MỞ ĐẦU Anten mảng ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực thông tin với sự phát triển của kỹ thuật tạo búp sóng số (Digital Beamforming – DBF). Vì sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số có thể dễ dàng thay đổi pha hoặc trọng số của mỗi phần tử trong Anten mảng hay thay đổi cả hƣớng của búp sóng chính. Chúng ta có thể thay đổi đồ thị bức xạ của Anten bằng cách đơn giản là thay đổi các tham số của nó. Do đó Anten mảng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thiết bị thông tin liên lạc.
Với kỹ thuật tạo búp sóng số, các hoạt động dịch pha, thay đổi biên độ cho mỗi phần tử của mảng và phép lấy tổng cho máy thu, máy phát là đều bằng số. Vì vậy nó giúp cho Anten mảng linh hoạt hơn và chúng ta có thể thay đổi đồ thị Anten mà không cần thay đổi cả hệ thống Anten. Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Kỹ thuật tạo búp sóng số cho Anten mảng”. Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu lý thuyết tạo búp sóng số cho Anten mảng và đáp ứng đƣợc yêu cầu khi thay thông số lối vào bằng số thì búp sóng lối ra thay đổi.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của khóa luận là tập trung giải quyết những vấn đề sau: Nghiên cứu các thuật toán định dạng búp sóng số trên Anten mảng. Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng kỹ thuật số trong quá trình tạo búp sóng so với các kỹ thuật tƣơng tự cũng nhƣ các kỹ thuật khác. Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống Anten mảng cũng nhƣ khả năng ứng dụng cao hơn của kỹ thuật tạo búp sóng số trong lĩnh vực thông tin ngày nay. Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm matlab.
1 Nội dung khóa luận chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về Anten: Giới thiệu tổng quan về Anten, khái niệm búp sóng, kỹ thuật tạo búp sóng nói chung. Kỹ thuật tạo búp sóng số và các thuật toán tạo búp sóng số: Giới thiệu về kỹ thuật tạo búp sóng số, so sánh với kỹ thuật tạo búp sóng tƣơng tự, những ƣu nhƣợc điểm của kỹ thuật tạo búp sóng số và các thuật toán tạo búp sóng số. Kết quả mô phỏng: Mô phỏng các thuật toán sử dụng phần mềm matlab Do giới hạn về thời gian, phạm vi của khóa luận tốt nghiệp nên khóa luận mới chỉ đi vào nghiên cứu một phần nhỏ trong phạm vi rộng lớn của lĩnh vực công nghệ Anten nói chung và Anten mảng nói riêng.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhƣng chắc chắn khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để khóa luận đƣợc hoàn thiện hơn. 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1. Giới thiệu về Anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận năng lƣợng điện từ.
Đó là thiết bị dùng để truyền năng lƣợng điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần phƣơng tiện truyền dẫn tập trung. IEEE định nghĩa Anten là “phần của hệ thống truyền hay nhận đƣợc thiết kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ”. Nói cách khác Anten lấy tín hiệu RF(đƣợc sinh ra bởi radio) và bức xạ nó vào trong không khí hay Anten có thể nhận sóng điện từ cho radio. Nhƣ vậy Anten là một bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào.
Để có thể chọn lựa đƣợc Anten đúng đắn thì điều quan trọng phải hiểu đƣợc một số thuộc tính mô tả về Anten. Chúng bao gồm dạng bức xạ, hƣớng tính, độ lợi, trở kháng đầu vào, sự phân cực và độ rộng băng tần của Anten. Hƣớng tính của Anten mô tả cƣờng độ của một bức xạ theo một hƣớng xác định tƣơng ứng với cƣờng độ bức xạ trung bình. Độ lợi cũng diễn tả cùng một khái niệm nhƣ hƣớng tính nhƣng nó còn bao gồm cả sự mất mát (về công suất) của chính bản thân Anten.
Dạng bức xạ của Anten mô tả sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng cách cố định từ Anten. Công suất bức xạ thật sự của Anten là công suất bức xạ hiệu dụng đƣợc tính bằng cách lấy độ lợi của Anten ( tính theo dBd ) nhân với công suất mà máy phát cung cấp cho Anten. 3 Sự phân cực: Sóng điện từ đƣợc phát ra bởi Anten có thể tạo ra những dạng khác nhau ảnh hƣởng tới sự quảng bá. Các hình dạng này sẽ tùy thuộc vào sự phân cực của Anten, có thể là phân cực tuyến tính hay phân cực vòng.
Trở kháng là tỷ số giữa điện áp và dòng điện chạy qua Anten. Độ rộng băng tần là vùng tần số mà Anten cung cấp hiệu năng có thể chấp nhận đƣợc. Các thuộc tính cuả Anten đều liên quan mật thiết với nhau và phụ thuộc lẫn nhau. Vì thế khi chọn lựa Anten chúng ta cần xác định đƣợc thuộc tính nào là quan trọng cho việc nghiên cứu.
Giới thiệu về anten mảng Trong nhiều ứng dụng, cần thiết phải thiết kế nhiều Anten với những đặc tính chi phối (độ lợi rất cao) để đáp ứng yêu cầu cho truyền thông khoảng cách xa.Thông thƣờng, điều này chỉ có thể đƣợc hoàn thành bằng cách tăng đặc tính điện của anten. Cách hiệu quả khác là ghép các thành phần bức xạ lại với nhau trong một hình thể và cấu hình điện, không cần thiết phải tăng kích thƣớc của các thành phần bức xạ riêng. Nhiều thành phần bức xạ thì đƣợc định nghĩa là Anten mảng. Nhƣ vậy Anten mảng là tập hợp gồm nhiều Anten thành phần đƣợc bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng.
