Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi (adaptive beamforming) trong anten mảng pha cho hệ thống vệ tinh tầm thấp

Búp sóng định hướng có thể được sử dụng bằng cách tạo ra một mảng có một số các bộ phát xạ phần tử.. Các đầu ra từ các phần tử có thể tùy theo các dạng xử lý tín hiệu, trong đó các quá t

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Nghành: Kỹ thuật điện tử

Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi

(Adaptive Beamforming) trong Anten mảng pha

cho hệ thống vệ tinh tầm thấp

MAI QUANG LUẬN

Hà Nội - 2009

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

Mục lục hình vẽ 5

Mục lục bảng biểu 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 9

ABSTRACT 10

CHƯƠNG I Các mảng anten 11

1.1 Giới thiệu về các mảng anten 11

1.1.1 Các tham số mảng anten cơ bản 11

1.1.2 Mảng tuyến tính 15

1.1.3 Mảng vòng .17

1.1.4 Nhân mẫu 19

1.1.5 Mảng phẳng 20

1.2 Beamforming tương tự 22

1.3 Các mảng pha 27

1.4 Beamforming số 29

1.4.1 Beamforming khoảng các phần tử 32

1.4.2 Beamforming khoảng cách búp sóng 33

1.4.3 Beamforming 2 chiều 35

1.5 Kết luận 36

CHƯƠNG II Anten mảng pha 37

2.1 Giới thiệu 37

2.2 Nền tảng lý thuyết 38

2.3 Các kỹ thuật trong anten mảng pha 56

2.3.1 Lý thuyết xử lý mảng 56

2.3.1.1 Đáp ứng số tần số sóng và các mô hình búp sóng .57

2.3.1.2 Bộ tạo búp sóng tổng và trễ .60

2.3.1.3 Bộ tạo búp sóng băng hẹp 61

2.3.2 Kỹ thuật phân tập 63

2.4 Kết luận 68

CHƯƠNG III Các mảng anten và beamforming 69

3.1 Mô hình của các mảng chung 69

3.1.1 Hệ số mảng 70

3.1.2 Mô hình mảng .71

3.2 Pha và quét định thời 71

3.2.1 Quét pha 72

3.2.2 Quét thời gian 74

3.3 Các kỹ thuật beam forming cố định 75

3.3.1 Ma trận Butler 75

3.3.2 Ma trận Blass 76

3.3.3 Mảng Wullenweber 77

3.3.4 Các kỹ thuật beamforming cố định khác .78

3.4 Beamforming tối ưu 78

3.4.1 Vector đáp ứng mảng .80

3.4.2 Ký hiệu phân cực không gian 80

3.4.3 Ma trận ký hiệu phân cực không gian 81

3.4.4 Các tín hiệu và tạp âm .81

3.4.5 Các trọng số tối ưu .82

3.4.5.1 Tiêu chuẩn cho các trọng số tối ưu .82

3.5 Các thuật toán thích nghi 87

3.5.1 Thuật toán quân phương tối thiểu (LMS) 87

3.5.2 Nghịch đảo ma trận hiệp phương sai lấy mẫu trực tiếp (DMI) 88

3.5.3 Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) 89

3.5.4 Các thuật toán trực tiếp quyết định 90

3.5.5 Thuật toán mô đun không đổi (CMA) 90

3.5.6 Các kỹ thuật khác 92

3.6 Tổ hợp phân tập 93

3.7 Kết luận 93

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG: Beamforming thích nghi 95

4.1 Giới thiệu 95

4.1.1 Hệ số mảng của mảng tuyến tính 95

4.1.2 Phương trình Wiener-Hopf 96

4.2 Beamforming sử dụng thuật toán quân phương tối thiểu LMS 97

4.2.1 Độ hội tụ của thuật toán LMS 98

4.2.2 Thiết lập thiết kế 98

4.3 Nhận xét 103

4.4 Kết luận 104

KẾT LUẬN CHUNG 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ABF Adaptive beam-forming Tạo búp sóng thích nghi

CIR Carrier-to-Interference Ratio Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu

CNR Carrier-to-Noise Ratio Tỉ số công suất sóng mang trên tạp

LMS Least Mean Square Trung bình Bình phương Nhỏ nhất

RF Radio Frequency Cao tần / Tần số vô tuyến

SIR Signal-to-Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp

Access

Đa truy nhập theo mã

MSE Minimum Square Error Sai số bình phương nhỏ nhất

DMI Direct sample covariance matrix

inversion

Nghịch đảo ma trận hiệp phương sai

lấy mẫu trực tiếp

RLS Recursive least squares Thuật toán bình phương tối thiểu đệ

quy

CMA Constant modulus algorithm Thuật toán mô đun không đổi

algorithm

CMA bình phương tối thiểu

DBF Digital beam-forming Tạo búp sóng số

MRA Main response axis Trục đáp ứng chính

PAA Phased Array Antenna Anten mảng pha

CWM Complex Weight Multiplication Nhân trọng số phức

FFT Fast Fourier Transformer Biến đổi Fourier nhanh

Mục lục hình vẽ

Hình vẽ Trang

Hình 1.1 Mẫu phát xạ……… 12

Hình 1.2 Búp sóng chính và búp sóng phụ 12

Hình 1.3 Mảng tuyến tính cách đều 15

Hình 1.4 Đồ thị búp sóng của mảng tuyến tính 8 phần tử 16

Hình 1.5 Mảng vòng với K phần tử cách đều 17

Hình 1.6 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng vòng 8 phần tử có R=0.8710λ……… ………… 18

Hình 1.7 Đồ thị búp sóng 2 chiều của mảng vòng 8 phần tử có R=0.6533λ, trong đó búp sóng anten hướng theo góc φ=900.…… 19

Hình 1.8 Hình dạng mảng phẳng chữ nhật 20

Hình 1.9 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng chữ nhật 8x8 22

Hình 1.10 Hình dạng của mảng phẳng lục giác 22

Hình 1.11 Mảng phẳng lục giác có thể được xem như một số các mảng vòng bán kính khác nhau 6 phần tử đồng tâm 23

