Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO TRẠM GỐC TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG TẦN 28 GHz 1. Những vấn đề chung về anten cho trạm gốc trong thông tin di động 5G Trong hệ thống thông tin di động, anten là một thành phần quan trọng không thể thiếu, chúng là cầu nối giữa các thiết bị di động và hệ thống thông tin. Anten xuất hiện cả phía phát và phía thu, có nhiệm vụ bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ trong không gian và mang theo tín hiệu chứa tin tức cần truyền nhận. Anten tại các trạm gốc (BTS: Base Transceiver Station) có khả năng bức xạ toàn bộ vùng phủ sóng, cho phép cải thiện đáng kể phạm vi và dung lượng của hệ thống thông tin di động.
Trạm gốc Thiết bị di động Búp sóng hẹp Hình 1. Búp sóng hẹp của anten tại tạm thu phát gốc Hình 1.1: Búp sóng hẹp của anten tại trạm gốc. 8 9 Mô hình anten tại trạm gốc có búp sóng hẹp được thể hiện như trong Hình 1. Búp sóng hẹp hướng thẳng về phía thiết bị mong muốn và dịch chuyển theo sự di chuyển của thiết bị di động.
Khi so sánh với anten đa hướng, anten định hướng có hệ số tăng ích cao, phạm vi liên lạc xa hơn, hạn chế nhiễu, và cho phép việc tái sử dụng tần số đối với các trạm gốc lân cận và khi triển khai thêm các trạm BTS mới. BS signal strength(dBm) BS signal strength(dBm) -95.0 518 m 224 m (a) fc = 900 MHz (b) fc = 28 GHz Hình 1.2: Cấu trúc vùng phủ sóng của các trạm gốc với fc = 900 MHz và 28 GHz. Đối với các trạm BTS thế hệ thứ tư trở về trước, cấu trúc mạng các trạm gốc hoạt động ở tần số trung tâm là 900 MHz có các trạm gốc nằm cách nhau khoảng 1 km và bán kính phạm vi phủ sóng khoảng 500 m, được thể hiện như trong Hình 1. Mật độ của các anten tại trạm gốc sẽ do số lượng người dùng thực tế quyết định.
Đối với cấu trúc mạng các trạm gốc của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm hoạt động ở băng tần 28 GHz có số lượng trạm gốc nhiều hơn, bố trí dày đặc hơn, được thể hiện trong Hình 1. Do hoạt động ở dải sóng milimét nên suy hao đường truyền của anten tại trạm 10 gốc này cao hơn so với thế hệ anten tại trạm gốc trước đó. Để duy trì mức năng lượng đồng đều, đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng, khoảng cách giữa các trạm gốc đã giảm từ 1 km xuống 400 m. Đối với hệ thống thông tin di động 4G hiện tại hoạt động ở băng tần 0,7 GHz - 2,7 GHz có suy hao đường truyền trong không gian tự do là 87 dB ở khoảng cách 200 m, trong khi đó đối với hệ thống thông tin di động 5G hoạt động ở băng tần 28 GHz có suy hao đường truyền cao là 107 dB [23].
Tuy nhiên, do sự suy hao đường truyền có thể ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, các chướng ngại vật như tòa nhà, cây cối và địa hình nên khoảng cách giữa các trạm gốc được thiết lập trong khoảng bán kính 200 m. Do đó, anten tại trạm gốc trong thông tin di động 5G phải có khả năng bức xạ cao để bù lại suy hao truyền dẫn. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây, sự phát triển của các thiết bị không dây tăng lên nhanh chóng, các ứng dụng của các thiết bị không dây đa phương tiện ngày càng nhiều kéo theo nhu cầu về dữ liệu và tốc độ xử lý ngày càng lớn. Do đó, hệ thống anten ở trạm BTS phải có khả năng tạo ra đa búp sóng, quét búp sóng góc rộng.
Anten đa búp sóng có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio), tốc độ truyền dữ liệu cao, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng và phổ tần, định hình búp sóng linh hoạt. Mô hình về anten đa búp sóng cho trạm gốc trong thông tin di động 5G được trình bày trong Hình 1. Anten trạm gốc trong hệ thống thông tin thế hệ mới phải có khả năng tạo ra được nhiều búp sóng trong cả phương thẳng đứng và phương ngang. Các búp sóng trong phương thẳng đứng sẽ đáp ứng cho người dùng di động ở các nhà cao tầng, chung cư.
Trong khi đó các búp sóng phân bố theo phương ngang sẽ đáp ứng cho các thiết bị di động hoạt động trên mặt đất. Các anten 11 Trạn BTS Phương thẳng đứng Phương thẳng đứng Phương ngang 200 mét Thiết bị di động Hình 1.3: Mô hình về anten đa búp sóng cho trạm gốc trong thông tin di động 5G. tại trạm gốc được thiết kế với một mạng chuyển mạch đa búp sóng để phân phối các búp sóng thích hợp cho mỗi người dùng di động cụ thể. Hệ thống thông tin di động 5G được cho là đã tận dụng một cách tối ưu phổ tần khi sử dụng cả hai dải tần là dải tần số cao trên 24 GHz và dải tần số thấp dưới 6 GHz.
Dải tần số thấp nằm trong phổ tần dưới 6 GHz, và các anten M-MIMO trong dải tần này được sử dụng để phủ sóng ở các macro cell và cung cấp dung lượng cơ bản. Tần số khả dụng trong băng tần này bao gồm 3,3 - 3,8 GHz và 4,4 - 5,0 GHz. Đối với dải tần số cao trên 24 GHz và các anten M-MIMO trong băng tần này được sử dụng cho các điểm phát sóng, vùng phủ sóng trong nhà và kết nối giữa mạng trung tâm (mạng trục, mạng lõi) và các mạng con từ xa. Trong những năm gần đây, nhiều quốc gia đã công bố dải tần số trên 24 GHz cho thông tin di động 5G, bao gồm các băng tần 24 - 29 GHz, 37 - 40 GHz và 60 - 76 GHz [24].
