Nghiên cứu ứng dụng anten mảng cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và cả ở Việt Nam. Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một vấn đề cấp thiết. Điều đó đòi hỏi các nhà mạng cùng với các nhà phát triển cần phải nghiên cứu ra những hệ thống thông tin truyền thông di động tốc độ cao, hiệu năng tốt đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Một trong số các giải pháp có thể giúp cải thiện đáng kể các chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động là sử dụng anten mảng. Anten mảng đang ngày càng trở nên quan trọng trong truyền thông vô tuyến bởi những lợi thế của việc sử dụng anten mảng như : Chúng có thể cung cấp khả năng định hướng được búp sóng ; có thể cung cấp một hệ số khuếch đại cao do sử dụng nhiều phần tử anten ; cung cấp hệ số khuếch đại phân tập trong việc thu nhận tín hiệu đa đường ; cho phép thực hiện xử lý tín hiệu mảng… Do đó anten mảng được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị thông tin liên lạc. Trong khi đó, những nghiên cứu về ứng dụng của anten mảng cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới ở Việt Nam chưa có nhiều. Từ động lực đó, theo định hướng của người hướng dẫn khoa học, học viên lựa chọn đề tài « Nghiên cứu ứng dụng anten mảng cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Chương I: Lý thuyết và các thông số của anten

Anten trong hệ thống thông tin di động.

1.1 Sự phát triển của kỹ thuật anten

1.1.1 Lịch sử phát triển

Sóng vô tuyến được phát minh ra vào năm 1861 khi Maxell (Đại học Hoàng Gia Luân đôn) đưa ra lý thuyết sóng điện từ Hertz (Đại học Karlsruhe) đã chứng minh sự tồn tại của sóng này bằng thực nghiệm vào năm 1887 bằng sóng đứng (tĩnh) Năm 1890 Branly (Paris) đã xây dựng một “bộ nhất quán” có thể phát hiện

sự có mặt của sóng điện từ bằng một cái chai thuỷ tinh chứa kim loại Bộ nhất quán này sau đó được tiếp tục phát triển bởi Lodge (Anh) Mùa hè 1895, Marconi đã sử dụng máy phát của Hertz, bộ nhất quán của Lodge và lắp thêm anten để tạo ra một máy phát vô tuyến đầu tiên

Ứng dụng dân dụng đầu tiên của kỹ thuật vô tuyến là hệ thống điện thoại

vô tuyến 2MHz vào năm 1921 trong ngành Cảnh sát Những hệ thông được phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin của Bell ở tần số 50MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T (1946); Khái niệm cellular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970); Vào những năm 1990s: các hệ thống thông tin đi tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… ra đời và phát triển một cách mạnh mẽ Kỹ thuật anten được sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến cũng có sự phát triển như sau:

- 1880- tới những năm1890: Hertz, Marconi, Popov đã thiết kế được các anten

có tần số hoạt động và băng thông tốt hơn

- Những năm 1900: anten định hướng được sử dụng đã cho phép liên lạc qua biển Atlantic

- 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu.

- Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda được phát minh đã đem lại tăng ích và băng thông tốt hơn.

- Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa

1

- Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu và triệt nhiễu bằng các bộ xử lý tín hiệu số trong quân sự Việc sử dụng anten nhiều phần tử ở máy thu trong thông tin vô tuyến mở ra một chiều mới trong xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho phép cải thiện chỉ tiêu hệ thống Tuy nhiên, đến trước những năm 1990, vấn đề được phát triển chủ yếu với anten mảng mới chỉ là kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới)

- Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp cả miền không gian và thời gian)

+ 1996: Anten nhiều phần tử được sử dụng ở trạm gốc để hỗ trợ nhiều người dùng trên cùng kênh

+ 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến bằng cách sử dụng anten nhiều phần tử ở cả máy phát và máy thu Ý tưởng này tiếp tục được phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu một cuộc cách mạng về lý thuyết truyền thông.

