Nghiên cứu và thiết kế anten tích hợp cho các máy thu truyền hình trong nhà

Trong lĩnh vực truyền hình cùng với xu hướng chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số trên thế giới thì các công nghệ ti vi, thiết bị thu sóng truyền hình cũng phát triển n

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của chính tôi, không có sự sao chép hay vay mượn dưới bất kỳ hình thức nào để hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Điện tử Viễn thông

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này trước Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Hoàng Thanh Tùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH VÀ XU HƯỚNG SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH 10

1.1 Khái niệm cơ bản về truyền hình tương tự và truyền hình số 10

1.1.1 Truyền hình tương tự 10

1.1.2 Truyền hình số 11

1.2 Ưu nhược điểm của truyền hình số so với truyền hình tương tự 11

1.2.1 Ưu điểm: 11

1.2.2 Nhược điểm: 12

1.3 Các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất 12

1.3.1 Chuẩn ATSC 12

1.3.2 Chuẩn DVB-T 13

1.3.3 Chuẩn ISDB-T 14

1.4 Sơ lược lộ trình số hóa và xu hướng phân bổ tần số tại Việt nam 15

1.4.1 Xu hướng số hóa truyền hình tại Việt Nam 15

1.4.2 Tích hợp thiết bị thu truyền hình số vào tivi 16

1.4.2 Định hướng quy hoạch 16

1.4.2.1 Băng tần VHF (174-230)MHz: 16

1.4.2.2 Băng tần UHF (470-806) MHz: 17

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 18

2.1 Một số kiến thức cơ bản về anten 18

2.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten 18

2.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten 18

2.1.3 Các thông số đặc trưng của anten 19

2.1.3.1 Trường bức xạ 19

2.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ 21

1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ 25

1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích 27

2.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten 28

2.1.4.1 Khái niệm chung 28

2.1.4.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 29

2.2 Lý thuyết về anten vi dải 29

2.2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 29

2.2.1.1 Định nghĩa về một Anten vi dải 30

2.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải: 30

2.2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải 32

2.2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải 32

2.2.2 Một số cấu hình anten vi dải cơ bản 43

2.2.3 Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 45

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ ANTEN YAGI MẠCH IN TÍCH HỢP CHO CÁC MÁY THU TRUYỀN HÌNH 49

3.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động anten Yagi 49

3.1.1 Cấu trúc anten Yagi 49

3.1.2 Nguyên lý hoạt động anten Yagi 49

3.2 Phương pháp tính toán tham số đặc trưng của anten 56

3.3 Các phương pháp tiếp điện và phối hợp trở kháng cho anten Yagi 59

3.3.1 Tiếp điện bằng đường dây song hành 59

3.3.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 62

3.4 Quá trình phân tích, thiết kế anten 66

3.5 Giới thiệu phần mềm CST Microwave Studio 70

3.5.1 giao diện người dùng 70

3.5.2 Các đặc điểm chính 71

3.5.3 Transient solver 71

3.5.3.1 Các chức năng của Transient solver 72

3.5.3.2 Thiết lập các thông số Transient solver 72

3.5.3.3 Các tín hiệu trong mô phỏng miền thời gian 73

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO, ĐO ĐẶC, CĂN CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ANTEN 74

4.1 Mô phỏng anten Yagi mạch in hoạt động tại băng tần UHF 74

4.1.1 Tấm điện môi 74

4.1.2 Cấu trúc bộ biến đổi phối hợp trở kháng giữa cáp đồng trục và chấn tử trên mạch in (mặt trên tấm điện môi) 75

4.1.3 Kết quả mô phỏng, tối ưu 75

4.1.3.1 Anten Yagi mạch in 3 chấn tử 75

4.1.3.2 Anten Yagi mạch in 4 chấn tử 78

4.2 Chế tạo anten mạch in 4 chấn tử 82

4.3 Kết quả đo đặc tính anten thực tế 83

4.4 Anten tích hợp mạch khuếch đại tạp âm thấp 84

4.4.1 Lựa chọn IC khuếch đại MAX2640 84

4.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấp 84

4.4.3 Kết quả mô phỏng đặc tính mạch khuếch đại 85

4.4.4 Layout mạch in 85

4.4.5 Mạch in thực tế 86

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 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

UHF: Ultra High Frequency

EM: Electromagnetic

RF: Radio Frequency

DVB: Digital Video Broadcasting

DVB-T: Digital Video Broadcasting Terrestrial

ATSC: Advanced Television System Committee

DiBEG: Digital Broadcasting Expert Group

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Hệ số sóng chậm 54 Bảng 3.2: Thông số yêu cầu thiết kế anten 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.2 Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ ,22 Hình 2.3 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực 24 Hình 2.4 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc 24 Hình 2.5 Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và

Hình 2.9 Trường điện của anten nhìn theo chiều thẳng đứng 33 Hình 2.10 Hệ thống 3 nguồn dòng bề mặt cùng tạo ra trường khu xa giống

Hình 2.14 Một số cấu hình anten vi dải dạng mảnh khác nhau 44

Hình 2.17 Mô hình anten được tiếp điện bằng đường truyền vi dải 46 Hình 2.18: Mô hình anten vi dải được tiếp điện bằng cáp đồng trục 47 Hình 2.19 Mô hình anten vi dải được tiếp điện sử dụng dạng ống dẫn sóng

Hình 3.9: Sơ đồ tiếp điện cho chấn tử vòng dẹt 61 Hình 3.10: Sơ đồ mắc trực tiếp cáp đồng trục vào chấn tử đối xứng 63