Ngoài ra, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC: Federal Communications Commission) của 12 Mỹ và các quốc gia khác như Nhật Bản, Hàn Quốc đã xác định băng tần 28 GHz (N257) và 39 GHz (N260) là băng tần trung tâm sẽ được sử dụng trong các nghiên cứu về thông tin di động 5G. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học thực hiện ứng dụng công nghệ sóng milimét trong hệ thống thông tin di động, điều này sẽ thúc đẩy các nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng các công nghệ anten dải sóng milimét. Bằng việc sử dụng sóng milimét tại trạm gốc, kích thước anten của trạm gốc trở nên nhỏ hơn và gần bằng một phần mười kích thước của anten ở trạm gốc thế hệ trước đó [25]. Anten tại trạm gốc có kích thước nhỏ sẽ giúp cho việc triển khai, lắp đặt được dễ dàng hơn, giảm được các tác nhân từ bên ngoài môi trường và giảm chi phí sản xuất.
Hệ thống anten ở trạm BTS cho thông tin di động 5G sử dụng dải sóng milimét cho phép các nhà nghiên cứu, chế tạo lựa chọn nhiều loại anten khác nhau như: anten mảng pha, anten mặt phản xạ, hoặc anten thấu kính,. Trong đó, anten thấu kính với khả năng bức xạ năng lượng tốt, tính định hướng cao, khả năng tạo đa búp sóng, xoay búp sóng là một trong những ứng viên tiềm năng ứng dụng cho trạm gốc trong thông tin di động dải sóng milimét. Tổng quan về anten thấu kính 1. Giới thiệu chung Vào đầu những năm 1880, Heinrich Hertz, một nhà vật lý người Đức, đã nghiên cứu thấu kính điện môi kết hợp với nguồn phát xạ và chứng minh sự hoạt động của thấu kính trong môi trường trường điện từ.
Đến năm 1888, Oliver Lodge đã thiết kế anten thấu kính điện môi đầu tiên trong các thí nghiệm của mình hoạt động ở bước sóng 1 mét [26]. Tuy nhiên, phải đến 13 Chiến tranh Thế giới thứ hai, anten thấu kính mới được nghiên cứu và phát triển rộng rãi hơn. Nhưng tại thời điểm đó, ở dải sóng siêu cao tần, kích thước của anten thấu kính cồng kềnh và nặng hơn so với anten mặt phản xạ, do đó, anten thấu kính ít được quan tâm hơn so với anten mặt phản xạ. Với những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo mạch hoạt động trong dải sóng milimét và Sub-mmW trong hai thập kỷ qua, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu có sự quan tâm ngày càng nhiều đến anten thấu kính, với công nghệ mới, kích thước của loại anten này được chế tạo nhỏ gọn hơn, đáp ứng được các yêu cầu và ứng dụng thực tế.
Với cấu trúc đặc biệt, nguồn phát xạ đặt phía sau thấu kính nên anten không bị ảnh hưởng bởi sự che khuất của nguồn phát xạ. Do đó, anten thấu kính có thể tạo được đa búp sóng dễ dàng hơn, có khả năng định hình búp sóng và xoay búp sóng theo mục tiêu. Trong hầu hết các trường hợp, dạng bức xạ của các tia sóng ở đầu ra của thấu kính là tia sóng chuẩn trực (sóng đầu ra có dạng sóng phẳng, đồng pha) cố định hoặc có khả năng quét búp sóng. Anten thấu kính là một dạng của anten mặt mở nên anten có tính định hướng cao, biên độ cánh sóng bên thấp và anten thấu kính được coi là một giải pháp thay thế đáng tin cậy cho anten mặt phản xạ ở dải sóng milimét.
Thấu kính có thể được sử dụng để hiệu chỉnh pha hoặc biên độ (hoặc cả hai) của nguồn phát xạ chính để biến nó thành dạng bức xạ đầu ra như mong muốn. Theo nghĩa này, thấu kính có chức năng tương đương với gương phản xạ. Tuy nhiên, thay vì phản xạ, nguyên tắc hoạt động của thấu kính dựa trên sự khúc xạ của sóng điện từ tại bề mặt thấu kính (trong trường hợp thấu kính đồng nhất đẳng hướng), hoặc bên trong vật liệu điện môi của thấu kính trong trường hợp thấu kính với chỉ số khúc xạ không đồng nhất.4(a) 14 Thấu kính Mặt phản xạ Tiêu điểm (a) Anten thấu kính (b) Anten mặt phản xạ Hình 1.4: Cấu trúc anten thấu kính và anten mặt phản xạ. thể hiện cấu trúc cơ bản nhất của anten thấu kính, các tia song song của sóng phẳng đi tới thấu kính bị khúc xạ tại bề mặt sau đó đi xuyên qua thấu kính và hội tụ tại một điểm, gọi là tiêu điểm của thấu kính.
Tất cả các tia này có cùng độ dài điện, nghĩa là chúng đến cùng pha tại tiêu điểm (nguyên lý Fermat), mặc dù độ dài vật lý của chúng khác nhau, nhưng chúng được bù bằng vận tốc pha chậm hơn (v = c/n) trong các phần khác nhau của thấu kính. Trong hầu hết các thiết kế, kích thước thấu kính lớn so với bước sóng hoạt động cho phép sử dụng các phương pháp thiết kế dựa trên nguyên lý quang hình [27].