Bài viết đề xuất mô hình anten thấu kính dạng Hyperbol, đồng thời thực hiện mô phỏng, so sánh và đánh giá khả năng quét búp sóng góc rộng giữa hai cấu trúc anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương và âm.
Trang 1Đánh Giá Khả Năng Quét Búp Sóng Góc Rộng Của
Anten Thấu Kính Dạng Hyperbol
Phan Văn Hưng, Lê Văn Ngọc, Nguyễn Kiếm Minh Trung, *Nguyễn Quốc Định, Hoàng Đình Thuyên
Khoa Vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn
*Email: dinhnq@lqdtu.edu.vn
Tóm tắt— Anten thấu kính có hệ số khúc xạ âm có tính
định hướng cao, có khả năng tạo ra đa búp sóng và quét
búp sóng góc rộng với kích thước anten mỏng Những
đặc tính này giúp cho anten thấu kính đang được lựa
chọn là một trong những anten có hiệu quả cao cho anten
tại trạm gốc trong thông tin di động, đáp ứng được sự
phát triển nhanh chóng về số lượng các kết nối không
dây Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất mô hình
anten thấu kính dạng Hyperbol, đồng thời thực hiện mô
phỏng, so sánh và đánh giá khả năng quét búp sóng góc
rộng giữa hai cấu trúc anten thấu kính có hệ số khúc xạ
dương và âm Kết quả cho thấy sự hiệu quả của anten
thấu kính có hệ số khúc xạ âm trong việc cải thiện được
độ lợi trên 22.40 dBi và duy trì được biên độ cánh sóng
bên thấp hơn -14.72 dB khi dịch chuyển góc bức xạ của
nguồn phát trong khoảng từ 0 0 đến 45 0
Từ khóa- anten thấu kính, anten góc quét rộng, hệ số
khúc xạ âm
I GIỚITHIỆU Trong những năm gần đây chúng ta chứng kiến
cuộc cách mạng về công nghệ thông tin và truyền
thông Sự ra đời liên tiếp của các thế hệ mạng di động
không dây từ 1G đến 5G đã ảnh hưởng trực tiếp đến
mọi mặt của đời sống xã hội, từ y tế, giao thông đến
kinh tế… Sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị kết
nối không dây đòi hỏi hệ thống anten cho trạm gốc
trong thông tin di động phải có khả năng tạo được đa
búp sóng và quét búp sóng góc rộng để có thể đáp ứng
được nhiều kết nối không dây cùng một lúc tại các địa
điểm khác nhau [1]–[5] Trong thông tin di động 5G, ở
dải tần số 28 GHz, anten thấu kính được xem là một
ứng cử viên tiềm năng [6]–[7] Trong thiết kế anten
thấu kính và mô phỏng trường điện từ thì phương pháp
ray tracing được sử dụng chủ yếu Các vị trí thiết lập
nguồn phát ngoài tiêu điểm (off focus) phù hợp cho
việc điều khiển quét búp sóng rộng hơn được xác định
dựa trên chùm tia hội tụ khi sử dụng phương pháp ray
tracing ở chế độ thu Việc tính toán các điểm hội tụ dựa
vào phương pháp ray tracing đã được nghiên cứu và áp
dụng cho cả anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương và
âm [8]–[16] Trong các nghiên cứu của Y Yamada và
các cộng sự đã thực hiện tính toán xây dựng cấu trúc
thấu kính dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và
điều kiện Sine Abbe, và cũng bằng phương pháp ray
tracing nhóm tác giả đã tính toán các điểm hội tụ từ đó thiết lập vị trí cấp nguồn cho thấu kính để tạo ra anten thấu kính đa búp sóng và anten có góc quét búp sóng rộng [12]–[14] Tuy nhiên, việc so sánh, đánh giá sự hiệu quả về khả năng quét búp sóng góc rộng của hai loại cấu trúc anten thấu kính dạng hyperbol một mặt, mặt còn lại phẳng, có hệ số khúc xạ âm và dương chưa được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Chính vì vậy, trong bài báo này nhóm tác giả thực hiện mô hình hóa hai cấu trúc anten thấu kính dạng hyperbol và sử dụng phần mềm tính toán trường điện từ ANSYS HFSS để thực hiện mô phỏng cấu trúc đề xuất trong môi trường trường điện từ, để đưa ra được những đánh giá sự hiệu quả của từng cấu trúc về khả năng quét búp sóng góc rộng dựa trên các đặc tính của anten
Bài báo được cấu trúc thành 4 phần Phần 2 trình bày mô hình cấu trúc của hai loại anten được đề xuất Các tham số, kết quả mô phỏng và các nhận xét đánh giá được trình bày trong phần 3 Phần 4 là kết luận của bài báo
