LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu tôi, chép hay vay mƣợn dƣới 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 trƣớc Viện đào tạo sau đại học – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội Học viên Hoàng Thanh Tùng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH VÀ XU HƢỚNG SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH 10 1.1 Khái niệm truyền hình tƣơng tự truyền hình số 10 1.1.1 Truyền hình tƣơng tự 10 1.1.2 Truyền hình số 11 1.2 Ƣu nhƣợc điểm truyền hình số so với truyền hình tƣơng tự 11 1.2.1 Ƣu điểm: 11 1.2.2 Nhƣợc 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 lƣợc lộ trình số hóa xu hƣớng phân bổ tần số Việt nam 15 1.4.1 Xu hƣớng số hóa truyền hình Việt Nam 15 1.4.2 Tích hợp thiết bị thu truyền hình số vào tivi 16 1.4.2 Định hƣớng 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 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ANTEN VÀ ANTEN VI DẢI 18 2.1 Một số kiến thức anten 18 2.1.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ anten 18 2.1.2 Cấu trúc chung hệ anten 18 2.1.3 Các thông số đặc trƣng anten 19 2.1.3.1 Trƣờng xạ 19 2.1.3.2 Đặc tính định hƣớng trƣờng xạ 21 1.1.3.3 Đặc tính phân cực trƣờng xạ 25 1.1.3.4 Hệ số định hƣớng 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 việc phối hợp trở kháng 29 2.2 Lý thuyết anten vi dải 29 2.2.1 Giới thiệu chung anten vi dải 29 2.2.1.1 Định nghĩa Anten vi dải 30 2.2.1.2 Ƣu điểm nhƣợc điểm anten vi dải: 30 2.2.1.3 Các ứng dụng anten vi dải 32 2.2.1.4 Trƣờng xạ anten vi dải 32 2.2.2 Một số cấu hình anten vi dải 43 2.2.3 Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 45 CHƢƠNG 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 Phƣơng pháp tính toán tham số đặc trƣng anten 56 3.3 Các phƣơng pháp tiếp điện phối hợp trở kháng cho anten Yagi 59 3.3.1 Tiếp điện đƣờng dây song hành 59 3.3.2 Tiếp điện 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 ngƣời dùng 70 3.5.2 Các đặc điểm 71 3.5.3 Transient solver 71 3.5.3.1 Các chức Transient solver 72 3.5.3.2 Thiết lập thông số Transient solver 72 3.5.3.3 Các tín hiệu mô miền thời gian 73 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO, ĐO ĐẶC, CĂN CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ANTEN 74 4.1 Mô anten Yagi mạch in hoạt động băng tần UHF 74 4.1.1 Tấm điện môi 74 4.1.2 Cấu trúc biến đổi phối hợp trở kháng cáp đồng trục chấn tử mạch in (mặt điện môi) 75 4.1.3 Kết mô phỏng, tối ƣu 75 4.1.3.1 Anten Yagi mạch in chấn tử 75 4.1.3.2 Anten Yagi mạch in chấn tử 78 4.2 Chế tạo anten mạch in chấn tử 82 4.3 Kết 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 mô 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 2.1 Cấu trúc chung hệ thống anten 19 Hình 2.2 Bản đồ hƣớng tính không gian mặt phẳng theo tọa độ  ,  22 Hình 2.3 Giản đồ phƣơng hƣớng chuẩn hóa hệ tọa độ cực 24 Hình 2.4 Giản đồ phƣơng hƣớng chuẩn hóa hệ tọa vuông góc 24 Hình 2.5 Mạch phối hợp phối hợp trở kháng trở kháng tải đƣờng truyền sóng 29 Hình 2.6 Cấu hình anten vi dải 30 Hình 2.7 Anten vi dải hình chữ nhật 33 Hình 2.8 Trƣờng điện anten nhìn theo chiều ngang 33 Hình 2.9 Trƣờng điện anten nhìn theo chiều thẳng đứng 33 Hình 2.10 Hệ thống nguồn dòng bề mặt tạo trƣờng khu xa giống 34 Hình 2.11 Hệ thống ba nguồn dòng bề mặt tƣơng đƣơng khác tạo trƣờng khu xa nhƣ 35 Hình 2.12 Trƣờng mật độ dòng điện bờ phát xạ anten vi dải 36 Hình 2.13: Các loại nguồn dòng 37 Hình 2.14 Một số cấu hình anten vi dải dạng mảnh khác 44 Hình 2.15 Các anten vi dải sóng chạy 44 Hình 2.16 Các anten vi dải dạng khe 45 Hình 2.17 Mô hình anten đƣợc tiếp điện đƣờng truyền vi dải 46 Hình 