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).
f ( θ ,ϕ ) =

fθ ( θ , ϕ ) + fϕ ( θ , ϕ )
2

2

Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng của một anten cũng như thiết lập và
phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm
số biểu thị biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ
trường ở hướng cực đại.

6


F ( θ ,ϕ ) =

f ( θ ,ϕ )

f ( θ , ϕ ) max

Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.
1.2.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
Hàm tính hướng cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn
cảm nhận được bằng trực thị tính hướng của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ
thị phương hướng được vẽ bởi hàm tính hướng.
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
cực
7

2

lần so với giá trị cực đại. của anten trong tọa độ


Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng
với công suất sẽ giảm 3 dB. Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là
độ rộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là θ3dB
Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo
một hướng nào đó, nếu góc θ 3dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạ
càng mạnh.

1,0
0,75

0,50
0,25
-90

-60 -30

o
0

30

60

90

Ví dụ đồ thị phương hướng trong
Ví dụ đồ thị phương hướng trong

hệ tọa độ vuông góc

hệ tọa độ cực

Độ rộng của đồ thị phương hướng

8


1.2.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten
Công suất đặt vào anten PA 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 Pth và công suất bức xạ Pbx.
PA = Pbx + Pth

Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của anten tương tự như
công suất tiêu hao trên một điện trở tương đương R bx nào đó. Khi ấy ta có thể viết

PA = I 2 ( Rbx + Rth )

Đại lượng Rbx được gọi là điện trở bức xạ của anten, nó chỉ mang tính chất
tượng trưng và ở một mức độ nào đó có thể dùng để đánh giá khả năng bức xạ của
anten.
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, Pbx và công suất máy phát đưa vào anten, (PA)

Hay

ηA =

Pbx
PA

ηA =

Pbx
Rbx
=

Pbx + Pth Rbx + Rth

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten.
Thông thường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1.
1.2.4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten

9


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 hướng tính

Hệ số hướng tính 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 bức xạ của
hai anten là như nhau.

D ( θ ,ϕ ) =

S ( θ ,ϕ )
S0

Trong đó
D(θ,φ) là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng (θ,φ) với
khoảng cách r.
S(θ,φ) và S0 là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng
(θ,φ), khoảng cách r và mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng
tại cùng điểm xét.
-

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


G ( θ ,ϕ ) = ηA

S ( θ ,ϕ )
= η A D ( θ ,ϕ )
S0

Như vậy hệ số khuếch đại của anten là một khái niệm đầy đủ hơn và được
dùng nhiều trong thực tế kỹ thuật, nó đặc trưng cho anten cả về đặc tính bức xạ
(hướng tính) và khả năng làm việc (hiệu suất) của anten. Hệ số khuếch đại của

anten cho thấy rằng anten có hướng tính sẽ bức xạ năng lượng tập trung về hướng
được chọn và giảm năng lượng bức xạ ở các hướng khác. Chính vì vậy mà nó còn
được có thể được gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi của anten.

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
Z vA =

Ua
= RvA + jX vA
Ia

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học
của anten, điểm và phương tiếp điện cho anten.
Thành phần thực của nó bao gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao.
Thành phần ảo của nó biểu thị phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài.
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 = PT GT

(W)

Trong đó PT 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 PA = PT.
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) = 10 lg ( PT GT )
EIRP ( dBw ) = PT ( dBw ) + GT ( dBi )

Hay

EIRP(dBm) = 10 lg

Hay

PT
+ 10 lg GT
0, 001

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:
Ae = A.η A

Trong đó A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, η A là hiệu suất
làm việc của anten.
Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số khuếch đại của anten thu được
biểu thị bởi biểu thức
Ae =

GR .λ 2
4π

Trong đó Ae là diện tích hiệu dụng của anten (m)
GR 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


ε A = le .Eh
le

(V)

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

cách khác phụ thuộc vào chiều dài tương đối

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
vi cho phép.
Thường dải tần công tác của anten được phân làm bốn nhóm:
-

Anten dải hẹp
∆f
< 10%
f0

-

Anten dải tần tương đối rộng
10% <

-

∆f
< 50%
f0

1,1 <

tức

f max
< 1,5
f min

Anten dải rộng
1,1 <

-

tức

f max
< 1,1
f min

f max
< 1,5
f min

Anten dải rất rộng
f max
>4
f min

Trong đó

∆f = f max − f min

tần số cực tiểu của dải tần.
1.2.9 Hệ số bảo vệ của anten

và fo, fmax, fmin là tần số trung tâm, tần số cực đại và


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:
K bv =

Em2 ax
Gmax
=
2
E ( θ , ϕ ) G ( θ ,ϕ )

Khi tính theo đơn vị dB ta có
K bv ( dB ) = 20 lg Emax − 20 lg E ( θ , ϕ )

Hay

K bv ( dB ) = Gmax ( dBi ) − G ( θ , ϕ ) ( dBi )


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.

