Thiết kế, mô phỏng anten tạo chùm và ứng dụng trong mạng MANET

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
“Thiết kế, mô phỏng anten tạo chùm và ứng dụng trong mạng MANET”
Thiết kế và mô phỏng anten tạo chùm có đầy đủ các thông số kỹ thuật bằng
phần mềm Matlab, trình bày các bước cụ thể từng giai đoạn, kết quả thu được là
anten tạo chùm ứng dụng của anten tạo chùm trong các node của mạng MANET.
 Nội dung đồ án gồm:
- Lý thuyết anten.
- Ứng dụng của anten tạo chùm trong mạng MANET.
- Thiết kế và mô phỏng anten tạo chùm.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên

Đỗ Quốc Trường

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan về nội dung của đồ án ”Thiết kế, mô phỏng anten tạo
chùm và ứng dụng trong mạng MANET” là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo KS.Trần Tuấn Việt. Mọi trích dẫn và tài liệu mà tôi
tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc.
Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỉ luật của trường Đại học Công nghệ
thông tin và Truyền thông.

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên

Đỗ Quốc Trường

2

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo trường Đại
học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên, những người đã tận tình
dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt năm năm học vừa qua tại nhà trường.
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến KS. Trần Tuấn Việt, người đã
trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu đồ án tại Bộ môn
Công nghệ ô tô và Hệ thống cảm biến – Trường Đại học Công nghệ thông tin và
Truyền thông Thái Nguyên. Người đã truyền cho em cách tư duy có hệ thống,
phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - những điều rất quý báu với em khi ra
trường làm việc thực tế.
Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ ô tô
và Hệ thống cảm biến những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em
trong suốt những năm qua.
Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã sinh
thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè đặc
biệt là tập thể lớp công nghệ ô tô K10, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ
với em trong suốt những năm qua.

Sinh viên thực hiện

Đỗ Quốc Trường

3


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN .................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... 2

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................ 3
MỤC LỤC ...................................................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH ẢNHTHUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................ 6
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT ANTEN .................................................................................... 11
1.1. Tổng quan về anten .....................................................................................11
1.1.1. Lịch sử phát triển của anten...................................................................11
1.1.2. Hệ phương trình Maxwell .....................................................................14
1.1.3. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điệntừ ............................................15
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten...............................................................16
1.2. Anten tạo chùm ...........................................................................................23
1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................23
1.2.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................24
1.2.3. Thuật toán Hướng đến (DOA)..............................................................24
1.2.4. Anten tạo chùm thích ứng .....................................................................31
1.2.5. Hiệu ứng ảnh hưởng tương hỗ ...............................................................35
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CỦA ANTEN TẠO CHÙM TRONG MẠNG MANET... 37
2.1. Mạng tùy biến không dây. ...........................................................................37
2.1.1. Định nghĩa ............................................................................................37
2.1.2. Tổng quan về mạng tùy biến di động (MANET) ...................................37
2.2. Vấn đề cần thiết của thiết kế anten tạo chùm ..............................................39
2.3. MANET sử dụng các hệ thống anten tạo chùm............................................42
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN TẠO CHÙM ......................48
3.1. Qúa trình thiết kế và phương pháp thiết kế ..................................................48
3.1.1. Thiết kế thành phần đơn – miếng vi dải ...............................................49
3.1.2. Miếng hình chữ nhật............................................................................49

4

3.1.3. Thiết kế mảng......................................................................................51
3.1.4. Thiết kế mảng tuyến tính .....................................................................51
3.1.5. Thiết kế mạng lưới phân tử phẳng .......................................................53
3.1.6. Mạng lưới phân tử phẳng 4x4 so với Mạng lưới phân tử phẳng 8x8 ....54
3.1.7. Tạo chùm tia thích ứng........................................................................56
3.2. Mô phỏng với thông số cụ thể - kết quả cho mô phỏng anten tạo chùm .......57
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................66
PHỤ LỤC..............................................................................................................67

