Tài liệu Nghiên cứu phương pháp định hướng búp sóng và anten thông minh kích thước lớn. ứng dụng cho hệ gnss

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- ĐÀO VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG VÀ ANTEN THÔNG MINH KÍCH THƯỚC LỚN. ỨNG DỤNG CHO HỆ GNSS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi tận tình trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Tôi cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy, cô giáo của Viện Điện tử - Viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và ủng hộ tôi trong thời gian qua. Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2018 Tác giả luận văn Đào Việt Hùng i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết luận của luận án là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu, của bản thân, chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất ký hình thức nào trƣớc khi trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”. Các số liệu, kết quả, kết luận đƣợc tôi tham khảo đã đƣợc trích dẫn nguồn đẩy đủ. Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên. Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2018 Tác giả luận văn Đào Việt Hùng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... viii LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1:CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ ............................................................ 2 1.1. Giới thiệu về định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số ......... 2 1.2. Giới thiệu về anten dãy ............................................................................... 5 1.2.1. Các tham số cơ bản của một anten dãy ............................................... 5 1.2.2. Dãy tuyến tính: ..................................................................................... 8 1.2.3. Dãy vòng tròn ....................................................................................... 9 1.2.4. Nhân đồ thị ........................................................................................... 11 1.2.5. Dãy phẳng ............................................................................................ 12 1.3. Định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp tƣơng tự ................ 14 1.4. Mảng pha ..................................................................................................... 17 1.5. Định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số .......................... 19 1.5.1. Định dạng và điều khiển búp sóng theo khoảng cách phần tử (Element space beamforming ) ...................................................................................... 20 1.5.2. Định dạng và điều khiển búp sóng theo khoảng cách búp (Beam –Space beamforming) ................................................................................................. 21 1.5.3. Định dạng và điều khiển búp sóng hai chiều ( Two – diamensional beamforming) ................................................................................................. 22 1.6. Định nghĩa phân cực chéo ........................................................................... 23 1.7 Tổng Kết Chƣơng ........................................................................................ 24 CHƢƠNG 2:MỘT SỐ THUẬT TOÁN CHO ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG........... 25 2.1. Thuật toán Chebychev: ............................................................................... 25 2.1.1. Đồ thị Chebychev cho dãy phẳng ........................................................ 