Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số trên các phương tiện di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MAI SỸ TIẾN Phân tích thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số phương tiện di động LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGỌC CHIẾN HÀ NỘI - 2010 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Chương Công nghệ truyền hình số 11 1.1 Giới thiệu 11 1.2 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T .12 1.2.1 Nguyên lý OFDM 13 1.2.2 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 17 1.2.3 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 20 1.2.4 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T .21 1.3 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T2 .23 1.4 Tình hình phát triển truyền hình số mặt đất giới Việt Nam .24 1.5 Máy thu DVB-T 28 Chương Anten vi dải anten mảng vi dải 33 2.1 Giới thiệu chung anten vi dải 33 2.1.1 Định nghĩa anten vi dải 33 2.1.2 Ưu điểm nhược điểm anten vi dải .34 2.1.3 Các ứng dụng anten vi dải 35 2.1.4 Trường xạ anten vi dải .36 2.1.5 Một số mô hình anten vi dải thông thường 37 2.1.6 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải .37 2.2 An ten mảng vi dải .40 2.2.1 Định nghĩa anten mảng vi dải .40 2.2.2 Tiếp điện cho anten mảng vi dải 41 Chương Phân tích thiết kế anten phương pháp phần tử hữu hạn 43 3.1 Lý thuyết trường điện từ 43 3.1.1 Phương trình Maxwell điều kiện biên 43 3.1.2 Các phương trình 44 3.1.3 Các điều kiện biên .50 3.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) 52 3.2.1 Giới thiệu 52 3.2.2 Nghiệm phương trình Laplace 54 3.2.3 Nghiệm phương trình Poisson .69 3.2.4 Nghiệm phương trình sóng 75 3.2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn toán bên 79 3.3 Phần mềm mô Ansoft HFSS 85 Chương 4Phân tích thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số phương tiện di động 90 4.1 Yêu cầu thông số anten 90 4.2 Đề xuất mô hình anten 91 4.3 Quá trình thiết kế 92 4.3.1 Thiết kế phần tử mảng (anten 1) 92 4.3.2 Thiết kế mảngvi dải 2x2 để thu di động tín hiệu DVB-T .96 4.4 Nhận xét .99 KẾT LUẬN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Mai Sỹ Tiến Sinh ngày: 18/10/1982 Nơi sinh: Tam Điệp – Ninh Bình Học viên: Lớp cao học Điện tử – Khóa 2008-2010 Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu viết Tất tài liệu tham khảo ghi đầy đủ luận văn Tôi xin chịu trách nhiệm trước Pháp luật lời cam đoan DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ATSC Advanced Television Service Committee COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing CPE Common Phase Error BPSK Differential Binary Phase Shift Keying DAC Digital to Analog Converter DVB The Digital Video Broadcasting Project DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestrial DVB-T2 Digital Video Broadcasting - Second Generation Terrestrial FFT Fast Fourier Transform HDTV High Definition Television ICI Inter – Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISDB-T Intergrated Service Digital Broadcasting Terrestrial ISI Intra/Inter Symbol Interference TPS Transmission Parameter Signalling DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Vận tốc dòng liệu máy phát hình DVB-T Bảng 1.2 So sánh chế độ truyền dẫn DVB-T DVB-T2 Bảng 1.1 So sánh phương pháp mô-men phương pháp phần tử hữu hạn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình1.1 Sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T Hình 1.2 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 