Nghiên cứu và thiết kế anten thông minh trong nhà cho máy thu truyền hình mảng anten thu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bùi Văn Nhẫn NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN THÔNG MINH TRONG NHÀ CHO MÁY THU TRUYỀN HÌNH: MẢNG ANTEN THU Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Đào Ngọc Chiến Hà Nội – Năm 2013 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu LỜI CAM ĐOAN Tôi Bùi Văn Nhẫn, số hiệu học viên: CB110887, học viên cao học lớp KTTT khóa 2011B Người hướng dẫn PGS.TS Đào Ngọc Chiến Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu tôi, chép hay vay mượn hình thức để hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Điện tử Viễn thông Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung luận văn trước Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội Học viên Bùi Văn Nhẫn Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .6 Danh mục bảng Danh mục hình ảnh, đồ thị Mở đầu Chương 1: Giới thiệu 10 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển truyền hình .10 1.2 Truyền hình số lộ trình số hóa Việt Nam 13 1.2.1 Một số tiêu chuẩn TH số giới 13 1.2.2 Số hóa truyền hình Việt Nam 15 1.3 Các loại Anten thu truyền hình phổ biến 17 1.3.1 Anten dipole 17 1.3.2 Anten vòng 19 1.3.3 Anten loga chu kỳ 20 1.3.4 Anten yagi .22 1.3.5 Một số loại Anten thu có mạch khuếch đại dùng nhà 24 1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài .25 Chương 2: Cơ sở lý thuyết trường điện từ Anten 26 2.1 Lý thuyết trường điện từ ứng dụng Anten 26 2.1.1 Hệ phương trình Maxwell .26 2.1.2 Điều kiện biên .28 2.1.3 Phương trình 29 2.2 Các thông số Anten 33 2.2.1 Trường xa trường gần 36 2.2.2 Đồ thị xạ gain 37 2.2.3 Búp sóng độ định hướng 43 2.2.4 Hiệu suất Anten .46 2.2.6 Sự phân cực 48 2.3 Lý thuyết đường truyền vi dải 50 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Chương 3: Phân tích thiết kế Anten thu dùng phần tử đơn theo nguyên lý Anten yagi, ứng dụng cho máy thu truyền hình số 53 3.1 Phân tích nguyên lý thiết kế Anten Yagi 53 3.1.1 Cấu trúc Anten Yagi thông thường 53 3.1.2 Vấn đề tiếp điện phối hợp trở kháng 59 3.1.2 Tiếp điện cho chấn tử đối xứng cáp đồng trục .62 3.2 Thiết kế mô Anten Yagi 66 3.2.1 Các bước tính toán thiết kế 66 3.2.2 Kết mô tối ưu 67 3.3 Chế tạo thử nghiệm đo đạc 75 3.3.1 Chế tạo Anten 75 3.3.2 Kết đo Anten mẫu chế tạo 76 Chương 4: Nghiên cứu Anten thông minh sử dụng tiếp điện mạng pha 82 4.1 Khái niệm Anten thông minh .82 4.2 Nguyên lý hoạt động .83 4.3 Các kiểu anten thông minh .86 4.3 Ưu điểm anten thông minh .90 4.4 Thiết kế mảng Anten thông minh sử dụng mạng tiếp điện ma trận Butler 92 Kết luận hướng nghiên cứu phát triển đề tài 95 Kết luận 95 Hướng phát triển đề tài 95 Tài liệu tham khảo .97 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt DVB: Digital Video Broadcasting DVB-T: Digital Video Broadcasting Terrestrial SFN: Single Frequency Network EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power ERP: Effective Radiated Power HF: High Frequency ISM: Industrial Scientific and Medical radio band LF: Low Frequency MWF: Microwave Frequency RCS: Radar Cross Section VHF: Very High Frequency UHF: Ultra High Frequency EM: Electromagnetic RF: Radio Frequency Danh mục bảng Bảng 1: Hệ số sóng chậm 𝜉 .58 Bảng : Thông số đặc tính yêu cầu thiết kế Anten 66 Bảng 3: Bảng thông số đo S21 tính toán gain Anten 