- Từ những năm 2000: Kỹ thuật thu-phát không gian-thời gian được tập trung nghiên cứu và phát triển

Có thể thấy rằng, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian với mảng (dàn) anten nhiều phần tử ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân

sự từ khá lâu, nhưng do tính chất thay đổi liên tục của môi trường truyền sóng thông tin di động trong khi khả năng xử lý theo thời gian thực của máy thu phát còn nhiều hạn chế mà kỹ thuật này mới thực sự được nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây.

1.1.2 Khái niệm Anten

Sóng điện từ có thể truyền dẫn bằng hai phương pháp:

- Truyền dẫn trong các thiết bị định hướng như đường dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sang, cáp sợi quang Khi truyền lan trong các hệ thống này sóng điện từ bị giới hạn trong khoảng không gian của thiết bị và được gọi là sóng điện từ ràng buộc.

2

- Bức xạ sóng ra không gian để sóng truyền đi trong các môi trường thực và được gọi là sóng điện từ tự do.

Thiết bị dùng để chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự do

và ngược lại được gọi là anten.

IEEE định nghĩa Anten là “phần của hệ thống truyền hay nhận được thiết kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ” Nói cách khác Anten lấy tín hiệu RF (được sinh ra bởi radio) và bức xạ nó vào không khí hay anten có thể nhận sóng điện từ cho radio Anten là thiết bị được ứng dụng trong nhiều lĩnh khác nhau của kỹ thuật vô tuyến Tùy theo nhiệm vụ của hệ thống vô tuyến mà có các yêu cầu khác nhau đối với thiết bị anten Ví dụ trong kỹ thuật vô tuyến định vị cần sử dụng anten có búp sóng nhọn (đồ thị phương hướng hẹp) và búp sóng phải có khả năng quét trong không gian để phát hiện và bám theo các mục tiêu di động, xác định tọa độ của các mục tiêu đấy (anten rada)

Anten là một hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận các sóng điện

từ Anten là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền lan từ nơi phát đến nơi thu Một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu (hình 1.1)

Hệ thống truyền tin đơn giản

Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến anten thông qua hệ thống fidơ dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fidơ thành sóng từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên Tại nơi thu, anten thu làm nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhận

3

sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từràng buộc Sóng này sẽ được truyền theo fidơ tới máy thu.

Yêu cầu của thiết bị anten - fidơ là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng sóng điện từ với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu.

Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát, nhờ đó cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong

Anten sử dụng trong các hệ thống thông tin khác nhau phải có những yêu cầu khác nhau Trong các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh, truyền hình, thì yêu cầu anten phải có bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất) để cho mọi hướng đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Nhưng trong mặt phẳng thẳng đứng anten lại phải có bức xạ định hướng sao cho hướng cực đại trong mặt phẳng này song song với mặt đất, để máy thu thu được tín hiệu lớn nhất và giảm được năng lượng bức xạ hướng không cần thiết, giảm được công suất máy phát, giảm được can nhiễu Tuy nhiên, trong các hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm như hệ thống thông tin vi ba, thông tin vệ tinh, rađa yêu cầu anten anten bức

xạ với tính hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian.

Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn thuần là chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự do và ngược lại mà phải bức xạ sóng điện từ theo những hướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cách phân loại sau:

- Công dụng của anten: Anten có thể được phân thành anten phát, anten thu hoặc anten phát + thu dùng chung Thông thường anten làm nhiện vụ cho cả phát

và thu.

- Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn và anten sóng cực ngắn.

4

- Cấu trúc của anten:

- Đồ thị phương hướng của anten: anten vô hướng và anten có hướng

- Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứng

1.1.3 Các hệ thống anten trong thông tin di động

- Hệ thống an ten hình quạt (sectored systems)

Hệ thống anten hình quạt kết hợp các an ten định hướng đặt ở trạm gốc (base station-BS) để chia các ô (cell) truyền thống thành từng phần hình quạt (sector) Một cell thường được chia thành 3 hoặc 6 sector, các sector hoạt động như các cell độc lập Hệ thống an ten hìnhquạt cho phép tăng khả năng tái sử dụng các kênh tần

số và giảm bớt xuyên nhiễu trong các hệ thống thông tin di động.