phổ tín hiệu RF thực tế Hình 1.3 Đồ thị chòm điều chế 16 QAM Hình 1.4 Đồ thị chòm 64 QAM Hình 1.5 Phân bố sóng mang DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Hình 1.6 Phân bố Pilot DVB-T Hình 1.7 Phân bố Pilot DVB-T biểu đồ chòm Hình 1.8 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Hình 1.9 Các tia sóng đến khoảng thời gian bảo vệ Hình 1.10 Máy phát hình số DVB-T Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu truyền hình số DVB-T Hình 1.12 Bộ thu tín hiệu DVB-T Hình 2.1 Cấu tạo anten vi dải Hình 2.2 Điện trường anten nhìn từ xuống Hình 2.3 Trường điện anten nhìn theo chiều ngang Hình 2.4 Một số cấu hình anten vi dải dạng miếng khác Hình 2.5 Mô hình anten tiếp điện đường truyền vi dải Hình 2.6 Mô hình anten vi dải tiếp điện cáp đồng trục Hình 2.7 Mô hình anten vi dải tiếp điện sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng Hình 2.8 Anten mảng vi dải Hình 2.9 Feed nối tiếp Hình 2.10 Feed song song Hình 3.1 Điều kiện biên E B Hình 3.2 Những phần tử hữu hạn điển hình: (a) Một chiều, (b) Hai chiều, (c) Ba chiều Hình 3 (a) Miền nghiệm; (b) Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn miền nghiệm Hình Phần tử tam giác điển hình; nút địa phương đánh số 1-2-3 phải thực theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, biểu thị mũi tên Hình 3.5 Hàm trạng thái cho phần tử tam giác Hình 3.6 Rời rạc hóa miền nghiệm không đồng Hình 3.7 Tổng hợp ba phần tử i-j-k tương ứng với cách đánh số địa phương (1-2-3) phần tử hình 3.4 Hình 3.8 Miền nghiệm đối xứng qua trục Hình 3.9 (a) Cách chia miền nghiệm thành phần tử hữu hạn vô hạn; (b) phần tử vô hạn điển hình Hình 3.10 Vật thể phát xạ (hoặc tán xạ) bao biên hấp thụ Hình 3.11 Mô hình mô Hình 4.1 Mô hình thu tín hiệu DVB-T oto di chuyển Hình 4.2 Mô hình anten mảng vi dải pha Hình 4.3 Các kích thước cần tính toán anten Hình 4.4 Hình dạng, kích thước anten Hình 4.5 Hệ số tổn hao ngược anten Hình 4.6 Đồ thị phương hướng anten tần số 666MHz Hình 4.7 Hình dạng, kích thước anten Hình 4.8 Feed tiếp điện cho anten Hình 4.9 Hệ số tổn hao ngược anten Hình 4.10 Đồ thị phương hướng anten tần số 666MHz Quá trình phân tích HFSS tạo lưới khởi tạo Sử dụng lưới khởi tạo, HFSS tính toán trường điện từ tồn bên cấu trúc kích thích tần số nghiệm (Nếu bạn chạy tần số quét, nghiệm thích nghi thực tần số nghiệm cụ thể) Được dựa lời giải phần tử hữu hạn tại, HFSS xác định vùng chứa vấn đề mà việc tác nghiệm gặp lỗi Tứ diện vùng tinh chỉnh HFSS tạo lời giải khác sử dụng lưới tinh chỉnh HFSS tính lại lỗi, trình lặp (giải – phân tích lỗi – tinh chỉnh) lặp lại tiêu chuẩn hội tụ thỏa mãn hoàn tất số lần thông qua thích ứng Nếu tần số quét thực hiện, HFSS giải vấn đề điểm tần số khác mà không cần tinh chỉnh thêm Các quét tần số Thực quét tần số người sử dụng muốn tạo lời giải qua dải tần số Ta lựa chọn loại quét sau: Nhanh: Tạo lời giải trường đầy đủ cho phép chia khoảng tần số Tốt cho mẫu đột ngột cộng hưởng hay thay đổi hoạt động băng tần số Một quét nhanh chứa mô tả xác đặc điểm gần cộng hưởng Rời rạc: Tạo lời giải trường điểm số cụ thể dải tần Tốt có vài điểm tần số cần thiết phải mô tả xác kết dải tần 87 Nội suy: Đánh giá lời giải cho toàn dải tần Tốt dải tần rộng đáp ứng tần số phẳng, hay yêu cầu nhớ quét nhanh vượt tài nguyên bạn Kích thích Thiết lập kích thích cho thiết kế HFSS cho phép bạn cụ thể hóa nguồn trường điện từ điện tích, dòng điện hay điện áp vật hay bề mặt: Wave port; Lumped port; Sóng tới; Nguồn điện