25 iii 2.1.2. Phân bố dòng tối ưu ............................................................................. 27 2.1.3. Phương pháp biến đổi cho xác định biên độ dòng .............................. 29 2.1.4 Độ rộng búp của mảng phẳng Chebychev ............................................ 31 2.1.5. Số phần tử nhỏ nhất cho quét vùng rộng ............................................. 34 2.2. Thuật toán SMI. .......................................................................................... 35 2.2.1. Xử lý mảng thích nghi và tối ưu. .......................................................... 35 2.3. Kết hợp thuật toán Chebychev và thuật toán SMI ...................................... 40 2.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến tạo và điền khiển búp sóng ................. 40 2.4.1. Khảo sát sự ảnh hƣởng của kích thƣớc dãy đến điều khiển búp sóng 40 2.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của sự phân cực đến điều khiển búp sóng .......... 42 2.4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của phƣơng pháp điều khiển búp sóng ............... 44 CHƢƠNG 3: XỬ LÝ MIỀN KHÔNG GIAN, THỜI GIAN VÀ KẾT HỢP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CÁC TÍN HIỆU GNSS ......................................................... 50 3.1XỬ LÝ MIỀN KHÔNG GIAN CÁC TÍN HIỆU GNSS .............................. 50 3.1.1 Giới thiệu về anten ............................................................................... 50 3.1.2 Mảng anten ......................................................................................... 52 3.1.3 Xác định kích thƣớc ............................................................................. 56 3.1.4Mô hình tín hiệu .................................................................................... 57 3.1.5Liên kết tương hỗ.................................................................................... 59 3.1.6Xử lý tương quan .................................................................................... 60 3.1.7Phép chiếu dựa trên phƣơng pháp định cỡ ................................................. 62 3.2 XỬ LÝ MIỀN THỜI GIAN TÍN HIỆU GNSS ........................................... 65 3.2.1Xử lý tín hiệu BOC trong miền thời gian .................................................. 66 3.2.2Bộ lọc sơ cấp .............................................................................................. 68 3.2.3MMSE và ZF.............................................................................................. 70 3.2.4Xử lý tín hiệu trên miền thời gian .............................................................. 73 3.2.5Bám độc lập trễ và pha ............................................................................... 74 3.2.6Phân tích thuật toán .................................................................................... 75 3.3XỬ LÝ KẾT HỢP KHÔNG GIAN – THỜI GIAN...................................... 75 iv 3.3.1 Giới thiệu chung về xử lý không gian – thời gian .................................... 75 3.3.2Kỹ thuật STAP ........................................................................................... 77 3.3.2.1MSE ..................................................................................................... 77 3.3.2.2Maximum SNR ..................................................................................... 78 3.3.2.3ML ....................................................................................................... 79 3.3.2.4MV ...................................................................................................... 