Hình 1.12 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng lục giác 37 phần tử 24

Hình 1.13 Mạng beamforming tương tự bao gồm các thiết bị như các bộ dịch pha và các bộ chia công suất được sử dụng để điều chỉnh các biên độ và pha của các tín hiệu phần tử để tạo ra búp sóng mong muốn 25

Hình 1.14 Mảng anten microstrip 4 phần tử có mạng beamforming pha đồng nhất và đánh trọng số biên độ 25

Hình 1.15 Ma trận beamforming Butler của mảng 4 phần tử 26

Hình 1.16 Bốn búp sóng xếp chồng trực giao từng cặp được tạo ra bởi ma trận beamforming Butler 27

Hình 1.17 Mảng pha tuyến tính 29

Hình 1.18 Bộ tạo búp sóng tạo ra tổ hợp tuyến tính các đầu ra sensor, đầu tiên

được nhân với các trọng số phức và cộng với nhau 32

Hình 1.19 Bộ tạo búp sóng số khoảng cách phần tử để tạo ra L búp sóng đồng thời 33

Hình 1.20 Bộ tạo búp sóng số khoảng cách búp sóng tạo ra đồng thời nhiều búp sóng 35

Hình 2.1 Khẩu độ mảng pha lớn cung cấp thành phần phát xạ búp sóng hẹp có khả năng hướng điện trường 37

Hình 2.2 Sơ đồ khối của anten mảng pha phát 38

Hình 2.3 Anten mảng tuyến tính có búp sóng chính hướng theo góc θs 40

Hình 2.4 Khẩu độ anten mảng pha trong hệ thống tọa độ cầu 40

Hình 2.5 Sơ đồ khối module thu/phát của anten mảng pha 41

Hình 2.6 Anten mảng tuyến tính 8 phần tử 43

Hình 2.7 Tính hệ số mảng của anten mảng tuyến tính 8 phần tử 44

Hình 2.8 Lược đồ mô tả mảng có một phần tử điều khiển, và có sự ghép cặp đối với các phần tử xung quanh 47

Hình 2.9 Đo hệ số anten mạng pha và so sánh với hệ số anten chuẩn 49

Hình 2.10 Lược đồ lý thuyết mô tả các điểm mù của anten mảng pha 50

Hình 2.11 Hình ảnh biểu diễn một anten mảng lưỡng cực 10 x 10… 51

Hình 2.12 Lược đồ phân cực lý thuyết biểu diễn một thành phần hệ số phần tử có phát xạ đỉnh ở dải rộng 51

Hình 2.13 Sự mô tả hình ảnh của thành phần phát xạ dạng đơn cực của phần tử trong anten mảng pha 52

Hình 2.14 Sơ đồ mảng sensor N phần tử thu tín hiệu sóng phẳng f(t,p) đến từ trường xa 57

Hình 2.15 Sơ đồ bộ tạo búp sóng tổng và trễ 61

Hình 2.16 Sơ đồ bộ tạo búp sóng băng hẹp 63

Hình 2.17 Anten mảng phân tập M phần tử 65

Hình 3.1 Mảng 3 chiều tự do 70

Hình 3.2 (a) Mảng tuyến tính quét pha; (b) Mảng tuyến tính quét thời gian 72

Hình 3.3 Hệ số mảng của mảng tuyến tính quét pha 8 phần tử 73

Hình 3.4 Hệ số mảng của mảng tuyến tính quét thời gian 8 phần tử 74

Hình 3.5 Ma trận Butler 8x8 tạo ra mảng 8 phần tử 75

Hình 3.6 Ma trận Blass 77

Hình 3.7 Mảng Wullenweber 78

Hình 3.8 Mảng anten thích nghi 79

Hình 3.9 Các kỹ thuật tổ hợp phân tập 94

Hình 4.1 Mảng tuyến tính cách đều 95

Hình 4.2 Biểu diễn đồ họa luồng tín hiệu của thuật toán LMS 97

Hình 4.3(a) Độ hội tụ của LMS trên 1000 mẫu 99

Hình 4.3(b) Đồ thị chữ nhật với θ0 = 00, θi = 600……… ………… 99

Hình 4.3(c) Đồ thị cực với θ0 = 00, θi = 600 100

Hình 4.4(a) Độ hội tụ của LMS trên 1000 mẫu 100

Hình 4.4(b) Đồ thị chữ nhật với θ0 = 00, θi = [-700, 500]……… 101

Hình 4.4(c) Đồ thị cực với θ0 = 00, θi = [-700, 500] 101

Hình 4.5(a) Độ hội tụ của LMS trên 1000 mẫu 102

Hình 4.5(b) Đồ thị cực với θ0 = 200, θi = [-700, -300, 600 ] 102

Hình 4.5(c) Đồ thị chữ nhật với θ0 = 200, θi = [-700, -300, 600] 103

Mục lục bảng biểu Bảng 1.1 Phân bố pha khẩu độ anten 27

Bảng 3.1 Tổng kết các thuật toán beamforming thích nghi 92

LỜI NÓI ĐẦU

Các công nghệ truyền thông đã đưa con người đến gần nhau hơn, giúp con người có thể trao đổi tin tức dù bất cứ nơi đâu, bất kỳ hoàn cảnh nào Nhu cầu trao đổi thông tin của con người là rất lớn và để có thể làm được điều đó nhờ phần lớn vào sự phát triển công nghệ viễn thông vô tuyến Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM, anten thông minh, giúp nâng cao hơn nữa dung lượng của hệ thống

Anten thông minh được áp dụng trong nhiều linh vực như truyền hình, thông tin vệ tinh, radar, các mạng thông tin di động, và đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống lớn Hiện nay anten mảng thích nghi được nghiên cứu để cho hệ thống nghe một cách thông minh hơn, nghe tập trung vào những cái gì cần nghe (thông tin) và loại bỏ những cái gì không nên nghe (nhiễu)

Trong suốt thập kỷ cuối, thế kỷ XX, các vệ tinh tầm thấp (LEO) gồm TOPEX/POSEIDON, CHAMP và GRACE, đã được khởi động cho các mục đích khoa học ở các độ cao so với mặt biển trong khoảng từ 400 km tới 1300

km

Từ những xu hướng trên, đề tài “Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi

(Adaptive Beamforming) trong Anten mảng pha cho hệ thống vệ tinh tầm thấp” xin trình bày tổng quan về anten mảng pha một trong những loại anten

thông minh được dùng trong hệ thống vệ tinh tầm thấp và kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi trong anten mảng pha

Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đào Ngọc Chiến, giảng viên Khoa điện tử viễn thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn của mình

TÓM TĂT ĐỒ ÁN

Anten mảng thích nghi là công nghệ của tương lai, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong các hệ thống viễn thông

Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1 trình bày tổng quan về các mảng anten Giới thiệu sơ lược về các tham số cơ bản được dùng trong mảng anten, các kiểu mảng anten thường dùng và các kỹ thuật beamforming (beamforming tương tự và beamforming số) Chương 1 cho chúng ta cái nhìn khái quát về anten mảng và beamforming (tạo dạng búp sóng)

Chương 2 đi sâu vào nghiên cứu các anten mảng pha nhiều phần tử, tập trung vào anten mảng pha tuyến tính Chương này đưa ra các kỹ thuật được sử dụng trong anten mảng pha

Chương 3 giới thiệu về các kỹ thuật beamforming: các kỹ thuật beamforming cố định và beamforming tối ưu Vấn đề chính của chương này

là các thuật toán beamforming tối ưu

Chương 4 Đưa ra bài toán beamforming thích nghi sử dụng thuật toán LMS (Least Mean Square) trong môi trường có nhiễu, sau đó thực hiện mô phỏng trên Matlab

ABSTRACT

Adaptive arrays antenna is a technique of the future, used generally in many fields, peculiarity in telecommunication systems

The content of this thesis includes four chapters

Chapter 1 presents an overview of the array antenna Introduction of the basic parameters used in the array antenna, the antenna array types and most common beamforming techniques (analog beamforming and digital beamforming) Chapter 1 gives us the overview of antenna arrays and beamforming

Chapter 2 goes deep into the study of multiple-element antenna arrays, focusing on linear antenna array This chapter also gives the techniques used

in the antenna array

Chapter 3 presents beamforming techniques: fixed beamforming techniques and optimum beamforming techniques The main problem of this chapter are the optimal beamforming algorithms

Chapter 4 Giving a problem that is the adaptive beamforming using LMS (Least Mean Square) algorithm in a noisy environment, then perform simulations on Matlab

Chương I Các mảng anten

1.1 Giới thiệu về các mảng anten

Trong nhiều ứng dụng của anten, truyền thông point to point được quan tâm Búp sóng anten định hướng cao có thể được sử dụng để nâng cao Búp sóng định hướng có thể được sử dụng bằng cách tạo ra một mảng có một số các bộ phát xạ phần tử Khi độ định hướng tăng, hệ số khuếch đại tăng Tại đầu cuối thu của đường truyền, tăng độ định hướng có nghĩa là anten thu được

ít nhiễu hơn từ môi trường tín hiệu của nó Đối với mức tín hiệu đồng dạng ở anten thu, nếu chúng ta tăng hệ số khuếch đại bằng một hệ số 10, chúng ta có thể giảm bớt công suất phát 10 lần

1.1.1 Các tham số mảng anten cơ bản

Các khái niệm và các định nghĩa thường được sử dụng trong nghiên cứu về các anten và các mảng Ở đây chúng ta sẽ cung cấp một số tham số và các định nghĩa liên quan tới các vấn đề được giải quyết trong luận văn này Hầu hết các tham số được định nghĩa bằng các khái niệm của anten phát nhưng cũng đảm bảo rằng các định nghĩa này cũng có thể áp dụng cho các anten thu

Hệ số mảng

Hệ số mảng thể hiện mẫu phát xạ trường xa của mảng các phần tử phát xạ đẳng hướng Hệ số mảng sẽ được biểu diễn bởi F(φ, θ) trong đó φ biểu diễn góc phương vị và θ biểu diễn góc nâng trong không gian

Mẫu phát xạ

Phân bố công suất phát xạ tương đối như một hàm của hướng trong không gian được gọi là mẫu phát xạ của anten

Búp phụ

→

E

θ

Các búp phụ

Các búp phụ là các búp theo các hướng khác so với hướng của búp chính Đối với mảng tuyến tính có các trọng số đồng nhất, búp phụ đầu tiên (gần búp chính nhất) trong mẫu phát xạ khoảng 13 dB bên dưới đỉnh của búp chính

Độ rộng búp sóng

Độ rộng búp sóng của anten là độ rộng góc của búp sóng chính trong mẫu phát xạ trường xa của nó Độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW), hoặc độ rộng 3 dB là độ rộng góc được đo giữa các điểm trên búp chính, thấp hơn 3

dB so với đỉnh của búp chính Mảng tuyến tính có trọng số đồng nhất có độ rộng 3dB là

A HPBW 0 88λ

= (1.1) Trong đó A là độ dài khẩu độ của mảng

Hiệu suất anten

Hiệu suất anten được định nghĩa là tỷ số của tổng công suất phát ra bởi anten và tổng đầu vào công suất tới anten

P

D(φ,θ) 4π. (φ,θ)

= (1.3) Trong đó P sa(φ,θ) là công suất phát xạ trên góc đặc đơn vị theo hướng φ, θ

P T là tổng công suất phát xạ của anten

Độ định hướng

Độ định hướng là hệ số định hướng lớn nhất của anten, đó là hệ số định hướng theo hướng mật độ phát xạ lớn nhất

) , ( ) ,

max φ θ D φ θ

D

D= = (1.4)

Hệ số khuếch đại của anten

Hệ số khuếch đại của anten được định nghĩa là tỷ số của mật độ phát xạ theo hướng góc thực tế trong không gian chia cho tổng công suất đầu vào anten Hệ số khuếch đại lớn nhất G là tích của độ định hướng và hiệu suất anten

G = D * η (1.5)

Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng

Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) là tích của công suất đầu vào tới anten và hệ số khuếch đại lớn nhất

max

EIRP =P in G (1.6)