Hình 3.14: đặc tính hoạt động của IC khuếch đại Max2640 70

Hình 3.15 : Giao diện người sử dụng phần mềm CST Microwave Studio 70 Hình 3.16 : Thiết lập thông số cho Transient solver 72 Hình 3.17 Các tín hiệu trong mô phỏng miền thời gian 73

Hình 4.2: Cấu trúc bộ biến đổi phối hợp trở kháng giữa cáp đồng trục và

Hình 4.3: Cấu trúc anten Yagi mạch in 3 chấn tử 75

Hình 4.5 : Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 700 Mhz 76 Hình 4.6: Giản đồ bức xạ tại tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 77 Hình 4.7: Giản đồ bức xạ tại tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 77

Hình 4.10: Giản đồ bức xạ của anten tại tần số 700 Mhz 79 Hình 4.11: Giản đồ bức xạ tại tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 79 Hình 4.12: Giản đồ bức xạ tại tần số 700 Mhz theo mặt phẳng YZ 80

Hình 4.14: Giản đồ bức xạ tại tần số 730 Mhz theo mặt phẳng XY 81 Hình 4.15: Giản đồ bức xạ tại tần số 730 Mhz theo mặt phẳng YZ 81

Hình 4.18 Kết quả đo đặc tính anten Yagi mạch in 4 chấn tử (sử dụng máy

Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại sử dụng MAX2640 84 Hình 4.20: Mô phỏng mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 84 Hình 4.21: Mô phỏng mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 85 Hình 4.22: Layout mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 85

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết Bằng cách sử dụng các hệ thống phát, thu

vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác

Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thu tín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoại di dộng Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio … cũng đều sử dụng anten

Trong lĩnh vực truyền hình cùng với xu hướng chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số trên thế giới thì các công nghệ ti vi, thiết bị thu sóng truyền hình cũng phát triển ngày càng đa dạng với nhiều công nghệ mới được ứng dụng như: ti vi 3D, OLED, 4K, bên cạnh đó việc tích hợp bộ giải mã kỹ thuật số trong ti vi đã phổ biến và sẽ trở thành yêu cầu bắt buộc đối với các loại ti vi thế hệ mới được nhập khẩu và sản xuất tại một số quốc gia trên thế giới trong tương lai gần

Căn cứ theo các xu hướng phát triển đó, Luận văn sẽ thực hiện nghiên cứu và thiết kế giải pháp anten tích hợp trong các máy thu truyền hình trong nhà

Mục đích của đề tài là tìm hiểu các cơ sở lý thuyết anten, từ đó thiết kế, chế tạo giải pháp anten đáp ứng khả năng thu sóng truyền hình trong nhà, có khả năng tích hợp trong các máy thu truyền hình trong nhà

Trong quá trình thực hiện luận văn, dù gặp rất nhiều khó khăn khi tiếp cận đề tài

và hướng nghiên cứu nhưng tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của PGS.TS Đào Ngọc Chiến người chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi làm luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Hoàng Thanh Tùng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH VÀ XU HƯỚNG SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH

1.1 Khái niệm cơ bản về truyền hình tương tự và truyền hình số

1.1.1 Truyền hình tương tự

Là công nghệ truyền hình phổ biến nhất và hiện đang được sử dụng rộng rãi trước đây Gọi là truyền hình tương tự vì các trạm thu phát đều là thiết bị tương tự, tín hiệu thu phát cũng là tín hiệu tương tự Tín hiệu được truyền dẫn trong không gian thông qua trạm anten phát, vệ tinh mặt đất hoặc phát lên vệ tinh địa tĩnh rồi phát xuống trở lại Thiết bị đầu cuối để thu được có thể là anten

Truyền hình tương tự bao gồm:

Truyền hình đen trắng: Ra đời năm 1920 và được xem như hoàn tất vào năm 1945, với sự ra đời của ống vidicon, dựa trên đặc tính quang trở của chất bán dẫn Nó bao gồm 3 hệ là: FCC, OIRT, và CCIT

Truyền hình màu: Ra đời khi truyền hình đen trắng đã hoàn thiện và sự phát triển của nó gắn liền với lí thuyết 3 màu Bao gồm các hệ là:

 Hệ NTSC: Ra đời năm 1950, được hình thành tại Mĩ, có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới Và đến năm 1954, hệ NTSC được phát trên kênh FCC, có

độ rộng dải tần tín hiệu chói là: 4,5Mhz (thực tế là 4,2Mhz)

 Hệ PAL: Ra đời năm 1966 ở tây Đức, là hệ được coi như cải tiến từ hệ NTSC và được phát triển trên kênh CCIT có độ rộng dải tần tín hiệu chói là 5,5Mhz(thực tế là 5,2Mhz)

 Hệ SECAM: Ra đời năm 1965 ở Pháp, được phát triển trên kênh OIRT có độ rộng dải tần tín hiệu chói là 6,5Mhz

Dải tần của tín hiệu truyền hình gồm 2 băng tần :

o VHF: 49.75 MHz ÷ 223,25 MHz

o UHF: 470 MHz ÷ 958 MHz

1.1.2 Truyền hình số

Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà tất cả các thiết bị kỹ thuật

từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả về

độ chói và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (dãy các số

0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự số Sự chuyển đổi truyền hình tương tự sang truyền hình số là một quá trình tất yếu cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đem lại những tiện ích nhiều hơn, trải nghiệm tốt hơn cho người dùng