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát [1] ...............................................................13
Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [1] .............................................20
Hình 1.3. Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [2] ...........................................20
Hình 1.4. Dàn phẳng có biểu diễn đồ thị của độ trễ thời gian. ................................25
Hình 1.5. Tín hiệu đến trên mảng 2 phần tử. [1] ...................................................30
Hình 1.6. Mảng 2 phần tử tiếp nhận tín hiệu mong muốn tại θ0 = 00 và SNOI tại θ0 =
300. [1] ..................................................................................................................32
Hình 1.7. Tính toán độ trễ pha và sớm pha theo tín hiệu n(t) [1] ............................33
Hình 1.8. So sánh các hệ số mảng khi có và không có hiệu ứng ảnh hưởng tương
hỗ.[1].....................................................................................................................34
Hình 2.1. Ví dụ về một MANET đa chặng [1] .......................................................38
Hình 2.3. Búp sóng và hướng thu của thiết bị [2]...................................................41
Hình 2.4. So sánh hiệu suất mạng sử dụng các anten đẳng hướng và mạng có các
anten thông minh. [1] ............................................................................................43
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí 55 node của MANET được sử dụng để thiết kế hệ thống
anten thông minh thông lượng cao [1] ...................................................................43

Hình 2.6. Ví dụ về 3 node liên hệ với nhau.[1] .....................................................44
Hình 2.7. Biểu đồ định thời gian Giao thức MAC [1] ............................................45
Hình 3.1. Thiết kế anten miếng hình chữ nhật sử dụng mô hình khoang [1]...........50
Hình 3.2. S (độ suy giảm thích ứng) cho anten miếng hình chữ nhật 20 GHz [1] ...50
Hình 3.3. Mẫu biên độ của Anten miếng hình chữ nhật sử dụng mô hình khoang [1]
..............................................................................................................................52
Hình 3.4. Thiết kế mảng tuyến tính 8 thành phần với các miếng hình chữ nhật.[1] 52
Hình 3.5. Thiết kế mạng lưới phân tử phẳng với các miếng hình chữ nhật.[1] .......54
Hình 3.6. Thông lượng mạng trung bình so với tải mạng đối với các kích thước
mảng khác nhau và các kích thích [1]. ...................................................................55
Hình 3.7. Ảnh hưởng góc của tín hiệu hướng đến và độ rộng búp sóng [1]...........56
Hình 3.8. Mặt phẳng E = 0° so sánh mẫu phóng xạ đối với sự tạo chùm tia không

6


thích ứng và chùm tia thích ứng. [1] ......................................................................57
Hình 3.9. So sánh thông lượng mạng của sự tạo chùm tia thích ứng và không thích
ứng. [1]..................................................................................................................57
Hình 3.10. Cường độ bức xạ của tín hiệu thu được của anten tạo chùm ở 2 mảng
phẩn tử khác nhau .................................................................................................58
Hình 3.11. Tín hiệu thu về biểu diễn theo 3 vị trí có độ lợi về mặt tín hiệu ...........59
Hình 3.12. Những null và những búp sóng thu được của anten tạo chùm...............60
Hình 3.13. Tín hiệu có cường độ bức xạ cao đi vào anten tạo chùm có những búp
sóng nhỏ và chiều rộng hẹp khả năng truyền đến tín hiệu quan tâm sẽ kém hơn. ...61
Hình 3.14. Hình dạng anten tạo chùm trong mô phỏng 3D trên Matlab. ................62
Hình 3.15. Tỷ lệ lỗi bit BER của Beamforming .....................................................63

