Khái niệm và bài giảng Anten

+ Băng thông của anten: là dải tần số mà anten hoạt động tốt đảm bảo yêu cầu đặt ra + Tỷ số băng thông là tỷ số giữa tần số lớn nhất và tần số bé nhất... + Mở rộng dải tần băng thông ant

Trang 1

Telecommunications Program

Anten

+ Khái niệm về anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ ra không gian bên

ngòai cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngòai

- Anten phải phối hợp trở kháng

- Anten phải có hiệu suất cao

- Anten phải có băng thông đủ lớn

Bl ah bl ah blah blah

Trang 2

Anten thiên văn,

- Theo băng sóng (kích thước anten tỷ lệ thuận với bước sóng): Anten sóng cực ngắn

Anten sóng ngắn

Anten sóng trung, sóng dài,

- Chức năng (thu, phát)

Trang 3

Anten

- Theo cấu trúc:

Trang 4

t divH

divE

ε µ

ρ ε

t

H

t divH

divE

ε

µ

ρ µ

Trang 5

divrotA rotgrad rotrotA graddivA A

Trang 9

Anten

+ Quá trình bức xạ sóng điện từ

Trang 10

10 Anten

+ Quá trình bức xạ sóng điện từ (tt)

Trang 11

Anten

Trang 12

12 Anten

Trang 13

J  = × n H  τ

m s

Trang 14

e m

e

dV r

e J

Trang 16

e R

Trang 18

- Công th ức đổi hệ trục tọa độ

Trang 21

Anten

+ Đồ thị phương hướng (tt)

FNBW (First Null Beam Width) = 2θm - θ01

HPBW (Half Power Beam Width) = 2θm - θ1/2

Trang 22

+ Băng thông của anten: là dải tần số mà anten hoạt động tốt (đảm bảo

yêu cầu đặt ra)

+ Tỷ số băng thông là tỷ số giữa tần số lớn nhất và tần số bé nhất

Trang 24

=

Trang 25

F D

Trang 27

Anten

+ Anten Cassegrain là anten có bộ phản xạ nhỏ để phản xạ chùm sóng

vào mặt phản xạ Parabol (việc cung cấp tín hiệu (feeding) thuận

lợi)

Trang 30

30

Anten

+ Đặc tính phân cực của anten (tt)

T ổn hao do lệch phân cực (PLF – Polarization Loss Factor)

Trang 31

Anten

+ Đặc tính phân cực của anten (tt)

Phân c ực tròn thường dùng anten Helical

Trang 32

Khi phối hợp trở kháng, hệ số phản xạ bằng KHÔNG và hệ số sóng

đứng VSWR = 1, Khi không phối hợp trở kháng thì hệ số phản xạ

lớn hơn không và nhỏ hơn 1 và VSWR ≥ 1

Trang 33

- Dùng các mạch LC (Г và Г ngược, chỉ thực hiện với một số trường

hợp,  có vùng chết không thực hiện phối hợp được)

Trang 34

in L

Trang 35

+ Mở rộng dải tần (băng thông anten): thay đổi kích thước anten từ từ

sao cho trở kháng vào của anten không thay đổi đáng kể khi thay đổi tần số Nói cách khác là khi thay đổi kích thước sao cho hệ số

phản xạ thay đổi nhỏ đảm bảo nhỏ hơn giá trị cho phép trong dải

tần số mong muốn

Trang 36

36

Anten

+ Mở rộng dải tần

- Chấn tử đối xứng chóp (Biconical Antenna), Anten nơ (Bowtie

Antenna), anten giọt nước mắt (Teadrop Antenna), Helix, Uda, Loga-Chu kỳ, Anten Vi dải (Dùng cho băng tần VHF trở lên)…

Yagi-Bowtie Antenna

Trang 38

38

Anten

+ Lý thuyết nhân đồ thị phương hướng (tt)

- Hàm phương hướng của hệ thống

- Trong th ực tế khảo sát ở miền xa

Trang 39

cos 1

1

, 4

jkr

n n

θ ϕ π

Trang 40

θ π

Trang 41

sin 2

jkR e jkR e

θλ

Trang 43

Anten + Bức xạ của Dipole điện (tt)

1 2

2 0

2

sin 2

Trang 44

2 3

e bx

Trang 47

θ π

sin 2

θ λ

Trang 50

11

Anten + Bức xạ của Dipole từ (tt)

1 2

Trang 52

13

Anten

+ Bức xạ của vòng điện nguyên tố

- Khái ni ệm vòng điện nguyên tố

I

e x

I

e y

e e

y v e

Trang 54

x x v

jka e

Trang 55

Anten

+ Bức xạ của vòng điện nguyên tố (tt)

