Trong bài viết này, nhóm tác giả thực hiện tính toán, mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc anten thấu kính (ATTK) có hệ số khúc xạ dương dạng elip và thấu kính với điều kiện Abbe’s sine từ đó so sánh và đánh giá khả năng quét búp sóng góc rộng giữa hai cấu trúc anten thấu kính. Kết quả cho thấy sự hiệu quả của anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine khi góc quét búp sóng rộng lên tới 900 mà vẫn duy trì được tính định hướng cao, biên độ cánh sóng bên thấp hơn so với ATTK dạng elip.
Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Nghiên Cứu Anten Thấu Kính Điện Mơi Dạng Elip Điều Kiện Abbe’s Sine Băng Tần Milimét Khả Năng Quét Búp Sóng Góc Rộng Phan Văn Hưng1, Nguyễn Đình Thái2, Nguyễn Kiếm Minh Trung1, Đặng Tiến Dũng3, Hồng Đình Thun1, Nguyễn Quốc Định1 Khoa Vô tuyến điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Trường Cao đẳng Kỹ thuật Thông Tin Trường Đại học Thông Tin Liên Lạc (Tác giả liên hệ: Nguyễn Quốc Định) Tóm tắt - Trong thông tin di động 5G, hệ thống anten cho trạm gốc phải có tính định hướng cao, khả tạo đa búp sóng quét búp sóng góc rộng Anten thấu kính lựa chọn anten có hiệu cao sử dụng cho trạm gốc Trong báo này, nhóm tác giả thực tính tốn, mơ hình hóa mơ cấu trúc anten thấu kính (ATTK) có hệ số khúc xạ dương dạng elip thấu kính với điều kiện Abbe’s sine từ so sánh đánh giá khả quét búp sóng góc rộng hai cấu trúc anten thấu kính Kết cho thấy hiệu anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine góc quét búp sóng rộng lên tới 900 mà trì tính định hướng cao, biên độ cánh sóng bên thấp so với ATTK dạng elip GHz), anten thấu kính xem lựa chọn tiềm [6]–[11] Bởi có cấu trúc đặc biệt, anten thấu kính khơng chịu ảnh hưởng che chắn nguồn phát xạ, thiết lập nguồn phát xạ lệch trục cho phép anten tạo nhiều búp sóng cải thiện góc quét búp sóng rộng Cấu trúc thấu kính quỹ đạo nguồn phát xạ yếu tố quan trọng định đến góc quét búp sóng Trong nghiên cứu Y Yamada cộng thực tính tốn xây dựng cấu trúc thấu kính dựa định luật bảo tồn lượng điều kiện Abbe’s sine, phương pháp ray tracing nhóm tác giả tính tốn điểm hội tụ từ thiết lập vị trí cấp nguồn cho thấu kính để tạo anten thấu kính đa búp sóng anten có góc quét búp sóng rộng [8]–[12] Tuy nhiên, việc so sánh, đánh giá hiệu khả quét búp sóng góc rộng hai loại cấu trúc anten thấu kính dạng elip anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine chưa làm rõ Chính vậy, báo này, nhóm tác giả thực mơ hình hóa hai cấu trúc anten thấu kính sử dụng phần mềm tính tốn trường điện từ ANSYS HFSS để thực mô cấu trúc từ đưa đánh giá hiệu cấu trúc khả quét búp sóng góc rộng dựa đặc tính xạ anten thấu kính Từ khóa - anten thấu kính, anten góc qt rộng, điều kiện Abbe’s sine I GIỚI THIỆU Vào năm 1880, Hertz Oliver Lodge nghiên cứu việc sử dụng thấu kính điện môi phần anten môi trường sóng điện từ Năm 1888, anten thấu kính điện mơi thí nghiệm hoạt động bước sóng mét [1] Tuy nhiên, phải đến Chiến tranh Thế giới thứ hai, anten thấu kính nghiên cứu phát triển nhiều