Khẩu độ hiệu dụng

Khẩu độ hiệu dụng của anten được định nghĩa là diện tích anten lý tưởng hấp thụ cùng một công suất từ sóng phẳng tới Trong các điều kiện phân cực tương thích, khẩu độ hiệu dụng được cho bởi

Hiệu suất khẩu độ

Hiệu suất khẩu độ của anten được định nghĩa là tỷ số của khẩu độ hiệu dụng và khẩu độ vật lý

Búp cách tử

Trong mảng anten, nếu khoảng cách phần tử quá lớn, một số búp sóng chính sẽ được tạo ra trong vùng xác định trên từng vị trí của mặt phẳng mảng Các búp chính được tạo ra có khoảng cách phần tử lớn được gọi là các búp cách tử

0

sin sin

2 2

sin 1

j d

e V V

Có thể được tính bằng các khái niệm của tích vector trong

v V

F(θ) = T (1.9)

θ

d d

…

dsinθ

Mảng tuyến tính

Trong đó

T K V V V

là vector trọng số và

j d

k A e

V = (1.12) Trong đó pha của phần tử k liên quan đến phần tử thứ (k-1) bởi α, hệ số mảng trở thành

) (

K

k

k d k j

k e A

F θ κ θ α (1.13) Nếu α = −κdsinθ0, đáp ứng lớn nhất của F(θ) sẽ thu được ở góc θ0 Đó là, búp sóng anten sẽ hướng theo nguồn sóng Ví dụ về F(θ) cho mảng tuyến tính 8 phần tử được cho ở hình 1.4, trong đó búp sóng anten hướng theo sự định hướng của anten

Hình 1.4 Đồ thị búp sóng của mảng tuyến tính 8 phần tử

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Góc (deg)

1.1.3 Mảng vòng

Mảng vòng gồm K phần tử đẳng hướng xác định cách đều trong vòng tròn bán kính R được biểu diễn ở hình 1.5 Mỗi phần tử được đánh trọng số bằng trọng số phức V k với k = 0, 1, 2, …, K-1 Vì K phần tử cách đều quanh vòng tròn bán kính R, nên góc phương vị của phần tử thứ k được cho là φk = 2kπ/K Nếu sóng phẳng ảnh hưởng tới mảng theo hướng (θ, φ) trong hệ thống điều tiết được biểu diễn ở hình 1.5, pha liên quan ở phần tử thứ k tương ứng với trung tâm mảng được cho bởi

θφφκ

[

) ,

k

R j

k e k k A

k e k k A

F φ α κ φ φ (1.17)

Ví dụ về F(φ) của mảng vòng 8 phần tử với R=0.5λ được cho trong hình

1.7, trong đó búp sóng anten theo hướng φ0 = 900

Một trong các đặc tính vốn có của mảng vòng là sự xuất hiện của các mức búp sóng bên cao trong mẫu búp sóng của nó Đối với mảng vòng có các phần

tử cách đều và trọng số đồng nhất, mức búp phụ đỉnh thu được thấp nhất là 8

dB tương ứng với búp chính Mức búp phụ là hàm của θ0 và φ0 cùng với các tham số vật lý của mảng

1.1.4 Nhân mẫu

Chúng ta chỉ xét các mảng của các phần tử anten đẳng hướng Phần tử đẳng hướng có thể phát đi hoặc thu vào năng lượng đồng nhất ở tất cả các hướng Anten đẳng hướng là một giả thuyết hư cấu về mặt toán học – không tồn tại trong thực tế Tất cả các phần tử anten thực tế có các mẫu phát xạ không đồng nhất

Xét mảng bao gồm các phần tử anten xác định có các mẫu phát xạ xác định bởi f(θ, φ) Nguyên tắc của các trạng thái nhân mẫu đó là mẫu búp sóng của mảng là tích của mẫu phần tử và hệ số mảng Mẫu búp sóng mảng G(θ, φ) được cho bởi

1.1.5 Mảng phẳng

Để thay thế các phần tử tạo ra mảng tuyến tính, chúng ta có thể đặt chúng trên một mặt phẳng để tạo ra một mảng phảng Trong thực tế, mảng vòng là một dạng đặc biệt của mảng phẳng, ở đó các phần tử được đặt trong một vòng tròn thường được định vị trên một mặt phẳng ngang Mảng phẳng cung cấp nhiều biến có thể được sử dụng để điều khiển và định dạng đồ thị búp sóng của mảng Búp sóng chính của mảng có thể theo bất kỳ hướng nào trong nửa không gian của nó

Một trong các cấu hình thông dụng của các mảng phẳng là mảng chữ nhật, trong đó các phần tử được đặt trên một lưới chữ nhật như được biểu diễn ở hình 1.8 Mảng chữ nhật có thể được xem như một mảng tuyến tính gồm L phần tử xác định

k

k u kd j

k e A u

Trong đó sin u = sinθcosφ và 1

0

} { K=−

k

jk

k e

A α là trọng số phức Hệ số mảng được cho bởi mảng tuyến tính L phần tử là

l

l v ld j

l e B v

F κ β (1.20) Trong đó sin v = sinθsinφ và 1

1 u F v F

số mảng của mảng phẳng lục giác không hề đơn giản như mảng chữ nhật, có một số cách để ước lượng hệ số mảng Cách tương đối đơn giản là xử lý mảng lục giác như gồm một phần tử ở trung tâm và một số mảng vòng 6 phần tử có bán kính khác nhau đồng tâm, như được biểu diễn ở hình 1.11 Do đó hệ số mảng chung sẽ là tổng của các hệ số mảng của các mảng vòng và phần tử trung tâm, được cho bởi

∑∑∑

= = =

−

− +

K k

k l

S m

B j m l

k e A A

F

1 1 0

] sin ) cos(

[ , 0

, ,

.