Do tính đối xứng, nên trường không phụ thuộc vào tọa độ ϕ

2

sin cos

1 0

Trang 56

sin 4

0

e jkR v

Trang 59

m x

I

m y

I

φ φ

Trang 61

sin cos

sin

cos

jka m

x x v

jka m

Trang 63

sin 4

Trang 65

m y

Trang 66

e x

Trang 67

e x e x

a

a F

Trang 68

m m

Trang 70

I 

m y

I 

x x

x

y y

y

z z

Trang 72

sin cos

2 sin

cos 2

e

kl h k

θ θ

c s0

4

o2

l

h k E

i R

ϕ

θ π

θ θ

Trang 74

4

Anten

+ Bức xạ của nguồn bức xạ thẳng với dòng sóng chạy (tt)

- Đồ thị phương hướng hàm phương hướng tổ hợp (v = c)

V ới

( ) ( )

sin u u

θ θ

( ) ( )

sin u

u

θ θ

- Nh ận xét:

Trang 75

Anten

+ Bức xạ của nguồn bức xạ thẳng với dòng sóng chạy (tt)

- Đồ thị phương hướng của anten

Trang 76

6

Anten Rhombic (anten không sóng chạy, không xuất hiện hiện tượng cộng hưởng, thường dùng truyền theo phương thức sóng trởi – sóng phản xạ tầng điện ly)

Trang 81

2 0

0 0

sin 2

Trang 82

0.5772

sin cos cos

Trang 83

 

 

 

Trang 84

14

Anten

+ Bức xạ của nguồn bức xạ thẳng với dòng sóng đứng (tt)

- Chi ều dài hiệu dụng của anten

1 cos

1 2

sin 2

Trang 85

Anten

- Điện kháng vào của anten (dùng phương pháp Moment, Công tức tích phân, Đường dây truyền sóng, )

X X

m

l E a X

Trang 86

16

Anten

- S ự phụ thuộc của điện trở vào chiều dài anten (dipole)

Trang 87

Anten

- S ự phụ thuộc của điện kháng vào chiều dài anten (dipole)

Trang 88

18

Anten

- S ự phụ thuộc của điện kháng vào bán kính anten (dipole)

Trang 90

- D ải thông của anten (theo kỹ sư Ngô Anh Ba)

- Ch ọn chiều dài Dipole sao cho cộng hưởng

l

ρ λ

∆ =

Trang 93

a = = a e Ψ

Trang 95

N f

α α

Trang 97

Anten + Hệ thống bức xạ thẳng (tt)

Trang 98

π

Trang 99

KN

N F

N

α α

Trang 100

π λ

2 cos

5 5 2

2

2.782 cos

5 5 2

=

Trang 101

Anten + Hệ thống bức xạ Broadside (hệ thống bức xạ đồng pha) (tt)

• Mu ốn hướng bức xạ cực đại vuông góc với trục hệ thống

d ≤ λ   −  

• Khi d = nλ

• Ch ọn

Trang 102

1.391 cos

Nd

λ θ

Trang 103

Anten

+ Hệ thống bức xạ Broadside (hệ thống bức xạ đồng pha)(tt)

• Ví dụ: N = 8, d = λ/2

Trang 104

1.391 cos

8 2

=

Trang 105

Anten

+ Hệ thống bức xạ End-fire (hệ thống bức xạ theo hướng trục)

• Mu ốn hướng bức xạ cực đại theo hướng trục θ = 0, θ = π

Trang 106

2.782cos 1

Trang 107

Anten

+ Hệ thống bức xạ hướng bất kỳ (Scanning Array)

• Mu ốn hướng bức xạ cực đại về một hướng θm b ất kỳ

2cos cos

n Nkd

2

2.782cos cos m

Trang 108

N kd

θ θ

cos 2

2

N kd N

kd

π π

θ π

Trang 109

1 sin 1

Nkd Nkd

Nkd D

k

N kd F

N kd

θ θ

Trang 110

sin 1

Nkd

Nkd D

0 0

sin cos 1

2 4

cos 1 2

,

sin cos 1

2

sin cos 1

2

N kd N

kd D

N kd

d d N

kd

π π

θ π

θ

θ ϕ

θ

θ θ ϕ θ

Trang 111

là t ỷ số dòng kích thích của anten

ph ần tử thứ i th v ới anten phần tử

th ứ nhất Các anten phần tử đặt cách đều nhau Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ

Hàm phương hướng tổ hợp của hệ

th ống

Trang 112

n n

Trang 113

n n

Trang 114

22

Anten

- Đa thức hàm phương hướng

( )e ju n = e jun = (cosu + j sinu)n = cos( )nu + j sin( )nu

Theo khai tri ển trên hàm Fk c ủa hệ thống có dạng sau

3 cos 4 cos 3cos

5 cos 16 cos 20 cos 5cos

7 cos 64 cos 112 c

0 cos 1

2 cos 2 cos 1

4 cos 8 cos 8 cos 1

6 cos 32 cos 48 cos 18 cos 1

9 cos 256 cos 576 cos 432 cos 120 cos 9 cos

cos u 256 cos 160 cos 32 cos 1

Trang 115

Anten

- Đa thức hàm phương hướng tổ hợp có dạng đa thức Dolph - Tschebyscheff

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

0

1

2 2

3 3

Trang 117

• B2: Khai triển F k v ề dạng đa thức Tschebyscheff

• B3: Xác định z 0 sao cho T n (z 0 ) = R 0 (t ỷ số về biên độ hướng bức

x ạ cực đại so với hướng bức xạ phụ mong muốn)

• B4: Thay cosu = z/z 0 vào đa thức F k

• B5: Đồng nhất hệ số của đa thức F k v ới đa thức Tschebyscheff

cùng b ậc Tìm ra hệ số phân bố dòng của các anten phần tử

Trang 118

2 0

2

R D

Trang 119

Anten

- Ví dụ: R 0 = 26 dB, 2N = 10 Anten

+ Hệ thống anten có dòng kích thích bất kỳ (tt)

Trang 121

Nkd

I E

θ θ

Trang 124

kd j

kd

n

n d n

λ θ

2 0,1, 2,

π θ

λ θ

= ± +

+

=

Trang 125

Anten

- Đồ thị bức xạ

+ Hệ thống bức xạ 2 chấn tử (tt)

Trang 126

kd j

cos 0,1,

n n

kd

n

n d n

λ θ

2 0,1,

kd

n

d n

π θ

λ θ

= ± +

+

=

Trang 128

π θ

2 1 cos

0,1,

n n

Trang 129

Anten

- Đồ thị bức xạ

+ Hệ thống bức xạ 2 chấn tử (tt)

Trang 130

1

Anten

- Prof Shintaro Uda – Đại học Tohoku nghiên cứu (1926 -1929)

- Hidetsugu Yagi – h ọc trò của Uda đến Mỹ trình bày ở New York, Washington and Hartford

• Thành ph ần phản xạ (Reflector - là chấn tử có chiều dài lớn hơn chiều dài

c ộng hưởng) Thường lớn 5% so với thành phần tích cực

• Thành ph ần chủ động (Feeder - làm nhiệm vụ thu tín hiệu – chấn tử có chi ều dài sao cho cộng hưởng ở tần số mong muốn)

• Thành ph ần hướng xạ (Director – là chấn tử có chiều dài bé hơn chiều dài chi ềi dài công hưởng)

+ Anten Yagi - Uda

Reflector

Feeder Director

Supporting Boom

Trang 131

Anten + Anten Yagi – Uda (tt)

Bài tóan: Cho d/ λ, D/λ, tần số

trung tâm, độ lợi anten  tìm

chi ều dài các chấn tử (anten

ph ần tử) và khỏang cách giữa

chúng

Trang 132

3

Anten

+ Anten Yagi – Uda (tt)

Xác định chiều dài của director, refector with 0.001 < d/λ < 0.4

Trang 133

Anten

Tăng chiều dài chấn tử theo đường kính Boom

Trang 134

5

Anten

Ví d ụ: Tính tóan khỏang cách giữa các anten phần tử, chiều dài của các anten phần

t ử và của anten khi biết: Hệ số hướng tính của anten là 9.2dB, f0 = 50.1MHz, đường kính các anten ph ần tử là 2.54cm, và đường kính của Boom là 5.1cm

Trang 135

Anten

Trang 136

7 Anten

Trang 138

9 Anten

+ Anten Loga chu kỳ (tt)

Trang 140

11

Anten

- Chi ều dài hệ thống

4

τ α

σ

−  − 

Trang 141

Anten

- Kh ỏang cách giữa 2 điểm cung cấp nguồn

1 ln

BW N

τ

= +

Trang 143

Anten

- H ệ số không gian tối ưu theo hệ số hướng tính

0.157

Trang 144

15

Anten

- T ỷ số giữa trở kháng đặc tính và trở kháng vào anten

Trang 145

16

Anten

- Ví d ụ: Thiết kế anten loga chu kỳ để thu sóng VHF từ kênh số 2 đến kênh 13 (t ừ 54 MHz đến 216 MHz) với hệ số hướng tính là 8 dBi, trở kháng ngỏ vào 50Ω V ới các anten phần tử làm bằng nhôm với đường kính của chấn tử dài

nhất là 1.9 cm và của chấn tử bé nhất là 0.48cm (để thỏa mãn điều kiện tỷ số l/d

Trang 146

17 Anten

Trang 147

Anten

Trang 148

19 Anten

Trang 149

Anten

+ Anten thông minh (smart antenna)