Thấu kính điện mơi sử dụng để biến đổi dạng xạ nguồn phát xạ thành số dạng xạ có độ tăng ích cao hơn, có khả tạo nhiều búp sóng cố định quét búp sóng góc rộng Trong hai thập kỷ qua, với tiến vượt bậc cơng nghệ chế tạo thấu kính cho dải sóng milimét, nhà nghiên cứu có quan tâm ngày nhiều đến anten thấu kính Với cơng nghệ mới, kích thước anten thấu kính điện môi chế tạo nhỏ gọn hơn, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế Bài báo cấu trúc thành phần Phần trình bày mơ hình cấu trúc anten thấu kính có góc qt búp sóng rộng Kết mơ nhận xét đánh giá trình bày phần Phần kết luận II 2.1 Cấu trúc anten thấu kính dạng elip Anten thấu kính dạng elip cấu trúc hai thành phần nguồn phát xạ thấu kính dạng elip, thể Hình Thấu kính có cấu trúc trịn xoay quanh trục Oz, mặt S1 mặt cầu có bán kính r1, mặt ngồi S2 với dạng elip Thấu kính elip có tiêu cự FT = r1 + T Trong thông tin di động 5G, hệ thống anten cho trạm gốc phải có khả tạo đa búp sóng quét búp sóng góc rộng để đáp ứng nhiều kết nối không dây lúc địa điểm khác [2]–[5] Ở băng tần N257 (26.50 GHz-29.50 ISBN 978-604-80-5958-3 MƠ HÌNH CẤU TRÚC ANTEN Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Mặt mở x x l1 Nguồn phát xạ Thấu kính Mặt mở Thấu kính s1 Nguồn phát xạ r1 z0 z z D D r2 F Hình Mơ hình cấu trúc ATTK dạng elip Hình Mơ hình cấu trúc ATTK với điều kiện Abbe’s sine Trong đó, T độ dày thấu kính tâm (trên trục Oz) Cấu trúc mặt ngồi thấu kính tính toán hệ tọa độ cực dựa điều kiện độ dài điện độ dài vật lý đường tia sóng để thỏa mãn định luật khúc xạ Snell, tia sóng từ nguồn phát tới mặt mở với quang lộ Cấu trúc mặt ngồi thấu kính xác định dựa vào cơng thức: dz n sin = dx − n cos dz n sin dx = (7) d − n cos d Công thức điều kiện tổng độ dài tia xạ từ nguồn tới mặt mở anten thấu kính cho cơng thức: Theo đó, chiều dài điện tia sóng cho cơng thức [13] r1 + nl1 + s1 = r1 + nT (1) Và điều kiện độ dài vật lý tia cho công thức (2) (r1 + l1 )cos + s1 = r1 + T z − r cos Lt = r + n cos (2) (r1 + T )(n − 1) FT (n − 1) = n − cos n − cos x = fc sin( − d ) (3) T= 2r1 − 4r − D x = fc sin( ) dx = f c cos d (4) 2.2 Cấu trúc anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine Các tia sóng đến từ mặt ngồi thấu kính phải thỏa mãn điều kiện khúc xạ Cấu trúc thấu kính với điều kiện Abbe’ sine xác định dựa phương pháp ray tracing ba phương trình vi phân [13]-[16] Tại mặt cong phía thấu kính S1, cấu trúc mặt cong được cho công thức: ISBN 978-604-80-5958-3 (10) (11) Bằng việc giải đồng thời phương trình vi phân (5), (7) (11), ta xác định cấu trúc bề mặt mặt ngồi thấu kính Các tia sóng từ nguồn phát xạ xuyên qua thấu kính thỏa mãn định luật khúc xạ Snell, tia sóng từ mặt mở thấu kính chùm tia chuẩn trực – tia sóng song song đồng pha với Thấu kính elip loại thấu kính khúc xạ mặt, tất điểm bề mặt thấu kính khoảng cách với nguồn phát xạ xạ với biên độ Hiện tượng khúc xạ xảy mặt elip thấu kính dr rn sin( − ) = d n cos( − ) − (9) Và 2(n − 1) (8) Khi d nhỏ cơng thức (9) trở thành Trong đó, n hệ số khúc xạ chất điện môi Độ dày thấu kính tâm cho cơng thức (4) D đường kính thấu kính + z0 − z Để thỏa mãn điều kiện Abbe’s sine, tia sóng từ nguồn phát xạ tia sóng từ mặt mở thấu kính kéo dài có giao điểm nằm cung trịn có bán kính fc, Hình Cung trịn mặt phẳng xOz xác định công thức: Đặt r2 = r1 + l1 , từ cơng thức (1) (2) ta có, phương trình mặt cong elip cho mặt ngồi S2 thấu kính là: r2 = (6) 2.3 Nguồn phát xạ Sử dụng anten loa nón làm nguồn phát xạ góc rộng cho anten thấu kính Anten nguồn phát xạ thiết kế hoạt động băng tần N257, 26.50 GHz -29.50 GHz cho thơng tin di động 5G Anten loa nón có độ tăng ích cực đại đạt 17.84 dBi có khả tập trung 90% lượng xạ vào thấu kính tâm pha anten loa đặt tiêu điểm thấu kính (5) Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) theo hướng trục Oz Hình thể cấu trúc anten thấu kính điện mơi góc qt búp sóng rộng với nguồn xạ thiết lập quỹ đạo R φ = 00 φ = 900 Normalize Gain (dBi) -5 R = F cos2 -10 Vị trí đặt thấu kính 3.1 Tham số mơ -20 -25 -60 -20 -40 20 Góc xạ (độ) 40 Các tham số cấu trúc mơ anten thấu kính trình bày Bảng Trong đó, phần mềm tính tốn trường điện từ ANSYS HFSS sử dụng để tính tốn phân bố trường điện từ mặt phẳng đặc trưng xạ anten thấu kính dựa cấu trúc đề xuất Thấu kính sử dụng vật liệu điện mơi Teflon với độ từ thẩm r = , độ điện thẩm r = 2.1 , tương ứng với hệ số khúc xạ thấu kính n = 2.1 60 (a) Giản đồ xạ mặt phẳng xOz yOz Hệ số phản xạ -26 -28 S11 (dB) MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ III -15 (12) Bảng Các tham số cấu trúc anten -30 -32 f D -34 F 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 n T Tần số (GHz) (b) Tham số S11 Hình Tham số xạ anten loa nón Đơn vị GHz mm 100 mm 2.1 29.83 mm a) Sự thay đổi đặc tính xạ anten Sự thay đổi giá trị độ tăng ích cực đại (G) biên độ cánh sóng bên (SLL) hai cấu trúc anten thấu kính nguồn phát xạ đặt quỹ đạo R dịch chuyển góc xạ từ 00-400 thể Hình Theo đó, nhận thấy rằng, anten thấu kính đạt độ tăng ích cực đại cao biên độ cánh sóng bên thấp nguồn phát xạ thiết lập tiêu điểm thấu kính 2.4 Cấu trúc anten thấu kính góc qt búp sóng rộng R = F cos Giá trị 28 100 3.2 Kết mơ đánh giá Hình thể giản đồ xạ hai mặt phẳng xOz, yOz đồ thị biểu diễn hệ số phản xạ S11 anten loa nón x Tham số Tần số Đường kính thấu kính Khoảng cách từ tiêu điểm tới đỉnh thấu kính Hệ số khúc xạ Độ dày thấu kính tâm Thấu kính 30 -15 29 -18 28 -21 Độ tăng ích cực đại (dBi) z F Quỹ đạo nguồn phát xạ Hình Cấu trúc anten thấu kính góc qt búp sóng rộng -24 Gain Elip Gain Abbe' sine SLL Elip SLL Abbe's sine 26 Dựa phương pháp ray tracing thực nghiên cứu [11], [17]-[20], xác định điểm hội tụ quỹ đạo điểm hội tụ thay đổi góc quét chùm tia tới Do nghiên cứu này, nhóm tác giả thực thiết lập nguồn phát xạ quỹ đạo cho cơng thức (12) với góc α góc tạo tia xạ từ điểm hội tụ tới tâm thấu kính trục quang Oz Góc α dịch chuyển khoảng từ 00 tới 400 với bước nhảy 100 Điểm hội tụ thấu kính nằm tâm pha anten loa nón Anten xạ ISBN 978-604-80-5958-3 27 25 10 20 30 -27 Biên độ cánh sóng bên (dB) α -30 40 Góc α (độ) Hình