7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CDMA

Phân chia mã đa truy cập

DSP

Bộ xử lý tín hiệu số

DOA

Thuật toán hướng đến

EIRP

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

ESPRIT

Kỹ thuật quay bất biến

FSD

Kỹ thuật phân tích không gian con

FDMA

Phân chia tần số đa truy cập

LMS

Định hướng búp sóng tối ưu

MSE

Sai số toàn phương trung bình

MUSIC

Thuật toán phân tách đa tín hiệu

ML

Kỹ thuật hợp lý cực đại

MANET

Mạng tùy biến không dây

SIR

Tiêu chuẩn cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR

SDMA

Phân chia không gian đa truy cập

8

SOI

Tín hiệu quan tâm

SNOI

Tín hiệu không quan tâm

TDMA

Phân chia thời gian đa truy cập

9


LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng
động âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát
triển, nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó
là nhanh, chính xác và đến năm 1837 Samuel Morse đã phát minh ra ám hiệu
truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện gây nên tiếng. Năm 1894
Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa
và ngay cả trong chân không. Năm 1902 sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới
vể thông tin liên lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng trong viễn thông sau này.
Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của anten
một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu. Anten cũng đã xuất hiện từ lâu
có thể nói nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới. Để đáp ứng nhu cầu
thông tin liên lạc ngày càng phát triển thì công nghệ anten cũng phải phát triển
theo điển hình là những ứng dụng truyền đi xa như thông tin vệ tinh có thể sử dụng

anten parabol để thu phát vì với loại anten này nó có độ lợi cao và độ định hướng
lớn. Ngoài ra không thể không nói đến xu hướng của thời đại mới là nhỏ gọn, đa
ứng dụng. Đây là những điều tất yếu và anten cũng vậy nó cũng phải nhỏ gọn để
đáp ứng được yêu cầu trên.
Để cải thiện được những nhược điểm trên đã có rất nhiều cách thức như hệ
thống anten mảng (array antenna) để tăng độ lợi cho anten, ngoài ra có thể điều
khiển được búp sóng. Ngoài ra còn có những cải thiện về vật chất cho anten một
trong những cải thiện đó là anten tạo chùm vì nó có những đặc tính khác biệt .
Đồ án tốt nghiệp của em là : “Thiết kế, mô phỏng anten tạo chùm và ứng
dụng trong mạng MANET”. Đồ án của em được chia thành 3 chương :
Chương 1. Lý thuyết anten
Chương 2. Ứng dụng của anten tạo chùm trong mạng MANET
Chương 3. Thiết kế và mô phỏng anten tạo chùm
Do thời gian và kiến thức có hạn nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong sự đóng góp ý kiến và giúp đỡ của các thầy cô giáo. Em xin chân thành
cảm ơn !

10


CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT ANTEN
1.1. Tổng quan về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không
gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều
khiển...Cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng
điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.
1.1.1. Lịch sử phát triển của anten
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 150MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T
(1946); Khái niệm celllular (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:

11


 1880 - 1890: 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.
 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.
Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm
nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao

12


gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo
việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau
(trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu)

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát [1]
 Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến.
 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 tuyếnsử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để

truyền lan từ nơi phát đến nơi thu.
 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 nhiện 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 sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành
sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo fidơ tới máy thu.

13


1.1.2. Hệ phương trình Maxwell
Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện
động lực học: các phương trình Maxwell.
Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa
iwt

theo thời gian nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức e

E  Re( Ee jt )  E cos( t )

(1.1)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:
rot H  i p E  J

e

(1.2)
(1.3)

rot E  i H
divE 

e


(1.4)
(1.5)

divH  0

E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường
(V/m H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)


p

  (1  i


)


(1.6)

(Hệ số điện thẩm phức của môi trường)
ε : hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường(F/m)

µ : hệ số từ thẩm của môi trường(H/m)
σ : điện dẫn xuất của môi trường(Si/m)

14

.


J e : là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (

A
)
m2

C
p e : là mật độ khối của điện tích. ( 3 )
m

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong
một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta
đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích.
Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự
nhiên.
Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết
như sau :
d iv H  

e


( 1.7)

rot H  i p E  J

e

(1.8)
rot E  i H  J
divE 

m

(1.9)

m


(1.10)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E,H. Trong phương trình
nghiệm nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.1.3. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điệntừ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường
hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự
bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất

15

nhỏ so với bước sóng.
Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ
điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ
phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài
mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch.
Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện,
còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều
và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên
ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng.
Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng
buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện
tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình
thành một điện trường xoáy.
Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một
từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình
thành quá trình sóng điện từ.
Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian
tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng
điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.
1.1.4. Các thông số cơ bản của anten
Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau
đây:
-

Trở kháng vào

-

Hiệu suất

-

Hệ số định hướng và độ tăng ích.

