Tính toán, thiết kế bộ chiếu xạ dải tần rộng anten định hướng ứng dụng trong ra đa thụ động

Bài viết Tính toán, thiết kế bộ chiếu xạ dải tần rộng anten định hướng ứng dụng trong ra đa thụ động trình bày các kết quả nghiên cứu, thiết kế bộ chiếu xạ sử dụng ống dẫn sóng có gờ kết hợp thấu kính điện môi làm việc ở dải tần số 4 đến 8 GHz (băng tần C).

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tính tốn, thiết kế chiếu xạ dải tần rộng anten định hướng ứng dụng đa thụ động Trần Minh Nghĩa*, Lưu Đức Thọ, Phạm Khắc Lanh, Lương Văn Trình, Nguyễn Văn Việt Viện Ra đa/Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: ngrad68@gmail.com Nhận bài: 31/8/2022; Hoàn thiện: 18/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 23/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.121-128 TÓM TẮT Hiện nay, anten parabol nghiên cứu ứng dụng rộng rãi mục đích quân dân Tuy nhiên, để đảm bảo hệ thống anten làm việc dải tần số rộng, mà đáp ứng hệ số tăng ích tính định hướng cao mặt phẳng vấn đề phức tạp Trong báo này, nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu, thiết kế chiếu xạ sử dụng ống dẫn sóng có gờ kết hợp thấu kính điện mơi làm việc dải tần số đến GHz (băng tần C) Kết phân tích ngun lý hoạt động, tính tốn mơ phần mềm CST 2019 cho thấy hệ thống anten có hệ số tăng ích tính định hướng cao mặt phẳng dải tần số rộng, đáp ứng yêu cầu hoạt động đài đa thụ động Từ khóa: Ra đa thụ động; Anten parabol; Thấu kính điện mơi MỞ ĐẦU Hệ thống đa thụ động (passive radar system) lớp hệ thống đa phát theo dõi mục tiêu cách thu xử lý nguồn sóng mục tiêu tự xạ để xác định vị trí tọa độ mục tiêu Ra đa thụ động sở hữu nhiều lợi quan trọng, mà bị phát phương tiện trinh sát vô tuyến Khác với đa chủ động, đa thụ động không phát sóng vơ tuyến riêng nó, đó, vơ hình với hệ thống dị tìm đa, chúng sử dụng máy thu với hệ thống anten đa kênh dải rộng Chính thế, anten thu hệ thống đa thụ động phải làm việc dải tần số rộng, đảm bảo phát định vị mục tiêu làm việc tần số khác Các thiết kế anten đa thụ động có thường sử dụng nhiều loại anten như: anten parabol, anten mạng, Các loại anten sử dụng chiếu xạ như: ống dẫn sóng, loa, khe, Ống dẫn sóng có thiết kế đơn giản, làm việc dải tần số hẹp [1] Các thiết kế anten thường đáp ứng hệ số tăng ích mức búp sóng phụ mặt phẳng E H [5-8] Trong báo này, nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu thiết kế chiếu xạ làm việc dải tần số 4-8 GHz (băng tần C), sử dụng ống dẫn sóng có gờ kết hợp thấu kính điện mơi Các kết tính tốn mơ cho thấy, anten làm việc dải tần số rộng hệ số tăng ích tương đồng mặt phẳng NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Tính tốn, thiết kế chiếu xạ anten dải tần rộng Sử dụng chiếu xạ ống dẫn sóng hình chữ nhật sử dụng rộng rãi hệ thống anten gương, anten thấu kính anten mạng pha, Điều kiện tồn sóng ống dẫn sóng là:   , đó, λ bước sóng; a, b tương ứng chiều dài chiều 2 m a  n b     rộng ống dẫn sóng; m, n tương ứng loại sóng ống dẫn sóng Tùy thuộc vào kích thước, ống dẫn sóng tồn nhiều loại sóng khác nhau, sóng ống dẫn sóng hình chữ nhật sóng TE (H10) [9] Điều kiện tồn sóng H10 là:   2a Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 121 Điện tử – Vật lý – Đo lường Giản đồ hướng ống dẫn sóng hình chữ nhật mặt phẳng E H xác định công thức:    b     cos  sin  