Bài viết Phân tích và tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang với sự phân bố biên độ theo hình Sin phân tích và tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang với sự phân bố biên độ theo hình Sin khi búp sóng chính vuông góc với ống dẫn sóng, trong khi vẫn đảm bảo được hệ số phản xạ của ăng ten.
Điện tử – Vật lý – Đo lường Phân tích tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang với phân bố biên độ theo hình sin Lê Doãn Trinh1*, Trần Thị Nhung2 Viện thiết kế tàu qn sự, Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng; Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định * Email: anhletrinhnd@gmail.com Nhận bài: 16/6/2022; Hoàn thiện: 11/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 23/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.90-95 ABSTRACT Bài báo phân tích tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang với phân bố biên độ theo hình Sin búp sóng vng góc với ống dẫn sóng, đảm bảo hệ số phản xạ ăng ten Ăng ten ống dẫn sóng có dạng hình hộp chữ nhật, bên chứa chất điện môi lý tưởng (ε=2.25), cạnh dài hình hộp chữ nhật có cặp rãnh nằm ngang phân bố dọc theo ống dẫn sóng Bằng phương pháp phần tử hữu hạn, báo tổng hợp chiều dài, khoảng cách hai khe ngang chiều dài chu kì cặp khe ngang Kết tính tốn cho thấy rằng, tần số f = 10 Ghz búp sóng vng góc với ống dẫn sóng, tổng hợp phân bố biên độ ăng ten theo hình Sin với giá trị búp sóng phụ lớn lúc = -16.6dB Góc quét theo tần số ăng ten sau tổng hợp = 35 0, tần số thay đổi từ Ghz đến 10.5 Ghz Từ khóa: Ăng ten ống dẫn sóng; Khe ngang; Sự phân bố biên độ; Phương pháp phần tử hữu hạn GIỚI THIỆU Với ưu giá thành, đảm bảo thông số kỹ thuật, năm gần đây, việc nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng trở thành xu nhà khoa học giới Các đặc điểm ăng ten ống dẫn sóng, phương pháp dùng để phân tích chúng nghiên cứu nhiều tài liệu khác [1-4] Hầu hết nghiên cứu nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng với rãnh dọc, ví dụ như: báo [5] phân tích tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng có rãnh dọc với phân bố biên độ theo hình Sin, báo [6] nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng có rãnh dọc với dải qt tần số rộng Ngồi ra, có nhiều nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang công bố như: báo [7] nghiên cứu ăng ten phẳng chiều làm từ ống dẫn sóng xếp lại với nhau, bên ống dẫn sóng chứa chất điện mơi bên ống dẫn sóng có cặp khe ngang xắp xếp theo chu kì khơng đổi, báo [8] nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng với số lượng khe ngang khác chu kì, báo [9] nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng với ba khe ngang hoạt động chế độ xạ khác Tuy nhiên, tất nghiên cứu ăng ten ống dẫn sóng chưa đề cập đến vấn đề tổng hợp phân bố biên dọc theo ống dẫn sóng búp sóng vng góc với ống dẫn sóng Bởi vì, với ăng ten ống dẫn sóng, búp sóng vng góc với ống dẫn sóng, tượng cộng hưởng phản xạ sóng vơ tuyến, tồn sóng điện từ bị phản xạ lại hết, dẫn đến khơng có tượng truyền sóng [1] Để giải vấn đề này, sử dụng, ăng ten ống dẫn sóng có cặp khe ngang, điều chỉnh khoảng cách khe ngang để sóng truyền ống dẫn sóng [2] Tuy nhiên, sử dụng cặp khe ngang, thay đổi chiều dài chúng để tổng hợp phân bố biên độ góc chiếu xạ chu kì ăng ten bị thay đổi dẫn đến khơng tạo sóng phẳng phía bề mặt ăng ten Vì vậy, để giải đồng thời vấn đề trên, báo phân tích tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang với phân bố biên độ theo hình Sin búp sóng vng góc với ống dẫn sóng, đảm bảo hệ số phản xạ ăng ten tần số f = 10 Ghz 90 L D Trinh, T T Nhung, “Phân tích tổng hợp ăng ten … phân bố biên độ theo hình sin.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Cấu trúc báo sau: phần – nghiên cứu hình dáng bên ngồi ăng ten, phần – tìm hiểu phụ thuộc tham số ăng ten vào chiều dài khe ngang, phần – tổng hợp tham số ăng ten theo yêu cầu, phần – đánh giá kết nhận được, phần – kết luận ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu báo ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang với chu kì thể hình 1, đó: a – Chiều rộng ăng ten, b – Chiều dài chu kì cặp khe ngang, w – Chiều rộng khe ngang, s – Chiều dài khe ngang, d – Khoảng cách hai khe ngang Bên ăng ten chứa chất điện môi lý tưởng với ε=2.25 Chiều dày ăng ten = mm Ăng ten làm từ kim loại lý tưởng (pec) với độ dày = 0.5mm Để tổng hợp phân bố biên độ ăng ten, báo cố định giá trị chiều rộng ăng ten a = 15 mm, chiều rộng khe ngang w = mm Việc tổng hợp ăng ten ống dẫn sóng thực phương pháp phần tử hữu hạn, phần mềm Ansys Electronics Suite Hình Một chu kì ăng ten ống dẫn sóng với khe ngang SỰ PHỤ THUỘC CÁC THAM SỐ CỦA ĂNG TEN VÀO CHIỀU DÀI CỦA KHE NGANG Để nghiên cứu phụ thuộc tham số ăng ten vào chiều dài khe ngang, báo chọn giá trị chiều dài khe ngang s1 = 8mm, s2 = 9mm, s3 = 10mm, s4 = 11mm Có hai vấn đề tổng hợp phân bố biên độ theo hình Sin cách thay đổi chiều dài khe ngang là: - Chiều dài khe ngang thay đổi làm cho ăng ten khơng đảm bảo hệ số phản xạ búp sóng vng góc với ống dẫn sóng - Chiều dài khe ngang thay đổi, dẫn đến tần số, góc chiếu xạ ăng ten bị thay đổi [7] Hình Sự phụ thuộc hệ số phản xạ vào tần số với giá trị chiều dài khe ngang Để giải vấn đề thứ nhất, báo thay đổi khoảng cách hai khe ngang với d1 = 3.97mm, d2 = 3.36mm, d3 = 2.39mm, d4 = 0.97mm tương ứng với giá trị chiều dài khe ngang s1 = 8mm, s2 = 9mm, s3 = 10mm, s4 = 11mm, cho tần số f = 10 Ghz, hệ số phản xạ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 91 Điện tử – Vật lý – Đo lường chu kì với p = 26mm nhỏ Hình thể phụ thuộc hệ số phản xạ (S 11) vào tần số với giá trị chiều dài khe ngang, đó: - s1 = 8mm, - s2 = 9mm, - s3 = 10mm, - s4 = 11mm Để giải vấn đề thứ hai, báo thay đổi chiều dài chu kì p tương ứng với giá trị chiều dài khoảng cách hai khe ngang, cho tần số f = 10 Ghz, búp sóng ăng ten vng góc với ống dẫn sóng Ăng ten sử dụng để tính tốn trường hợp ăng ten có 16 chu kì giống (tương ứng với chiều dài ăng ten khoảng 400mm) (hình 3) Hình Ăng ten ống dẫn sóng với 16 chu kì giống Hệ số phát xạ ăng ten tính cơng thức [2]: Spx = - (S11)2 - (S12)2 (1) Trong đó: Spx – hệ số phát xạ, S11 – hệ số phản xạ, S12 – hệ số truyền sóng Từ kết giải vấn đề công thức (1), ta nhận bảng Bảng Sự phụ thuộc tham số ăng ten vào chiều dài khe ngang S11 S12 Spx s d p 0.00198 0.98511 3.97 25.42 0.02955 0.023 0.95296 3.36 24.43 0.09134 10 0.05723 0.87567 2.39 22.7 0.22993 11 0.11931 0.70583 0.97 20.2 0.48757 Bằng phương pháp gần đúng, ta viết lại phụ thuộc của hệ số phát xạ, chiều dài chu kì, khoảng cách khe ngang vào chiều dài khe ngang theo công thức: Spx(s) = 2*105e0.9333s (2) p(s) = -0.005s -0.235s +4.09s+10.3 (3) d(s) = -0.015s +0.225s -1.18s+6.69 (4) TỔNG HỢP CÁC THAM SỐ CỦA ĂNG TEN Sự phân bố biên độ dọc theo ống dẫn sóng ăng ten theo hình Sin thể cơng thức: E(y) = sin(πy/L) (5) Trong đó: E(y) – phân bố biên độ theo trục y, L – chiều dài ăng ten, y – tọa độ y tính từ đầu ăng ten Bằng việc tích