16


-

Đồ thị phương hướng.

-

Công suất bức xạ đẳng hướng tươngđương.

-

Tính phân cực

-

Dải tần của anten.

A. Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten Z bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa
điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten.

ZA 

UA
 RA  jX A
IA

(1.11)

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học
của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào
anten

và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe .
R

A



PA
I Ae

(1.12)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính
phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số
trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể
truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng
giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
B. Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số
quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten  A chính là tỷ số giữa
công suất bức xạ

và công suất máy phát đưa vào anten

17

hay

.


A 

Pb x
PA

(1.13)

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với
anten có tổn hao thì

<

do đó  A < 1 Gọi công suất tổn hao là Pth

PA  Pbx  Pth

(1.14)

Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện
trở bức xạ

và

, vậy ta có:

PA  I 2Ae.RA  I 2Ae (Rbx  Rth )

(1.15)

Ta viết lại thành:

A 

Pbx
Rbx

Pbx  Pth Rbx  Rth

(1.16)

C. Hệ số hướng tính và hệ số tăngích
Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau
người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ
số khuếch đại hoặc độ lợi).
Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten
tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc antenchuẩn)
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất  A = 1 và năng lượng bức xạ đồng đều

theo mọi hướng.
Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn
tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của anten D ( ,  ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi
chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn
giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng ( ,  ) nào đó :

18


D(1,1) 

Pbx (1,1) E2 (1,1)
 2
Pbx (0)
E (0)

(1.17)

Trong đó :
D (1 , 1 ) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (1 , 1 )
Pbx (1 , 1 ) và Pbx (0) : công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với

hướng (1 , 1 ) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
E (1 , 1 ) , E(0) Cường độ trường tương ứng của chúng .

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D (1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của
anten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E (1 , 1 )
Hệ số tăng ích của anten

G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất

dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng
để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định

( ,) .
G(,) AD(,)

(1.18)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc
tính bức xạ và hiệu suất của anten.
Ta có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng.
1.4.4. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten
Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten
phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn
hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ.
Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của anten. Hướng tính
của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được
đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten.

19


Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị
tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có
khoảng cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực
tương ứng với các phương của điểm xem xét.

Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [1]

Hình 1.3. Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [2]
Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một
như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá.

20


Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau.
Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten có dang hình khối, nhưng
trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng
đứng góc ().
Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không
theo sự biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau.
Để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ
rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc bức xạ.
Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị
bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa
công suất.
D. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như 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
EIRP = PTGT

(1.19)

Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ số
tăng íchcủa hệ thống anten có hướng tính
Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy

phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. C
ông suất bức xạ đẳng hướng là công suất đuợc bức xạ với anten vô hướng,
trong trường hợp này có thể xem

= 1. Nếu như anten có búp sóng càng hẹp thì

giá trị EIRP của nó càng lớn.
E. Tính phân cực của anten

uv
Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector E ,

21


uur
H có biên độ và pha biến đổi.
Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xét theo sự biến
đổi của vector điện trường.
Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trường
trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác
định dạng phân cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình
tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng.
Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực
thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng.
Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực.
Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực
thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé
hơn nhiều so với thành phần nằm ngang.

Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân
cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với
thành phần đứng.
F. Dải tần của anten
Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của
anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép.
Giới hạn đó được quy định là mức nửa công suất.
Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn

của anten thì việc lệch chuẩn đó

làm giảm công suất bức xạ không quá 50%.
Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số côngtác.
Thường dải tần được phân làm 4 nhóm:

22


- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

f
 10%
fo

(1.20)

- Anten dải tần tương đối rộng

10% 

f
 50%
fo

(1.21)

f max
4
f min

(1.22)

- Anten dải tầnrộng

1, 5 
- Anten dải tần rấtrộng

f m ax
4
f m in
Trong đó: Δf =

(1.23)

-

1.2. Anten tạo chùm
1.2.1. Định nghĩa
Qúa trình anten kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng
đặc biệt được gọi là anten tạo chùm .