sin    2a    , FE ( )  b    sin  1 1     2a  (1)        cos  2a  FH ( )   a  cos  sin      2   a      sin  1   1     2     2a  Hình Hình ảnh ống sóng hình chữ nhật Ống dẫn sóng hình chữ nhật có kết cấu đơn giản, dễ gia công chế tạo, giá thành sản xuất thấp Tuy nhiên, lại có mặt hạn chế tính định hướng khơng cao, tính tương thích với mơi trường khơng gian ngồi ống dẫn sóng Do vậy, nhóm tác giả nghiên cứu tính tốn chiếu xạ có gờ kết hợp thấu kính điện mơi hình Việc sử dụng chiếu xạ có gờ kết hợp thấu kính điện mơi nhằm mục đích thu giản đồ hướng tương đồng mặt phẳng giảm kích thước tổng thể hệ thống anten Hình Bộ chiếu xạ anten phần mềm CST Bộ chiếu xạ cấu tạo đoạn ống dẫn sóng hình chữ nhật có gờ bên thành rộng ngắn mạch đầu cuối [2-4] Mặt mở chiếu xạ đoạn ống dẫn sóng vng có gờ thành xoay nghiêng góc 45 o so với trục ngang đoạn ống dẫn sóng chữ nhật, để 122 T M Nghĩa, , N V Việt, “Tính tốn, thiết kế chiếu xạ … ứng dụng đa thụ động.” Nghiên cứu khoa học công nghệ chiếu xạ khơng phụ thuộc phân cực sóng tới Đầu chiếu xạ chuyển đổi sang cáp đồng trục để nhận tín hiệu Mặt mở chiếu xạ tiếp nối thấu kính điện môi để đạt dạng đồ thị xạ mong muốn hệ thống anten Tuy nhiên, việc sử dụng chiếu xạ kết hợp thấu kính điện mơi, thường dẫn đến tổn hao lớp điện mơi, ngun nhân làm giảm hệ số tăng ích xuất sai lệch biên độ Chính thế, phải sử dụng chất điện mơi có số điện môi lớn so với số điện mơi chân khơng, ngồi phải có tang góc suy hao điện mơi nhỏ tần số làm việc Chất điện môi phải đảm bảo khả hấp thụ truyền sóng tốt dải tần số làm việc Từ yêu cầu lựa chọn chất điện môi tối ưu giá trị phần mềm mơ phỏng, nhóm tác giả lựa chọn chất điện mơi Teflon (hằng số điện mơi góc tang suy hao 0.007) Để thu hệ số phản xạ S11 tốt dải tần số, tác giả sử dụng ốc vít có đường kính khoảng cách để điều chỉnh 2.2 Tính tốn, thiết kế anten parabol sử dụng chiếu xạ dải tần rộng Anten gương anten định hướng phổ biến, ứng dụng rộng rãi Anten gương có kết cấu đơn giản, nhận dạng giản đồ hướng khác hệ số tăng ích cao Nguyên lý làm việc anten gương tương tự nguyên lý gương quang học Sóng điện từ trường từ chiếu xạ đặt tiêu điểm phát ra, tới bề mặt dẫn điện gương, kích thích dịng điện đó, tạo trường thứ cấp hay cịn gọi trường sóng phản xạ với dạng mặt sóng hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu Trong phần lớn trường hợp, mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu với tính định hướng kém, thành sóng phẳng gần phẳng với lượng tập trung góc khơng gian hẹp, để thu giản đồ hướng có hệ số tăng ích tính định hướng cao [9-13] Hình Nguyên lý hoạt động anten parabol Bề mặt parabol hình thành quay xung quanh trục tiêu điểm Oz viết dạng: x2=4fz Bán kính mở gương là: 0  f tan 0 , Trong đó, 2 góc mở gương, f tiêu cự parabol Chiều sâu gương là: z0  02 4f , (2) (3) Trong đó, ρ0 bán kính gương Độ rộng búp sóng: 20.5  (65 70)  0 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 (4) 123 Điện tử – Vật lý – Đo lường Hệ số tăng ích anten tính theo cơng thức: G  1602  Az El , (5) Trong đó,  Az ,  El tương ứng độ rộng búp sóng mặt phẳng ngang đứng Hình Anten parabol, sử dụng chiếu xạ dải tần rộng phần mềm CST Dựa tham số kích thước anten, tính tốn tham số kỹ thuật anten thông qua công thức sau: Hệ số định hướng anten: D  4 S 2 , (6) Trong đó, S diện tích độ anten,  