Đánh giá khả năng quét búp sóng góc rộng của anten thấu kính dạng hyperbol

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá khả năng quét búp sóng góc rộng của anten thấu kính dạng hyperbol

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Đánh 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 tracing nhóm tác giả đã tính toán các điểm hội tụ từ đó định hướng cao, có khả năng tạo ra đa búp sóng và quét thiết lập vị trí cấp nguồn cho thấu kính để tạo ra anten búp sóng góc rộng với kích thước anten mỏng. Những thấu kính đa búp sóng và anten có góc quét búp sóng đặc tính này giúp cho anten thấu kính đang được lựa rộng [12]–[14]. Tuy nhiên, việc so sánh, đánh giá sự chọn là một trong những anten có hiệu quả cao cho anten tại trạm gốc trong thông tin di động, đáp ứng được sự hiệu quả về khả năng quét búp sóng góc rộng của hai phát triển nhanh chóng về số lượng các kết nối không loại cấu trúc anten thấu kính dạng hyperbol một mặt, dây. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất mô hình mặt còn lại phẳng, có hệ số khúc xạ âm và dương chưa anten thấu kính dạng Hyperbol, đồng thời thực hiện mô được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Chính vì phỏng, so sánh và đánh giá khả năng quét búp sóng góc vậy, trong bài báo này nhóm tác giả thực hiện mô hình rộng giữa hai cấu trúc anten thấu kính có hệ số khúc xạ hóa hai cấu trúc anten thấu kính dạng hyperbol và sử dương và âm. Kết quả cho thấy sự hiệu quả của anten dụng phần mềm tính toán trường điện từ ANSYS thấu kính có hệ số khúc xạ âm trong việc cải thiện được HFSS để thực hiện mô phỏng cấu trúc đề xuất trong độ lợi trên 22.40 dBi và duy trì được biên độ cánh sóng môi trường trường điện từ, để đưa ra được những đánh bên thấp hơn -14.72 dB khi dịch chuyển góc bức xạ của giá sự hiệu quả của từng cấu trúc về khả năng quét búp nguồn phát trong khoảng từ 00 đến 450. sóng góc rộng dựa trên các đặc tính của anten. Từ khóa- anten thấu kính, anten góc quét rộng, hệ số Bài báo được cấu trúc thành 4 phần. Phần 2 trình khúc xạ âm. bày mô hình cấu trúc của hai loại anten được đề xuất. Các tham số, kết quả mô phỏng và các nhận xét đánh I. GIỚI THIỆU giá được trình bày trong phần 3. Phần 4 là kết luận của bài báo. Trong những năm gần đây chúng ta chứng kiến cuộc cách mạng về công nghệ thông tin và truyền II. MÔ HÌNH CẤU TRÚC ANTEN 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 Hình 1 mô tả mô hình cấu trúc anten thấu kính dạng mọi mặt của đời sống xã hội, từ y tế, giao thông đến hyperbol có hệ số khúc xạ dương (a) và âm (b). Anten kinh tế… Sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị kết thấu kính bao gồm một thấu kính hyperbol có hệ số nối không dây đòi hỏi hệ thống anten cho trạm gốc khúc xạ n và một hệ thống cấp nguồn là các anten loa trong thông tin di động phải có khả năng tạo được đa nón được thiết lập trên một quỹ đạo xác định. Thấu búp sóng và quét búp sóng góc rộng để có thể đáp ứng kính có cấu trúc tròn xoay quanh trục oz. Thấu kính được nhiều kết nối không dây cùng một lúc tại các địa được thiết kế là một mặt cong hyperbol và mặt còn lại điểm khác nhau [1]–[5]. Trong thông tin di động 5G, ở là phẳng. Mặt cong của thấu kính được xác định bởi dải tần số 28 GHz, anten thấu kính được xem là một công thức (1) và hướng về phía nguồn phát [17]–[18]. ứng cử viên tiềm năng [6]–[7]. Trong thiết kế anten (n − 1) f thấu kính và mô phỏng trường điện từ thì phương pháp r= (1) n *cos − 1 ray tracing được sử dụng chủ yếu. Các vị trí thiết lập nguồn phát ngoài tiêu điểm (off focus) phù hợp cho Trong đó, r là khoảng cách từ tiêu điểm tới mặt cong việc điều khiển quét búp sóng rộng hơn được xác định phía trong của thấu kính. n là hệ số khúc xạ của thấu dựa trên chùm tia hội tụ khi sử dụng phương pháp ray kính. f