Truyền hình kỹ thuật số mặt đất (Tiếng Anh: Digital Terrestrial Television – DTT) là công nghệ chuyển đổi từ Analog (tương tự) sang Digital (kỹ thuật số) Ưu điểm của phương thức này là hình ảnh sắc nét, có chiều sâu, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhiễu và bóng ma (ghost free) vốn là nhược điểm của truyền hình analog thông thường, loại bỏ tác hại của các tia sóng phản xạ, không bị ảnh hưởng nhiễu phát ra do máy vi tính, mô tơ điện, sấm sét… Truyền hình kỹ thuật số mặt đất có khả năng thu cố định hoặc xách tay, thu di động trên các phương tiện giao thông công cộng như ô tô, tàu hoả, máy bay Để sử dụng công nghệ này, người dùng cần

có ăng ten thu sóng và đầu thu kỹ thuật số (Set-top-box) để giải mã, chuyển đổi tín hiệu

Hiện nay có 3 tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất phổ biến trên thế giới:

 ATSC: Advanced Television System Committee (Mỹ)

 DVB-T: Digital Video Broadcasting- Terrestrial (Châu Âu)

 DiBEG: Digital Broadcasting Expert Group (Nhật)

1.2 Ưu nhược điểm của truyền hình số so với truyền hình tương tự

1.2.1 Ưu điểm:

Truyền hình số mặt đất

 Kỹ thuật số có sử dụng các kỹ thuật mã hóa làm tối ưu hóa dung lượng cần truyền nên máy phát số phát được vài chương trình số riêng biệt trên cùng 1 kênh phát , giúp tiết kiệm chi phí đầu tư, vận hành

 Công suất máy phát số không cần lớn như máy phát analog (nếu cùng 1 diện phủ sóng) vì mức cuờng độ trường cần ở điểm thu thấp hơn nhiều so với tương tự

 Tránh được hiện tượng sóng phản xạ từ nhiều hướng gây nên ảnh bóng của

TV mà hệ phát analog không loại trừ được Đối với DVB và DiBEG thì có khả năng thu di động tốt

 Sử dụng mã hóa kênh truyền nên có khả năng chống nhiễu, có khả năng phát hiện và sửa lỗi tốt hơn so với truyền hình tương tự

 Chất lượng hình ảnh, tiếng nói thu được đẹp nét gần như ảnh, tiếng thực, chất lượng âm thanh và hình ảnh khá cao

 Dữ liệu số có khả năng lưu trữ, sửa, mã hóa và sử dụng nhiều lần mà không thay đổi chất lượng

1.2.2 Nhược điểm:

- Truyền hình kỹ thuật số đòi hỏi thiết bị phức tạp và giá thành cao hơn so với

truyền hình tương tự (chỉ cần anten và tivi) Và muốn sử dụng truyền hình số

thì người dân phải bỏ chi phí sử dụng và phí thiết bị

1.3 Các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất

1.3.1 Chuẩn ATSC

 Năm 1996 FCC đã chấp nhận tiêu chuẩn truyền hình số của Mỹ dựa trên tiêu chuẩn gói dữ liệu quốc tế 188 bytes Mpeg-2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể được quy định bởi ATSC ATSC cho phép 36 chuẩn video gồm cả HDTV và SDTV với các phương thức quét (xen kẽ, liên tục) và các tỷ lệ khuôn hình khác nhau (4:3, 16:9)

 ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình liên kết hệ thống mở OSI 7 lớp của các mạng dữ liệu Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác cùng lớp ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả video, audio và dữ liệu phụ Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với sửa lỗi, ghép dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích với các dạng thức ATM

 Phương pháp điều chế: 8-VSB

o Điều chế 8-VSB (Vestigial Sideband):

- Dòng dữ liệu vào: MPEG-2 Tốc độ 19.39 Mb/s

- Mỗi gói có 188 BYTE dữ liệu + 20 BYTE RS

- Dữ liệu được truyền theo từng khung (Data frame), gồm nhiều đoạn (Data segment)

- Mỗi đoạn dữ liệu=Symbol Đồng bộ +Symbol dữ liệu

- Các Symbol được điều chế theo phương thức nén sóng mang

- Tín hiệu Q không mang thông tin

- Thông tin chứa trong thành phần I (-7÷+7)

 Dung lượng bit: 19,39 Mbit/s

 Trên một kênh 6 MHz có thể truyền: 1 chương trình HDTV hoặc 4 chương trình SDTV

 Nước sử dụng: Mỹ, Canada, Hàn Quốc, Mexico

 ƯU ĐIỂM CỦA ATSC:

o Ngưỡng dưới cho phép của tỷ số S/N tốt hơn DVB-T, 4dB(công suất nhỏ hơn khoảng 2.5 lần)

o Dung lượng bit/kênh 6MHz lớn (19,3 Mb/s)

o Khả năng chống nhiễu đột biến tốt hơn DVB-T

1.3.2 Chuẩn DVB-T

 1995 các nước châu âu nghiên cứu và thử nghiệm DVB-T Đến 2/1997 chính

thức ban hành bởi ESTI

 DVB dùng điều chế ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã (COFDM), tốc độ bit tối đa 24 Mbps( dải thông 8Mhz).Điểm nổi trội nhất của COFDM

là ở chỗ dòng dữ liệu cần truyền tải dược phân phối cho nhiều sóng mang riêng biệt Mỗi sóng mang được xử lý tại một thời điểm thích hợp và được gọi là một “COFDM Symbol”.Do số lượng sóng mang lớn, mỗi sóng mang lại chỉ truyền tải một phần của dòng bít nên chu kỳ của một biểu trưng khá lớn so với chu kỳ của một bít thông tin.Các sóng mang riêng biệt được điều

chế QPSK, 16QAM hoặc 64QAM Tỷ lệ mã hoá thích hợp của mã sửa sai cũng góp phần cải thiện chất lượng hệ thống