Sự thay đổi giá trị độ tăng ích biên độ cánh sóng bên theo góc xạ Tại α = 00, anten thấu kính dạng elip có độ tăng ích cực đại đạt 28.32 dBi biên độ cánh sóng bên -23.3 dB, giá trị anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine 28.05 dBi -25.4 dB Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) 10 dB, gần đạt giá trị theo lý thuyết anten mặt mở cho công thức [21] Khi dịch chuyển nguồn phát xạ lệch trục quỹ đạo R thấu kính độ tăng ích cực đại giảm dần biên độ cánh sóng bên tăng dần Mức độ suy giảm độ tăng ích cực đại anten thấu kính dạng elip xảy nhiều so với anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine góc xạ α > 200 Cụ thể, anten thấu kính dạng elip suy giảm 2.91 dB góc 400 so với góc 00 giá trị 1.55 dB anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine Ngồi ra, biên độ cánh sóng bên anten thấu kính dạng elip tăng lên nhanh từ -23.37 dB lên -15 dB, anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine trì mức thấp -21.55 dB Tuy nhiên, độ lệch góc xạ so với góc thiết lập nguồn phát (α) anten thấu kính dạng elip so với anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine Như vậy, ứng dụng có góc quét búp sóng α < 200, sử dụng cấu trúc anten thấu kính dạng elip áp dụng cấu trúc anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine cho ứng dụng yêu cầu góc quét búp sóng rộng Các kết mơ tham số xạ trình bày chi tiết Bảng D Gmax = (13) Dạng sóng cầu Thấu kính Nhiễu xạ Dạng sóng phẳng (a) Anten thấu kính dạng elip Dạng sóng cầu Thấu kính b) Giản đồ xạ phân bố trường anten Nhiễu xạ 30 Elip Abbe's sine Dạng sóng phẳng 25 Gain (dBi) (a) Anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine Hình Phân bố trường mặt phẳng xOz α = 00 α = 100 α = 200 α = 300 α = 400 Anten loa 20 15 Phân bố trường mặt phẳng xOz anten thấu kính dạng elip điều kiện Abbe’s sine quỹ đạo R góc α = 300 thể Hình Sóng xạ từ nguồn phát có dạng sóng cầu, sóng từ mặt ngồi thấu kính chuyển thành dạng sóng phẳng đồng pha Với cấu trúc thấu kính elip lõm hướng nguồn phát sóng phản xạ ngược trở lại nhiều dẫn tới giao thoa sóng làm cho biên độ cánh sóng bên anten thấu kính dạng elip cao Trong đó, cấu trúc thấu kính với điều kiện Abbe’s sine có dạng lồi nên tia phản xạ có xu hướng phía mép ngồi thấu kính giao thoa sóng tới từ nguồn phát xạ tia phản xạ từ bề mặt thấu kính biên độ cánh bên có xu hướng thấp Giải pháp để giảm sóng phản bề mặt thấu kính tượng đa phản xạ xảy bên thấu kính điện mơi sử dụng lớp phối hợp phản xạ phần tư bước sóng trình bày tài liệu [7] 10 -5 -60 -80 -40 -20 20 60 40 80 Góc xạ_α (độ) Hình Giản đồ xạ ATTK anten loa Giản đồ xạ anten loa nón hai loại anten thấu kính thể Hình Từ giản đồ xạ ta thấy hiệu việc sử dụng thấu kính điện môi việc cải thiện khả xạ anten Anten loa nón đạt giá trị độ tăng ích cực đại 17.84 dBi Nhưng kết hợp anten loa nón với thấu kính điện mơi độ tăng ích cực đại tăng lên Bảng Tổng hợp kết mô Quỹ đạo R 00 100 200 300 400 Anten thấu kính Abbe’s sine Anten thấu kính Elip G [dBi] 28.32 28.25 28.00 27.17 25.41 