áp; Nguồn dòng điện; Nguồn phân cực từ Các đường biên Các điều kiện biên cụ thể hóa đặc tính trường bề mặt vùng toán giao diện vật thể Khu vực ý kỹ thuật bao gồm thông tin loại đường biên: Perfect E; Perfect H; Trở kháng; Phát xạ; PML; Chất dẫn điện hữu hạn; Đối xứng; Chủ - tớ; Lumped RLC; Trở kháng phân lớp; Các mặt phẳng đất vô hạn Các vật liệu Các tính chất vật liệu tuyến tính: - Hệ số từ thẩm tương đối - Hệ số điện môi tương đối - Điện dẫn khối - Tổn hao điện môi tiếp tuyến - Tổn hao từ tiếp tuyến Các tính chất vật liệu ferít: - Đường bão hòa từ - Hệ số Lande G 88 - Delta H Thông tin bao gồm điều sau: - Các vật liệu không đẳng hướng - Các tính chất vật liệu phụ thuộc tần số Loại lời giải Lời giải Driven Modal Lựa chọn loại lời giải Driven Modal bạn muốn HFSS tính hệ số S dựa cách thức linh kiện thụ động, cấu trúc tần số cao vi dải, ống dẫn sóng đường truyền dẫn Các lời giải ma trận S biểu diện thành cách số hạng lượng tới phản xạ mốt ống dẫn sóng Lời giải Driven Terminal Lựa chọn loại lời giải Driven Terminal bạn muốn HFSS tính toán tham số S dựa đầu cuối cổng truyền dẫn đa chất dẫn Các lời giải ma trận S biểu diễn thành số hạng điện áp đầu cuối dòng điện đầu cuối Lời giải mốt riêng Lựa chọn loại lời giải mốt riêng để tính mốt riêng, hay cộng hưởng cấu trúc Bộ giải mốt riêng tìm tần số cộng hưởng cấu trúc trường tần số cộng hưởng 89 Chương Phân tích thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số phương tiện di động 4.1 Yêu cầu thông số anten Có nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu suất anten độ tăng ích, tính phân cực, băng thông, kích thước, đồ thị phương hướng sóng Băng thông, dải tần số (từ tần số nhỏ đến tần số lớn nhất) mà anten thu với ngưỡng hiệu suất xác định Băng thông anten bị hạn chế phối hợp trở kháng, tăng ích phân cực máy thu phối hợp trở kháng gây phản xạ trở lại anten làm giảm công suất thu Băng thông máy phát hình chủ yếu nằm băng tần UHF (400 – 800MHz) Tính phân cực anten, phân cực định nghĩa hướng vector điện trường điểm không gian hàm thời gian, loại phân cực phổ biến thẳng (đứng ngang) tròn (tròn quay trái quay phải) Vì có tổn hao anten thu phát phối hợp mặt phân cực Do anten phát hình có phân cực ngang nên anten thu phải có phân cực ngang Yêu cầu kích thước anten nhỏ gọn nên Gain phải giảm Tuy nhiên vô tuyến truyền hình hệ thống thông tin điểm –đa điểm nên máy phát hình có công suất lớn Do ta chấp nhận giảm Gain anten để giảm kích thước anten Đồ thị phương hướng sóng anten phụ thuộc vào góc tới sóng Độ rộng chùm góc mở búp sóng (góc nửa công suất 3dB) tỷ lệ nghịch với độ tăng ích 90 Yêu cầu anten thu truyền hình số DVB-T di động sau: - Dải tần: 474 – 858 MHz - Gain: ≥-6dBi - Đồ thị phương hướng: ½ không gian phía anten - Hiệu suất xạ: ≥90% - Phân cực ngang - Bức xạ đẳng hướng mặt phẳng ngang - Kích thước nhỏ để dễ lắp đặt xe 4.2 Đề xuất mô hình anten Tín hiệu phản xạ Bộ cộng Tín hiệu Búp sóng Anten Peak plot Hình 4.1 Mô hình thu tín hiệu DVB-T o tô di chuyển 91 Tín hiệu DVB-T đến máy thu chịu ảnh hưởng hiệu ứng đa đường (Fading), thu di động nên chịu ảnh hưởng tượng Dopler Để đảm bảo thu tín hiệu oto di chuyển đồ thị phương hướng mặt phẳng ngang anten hình tròn (như hình 4.1) Như ta đưa mô hình anten array-phased Các phần tử mảng anten vi dải Hình 4.2 Mô hình anten mảng vi dải pha 4.3 Quá trình thiết kế 4.3.1 Thiết kế phần tử mảng (anten 1) Các thông số ban đầu: - Tần số trung tâm: f0=666 MHz (dài tần 474 – 858 MHz) - Hệ số điện môi