Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối quay bằng ống sóng sử dụng cho thiết bị gây nhiễu radar làm việc trong dải sóng 3 cm

Bài viết trình bày về cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu khớp quay ống sóng sử dụng cho thiết bị gây nhiễu ra đa làm việc ở băng tần X và kết quả mô phỏng, chế tạo thực nghiệm khớp quay ống sóng theo yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật cho trước.

Thông tin khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỚP NỐI QUAY BẰNG ỐNG SÓNG SỬ DỤNG CHO THIẾT BỊ GÂY NHIỄU RADAR LÀM VIỆC TRONG DẢI SĨNG CM Phùng Ngọc Sơn1*, Lê Quang Hiển1, Đồn Ngọc Hanh1, Nguyễn Thanh Sơn2 Tóm tắt: Khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần thiết bị quan trọng sử dụng phổ biến hệ thống thu- phát khí tài quân lĩnh vực Tác chiến điện tử, radar, Viễn thơng qn Trong nội dung báo, nhóm tác giả trình bày sở tính tốn thiết kế cấu khớp quay ống sóng sử dụng cho thiết bị gây nhiễu đa làm việc băng tần X kết mô phỏng, chế tạo thực nghiệm khớp quay ống sóng theo yêu cầu tiêu kỹ thuật cho trước Từ khóa: Kỹ thuật siêu cao tần; Ống dẫn sóng; Khớp nối quay ống sóng ĐẶT VẤN ĐỀ Trong khí tài trinh sát - gây nhiễu đối không lĩnh vực Tác chiến điện tử hay đài radar trạm thu phát viễn thông quân sự, người ta sử dụng khớp chuyển đổi ống sóng dùng để truyền lượng điện từ máy phát (đặt phần tĩnh) tới anten quay (đặt phần động) Nhiệm vụ khớp chuyển đổi ống sóng bảo đảm truyền cơng suất ổn định quay anten Ở nước ta, tính đến thời điểm chưa có cơng trình nghiên cứu khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần sử dụng cho thiết bị gây nhiễu radar làm việc băng tần X (dải sóng cm) Việc nghiên cứu, chế tạo khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần trở lên cấp thiết cho thiết bị gây nhiễu radar, bước làm chủ công nghệ thiết kế phần tử siêu cao tần thiết bị khí tài quân nước ta Các nội dung nghiên cứu báo bao gồm: Tổng quan khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần băng tần X Tính tốn, thiết kế, mơ tham số truyền dẫn Thực gia công chế tạo khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần băng tần X đo kiểm đánh giá sản phẩm TỔNG QUAN VỀ BỘ KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN Ở BĂNG TẦN X 2.1 Cấu tạo khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Khớp nối quay ống sóng dùng để ghép nối phần động phần tĩnh tuyến đường truyền sóng siêu cao tần từ thiết bị phát đến anten phát, từ anten thu đến hệ thống thu Với dải tần công tác băng tần X, nhóm tác giả lựa chọn phương án dùng đầu chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng chữ nhật trục quay gắn liền cáp đồng trục làm chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần Phương pháp chuyển đổi dùng que dò từ cáp đồng trục đưa vào ống dẫn sóng qua thành rộng ống dẫn sóng chữ nhật, trục quay khớp chuyển đổi ống dẫn sóng làm đường truyền cáp đồng trục, bảo đảm đối xứng khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cổng Tránh ma sát tiếp súc khớp chuyển đổi ống dẫn sóng làm việc, bảo đảm độ bền khí độ bền điện khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Để đạt chuyển động liên tục mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, hệ trục quay có thiết kế với vòng bi đồng tâm đối xứng qua tâm khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, trục vòng bi trùng với trục cáp đồng trục truyền sóng bảo đảm cho tín hiệu truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 201 Thông tin khoa học công nghệ góc quay khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Kết cấu khớp nối quay ống sóng mơ tả theo Hình Hình Mặt cắt mơ hình khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ( Trong đó: 1-chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng, 2-ty dẫn cao tần, 3- teflon, 4-Vòng bi, 5-chốt hãm ty dẫn cao tần) 2.2 Nguyên lý truyền dẫn Thơng thường, sử dụng đoạn ống sóng tròn có sóng E01 để chế tạo khớp nối quay chúng có trường đối xứng cho phép bảo tồn phân cực sóng vị trí xoay ống sóng Các thành phần chuyển đổi từ ống sóng chữ nhật sang ống sóng tròn ngược lại ty dò bố trí song song với đường sức hai ống sóng chữ nhật gọi phần tử ghép Các phần tử dùng để tạo dạng trường mong muốn ống dẫn sóng hay hộp cộng hưởng gọi phần tử kích thích Ngược lại phần tử dùng để ghép lượng dạng trường cho mạch gọi phần tử liên kết hay phần tử ghép Theo nguyên lý tương hỗ lý thuyết trường điện từ nhận thấy nguyên tắc công tác phần tử kích thích phẩn tử ghép tương tự Tức phần tử làm chức phần tử kích thích ngược lại làm chức phần tử ghép tùy theo nhiệm vụ cần kích thích trường ống dẫn sóng hộp cộng hưởng hay muốn dẫn lượng từ chúng ngồi Bài tốn kích thích trường ống dẫn sóng hộp cộng hưởng tốn tìm trường điện từ ống dẫn sóng hộp cộng hưởng nguồn cho với phân bố dòng biết phần tử kích thích Đây tốn phức tạp, muốn tìm nghiệm người ta dùng phương pháp sau: ta biểu diễn trường cần tìm ống dẫn sóng hộp cộng hưởng dạng tổ hợp dạng trường đơn vị ống dẫn sóng tổ hợp dao động riêng hộp cộng hưởng với hệ số khai triển cần tìm Yêu cầu đặt trường phải tìm vị trí đặt phần tử kích thích trùng với trường có phân bố dòng cho [6] Ta phân tích dạng chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng chữ nhật Ta xét mặt phẳng T phân cách ống dẫn sóng cáp đồng trục hình vẽ, sơ đồ điện tương đương chuyển đổi tính từ mặt phẳng T nhìn phía ống dẫn sóng Nó tương đương giá trị dung kháng giá trị cảm kháng với tải ống dẫn sóng Việc tính tốn tham số độ dài khoảng cách ngắn mạch ống dẫn sóng thay cách tính giá trị khung cộng hưởng LC tương ứng cho tần số cố định 202 P N Sơn, …, N T Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … dải sóng cm.” Thơng tin khoa học cơng nghệ T T Tải d b Cáp đồng trục Ống sóng T l Hình Sơ đồ điện tương đương chuyển đổi cáp đồng trục - ống dẫn sóng chữ nhật Theo hình ứng với giá trị tần số, điện kháng cáp đồng trục cần phải phối hợp với điện kháng ống dẫn sóng biểu diễn thơng qua giá trị tương đương L-C Nhưng biểu thức biểu diễn phức tạp hay khơng có công thức biểu diễn đơn giản L C Nó cho ta thấy mặt phẳng T cáp đồng trục vào ống dẫn sóng có trở kháng đầu vào Zi cho [5]: Zi  R  jX (1) Trong : R Z g 2 l d sin ( ) tan ( ) 2 ab g    4 l   Z g d tan X  sin     p 4 ab    g   Z  0  120 X Với : (2) (3) Xp : điện kháng cáp đồng trục chuẩn hóa với trở kháng ống dẫn sóng Ta nhận thấy Xp hàm d l, có nhiều phương trình để biểu diễn Xp, phương trình áp dụng điều kiện cụ thể Với d  đầu dò dung, với d  0 bước sóng tính chất 0 bước sóng tính chất dò cảm, 0 bước sóng tín hiệu khơng gian Khi giá trị b>d nhiều ta có cơng thức giá trị Xp sau [5]: với điều chỉnh phù hợp d l điện kháng đầu vào tương đương với trở kháng cáp đồng trục Với toán phối hợp có X=0  4 l   X p   sin      g   X p  (4) Giá trị cộng hưởng tốt Xp=0 có: sin( 4 l g  l  )0 g (5) (6) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 203 Thông tin khoa học công nghệ Như để đạt cộng hưởng tốt chuyển đổi khoảng cách đầu dò tới đầu ngắn mạch ống sóng xác định tốt  bước sóng tín hiệu truyền Trên thực tế để có cộng hưởng tốt độ dài