phân phân bố biên độ dọc theo ống dẫn sóng ăng ten, ta có cơng thức thể phụ thuộc hệ số phát xạ vào tọa độ y phân bố biên độ theo hình Sin [1]: Spx(y)=(102E(y)/2)/(2L(P0/(P0-PL)/π+L(cos(πy/L)-1)/π) (6) Trong đó: P0 = – cơng suất đầu vào ăng ten, PL = 0.1 – công suất đầu ăng ten (phát xạ 90% công suất) Từ công thức (2), (5) (6), ta có cơng thức thể phụ thuộc chiều dài khe ngang vào tọa độ y là: 92 L D Trinh, T T Nhung, “Phân tích tổng hợp ăng ten … phân bố biên độ theo hình sin.” Nghiên cứu khoa học công nghệ s(y) = (ln(Spx(y))-ln(2*105))/0.9333 (7) Từ công thức (7), ta nhận chiều dài khe ngang, sau thay giá trị vào cơng thức (3) (4), ta nhận khoảng cách hai khe ngang chiều dài chu kì cặp khe ngang Giả sử chiều dài ăng ten khoảng 400mm, lúc ta cần có 16 cặp khe ngang để tổng hợp phân bố biên độ theo hình Sin (chiều dài số lượng chu kì thay đổi mà không ảnh hưởng đến kết tổng hợp) Kết sau tổng hợp tham số ăng ten thể bảng KẾT QUẢ TỔNG HỢP ĂNG TEN Hình dáng của ăng ten sau tổng hợp tham số thể hình Bảng Các tham số ăng ten sau tổng hợp s (mm) d (mm) p (mm) 7.25 4.245 25.695 8.432 3.745 25.082 8.989 3.369 24.445 9.364 3.054 23.888 9.653 2.773 23.387 9.892 2.514 22.923 10.101 2.268 22.483 10.289 2.03 22.059 10.461 1.797 21.645 10.62 1.568 21.243 10.764 1.351 20.861 10.885 1.159 20.528 10.961 1.034 20.311 10.941 1.068 20.37 10.688 1.467 21.064 9.692 2.733 23.314 Hình Hình dáng ăng ten sau tổng hợp tham số Để so sánh kết nhận được, báo sử dụng ăng ten ống dẫn sóng với cặp khe ngang khác có 16 chu kì giống với tham số là: a = 15mm, b – 21.6mm, w – 2mm, s – 10.5mm, d – 1.7mm, cho P0 PL ăng ten 0.1 Ăng ten giải vấn đề hệ số phản xạ phụ búp sóng vng góc với ống dẫn sóng, khơng đảm bảo góc chiếu xạ chu kì thay đổi chiều dài cặp khe ngang Hình thể phân bố biên độ tần số f = 10 Ghz ăng ten trước sau tổng hợp tham số (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Từ hình thấy rằng: trước tổng hợp, phân bố biên độ ăng ten dọc theo ống dẫn sóng có hàm mũ, cịn khi tổng hợp phân bố biên độ ăng ten theo hình Sin Hình Sự phân bố biên độ dọc theo ống dẫn sóng ăng ten tần số f = 10 Ghz (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 93 Điện tử – Vật lý – Đo lường Hình thể phụ thuộc hệ số phản xạ ăng ten vào tần số (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Từ hình thấy rằng: tần số f = 10 Ghz, búp sóng vng góc với ống dẫn sóng, hệ số phản xạ ăng ten trước sau tổng hợp phân bố biên độ tương đương Tuy nhiên, tần số khác ăng ten sau tổng hợp có hệ số phản xạ tốt ăng ten trước tổng hợp Hình Sự phụ thuộc hệ số phản xạ vào tần số (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Hình Giá trị chuẩn hóa đồ thị xạ ăng ten tần số f = 10 Ghz (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Hình thể giá trị chuẩn hóa đồ thị xạ ăng ten tần số f = 10 Ghz (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Từ hình thấy rằng: giá trị lớn búp sóng phụ ăng ten sau tổng hợp (-16.6 dB) nhỏ giá trị lớn búp sóng phụ ăng ten trước tổng hợp (-11.3 dB) Hình Búp sóng ăng ten tần số khác Hình thể búp sóng ăng ten tần số khác (1 – 10.5 Ghz, – 10.3 Ghz, – 10 Ghz, – 9.7 Ghz, – 9.5 Ghz, – 9.3 Ghz, – Ghz), hình thể đồ thị xạ ăng ten dạng 3D tần số f = 10 Ghz Hình Đồ thị xạ ăng ten dạng 3D tần số f = 10 Ghz 94 L D Trinh, T T Nhung, “Phân tích tổng hợp ăng ten … phân bố biên độ theo hình sin.” Nghiên cứu khoa học công nghệ KẾT LUẬN Từ kết nhận đưa kết luận sau: - Bằng việc thay đổi tham số ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang như: chiều dài khe ngang, khoảng cách hai khe ngang, chiều dài chu kì cặp khe ngang, tổng hợp phân bố biên độ theo hình Sin dọc theo ống dẫn sóng - Tại tần số f = 10 Ghz, giá trị lớn búp sóng phụ ăng ten ống dẫn sóng sau tổng hợp nhỏ (-16.6 dB) nhỏ giá trị lớn búp sóng phụ ăng ten trước tổng hợp (-11.3 dB) - Góc quét theo tần số ăng ten sau tổng hợp = 35 0, tần số thay đổi từ Ghz đến 10.5 Ghz TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Уолтер К “Антенны бегущей волны” // под ред А Ф Чаплина – М.: Энергия – (1970) [2] Калошин В А “Антенны миллиметровых волн” // Зарубежная радиоэлектроника №11 С.8196 (1984) [3] Мануилов М Б., Лерер В А., Синявский Г П “Методы расчета и новые применения волноводно-щелевых антенных решеток” // Успехи современной радиоэлектроники №5 С 328 (2007) [4] Банков С Е “Антенные решетки с последовательным питанием” // – М., Физматлит (2013) [5] Калиничев В И “Анализ и синтез волноводно-щелевой антенны с заданным амплитудным распределением” // Журнал радиоэлектроники №12 (2015) [6] Калошин В А., Ле Д Т., “Фролова Е В Волноводно-щелевая антенна с широким сектором частотного сканирования” // Журнал радиоэлектроники №3 (2020) [7] Калиничев В И., Бабаскин А А “Частотно-фазовое сканирование волноводно-щелевых антенных решеток, заполненных диэлектриком” // Журнал радиоэлектроники №9 (2017) [8] David R S., Okan Yurduseven, Laura P M and others “Analysis of a waveguide-fed metasurface antenna” // Phys Rev Appl V8(5) 054048 (2017) [9] Калошин В А., Ле Д Т., “Волноводно-щелевая антенна с сектором частотного сканирования 180 градусов” // Журнал радиоэлектроники №4 (2020) ABSTRACT Transverse slotted waveguide antenna with sinusoidal amplitude distribution In this paper, a transverse slotted waveguide antenna with sinusoidal amplitude distribution is investigated, when the main lobe is located perpendicular to the waveguide, while ensuring the reflectivity of the antenna The waveguide antenna is made in the form of a rectangular box with an ideal dielectric inside (ε=2.25) On the long side of the rectangular box, there are pairs of transverse slots distributed along the waveguide In the article, the lengths of slots, the distance between two transverse slots and the length of the period of each pair of transverse slots are synthesized by the finite element method The calculation results show that at a frequency of f = 10 Ghz, when the main lobe is located perpendicular to the waveguide, it is possible to synthesize the amplitude distribution of the antenna in a sinusoidal form with the largest sidelobe value = -16.6 dB The frequency sweep angle of the antenna after summing = 350, when the frequency changes from Ghz to 10.5 Ghz Keywords: Electronic radio; High frequency equipment; Waveguide antenna with transverse-slot Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 95 ... tham số ăng ten ống dẫn sóng có khe ngang như: chiều dài khe ngang, khoảng cách hai khe ngang, chiều dài chu kì cặp khe ngang, tổng hợp phân bố biên độ theo hình Sin dọc theo ống dẫn sóng - Tại... mũ, cịn khi tổng hợp phân bố biên độ ăng ten theo hình Sin Hình Sự phân bố biên độ dọc theo ống dẫn sóng ăng ten tần số f = 10 Ghz (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Tạp chí Nghiên... Ghz ăng ten trước sau tổng hợp tham số (nét liền - sau tổng hợp, nét đứt – trước tổng hợp) Từ hình thấy rằng: trước tổng hợp, phân bố biên độ ăng ten dọc theo ống dẫn sóng có hàm mũ, cịn khi tổng