78 Bảng 4: Thông số đo tính toán gain theo hướng xạ khác .81 Danh mục hình ảnh, đồ thị Hình 1-1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 .14 Hình 1-2 Mô hình thiết lập mạng đơn tần AVG – Việt Nam 17 Hình 1-3 Mô hình nguyên lý anten dipole hình ảnh Anten thực tế 18 Hình 1-4 Anten vòng 19 Hình 1-5 Anten loga chu kỳ 20 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 1.6 Kết cấu anten loga chu kỳ 21 Hình 1.7 Anten Yagi - Uda sử dụng chấn tử thẳng chấn tử vòng 22 Hình 1.8 Mô hình anten Yagi 23 Hình 1.9 Một số loại Anten thu đặt có mạch khuếch đại dùng nhà 24 Hình 2-1: Hình vẽ phân cách hai môi trường 28 Hình 2-2: Trục tọa độ cách tạo sóng vô tuyến từ nguồn biến đổi theo thời gian 34 Hình 2-3: Hình trường gần trường xa .35 Hình 2-4: Trục tọa độ phân tích anten .38 Hình 2-5: Đồ thị 2-D đồ thị xạ 39 Hình 2-6: Đầu cuối tham chiếu anten .40 Hình 2-7 Búp sóng đồ thị xạ 42 Hình 2-8: Đồ thị xạ chiều chiều theo tỷ lệ tuyến tính .44 Hình 2-9: Suy hao phản xạ, dẫn xạ điện môi .46 Hình 2-10: Băng thông 48 Hình 2-11: Đường truyền vi dải 50 Hình 2-12: Phân bố trường đường truyền vi dải 51 Hình 3-1: Mô hình anten Yagi 53 Hình 3-2: Sự phụ thuộc a ψ vào X22 .54 Hình 3-3: Đồ thị phương hướng cặp chấn tử chủ động thụ động ứng với d=0,1λ 55 Hình 3-4: Sự phụ thuộc D vào L/λ .58 Hình 3-5: Sơ đồ tiếp điện kiểu T .60 Hình 3-6: Sơ đồ tiếp điện cho chấn tử vòng dẹt 61 Hình 3-7: Sơ đồ mắc trực tiếp cáp đồng trục vào chấn tử đối xứng 63 Hình 3-8: Sơ đồ phối hợp kiểu T 64 Hình 3.9: Sơ đồ biến đổi đối xứng .65 Hình 3.10 Thiết kế Anten yagi 300 Ohm .68 Hình 3.11 Kết mô S11 Anten yagi 300 Ohm 68 Hình 3.12 Giản đồ xạ Anten yagi 300 Ohm .69 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 3.13 Gain 3D tần số 770 MHz Anten yagi 300 Ohm 69 Hình 3.14 Anten Yagi thêm chấn tử tăng băng thông .70 Hình 3.15 Kết mô S11 Anten yagi 300 Ohm thêm chấn tử 70 Hình 3.16 Giản đồ xạ Anten yagi 300 Ohm thêm chấn tử 71 Hình 3.17 Gain 3D tần số 770 MHz Anten yagi 300 Ohm thêm chấn tử 71 Hình 3.18 Thiết kế Balun chữ U mạch in 72 Hình 3.19 Đường tiếp điện 75 Ohm cho balun chữ U 72 Hình 3.20 Anten Yagi tích hợp balun chữ U .73 Hình 3.21 Kết mô S11 Anten Yagi tích hợp balun chữ U .74 Hình 3.22 Kết mô Gain giản đồ xạ Anten Yagi tích hợp balun chữ U tần số 770 MHz 74 Hình 3.23 Anten tích hợp Balun chế tạo thực tế .76 Hình 3.24 Kết đo S11 Anten tích hợp Balun chế tạo thực tế .77 Hình 3.25 Sơ đồ kết nối phương pháp đo Anten đồng 78 Hình 3.26 Đồ thị gain đo phương pháp Anten đồng 79 Hình 3.27 Đồ thị gain lấy từ kết tính toán phần mềm .79 Hình 3-28 Mô hình đo giản đồ xạ Anten 80 Hình 3-29 Giản đồ xạ Anten vẽ lại từ kết đo .81 Hình 4-1 Sơ đồ dàn anten thông minh 83 Hình 4-2 Cơ chế nhận biết hướng tín hiệu đến dựa thính giác người 85 Hình 4-3 Hệ thống anten thông minh 86 Hình 4-4 Hiệu triệt nhiễu hệ thống anten thích nghi so với hệ thống anten chuyển búp sóng hệ thống truyền thống .87 Hình 4-5 Giản đồ hướng xạ hệ thống chuyển mạch dàn anten thích nghi 87 Hình 4-6 Các loại cấu trúc anten thông minh 88 Hình 4-7 Sơ đồ nguyên lý mạng tiếp điện ma trận Butler .93 Hình 4-8 Sơ đồ nguyên lý tiếp điện cho mảng Anten sử dụng ma trận Butler 94 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Mở đầu Truyền hình giới nói chung Việt Nam nói riêng giai đoạn phát triển chuyển giao mạnh mẽ sang công nghệ số Đi với lịch sử phát triển lâu đời công nghệ truyền hình