l  với  bước sóng cộng hưởng TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG CÁC THAM SỐ TRUYỀN DẪN CỦA CỦA KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN 3.1 Yêu cầu đầu vào thiết kế - Dải tần làm việc: GHz đến 12 GHz; - Hệ số sóng đứng: ≤ 2,2; - Tổn hao truyền qua: ≤ 1,5 dB; - Tốc độ quay cực đại: 60 vòng/ phút; - Vật liệu: Nhơm đồng - Kích thước ống sóng: 23x10 mm 3.2 Ngun lý thiết kế Trong q trình tính tốn, đường kính ống sóng hình trụ phải chọn lựa phù hợp đáp ứng tốt điều kiện: Khả ghép nối kết cấu đoạn ống sóng hình trụ-E01 với đoạn ống sóng hình chữ nhật-H10 Đảm bảo khả triệt tiêu thành phần dao động cao tần gần so với tần số làm việc, chẳng hạn dạng H21 có bước sóng giới hạn là: λG.h = 2,057 (7) - Độ dài bước sóng ống sóng tròn sóng H11 E01 tính tốn theo cơng thức: = − ( ) (8) 3.3 Tính tốn thiết kế * Xác định đường kính ống sóng hình trụ d1 - Theo công thức: (9) ≤ 2,057 - Trong trường hợp chọn bước sóng làm việc λ = 3cm tiết diện chuẩn ống sóng hình chữ nhật a x b = 2,3 x 1,0 cm - Xác định giá trị d1 : 3,0 × ≤ ≈ 2,9 2,057 Chọn d1=1,27 tương ứng với lõi đồng cáp 50 Ω * Xác định kích thước từ ty dò đến ngắn mạch (l): ( ) = - Trong ống dẫn sóng chữ nhật sóng H10 204 P N Sơn, …, N T Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … dải sóng cm.” Thơng tin khoa học cơng nghệ = = − ( ) 3 1−( ) × 2,3 = 3,9 - Từ biểu thức (2.6) ta có: 3,9 = = = 0,975 4 * Xác định độ dài ty dò (d) theo cơng thức: 1,0 = = = 0,5 2 3.4 Mô thiết kế - Nhóm tác giả tiến hành xây dựng vẽ 3D khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần tính tốn lý thuyết phần mềm Solidwork với kích thước vật lý 1:1 - Nhập liệu từ vẽ phần mềm thiết kế 3D Solidwork vào phần mềm mô điện từ trường CST2018 - Cài đặt tham số mô dải tần : GHz đến 12 GHz - Phần mềm xuất tham số: - Hệ số sóng đứng - Hệ số truyền - Kết mơ Với kích thước có, ta xây dựng mơ hình 3D đầu chuyển đổi cho dải tần băng X Hình Mơ hình 3D khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần phần mềm CST Sau bước thực mô hiệu chỉnh tham số, ta có kết sau Hình Kết mơ đo hệ số sóng đứng khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, dùng phần mềm CST2018, trục tung biểu diễn hệ số sóng đứng, trục hồnh biểu diễn dải tần số hoạt động, đơn vị GHz Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 205 Thơng tin khoa học cơng nghệ Hình Kết mô đo hệ số truyền S21 khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, dùng phần mềm CST2018, trục tung biểu diễn hệ số sóng đứng, trục hồnh biểu diễn dải tần số hoạt động, đơn vị GHz Kết cho thấy, hệ số sóng đừng hệ số truyền đáp ứng với yêu cầu đưa với hệ số sóng đứng ≤ 1,5; tổn hao truyền ≤ 0,3 dB tồn dải 8÷12 GHz THỰC HIỆN GIA CÔNG CHẾ TẠO KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN Ở BĂNG TẦN X VÀ ĐO KIỂM ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM Sau trình gia công chi tiết khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần, nhóm tác giả thực lắp ráp hiệu chỉnh tham số khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Thực đo tham số hiệu chỉnh khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Sau tiến hành kiểm tra hiệu chỉnh, tiến hành gia cơng khí đầu ngắn mạch với kích thước xác định thực tế trình đo đạc tham số hiệu chỉnh khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Tiến hành đo kiểm đánh giá tham số máy phân tích mạng véc tơ N5234A có kết sau: Kết đo hệ số sóng đứng tổn hao truyền qua: Hình Hình ảnh chế tạo khớp chuyển đổi ống dẫn sóng dải tần 8÷12 GHz Hình Kết đo hệ số sóng đứng