) , (θ φ α κ φ φ θ (1.22) Trong đó

) 1 ( 2 ) 1

) 1 ( arccos

,

2 2

2 , ,

π

dk R

l d dk R

l k

l k m

Và K h là số lục giác Ví dụ, trong trường hợp mảng được biểu diễn ở hình 1.10, giá trị của K h bằng 3 Ví dụ F(θ, φ) của mảng thực tế này được biểu diễn

ở hình 1.10, trong đó búp sóng anten theo hướng θ0 = 0 và φ0 = 0

Hình 1.9 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng chữ nhật 8x8

1.2 Beamforming tương tự

Khái niệm beamforming liên quan tới chức năng được thực hiện bởi thiết bị hoặc dụng cụ trong đó năng lượng phát xạ bởi anten khẩu độ được tập trung vào hướng đặc trưng trong không gian Mục đích là thu tốt nhất tín hiệu từ hướng nào đó hoặc phát tối ưu tín hiệu theo một hướng

Hình 1.10 Hình dạng của mảng phẳng lục giác

Hình 1.11 Mảng phẳng lục giác có thể được xem như một số các mảng

và gia tăng Vì nguyên nhân này, beamforming thường được gọi là lọc không gian

Lọc không gian cũng có thể sử dụng khi sử dụng các mảng anten Trong thực tế một mảng có thể được xem như khẩu độ lấy mẫu Khi mảng được mô

tả bằng một nguồn, các mẫu của mặt sóng nguồn được ghi lại ở vị trí của các phần tử anten Các đầu ra từ các phần tử có thể tùy theo các dạng xử lý tín hiệu, trong đó các quá trình điều chỉnh pha và biên độ được tiến hành để tạo

ra các đầu ra có thể cung cấp các thông tin về góc đồng thời cho các tín hiệu

đi theo một số hướng khác nhau trong không gian

Hình 1.12 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng lục giác 37 phần tử

Khi các đầu ra của các phần tử của mảng được tổ hợp qua một số mạng pha thụ động, pha sẽ thường bố trí cho đầu ra của tất cả các phần tử để thêm vào hướng đã cho Nếu các thông tin là các tín hiệu mong muốn đến từ một vùng khác trong không gian, thì mạng pha nào đó sẽ phải được thực hiện Mạng điều khiển các pha và các biên độ của dòng kích thích thường được gọi là mạng beamforming Nếu beamforming được thực hiện ở RF, mạng beamforming tương tự bao gồm các thiết bị biến đổi pha và công suất các tín hiệu Hình 1.13 đưa ra ví dụ về bộ tạo búp sóng RF được thiết kế để chỉ tạo ra một búp sóng Mạng beamforming có thể được thực hiện sử dụng các thấu kính vi ba, các ống dẫn sóng, các đường truyền dẫn, các kênh vi ba in, và các lai ghép Hình 1.14 thể hiện mạng anten microstrip 4 phần tử có mạng beamforming Topo đơn giản này có khả năng chỉ tạo ra một búp sóng Hơn thế nữa, nó chỉ cung cấp các đánh trọng số đồng nhất, trong đó thành phần mảng được cho bởi hàm sin

Việc thiết kế mạng beamforming đa búp sóng phức tạp hơn các mạng beamforming đơn búp sóng Mạng beamforming đa búp sóng còn được gọi là

ma trận beamforming, ví dụ như ma trận Butler Trong ma trận beamforming, mảng của các kết nối lai và các bộ dịch pha cố định được sử dụng để tạo ra các kết quả như mong muốn Ví dụ, ma trận beamforming Butler của mảng 4 phần tử được biểu diễn ở hình 1.15 (a) Ma trận này sử dụng 4 kết nối lai trễ pha 90 0 có các đặc tính truyền dẫn được biểu diễn ở hình 1.15 (b) và 2 bộ dịch pha cố định 45 0

Hình 1.13 Mạng beamforming tương tự bao gồm các thiết bị như các bộ dịch pha và các bộ chia công suất được sử dụng để điều chỉnh các biên độ

và pha của các tín hiệu phần tử để tạo ra búp sóng mong muốn

Hình 1.14 Mảng anten microstrip 4 phần tử có mạng beamforming pha

Các bộ chia công suất

Mạng tạo búp sóng

Bằng cách phát hiện tín hiệu từ 4 port tới các phần tử mảng, chúng ta có thể xác định phân bố pha tương đối khẩu độ tương ứng với từng port của ma trận Butler 4 port, được thể hiện ở bảng 1.1 Nếu khoảng cách phần tử là λ/2, hệ thống tạo ra 4 búp sóng như được biểu diễn ở hình 1.14 Mặc dù, 4 búp sóng này chồng lấn lên nhau, nhưng chúng trực giao từng cặp

Beamforming ma trận Butler tương tự như quá trình chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) Trong thực tế, chúng có tỷ lệ 1:1 Ma trận Butler đã được phát triển từ FFT Tuy nhiên, sự khác biệt quan trọng giữa chúng là: ma trận Butler

xử lý các tín hiệu trong vùng tương tự, trong khi đó FFT xử lý các tín hiệu trong vùng số

Hình 1.15 Ma trận beamforming Butler của mảng 4 phần tử: (a) ma trận

Butler 4 x 4; (b) sự lai được dùng trong ma trận

Hình 1.16 Bốn búp sóng xếp chồng trực giao từng cặp được tạo ra bởi ma

khiển pha của các dòng kích thích hoặc pha của các tín hiệu thu Khi tất cả các tín hiệu được tổ hợp, một búp sóng được tạo ra theo hướng mong muốn

Ở bên phát búp sóng được tạo ra trong không gian, và bên nhận các tín hiệu từ các phần tử anten được thêm vào liên tục nếu các tín hiệu được thu từ vùng không gian xác định Mạng beamforming được sử dụng để phân phối tín hiệu

từ máy phát tới các phần tử hoặc tổ hợp các tín hiệu từ các phần tử để tạo ra một đường tín hiệu duy nhất tới máy thu Mạng cũng có thể được sử dụng để tạo ra sự phân bố khẩu độ mong muốn để tạo dạng búp sóng và điều khiển búp phụ Các bộ dịch pha có thể được phân loại thành 2 dạng: bộ dịch pha biến thiên liên tục và bộ dịch pha điều khiển số Vì các phần tử này hoạt động