loại Anten thu cho hệ thống truyền hình mặt đất phát triển mạnh mẽ đa dạng Tuy vậy, thực tế đặc điểm môi trường truyền sóng phía thu có nhiều thay đổi Ban đầu người dùng truyền hình chủ yếu thu sóng Anten gắn cột cao hàng chục mét tới không phù hợp Đặc biệt khu vực đô thị nhu cầu thu sóng truyền hình mặt đất Anten để nhà trở lên cần thiết hết mà không gian thẩm mỹ không cho phép giương cột lên lắp Anten Thực tế thị trường Anten thu truyền hình Việt Nam chủ yếu hàng trôi nổi, chất lượng nguồn gốc khó kiểm soát làm ảnh hưởng đến chất lượng thu sóng phía thu Từ ý tưởng thiết kế chế tạo loại Anten thu nhà thông minh ấp ủ lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu” cho luận văn tốt nghiệp Mục tiêu đề tài trước hết nghiên cứu thiết kế sản phẩm Anten thu ứng dụng cho mạng truyền hình số với thông số đặc tính tương đương tốt loại Anten thông dụng thị trường, có kích thước nhỏ, dễ sử dụng lắp đặt Từ tiếp tục nghiên cứu thiết kế kết hợp với kỹ thuật mạng pha tiếp điện để tạo nên Anten mảng thông minh có khả thay đổi búp sóng tự động Trong trình thực luận văn có hướng dẫn tận tâm nhiệt tình khoa học PGS.TS Đào Ngọc Chiến giúp cho luận văn đạt kết khả quan Luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy cô giáo, anh chị bạn để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Chương 1: Giới thiệu 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển truyền hình Truyền hình phương tiện truyền thông phổ biến giới Không phương tiện truyền thông, giải trí tuý, ngày truyền hình ứng dụng nhiều lĩnh vực sống đại Mặc dù loại hình phương tiện thông tin đại chúng xuất từ khoảng kỷ XX, phát triển nhanh chóng, mạnh mẽ phổ biến rộng rãi vòng vài ba thập niên trở lại Thế mạnh đặc trưng truyền hình cung cấp thông tin dạng hình ảnh, âm thanh, mang tính hẫp dẫn sinh động, trực tiếp tổng hợp Truyền hình hệ thống phát thu hình ảnh âm thành thiết bị truyền dẫn tín hiệu từ qua cáp, sợi quang quan trọng sóng điện từ Những hệ thống truyền hình thật bắt đầu vào hoạt động thức thập niên 40 kỷ này, không lâu sau khái niệm "truyền hình" sử dụng với nghĩa hiểu ngày Ngành truyền hình giới phải trải qua thời gian dài phát triển có thành tựu Năm 1873, nhà khoa học người Scotland James Cleck Maxwell tiên đoán tồn sóng điện từ, phương tiện chuyền tải tín hiệu truyền hình Cùng năm này, nhà khoa học người Anh Willoughby Smith trợ lý Joseph May chứng minh điện trở suất nguyên tố Selen thay đổi chiếu sáng Phát minh đưa khái niệm "suất quang dẫn", nguyên lý hoạt động ống vidicon truyền ảnh 15 năm sau, năm 1888, nhà vật lý người Đức Wihelm Hallwachs tìm khả phóng thích điện tử số vật liệu Hiện tượng gọi "phóng tia điện tử", nguyên lý ống orthicon truyền ảnh Mặc dù nhiều phương thức chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện tử phát minh hoàn thiện hệ thống truyền hình chưa đủ điều kiện để đời Vấn đề cốt yếu dòng điện tạo yếu chưa tìm phương pháp khuyếch đại hiệu Mãi năm 1906, Lee De Forest, kỹ sư người Mỹ đăng ký sáng chế ống triode chân không vấn đề giải 10 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Năm 1884, kỹ sư Paul Nipkow chế tạo thành công thiết bị thực nghiệm truyền hình đầu tiên, đĩa Nipkow Ông đặt đĩa có đục lỗ theo hình xoáy ốc phía trước tranh chiếu sáng Khi quay đĩa, lỗ thủng quét qua điểm cao tranh, lỗ thứ hai quét thấp lỗ chút, lỗ thứ lại thấp chút nữa,… tâm tranh Để thu hình ảnh, Nipkow