- Hệ thống anten phân tán (diversity systems)

Hệ thống anten phân tán kết hợp các an ten đặt các vị trí khác nhau ở trạm gốc nhằm hạn chế hiệu ứng đa đường (fading) Để đơn giản ở đây ta chỉ xét hệ thống anten phân tán gồm hai anten Hệ thống này cải thiện độ lớn của tín hiệu thu được bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau:

- Anten phân tán chuyển mạch-Sử dụng bộ chuyển mạch tự động để chọn kết nối kênh tín hiệu với an ten nào ở vị trí thu được tín hiệu tốt nhất Hệ thống này có khả năng cải thiện được hiệu ứng fading, tuy nhiên nó không thể nâng cao độ tăng ích do tại mỗi thời điểm chỉ có một an ten làm việc.Anten phân tán phối hợp-Thực hiện việc nhận tín hiệu từ cả hai an ten, sửa sự lệch pha nhằm phối hợp hai tín hiệu

để đưa ra tín hiệu tốt nhất Hệ thống này không những cải thiện được hiện tượng fading mà còn tăng được độ tăng ích của anten/

Bởi vì cường độ tín hiệu phát ra của trạm gốc (hướng xuống) thường lớn hơn nhiều cường độ tín hiệu phát ra bởi mobile (hướng lên) nên hệ thống anten phân tán thường được dùng ở các trạm gốc để cải thiện tín hiệu thu được từ mobile Hệ thống anten phân tán mặc dù có cải thiện được hiệu ứng fading nhưng vẫn chưa đáp ứng được đòi hỏi phải giảm xuyên lẫn gữa các kênh, nâng cao độ nhạy, tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số cũng như tăng dung lượng của hệ thống Các yêu cầu này dẫn đến việc đòi hỏi nghiên cứu phát triển các hệ thống anten thông minh

5

hơn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới Phần tiếp sau sẽ trình bày tổng quan về các loại an ten thông minh đang được nghiên cứu phát triển hiện nay.

1.2 Các thông số cơ bản của anten.

Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính và tham số của nó Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten.

1.2.1 Hàm tính hướng

Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vô hướng hay có hướng, và ở hướng nào anten bức xạ là cực đại, hướng nào anten không bức xạ để có thể đặt đúng vị trí anten Muốn vậy ta phải biết tính hướng của anten đó Một trong các thông số đặc tả hướng tính của anten là hàm tính hướng.

Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được ký hiệu là f(θ,φ).

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:

Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành phần theo θ và φ

( , ) ( , ) ( , )

f θ ϕ = fθ θ ϕ iθ + fϕ θ ϕ iϕ

Hàm tính hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độ trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính là biên độ của hàm tính hướng phức (cụ thể hơn là modun của hàm tính hướng phức)

( ) ( ( ) )

ax

,,

, m

f F

Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten) Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ Thông thường, đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều Đó là

đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại

đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy

Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten Nó cho phép

so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau

Từ đồ thị phương hướng trên hình 4.3 nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm

đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độ rộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó

cường độ điện trường giảm đi 2 lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực

7

-60 -30 30 o0,25

0,50 0,75 1,0

Ví dụ đồ thị phương hướng trong

1.2.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten

Công suất đặt vào anten P A do máy phát đưa trực tiếp đến anten hoặc thông thường qua fidơ cung cấp cho anten Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao tần từ máy phát thành năng lượng bức xạ sóng điện từ không thể tránh các tổn hao

do nhiệt bởi vật dẫn, chất điện môi của anten, và phần mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiện phụ như thanh đỡ bộ chiếu xạ, bản thân bộ chiếu xạ… Vì vậy, công suất là bao gồm cả công suất tổn hao P th và công suất bức xạ P bx

Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất làm việc Hiệu suất của anten, η A , chính là tỷ số giữa công suất bức xạ, P bx và công suất máy phát đưa vào anten, (P A )

bx A A

P P

Hay

bx bx A

Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng.

Để biểu thị tính hướng của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóng người ta đưa vào hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số khuếch đại (còn gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi) Các hệ số đó cho phép đánh giá tính phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trường bức xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại anten thích hợp cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng.

