Bài giảng Kỹ thuật Anten truyền sóng - Phần 1: Anten - Chương 4: Hệ thống bức xạ (Array Antennas )

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật Anten truyền sóng - Phần 1: Anten - Chương 4: Hệ thống bức xạ (Array Antennas )

1. CHÖÔNG 4 HEÄ THOÁNG BÖÙC XAÏ (ARRAY ANTENNAS ) 1. GIÔÙI THIEÄU - Keát hôïp nhieàu anten ñôn leû thaønh moät heä thoáng böùc xaï.
2. - Khoâng phaûi heä thoáng anten.
3. - Muïc ñích: + Caûi thieän ñoà thò böùc xaï: taêng ñoä ñònh höôùng
4. Anten dipole nöûa böôùc soùng:
5. Gheùp 4 Anten dipole nöûa böôùc soùng. Port 1 : pha 90, port 2 : pha 0, port 3: pha -90, port 4 : pha 0.
6. + Ñieàu khieån ñoà thò ñònh höôùng baèng caùch thay ñoåi bieân ñoä vaø pha kích thích töøng anten rieâng leû (anten thoâng minh) Anten nhiều buùp soùng xaùc ñònh Ñieàu khieån höôùng buùp soùng theo caùc höôùng khaùc nhau chính cuûa anten höôùng theo ñoái töôïng di ñoäng.
7. Array antenna Omnidirectional Antenna A 6dBi Vertical Polarised Omnidirectional Antenna
8. Array antenna cho bứcxạđịnh hướng VHF/UHF arrays WLAN 2.4 GHz arrays
9. Array antenna cho bứcxạđịnh hướng (2) Cellular base station antennas 1 x 4 E shaped patch array 1 x 2 W shaped patch array for base cellular station for base cellular station
10. Dạng array antenna hỗnhợp Model No. HG-2VD-66 HG-2VD-88 HG-2VD-222 Frequency Range(Option) 54~72MHz 76~88MHz 174~220MHz Input Impedance(Ω) 50~75 50 V.S.W.R ≤ 1.1 Gain(1Panel/dB) 8(10.14dBi) (Stack) (See Page) Power Handling 500W~50kW Capacity(1~16Panel) Polarization Hor or Ver Beam Width at 6dB Point 90°± 5° NTSC/DTV VHF 2-Dipole Antenna N-Type~EIA ø1- Input Connector EIA ø 7/8"~ø1-5/8" 5/8" Wind Survival(m/sec) 60 200~ Total Weight(Kg) 200~310 50~100 600
11. Array antennas và MIMO antennas •Mỗi anten là 1 phầntử •Cácantentạo thành 1 hệ riêng lẻ, cách ly với nhau thống thống nhất, có càng nhiềucàngtốt. quan hệ chặtchẽ. •Tínhiệucủamỗi anten •Antenchỉ có 1 ngõ vào/ra được thu/phát riêng biệt. để nối vào máy phát/thu. Máy thu/phát có nhiềubộ thu phát. MIMO antenna Array antenna
12. 2. HEÄ THOÁNG BÖÙC XAÏ GOÀM 2 PHAÀN TÖÛ M Xeùt 2 dipole gioáng nhau, chieàu daøi θ1 l, ñaët caùch nhau moät khoaûng d. Doøng ñieän kích thích 2 anten leäch nhau moät goùc: β Tröôøng toång hôïp taïi M: θ2 EEEt =+12 ⎧⎫−−jkr(.12ββ /2) −jkr(. + /2) ˆ kI0 l ee Ejt =+θ.cηθθ⎨⎬osc12os 4π ⎩⎭rr12 Khi xeùt tröôøng ôû mieàn xa: θθθ12≈≈ d rr≈− cosθ 1 2 r≈ r≈ r: chobien do d 12 rr≈+ cosθ 2 2
13. − jk. r ˆ kI0 l. e ++−+jkd( . cosθβ )/ 2jkd ( . cosθβ )/ 2 ⇒=Ejt θη cosθ{}e+ e 4.π r − jk. r ˆ kI0 l. e ⎡1 ⎤ ⇒=Ejt θ.ηθ .cos .2cos⎢ (kd . cos θβ+ )⎥ 4.π r  ⎣2 ⎦ Heä soá saép xeáp (Array Factor): AF , hoaëc ARFAC ⎡1 ⎤ AF=+2.cos ( k . d cosθ β ) ⎣⎢2 ⎦⎥ Heä soá saép xeáp Chuaån hoaù: ⎡1 ⎤ AFn =+cos ( k . d cosθ β ) ⎣⎢2 ⎦⎥ Tröôøng sinh ra töø moät heä nhieàu phaàn töû anten: E(total )= E (single element).AF
14. 2. HEÄ THOÁNG BÖÙC XAÏ GOÀM N PHAÀN TÖÛ Xeùt N phaàn töû anten gioáng nhau, ñaët treân moät truïc thaúng caùch nhau moät khoaûng d. Doøng kích thích caùc phaàn töû coù bieân ñoä gioáng nhau, caùc phaàn töû lieân tieáp nhau leäch pha nhau moät goùc β .