là tiêu cự của thấu kính. θ là góc từ tiêu điểm tracing ở chế độ thu. Việc tính toán các điểm hội tụ dựa tới mặt cong phía trong của thấu kính và trục quang vào phương pháp ray tracing đã được nghiên cứu và áp oz. Anten loa nón được thiết kế như là một nguồn phát dụng cho cả anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương và góc rộng cho thấu kính, hoạt động ở tần số 28 GHz và âm [8]–[16]. Trong các nghiên cứu của Y. Yamada và đạt giá trị độ lợi lớn nhất bằng 15.15 dBi. Đồ thị bức xạ các cộng sự đã thực hiện tính toán xây dựng cấu trúc trong mặt phẳng xoz của anten loa nón được thể hiện thấu kính dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và như trong Hình 2. điều kiện Sine Abbe, và cũng bằng phương pháp ray ISBN: 978-604-80-5076-4 5
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 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, i là góc tới và r là góc khúc xạ tại bề mặt của thấu kính. sin i n= (3) sin r Feed horns f (1 + cos 2 ) fs = 2 Position of caustics (a) Cấu trúc anten thấu kính hệ số khúc xạ dương. Feed horns Position of caustics Hình 3. Quỹ đạo các điểm hội tụ của thấu kính. (b) Cấu trúc anten thấu kính hệ số khúc xạ âm. III. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Hình 1. Mô hình cấu trúc anten thấu kính đề xuất. 3.1. Tham số mô phỏng 0 Gain Các tham số mô phỏng được trình bày như trong dBi 10normalize (Gain Total) -5 Bảng 1. Trong đó, phần mềm tính toán trường điện từ ANSYS HFSS được sử dụng để tính toán phân bố Lens area trường điện từ trên các mặt phẳng và sự phân bố biên -10 độ trường trên mặt mở của anten thấu kính theo cấu trúc đề xuất. Phương pháp đa cực nhanh đa mức -15 (MLFMM) được thiết lập để tối ưu hóa khả năng tính toán và có thể giảm được thời gian tính toán, tiết kiệm -20 được bộ nhớ máy tính. Thấu kính được thiết lập với độ -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Radiation angle (deg) từ thẩm r = 1 và r = −1 , độ điện thẩm r = 2 và Hình 2. Đồ thị bức xạ của anten loa nón. = −2 tương ứng với hệ số khúc xạ của thấu kính r Bằng phương pháp ray tracing, nhóm tác giả đã lần lượt là n = 2 và n = − 2 . thực hiện trong nghiên cứu [13], đã xác định được các điểm hội tụ và quỹ đạo của chúng khi thay đổi góc quét Bảng 1. Các tham số mô phỏng của chùm tia tới, được thể hiện như trong Hình 3. Do Cấu CPU Intel Xeon E5 vậy trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực hiện thiết hình RAM 128 GB lập các anten loa nón trên một quỹ đạo được cho bởi máy Phần mềm HFSS công thức (2), với góc α là góc tạo bởi tia bức xạ từ tính Phương pháp mô phỏng MLFMM điểm hội tụ tới tâm của thấu kính và trục oz. Góc α Đường kính [mm] D 100 dịch chuyển trong khoảng từ 00 tới 450 với bước nhảy Các f Tiêu cự [mm] 100 là 150. tham số của thấu Độ từ thẩm 1 -1 f + f *cos 2 r fs = (2) kính Độ điện thẩm 2 -2 2 r Điểm hội tụ của thấu kính nằm tại tâm của giao Tần số hoạt động 28 GHz điểm giữa phần ống dẫn sóng và phần mở rộng của loa. Anten bức xạ theo hướng của trục oz. Trong suốt quá 3.2. Kết quả mô phỏng trình hoạt động, các tia sóng được bức xạ từ anten loa nón là dạng sóng cầu được lan truyền tới mặt cong phía Hình 4 thể hiện đồ thị bức xạ của anten thấu kính có hệ trong của thấu kính sau đó được khúc xạ và trở thành số khúc xạ dương và âm khi thiết lập anten loa nón sóng phẳng, đồng pha đi ra khỏi mặt sau của thấu kính. nằm trên quỹ đạo f s với góc quét từ 00 đến 450. ISBN: 978-604-80-5076-4 6