quay đĩa, sau vòng quay, tất điểm tranh lên Những đĩa tương tự quay điểm nhận Khi tốc độ quay đạt 15 vòng/'giây, ánh sáng qua hệ thống đĩa tái tạo hình ảnh tĩnh tranh Thiết bị Nipkow sử dụng tới thập kỷ 20 kỷ Sau kỹ thuật truyền ảnh tĩnh dựa hệ thống đĩa Nipkow Jenkins Baird tiếp tục hoàn thiện Những hình ảnh thu thô nhận Thiết bị thu sử dụng đĩa Nipkow đặt phía trước đèn điểu khiển độ sáng tin hiệu từ phận cảm quang phía sau đĩa thiết bị phát Năm 1926 Baird công bố hệ thống truyền ảnh tĩnh sử dụng đĩa Nipkow 30 lỗ Kỹ thuật gọi phương pháp quét học, hay phương pháp phân tích học Đồng thời với phát triển phương pháp phân tích học, năm 1908 nhà sáng chế người Anh Campbell Swinton đưa phương pháp phân hình điện tử Ông sử dụng ảnh để thu nhận điện tích thay đổi tương ứng với hình ảnh, súng điện tử trung hoà điện tích này, tạo dòng biến tử biến thiên Nguyên lý Zworykin áp dụng ống ghi hình iconoscope, phận quan trọng camera Về sau, đèn orthicon đại sử dụng thiết bị tương tự Năm 1878, nhà vật lý hoá học người Anh, William Crookes phát minh tia âm cực Tới năm 1908, Campbell Swinton Boris Rosing, người Nga, độc lập nghiên cứu kết qủa thu hai ông lại tương đồng Theo đó, hình ảnh tái tạo cách dùng ống phóng tia âm cực (cathoderays, tube-CRT) bắn phá hình phủ phóphor Trong suốt năm 30, công nghệ CRT kỹ sư điện tử người Mỹ tên Allen DuMont tập trung nghiên cứu Phương pháp tái 11 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 4-1 Sơ đồ dàn anten thông minh 4.2 Nguyên lý hoạt động Lúc đầu anten đơn giản xạ nhận lượng theo hướng, theo hướng cố định thiết kế anten quy định Để nhận tín hiệu, thu tín hiệu từ phía cố định không gian, phụ thuộc vào vị trí anten đồ thị phương hướng thân anten Khi thu tín hiệu ý thức hướng có lượng tới mạnh nhấ Do hạn chế mà cường độ tín hiệu thu chịu ảnh hưởng nhiều từ vị trí đặt anten thiết kế định hướng anten Tình tương tự xảy anten xạ công suất môi trường Nếu đơn xạ tất 83 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu hướng, lượng tín hiệu truyền bị phân tán vào không gian, không tập trung hướng cố định gây lãng phí công suất việc truyền nhận tín hiệu sóng điện từ không tối ưu Hơn anten thiết kế định hướng tốt theo phương, lại lúc đáp ứng việc phát xạ tập trung nhiều hướng khác nhau, luân phiên theo thời gian Ý tưởng anten thông minh dựa vào hệ thống thính giác người Một người nhận biết hướng đến (Direction of Arrival) âm băng cách lợi dụng đặc điểm:  Tai người hoạt động cảm biến âm nhận tín hiệu  Giữa hai tai có khoảng cách nên tai nhận tín hiệu với thời gian trễ khác  Bộ óc người xử lí tín hiệu đặc biệt, thực số lượng lớn phép tính để kết hợp thông tin tìm vị trí âm nhận Giả thiết có người nói chuyện phòng Người nghe người xác định vị trí người nói gần phòng giọng người nói đến cảm biến âm (ở đôi tai) với thời gian khác Bộ xử lí người não ước lượng hướng người nói từ khác biệt thời gian trễ tai Sau não thêm vào cường độ tín hiệu tai để tập trung vào âm hướng tính Lợi dụng trình tương tự, não người có khả nhận biết nhiều tín hiệu với nhiều hướng tới khác Vì người nói khác tham gia vào nói chuyện, não tăng cường tín hiệu nhận từ người cần nghe mà không ý tới người khác Do đó, người nghe có khả nhận giọng người từ nhiều người nói chuyện lúc, tập trung vào nói chuyện thời điểm Theo cách này, nhiễu không mong muốn yếu Ngược lại người nghe đáp lại hướng người nói cách