II MÔHÌNHCẤUTRÚCANTEN Hình 1 mô tả mô hình cấu trúc anten thấu kính dạng hyperbol có hệ số khúc xạ dương (a) và âm (b) Anten thấu kính bao gồm một thấu kính hyperbol có hệ số
khúc xạ n và một hệ thống cấp nguồn là các anten loa
nón được thiết lập trên một quỹ đạo xác định Thấu kính có cấu trúc tròn xoay quanh trục oz Thấu kính được thiết kế là một mặt cong hyperbol và mặt còn lại
là phẳng Mặt cong của thấu kính được xác định bởi công thức (1) và hướng về phía nguồn phát [17]–[18]
( 1)
r n
−
=
Trong đó, r là khoảng cách từ tiêu điểm tới mặt cong
phía trong của thấu kính n là hệ số khúc xạ của thấu
kính f là tiêu cự của thấu kính θ là góc từ tiêu điểm tới mặt cong phía trong của thấu kính và trục quang
oz Anten loa nón được thiết kế như là một nguồn phát góc rộng cho thấu kính, hoạt động ở tần số 28 GHz và đạt giá trị độ lợi lớn nhất bằng 15.15 dBi Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng xoz của anten loa nón được thể hiện như trong Hình 2
Trang 2Position of caustics
Feed horns
(a) Cấu trúc anten thấu kính hệ số khúc xạ dương
Position of caustics
Feed horns
(b) Cấu trúc anten thấu kính hệ số khúc xạ âm
Hình 1 Mô hình cấu trúc anten thấu kính đề xuất
-20
-15
-10
-5
0
Radiation angle (deg)
Gain
Lens area
Hình 2 Đồ thị bức xạ của anten loa nón
Bằng phương pháp ray tracing, nhóm tác giả đã
thực hiện trong nghiên cứu [13], đã xác định được các
điểm hội tụ và quỹ đạo của chúng khi thay đổi góc quét
của chùm tia tới, được thể hiện như trong Hình 3 Do
vậy trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực hiện thiết
lập các anten loa nón trên một quỹ đạo được cho bởi
công thức (2), với góc α là góc tạo bởi tia bức xạ từ
điểm hội tụ tới tâm của thấu kính và trục oz Góc α
dịch chuyển trong khoảng từ 00 tới 450 với bước nhảy
là 150
2
*cos 2
s
(2) Điểm hội tụ của thấu kính nằm tại tâm của giao
điểm giữa phần ống dẫn sóng và phần mở rộng của loa
Anten bức xạ theo hướng của trục oz Trong suốt quá
trình hoạt động, các tia sóng được bức xạ từ anten loa
nón là dạng sóng cầu được lan truyền tới mặt cong phía
trong của thấu kính sau đó được khúc xạ và trở thành
sóng phẳng, đồng pha đi ra khỏi mặt sau của thấu kính
Các tia sóng tới và khúc xạ tại bề mặt của thấu kính thỏa mãn định luật Snell được xác định bởi công thức (3) Trong đó, ilà góc tới và rlà góc khúc xạ tại bề mặt của thấu kính
sin sin
i r
2
(1 cos ) 2
s f
Hình 3 Quỹ đạo các điểm hội tụ của thấu kính
III MÔPHỎNGVÀĐÁNHGIÁKẾTQUẢ 3.1 Tham số mô phỏng
Các tham số mô phỏng được trình bày như trong Bảng 1 Trong đó, phần mềm tính toán trường điện từ ANSYS HFSS được sử dụng để tính toán phân bố trường điện từ trên các mặt phẳng và sự phân bố biên
độ trường trên mặt mở của anten thấu kính theo cấu trúc đề xuất Phương pháp đa cực nhanh đa mức (MLFMM) được thiết lập để tối ưu hóa khả năng tính toán và có thể giảm được thời gian tính toán, tiết kiệm được bộ nhớ máy tính Thấu kính được thiết lập với độ
từ thẩm r =1 và r= −1, độ điện thẩm r=2 và 2
r = − tương ứng với hệ số khúc xạ của thấu kính lần lượt là n= 2và n= − 2
Bảng 1 Các tham số mô phỏng Cấu
hình máy tính
Các tham số của thấu kính
3.2 Kết quả mô phỏng Hình 4 thể hiện đồ thị bức xạ của anten thấu kính có hệ
số khúc xạ dương và âm khi thiết lập anten loa nón nằm trên quỹ đạo f svới góc quét từ 00 đến 450
Trang 3Bảng 2 Tổng hợp các kết quả mô phỏng
2
Độ lợi [dBi]
SLL
L
[0]
Độ lợi [dBi]
SLL
L
[0]
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
-20
-10
0
10
20
30
Radiation angle θ (deg.)
α = 0
α = 15
α = 30
α = 45
26.61 dBi 25.13 dBi
21.72 dBi
27.17 dBi
(a) Anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
-20
-10
0
10
20
30
Radiation angle θ (deg.)