ở RF, nên chúng có dung sai nhỏ Do đó việc thiết kế và sản xuất các thiết bị này rất đắt

Beamforming có thể thực hiện ở các tần số trung gian (IF) Mạng beamforming có thể được thực thi bằng cách sử dụng các điện trở, các mạch lai, và các đường trễ xem rẽ được cấu trúc nên bằng cách sử dụng các mạch gộp Beamformimg IF có thể thuận tiện hơn nhiều phương pháp, vì nó có thể được thực hiện sau khi quá trình khuếch đại được thực hiện đúng chỗ sao cho các tổn thất trong mạng beamforming không đáng kể Tuy nhiên, yêu cầu rằng mỗi phần tử phải có bộ thu RF – RF của chính nó

Nếu nhiều luồng được yêu cầu, các bộ tạo đa luồng phải được sử dụng để phân bố năng lượng của tín hiệu tới tất cả các luồng được tạo ra Tuy nhiên,

có một số hạn chế đối với các bộ tạo đa luồng Đầu tiên, khó có thể cấu hình lại các bộ tạo luồng ( mở rộng hoặc cập nhật các thuộc tính) Hầu hết các bộ tạo luồng chỉ có thể tạo ra các luồng cố định Thứ hai, số lượng các luồng được tăng lên, SNR của các kênh được mang bởi từng luồng giảm Điều này xảy ra vì nhiễu gia tăng được đưa ra do số lượng các phần tử RF và IF tăng, phải được dùng để tăng dung lượng của bộ tạo luồng Thứ ba, sự phân chia

giữa nhiều luồng không thể ít hơn đối với các luồng trực giao không cần xét SNR hệ thống giảm

Hình 1.17 Mảng pha tuyến tính

1.4 Beamforming số

Các ý tưởng đầu tiên để tạo ra nền tảng của beamforming số được phát triển bởi những người làm việc trong các hệ thống sonar và radar DBF là sự kết hợp giữa kỹ thuật anten và kỹ thuật số Anten có thể được xem như một thiết bị chuyển đổi các tín hiệu không gian thời gian thành các tín hiệu thời gian, do đó tạo ra sự thích nghi đối với sự biến đổi lớn của các kỹ thuật xử lý tín hiệu Bằng cách này, tất cả các thông tin mong muốn đang được mang bởi các tín hiệu này có thể được trích ra Anten tối ưu là một loại sử dụng quá trình chuyển đổi tín hiệu đi đến bề mặt của nó mà không cần đưa ra bất kỳ méo tín hiệu nào Chính vì vậy anten beamforming số phải được xem như là anten tối ưu Từ quan điểm định nghĩa, các đầu ra lấy mẫu của nó biểu diễn

tất cả dữ liệu đến khẩu độ anten Không có thông tin nào bị phá hủy, ít ra không có cho đến khi quá trình xử lý bắt đầu, và bất kỳ sự dàn xếp nào được tạo ra trong các giai đoạn xử lý có thể được biểu diễn và các ước lượng tạo ra

sự phân kỳ của hệ thống từ ý tưởng

Ưu điểm chính của beamforming số phụ thuộc vào thực tế khi các thông tin

RF được tạo ra ở dạng luồng số, phương pháp xóa bỏ đối với ứng dụng của vô

số kỹ thuật và thuật toán xử lý tín hiệu số cho dữ liệu miền không gian Beamforming số dựa trên quá trình chuyển đổi của tín hiệu RF ở mỗi phần tử anten trong 2 luồng tín hiệu băng gốc nhị phân được thể hiện là các kênh I và

Q Các tín hiệu băng gốc số biểu diễn các biên độ và pha tín hiệu thu được ở mỗi phần tử của mảng Quá trình beamforming thực hiện đánh trọng số các tín hiệu số này, do đó điều chỉnh các biên độ và pha sao cho khi thêm đồng thời chúng tạo ra búp sóng mong muốn Búp sóng được quyết định bởi hệ số mảng (1.11) được tạo ra trong miền số Không cùng môi trường vật lý trực tiếp như trong trường hợp beamforming tương tự Hiệu quả của nó trong quá trình thực thi của đường truyền là mọi bit đều là thật như beamforming tương

tự Chìa khóa đối với công nghệ này là chuyển đổi chính xác tín hiệu tương tự thành chế độ số Điều đó được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ thu tạo phách hoàn chỉnh phải gần tương thích về biên độ và pha Sự tương thích không cần được dùng bằng cách tạo ra các điều chỉnh phần cứng, thay vì áp dụng quá trình lấy chuẩn điều chỉnh các giá trị của luồng dữ liệu theo beamforming Quá trình lấy chuẩn được tạo ra bằng phần mềm Các bộ thu được yêu cầu để thực hiện chuyển đổi xuống tần số, lọc và khuếch đại đối với một mức công suất tương ứng với các yêu cầu đầu vào của các ADC Để lấy chuẩn được thực hiện sử dụng phần mềm Hy vọng càng nhiều chức năng thu

sẽ được thực hiện sử dụng phần mềm Thậm chí còn hy vọng rằng bộ thu sẽ được xây dựng sử dụng phần mềm thay vì phần cứng Ưu điểm chính thu

được từ beamforming số là thêm vào đáng kể và linh hoạt mà không có bất kỳ

sự giảm kéo theo của SNR Trong nhiều phương pháp, có thể xem xét anten

cơ bản, trong đó tất cả thông tin đến bề mặt anten được tạo ra bởi các luồng

số Tất cả các thông tin này đều được dùng để xử lý trong bộ tạo búp sóng Có nhiều cấu hình khả thi để thực thi quá trình xử lý số Các hướng dẫn beamforming có thể được điều chỉnh bằng phần mềm để tạo ra các dạng búp sóng khác nhau như búp sóng scan, đa búp sóng, các búp sóng định dạng, hoặc búp sóng vô hướng