ISBN 978-604-80-5958-3 SLL [dB] -23.37 -19.10 -17.23 -16.72 -15.00 B [0] 6.86 7.00 7.51 8.18 9.34 L [0] 0.0 8.8 17.3 25.2 32.3 G [dBi] SLL [dB] 28.05 27.94 27.93 27.72 26.5 -25.4 -24.29 -22.65 -22.28 -21.55 B [0] 6.80 6.85 7.14 7.72 8.64 Lý thuyết L [0] 0.0 8.6 16.8 24.4 31.0 Gmax [dBi] 29.34 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) IV KẾT LUẬN [8] Bằng việc tính tốn cấu trúc bề mặt xây dựng mơ hình thấu kính dạng elip thấu kính với điều kiện Abbe’s sine phần mềm Matlab ANSYS HFSS, nhóm tác giả thực mơ phỏng, so sánh đánh giá khả tạo đa búp sóng quét búp sóng góc rộng hai loại anten thấu kính Kết cho thấy anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine có khả quét búp sóng góc rộng tốt so với anten thấu kính dạng elip, anten cho phép quét búp sóng góc rộng lên tới 450 Độ suy giảm độ tăng ích cực đại biên độ cánh sóng bên anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine góc 300 400 thấp so với anten thấu kính dạng elip Kết báo sở cho nhà nghiên cứu, chế tạo sử dụng thấu kính có cấu trúc phù hợp việc thiết kế anten tạo đa búp sóng, góc quét búp sóng rộng cho trạm gốc thông tin di động 5G [9] [10] [11] [12] [13] [14] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] O J Lodge, J L Howard, "On Electric Radiation and its Concentration by Lenses," Proceedings of the Physical Society of London, 10:143, 1888 W Hong, H.Z Jiang, C Yu, J Chao, P Cheng, "Multibeam Antenna Technologies for 5G Wireless Communications," IEEE Trans Antennas Propag., vol 65, no 12, pp 6231-6249, Dec 2017 C.X Wang, F Haider, X Gao, X.H You, Y Yang, "Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks," IEEE Commun Mag., vol 52, no 2, pp 122-130, 2014 C.C Chang, R.H Lee, and T Y Shih, "Design of a Beam Switching/Steering Butler Matrix for Phased Array System," IEEE Trans Antennas Propag., vol 58, no 2, pp 367-374, Feb 2010 Y Yamada, C.Z Jing, N.H.A Rahman, K Kamardin, I.I Idrus, M Rehan, T.A Latef, T.A Rahman, N.Q Dinh, "Unequally Element Spacing Array Antenna with Butler Matrix Feed for 5G Mobile Base Station," In 2nd International Conference on Telematics and Future Generation Networks (TAFGEN), Kuching, Malaysia, 24-26 July 2018, pp 72-76 P.V Hung, N.Q Dinh, T.V.D Nguyen, Y Yamada, N Michishita, and M.T Islam, "Electromagnetic Simulation Method of a Negative Refractive Index Lens Antenna," in proceeding of International Conference on Advanced Technologies for Communications, Hanoi, Vietnam, Oct 2019, pp 109-112 P.V Hung, N.Q Dinh, H.T Thuyen, N.T Hung, L.M Thuy, L.T Trung, and Y Yamada, "Estimations of Matching Layers Effects on Lens Antenna Characteristics," EAI INISCOM ISBN 978-604-80-5958-3 [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] 2020-6th EAI International Conference on Industrial Networks and Intelligent System,Virtual Space, August 2020 S A Hamid, N H A Rahman, Y Yamada, P V Hung and N Q Dinh, “Multibeam Characteristics of a Negative Refractive Index Shaped Lens,” Sensors 2020, 20, 5703, doi:10.3390/s20195703 P V Hung, N Q