79 3.3.3STAP cho các tín hiệu GNSS .................................................................... 80 3.3.4STAP cho các tín hiệu BOC....................................................................... 82 3.4Tổng Kết Chƣơng.......................................................................................... 84 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................88 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DBF Digital Beamforming DOA Direction Of Arrival IF Intermediate Frequence RF Radio Frequence SMI Sample Matrix Inversion SNR Signal Noise Ratio MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit ACF Auto-Correlation Function BOC Binary-Offset-Carrier BPSK Binary Phase Shift Keying BJ Bump-Jump CDMA Code Division Multiple Access DLL Delay Lock Loop DE Double Estimator DOA Direction of Arrival FLL Frequency Lock Loop FT Fourier Transform GIOVE Galileo In-Orbit Verification Exp GNSS Global Navigation Satellite Syste GPS Global Positioning System IF Intermediate Frequency IFT Inverse Fourier Transform ISI Inter Symbol Interference LNA Low Noise Amplifier LOS Line-of-Sight MDR Multipath-to-Direct Ratio MEE Multipath Error Envelope vi ML Maximum Likelihood MMF Mis-Match Filter MMSES Minimum Mean Square Error Sha MP MultiPath MSE Mean Square Error MTLL Mean Time to Lose Lock MV Minimum Variance NCO Numerically Controlled Oscillato NI National Instruments PDF Probability Density Function PLL Phase Lock Loop PRN Pseudo Random Noise PRS Pseudo Random Sequence PSD Power Spectral Density RF Radio Frequency SLL Sub-carrier Lock Loop SNR Signal to Noise Ratio STAP Space-Time Adaptive Processing SV Satellite Vehicle VE Very Early VL Very Late ZFS Zero-Force Shaping vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ anten DBF tổng quát .............................................................................2 Hình 1.2: Bộ điều khiển búp sóng tƣơng tự ................................................................3 Hình 1.3: Một dãy tuyến tính cách đều .......................................................................8 Hình 1.4: Đồ thị bức xạ của một dãy tuyến tính tám phần tử .....................................9 Hình 1.5: Dãy vòng với k phần tử cách đều..............................................................10 Hình 1.6: Đồ thị bức xạ của một dãy vòng 8 phần tử với R  0.6533λ , búp sóng của anten đƣợc lái theo hƣớng φ  0 o ............................................................................11 Hình 1.7: Dãy phẳng hình chữ nhật ..........................................................................12 Hình1.9: Dãy phẳng hình lục giác có thể đƣợc xem nhƣ bao gồm một số dãy vòng tròn 6 phần tử, đồng tâm có bán kính khác nhau ......................................................14 Hình 1.10: Mạng điều khiển búp sóng tƣơng tự .......................................................15 Hình 1.11: Anten dãy vi dải gồm bốn phần tử ..........................................................16 Hình 1.12 : Ma trận điều khiển búp sóng Butler cho một dãy gồm bốn phần tử: (a) ma trận Butler 4x4; (b) hybird đƣợc sử dụng trong ma trận .....................................17 Hình 1.13 : Mảng pha tuyến tính ..............................................................................18 Hình 1.14: Tín hiệu thu đƣợc trên các phần tử đƣợc nhân với các trọng số phức và đƣợc lấy tổng lại để cho kết quả búp sóng lối ra.......................................................19 Hinh 1.15: Định dạng và