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóng điện từ đồng đều ở tất cả các hướng Anten lý tưởng được xem như nguồn bức

xạ vô hướng hoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.

- Hệ số khuếch đại của anten

Hệ số khuếch đại của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của hai anten là như nhau và anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1.

10

11

Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại của anten nên sau này khi chỉ dùng các kí hiệu D và G, đó chính là hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại ở hướng bức xạ cực đại.

Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại thường được biểu diễn theo đơn vị dB

1.2.5 Trở kháng vào của anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fidơ, anten sẽ trở thành tải của máy phát hoặc máy thu Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là trở kháng vào của anten Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một đại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào

1.2.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức

xạ đẳng hướng tương đương, ký hiệu là EIRP Công suất này được định nghĩa:

EIRP=P G T T

(W) Trong đó P T là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và G T là hệ số khuếch đại của anten phát Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đến anten thì P A = P T

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể coi G T = 1.

Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel

( )EIRP(dBw) 10lg= P G T T

Hay EIRP dBw( )=P dB T( w)+G dBi T( )

1.2.7 Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng

Khi anten làm việc ở chế độ thu, công suất hay sức điện động cảm ứng lên anten sẽ phụ thuộc vào năng lượng trường điện từ do phía phát tạo ra tại nơi đặt anten thu và khả năng làm việc của anten thu Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi một tham số gọi là diện tích hiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten Nếu anten là anten bức xạ mặt thì công suất thu được tại anten sẽ là tích của mật độ thông lượng công suất với diện tích hiệu dụng của anten thu.

Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:

R e

G

π

=

Trong đó A e là diện tích hiệu dụng của anten (m)

G R là hệ số khuếch đại của anten thu

λ là bước sóng công tác (m) Tương tự đối với các anten dây, chấn tử đối xứng… biểu thị bằng chiều dài hiệu dụng Nếu cường độ điện trường tại điểm đặt anten thu là E h (V/m) thì sức điện động cảm ứng lên anten sẽ là

của anten phụ thuộc vào chiều dài thực của anten và bước sóng công tác, hay nói

cách khác phụ thuộc vào chiều dài tương đối

l

λ

của anten đó.

1.2.8 Dải tần công tác của anten

Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mad trong khoảng tần số đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm

∆ <

tức

ax min

1,1

m f

4

m f

Để giảm can nhiễu ra các hệ thống khác, đồng thời làm tăng tính hướng của anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến, anten yêu cầu phải có bức xạ ở hướng cực đại lớn hơn một giá trị nào đó so với các hướng bức xạ khác Giá trị yêu cầu này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào đặc điểm của từng hệ thống thông tin và phương bức xạ phụ so với phương bức xạ cực đại Thường thì khi phương bức xạ phụ càng gần phương bức xạ cực đại thì giá trị này càng lớn Tính chất đó của anten được biểu thị bởi một hệ số gọi là hệ số bảo vệ, K bv , bằng tỷ số bình phương cường độ điện trường tạo bởi anten ở hướng bức xạ cực đại trên bình phương cường độ điện trường ở hướng đang xét Công thức:

Chương II: Anten mảng

Chương này nghiên cứu kỹ thuật anten mảng và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động

2.1 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 thường điều này chỉ có thể hoàn thành bằng cách tăng đặc tính điện của anten Cách 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 thước của các thành phần bức xạ riêng Nhiều thành phần bức xạ thì được định nghĩa là Anten mảng Ăng-ten (và mảng ăng-ten) thường hoạt động trong môi trường năng động, nơi các tín hiệu (cả hai mong muốn và can thiệp) đến từ việc thay đổi hướng và với quyền hạn khác nhau.

Như vậy Anten mảng là tập gồm nhiều Anten thành phần được bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng Các anten thành phần này có thể

được sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ Tùy cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đường, mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng Anten mảng có thể là một, hai hoặc ba chiều Anten mảng được chia thành Anten mảng pha và Anten mảng thích nghi theo chức năng và hoạt động của nó.