α = 0
α = 15
α = 30
α = 45
26.76 dBi 25.10 dBi
22.40 dBi
27.33 dBi
(b) Anten thấu kính có hệ số khúc xạ âm
Hình 4 Đồ thị bức xạ của anten thấu kính
Đối với thấu kính có hệ số khúc xạ dương (n= 2),
Hình 4 (a), anten đạt giá trị độ lợi cao nhất là 27.17 dBi
khi nguồn phát được thiết lập tại tiêu điểm của thấu
kính ( =00) Giá trị này giảm dần khi góc bức xạ của
nguồn phát vào thấu kính tăng dần Khi =450, anten
thấu kính đạt giá trị độ lợi cực đại bằng 21.72 dBi,
giảm 5.45 dB so với độ lợi của anten khi nguồn phát
đặt tại tiêu điểm của thấu kính Đối với anten thấu kính
có hệ số khúc xạ âm, các giá trị độ lợi cực đại của
anten đều xấp xỉ hoặc cao hơn giá trị độ lợi cực đại của
anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương ở cùng một
góc thiết lập ( ) Sự chênh lệch giá trị độ lợi cực đại
của anten giữa nguồn phát đặt ở tiêu điểm của thấu
kính và góc thiết lập lớn nhất ( =450) là 4.93 dB, giảm từ 27.33 dBi ở góc =00xuống còn 22.40 dBi ở góc =450 Khi =150và =300, độ lợi cực đại của anten lần lượt là 26.76 dBi và 25.10 dBi Độ rộng cánh sóng chính theo mức nửa công suất của anten đều
tăng khi anten loa nón được đặt trên quỹ đạo f s và dịch chuyển xa dần vị trí tiêu điểm của thấu kính
-45 -30 -15
0
SLL duong SLL am duong am
Anpha (deg.)
-45 -30 -15 0
SLL ( ) SLL ( )
(deg.)
Hình 5 So sánh biên độ cánh sóng bên và góc lệch
Trong trường hợp anten sử dụng thấu kính có hệ số khúc xạ dương, biên độ cánh sóng bên (SLL) của anten tăng lên rất nhanh, anten đạt giá trị thấp nhất là -23.8
dB khi =00và giảm xuống chỉ còn -6.76 dB khi 0
45
= Trong khi ở vị trí cấp nguồn này, anten sử dụng thấu kính có hệ số khúc xạ âm vẫn duy trì biên độ cánh sóng bên ở mức thấp hơn -14.72 dB Bên cạnh đó, khi xem xét độ lệch của góc tới thấu kính so góc bức xạ
ra khỏi mặt mở của anten (θ L), chúng ta có thể nhận thấy rằng Đối với anten thấu kính có hệ số khúc xạ
âm, độ lệch giữa hai góc là ít hơn so với anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương, như trong Hình 5 Các kết quả mô phỏng được trình bày chi tiết trong Bảng 2
IV KẾTLUẬN Bằng việc sử dụng phần mềm tính toán trường điện
từ ANSYS HFSS và xây dựng mô hình cấu trúc anten quét búp sóng góc rộng, nhóm tác giả đã thực hiện mô phỏng, so sánh và đánh giá khả năng quét búp sóng
Trang 4rộng của anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương và
âm Kết quả cho thấy, khi thiết lập nguồn phát của
anten thấu kính trên một quỹ đạo xác định trước bằng
phương pháp ray tracing, anten thấu kính cho phép tạo
ra góc quét trên 900 mà vẫn duy trì được độ lợi cao,
biên độ cánh sóng bên thấp khi sử dụng anten thấu kính
có hệ số khúc xạ âm Kết quả của bài báo này là cơ sở
cho các nhà nghiên cứu và chế tạo sử dụng thấu kính
có hệ số khúc xạ âm trong việc thiết kế anten tạo đa
búp sóng, góc quét búp sóng rộng cho trạm gốc trong
thông tin di động 5G
LỜICẢMƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa
học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài
mã số 102.04-2018.08
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] 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
[2] 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
[3] 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
[4] 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
[5] N.Q Dinh, N.T Binh, Y Yamada, N Michishita, "Proof of
the Density Tapering Concept of an Unequally Spaced Array
by Electric Field Distributions of Electromagnetic
Simulations," Journal of Electromagnetic Waves and
Applications, vol 34, no 5, pp 668-681 2020
[6] 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
[7] 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
2020 - 6th EAI International Conference on Industrial Networks and Intelligent System,Virtual Space, 27-28 August
2020
[8] 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), Kuching, Malaysia, Jul 2018, pp
81-86
[9] 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 [10] T Maruyama, K Yamamori, and Y Kuwahara, "Design of Multibeam Dielectric Lens Antennas by Multiobjective Optimization," IEEE Trans Antennas Propag., vol 57, no 1,
pp 57-63, Jan 2009
[11] 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
[12] 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
[13] 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 [14] 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
[15] 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, doi: 10.1109/TAP.2008.2009694
[16] 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 p 1616-1624,
2008
[17] W.L Stutzman and G.A Thiele, Antenna Theory and Design 3rd ed., John Wiley & Sons, New Jersey, US, 2012
[18] Y.T Lo, S.W Lee, Antenna Handbook 2nd ed Van Nostrand Rainhold Company, New York (1988)