điều khiển búp sóng theo khoảng cách phần tử ...............21 Hình 1.16: Định dạng và điều khiển búp sóng theo khoảng cách búp tạo ra đa búp sóng. ..........................................................................................................................22 Hình 1.17: Phân cực chuẩn, phân cực chéo ..............................................................24 Hình 2.1: Dãy hình chữ nhật với các phần tử cách đều giống nhau. ........................25 Hình 3.1: Đồ thị hƣớng tính theo kích thƣớc của dãy...............................................41 Hình 3.2: Lát cắt tại góc φ  0 của đồ thị bức xạ ....................................................42 Hình 3.3: Dãy 8  8 , phân cực tròn phải, đƣợc lái theo hƣớng  45,30  ...................43 Hình 3.4: Đồ thị với góc φ  45 o ..............................................................................44 Hình 3.5: Đồ thị của một dãy 8  8 phần tử cực tròn trái ..........................................45 viii Hình 3.6: So sánh giữa đồ thị bức xạ của dãy và hệ số dãy ......................................45 Hình 3.7: Độ hƣớng tính đối với mức của búp phụ cho một dãy 8  8 . ...................46 Hình 3.8: Đồ thị bức xạ sau khi lái búp sóng và vị trí điểm không ..........................47 Hình 3.9: Lát cắt tại góc φ  0 của đồ thị bức xạ ......................................................47 Hình 3.10: Biểu đồ so sánh giữa thuật toán SMI với thuật toán kết hợp SMI và Chebychev .................................................................................................................48 Hình 4-1 Mô hình bức xạ anten với các thông số chính của nó................................51 Hình 4-2 Các dạng khác nhau của cấu trúc mảng anten ...........................................53 Hình 4-3 Mô hình mô tả mảng anten nhận tín hiệu đơn từ nguồn tại góc nâng và mặt phẳng phƣơng vị ........................................................................................................54 Hình 4-4 Sơ đồ khối biểu diễn hoạt động cơ bản khi tạo chùm tia ...........................55 Hình 4-5 Mô hình chùm tia của mảng anten so sánh với anten đơn với sự có mặt của nhiễu ..........................................................................................................................56 Hình 4-6 Mảng anten 2 thành phần với hệ số liên kết tƣơng hỗ ...............................59 Hình 4-7 Cấu trúc bám tín hiệu GNSS cho xử lý đa anten .......................................62 Hình 5-1 Kỹ thuật DE khai thác dạng tích của tín hiệu, kỹ thuật lọc sơ cấp lại khai thác dạng tích chập của tín hiệu ................................................................................67 Hình 5-2 Sơ đồ khối bộ lọc sơ cấp, bộ lọc U(f) dùng để lọc tín hiệu tới và V(f) để lọc tín hiệu trong mạch....................................................................................................68 Hình 5-3 Cấu trúc bắt bám độc lập mã và sóng mang ..............................................74 Hình 6-1 Sơ đồ các khối của xử lý không gian – thời gian.......................................76 Hình 6-2 Biểu diễn các kỹ thuật xử lý không gian – thời gian khác nhau ................77 Hình 6-3 STAP Pre và Post-correlation đƣợc sử dụng trong các tín hiệu GNSS .....81 Hình 6-4 Cấu trúc xử lý thích nghi không gian – thời gian cho bám tín hiệu BOC...........83 ix LỜI MỞ ĐẦU Hiện này trên thế giới công nghệ anten thông minh thích nghi đang ngày càng phát triển. Anten thông minh thích nghi không bị giới hạn bởi định dạng điều chế đặc biệt hay giao thức giao diện không