2.1.1 Anten mảng pha

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 đầu ra Mỗi anten hình thành mảng được gọi là phần tử của mảng Hướng có độ lợi cực đại xảy ra luôn được điều khiển bởi đặc tính biên độ và pha giữa những thành phần khác nhau Anten mảng pha cho phép kiểm soát hướng các chùm tia và hình dạng hoa văn

sao có độ tương quan cao của tín hiệu có ích Đầu ra của mỗi phần tử được đặt trọng số thích nghi và kết hợp với các đầu ra khác để tách ra tín hiệu hữu ích bằng cách xếp chồng các tín hiệu thu được.

Các phần tử của anten có thể được sắp đặt ở những vị trí bất kì trong không gian,trên thực tế loại anten thường được sử dụng là anten mảng thích nghi phẳng, là loạianten mà tâm các phần tử của anten được sắp xếp nằm trên cùng một mặt phẳng Cóhai loại anten mảng phẳng được biết đến rộng rãi là anten mảng tròn và anten tuyếntính Trong mảng tuyến tính, tâm các phần tử anten được sắp xếp theo một đườngthẳng, các phần tử của anten thường được đặt cách nhau một khoảng khác không

Hình trên mô tả một trong các mô hình của anten thích nghi, trong đó có 3 khối

cơ bản là khối mảng anten, khối bộ xử lý thích nghi và khối định dạng búp sóng.Mảng anten là một hệ thống bao gồm một dàn các anten phần tử, thường là gồm Mphần tử được sắp xếp tuyến tính Bộ xử lý thích nghi xử lý với thời gian thực, nó tiếpnhận các thông tin liên tục từ đầu vào của dàn rồi tự động điều khiển các trọng số Wicủa bộ định dạng búp sóng nhằm điều khiển liên tục đồ thị phương hướng của dàn sao

cho thỏa mãn yêu cầu đề ra với các chỉ tiêu nhất định Các trọng số được điều chỉnh

để đạt bộ trọng số tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán được lựachọn

Những mảng ăng ten sử dụng một thuật toán trọng số thích nghi, mà điều chỉnh các trọng số dựa trên các tín hiệu nhận được để cải thiện hiệu suất của mảng Một mảng thích nghi là một hệ thống anten có thể biến đổi những mẫu tín hiệu bằng điều khiển phản hồi trong hệ thống anten điều khiển Đặc tính bức xạ của những Anten này sẽ chuyển đổi thích nghi theo sự chuyển đổi của môi trường bằng cách lái các búp không và giảm các búp phụ trong hướng nhiễu, trong khi giữ đặc tính búp tín hiệu mong muốn

Các vùng của một mẫu, nơi mà tăng ích có vùng phủ cực đại được gọi là búp Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà Anten phát ra Búp sóng dọc được đo theo độ và vuông góc với mặt đất còn búp sóng ngang được 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 sóng rộng hay hẹp sẽ quyết định hình dạng vùng phủ sóng mong muốn, búp sóng càng hẹp thì tăng ích càng cao

2.2 Các đặc tính và nguyên lý hoạt động của anten mảng

2.2.1 Các đặc tính

Một đặc điểm quan trọng của một mảng là sự thay đổi của mô hình bức xạ của

nó để đáp ứng với các kích thích khác nhau của các phần tử anten của nó Với một Anten thường 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 như khoảng cách, biên độ, pha,… là đã có thể thay đổi được đồ thị bức xạ của Anten Dạng hình học của Anten mảng và các yếu tố khác nhau như giản đồ phương hướng, hướng, phân cực của các phần tử đều có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng của Anten mảng Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần, vào sự định hướng, vào vị trí của các anten, vào biên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng Trong trường

hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng được tính theo hệ

số mảng và các góc phát xạ thành phần

Trường tổng của anten mảng được xác định bằng phương pháp cộng vector của các trường bức xạ từ các anten thành phần Ở đây bỏ qua tác động tương hỗ giữa các anten phần tử

Trong một mảng gồm các anten phần tử giống nhau có ít nhất năm yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kiểu bức xạ của anten mảng:

- Cách sắp xếp các phần tử (sắp xếp theo đường thẳng, đường tròn, tam giác );

- Khoảng cách giữa phần tử;

- Biên độ dòng được kích thích trên các phần tử;

- Pha của dòng được kích thích trên các phần tử;

- Kiểu bức xạ của các phần tử.