Bộ xử lý tín hiệu số của anten xử lý tín hiệu theo 2 tiêu chuẩn :
- Tiêu chuẩn cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR)
- Sai số toàn phương trung bình (MSE)
Mức độ thông minh của một hệ thống phụ thuộc vào các thông tin thu thập
được, cách nó thu thập dữ liệu từ các thông tin được xử lý và khả năng áp dụng dữ
liệu này.

23


Trong hệ thống anten thông minh này ,dữ liệu này được thu thập và áp dụng
thông qua các thuật toán được xử lý bởi một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) .
Chức năng của DSP là ước tính :
- Hướng đến (DOA) của tất cả tín hiệu đi tới
- Trọng số phù hợp để điều hướng lý tưởng bức xạ cực đại của đồ thị bức xạ
anten đến SOI và đặt các giá trị null về phía SNOI.
Do đó, hoạt động trên các anten thông minh đã thúc đẩy nghiên cứu các thuật
toán về xử lý tín hiệu thích ứng như DOA và công nghệ anten tạo chùm thích ứng.
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Hệ thống anten tạo chùm làm việc tương tự bằng cách :
• Sử dụng 2 anten thay cho 2 tai,một bộ xử lý tín hiệu số thay cho bộ não.
• Dựa trên thời gian trễ của tín hiệu,bộ xử lý tín hiệu số tính toán hướng
đến(DOA) của tín hiệu quan tâm (SOI), và điều chỉnh pha để tạo ra các
kiểu bức xạ chỉ tập chung vào SOI trong khi loại bỏ các tín hiêu nhiễu
hay các tín hiệu không quan tâm ( SNOI).
• Việc ước lượng DOA bao gồm phân tích tính tương quan của các tín hiệu
dãytheo sau và hình thành không gian con tín hiệu/độ nhiễu trong khi
mục tiêu của công nghệ định hướng búp sóng thích ứng là nhằm thích
ứng với búp sóng bằng cách điều chỉnh cường độ và giai đoạn của mỗi
phần tử anten để hình thành đồ thị mong muốn.

1.2.3. Thuật toán Hướng đến (DOA)
A. Thuật toán DOA
Sau khi mảng anten (Antenna Array) nhận được các tín hiệu đến từ tất cả các
hướng, thuật toán DOA sẽ xác định hướng của tất cả các tín hiệu đến dựa trên độ trễ
thời gian.
Để tính độ trễ thời gian, cần xem xét dàn phẳng M × N với khoảng cáchgiữa

24


các phần tử dx dọc theo trục x và dy dọc theo trục y.
Khi sóng tới, mang theo tín hiệu băng tần cơ sở s(t) gây tác độngở góc (θ, φ)
trên mảng ăng ten, nó sẽ tạo ra độ trễ thời gian đối với các phần tử anten khác.
Độ trễ thời gian này phụ thuộc vào hình dạng anten, số lượng phần tử, và
khoảng cách giữa các phần tử.
Đối với mảng lưới hình chữ nhật của hình 1.4, độ trễ thời gian của tín hiệu s(t)
tại phần tử thứ(m, n), liên quan đến phần tử tham chiếu (0, 0) ởđiểm gốc, là

 mn 
Trong đó

và

r
vo

(1.24)

tương ứng là khoảng cách chênh lệch và tốc độ ánh sáng

trong không gian tự do :

r  dmn cos( )

Hình 1.4. Dàn phẳng có biểu diễn đồ thị của độ trễ thời gian.
Trong đó dmn là khoảng cách từ điểm gốc và phần tử thứ (m, n), và ψ là góc
giữa vector đơn vị xuyên tâm từ gốc đến phần tử thứ (m, n) và vector đơn vị xuyên
tâm theo hướng của tín hiệu đến s (t). Sau đó, dmn và cos (ψ) sẽ được xác định bằng

25