gian nào. Chúng phù hợp với tất cả các kỹ thuật điều chế giao diện không gian hiện hành. Hiện nay anten thông minh đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu, phát triển trong nhiều hệ thống trong đó có GNSS. Anten thông minh phát triển chính vì vậy mà vấn đề điều khiển mảng anten và búp song cũng là đặc biệt quan trọng. Chính vì vậy em xin chọn Đề tài của mình là “Nghiên cứu phƣơng pháp định hƣớng búp sóng và anten thông minh kích thƣớc lớn. Ứng dụng cho hệ GNSS.” gồm 3 chƣơng cụ thể là: Chƣơng 1: Các khái niệm cơ bản về định dạng và điều khiển bằng phƣơng pháp số và phƣơng pháp tƣơng tự Chƣơng 2: Một số thuật toán điều khiển búp sóng Chƣơng 3: Xử lý miền thời gian, không gian và kết hợp không gian – thời gian các tín hiệu GNSS. Trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành đề tài khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận đƣợc ý kiến góp ý của quý Thầy Cô để em có thể hoàn thiện hơn bài luận văn của mình. Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn! 1 CHƢƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 1.1. Giới thiệu về định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số Những khái niệm ban đầu của định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số đƣợc phát triển đầu tiên cho những ứng dụng trong các hệ thống ra đa và định vị dƣới nƣớc. DBF biểu diễn bƣớc lƣợng tử trong hiệu suất anten và độ phức tạp của anten. DBF cơ bản dựa trên các khái niệm lý thuyết đã có trƣớc, giờ đây các lý thuyết đó đang đƣợc triển khai trong thực tế. Ở mức độ rộng hơn, đó là kết quả của các tiến bộ quan trong gần đây trên thế giới nhƣ công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ mạch tích hợp siêu cao tần đơn (MMIC). Công nghệ DBF đã đạt trình độ cao và có thể đƣợc ứng dụng trong các mạng truyền thông nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống. Ứng dụng DBF trong các hệ thống truyền thông vô tuyến không chỉ dừng lại trong lý thuyết mà còn đang đƣợc triển khai nhanh chóng trong thực tế. Ngoài ra, nhu cầu tăng dung lƣợng là mục đích quan trọng cần hƣớng tới để kết hợp DBF vào trong các hệ thống truyền thông vô tuyến trong tƣơng lai [1]. An ten dãy Bộ thu phát Bộ thu phát I Q I Bộ xử lý tín hiệu số Lối ra Lối ra Q Hình 1.1: Hệ anten DBF tổng quát DBF là sự kết hợp giữa công nghệ anten và công nghệ số. Một hệ thống anten DBF tổng quát đƣợc chỉ ra nhƣ hình 1.1 bao gồm ba thành phần chính: + Anten dãy + Các máy thu phát số + Bộ xử lý tín hiệu số Trong một hệ thống anten DBF, các tín hiệu thu đƣợc tách sóng và số hóa ở mức phần tử. Việc thu các thông tin RF ở dạng luống số cho phép dụng các thuật toán và kỹ thuật xử lý tín hiệu để tách những thông tin từ dữ liệu miền không gian. 2 Kỹ thuật DBF dựa trên việc thu các tín hiệu RF tại các phần tử anten và biến đổi chúng thành hai luồng tín hiệu nhị phân băng cơ sở ( kênh đồng pha là I, kênh vuông pha là Q). Tích hợp bên trong các tín hiệu băng cơ sở là biên độ và pha của tín hiệu thu đƣợc ở mỗi phần tử của dãy. Điều chỉnh búp sóng đƣợc tạo bởi việc tạo trọng số cho các tín hiệu này bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của các tín hiệu sẽ thu đƣợc búp sóng mong muốn. Quá trình này đƣợc thực hiện bằng bộ xử lý tín hiệu số. Đó là một chức năng trƣớc đây thƣờng đƣợc thực hiện bằng việc sử dụng mạng điều khiển búp sóng tƣơng tự và giờ đƣợc thực hiện bằng việc dùng một bộ xử lý tín hiệu số. Phƣơng pháp này gần nhƣ bảo toàn tất cả các thông tin tại góc mở, đó là sự khác biệt với định dạng và điều khiển bằng phƣơng pháp tƣơng tự. Bởi vì phƣơng pháp tạo búp sóng