15. Heä soá saép xeáp trong heä thoáng naøy: AF=+1. ej(.cos kd θβ++−+ ) + e j 2.(.cos kd θ β ) + +e j.( N 1).(.cos kd θ β ) N AF= ∑ e jn.(−+ 1).( kd . cosθβ ) n=1 N AF= ∑ e jn.(− 1).ψ n=1 ψ =+kd.cosθβ
16. AF=+1 ejjψψ + e2( + + e jN−1)ψ ⇒=+++++AFe. jjjψψ e e23ψ e jψ e jNjN (1)− ψ e ψ ⇒−=−+AF.( e jjψψ 1) ( 1e N ) ⇒−=−+AF.( e jjψψ 1) ( 1e N ) jNψψjN( /2)− jN ( /2)ψ (1)eee−−jN[](1)/2− ψ ⎡ )⎤ ⇒=AF jjψψ =e ⎢ (1/ 2)− j (1/ 2)ψ⎥ (1)ee−−⎣ e)⎦ ⎡ ⎛⎞N ⎤ ⎢sin ⎜⎟ψ ⎥ jN(1)/2− ψ 2 ⇒=AF e []⎢ ⎝⎠⎥ ⎢ ⎛⎞1 ⎥ sin ⎜⎟ψ ⎣⎢ ⎝⎠2 ⎦⎥
17. Khi dòch chuyeån ñieåm goác ñeán giöõa daõy: ⎡⎤⎛⎞N sin ⎜⎟ψ ⎢⎥2 ⇒=AF ⎢⎥⎝⎠ ⎢⎥⎛⎞1 sin ⎜⎟ψ ⎣⎦⎢⎥⎝⎠2 ⎡⎤⎛⎞N ⎢⎥sin ⎜⎟ψ 1 ⎝⎠2 ⇒=AFn .⎢⎥ N ⎢⎥⎛⎞1 sin ⎜⎟ψ ⎣⎦⎢⎥⎝⎠2 Khi ψ nhoû: ⎡⎤⎛⎞N ⎢⎥sin ⎜⎟ψ 1 ⎝⎠2 ⇒=AFn .⎢⎥ N ⎢⎥⎛⎞1 ⎜⎟ψ ⎣⎦⎢⎥⎝⎠2
18. ⎡⎤⎛⎞N ⎢⎥sin ⎜⎟ψ 1 ⎝⎠2 AFn = .⎢⎥ N ⎢⎥⎛⎞1 sin ⎜⎟ψ ⎣⎦⎢⎥⎝⎠2 Xaùc ñònh caùc caùc ñieåm null cuûa heä soá saép xeáp naøy: ⎛⎞N AFn =⇒0sin⎜⎟ψ = 0 ⎝⎠2 ⎛⎞N ⎜⎟ψ =±nπ ⎝⎠2 ⎛⎞N ⇒+=⎜⎟(cos)kd θ βπ±n ⎝⎠2 −1 ⎡⎤λ ⎛⎞2n ⇒=θ cos ⎢⎥⎜⎟ −±βπ ⎣⎦2π dN⎝⎠ n =1,2,3,
19. ⎡⎤⎛⎞N ⎢⎥sin ⎜⎟ψ 1 ⎝⎠2 AFn = .⎢⎥ N ⎢⎥⎛⎞1 sin ⎜⎟ψ ⎣⎦⎢⎥⎝⎠2 Cöïc ñaïi cuûa heä soá saép xeáp xaûy ra khi: ψ 1 =+=±()kd cosθ βπm 22 ⎡⎤λ ⇒=θ cos−1 () −±βπ2m ⎣⎦⎢⎥2π d m = 0,1,2,3
20. 1 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 -200 0 200 400 600 -200 0 200 400 600 ⎛⎞N sin ⎜⎟ψ 1 2 N = 2 AF = . ⎝⎠ N = 3 n N ⎛⎞1 sin ⎜⎟ψ 1 ⎝⎠2 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 -200 0 200 400 600 -200 0 200 400 600 N = 4 N = 5
21. Nhaän xeùt: • Cöïc ñaïi xuaát hieän taïi ψ = 0 0 • Haøm AF coù chu kyø tuaàn hoaøn laø 2π ( 360 ) 0 • Coù N-1 ñieåm null caùch ñeàu nhau moät khoaûng caùch: 2/ π NN ( 360/ ) • Coù N-2 buùp soùng con trong khoaûng 02≤ψ ≤ π • Khi N taêng, bieân ñoä caùc buùp soùng con tieäm caän ñeán -13dB
22. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -200 0 π π 200 3π 400 600 2π β 2 2 ψ = kd cosθβ+ 90 1 120 60 0.8 0.6 150 30 0.4 0.2 kd z 180 θ 0 210 330 240 300 270
23. ™Heä thoáng Broadside Buùp soùng chính vuoâng goùc vôùi truïc cuûa heä thoáng (truïc z) Cöïc ñaïi cuûa AF xaûy ra khi: ψ =+=kd cosθβ 0 π Ñeå chieàu cöïc ñaïi theo höôùng θ = 2 ψ =+=kd cosθβ π 0 θ = 2 ⇒=β 0