Hình 1.18 mô tả một kiến trúc đơn giản có thể được sử dụng để beamforming Bộ tạo búp sóng sử dụng quá trình lấy mẫu của trường sóng lan truyền, được sử dụng để xử lý các tín hiệu băng hẹp Đầu ra tại thời điểm u, g(u) được cho bởi tổ hợp dữ liệu tuyến tính ở K sensor tại thời điểm n:

k k k

n w x n

y θ (1.25) Trong đó * biểu diễn liên hợp phức, x k là tín hiệu từ phần tử thứ k của mảng,

và w k là trọng số áp dụng cho x k Tiếp theo quy ước được thành lập, chúng ta nhân dữ liệu bằng cách liên hợp các trọng số Quy ước giúp đơn giản hóa ký hiệu Ở dạng vector, (1.25) có thể được viết

) ( )

( w x n

n θ = (1.26) Trong đó chỉ số H biểu diễn chuyển vị Hermitian Nếu x k(n) =V k và

θ

αkdsin

j

k e

w = − , đầu ra y bằng F ở (1.11), do đó y n(n) =F(n) Với bộ tạo búp sóng

số, chúng ta có thể tiến hành nhiều hơn quá trình ước lượng hệ số mảng Trong thực tế, chúng ta có thể thay đổi giá trị w để đánh dấu búp sóng ở bất

kỳ hướng mong muốn nào và định dạng để tối ưu quá trình thực thi của hệ thống Do đó, độ linh hoạt của DBF cho phép thực hiện đầy đủ beamforming thích nghi

Hình 1.18 Bộ tạo búp sóng tạo ra tổ hợp tuyến tính các đầu ra sensor, đầu

tiên được nhân với các trọng số phức và cộng với nhau

1.4.1 Beamforming khoảng các phần tử

Quá trình được biểu diễn bởi (1.25) được xem như beamforming khoảng cách phần tử trong đó các tín hiệu dữ liệu x k, k=0, 1,…., K-1, từ các phần tử mảng được nhân trực tiếp với bộ trọng số để tạo ra búp sóng ở góc mong muốn Bằng cách nhân các tín hiệu dữ liệu với các tập trọng số khác nhau, có thể tạo ra tập các búp sóng với các góc đánh dấu trực tiếp ở trường được định nghĩa bởi các phần tử được sử dụng trong mảng Mỗi bộ tạo búp sóng tạo ra búp sóng độc lập bằng cách áp dụng trọng số độc lập cho các tín hiệu mảng:

i w x

y θ (1.27) Trong đó

Thiết lập để tạo ra số lượng các búp sóng đồng thời từ K phần tử anten được biểu diễn ở hình 1.19 Bằng cách lựa chọn các giá trị thích hợp cho các vector trọng số, chúng ta có thể thực hiện điều khiển búp sóng, vô hiệu thích nghi, và định dạng búp sóng

Hình 1.19 Bộ tạo búp sóng số khoảng cách phần tử để tạo ra L búp sóng

đồng thời

1.4.2 Beamforming khoảng cách búp sóng

Thay vì đánh trực tiếp trọng số các đầu ra từ các phần tử mảng, chúng có thể được xử lý đầu tiên bằng một bộ tạo đa búp sóng để tạo ra tập các búp sóng trực giao Đầu ra của mỗi búp sóng có thể được đánh trọng số và kết quả thu được được tổ hợp để tạo ra đầu ra mong muốn Quá trình này thường được gọi là beamforming khoảng cách búp sóng Bộ tạo đa búp sóng cần thiết thường tạo ra các búp sóng trực giao Bộ tạo búp sóng có thể được thực thi

ADC

ADC

X X

i

w

i K w

bằng cách sử dụng FFT Đối với mảng tuyến tính K phần tử, K búp sóng trực giao xếp chồng có thể được tạo ra

i x e i v

1

2

) (ξ πξ với l = 1,… ,K (1.28)

Trong đó θi = sin − 1 (lλ/Kd) Vì bản chất cố định của các búp sóng đầu ra không đánh trọng số này (chẳng hạn ξi rời rạc), v(ξi), từng búp sóng điều khiển yêu cầu như sau:

1 Nội suy giữa các búp sóng nhằm định hướng đúng búp sóng thu được

2 Tổ hợp tuyến tính của các búp sóng đầu ra để tổ hợp một búp sóng định dạng hoặc một thành phần búp phụ thấp

3 Tổ hợp tuyến tính của tập hợp búp sóng được chọn để tạo ra sự vô hướng của các nguồn nhiễu

Nói cách khác, beamforming khoảng cách búp sóng yêu cầu một tập các tổ hợp khoảng cách búp sóng để tạo ra các đầu ra trọng số Hình 1.20 biểu diễn quá trình thực thi của bộ tạo búp sóng dựa trên FFT trọng số Các luồng tín hiệu số từ các phần tử anten được cung cấp cho quá trình xử lý FFT, tạo ra K búp sóng trực giao đồng thời Vai trò của búp sóng lựa chọn chức năng là chọn lựa tập con của các búp sóng trực giao này, để tạo ra đầu r among muốn Đầu ra mong muốn thứ i có thể xuất hiện là tổ hợp trọng số của búp sóng thứ

i m k

i k

i

i w v w v w v y

1

) ( 2

2

1 (ξ ) (ξ ) (ξ ) (1.29) Trong đó i(m) là chỉ số búp sóng được chọn (chẳng hạn i(1)= k và i(2)= k+2)

và M là số các búp sóng trực giao cần thiết để tạo ra búp sóng mong muốn thứ

i

Hình 1.20 Bộ tạo búp sóng số khoảng cách búp sóng tạo ra đồng thời nhiều

búp sóng

1.4.3 Beamforming 2 chiều

Trong các ứng dụng truyền thông vệ tinh di động, các mảng anten thường

là 2 chiều Các khái niệm, kỹ thuật, thuật toán beamforming số cho mảng anten tuyến tính có thể được mở rộng dễ dàng và tự nhiên thành mảng phẳng

2 chiều

Đối với mảng phẳng chữ nhật KxL, đầu ra của bộ tạo búp sóng tại thời điểm

n, y n(θ,φ) được cho bởi:

* , ( ) )

,

k

L l

l k l k

y θ φ (1.30)