hệ số sử dụng bề mặt độ Hệ số tăng ích anten: G  D , (7)   a p , p  4TWR exp(2 l ) , 1   TWR  2 a      0 0 2    F  ,  sin  d d , F  ,  sin  d d  0  0 Trong đó,  a ,  p hệ số tăng ích độ gương đường truyền; F  ,  giản đồ hướng chuẩn hóa chiếu xạ; TWR hệ số sóng chạy;  hệ số tắt dần; l chiều dài đường truyền MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN, THẢO LUẬN 3.1 Số liệu đầu vào Dựa vào yêu cầu tham số kỹ thuật công thức 1-7, đồng thời tối ưu tham số kích thước phần mềm mơ Từ đó, xây dựng vẽ 3D phần mềm mô CST 2019 với tham số anten bảng 124 T M Nghĩa, , N V Việt, “Tính tốn, thiết kế chiếu xạ … ứng dụng đa thụ động.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Các tham số kích thước anten STT Ký hiệu f a b F ρ0 ε Gía trị 4-8 GHz 32.95 mm 15.2 mm 340 mm 475 mm 3.2 Phương pháp, công cụ mơ Sử dụng phương pháp tính tốn miền thời gian (Time Domain Solver) phần mềm mô CST 2019 Qua q trình mơ phần mềm, thu tham số anten: - Giản đồ hướng 3D, 2D; - Hệ số sóng đứng; - Hệ số tăng ích 3.3 Kết mơ Hình Hệ số sóng đứng anten Từ hình 5, hệ số sóng đứng anten nhỏ 1.85 dải tần số 4÷8 GHz, đáp ứng tốt đài đa thụ động Kết giản đồ hướng tần số GHz trình bày hình Từ hình 6, hệ số tăng ích anten tần số GHz mặt phẳng 27.6 dB mức búp sóng phụ nhỏ -19.2 dB Kết giản đồ hướng tần số GHz trình bày hình a) Giản đồ hướng 3D Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 125 Điện tử – Vật lý – Đo lường b) Giản đồ hướng 2D Hình Giản đồ hướng f = GHz a) Giản đồ hướng 3D a) Giản đồ hướng 2D Hình Giản đồ hướng f = GHz Từ hình 7, hệ số tăng ích anten tần số GHz mặt phẳng 30.4 dB mức búp sóng phụ nhỏ -16.7 dB 126 T M Nghĩa, , N V Việt, “Tính tốn, thiết kế chiếu xạ … ứng dụng đa thụ động.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Hệ số tăng ích anten Từ hình 8, anten làm việc dải tần số 4÷8 GHz với hệ số tăng ích lớn 27.6 dB Hệ số tăng ích cao dải tần số làm việc, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho đài đa thụ động 3.4 Phân tích kết mơ Qua kết mơ đưa tham số kỹ thuật anten sau: Bảng Các tham số kỹ thuật anten TT Tham số kỹ thuật Đơn vị đo Kết mơ Dải tần số GHz 4÷8 Dạng giản đồ hướng Hình Kim  1.85 Hệ số sóng đứng Hệ số tăng ích dBi - Directivity 29.8  G  35.2 - Realized Gain 27.6  G  33.9 Độ rộng búp sóng ( mức -3 dB) Độ 2  5.10  16.7 Mức búp sóng phụ dBi Từ kết bảng 2, ta thấy rằng, tham số kỹ thuật đáp ứng tốt cho hệ thống anten đài đa thụ động KẾT LUẬN Trên đây, nhóm tác giả trình bày cách tổng quát bước tính tốn thiết kế chiếu xạ sử dụng ống dẫn sóng có gờ kết hợp thấu kính điện mơi, để giảm kích thước tổng thể anten Kết tính tốn cho thấy, anten làm việc với hệ số sóng đứng nhỏ 1.85 hệ số tăng ích lớn 27.6 dBi dải tần số 4-8 GHz, đáp ứng yêu cầu tham số kỹ thuật đài đa thụ động Những kết sở để chế tạo chiếu xạ làm việc dải tần số đến GHz (băng tần C), với tham số kỹ thuật đảm bảo cho hoạt động hệ thống anten đài đa thụ động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.F Shah, A.A Fouzia, “Design and Analysis of Multiple Ridge Waveguide for Wideband Application”, IEEE ICACCCT, (2014) [2] Ali Mehrdadian, Hojjatollah Fallahi, Mohsen Kaboli and Seyyed Abdollah Mirtaheri, “Design and Implementation of 0.7 to GHz Broadband Double-Ridged Horn Anten20” 2014 7th International Symposium on