Nguyên lý của ăng-ten thấu kính Longbo và ứng dụng của nó trong hệ thống truyền thông 5G

Thấu kính Luneburg là một thấu kính điện môi hình cầu với độ chiết suất gradient tăng dần, được đề xuất bởi Rudolf Karl Luneburg vào năm 1944.

Cấu trúc lõi và hồ sơ chiết suất

• Hình dạng: Là một hình cầu hoàn hảo, với các tham số cấu trúc/vật liệu đối xứng hoàn toàn quanh tâm hình cầu.

• Chiết suất: Gradient xuyên tâm, giảm dần từ tâm ra bề mặt hình cầu.

Công thức lý tưởng: n(r) = √(2−(r/R)²)

◦ r: Khoảng cách từ tâm hình cầu; R: Bán kính hình cầu; n(R)=1 (khớp với không khí).

• Cấu trúc tương đương: giống như củ hành, với nhiều vòng điện môi, mỗi lớp có hằng số điện môi khác nhau, đạt được khúc xạ gradient.

Nguyên lý hoạt động (đường đi quang học có thể đảo ngược)

Chế độ truyền: Một sóng cầu được phát ra từ một nguồn cấp liệu tại một điểm nhất định trên mặt cầu, và được khúc xạ bởi một thấu kính thành một sóng phẳng song song (chùm tia hẹp có độ lợi cao).

Chế độ nhận sóng: Sóng phẳng tới từ mọi hướng được khúc xạ bởi thấu kính và hội tụ chính xác vào các điểm tương ứng trên bề mặt cầu.

Các tính năng chính: hội tụ đa hướng, độc lập đa chùm, không nhiễu, độ lợi cao, búp sóng phụ thấp.

II. Ứng dụng trong hệ thống truyền thông 5G

5G yêu cầu độ lợi cao, đa chùm, phủ sóng rộng, dung lượng lớn, nhiễu thấp, giảm chi phí và cải thiện hiệu quả, và ăng-ten thấu kính Longbo hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu này.

Phủ sóng trạm gốc macro/micro 5G

• Chùm tia hẹp độ lợi cao: Ăng-ten này có độ lợi cao hơn, phạm vi phủ sóng xa hơn và khả năng xuyên thấu mạnh hơn so với ăng-ten dạng bảng truyền thống.

• Khả năng phủ sóng đa chùm tia đồng thời: Nhiều nguồn cấp được bố trí trên bề mặt cầu để tạo thành các chùm tia độc lập, không gây nhiễu lẫn nhau, tăng gấp đôi dung lượng.

• Tái sử dụng tài nguyên mái: Một ăng-ten hỗ trợ nhiều băng tần/nhiều tiêu chuẩn (2G/3G/4G/5G), giảm số lượng ăng-ten và tiết kiệm không gian.

Các ứng dụng kịch bản 5G điển hình

• Tàu cao tốc/đường cao tốc/hầm/cầu (vùng phủ sóng hẹp và dài)

◦ Chùm tia hẹp + độ lợi cao, phủ sóng liên tục trên khoảng cách xa, giảm số lượng trạm gốc.

◦ Trường hợp: Tuyến đường sắt cao tốc Mudanjiang-Jiamusi đạt phủ sóng 5G toàn diện, giảm 195 trạm gốc và tiết kiệm khoảng 92 triệu nhân dân tệ chi phí trong 10 năm.

• Các kịch bản mật độ cao (khuôn viên/địa điểm/khu dân cư)

◦ Phạm vi phủ sóng đa chùm chính xác giúp giảm nhiễu đồng kênh và tăng cường dung lượng cũng như trải nghiệm người dùng.

◦ Hỗ trợ Massive MIMO và hoạt động cộng hưởng với công nghệ giao diện không khí 5G.

• 5G sóng milimet (24G/28G/39G, v.v.)

◦ Do suy hao đường truyền đáng kể của sóng milimet, ống kính Longbo mang lại độ lợi cực cao để bù đắp suy hao và tăng cường phạm vi phủ sóng.

◦ Hỗ trợ quét chùm tia góc rộng (lên đến 146°), thích ứng với các yêu cầu phủ sóng linh hoạt của sóng milimet.

• Phạm vi phủ sóng siêu xa ở các khu vực đại dương/xa xôi

◦ Với phạm vi phủ sóng tối đa 75km, giải quyết thách thức phủ sóng ở các khu vực hàng hải/vùng xa xôi.

• Liên lạc khẩn cấp/điểm phát sóng tạm thời

◦ Triển khai nhanh chóng, dung lượng cao đa chùm tia, đáp ứng nhu cầu của các kịch bản đồng thời cao như lễ hội âm nhạc và sự kiện.

Giá trị cốt lõi (giải quyết các điểm yếu của 5G)

• Giảm chi phí và nâng cao hiệu quả: Giảm số lượng trạm gốc và hạ thấp chi phí triển khai/bảo trì.

• Nâng cao dung lượng: Với khả năng song song đa chùm, dung lượng được nâng cao gấp nhiều lần.

• Nâng cao vùng phủ sóng: Phạm vi xa hơn, xuyên thấu sâu hơn và vùng phủ sóng liên tục hơn.

• Khả năng chống nhiễu: chùm tia hẹp + độ cách ly cao, giảm nhiễu đồng kênh/kênh liền kề.

• Khả năng tương thích đa tần số: Hỗ trợ Sub-6G + mmWave, tương thích với băng tần đầy đủ 5G.

III. Tóm tắt

Ăng-ten thấu kính Longbo, đạt được khả năng lấy nét đa hướng, đa chùm tia và độ lợi cao thông qua chỉ số khúc xạ gradient hình cầu, là một công nghệ then chốt để tối ưu hóa phạm vi phủ sóng/dung lượng/chi phí 5G và đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều tình huống trên quy mô lớn.