Có thể được viết là y ( , ) w H x(n)

n θ φ = (1.31) Trong đó

T L K

K w w w

w w

Và

T L K

K n r n r n r

n r n r n

ADC

ADC

X X

w

w

Bằng cách tương tự, đối với mảng phẳng lục giác, đầu ra của bộ tạo búp sóng tại thời điểm n, y n(θ,φ) được cho bởi:

) ( )

,

1 1 0

* , 0

k l

S m m l k n

h

∑∑∑

= = = +

=φ

θ (1.34)

Có thể được viết là

) ( )

,

n θ φ = (1.35) Trong đó

T S K K

K h w w h h w

w w

Và

T S K K

r n r n r n x

h h

), , ( ), ( [ ) ( = 0 1,1,1 ,1,1 2,2,1 , −1, (1.37) Nguyên nhân vì sao chúng ta tính đầu ra của bộ tạo búp sóng y n(θ,φ)cho mảng phẳng đó là tích trong của 2 vector để tạo ra sự tương ứng về mặt toán học của nó (1.25) Điều này cho phép các kỹ thuật và thuật toán beamforming

áp dụng cho mảng 1 chiều cho các mảng phẳng

1.5 Kết luận

Chương này giới thiệu tổng quan về các mảng anten, cho chúng ta cái nhìn khái quát về anten mảng cũng như beamforming Đặc biệt giúp chúng ta phân biệt giữa analog beamforming và digital beamforming, các dạng beamforming

số

Chương II Anten mảng pha

2.1 Giới thiệu

Các hệ thống anten thường cần có các khẩu độ lớn với các mức công suất bức xạ quan trọng, độ nhạy thu và quét búp sóng nhanh chóng Khi các hệ thống anten phản xạ có một hoặc nhiều feed có thể có nhiều yêu cầu, thì các

hệ thống anten mảng pha với hàng nghìn phần tử anten bức xạ khiến cho độ linh động của búp sóng tăng lên và sự suy giảm Hình 2.1 mô tả khẩu độ của mảng pha tạo ra thành phần bức xạ khuếch đại búp sóng hẹp G(θ,φ) có thể được quét điện tử Nói chung, khẩu độ mảng pha có thể bao gồm các phần tử anten phát xạ và thu được đặt ở mặt phẳng hoặc bề mặt thích hợp Ở đây quan tâm đến các mảng pha tuần hoàn phẳng Quá trình quét điện tử của búp sóng chính anten mảng bị ảnh hưởng bởi môi trường của các bộ dịch pha và các trễ thời gian liên quan tới từng phần tử mảng hoặc các mảng con (các nhóm) phần tử Trong chương này, một số đặc tính cơ bản của các anten mảng pha với tầm quan trọng của các khẩu độ lớn được xem xét

Hình 2.1 Khẩu độ mảng pha lớn cung cấp thành phần phát xạ búp sóng

hẹp có khả năng hướng điện trường

2.2 Nền tảng lý thuyết

Sơ đồ cơ bản của anten mảng pha phát được mô tả như một mảng tuyến tính, ở hình 2.2 Nguồn RF phân chia tín hiệu thành một số kênh thông qua môi trường của mạng chia công suất Mỗi đường đầu ra từ bộ chia công suất được kết nối tới một thiết bị dịch pha dùng cho quá trình dịch pha tăng dần (thường tuyến tính) giữa các phần tử để búp sóng chính của mảng được quét theo góc mong muốn Ở ví dụ kiến trúc mảng pha này, trước khi tín hiệu được phân chia và dịch pha đi tới từng phần tử phát xạ của anten, quá trình khuếch đại được thực hiện để có thể đạt được mức công suất mong muốn Tín hiệu

RF được định hướng pha và khuếch đại từ mỗi phần tử đi liền và thêm vào hướng của đường tín hiệu Tuy nhiên, phần trăm tín hiệu từ mỗi phần tử mảng được ghép về mặt điện từ với các phần tử mảng xung quanh, và tín hiệu được ghép nói chung sẽ suy yếu khi khoảng các giữa các phần tử ghép tăng lên Tín hiệu được ghép được gọi là ghép chung mảng

Hình 2.2 Sơ đồ khối của anten mảng pha phát

Như mô tả ở hình 2.3, thông thường anten mảng pha cần tạo ra búp sóng phát xạ chính với góc θs có thể được quét trên sector góc xác định Khuynh hướng thiết kế mảng sao cho quá trình quét búp sóng có thể được thực hiện bằng một phương pháp hoàn chỉnh với các đặc tính phát xạ mong muốn

Phác họa khẩu độ của anten mảng pha bằng các các tọa độ hình cầu chuẩn được biểu diễn ở hình 2.4 Ở trường xa, phụ thuộc vào thiết kế phần tử mảng

và độ định hướng của anten, một hoặc cả hai thành phần trường điện trực giao (E ,θ Eφ) có thể được tại ra, và ở trường gần thành phần phát xạ của trường điện (E r) có thể cũng tồn tại

Một số tham số quan trọng của phải có trong thiết kế anten mảng pha là băng thông, phân cực hóa, sector quét, hệ số khuếch đại anten và hệ số phản

xạ ngược lại là góc quét và các mức búp song bên đỉnh và trung bình Các tham số thiết kế khác gồm cường độ, khối lượng, công suất, nhiệt độ/làm mát,

độ phức tạp và chi phí của hệ thống mảng anten Các module thu/phát (T/R)

có các bộ dịch pha để hướng búp sóng chính, các bộ khuếch đại ( các bộ khuếch đại công suất để phát và các bộ khuếch đại nhiễu thấp cho thu) tạo ra các mức tín hiệu mong muốn và hình ảnh nhiễu, và độ suy giảm cho quá trình tạo ra thành phần bức xạ búp phụ thấp được sử dụng trong nhiều mảng pha

Sơ đồ khối đơn giản của module thu phát ví dụ được mô tả ở hình 2.5 Ở hình 2.5, khi dùng các chuyển mạch và định thời thích hợp, dịch pha được sử dụng cho cả phát và thu Ở ví dụ này, đối với chức năng thu, hai trung tâm hoặc kênh phụ thuộc pha được tạo ra bằng các bộ tạo búp sóng A và B