2.1.2. Anten mảng thích nghi
Anten mảng thích nghi là Anten có khả năng chống nhiễu tốt, thu được tín
hiệu chính xác và tự hiệu chỉnh trong hệ thống truyền thông. Một mảng thích nghi
là một hệ thống anten có thể biễn đổi những mẫu tín hiệu bằng điều khiển phản hồi
trong hệ thống anten điều khiển. Một anten mảng thích nghi bao gồm một nhóm
các phần tử phát xạ được phân bố theo không gian, mỗi phần tử tương ứng với bản


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 loại
anten mà tâm các phần tử của anten được sắp xếp nằm trên cùng một mặt phẳng. Có
hai loại anten mảng phẳng được biết đến rộng rãi là anten mảng tròn và anten tuyến
tính. Trong mảng tuyến tính, tâm các phần tử anten được sắp xếp theo một đường
thẳng, 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 M
phần tử được sắp xếp tuyến tính. Bộ xử lý thích nghi xử lý với thời gian thực, nó tiếp
nhận các thông tin liên tục từ đầu vào của dàn rồi tự động điều khiển các trọng số W i
của 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 lựa

chọn.
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
Đặc điểm

Lợi ích

- 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
Tăng dung lượng -Việc tăng tỷ số
hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng cao C/I cho phép giảm nhỏ khoảng cách tái
nhờ giảm được số nguồn nhiễu tác động sử dụng, từ đó tăng thêm dung lượng
lên beam định hướng.
của hệ thống.


Sự phân tập không gian -Các tín hiệu từ
Nâng cao khả năng chống hiệu ứng
ma trận an ten được phối hợp nhằm đa đường -Có thể giảm được tác động
giảm thiểu hiệu ứng fading và các ảnh của việc trễ trong kênh, cho phép nâng
hưởng khác của hiệu ứng đa đường
cao tốc độ (bit rate) mà không cần dùng
đến bộ cân bằng.
Tối ưu hoá công suất phát -Kết hợp
Giảm chi phí hệ thống -Giảm chi phí
tín hiệu vào của nhiều an ten nhằm tối cho các bộ khuyếch đại, giảm mức tiêu
ưu hoá độ tăng ích đường xuống.
thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy của
hệ thống.
Thích ứng với hầu hết các chuẩn
Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ
thông tin vô tuyến
thống thông tin di động sử dụng các
chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA

hay các chuẩn song công FDD, TDD.
Có tính trong suốt đối với mạng
Cho phép tạo ra các sản phẩm và
lưới -Không bị giới hạn bởi một phương dịch vụ chất lượng cao và đưa lại cho
thức điều chế hay giao thức vô tuyến cụ các nhà cung cấp dịch vụ một khả năng
thể nào.
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 = [xn yn zn]


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 X1, X2, …,XN 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: w1, w2,…, wN 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.


Trọng số hiện thời của các ăng-ten dịch là J d(r) = J (r-d). Theo định nghĩa, vector
bức xạ là biến đổi Fourier ba chiều của trọng số hiện thời. Do đó, vector bức xạ của
dịch chuyển hiện thời sẽ là:
= (r) r = J(r-d) r= J(r’)r’
= J(r’)r’ = F
Nếu ta thay biến r’= r-d, thì: Fd(k)=
2.2.4 Array Pattern Multiplication
Tổng quát hơn, chúng ta hãy xem xét một mảng ba chiều của một số ăng-ten
giống hệt nhau đặt tại vị trí d0, d1, d2,. . . với hệ số cấp dữ liệu tương đối a0, a 1, a2,. . . ,
Như thể hiện trong hình sau. (Để không mất tính tổng quát, ta có thể thiết lập d 0 = 0
và a0 = 1)

Tỷ trọng hiện tại của anten thứ n sẽ là Jn(r)= anJ(r − dn) và vec-tơ bức xạ tương ứng:
Fn(k)= an
Tổng tỷ trọng hiện tại của mảng sẽ là:
Jtot(r) = a0J(r-d0)+a1J(r-d1)+a2J(r-d2)+…
và tổng vec-tơ bức xạ:
Ftot(k)= F0+F1+F2+…= a0F(k)+ a1F(k)+ a2F(k)+…
Các hệ số F (k) do một phần tử ăng ten duy nhất là gốc chung cho tất cả các thành
phần.
Ftot(k)= A(k)F(k) (mảng mô hình nhân)
trong đó a là hệ số mảng:
A(k) = a0+ a1+a2+…(hệ số mảng)
Khi k = k ta có thể biểu diễn các hệ số mảng như là A ( hoặc A (θ, φ)
Nói tóm lại, hiệu quả chủ yếu của một mảng gồm các anten giống hệt nhau là
chỉnh sửa các vec-tơ bức xạ đơn anten bằng cách sử dụng hệ số mảng. Ở đó ta kết