tổn hao truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng 206 P N Sơn, …, N T Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … dải sóng cm.” Thơng tin khoa học cơng nghệ Kết đo đạc kiểm tra đo thực tế sản phẩm với tổn hao truyền hình nhỏ 1,5dB dải tần 8÷12GHz, hệ số sóng đứng biểu diễn hình nhỏ 2,2 dải tần 8÷12GHz Tham số đo đạc thực tế khớp chuyển đổi ống dẫn sóng hình có kết tương ứng với kết mơ phần mềm CST Kết thực tế đo đáp ứng tham số đề khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần KẾT LUẬN Trong báo tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần băng X Thơng qua nội dung khảo sát mạch điện tương đương tượng truyền sóng khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần từ ống dẫn sóng- cáp đồng trục Bài báo tính tốn giá trị chiều dài que dò trường hợp phối hợp trở kháng đường truyền Áp dụng kết cho q trình mơ hiệu chỉnh thiết kế khớp chuyển đổi ống dẫn sóng sử dụng phần mềm mơ siêu cao tần CST, báo đưa mẫu thiết kế khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần hoạt động băng tần X Tính đắn nghiên cứu chứng kết qủa đo thực tế sản phẩm chế tạo đáp ứng tiêu tham số đề ra, cụ thể tổn hao truyền nhỏ 1,5 dB, hệ số sóng đứng đạt nhỏ 2,2, khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần đảm bảo sử dụng phù hợp với thiết bị gây nhiễu radar làm việc dải sóng 3cm Kết nghiên cứu thực nghiệm sở để mở rộng nghiên cứu phương pháp phối hợp điều chỉnh phối hợp phần tử cao tần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Waveguide Handbook, N Marcuvitz, NY, Dover Publications Inc, 1951 Microwave and RF Engineering, Roberto Sorrentino, Giovanni Bianchi, 2010 Microwave Enginnering, Fourth edition, David M Pozar, 2012 Field Theory of Guided Waves, Collin R.E (MGH, 1960) Waveguide-Coaxial Line Transitions, Peter Delmotte, Belgian Microwave Roundtable, 2001 [6] Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Kiều Khắc Lâu, Nhà xuất giáo dục, 2006 ABSTRACT RESEARCH, DESIGN MANUFACTURING FIXED ROTATION BY WAVE GUIDE USE FOR RADAR NOISE GENERATOR WORK IN CM WAY Waveguide rotary joint is one of the most important equipment and used popularly in trans-receiver systems in the field of Electronic Warfare, Radar, Military Telecommunication In this articles, the authors will present the computing base of designing the waveguide rotary joint structure used for radar jamming equipment operating in X band and simulating result, experimental of manufacture waveguide rotary joint base on required technical specifications Keywords: Rotary joint; Transformation coaxial waveguides Nhận ngày 09 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 14 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: 1Trung tâm 80, Cục TCĐT, BTTM; Viện Ra đa, Viện KH-CN quân * Email: phungson06010@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 207 ... ( ) = - Trong ống dẫn sóng chữ nhật sóng H10 204 P N Sơn, …, N T Sơn, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … dải sóng cm. ” Thông tin khoa học công nghệ = = − ( ) 3 1−( ) × 2 ,3 = 3, 9 - Từ... đổi ống dẫn sóng dải tần 8÷12 GHz Hình Kết đo hệ số sóng đứng tổn hao truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng 206 P N Sơn, …, N T Sơn, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … dải sóng cm. ” Thơng... góc quay khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Kết cấu khớp nối quay ống sóng mơ tả theo Hình Hình Mặt cắt mơ hình khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ( Trong đó: 1-chuyển đổi cáp đồng trục sang ống