiệu đường đi của tia sóng từ tiêu
điểm của gương ảo đến mặt phản xạ với đường đi từ tiêu điểm của gương thật đến mặt phản xạ là một hằng số và tính chất của gương parabol như đã nói trên, nên các tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ (có nghĩa là từ tiêu diểm của gương phụ ảo hypebol, phản xạ làn thứ nhất tại gương phụ Hypebol, rồi phản xạ lần thứ hai tại
gương chính parabol sẽ trở thành các tia sóng song song với nhau và có đoạn
đường đi đến mặt phẳng song song với miệng gương là hằng số. Do đó nguồn sơ
cấp bức xạ sóng cầu sau khi phản xạ từhai gương sẽ trở thành sóng phẳng.
Anten hai gương có ưu điểm kích thước theo hướng trục quang ngắn hơn so
với anten gương parabol (ngắn hơn một đoạn bằng tiêu cự của gương hypebol), bộ
chiếu xạ đặt gần đỉnh gương parabol hơn nên giá đỡnó đơn giản hơn và fide tiếp sóng sẽ ngắn hơn do đó tổn hao và tạp âm sẽ nhỏhơn.
Anten lệch
Các anten một gương parabol và anten hai gương có một nhược điểm chung là bộ chiếu xạhay gương phụđặt thẳng hàng với đỉnh gương làm chắn một bộ phận các tia sóng phản xạ từgương chính parabol gây ra một “miền tối” phía sau gương
làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp phụ. Để khắc phục nhược điểm này
người ta sử dụng anten lệch nghĩa là bộ chiếu xạ được đặt lệch ra ngoài hướng của các tia phản xạ từgương parabol, như chỉ ra trên hình 3.6
Hình 2.10: Anten Parabol có gương phản xạ lệch
2.3.2.2.Anten mảng và kỹ thuật định hướng sóng tới
Sơ đồ khối của hệ anten mảng pha
Hình 2.11: Sơ đồ khối của hệ anten mảng pha
Cấu trúc của một hệ anten mảng pha gồm 3 khối chính:
Hệ anten : gồm nhiều phần tửanten có độtăng ích thấp. Các phần tử này có thể sắp xếp trong không gian một cách tuỳ ý.
Khối thu và tính hướng sóng đến DOA: bao gồm các bộ thu (bằng số phần tử
anten) nhằm chuyển đổi từ cao tần xuống trung tần sau đó thực hiện lấy mẫu rồi
đưa vào bộ xử lý tín hiệu DSP đểtính ra hướng sóng tới DOA bằng thuật toán đánh
Khối điều khiển búp sóng anten: là các bộ quay pha được điều khiển bởi các thông sốđiện áp.
Nguyên tắc hoạt động của hệ anten mảng pha
Hệ anten luôn ở trạng thái “nghe ngóng” thông tin trong không gian.
Sau khi được chuyển về trung tần hoặc tín hiệu băng gốc (thường là trung tần), sau mỗi khoảng thời gian đều đặn, hệ anten lại thực hiện lấy mẫu tín hiệu đến. Các mẫu này được đưa vào một bộ xử lý tín hiệu để tính ma trận tương quan, từđó xác định được hướng sóng đến nhờ các thuật toán đánh giá hướng sóng đến.
Thông tin từ bộtính hướng sóng đến DOA được đưa vào một bộ điều khiển để đưa ra điện áp điều khiển các bộ quay pha.
Các bộ quay pha sẽ làm quay búp sóng chính về hướng mong muốn (theo hướng mà bộ đánh giá góc sóng đến DOA xác định được).
Quá trình “nghe ngóng” và phát tín hiệu luôn được thực hiện song song nhờ
bộ circulator. Vì vậy, cấu trúc anten mảng pha như trên hình 2 hoàn toàn có khả năng bám theo các mục tiêu di động với tốc độ nhanh.
Kỹ thuật định hướng sóng đến, DOA (Direction of Arrival )ứng dụng một
trường hợp của hệ anten thông minh, ý tưởng của DOA là sử dụng hệ anten gồm nhiều phần tửđược sắp xếp theo một thiết kế nào đó, tín hiệu thu được từ các phần tử của hệ anten sẽ được thu lại và xử lý nhằm “lọc” ra đặc tính không gian của tín hiệu sóng đến bao hàm hướng đến của sóng ngay cả trong trường hợp có nhiễu.
Kỹ thuật xác định hướng sóng đến DOA có thể chia làm 2 loại chính sau:
- Xác định DOA bằng cách đánh giá công suất tín hiệu thu được theo không gian.