định hướng miệng tới người nói 84 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 4-1 Cơ chế nhận biết hướng tín hiệu đến dựa thính giác người Hệ thống anten thông minh làm việc theo cách đó, dùng anten thay cho tai, xử lí tín hiệu thay cho não hình 1.3 Dựa vào thời gian trễ tín hiệu phần tử anten, xử lí tín hiệu số tính hướng sóng tới (DOA) tín hiệu mong muốn(SOI), sau điều chỉnh kích thích (tăng ích pha tín hiệu) để tạo mô hình xạ tập trung vào SOI loại bỏ tín hiệu không mong muốn (SNOI) Cùng ý tưởng với hệ thống thông tin di động, trạm gốc đóng vai trò người nghe, điện thoại tế bào âm tai nghe thấy Bộ xử lí tín hiệu trạm gốc làm việc với dãy anten có trách nhiệm điều chỉnh thông số để lọc nhiễu hay SNOI tăng cường SOI Như thế, hệ thống định dạng mô hình xạ theo cách thích nghi, đáp ứng linh hoạt tín hiệu môi trường biến đổi 85 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 4-2 Hệ thống anten thông minh 4.3 Các kiểu anten thông minh Anten thông minh có dạng chính:  Anten chuyển búp sóng: kiểu anten mà búp sóng phát xạ thay đổi theo mô hình có sẵn  Anten thích nghi: kiểu anten cho phép hiệu chỉnh cách mềm dẻo giản đồ phương hướng dàn anten để tối ưu số đặc tính tín hiệu thu Búp sóng dàn thay đổi hướng cách liên tục theo thời gian thực Đối với nhiễu giao thoa cấp thấp hai loại anten thông minh cung cấp tăng ích đáng kể so với hệ thống sector hóa truyền thống với giao thoa cấp cao, khả loại bỏ nhiễu giao thoa hệ thống thích nghi hiệu hệ thống truyền thống hệ thống chuyển búp sóng 86 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 4-3 Hiệu triệt nhiễu hệ thống anten thích nghi so với hệ thống anten chuyển búp sóng hệ thống truyền thống Giả sử có nguồn tín hiệu mong muốn hai nhiễu đồng kênh đến trạm gốc hệ thống thông tin dùng anten thông minh Hình 4-3 mô tả mẫu búp sóng mà kĩ thuật định dạng cho trường hợp Đường màu sáng tín hiệu mong muốn, đường tối màu nhiễu Cả hai hướng búp có mật độ lớn đến tín hiệu cần kĩ thuật chuyển búp sóng cho kết không tốt dàn anten thích nghi Hệ thống thích nghi chọn cách xếp xác hơn, nhậ cường độ tín hiệu lớn Tương tự, tín hiệu nhiễu tới chỗ có mật độ thấp nằm búp sóng chính, lại điểm xạ cực tiểu(Null) Dàn anten thích nghi đảm bảo tín hiệu nhận tốt mức tác động nhiễu Hình 4-4 Giản đồ hướng xạ hệ thống chuyển mạch dàn anten thích nghi Cấu trúc xếp phần tử anten 87 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Hình 4-5 Các loại cấu trúc anten thông minh Vị trí phần tử anten đóng vai trò quan trọng việc tạo chất lượng đồ thị xạ Một đồ thị xạ đạt chất lượng cao ănten thông minh búp sóng lớn nhiều so với búp phụ khác hướng phía thuê bao mong muốn, nút sóng phía thuê bao nhiễu đồng kênh cell Cấu trúc dàn đường thẳng: Đây cấu trúc thông dụng đơn giản, sử dụng BS chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt Trong cấu trúc này, khoảng cách phần tử Δxx Búp sóng hệ thống phủ sóng hình quạt Cấu trúc hình tròn: Các phần tử anten tạo với tâm hệ thống góc ΔΦ 𝑁 Búp sóng đồ thị xạ phủ toàn vùng ngang Cấu trúc dàn chữ nhật cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng theo hai phương dọc ngang Hai cấu trúc cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc) Về mặt lý thuyết hệ thống có L phần tử ănten, có 88 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu thể tạo L-1 nút sóng hướng phía thuê bao nhiễu đồng kênh cell.Tuy nhiên môi