tƣơng tự chỉ là tạo ra tổng trọng số của các tín hiệu và do đó làm suy hao kích thƣớc tín hiệu từ K thành 1(hình 1.2). Điểm mấu chốt của công nghệ này là việc biến đổi chính xác các tín hiệu tƣơng tự thành miền số. Điều này đạt đƣợc bằng việc sử dụng các bộ heterodyne, các bộ thu này cần phải phù hợp chặt chẽ về cả biên độ và pha. Sự phù hợp này không cần phải thực hiện bằng việc điều chỉnh từ phần cứng. Mà chỉ cần thực hiện quá trình chuẩn này để các giá trị của luồng dữ liệu đƣợc hiệu chỉnh trƣớc khi tới bộ điều khiển búp sóng. x1 x2 xk Mạng điều khiển búp sóng tƣơng tự Búp sóng lối ra Hình 1.2: Bộ điều khiển búp sóng tƣơng tự Các bộ thu thực hiện các chức năng sau: Chuyển đổi tần số xuống tần số thấp, lọc và khuếch đại để mức của tín hiệu phù hợp với yêu cầu lối vào của các bộ biến 3 đổi ADC. Lợi ích chính đạt đƣợc từ việc định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số là xử lý rất mềm dẻo mà không có làm suy giảm đi trong tỷ số tín hiệu trên tạp âm(SNR). Trong một số cách, nó có thể đƣợc xem nhƣ là một anten tối ƣu, theo đó tất cả các thông tin tới bề mặt của anten đƣợc thu lại ở dạng nhiều luồng số. Tất cả các thông tin này là có giá trị cho việc xử lý trong điều khiển búp sóng. Có nhiều các cấu hình thiết bị có thể đƣợc sử dụng để thực hiện việc sử lý số. Từ cấu trúc điều khiển búp sóng đƣợc điều chỉnh bởi thủ tục phần mềm, có một dải rộng mềm dẻo nhiều loại búp có thể đƣợc tạo ra, bao gồm búp quét, đa búp, búp hƣớng xác định, búp hƣớng không. Khi chúng ta kết hợp các phƣơng pháp truy nhập đó thì bộ xử lý số có mức thông tín cao hơn với tính lính hoạt của nó, chúng ta nhận thấy rằng định dạng và điều khiển búp sóng số cho một số các đặc trƣng ngoài khả năng của những mảng pha thông thƣờng. 1. Một số lƣợng lớn các búp sóng độc lập có độ định hƣớng cao có thể đƣợc thiết lập mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp (SNR). 2. Tất cả các thông tin đến anten dãy đều đƣợc sử dụng trong bộ xử lý tín hiệu do đó hiệu suất của hệ thống có thể đƣợc tối ƣu hóa. 3. Các búp sóng có thể đƣợc chỉ định cho từng ngƣời dùng, do đó đảm bảo rằng tất cả các liên kết đều hoạt động với hệ số tăng ích lớn nhất. 4. Định dạng và điều khiển búp sóng thích nghi có thể dễ dàng đƣợc thực thi để cải tiến dung lƣợng hệ thống bằng cách khử nhiễu đồng kênh. Các thuật toán mà biểu diễn đƣợc ở dạng toán học thì có thể đƣợc ứng dụng. Hơn nữa định dạng và điều khiển búp sóng thích nghi đƣợc sử dụng để các hệ thống tăng cƣờng khả năng chống lại nhiễu đa đƣờng. 5. Các hệ thống DBF cho khả năng thực hiện chuẩn máy thời gian thực cho các hệ anten trong miền số. Dó đó có thể làm giảm nhẹ yêu cầu phối hợp chặt chẽ của biên độ và pha giữa các bộ thu phát, do sự thay đổi các tham số này có thể đƣợc chỉnh chính xác trong thời gian thực. 4 6. Định dạng và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số có nhiều ƣu điểm nổi trội khi đƣợc sử dụng trong các trạm truyền thông vệ tinh. Nếu sau khi phóng vệ tinh, ngƣời ta phát hiện rằng cần phải nâng cấp bộ định dạng và điều khiển búp sóng thì một phần mềm thích hợp có thể đƣợc cập nhật từ xa tới trạm vệ tinh đó. Điều này có nghĩa là tuổi thọ của trạm đƣợc tăng lên do bổ xung các bộ phận mới trong thời gian hoạt động trong khi dung lƣợng của trạm đƣợc nâng lên. Ngoài ra công nghệ định dạng và điều khiển búp sóng thích nghi đƣợc nhắc đến nhƣ là công nghệ anten thông minh trong một số tài liệu. Việc dùng thuật ngữ “smart” phản ánh khả năng của anten thích nghi với môi trƣờng, hoạt động của nó. Tên anten thông minh và anten thích nghi có thể hoán đổi cho nhau [1]. 