Theo phương pháp này, các trọng số của mỗi phần tử anten thực hiện việc điều khiển búp sóng anten quét liên tục tất cả các góc trong không gian. Các góc mà tại
đó công suất thu được cực đại chính là các góc cần xác định.
Điển hình của phương pháp này là: phương pháp các bộ trễ kết hợp với các bộ
cộng và phương pháp tối thiểu hoá phương sai của Capon.
- Xác định DOA sử dụng việc phân tích cấu trúc riêng của không gian tín hiệu.
Hình 2.13: DOA phương pháp phân tích cấu trúc riêng của không gian tín hiệu
Phương pháp này chỉ dựa trên tập các tín hiệu thu được từ không gian mà không cần phải quét búp sóng của hệ anten theo các góc trong không gian.
Họ các thuật toán của phương pháp đánh giá DOA này dựa trên việc khai triển ma trận tự tương quan H
uu Euu
R với u là tập các tín hiệu thu được từ mỗi phần tử
của hệ anten.
Không gian của ma trận hiệp biến được phân chia thành 2 không gian con là không gian tín hiệu và không gian nhiễu. Hai không gian này trực giao với nhau.
Các vectơ tín hiệu nằm trong không gian tín hiệu do đó sẽ trực giao với không gian nhiễu. Dựa vào nguyên lý này, các thuật toán thực hiện việc tính toán để tìm ra các
vectơ tín hiệu.
Có 2 thuật toán được sử dụng trong phương pháp này, đó là:
- Thuật toán phân lớp nhiều tín hiệu MUSIC.
- Và thuật toán đánh giá tín hiệu thông qua các kỹ thuật bất biến luân phiên ESPRIT.
Trên thực tế, MUSIC là thuật toán được phát triển trước (bắt đầu từnăm 1979)
và khá phổ biến. Trong khi đó, ESPRIT phát triển sau (bắt đầu từ năm 1986) với những tính năng ưu việt như tốc độ tính toán nhanh hơn do chỉ cần tính một số vectơ lái tia trực giao với không gian nhiễu mà không cần phải tính tất cả như thuật toán MUSIC. Tuy nhiên, chỉ một số mô hình anten nhất định mới có thể thực hiện
được thuật toán này do nó đòi hỏi phải có các cặp phần tửcách đều nhau.
Hình 2.14: Sử dụng 2 anten tại bộ thu dung làm bộ so sánh pha
Phương pháp này sử dụng 2 anten đặt gần nhau một đoạn là d tại nơi thu đểđón
tín hiệu từ mục tiêu phản xạ lại. Nhìn vào hình vẽ ta thấy góc của tín hiệu phản xạ
trở lại sẽ là α = + π/2. Từ đó ta có thể thấy việc tính toán góc α hay góc là
tương đương nhau. Từ hình vẽ, áp dụng định lý hàm số có trong tam giác ta có:
(2.18)
Vì d << R nên từ công thức (4.100) ta có công thức gần đúng sau:
(2.19)
Độ lệch pha giữa 2 tín hiệu phản xạ lại tại anten 1 và anten 2 là:
(2.20)
Trong đó là bước sóng của tín hiệu.
Như vậy, ta có thể tính được hướng của tín hiệu phả xạ lại tại bộ thu qua độ
lệch pha giữa 2 tín hiệu phản xạ lại taịi 2 anten thu. Để giải quyết vấn đề này, ta sử
dụng 1 bộ cộng và 1 bộ trừ tại máy thu như hình vẽ:
2 2 2 2 2 1 2 cos( ) sin 2 2 2 4 d d d R R R R dR 1 2 (1 sin ) 2 (1 sin ) 2 d R R R d R R R 1 2 2 2 (R R ) dsin
Hình 2.15: Cấu trúc bộ so sánh pha tại nơi thu tín hiệu
Gọi S1 và S2 là tín hiệu phản xạ lại tại anten 1 và anten 2. Khi đó 2 tín hiệu sẽ
lệch pha nhau 1 góc ta có: (2.21) Bộ tổng và bộ cộng của 2 tín hiệu này là: (5.5) Từ công thức (5.4) và (5.5) ta có: (2.22)
Ngoài bộ cộng và bộ trừ ta sử dụng thêm 2 bộ chia và lấy module để tính
được độ lệch pha giữa 2 tín hiệu S1 và S2:
(2.23)
Sau khi đã tính được góc lệch pha , giải bài toán ngược ta có góc : (2.24)
Khi tính được góc ta có thể dễ dàng tính được góc β trong hệ thống Radar thụđộng. Từđó ta có thểxét được độ phân giải khoảng cách cũng như độ phân giải Doppler dựa vào hàm mù của từng loại tín hiệu.