 Nước sử dụng: Châu Âu, Úc, Phi và một số nước châu Á

 ƯU ĐIỂM CỦA DVB-T:

o Khả năng thu di động

o Khả năng chống lại phản xạ nhiều đường

o Mạng đơn tần và phủ sóng lõm

o Nhiều khả năng lựa chọn thông số phù hợp cho các quốc gia, địa hình…

 Tháng 6/2008: nhóm DVB Project đã công bố phiên bản nâng cấp DVB-T2 DVB-T2 kế thừa những thành công của DVB-T với nhiều cải tiến về việc gia tăng dung lượng truyền dẫn Khả năng gia tăng dung lượng là một trong những ưu điểm chính của DVB-T2 So sánh với chuẩn truyền hình số DVB-T hiện nay, tiêu chuẩn DVB-T2 gia tăng dung lượng tối thiểu 30% trong cùng điều kiện thu sóng và sử dụng các anten thu hiện có Tiêu chuẩn DVB-T2 đã nhanh chóng được các nước đưa vào thử nghiệm và triển khai thực tế trong

đó có Việt Nam

1.3.3 Chuẩn ISDB-T

 ISDB-T còn gọi là tiêu chuẩn DiBEG của Nhật Bản ban hành năm 1997, sử dụng kỹ thuật ghép kênh đoạn dải tần BTS (Band Segmened) – OFDM và cho phép sử dụng các phương thức điều chế tín hiệu số khác nhau đối với từng đoạn dữ liệu như QPSK, DQPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM

 ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền đa chương trình phức tạp với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu di động v.v có thể sử dụng cho các kênh truyền 6, 7 và 8MHz

o Sử dụng kỹ thuật BST-OFDM (Band Segmented OFDM)

o Sử dụng phương pháp điều chế số khác với từng đoạn dữ liệu: QPSK,

16 QAM, 64QAM

o Tín hiệu truyền đi gồm 13 khối OFDM, mỗi khối có dải phổ: 432 KHz

o Độ rộng kênh RF: 6 MHz (7 hoặc 8)

o Trên thực tế là một biến thể của DVB-T

 Nước sử dụng: Nhật Bản

 Ưu điểm của DiBEG:

o Một số những điểm ưu việt của DVB-T

o Tính mềm dẻo của hệ thống

1.4 Sơ lược lộ trình số hóa và xu hướng phân bổ tần số tại Việt nam

1.4.1 Xu hướng số hóa truyền hình tại Việt Nam

Truyền hình số mặt đất ra đời và đã nhanh chóng khẳng định được vị thế trên thị trường Chính vì những ưu điểm vượt trội của truyền hình số mà hầu hết các nước trên thế giới trong đó có Việt Nam đã đưa ra lộ trình số hóa truyền hình số mặt đất

và ngưng phát sóng truyền hình tương tự Căn cứ Quyết định 2451/QĐ-TTg ngày

27 tháng 12 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020”

Mục tiêu của quá trình số hóa:

- Chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất từ công nghệ tương tự sang công nghệ số (sau đây gọi là số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất) theo hướng hiện đại, hiệu quả, thống nhất về tiêu chuẩn và công nghệ nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng số lượng kênh chương trình, nâng cao hiệu quả sử dụng tần số truyền hình, đồng thời giải phóng một phần tài nguyên tần số để phát triển các dịch vụ thông tin di động và vô tuyến băng rộng

- Mở rộng vùng phủ sóng truyền hình số mặt đất nhằm phục vụ tốt nhiệm vụ phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, cung cấp các dịch vụ truyền hình đa dạng, phong phú, chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu và thu nhập của người dân đảm bảo thực hiện tốt nhiệm vụ chính trị, quốc phòng an ninh của Đảng và nhà nước

- Hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng truyền hình số mặt đất nhằm thu hút nguồn lực của xã hội để phát triển hạ tầng kỹ thuật truyền hình, trên cơ sở đảm bảo sự quản lý thống nhất, có hiệu quả của Nhà nước

- Tạo điều kiện để tổ chức và sắp xếp lại hệ thống các đài phát thanh, truyền hình trên phạm vi cả nước theo hướng chuyên môn hóa, chuyên nghiệp

1.4.2 Tích hợp thiết bị thu truyền hình số vào tivi

Đề án số hóa truyền hình mặt đất đặt mục tiêu tới năm 2020 sẽ phủ sóng để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư Ngoài

ra, 100% các hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau Bộ TTTT yêu cầu các đơn vị cung cấp truyền hình không được khóa mã kênh truyền hình quảng bá khi triển khai số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất, các đơn vị cung cấp dịch vụ không được khóa

mã các kênh truyền hình thiết yếu, phục vụ thông tin chính trị, xã hội

Như vậy, khi phát sóng truyền hình tương tự (Analog), các máy thu hình hiện nay (bắt sóng truyền hình bằng ăng-ten) sẽ không thu được tín hiệu truyền hình nữa và phải lắp thêm đầu thu hình số mặt đất

Ban chỉ đạo Đề án số hóa truyền hình mặt đất (Bộ TTTT) đã thống nhất áp dụng phiên bản tiêu chuẩn DVB-T2 cho truyền hình số mặt đất Việt Nam và lộ trình tích hợp thiết bị thu truyền hình số mặt đất vào máy thu hình sản xuất và nhập khẩu để

b) Các kênh truyền hình tương tự trong băng tần này được giải phóng theo lộ trình số hóa, theo điều kiện thực tế có thể được ưu tiên sử dụng tại các khu vực lân cận, thay thế cho một số kênh truyền hình tương tự băng tần UHF nhằm sử dụng băng tần UHF cho triển khai truyền hình số mặt đất ổn định lâu dài

1.4.2.2 Băng tần UHF (470-806) MHz:

a) Dải tần (470-694) MHz (các kênh UHF 21-48): Dành cho các hệ thống truyền hình số mặt đất tiêu chuẩn DVB-T và các phiên bản tiếp theo sử dụng ổn định lâu dài

b) Dải tần (694-790) MHz (các kênh UHF 49-60): Sử dụng tạm thời cho hệ thống truyền hình tương tự và truyền hình số mặt đất, chuyển đổi kênh tần số theo

lộ trình số hoá và các quy hoạch tần số có liên quan

c) Không triển khai thêm máy phát sóng truyền hình mặt đất sử dụng các kênh UHF 61,62 thuộc dải tần (790-806)MHz, ngừng sử dụng hai kênh này để giải phóng băng tần ngay khi ấn định được kênh tần số thay thế

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ

ANTEN VI DẢI

2.1 Một số kiến thức cơ bản về anten

2.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

- Dùng các hệ truyền dẫn: Nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi v.v…Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

- Bức xạ sóng ra không gian: Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ

Trong thông tin không dây anten làm nhiệm vụ bức xạ và hấp thụ sóng điện từ

Nó được sử dụng như một bộ chuyển đổi sóng điện từ từ các hệ truyền dẫn định hướng sang môi trường không gian tự do

Anten sử dụng trong các hệ mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau Với phát thanh - truyền hình làm nhiệm vụ quảng bá thông tin thì anten phát thực hiện bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất để cho các đài thu ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển thì yêu cầu anten phát bức xạ với hướng tính cao

2.1.2 Cấu trúc chung của hệ anten

Một hệ truyền thông tin không dây đơn giản thường bao gồm các khối cơ bản: máy phát – anten phát – anten thu – máy thu Đường truyền dẫn sóng điện từ giữa

máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu được gọi là Fide (Feeder)

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực thông tin, nhận dạng, rađa điều khiển v.v…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 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 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) Sơ đồ chung của hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten như sau:

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống anten

2.1.3 Các thông số đặc trưng của anten

2.1.3.1 Trường bức xạ

Để khảo sát đặc tính trường của dòng, ta thường chia không gian khảo sát làm

hai khu vực chính: trường gần và trường xa

Hệ thống

cung cấp

tín hiệu

Hệ thống bức xạ

Hệ thống cảm thụ bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệu

Thiết bị điều chế

Thiết bị

xử lý tin

Máy thu Máy phát

Trường gần là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá nhỏ

so với bước sóng (r << λ) Thừa số pha của trường trong khu vực này là:

lượng trong một mạch dao động Vì vậy trường ở khu gần còn được gọi là trường cảm ứng, và khu gần được gọi là khu cảm ứng

Trường xa là miền không gian bao quanh hệ thống dòng, có bán kính r khá lớn

so với bước sóng (r >> λ) Khi ấy ta không thể bỏ qua sự chậm pha của trường ở điểm khảo sát Điện trường và từ trường của khu xa luôn đồng pha nhau, do đó năng lượng bức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào không gian xung quanh Trường

ở khu vực này có đặc tính sóng lan truyền nên trường xa còn được gọi là khu sóng, hay khu bức xạ Khi khảo sát các bài toán bức xạ thì chúng ta thường chỉ quan tâm

- Vectơ điện tích và từ trường có hướng vuông góc với nhau và vuông góc với

hướng truyền lan Sóng bức xạ thuộc loại sóng điện-từ ngang

- Sự biến đổi của cường độ điện tích và từ trường trong không gian (khi R không đổi) được xác định bởi tổ hợp các hàm bức xạ G e (,)vàG m (,) Các hàm số này phụ thuộc vào phân bố dòng điện và dòng từ trong không gian của hệ thống bức

xạ Trong trường hợp tổng quát chúng là các hàm phức số

2.1.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ

a) Đồ thị phương hướng biên độ và pha

Gọi hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướng khảo sát, ứng với khoảng cách R không đổi, là hàm phương hướng của hệ thống bức xạ và kí hiệu là f(,)

Trong trường hợp tổng quát, hàm phương hướng là hàm vectơ phức, bao gồm các thành phần theo  và :

me i f e f

nó chính là biên độ của hàm phương hướng phức Trong trường hợp tổng quát, biên

độ của hàm phương hướng có thể là các hàm có dấu biến đổi khi , thay đổi Do

đó hàm phương hướng biên độ được định nghĩa cụ thể hơn là môđun của hàm phương hướng phức Như vậy, hàm phương hướng biên độ của trường tổng sẽ là:

) , ( )

,

f  (chỉ số m là kí hiệu biên độ của hàm bức xạ) (2.3)

Giản đồ phương hướng của anten được định nghĩa là một đồ thị không gian biểu thị

sự biến đổi tương đối của biên độ cường độ trường Giản đồ phương hướng xét theo phương diện hình học, là một mặt được vẽ bởi đầu mút của vectơ có độ dài bằng giá trị của hàm phương hướng f , ứng với các góc (θ,φ) khác nhau

Có nhiều cách khác nhau để biểu thị đặc tính phương hướng không gian của trường bức xạ, cụ thể là:

- Biểu diễn 3-D: Giản đồ phương hướng được thiết lập bằng cách lấy một mặt cầu

bao bọc nguồn bức xạ Tâm của mặt cầu được chọn trùng với gốc của hệ tọa độ cầu

Khi ấy, mỗi điểm cường độ trường đo được trên mặt cầu sẽ tương ứng với một cặp giá trị nhất định của tọa độ góc (θ,φ)

Hình 2.2 Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ ,

- Biểu diễn 2-D trong mặt phẳng E và H: Ngoài cách biểu diễn 3-D như trên, giản

đồ phương hướng còn được biểu diễn bởi 2 đồ thị 2-D trong mặt phẳng E và mặt phẳng H Giản đồ phương hướng 3-D có thể được xây dựng từ hai giản đồ 2-D này