1.2. Giới thiệu về anten dãy Trong nhiều ứng dụng của anten, các hệ thống truyền thông điểm – điểm đƣợc ứng dụng. Búp sóng anten có độ định hƣớng cao có thể đƣợc sử dụng để tận dụng các ƣu điểm. Hƣớng của búp sóng có thể đƣợc xác lập bằng cách tạo một dãy có nhiều phần tử bức xạ. Khi độ hƣớng tính của anten tăng lên, hệ số tăng ích cũng tăng theo. Ở phía điểm thu tăng hệ số hƣớng tính có nghĩa là anten thu ít tạp nhiễu từ môi trƣờng tín hiệu. Ngoài ra cùng với một mức của tín hiệu của anten thu, nếu hệ số tăng ích của một hệ số dãy tăng lên mƣới lần, thì cùng với đó là giảm công suất phát xuống mƣời lần. Điều này rất có ý nghĩa đó là các anten có hệ số khuếch đại cao đem lại lợi ích đáng kể trong các mạng viễn thông điểm – điểm. 1.2.1. Các tham số cơ bản của một anten dãy Đồ thị bức xạ: Liên quan đến việc phân phối công suất phát xạ, nó nhƣ là một hàm theo hƣớng trong không gian và đƣợc gọi là hàm phát xạ của một anten. Hệ số của dãy: Hế số của dãy biểu diễn đồ thị phát xạ của trƣờng ở khu xa của một mảng các phần tử phát xạ vô hƣớng và đƣợc biểu diễn bằng hàm F θ,φ  . Búp sóng chính: Búp sóng chính của đồ thị phát xạ của một anten là miền bao gồm theo một hƣớng, mà theo hƣớng đó công suất phát xạ của anten là lớn nhất. 5 Búp sóng phụ : Là các miền còn lại theo các hƣớng khác của búp sóng chính. Cho một dãy tuyến tính với các phần tử giống nhau, búp phụ thứ nhất (búp gần búp sóng chính nhất ) trong đồ thị phát xạ là 13 dB dƣới đỉnh của búp sóng chính. Độ rộng búp : độ rộng búp của anten là độ rộng góc của búp sóng chính trong đồ thị phát xạ của trƣờng ở khu xa. Nửa công suất độ rộng búp, hoặc 3 dB độ rộng búp là độ rộng góc đo đƣợc giữa điểm trên búp sóng chính, điểm đó có độ rộng búp 3dB với điểm lớn nhất của búp sóng chính. Một anten dãy tuyến tính với các phần tử giống nhau có độ rộng búp 3dB đƣợc xác định là: HPBW= 0.88 A (1.1) trong đó A là chiều dài thu của mảng. Hiệu suất của anten: hiệu suất của anten đƣợc định nghĩa là tỷ số của tổng công suất bức xạ trên tổng công suất lối vào của một anten kí hiệu là  . Hệ số định hướng: Hệ số định hƣớng biểu thị năng lƣợng của trƣờng ở khu xa và đƣợc định nghĩa là tỷ số của mật độ phát xạ theo một hƣớng góc đặc biệt trong không gian trên mật độ phát xạ theo hƣớng đó của một nguồn phát xạ vộ hƣớng, biểu thức là: D  ,   4 U Prad (1.2) Trong đó: D  ,  : Hệ số định hƣớng (dB), U : Công suất bức xạ trên một đơn vị góc theo hƣớng  , ( W/đơn vị góc), Prad : Tổng công suất bức xạ của anten (dB), Hệ số hướng tính: Hệ số hƣớng tính là hệ số định hƣớng lớn nhất của anten, đó là hệ số định hƣớng theo một hƣớng mà theo hƣớng này mật độ phát xạ là lớn nhất. Hệ số khuếch đại của anten: Hệ số khuếch đại của anten đƣợc định nghĩa là tỷ số của mật độ phát xạ theo một hƣớng góc đặc biệt trong không gian trên tổng công suất lối vào của anten; biểu thức là: 6 G  ,   4 U Pin (1.3) Trong đó: G  ,  : Hệ số tăng ích của anten (dBi), U : Công suất bức xạ trên một đơn vị góc theo hƣớng  , ( W/đơn vị góc), Pin : Tổng công suất lối vào của anten (dB). Hệ số tăng ích lớn nhất G , hoặc đơn giản là hệ số tăng ích, đó kết quả của tích số giữa hệ số định hƣớng và hiệu suất của anten. G  D (1.4) Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương: Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng  EIPR  là kết quả của tích giữa công suất lối vào của anten với hệ số tăng ích của anten. Góc mở hiệu dụng: Góc mở hiệu dụng của một anten đƣợc định nghĩa là một miền của một anten lý tƣởng, miền đó có thể thu công suất nhƣ nhau từ một sóng phẳng tới. Dƣới sự kết