Các Anten thành phần này có thể đƣợc sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đƣờng ,mảng tròn hay mảng phẳng. Anten mảng có thể là một, hai, hoặc ba chiều. Dạng Anten mảng đơn giản nhất là Anten mảng tuyến tính. Trong đó, các phần tử Anten đƣợc sắp xếp dọc theo một đƣờng thẳng.
Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đƣờng thẳng bằng nhau thì mảng đƣợc gọi là mảng Anten dãy. 4 Dạng hình học của Anten mảng và các yếu tố khác nhau nhƣ giản đồ phƣơng hƣớng, hƣớng, phân cực của các phần tử đều có ảnh hƣởng trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng của Anten mảng. Đối với các Anten mảng truyền thống, búp sóng chính sẽ đƣợc quét tới các hƣớng mong muốn, và còn đƣợc gọi là anten mảng pha. Các búp sóng này đƣợc quét thông qua các bộ dịch pha và trƣớc đây các bộ dịch pha này thƣờng hoạt động tại các tần số RF.
Về sau, quá trình này đƣợc gọi là quá trình quét búp điện tử vì nó sẽ thay đổi pha của dòng điện tại mỗi phần tử Anten. Các anten mảng quét búp ngày nay sẽ có đồ thị đƣợc định hình dựa theo chỉ tiêu nào là tốt nhất lúc đó mà thôi, và đƣợc gọi là Anten thông minh. Anten thông minh còn đƣợc gọi là Anten mảng quét búp sóng bằng kỹ thuật số, hoặc Anten mảng thích nghi (khi áp dụng các thuật toán thích nghi). Sự thông minh của Anten đƣợc tạo ra do quá trình xử lý số các tín hiệu đến các phần tử Anten, hay là sự kết hợp của Anten với các thuật toán xử lý tín hiệu để tạo ra một hệ thống Anten có các tính năng linh hoạt.
Các tính năng linh hoạt này có thể là giản đồ phƣơng hƣớng có khả năng thay đổi theo sự chuyển động của thuê bao… Hiện tại với sức mạnh của bộ xử lý tín hiệu số giá thấp, bộ vi xử lý dùng cho mục đích thông dụng và ứng dụng những mạch tích hợp đặc biệt…làm cho hệ thống Anten thông minh đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực truyền thông. Đây là ƣu điểm vƣợt trội của Anten mảng nói riêng và Anten thông minh nói chung so với các Anten thƣờng. Nhƣ vậy với một Anten thƣờng thì để thay đổi đồ thị bức xạ ta phải quay cả hệ thống Anten, còn với Anten mảng ta chỉ việc thay đổi một trong các thông số nhƣ khoảng cách, biên độ, pha…là đã có thể thay đổi đƣợc đồ thị bức xạ của Anten. Điều này khiến cho anten mảng ngày càng thông minh hơn.
Các loại Anten mảng Thông thƣờng, phần tử Anten có thể đƣợc phân loại nhƣ: đẳng hƣớng, định hƣớng theo đặc tính bức xạ của nó. Anten mảng có thể đƣợc tham khảo nhƣ Anten mảng pha, Anten mảng thích nghi theo chức năng và hoạt động của nó. Anten mảng pha là Anten sử dụng các phần tử đơn và kết hợp với tín hiệu tạo ra trên mỗi phần tử để tạo thành lối ra. Hƣớng có độ lợi cực đại xảy ra luôn đƣợc điều khiển bởi đặc tính biên độ và pha giữa những thành phần khác nhau.
Anten mảng thích nghi là Anten có khả năng chống nhiễu tốt, thu đƣợc tín hiệu chính xác và tự hiệu chỉnh trong hệ thống truyền thông. Đặc tính bức xạ của những Anten này sẽ chuyển đổi thích nghi theo sự chuyển đổi của môi trƣờng bằng cách lái các búp không và giảm các mức búp phụ trong hƣớng nhiễu, trong khi giữ đặc tính búp tín hiệu mong muốn. Khái niệm về búp sóng Các vùng của một mẫu nơi mà tăng ích có vùng phủ cực đại đƣợc gọi là búp. Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà Anten phát ra.
Búp sóng dọc đƣợc đo theo độ và vuông góc với mặt đất còn búp 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 chọn lựa búp rộng hay hẹp sẽ quyết định hình dạng vùng phủ sóng mong muốn. Búp sóng càng hẹp thì tăng ích càng cao.
Kỹ thuật tạo búp sóng 1. Khái niệm tạo búp sóng Theo công thức tín hiệu lối ra của Anten mảng: S= 𝐴 𝑒 𝑖𝜔 𝑒 𝑖𝜑 𝑘 6 Ta thấy s 𝜖 𝑒 𝑖𝜑 𝑘. Nếu ta thay đổi pha của tín hiệu( tức thay đổi 𝜑𝑘 ) thì đồ thị bức xạ của Anten sẽ có búp sóng thay đổi. Phƣơng pháp làm thay đổi búp sóng của Anten gọi là kỹ thuật điều khiển và định dạng búp sóng.