Để có được giản đồ bức xạ 2-D, hệ anten được đo giản đồ phương hướng trong hai

mặt phẳng E và H của anten (mặt phẳng cắt) Mặt phẳng cắt thu được bằng cách giữ

nguyên một đại lượng θ hoặc ф và thay đổi đại lượng còn lại

- Biểu diễn dưới dạng các đường đẳng mức: Giản đồ phương hướng còn có thể

biểu diễn bởi các đường cong đẳng mức của cường độ trường Các đường cong này

là các đường khép kín Cực đại của giản đồ phương hướng và của các múi phụ được biểu thị bởi các dấu chấm trên mặt cầu Khi đem chiếu phần mặt cầu có các đường đẳng trị nói trên lên mặt phẳng ta sẽ nhận được giản đồ phương hướng của trường bức xạ

Tuy nhiên, khi biểu diễn giản đồ phương hướng, cần phải chọn các mặt phẳng cắt sao cho nó phản ánh được đầy đủ nhất đặc tính phương hướng của hệ thống bức xạ:

- Khi giản đồ phương hướng có dạng tròn xoay thì có thể chọn mặt cắt là mặt phẳng đi qua trục đối xứng của đồ thị

- Khi giản đồ phương hướng có dạng phức tạp hơn thì mặt cắt thường được chọn là hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua hướng cực đại của giản đồ phương hướng Hướng trục của hệ tọa độ có thể chọn tùy ý nhưng thường được chọn sao cho thích hợp với dạng của giản đồ phương hướng Nếu giản đồ phương hướng có trục đối xứng thì tốt nhất nên chọn trục đó làm trục tọa độ, còn không thì chọn hướng cực đại của giản đồ phương hướng

Giản đồ phương hướng 2-D có thể biểu diễn trong hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độ vuông góc:

- Hệ toạ độ cực thường được sử dụng để vẽ giản đồ anten có độ định hướng

không cao Định dạng này đặc biệt hữu dụng để quan sát phân bố công suất trong không gian

- Hệ tọa độ vuông góc được sử dụng để biểu thị giản đồ phương hướng hẹp

một cách chi tiết Trường hợp này biên độ tín hiệu nằm trên trục y và góc nghiêng nằm trên trục x Khi đó các giá trị của |fθ| hoặc |fφ| có thể được biểu thị theo thang tỉ

lệ thông thường hay theo thang logarit

Để thuận tiện cho việc thiết lập và phân tích các giản đồ phương hướng, ta thường dùng giản đồ phương hướng chuẩn hóa Về mặt toán học, hàm phương hướng chuẩn hóa là hàm hướng chia cho giá trị cực đại của môđun (lấy giá trị tuyệt đối)

Dưới đây là ví dụ về giản đồ phương hướng chuẩn hoá trong hệ tọa độ cực và hệ tọa

độ vuông góc:

Hình 2.3 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực

Hình 2.4 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc

Để so sánh giản đồ phương hướng của các anten khác nhau, ta đưa ra khái niệm

độ rộng của giản đồ phương hướng Độ rộng của giản đồ phương hướng được định

nghĩa là góc giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đến một giá trị nhất định Thường thì độ rộng của giản đồ phương hướng được xác định ở hai mức:

- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức không là góc giữa hai hướng mà

theo đó cường độ trường bức xạ bắt đầu giảm đến không

- Độ rộng của giản đồ phương hướng theo mức nửa công suất (-3dB) là góc giữa

hai hướng mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với cường độ trường giảm đi 2lần)

c) Hàm phương hướng pha

Đặc tính phương hướng pha của anten biểu thị trong các hàm số arg f và



f

arg của công thức (1.3) Ở đây, arg f và arg fchỉ biểu thị pha của hàm

phương hướng, còn pha của các thành phần vectơ trường tại điểm khảo sát được xác định bởi:

Với k là hệ số truyền sóng và R là khoảng cách từ điển khảo sát tới anten

1.1.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ

Ta đã biết ba đặc tính cơ bản của trường bức xạ là đặc tính phương hướng biên

độ, đặc tính phương hướng pha và đặc tính phân cực Ở phần này ta sẽ xem xét về đặc tính phân cực của trường bức xạ

Biên độ phức của vectơ điện trường được xác định bằng công thức:

] [

4  R fi fi

e ik E

R ik

Nếu ở hướng nào đó mà cả hai hàm số f và f đều khác không, còn argument của chúng bằng nhau thì vectơ E sẽ có hai thành phần theo hướng i và i Nhưng vì

hai thành phần này đồng pha nhau nên hướng của E trong không gian sẽ không đổi, ta cũng nhận được trường phân cực thẳng

Nếu hiệu argument của hai thành phần bằng , nghĩa là có thể coi một trong hai

thành phần hướng cùng chiều với vectơ đơn vị, còn thành phần thứ hai hướng ngược chiều với vectơ đơn vị nhưng hai thành phần này đồng pha nhau Ta có

hướng của vectơ E trong không gian cũng không biến đổi và vẫn nhận được trường phân cực thẳng

Khi ở tất cả các hướng đều nhận được trường phân cực thẳng, ta nói anten bức xạ sóng phân cực thẳng Nếu ở hướng nào đó có f và f khác không, còn arg f và



f

arg có giá trị khác nhau tùy ý thì trường ở hướng ấy sẽ là trường phân cực elip

Thực vậy, nếu gọi các vectơ thành phần trên hướng i và i là E1 và E2, còn hiệu

) arg (

m e f R

ik E

(2.6a)

) arg (

m e f R

ik E

Khi E1m = E2m thì phân cực elip biến thành phân cực tròn

Mặt phẳng tạo bởi vectơ điện trường và hướng truyền sóng được gọi là mặt phẳng phân cực