trường đa đường số nhỏ Các tham số dàn anten Dưới số định nghĩa sử dụng để mô tả hệ thống anten: Mẫu xạ: Mẫu xạ anten phân phối tương đối công suất xạ hàm hướng không gian Mẫu xạ anten kết mẫu phần tử hệ số dàn, hai định nghĩa bên Nếu 𝑓(𝜃, 𝜑) mẫu xạ phần tử anten 𝐹(𝜃, 𝜙) hệ số dàn mẫu xạ dàn, 𝐺(𝜃, 𝜙) gọi mẫu búp sóng cho phương trình đây: 𝐺(𝜃, 𝜑) 𝑓(𝜃, 𝜑) 𝐹(𝜃, 𝜑) ( 0.1) Búp sóng chính: Búp sóng mẫu xạ anten búp sóng chứa hướng công suất xạ lớn Búp sóng phụ: Búp sóng phụ búp sóng không tạo thành búp sóng Chúng cho phép tín hiệu nhận theo hướng khác hướng búp sóng đó, búp sóng không mong muốn tránh khỏi Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng ănten độ rộng góc búp sóng Độ rộng búp sóng dB hay bề rộng búp sóng nửa công suất độ rộng góc điểm búp sóng đạt giá trị dB bên đỉnh búp sóng Độ rộng búp sóng nhỏ kết dàn có kích thước rộng nghĩa khoảng cách hai phần tử xa dàn Hiệu suất anten: Hiệu suất anten tỉ số tổng công suất xạ anten tổng công suất đầu vào anten Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách phần tử dàn anten 𝑑 > 𝜆 xảy tượng lấy mẫu không gian sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây tượng tối đa thứ cấp, gọi búp sóng nhiễu xạ, xuất mẫu xạ, thấy Hình 4-3 Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến không rõ ràng hướng tín hiệu đến, điều có nghĩa xuất búp sóng hướng không mong muốn Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ lấy mẫu không gian tương tự với hiệu ứng gán 89 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu biệt danhtrong lấy mẫu thời gian Do khoảng cách d phần tử dàn 𝜆 phải chọn nhỏ , để tránh búp sóng nhiễu xạ Tuy nhiên, khoảng cách không gian phần tử lớn 𝜆 cải thiện giải pháp không gian cho dàn anten, tức giảm độ rộng búp sóng 3dB Hình 4-3, giảm tính tương quan tín hiệu đến phần tử anten 4.3 Ưu điểm anten thông minh Giảm trễ fading đa đường Trải trễ đường truyền đa đường gây ra, tín hiệu đến từ hướng khác bị trễ theo khoảng cách khác Ở phía phát, anten thông minh tập trung lượng theo hướng yêu cầu, hỗ trợ việc giảm phản xạ đa đường giảm trải trễ phía thu, dàn anten thực kết hợp tối ưu sau bù trễ cho tín hiệu đa đường tới dàn Những tín hiệu mà trễ bù đắp bị xoá bỏ hình thành nút sóng hướng chúng Giảm nhiễu đồng kênh Dàn anten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp áp dụng cho bên thu bên phát để giảm nhiễu đồng kênh Khi phát, anten sử dụng để tập trung lượng phát xạ nhằm tạo búp sóng có hướng vùng có thu Điều có nghĩa có nhiễu hướng khác mà búp sóng không hướng đến Nhiễu đồng kênh bên phát giảm cách hình thành nút sóng hướng thu khác Lược đồ mục đích giảm lượng phát hướng thu đồng kênh cần thông tin quyền ưu tiên vị trí chúng Tăng dung lượng hệ thống cải thiện hiệu suất phổ Hiệu suất phổ mạng liên quan đến lưu lượng mà hệ thống cho trước với phân phối phổ định điều khiển Việc tăng số lượng người dùng hệ thống thông tin di động mà không làm mát hiệu tăng hiệu suất phổ Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ liệu lớn mà kênh 90 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu có độ rộng băng tần cho trước trì Dung lượng kênh cải tiến dẫn đến khả phục vụ nhiều người sử dụng với tốc độ liệu xác định, có nghĩa hiệu suất phổ tốt Chất lượng dịch vụ, sử dụng anten thông minh để giảm nhiễu đồng kênh pha đinh đa đường, bị thay đổi theo gia tăng số lượng người sử dụng Tăng hiệu suất truyền dẫn