24. 90 90 1 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 λ 270 Nd==2, ,β = 0 λ 2 Nd= 3,== ,β 0 2 90 1 90 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 180 0 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 270 λ λ Nd==5, ,β = 0 Nd=10,== ,β 0 2 2
25. Nhaän xeùt: • Khi d khoâng ñoåi, khi taêng N: ñoä roäng buùp soùng chính giaûm vaø soá buùp soùng phuï taêng
26. 90 90 1 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 270 Nd==7, 0.1λ ,β = 0 Nd= 7,== 0.3λ ,β 0 90 90 1 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 270 Nd==7, 0.5λ ,β = 0 Nd= 7,== 0.7λ ,β 0
27. Nhaän xeùt: • Khi N khoâng ñoåi, khi taêng d: ñoä roäng buùp soùng chính giaûm vaø soá buùp soùng phuï taêng 90 90 1 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 270 Nd==7,λ ,β = 0 Nd= 7,== 2λ ,β 0 • Khi taêng d ≥ λ buùp soùng phuï coù bieân ñoä baèng buùp soùng chính xuaát hieän.
28. ™Heä thoáng EndFire Buùp soùng chính doïc theo truïc cuûa heä thoáng (truïc z) Ñeå chieàu cöïc ñaïi theo höôùng θ = 0 ψ =+=kd cosθβ 0 θ =0 kd +=⇒=−β 0 β kd (Endfire loaïi 1) Ñeå chieàu cöïc ñaïi theo höôùng θ = π ψ =+=kd cosθβ 0 θπ= −+=⇒=kd β 0 β kd (Endfire loaïi 2)
29. 1 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 Nd==7, 0.1λ 0.7 Nd==7, 0.3λ 0.6 kd = 0.2π 0.6 kd = 0.6π 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 90 90 1 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 270
30. 1 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 Nd= 7,= 0.7λ 0.6 Nd==7, 0.5λ 0.6 0.5 kd = π 0.5 kd =1.4π 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 90 90 1 1 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 210 330 210 330 240 300 240 300 270 270
31. 1 ™Heä thoáng 0.9 π Hansen - Woodyard 0.8 β =−()kd + N 0.7 ⎛⎞π β =−⎜⎟kd + 0.6 ⎝⎠N 0.5 0.4 0.3 kd Ñieàu kieän ñeå möùc böùc xaï 0.2 phuï nhoû hôn möùc böùc xaï 0.1 0 chính: -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 90 0.8 β < π 120 60 0.6 150 0.4 30 0.2 180 0 210 330 5λ Nd==6, 13 240 300 βπ=−(/)kd + N 270
32. Ñoái vôùi heä thoáng Hansen – Woodyard: - Ñoä roäng buùp soùng chính giaûm => taêng ñoä ñònh höôùng - Tuy nhieân bieân ñoä buùp soùng chính cuõng giaûm => bieân ñoä buùp soùng phuï cuõng khaù lôùn khi so saùnh vôùi buùp soùng chính.