Telecommunications, ('2014) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 127 Điện tử – Vật lý – Đo lường [3] Alberto Di Maria, Alicja Kość, Markus Limbach, Ralf Horn and Andreas RReigbe, “Design and [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Measurements of a Double Ridged Guide Horn Feed for P-Band Direct Path Meeasurement”, 2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), (2013) Ali Mehrdadian, Keyvan Forooraghi “Design of a Novel 0.2 to 40 GHz Ultra-Wideband High-Gain Combined Antenna with and without Dielectric Lens”, 2018 9th International Symposium on Telecommunications, ('2018) Е.И Лаврецкий, В.С Чернышов, “Исследование влияния регулярных фазовых ошибок на характеристики зеркальной параболической антенны с электрическим сканированием”, Журнал радиоэлектроники, (2015) А.И Круглов, К.Н Климов, К.С Мещерякова, “Расчет многолучевой зеркальной антенны гибридным методом в программе ANSYS HFSS”, Крымская конференция СВЧ и телекоммуникационные технологии, стр 499-500, (2014) А Курушин, Е Лаврецкий, С Чадов, “Расчет зеркальных параболичесских антенн с помощью современных САПР СВЧ”, Журнал современной электроники, (2014) А.В Халла, “Расчет импульсной зеркальной антенны”, Достижения вузовской науки, стр 146-152 Д.Ю Муромцев, О.А Белоусов, “Техническая электродинамика”, ФГБОУ ВПО ТГТУ, (2012) П Вуд, “Анализ и проектирование зеркальных антенн”, (1984) Г.Т Марков, Д.М Сазонов, “Антенны”, Москва, (1975) А.А Филонов, А.Н Фомин, Д.Д Дмитриев, В.Н.Гяпкин, Ю.Л Фатеев, Е.Н Гарин, В.Н Ратушняк, И.В Лютиков, В.А Леусенко, “Устройство СВЧ и антенны”, Сибирский федеральный университет, (2014) А.И Семенихин, С.Н Стаканов, В.В Петренко, “Проектирование зеркальных антенн с помощью пакета Mathcad”, Таганрог, (1998) ABSTRACT Calculation and design of directional antenna wideband irradiators for passive radar applications Recently, parabolic antennas are widely investigated and applied in military and civilian purposes However, to ensure that the antenna system works in a wideband frequency, while still meeting the gain and high directivity in both planes is a complicated issue In this paper, the authors present the results of research and design of an irradiator using ridged waveguides combined with dielectric lenses working in the frequency range 4-8 GHz (C band) The results of analysis of operating principles, calculations and simulations on CST 2019 software show that the antenna system has high gain and directivity in both planes over a wide frequency range, meeting the requirements operate on passive radars Keywords: Passive radar; Parabolic antenna; Dielectric lens 128 T M Nghĩa, , N V Việt, “Tính tốn, thiết kế chiếu xạ … ứng dụng đa thụ động.” ... số phản xạ S11 tốt dải tần số, tác giả sử dụng ốc vít có đường kính khoảng cách để điều chỉnh 2.2 Tính tốn, thiết kế anten parabol sử dụng chiếu xạ dải tần rộng Anten gương anten định hướng phổ... 122 T M Nghĩa, , N V Việt, ? ?Tính tốn, thiết kế chiếu xạ … ứng dụng đa thụ động. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ chiếu xạ khơng phụ thuộc phân cực sóng tới Đầu chiếu xạ chuyển đổi sang cáp đồng... số tăng ích anten tính theo cơng thức: G  1602  Az El , (5) Trong đó,  Az ,  El tương ứng độ rộng búp sóng mặt phẳng ngang ? ?ứng Hình Anten parabol, sử dụng chiếu xạ dải tần rộng phần mềm