Một dàn anten có hướng tự nhiên, có độ khuyếch đại cao hướng mà búp sóng hướng đến Tính tận dụng để mở rộng dải tần trạm gốc, làm kích thước cell lớn hay sử dụng để giảm công suất phát máy di động Việc sử dụng anten có hướng cho phép trạm gốc nhận tín hiệu yếu so với anten vô hướng Điều có nghĩa máy di động phát công suất thấp tuổi thọ pin dài hơn, hay sử dụng pin nhỏ hơn, có trọng lượng kích thước nhỏ hơn, điều có ý nghĩa quan trọng máy di động điều khiển tay Khi đó, trạm gốc giảm công suất phát cho phép sử dụng thành phần điện tử có tiêu công suất thấp phí thấp Giảm chuyển giao Khi lưu lượng cell tăng vượt dung lượng cell việc phân tách cell thường sử dụng để tạo cell mới, cell có trạm gốc tần số cố định Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyển giao thực Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng dung lượng cell, số lượng chuyển giao cần thiết giảm Vì búp sóng hướng đến thuê bao, chuyển giao không cần thiết trừ búp sóng sử dụng tần số giao Mở rộng tầm phủ sóng Tầm sóng định nghĩa khoảng cách lớn mà người sử dụng liên lạc với trạm gốc đảm bảo chất lượng tín hiệu Khả mà anten thông minh mở rộng tầm sóng tăng tỷ lệ tín hiệu thu nhiễu Giả sử, có L phần tử anten nhiễu giới hạn, 91 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu tín hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thu công suất tín hiệu tăng lên L2 lần công suất nhiễu tăng lên có L lần Tầm phủ sóng dàn anten lớn so với phần tử đơn thông thường Giảm công suất phát trạm di động Khi sử dụng dàn ănten L phần tử tín hiệu thu trạm gốc tăng lên, công suất phát máy di động giảm xuống L lần Vì mà tuổi thọ pin máy di động lâu hơn, đồng thời lại giảm kích thước pin, hai yếu tố ưu điểm quan trọng cho máy cầm tay Cải thiện chất lượng tín hiệu Sử dụng ănten thông minh làm tăng SINR giảm BER đầu thu hệ thống số Đối với ứng dụng thoại video giảm BER có nghĩa tăng chất lượng tín hiệu thu Nói chung, với kênh giới hạn nhiễu, mức ngưỡng tín hiệu nhỏ giảm xuống 10log10L, L số phần tử ănten Tăng tốc độ giữ liệu Tăng SINR sử dụng để tăng số bit ký tự ghép kênh tốc độ chuyển mạch cao Điều làm tăng số bit hay có nghĩa làm tăng dung lượng kênh 4.4 Thiết kế mảng Anten thông minh sử dụng mạng tiếp điện ma trận Butler Với việc triển khai truyền hình số sử dụng công nghệ mạng đơn tần (SFN: Single Fredquency Network) có đặc điểm sử dụng nhiều máy phát công suất vừa nhỏ vùng phủ sóng điểm thu thu tín hiệu từ nhiều trạm khác đến Mà nhiều trường hợp, phía thu lại vị trí tốt để hướng búp song Anten thu phía có tín hiệu mạnh, đặc biệt sử dụng Anten thu để nhà Từ hình thành nên ý tưởng ghép mảng Anten thông minh có khả tự động điều chỉnh, lựa chọn thay đổi búp song để có mức tín hiệu thu tốt Căn vào lý thuyết nhân đồ thị phương hướng, tạo phân bố biên độ pha hợp lý cho phần tử dàn anten nhiều búp sóng tạo hướng khác không gian Cụ thể 92 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu thiết kế hệ thống để tiếp điện cho dàn anten với phân bố biên độ giống (đồng biên) pha tín hiệu phân bố tuân theo quy luật lũy tiến, nghĩa hiệu pha phần tử anten kề Ma trận Butler số mạng tạo búp sóng phổ biến nhất, dùng linh kiện thụ động ghép lai trễ pha cố định nên dễ dàng thiết kế mạch dải vi dải Hình 4-7 Sơ đồ nguyên lý mạng tiếp điện ma trận Butler Ma trận Butler 4x4 thiết kế theo nguyên lý sử dụng để tiếp điện cho mạng 4x4 Anten Yagi thiết