1.1.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích

Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất bức

xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten là giống nhau

Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn nguyên tố nào đó đã biết Nếu lấy anten chuẩn là nguồn vô hướng thì hệ số định hướng có thể được định nghĩa: hệ số định hướng là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp

Công thức:

0

1 1 1

1

),(),(

S

S

D     

(2.8) Trong đó: - S ( 1, 1) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (1,1)

- S 0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng

Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc anten

Tính toán cuối cùng cho ta:

) , ( F D d

d sin ) , ( F

) , ( F 4

0 2 0

2 m

1 1 2

Trong đó: D max là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại

F m 2 (,) là hàm phương hướng chuẩn hoá

Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất

bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho mức

độ tổn hao công suất của anten Nó được xác định bằng tỉ số của công suất bức xạ

trên công suất đặt vào anten:

0

P

PA





Trong đó: P là công suất bức xạ

P 0 là công suất đặt vào anten

Đối với anten có tổn hao thì P < P 0 nên A 1 Đối với anten lý tưởng (không tổn

hao) thì A 1

Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau, thì anten thực (có A 1) sẽ

có công suất bức xạ A P0 Như vậy, so với khi công suất bức xạ bằng nhau thì trong

trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng A

Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten:

),()

,()

Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ

của anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định

hướng của anten mà còn biểu thị tổn hao trên anten

2.1.4 Phối hợp trở kháng cho anten

2.1.4.1 Khái niệm chung

Trong đường truyền nói chung, tiếp điện cho anten nói riêng, việc phối hợp trở

kháng là hết sức quan trọng

Nội dung của phối hợp trở kháng được minh hoạ ở hình 2.5, trong đó sử dụng

một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp thường

là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho

trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zo của đường

truyền Khi ấy sự phản xạ sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền

dẫn sẽ không còn nữa, chỉ còn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều lần Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh

Hình 2.5 Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường

truyền sóng

2.1.4.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng

Sự phối hợp trở kháng hay điều chỉnh là quan trọng vì những lí do sau :

- Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại còn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v

- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp diện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chọn công suất

2.2 Lý thuyết về anten vi dải

2.2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải

Định nghĩa về những cấu trúc phát xạ vi dải được đưa ra lần đầu tiên bởi

Deschamps vào năm 1953 Tuy nhiên phải hai mươi năm sau thì những anten thực

tế mới được sản xuất Anten thực tế đầu tiên được phát triển vào đầu những năm

1970 bởi Howell và Munson Kể từ đó, việc nghiên cứu, phát triển các anten vi dải

và các mạng anten vi dải không ngừng được mở rộng, nhằm khai thác triệt để

những ưu điểm cũng như hạn chế bới các nhược điểm của nó

2.2.1.1 Định nghĩa về một Anten vi dải

Một anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một mảnh phát xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có một lớp nền dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi (r 10)

Hình 2.6 Cấu hình của một anten vi dải

Mảnh phát xạ làm bằng các chất dẫn điện, thông thường là đồng và vàng, có thể

sử dụng bất kỳ hình dạng nào, nhưng những hình dạng thường được sử dụng là những hình dạng sao cho việc phân tích dễ dàng và tính toán thiết kế hiệu quả Trong trường hợp lý tưởng, hằng số điện môi rnhỏ (r<2.5), từ đó làm tăng các trường

vân – để giải thích cho việc phát xạ của anten Tuy nhiên, do các yêu cầu về hiệu xuất khác nên có thể phải sử dụng các vật liệu lớp đế có hằng số điện môi lớn hơn (5 5

) Nhiều dạng của lớp đế với hằng số điện môi biến thiên trong một khoảng rộng đang được phát triển

2.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải:

Anten vi dải có một số ưu điểm so với các loại anten siêu cao tần khác và do đó

nó được sử dụng nhiều trong các ứng dụng trên băng tần rộng từ khoảng 100MHz

đến 50GHz Một số ưu điểm cơ bản của anten vi dải so với các loại anten siêu cao tần khác đó là:

- Trọng lượng thấp, kích thước nhỏ, hình dạng phẳng mỏng nên có thể chế tạo dễ dàng

Miếng phát xạ

Lớp đế Mặt phẳng đất

- Giá thành sản xuất thấp, dễ dàng tiến hành sản xuất hàng loạt

- Có thể được làm mỏng, thích hợp cho các thiết bị di động

- Các anten vi dải này có thể được trang bị dễ dàng trên tên lửa, vệ tinh mà không cần những sự điều chỉnh nhiều

- Các anten vi dải này có vùng tán xạ nhỏ

- Các phân cực thẳng và phân cực tròn có thể đạt bằng một thay đổi đơn giản vị trí feed

- Các anten hai băng tần có thể được chế tạo dễ dàng

- Các thiết bị như bộ dao động, bộ khuếch đại, bộ suy hao thay đổi, chuyển mạch, bộ điều biến, bộ trộn, bộ dịch pha… có thể được thêm vào trực tiếp trên bề mặt lớp đế của anten

- Đường feed line và mạng phối hợp được sản xuất đồng thời với cấu trúc của anten

Bên cạnh những ưu điểm như trên thì các anten vi dải cũng có một vài nhược điểm như sau:

- Băng thông hẹp

- Suy hao, do đó làm cho sự khuếch đại thấp hơn một chút

- Tất cả các anten vi dải đều bức xạ trên một nửa mặt phẳng

- Các giới hạn thực tế của sự khuếch đại lơn nhất

- Hiệu xuất bức xạ endfire thấp

kế và sản xuất

2.2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải

Trong nhiều thiết kế cụ thể, các ưu điểm của anten vi dải là nổi trội hơn các nhược điểm của nó Hiện nay đã có nhiều ứng dụng thành công khác nhau sử dụng anten vi dải Trong tương lai, cùng với việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển thì chúng

ta có thể hy vọng rằng tính thông dụng của anten vi dải ngày càng tăng, và chúng sẽ thay thế một cách cơ bản các loại anten thông thường khác ở tất cả các ứng dụng Một số ứng dụng hệ thống đáng chú ý sử dụng anten vi dải đã được phát triển bao

gồm:

- Truyền thông vệ tinh

- Hệ thống radar sử dụng hiệu ứng Doopler và các hệ thống radar khác

- Dụng cụ đo độ cao sóng Radio

- Mệnh lệnh và điều khiển

- Điều khiển tên lửa từ xa

- Cảm biến từ xa và các thiết bị đo đạc môi trường

- Làm các phần tử dây dẫn trong các anten phức tạp

- Các bộ thu tín hiệu dẫn đường vệ tinh

- Bộ phát xạ sinh trắc học

2.2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải

Dạng đơn giản nhất của một anten vi dải đó là một cấu trúc lớp với hai lớp dẫn điện song song được phân biệt với nhau bởi một lớp đế điện môi mỏng Lớp dẫn điện phía dưới hoạt động như một lớp nền Thiết bị này trở thành một anten vi dải khi lớp dẫn điện phía trên là một miếng có chiều dài xấp xỉ một nửa bước sóng (hình 2.7)

Hình 2.7 Anten vi dải hình chữ nhật

Hình 2.8 Trường điện của anten nhìn theo chiều ngang

Hình 2.9 Trường điện của anten nhìn theo chiều thẳng đứng

Các trường bức xạ của anten vi dải có thể được suy ra từ sự thay đổi của các điều kiện dòng điện và sự phân bố dọc theo cấu trúc của anten

Trong hình 2.7 thể hiện cả dòng điện bề mặt (K) và dòng từ bề mặt (M) Trường khu xa có thể được tính toán từ một dòng từ duy nhất cộng với điều kiện dẫn điện hoàn hảo như trong hình 8 hoặc từ mật độ dòng điện với điều kiện dẫn từ hoàn hảo như trong hình 2.9 Một công thức đã được chứng minh dựa trên các điều kiện bờ như sau:

Hình 2.10 Hệ thống 3 nguồn dòng bề mặt cùng tạo ra trường khu xa giống nhau

Trong hình 2.10 cả dòng điện và dòng từ đều được thể hiện trên cùng một mặt phẳng Đây là sự tương đương khi chỉ có dòng từ với chất dẫn điện hoàn hảo, như

trong hình 2.11 Hình 2.12 thể hiện một sự tương đương khác, nó sử dụng lý thuyết ảnh; trong trường hợp này, chất dẫn điện hoàn hảo được loại bỏ và mật độ dòng từ

bề mặt được nhân đôi

Trong cả sáu trường hợp ở trên, sự phân bố dòng chính xác phải được biết một cách hợp lệ để tính toán chính xác trường khu xa Nếu chất điện môi là đẳng hướng, đồng nhất và không tổn hao, và chất dẫn vi dải và lớp nền là dẫn điện hoàn hảo, các dòng bề mặt có thể viết dưới dạng điện trường và từ trường tiếp tuyến như sau:

ˆˆ

K n H

M E n

 

  (2.13)

Hình 2.11 Hệ thống ba nguồn dòng bề mặt tương đương khác cùng tạo ra trường

khu xa như nhau

Phương trình (2.13) thể hiện mối liên hệ giữa trường bên trong của một anten vi dải với các dòng bề mặt như trong hình 2.12 Để đơn giản, các dòng ở phía trên và phía dưới bề mặt của phần tử bức xạ có thể được coi là giống hệt trong mọi trường hợp

Từ đó ta có thể dễ dàng tìm được các trường bức xạ dựa vào các dòng bề mặt Đầu tiên giả sử rằng chỉ tồn tại duy nhất dòng điện Khi đó điện trường và từ trường tại một điểm bất kỳ P r ( , , )   bên ngoài anten vi dải có thể được viết như sau:

Hình 2.12 Trường và mật độ dòng điện tại bờ phát xạ của anten vi dải

Trong đó  là hằng số điện môi và  là độ từ thẩm của môi trường, chữ e viết bên trên để biểu thị rằng các trường gây ra bởi dòng điện,  là tần số góc và Alà vectơ

từ thế được cho bởi công thức:

Hình 2.13: Các loại nguồn dòng a) Nguồn dòng bất kỳ

b) Nguồn dòng hình chữ nhật c) Nguồn dòng hình tròn

Vectơ điện thế đƣợc cho bởi công thức:

trong đó 0 là trở kháng của không gian tự do (120  ôm)

Trường khu xa được mô tả bởi điều kiện r>= r’hoặc 2

trong đó  là góc giữa hai hướng r và r’

Trường khu xa của một nguồn hình chữ nhật

Xét một nguồn hình chữ nhật và hệ tọa độ như trong hình 2.13(b) Vectơ thế trường khu xa có thể được viết như sau:

trong đó L và W là chiều dài và chiều rộng của tấm dẫn điện

NếuK x y ( , )  K x y x K x y yx( , ) ˆ  y( , ) ˆ, trong đó ˆxvà ˆy là các vectơ đơn vị theo hướng x và hướng y Khi đo véc tơ thế được viết lại như sau:

L W

jk x y x

L W

jk x y y

sin cos sin sin cos

cos cos cos sin sin

sin cos 0

x r

y z

T T

Trường khu xa của một nguồn hình tròn

Xét một nguồn hình tròn và hệ tọa độ như trong hình 2.13(c) Vectơ trường từ khu

0 0

4

ˆ ˆ