Dinh, Y Yamada, N Michishita, M T Islam, "Parametric Analysis of Negative and Positive Refractive Index Lens Antenna by ANSYS HFSS," International Journal of Antennas and Propagation, 2020 F Ansarudin, T Abd Rahman, Y Yamada, N.H.A Rahman, K Kamardin, "Multi beam dielectric lens antenna for 5G base station," Sensors 2020, vol 20, no 20 P V Hung, N Q Dinh, Y Yamada, "Negative refractive index-shaped lens antenna with straight line condition for wide angle beam scanning," Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2021, doi: 10.1080/09205071.2021.1990801 T Maruyama, K Yamamori and Y Kuwahara, "Design of Multibeam Dielectric Lens Antennas by Multiobjective Optimization," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 57, no 1, pp 57-63, 2009 Y.T Lo, S.W Lee, Antenna Handbook 2nd ed Van Nostrand Rainhold Company, New York (1988) F Ansarudin, T A Rahman, and Y Yamada, "MATLAB Program for Dielectric Lens Antenna Shaping," in 2018 2nd International Conference on Telematics and Future Generation Networks (TAFGEN), Malaysia, Jul 2018, pp 81-86 S Samuel Dielectric and Metal-Plate Lens Microwave Antenna Theory and Design, 1st ed.; Mc-Graw Hill: New York, NY, USA, 1949; pp 394-402 Y Tajima and Y Yamada, "Design of shaped dielectric lens antenna for wide angle beam steering," Electron Commun Jpn Part III Fundam Electron Sci., vol 89, no 2, pp 1-12, 2006 Y Tajima, Y Yamada, S Sasaki, and A Kezuka, "Calculation of Wide Angle Radiation Patterns and Caustics of a Dielectric Lens Antenna by a Ray Tracing Method," IEICE Trans Electron., vol E87-C, no 9, pp 1432-1440, Sep 2004 N.H.A Rahman, M.T Islam, N Misran, Y Yamada, and N Michishita, "Design of a satellite antenna for Malaysia beams by ray tracing method," in 2012 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Nagoya, Japan, Nov 2012, pp 1385-1388 P.V Hung, N.Q Dinh, D T Dung, Y Yamada, " Caustics and Beam Steering Calculations of Negative Refractive Index Lens Antenna by the Ray Tracing Method," in proceeding of International Conference on Advanced Technologies for Communications, NhaTrang Vietnam, Oct 2020, pp 136-139 Y Tajima and Y Yamada, "Improvement of Beam Scanning Characteristics of a Dielectric Lens Antenna by Array Feeds," IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, vol.7, pp 16161624, 2008 W.L Stutzman and G.A Thiele, Antenna Theory and Design 3rd ed., John Wiley & Sons, New Jersey, US, 2012 ... giá khả tạo đa búp sóng quét búp sóng góc rộng hai loại anten thấu kính Kết cho thấy anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine có khả quét búp sóng góc rộng tốt so với anten thấu kính dạng elip, ... ứng dụng có góc quét búp sóng α < 200, sử dụng cấu trúc anten thấu kính dạng elip áp dụng cấu trúc anten thấu kính với điều kiện Abbe’s sine cho ứng dụng yêu cầu góc quét búp sóng rộng Các kết... (13) Dạng sóng cầu Thấu kính Nhiễu xạ Dạng sóng phẳng (a) Anten thấu kính dạng elip Dạng sóng cầu Thấu kính b) Giản đồ xạ phân bố trường anten Nhiễu xạ 30 Elip Abbe's sine Dạng sóng phẳng