kế đồ án Các anten xếp thành 𝜆 hàng cách đoạn nối vào cổng 5, 6, 7, Khi tiếp điện vào cổng 1, 2, 3, ma trận Butler, tín hiệu chia biên độ cho anten, với pha tín hiệu lệch 93 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Antenna Port Port Port Port d Port Port Port Port Hình 4-8 Sơ đồ nguyên lý tiếp điện cho mảng Anten sử dụng ma trận Butler 94 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Kết luận hướng nghiên cứu phát triển đề tài Kết luận Với đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế mạng tiếp điện cho anten mảng pha dùng cho máy thu truyền hình”, đặt thực mục tiêu sau: - Nghiên cứu, phân tích, tính toán thiết kế mô chế tạo thử nghiệm với đo đạc đánh giá thành công Anten Yagi kích thước nhỏ cho dải tần UHF truyền hình Việt Nam - Anten thiết kế chế tạo đạt dải tần hoạt động từ 700 MHz đến 800 MHz, hệ số tăng ích (gain) đạt ~8dBi Kích thước nhỏ gọn, đơn giản dễ chế tạo lắp đặt sử dụng - Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng ý tưởng thực kết hợp mạng tiếp điện với Anten để thiết kế tối ưu mảng Anten thông minh có khả lựa chọn búp sóng Hướng phát triển đề tài Hiện kết luận văn thành công việc thiết kế Anten đơn lẻ, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo mảng Anten thông minh dừng lại việc nghiên cứu lý thuyết xây dựng ý tưởng thiết kế Để tạo giải pháp anten thông minh toàn diện, cần tiếp tục nghiên cứu thiết kế tối ưu ghép mạng Anten phối hợp trở kháng với mạng tiếp điện sử dụng ma trận Butler, thiết kế mạch điều khiển chọn kênh trước đưa vào triển khai thử nghiệm sản xuất phục vụ trị trường Ngoài ra, Anten thiết kế hạn chế băng thông hẹp, hướng phát triển mở rộng dải tần toàn dải UHF dành cho truyền hình đồng thời không làm tăng đáng kể kích thước Anten Trong trình hoàn thành luận văn hẳn tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý thầy cô, anh, chị bạn 95 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Một lần xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đào Ngọc Chiến thầy cô giáo Viện Điện Tử- Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, hướng dẫn giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu thực luận văn Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy cô, gia đình, đồng nghiệp bạn! 96 Nghiên cứu thiết kế anten thông minh nhà cho máy thu truyền hình: Mảng anten thu Tài liệu tham khảo [01] Phan Anh Lý thuyết kĩ thuật anten, NXB Khoa Học Kĩ Thuật, Hà Nội [02] Phan Anh Trường điện từ truyền sóng, NXB đại học Quốc Gia Hà Nội, 2002 [03] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa Học Kĩ Thuật, Hà Nội [04] Ahmed El Zooghby, Smart Antenna Engineering, Artech House, London 2005 [05] Garret T Okamoto, Smart Antenna System and Wireless LANs, Kluwer Acadmec Publisher, USA 2002 [06] Frank Gross, Smart Antennas for Wireless Communications with Matlab, McGraw Hill, 2005 [07] F.A.Alhargan and S.R.Judah, Frequency Response Characteristics of the Multiport Planar Elliptic Patch, IEEE transactions on microwave theory and techniques Vol 40 No 8, August 1992 [08] Theodoros N Kaifas and Jonh N Sahalos, On the Design of a Single Layer Wideband Butler Matrix for Switched-Beam UMTS System Applications, Fellow, IEEE [09] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên, Bộ sách kĩ thuật thông tin số, nhà xuất Khoa Học kĩ thuật, Hà Nội 2006 [10] Lal Chand Godara, Smart Antennas, CRC Press, 2004 97