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Bảng 2. Tổng hợp các kết quả mô phỏng n= 2 n=− 2 Độ lợi SLL B L Độ lợi SLL B L [dBi] [dB] [0] [0] [dBi] [dB] [0] [0] 00 27.17 -23.80 7.19 0 27.33 -21.87 7.61 0 150 26.61 -19.93 7.59 -12.40 26.76 -20.30 8.24 -14.30 300 25.13 -12.96 8.29 -24.40 25.10 -16.91 9.33 -28.80 450 21.72 -6.76 12.07 -35.60 22.40 -14.72 10.32 -43.20 30 26.61 dBi 27.17 dBi α=0 kính và góc thiết lập lớn nhất ( = 450 ) là 4.93 dB, 25.13 dBi α = 15 21.72 dBi α = 30 giảm từ 27.33 dBi ở góc = 00 xuống còn 22.40 dBi ở 20 α = 45 góc = 450 . Khi = 150 và = 300 , độ lợi cực đại Gain_Positive (dBi) của anten lần lượt là 26.76 dBi và 25.10 dBi. Độ rộng 10 cánh sóng chính theo mức nửa công suất của anten đều SLL duong SLL am tăng khi anten loa nón được đặt trên quỹ đạo fs và dịch duong 0 am chuyển xa dần vị trí tiêu điểm của thấu kính. 0 0 -10 Side Lobe Level (dB.) -20 Side Lobe Level (dB) -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -15 -15 (deg.) Radiation angle θ (deg.) (deg.) (a) Anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương. Theta_L 30 26.76 dBi 27.33 dBi α=0 25.10 dBi α = 15 -30 -30 22.40 dBi α = 30 SLL ( ) 20 α = 45 SLL ( ) ( ) Gain_Negative (dBi) ( ) 10 -45 -45 0 15 30 45 0 (deg.) Anpha (deg.) Hình 5. So sánh biên độ cánh sóng bên và góc lệch. -10 Trong trường hợp anten sử dụng thấu kính có hệ số khúc xạ dương, biên độ cánh sóng bên (SLL) của anten -20 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 tăng lên rất nhanh, anten đạt giá trị thấp nhất là -23.8 Radiation angle θ (deg.) dB khi = 00 và giảm xuống chỉ còn -6.76 dB khi (b) Anten thấu kính có hệ số khúc xạ âm. = 450 . Trong khi ở vị trí cấp nguồn này, anten sử Hình 4. Đồ thị bức xạ của anten thấu kính. dụng thấu kính có hệ số khúc xạ âm vẫn duy trì biên độ Đối với thấu kính có hệ số khúc xạ dương ( n = 2 ), cánh sóng bên ở mức thấp hơn -14.72 dB. Bên cạnh đó, Hình 4 (a), anten đạt giá trị độ lợi cao nhất là 27.17 dBi khi xem xét độ lệch của góc tới thấu kính so góc bức xạ khi nguồn phát được thiết lập tại tiêu điểm của thấu ra khỏi mặt mở của anten (θL), chúng ta có thể nhận kính ( = 00 ). Giá trị này giảm dần khi góc bức xạ của 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 nguồn phát vào thấu kính tăng dần. Khi = 450 , anten kính có hệ số khúc xạ dương, như trong Hình 5. Các thấu kính đạt giá trị độ lợi cực đại bằng 21.72 dBi, kết quả mô phỏng được trình bày chi tiết trong Bảng 2. 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 IV. KẾT LUẬN có hệ số khúc xạ âm, các giá trị độ lợi cực đại của Bằng việc sử dụng phần mềm tính toán trường điện anten đều xấp xỉ hoặc cao hơn giá trị độ lợi cực đại của từ ANSYS HFSS và xây dựng mô hình cấu trúc anten anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương ở cùng một quét búp sóng góc rộng, nhóm tác giả đã thực hiện mô góc thiết lập ( ). Sự chênh lệch giá trị độ lợi cực đại phỏng, so sánh và đánh giá khả năng quét búp sóng của anten giữa nguồn phát đặt ở tiêu điểm của thấu ISBN: 978-604-80-5076-4 7
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) rộng của anten thấu kính có hệ số khúc xạ dương và [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 âm. Kết quả cho thấy, khi thiết lập nguồn phát của Effects on Lens Antenna Characteristics”, EAI INISCOM anten thấu kính trên một quỹ đạo xác định trước bằng 2020 - 6th EAI International Conference on Industrial phương pháp ray tracing, anten thấu kính cho phép tạo Networks and Intelligent System,Virtual Space, 27-28 August ra góc quét trên 900 mà vẫn duy trì được độ lợi cao, 2020. biên độ cánh sóng bên thấp khi sử dụng anten thấu kính [8] F. Ansarudin, T. A. Rahman, and Y. Yamada, "MATLAB Program for Dielectric Lens Antenna Shaping," in 2018 2nd có hệ số khúc xạ âm. Kết quả của bài báo này là cơ sở International Conference on Telematics and Future Generation cho các nhà nghiên cứu và chế tạo sử dụng thấu kính Networks (TAFGEN), Kuching, Malaysia, Jul. 2018, pp. 81- có hệ số khúc xạ âm trong việc thiết kế anten tạo đa 86. búp sóng, góc quét búp sóng rộng cho trạm gốc trong [9] Y. Tajima, Y. Yamada, S. Sasaki, and