Đặc điểm, lợi ích của Anten mảng

- Độ tăng ích cao -Tín hiệu vào từ nhiều

an ten được phối hợp để nâng cao độ

tăng ích từ đó tối ưu hoá công suất phát

yêu cầu đối với một vùng phủ sóng nhất

định

Mở rộng được vùng phủ sóng -Việc tập trung năng lượng truyền sóng vào trong cell cho phép mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc Mặt khác tăng ích trạm gốc lớn cho phép giảm công suất phát yêu cầu của MS, từ đó tăng thời gian sử dụng của pin và cho phép giảm nhỏ kích thước cũng như trọng lượng mobile.

Chống xuyên lẫn -Tỷ số tín

hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng cao

nhờ giảm được số nguồn nhiễu tác động

lên beam định hướng.

Tăng dung lượng -Việc tăng tỷ số C/I cho phép giảm nhỏ khoảng cách tái

sử dụng, từ đó tăng thêm dung lượng của hệ thống.

Sự phân tập không gian -Các tín hiệu từ

ma trận an ten được phối hợp nhằm

giảm thiểu hiệu ứng fading và các ảnh

hưởng khác của hiệu ứng đa đường

Nâng cao khả năng chống hiệu ứng

đa đường -Có thể giảm được tác động của việc trễ trong kênh, cho phép nâng cao tốc độ (bit rate) mà không cần dùng đến bộ cân bằng.

Tối ưu hoá công suất phát -Kết hợp

tín hiệu vào của nhiều an ten nhằm tối

ưu hoá độ tăng ích đường xuống.

Giảm chi phí hệ thống -Giảm chi phí cho các bộ khuyếch đại, giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy của

hệ thống.

Thích ứng với hầu hết các chuẩn

thông tin vô tuyến thống thông tin di động sử dụng các Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ

chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA hay các chuẩn song công FDD, TDD.

Có tính trong suốt đối với mạng

lưới -Không bị giới hạn bởi một phương

thức điều chế hay giao thức vô tuyến cụ

thể nào.

Cho phép tạo ra các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao và đưa lại cho các nhà cung cấp dịch vụ một khả năng cạnh tranh mạnh.

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Một anten mảng là tập hợp của N anten riêng biệt trong không gian Số lượng anten trong một mảng có thể nhỏ như 2, hoặc lớn như vài ngàn Nhìn chung, hiệu suất của một anten mảng tăng lên theo số lượng anten (phần tử) trong mảng, nhưng nhược điểm là sẽ tăng chi phí, kích thước 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 tổng thể diện tích bề mặt này được gọi là khẩu độ.

Các hệ số mảng phụ thuộc vào số lượng các các phần tử, khoảng cách giữa các phần tử, biên độ và pha của tín hiệu áp dụng cho mỗi phần tử

Dạng tổng quát của một anten mảng được minh họa ở hình sau Đầu tiên gốc

và hệ tọa độ được chọn, và sau đó N phần tử được định vị, ở từng vị trí được cho bởi:

d n = [x n y n z n ]

Các vị trí của các phần tử trong anten mảng pha được minh họa như hình sau:

Dạng hình học của một mảng anten gồm N phần tử

Dùng X 1 , X 2 , …,X N biểu diễn đầu ra từ Anten 1 đến N tương ứng Đầu ra của các anten sẽ được nhân với hệ số mảng của N anten: w 1 , w 2 ,…, w N và trường tổng của chúng được thể hiện như hình sau:

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 được thể hiện như sau :

Y=

2.2.3 Sự chuyển dịch pha

Cấu hình mảng điển hình

Hình trên cho thấy một số ví dụ về mảng một chiều và hai chiều gồm các anten

tuyến tính giống hệt nhau Mỗi phần tử anten tuyến tính, trỏ theo trục z, đã có một

mô hình đa hướng liên quan đến góc phương vị φ

Dịch chuyển anten

Hình trên cho thấy phía bên trái một ăng-ten được dịch bởi các vector d, và bên phải, một số anten dịch đến các địa điểm khác nhau và sử dụng biên độ tương đối khác nhau.