hợp các điều kiện phân cực, góc mở tƣơng đƣơng đƣợc cho bởi: Aeff  G 4 (1.5) Hiệu suất góc mở : Hiệu suất góc mở của một anten đƣợc định nghĩa là tỷ số của góc mở hiệu dụng trên góc mở vật lý của cùng một anten. Búp xen kẽ cách đoạn: Trong một anten dãy, nếu khoảng cách giữa các phần tử quá lớn, thƣờng là lớn hơn nữa bƣớc sóng. Thì gây ra hiện tƣợng một vài búp sóng phụ có biên độ tiến sát hoặc bằng mức của búp sóng chính. Các búp này đƣợc gọi là búp xen kẽ cách đoạn. Búp xen kẽ cách đoạn là một trƣờng hợp đặc biệt của búp phụ. Các búp phụ có thể đƣợc xem xét nhƣ tất cả các búp nằm giữa búp sóng chính và búp xen kẽ thứ nhất hoặc giữa các búp xen kẽ. Đây là một khái niệm để phân biệt giữa các búp phụ và búp xen kẽ, bởi vì búp xen kẽ có biên độ lớn hơn nhiều so với hầu hết biên độ của các búp phụ [2]. 7 1.2.2. Dãy tuyến tính: θ dsin θ d 0 d 2 d 3 K-2 K-1 Hình 1.3: Một dãy tuyến tính cách đều Trong hình 1.3 một dãy tuyến tính cách đều đƣợc mô tả với K phần tử vô hƣớng giống nhau. Mỗi phần tử đƣợc đánh trọng số với một trọng số phức là Vk với k  0,1...,K  1 , và khoảng cách các phần tử đƣợc biểu thị là d . Nếu một sóng phẳng tách động lên phía trên mảng theo góc θ đối với phƣơng pháp tuyến của mảng, hƣớng sóng đến tại phần tử thứ k  1 sớm pha hơn phần tử thứ k, dẫn đến khoảng cách sai khác giữa hai đƣờng tia là d sin . Bằng việc thiết lập pha của tín hiệu tại gốc tọa độ là tùy ý tới không, độ sớm pha của tín hiệu tại phần tử thứ k có quan hệ đến pha của phần tử 0 là  k sin , với   2  , λ là bƣớc sóng. Tổng lối ra của các phần tử sẽ cho ta hệ số dãy F : K 1 F    V0  V1e i d sin  V2e i 2 d sin  ...   Vk e i kd sin (1.6) k 0 Ta có thể biểu diễn dƣới dạng véc tơ: F    V T v (1.7) T Trong đó : V  V0 V1 ... VK 1  là véc tơ trọng số và v  1 e i dsin ... e   i K 1 dsin 8   T (1.8) v là mảng véc tơ truyền âm, véc tơ này bao gồm các thông tin về góc đến của tín hiệu. Nếu trọng số phức là: Vk  Ak e ik (1.9) trong đó pha của phần tử thứ k sớm pha hơn pha của phần tử thứ k  1 là, hệ số dãy trở thành: K 1 F     Ak e  i  kd sin  k  (1.10) k 0 Nếu    d sin0 , đáp ứng lớn nhất của F   là kết quả theo góc  0 . Khi đó búp sóng của anten đƣợc lái theo hƣớng của nguồn sóng. Thí dụ của hàm F   cho một mảng tuyến tính tám phần tử nhƣ hình 1.4, lúc này búp sóng của anten đƣợc lái theo hƣớng vuông góc với mặt phẳng của anten. 0 Biên độ (dB) -5 -10 -15 -20 -25 -30 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Góc(độ) Hình 1.4: Đồ thị bức xạ của một dãy tuyến tính tám phần tử 1.2.3. Dãy vòng tròn Một mảng vòng gồm K phần tử bức xạ đẳng hƣớng giống nhau đƣợc xắp xếp cách đều trong một vòng tròn có bán kính R nhƣ hình 1.5. Mỗi phần tử đƣợc đánh 9 trọng số phức Vk với k  0,1,...,K  1. Vì phần tử thứ K đƣợc đặt cách đều xung quanh đƣờng tròn bán kính R, góc phƣơng vị của phần tử thứ k đƣợc xác định bởi k  2k . K Nếu một sóng phẳng tác động lên phía trên dãy theo hƣớng  ,  trong hệ tọa độ nhƣ hình 2.3. Pha của phần tử thứ k đối với tâm của dãy đƣợc xách định bởi:  k   Rcos   k  sin (1.11) θ r rk φk R k φ Hình 1.5: Dãy vòng với k phần tử cách đều Theo đó hệ số dãy cho một dãy vòng K phần tử đặt cách đều xách định theo công thức: K 1 F  ,    Ak e  i  k  Rcos k  sin  (1.12) k 0 Ak e i biểu thị trọng số phức cho phần tử thứ k. Trong trƣờng hợp để có búp k sóng chính hƣớng theo góc 0 ,0  trong không gian, pha của trọng số của cho phần tử k có thể đƣợc chọn là:  k   Rcos 0  k  sin0 (1.13) Trong nhiều ứng dụng, nhƣ anten trạm gốc, đồ thì bức xạ theo góc phẳng    2 đƣợc quan tâm. Trong trƣờng hợp này hệ số dãy đƣợc cho bởi: 10