A. Kezuka, "Calculation of Wide Angle Radiation Patterns and Caustics of a Dielectric thông tin di động 5G. Lens Antenna by a Ray Tracing Method," IEICE Trans. Electron., vol. E87-C, no. 9, pp. 1432-1440, Sep. 2004. LỜI CẢM ƠN [10] T. Maruyama, K. Yamamori, and Y. Kuwahara, "Design of Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa Multibeam Dielectric Lens Antennas by Multiobjective học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài Optimization," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 1, pp. 57-63, Jan. 2009. mã số 102.04-2018.08. [11] N.H.A. Rahman, M.T. Islam, N. Misran, Y. Yamada, and N. Michishita, "Design of a satellite antenna for Malaysia beams TÀI LIỆU THAM KHẢO by ray tracing method," in 2012 International Symposium on [1] W. Hong, H.Z. Jiang, C. Yu, J. Chao, P. Cheng, "Multibeam Antennas and Propagation (ISAP), Nagoya, Japan, Nov. 2012, Antenna Technologies for 5G Wireless Communications," pp. 1385-1388. IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 12, pp. 6231-6249, [12] Y. Tajima and Y. Yamada, "Design of shaped dielectric lens Dec. 2017. antenna for wide angle beam steering," Electron. Commun. [2] C.X. Wang, F. Haider, X. Gao, X.H. You, Y. Yang, "Cellular Jpn. Part III Fundam. Electron. Sci., vol. 89, no. 2, pp. 1-12, architecture and key technologies for 5G wireless 2006. communication networks," IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. [13] P.V. Hung, N.Q. Dinh, D. T. Dung, Y. Yamada, " Caustics and 2, pp. 122-130, 2014. Beam Steering Calculations of Negative Refractive Index Lens [3] C.C. Chang, R.H. Lee, and T. Y. Shih, "Design of a Beam Antenna by the Ray Tracing Method," in proceeding of Switching/Steering Butler Matrix for Phased Array System," International Conference on Advanced Technologies for IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 2, pp. 367-374, Communications, NhaTrang Vietnam, Oct. 2020, pp. 136-139. Feb. 2010. [14] S. A. Hamid, N. H. A. Rahman, Y. Yamada, P. V. Hung and [4] Y. Yamada, C.Z. Jing, N.H.A. Rahman, K. Kamardin, I.I. N. Q. Dinh, “Multibeam Characteristics of a Negative Idrus, M. Rehan, T.A. Latef, T.A. Rahman, N.Q. Dinh, Refractive Index Shaped Lens,” Sensors 2020, 20, 5703, "Unequally Element Spacing Array Antenna with Butler doi:10.3390/s20195703. Matrix Feed for 5G Mobile Base Station," In 2nd International [15] T. Maruyama, K. Yamamori and Y. Kuwahara, "Design of Conference on Telematics and Future Generation Networks Multibeam Dielectric Lens Antennas by Multiobjective (TAFGEN), Kuching, Malaysia, 24-26 July 2018, pp. 72-76. Optimization," IEEE Transactions on Antennas and [5] N.Q. Dinh, N.T. Binh, Y. Yamada, N. Michishita, "Proof of Propagation, vol. 57, no. 1, pp. 57-63, 2009, doi: the Density Tapering Concept of an Unequally Spaced Array 10.1109/TAP.2008.2009694 by Electric Field Distributions of Electromagnetic [16] Y. Tajima and Y. Yamada, "Improvement of Beam Scanning Simulations," Journal of Electromagnetic Waves and Characteristics of a Dielectric Lens Antenna by Array Feeds," Applications, vol. 34, no. 5, pp. 668-681. 2020. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, [6] P.V. Hung, N.Q. Dinh, T.V.D. Nguyen, Y. Yamada, N. Communications and Computer Sciences, Vol 7 p. 1616-1624, Michishita, and M.T. Islam, "Electromagnetic Simulation 2008. Method of a Negative Refractive Index Lens Antenna," in [17] W.L. Stutzman and G.A. Thiele, Antenna Theory and Design. proceeding of International Conference on Advanced 3rd ed., John Wiley & Sons, New Jersey, US, 2012. Technologies for Communications, Hanoi, Vietnam, Oct. [18] Y.T. Lo, S.W. Lee, Antenna Handbook. 2nd ed. Van Nostrand 2019, pp. 109-112. Rainhold Company, New York (1988). ISBN: 978-604-80-5076-4 8