33. ™Ñoä roäng giöõa caùc ñieåm null ñaàu tieân, ñoä roäng nöûa coâng suaát vaø ñoä ñònh höôùng. 90 90 1 BWFN 1 HPBW 120 60 120 60 0.8 0.8 0.6 0.6 150 30 150 30 0.4 0.4 0.2 0.2 180 0 180 0 150210 33030 150210 33030 120240 60300 120240 60300 27090 27090
34. ÔÛ ñaây, giaû söû caùc anten phaàn töû laø ñaúng höôùng Ta ñaõ bieát cöïc ñaïi xuaát hieän taïi: ψ = ±2nπ −1 Giaû söû ta choïn cöïc ñaïi taïi: ψ = 0 öùng vôùi: θθ==max cos( − β / kd ) Vaø caùc buùp soùng phuï coù bieân ñoä lôùn laø ñieàu khoâng mong muoán ±2π Caùc ñieåm null ñaàu tieân xuaát hieän taïi ñieåm: ψ = N ±2π ψ =+=kd cosθβ N −−11⎛⎞⎛⎞±±2π βλβ ⇒=θ cos ⎜⎟⎜⎟ − =cos − ⎝⎠⎝⎠kdN kd Nd kd null −1 ⎛⎞−λβ null −1 ⎛⎞λ β ⇒=θleft cos ⎜⎟ −−θmax ;cθθright =−max os⎜⎟ − ⎝⎠Nd kd ⎝⎠Nd kd null null −−11⎛⎞⎛⎞−λ βλβ ⇒=−=BWFN θθleft right cos ⎜⎟⎜⎟ −−−cos ⎝⎠⎝⎠Nd kd Nd kd
35. Khi : Nd  λ,0β ≈ : N lôùn, Broadside (gaàn broadside) −1 ⎛⎞⎛⎞λ βπλβ ⇒−≈−−cos ⎜⎟⎜⎟ ⎝⎠⎝⎠Nd kd2 Nd kd ⎛⎞⎛⎞π λβ πλβ2 λ ⇒≈−+−++=BWFN ⎜⎟⎜⎟ ⎝⎠⎝⎠22Nd kd Nd kd Nd null null Ñoái vôùi heä thoáng Endfire: θleft= θ right −2π ψ =+==−kd cosθβnull , kd β left N null −1 ⎛⎞2π ⇒=θleft cos⎜⎟ 1 − ⎝⎠kdN null ⇒≈BWFN 2θleft
36. Ñoä roäng nöûa coäng suaát cuûa heä thoáng Broadside (gaàn broadside): ⎡⎤πλ−1 ⎛⎞1,391 HPBW ≈−2cos⎢⎥⎜⎟ ,/1πλd  ⎣⎦2 ⎝⎠π Nd Ñoä roäng nöûa coâng suaát cuûa heä thoáng Endfire: −1 ⎛⎞1,391λ HPBW ≈−2cos⎜⎟ 1 ,πλd / 1 ⎝⎠π Nd Heä soá ñònh höôùng cuûa heä thoáng Broadside (gaàn broadside): L DLN≈≈2,dN , 1 max λ Heä soá ñònh höôùng cuûa heä thoáng Endfire: L DLN≈≈4,dN , 1 max λ Heä soá ñònh höôùng cuûa heä thoáng Hansen - Woodyard: ⎛⎞L DLmax ≈≈1,805.⎜⎟ 4 ,Nd ,N 1 ⎝⎠λ
37. 3. Hệ thống bức xạ phân bố trên một mặt phẳng M AF= ∑ e jm(1)(sincos)−+ kdx θ φβx m=1
38. AFSS= xm yn M jm(1)(sincos)−+ kdx θ φβx Sexm = ∑ m=1 N jn(1)(sinsin−+ kdyyθ φβ ) Seyn = ∑ n=1 MN jn(1)(sinsin−+ kd θφβ ) AF= ∑∑ e jm(1)(sincos)−+ kdxxθφβ e yy mn==11
39. MN==3 ddxy==λ /2 ββxy==0
40. MN==3 MN= = 3 dd==λ /2 ddxy==λ /2 xy β = 0 βπx = /3 x βπ= /3 β y = 0 y
41. MN==3 MN= = 3 ddxy==λ /2 ddxy==λ /2 βπx = /3 βπx = βπy = /3 βπy = /3
42. MN= = 2 ddxy==λ /2 ββxy==0