lớp đế (glass): r=5.5 - Chiều cao lớp đế: h=0.3 cm 92 Hình 4.3 Các kích thước cần tính toán anten - Tính bề rộng patch W →W= 12.5 cm - Tính hệ số điện môi hiệu dụng εreff 93 → r= 5.23 - Tính chiều dài hiệu dụng patch Leff →Leff = 9.84 cm - Tính ∆L → ∆L= 0.13cm - Tính chiều dài patch L →L = 9.57 cm - Bề rộng đường tiếp điện: W1=0.48cm Wl 8exp( A) = h exp(2 A) − Với 1/ Z ⎧ ε + 1⎫ A= ⎨ r ⎬ 60 ⎩ ⎭ 94 + ε r −1 ⎧ 0.11 ⎫ 0.23 + ⎨ ⎬ εr +1 ⎩ εr ⎭ 9.57 cm 12.5 cm Hình 4.4 Hình dạng, kích thước anten Kết mô Hình 4.5 Hệ số tổn hao ngược anten 95 Hình 4.6 Đồ thị phương hướng anten tần số 666MHz 4.3.2 Thiết kế mảngvi dải 2x2 để thu di động tín hiệu DVB-T a Kích thước mảng vi dải 2x2 Mảng gồm phần tử (anten 1) xếp mặt phẳng xoy dx=dy= 3λ/2=30 cm 96 dy=30 cm dx=30 cm Hình 4.7 Hình dạng, kích thước anten b Feed tiếp điện cho mảng 2x2 - Để có dịch pha phần tử mảng 900 ta sử dụng đường truyền vi dải có chiều dài khác nhau: - Bề rộng đường vi dải tiếp điện tính theo công thức: Wl 8exp( A) = h exp(2 A) − 1/ Với Z ⎧ ε + 1⎫ A= ⎨ r ⎬ 60 ⎩ ⎭ + ε r −1 ⎧ 0.11 ⎫ 0.23 + ⎨ ⎬ εr +1 ⎩ εr ⎭ Và trở kháng đặc tính đường truyền Z0=50Ω - Để chia tín hiệu cho phần tử ta sử dụng chia hinh chữ T có ghép phối hợp trở kháng λ/4 - Chiều dài bề rộng đường vi dải tiếp điện nêu chi tiết hình 4.8 97 W2=0.96cm W1=0.48c m L3= 10 cm L4= 20 cm L2= 25cm L1= 5cm Hình 4.8 Feed tiếp điện cho anten - Kết mô Hình 4.9 Hệ số tổn hao ngược anten 98 Hình 4.10 Đồ thị phương hướng anten tần số 666MHz 4.4 Nhận xét Nhìn vào kết mô ta thấy anten mảng vi dải 4x4 có Gain đặt yêu cầu thiết kế(>-6.5dB), kết hợp với cân kênh xử lý tín hiệu đảm bảo thu tín hiệu DVB-T di động 99 KẾT LUẬN Anten thiết kế có băng thông bao chùm dải tần từ 474 – 858MHz, xạ đẳng hướng toàn băng tần, kích thước nhỏ, cấu hình đơn giản, dễ chế tạo lắp đặt phương tiện di động ô tô cá nhân, xe buýt, taxi Ở nước để thu DVB-T di động thông thường dùng anten dipole, anten xoắn Bởi hướng nghiên cứu để chế tạo anten thu truyền hình số mặt đất phương tiện di động, đặc biệt truyền hình nước ta chuyển sang phát số hoàn toàn Vấn đề cần nghiên cứu phương án giảm nhỏ kích thước anten 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngô Thái Trị (2004), Truyền hình số, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội Phan Anh (2002), Trường điện từ truyền sóng, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Phan Anh (2002), Lý thuyết kỹ thuật anten, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội I.J.Bahl, P.Bhartia (1980), Microstrip Antennas, Artech House David M Pozar (1997), Microwave Engineering, 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc J.R James, P.S Hall, Handbook of Microstrip Antennas, IEEE Electromagnetic Hubregt J Visser, Array and Phased Array antenna Basic, John Wiley & Sons, Inc Hideo Iizuka (2007), Use in automotive Environment, Website “http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/cpw_e.htm” 101 ... truyền vi dải Hình 2.6 Mô hình anten vi dải tiếp điện cáp đồng trục Hình 2.7 Mô hình anten vi dải tiếp điện sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng Hình 2.8 Anten mảng vi dải Hình 2.9 Feed nối tiếp Hình. .. 37 2.1.6 Các kỹ thu t tiếp điện cho anten vi dải .37 2.2 An ten mảng vi dải .40 2.2.1 Định nghĩa anten mảng vi dải .40 2.2.2 Tiếp điện cho anten mảng vi dải ... nghĩa anten vi dải 33 2.1.2 Ưu điểm nhược điểm anten vi dải .34 2.1.3 Các ứng dụng anten vi dải 35 2.1.4 Trường xạ anten vi dải .36 2.1.5 Một số mô hình anten vi dải