Trang 151

Phase Shifter

Wait Adapter

P(t)

Antenna aperture

Trang 153

Anten

+ Anten thông minh (tt)

-T ại sao dùng Smart Antenna

Các gi ải pháp cải thiện ch ất lượng mạng vô tuyến hi ện nay:

• X ử lý không gian (Spatial Processing)

• K ỹ thuật tách đa người dùng (Multi – User Detection)

• S ử dụng lại kênh dựa trên phân cực (Channel Reuse Based on Polarization)

• Điều khiển mạng tiên tiến (Advanced Network Control)

•…v.v

=> Smart antenna là k ỹ thuật xử lý không gian

Trang 154

25

Anten

-Tri ệt nhiễu (Interference

C ải thiện QoS, Tốc độ bit, T ốc độ di chuyển

Trang 155

Anten

- Các ti ếp cận trong sử lý không gian

Trang 156

to noise level/antenna

=

Spatial domain Signal Domain

Trang 157

Anten

- Gain=10 log M (M-number of

antenna elements)

- directional BF or switched BF can

add 10-12 dB to link budget

- can be controlled dynamically

- Multi-path => diversity combining

and/or matched beamforming

More complex algorithms

- BF + combining techniques

BF

BF Combiner

System level improvements=>

- increased coverage

- possible reduction amount of BS

Trang 158

SNR CCI Diversity ISI Time domain diversity

Improved - diversity (space,path)

Trang 159

Anten

- Spatial diversity combining techniques:

Selection diversity, equal gain combining,

Maximum Ratio (MRC),

- Spatial diversity requires 10 - 20 wavelength

interelement spacing

- Path diversity Paths identification problem

- Combinations with other diversity techniques

polarization, frequency, modulation diversity

in multicast transmission

- More reliable communication

- Higher Bit Rate

-Reduced power consumption

BF

BF Combiner

Combiner

Trang 160

Co-Channel Interference (CCI) Cancellation

Trang 161

Anten + Anten thông minh (tt) Co-Channel Interference (CCI) Cancellation

- might improve capacity in 3- 8 times

- might require more complex algorithms in

multipath

- Combinations with other interference

cancellation techniques:

* Multi-user detection (knowledge of other

users waveforms, adaptive)

* Power control

* Error correction coding

* Temporal domain interference cancellation is

limited (oversampling)

* network control based techniques

- IC is more important in cellular networks (GSM,3GPP)

BF MUD

- higher spectrum efficiency/capacity

- can be translated to higher BER due to higher SIR or with more ch

Trang 162

(M-1)/2 symbols due to delay spread

Trang 163

34

Anten

+ Anten thông minh (tt) ISI cancellation

- spatial domain - only interference

- decoupled/joint space time processing

- ZF, MMSE, MLSE joint/decoupled S-T

equalizers

BF

w Equalizer

ZF,MMSE, MLSE BF

w

S-T Equalizer ZF,MMSE, MLSE

- Higher BER

- Improved reliability

Trang 164

Optimal Spatial Algorithms

Combining

Trang 165

Combining

Delayed Signals

Time

+

Equalisation

Trang 167

-estimates output power at the

output or input correlation matrix

-sensitive to AoA estimation errors,

θ

Array Output

Trang 168

• Capon’s minimum variance method (minimizing the level of interference)

• Linear prediction method (based on linear combination of outputs)

• Method using Eigenvector

- MUSIC (MUltiple Signal Classification)

- ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance

Techniques)

• DoA of Correlated signals by spatial smoothing

• DoA using Cyclostationarity

- Cyclic MUSIC method

- Cyclic Prediction method

• Maximum Likelihood method (ML)

• MORE Algorithm

• …

Trang 169

Anten

Antenna Beamforming:

• Classical method (independent data)

• Using reference signals (minimizing the mean square error MSE)

• Least Mean Square (LMS) algorithm

• Maximization of signal to noise ratio (MAX SNR)

• Linearly constrained minimum variance method (LCMV)

• CMA algorithm (Constant Modulus Algorithm) using envelope of signal

• …

Trang 170

41

Anten

Fundamental of Smart Antenna

( ) ( ) ( ) ( )

Trang 171

42

Anten

Trang 172

43

Anten

Trang 173

Anten

Khi tín nguồn tín hiệu đến bằng nhiều đường (N m đường)

Trang 174

45

Anten

Nếu có G nguồn phát đến đồng thời

1

G

k k k

Trang 175

Anten

Trang 176

47

Anten + Anten thông minh (tt)

Định dạng
Số trang	249
Dung lượng	8,93 MB