2.18: Mô hình anten vi dải đƣợc tiếp điện cáp đồng trục 47 Hình 2.19 Mô hình anten vi dải đƣợc tiếp điện sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng 47 Hình 3.1: Mô hình anten Yagi 49 Hình 3.2: Sự phụ thuộc a ψ vào X22 51 Hình 3.3: Đồ thị phƣơng hƣớng cặp chấn tử chủ động thụ động ứng với d = 0,1λ 52 Hình 3.4: Sự phụ thuộc D vào L/λ 55 Hình 3.5: Sơ đồ anten 56 Hình 3.6: Góc θ mặt phẳng H mặt phẳng E 58 Hình 3.7: Sự phụ thuộc hệ số A vào L/λ 59 Hình 3.8: Sơ đồ tiếp điện kiểu T 60 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 3.11: Sơ đồ phối hợp kiểu 64 Hình 3.12: Sơ đồ biến đổi đối xứng 65 Hình 3.13 : Cấu trúc đƣờng truyền vi dải 69 Hình 3.14: đặc tính hoạt động IC khuếch đại Max2640 70 Hình 3.15 : Giao diện ngƣời 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 mô miền thời gian 73 Hình 4.1: Kích thƣớc điện môi 74 Hình 4.2: Cấu trúc biến đổi phối hợp trở kháng cáp đồng trục chấn tử mạch in (mặt anten) 75 Hình 4.3: Cấu trúc anten Yagi mạch in chấn tử 75 Hình 4.4: Đặc tính S11 anten 76 Hình 4.5 : Giản đồ xạ anten tần số 700 Mhz 76 Hình 4.6: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 77 Hình 4.7: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 77 Hình 4.8: Mặt dƣới anten 78 Hình 4.9: Đặc tính S11 anten 78 Hình 4.10: Giản đồ xạ anten tần số 700 Mhz 79 Hình 4.11: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 79 Hình 4.12: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng YZ 80 Hình 4.13: Giản đồ xạ tần số 730 Mhz 80 Hình 4.14: Giản đồ xạ tần số 730 Mhz theo mặt phẳng XY 81 Hình 4.15: Giản đồ xạ tần số 730 Mhz theo mặt phẳng YZ 81 Hình 4.16 Anten đƣợc chế tạo – Mặt anten 82 Hình 4.17 Anten đƣợc chế tạo – Mặt dƣới anten 83 Hình 4.18 Kết đo đặc tính anten Yagi mạch in chấn tử (sử dụng máy phân tích mạng ZVL hãng Rohde & Schwarz) 83 Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại sử dụng MAX2640 84 Hình 4.20: Mô mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 84 Hình 4.21: Mô mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 85 Hình 4.22: Layout mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 85 Hình 4.23: Mạch khuếch đại đƣợc chế tạo 86 MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí ngƣời ngày cao thật cần thiết Bằng cách sử dụng hệ thống phát, thu vô tuyến phần đáp ứng đƣợc nhu cầu cập nhật thông tin ngƣời khoảng cách xa cách nhanh chóng xác Bất hệ thống vô tuyến phải sử dụng anten để phát thu tín hiệu Trong sống ngày dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống anten nhƣ: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, BTS dùng cho mạng điện thoại di dộng Hay vật dụng cầm tay nhƣ đàm, điện thoại di động, radio … sử dụng anten Trong lĩnh vực truyền hình với xu hƣớng chuyển đổi từ truyền hình tƣơng tự sang truyền hình số giới công nghệ ti vi, thiết bị thu sóng truyền hình phát triển ngày đa dạng với nhiều công nghệ đƣợc ứng dụng nhƣ: ti vi 3D, OLED, 4K, bên cạnh việc tích hợp giải mã kỹ thuật số ti vi phổ biến trở thành yêu cầu bắt buộc loại ti vi hệ đƣợc nhập sản xuất số quốc gia giới tƣơng lai gần Căn theo xu hƣớng phát triển đó, Luận văn thực nghiên cứu thiết kế giải pháp anten tích hợp máy thu truyền hình nhà Mục đích đề tài tìm hiểu sở lý thuyết anten, từ thiết kế, chế tạo giải pháp anten đáp ứng khả thu sóng truyền hình nhà, có khả tích hợp máy thu truyền hình nhà Trong trình thực luận văn, dù gặp nhiều khó khăn tiếp cận đề tài hƣớng nghiên cứu nhƣng nhận đƣợc giúp đỡ nhiệt tình PGS.TS Đào Ngọc Chiến ngƣời chịu trách nhiệm hƣớng dẫn làm luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2013 Hoàng Thanh Tùng CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH VÀ XU HƢỚNG SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH 1.1 Khái niệm truyền hình tƣơng tự truyền hình số 1.1.1 Truyền hình tƣơng tự Là công nghệ truyền hình phổ biến đƣợc sử dụng rộng rãi trƣớc Gọi truyền hình tƣơng trạm thu phát thiết bị tƣơng tự, tín hiệu thu phát tín hiệu tƣơng tự Tín hiệu đƣợc truyền dẫn không gian thông qua trạm anten phát, vệ tinh mặt đất phát lên vệ tinh địa tĩnh phát xuống trở lại Thiết bị đầu cuối để thu đƣợc anten Truyền hình tƣơng tự bao gồm: Truyền hình đen trắng: Ra đời năm 1920 đƣợc xem nhƣ hoàn tất vào năm 1945, với đời ống vidicon, dựa đặc tính quang trở chất bán dẫn Nó bao gồm hệ là: FCC, OIRT, CCIT Truyền hình màu: Ra đời truyền hình đen trắng hoàn thiện phát triển gắn liền với lí thuyết màu Bao gồm hệ là:  Hệ NTSC: Ra đời năm 1950, đƣợc hình thành Mĩ, có tính tƣơng hợp giới Và đến năm 1954, hệ NTSC đƣợc phát kênh FCC, có độ rộng dải tần tín hiệu chói là: 4,5Mhz (thực tế 4,2Mhz)  Hệ PAL: Ra đời năm 1966 tây Đức, hệ đƣợc coi nhƣ cải tiến từ hệ NTSC đƣợc phát triển kênh CCIT có độ rộng dải tần tín hiệu chói 5,5Mhz(thực tế 5,2Mhz)  Hệ SECAM: Ra đời năm 1965 Pháp, đƣợc phát triển kênh OIRT có độ rộng dải tần tín hiệu chói 6,5Mhz Dải tần tín hiệu truyền hình gồm băng tần : o VHF: 49.75 MHz ÷ 223,25 MHz o UHF: 470 MHz ÷ 958 MHz 10 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO, ĐO ĐẶC, CĂN CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ANTEN Lý thuyết anten, anten vi dải anten Yagi chƣơng 2, sở để tiến hành thiết kế anten thu tích hợp máy thu truyền hình Luận văn thiết kế thành công anten Yagi tích mạch in hoạt động dải tần UHF từ 660 Mhz-790Mhz theo kết mô tần số thực tế chế tạo anten từ 628 Mhz – 773 Mhz, với hệ số tăng ích đạt 6.8 dBi tần số 700Mhz; giải pháp tích hợp mạch khuếch đại tạp âm thấp để tăng cƣờng khả thu sóng kết hợp với anten; 4.1 Mô anten Yagi mạch in hoạt động băng tần UHF 4.1.1 Tấm điện môi - Vật liệu FR4 - Hằng số điện môi: 4.5 - Độ dầy: 1.6 (mm) - Kích thƣớc: 190x80 (mm) Hình 4.1: Kích thước điện môi 74 4.1.2 Cấu trúc biến đổi phối hợp trở kháng cáp đồng trục chấn tử mạch in (mặt điện môi) Lỗ Via, kết nối Balun với chấn tử Đƣờng feed line 1.7mm Block điều chỉnh trở kháng đƣờng feed line 5.5x6mm2 Hình 4.2: Cấu trúc biến đổi phối hợp trở kháng cáp đồng trục chấn tử mạch in (mặt anten) 4.1.3 Kết mô phỏng, tối ƣu 4.1.3.1 Anten Yagi mạch in chấn tử Chấn tử dẫn xạ (ldx = 141mm) 17mm m Khe 2mm Chấn tử (lc = 178mm) 13mm Chấn tử phản xạ (lpx = 178mm) 32mm Chấn tử phản xạ (ldx = 141mm) 17mmHình 4.3: Cấu trúc anten Yagi mạch in chấn tử Chấn tử (lc = 178mm) m 13mm 32mm 75 Đặc tính S 11(dB) anten Yagi chấn tử -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Tần số (Mhz) Hình 4.4: Đặc tính S11 anten Hình 4.5 : Giản đồ xạ anten tần số 700 Mhz 76 Hình 4.6: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY Chấn tử dẫn xạ Hình 4.7: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 77 Nhận xét: - Với cấu trúc anten Yagi mạch in chấn tử dải tần hoạt động anten từ 650 Mhz đến 780 Mhz - Hệ số tăng ích anten thấp, đạt 4.13 dB 4.1.3.2 Anten Yagi mạch in chấn tử Chấn tử dẫn xạ (ldx = 141mm) Khe 2mm 17mm m 10 mm Chấn tử (lc = 178mm) Chấn tử phản xạ (lpx1 = 178mm) 28mm Chấn tử phản xạ (lpx2 = 182mm) Hình 4.8: Mặt anten Đặc tính S11 (dB) anten chấn tử -5 -10 -15 -20 -25 -30 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Tần số (Ghz) Hình 4.9: Đặc tính S11 anten 78 0.9 1.0 Hình 4.10: Giản đồ xạ anten tần số 700 Mhz Hình 4.11: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng XY 79 Hình 4.12: Giản đồ xạ tần số 700 Mhz theo mặt phẳng YZ Hình 4.13: Giản đồ xạ tần số 730 Mhz 80 Hình 4.14: Giản đồ xạ tần số 730 Mhz theo mặt phẳng XY Hình 4.15: Giản đồ xạ tần số 730 Mhz theo mặt phẳng YZ 81 Nhận xét : - Với cấu trúc anten Yagi mạch in chấn tử dải tần hoạt động anten từ 660 Mhz đến 686 Mhz - Hệ số tăng ích anten đạt đƣợc cao, khoảng 6.8 dBi tần số 700 Mhz 4.2 Chế tạo anten mạch in chấn tử Hình 4.16 Anten chế tạo – Mặt anten 82 Hình 4.17 Anten chế tạo – Mặt anten 4.3 Kết đo đặc tính anten thực tế Hình 4.18 Kết đo đặc tính anten Yagi mạch in chấn tử (sử dụng máy phân tích mạng ZVL hãng Rohde & Schwarz) 83 Nhận xét: Kết đo kiểm đặc tính hoạt động anten mạch in chấn tử thực tế từ 628 đến 773 Mhz 4.4 Anten tích hợp mạch khuếch đại tạp âm thấp 4.4.1 Lựa chọn IC khuếch đại MAX2640 - Dải tần 300MHz to 1500MHz - Đặc tính:  Low noise figure: 0.9dB at 900MHz  High Gain : 15.1dB at 900MHz Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại sử dụng MAX2640 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấp Hình 4.20: Mô mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 84 4.4.3 Kết mô đặc tính mạch khuếch đại Hình 4.21: Mô mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 4.4.4 Layout mạch in Hình 4.22: Layout mạch khuếch đại sử dụng IC MAX2640 85 4.4.5 Mạch in thực tế Hình 4.23: Mạch khuếch đại chế tạo Nhận xét: kết đo hệ số khuếch đại mạch khuếch đại đƣợc chế tạo đạt hệ số khuếch đại 10 dB tần số 762Mhz (sử dụng máy đo cƣờng độ trƣờng Promax) 86 KẾT LUẬN Luận văn trình bày số kiến thức anten, anten vi dải, anten Yagi phƣơng pháp tiếp điện cho anten Yagi Đó sở để nghiên cứu, thiết kế chế tạo giải pháp anten đáp ứng yêu cầu đề tài Từ sở lý thuyết, kết hợp với thiết kế, mô phần mềm, kết đo kiểm chỉnh thiết bị đo chuyên dụng, khóa luận thiết kế thành công giải pháp anten thu tích hợp thiết bị thu truyền hình hoạt động dải tần UHF (dải tần thực tế đo đƣợc từ 628Mhz đến 773 Mhz, với hệ số tăng ích cao 6.8 dBi Bên cạnh việc tích hợp mạch khuếch đại tạp âm thấp với hệ số khuếch đại đo đƣợc thực tế 10 dB cải thiện khả thu sóng anten, đáp ứng yêu cầu thiết bị thu truyền hình đặt nhà Giải pháp anten đƣợc nghiên cứu, thiết kế đảm bảo đủ yêu cầu để tiến hành sản xuất hàng loạt Công việc thiết kế mở khả phát triển tƣơng lai Các hƣớng phát triển đề tài: tiếp tục nghiên cứu tối ƣu kích thƣớc, dải tần hoạt động, đặc tính xạ anten để đảm bảo phù hợp với việc tích hợp thiết bị thu sóng truyền hình Thử nghiệm khả thu sóng thực tế số loại thiết bị (ti vi) thu sóng truyền hình Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Ngọc Chiến giúp đỡ, định hƣớng, giải thích cho em vấn đề chƣa hiểu trình làm luận văn 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2002 [2] Phan Anh Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [4] Zhi Ning Chen, Antennas for Portable Devices, Institute for Infocomm Research Singapore [5] Mervi Hirvonen, Kaarle Jaakkola, Pekka Pursula, and Jussi Säily, Dual - band platform tolerant antennas for radio-frequency identification, In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2006 Vol.54, No.9,pp 2632–2637 © 2006 IEEE [6] S.Jeon,Y Yu and J Choi, Dual-band slot-coupled dipole antenna for 900 MHz and 2.45 GHz RFID tag application, Department of Electrical and Computer Engineering, Hanyang University, 17 [7] Condensed and re-edited from various sources, BASIC YAGI ANTENNA DESIGN FOR THE EXPERIMENTER [8] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khƣơng, Nguyễn Trung Kiên, Bộ sách kĩ thuật thông tin số, nhà xuất Khoa Học kĩ thuật, Hà Nội 2006 [9] Lal Chand Godara, Smart Antennas, CRC Press, 2004 88