Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp thiết kế ăng ten cho thiết bị chế áp điện tử tầm gần

Bài viết trình bày việc nghiên cứu về sóng điện từ dải tần đến 2,45GHz, tích hợp đèn phát cao tần, chế tạo ăng ten, bộ điều khiển và giám sát việc phát xạ, nhằm tiến tới chế tạo súng điện từ chế áp các thiết bị điện tử và các phương tiện di chuyển trong tầm gần.

Kỹ thuật điện tử NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĂNG TEN CHO THIẾT BỊ CHẾ ÁP ĐIỆN TỬ TẦM GẦN Trần Xuân Kiên1*, Nguyễn Trung Thành1, Nguyễn Huy Hồng2, Nguyễn Như Hảo2 Tóm tắt: Bài báo trình bày việc nghiên cứu sóng điện từ dải tần đến 2,45GHz, tích hợp đèn phát cao tần, chế tạo ăng ten, điều khiển giám sát việc phát xạ, nhằm tiến tới chế tạo súng điện từ chế áp thiết bị điện tử phương tiện di chuyển tầm gần Từ khóa: Súng điện từ; Chế áp thiết bị điện từ; Dừng phương tiện gây rối bạo loạn ĐẶT VẤN ĐỀ Trong giai đoạn nay, chế áp thiết bị điện tử, phương tiện đối tượng phạm pháp đặt ra, điển thiết bị phá hủy máy nghe lén, phá hủy rệp điện tử giấu kín vật liệu khác gạch, gỗ,… phá hủy liệu, vật mang tin không sử dụng khơng muốn cho đối tượng khác trích xuất được, vấn đề dừng xe phương tiện gây rối, bạo loạn,… Sóng điện từ cao tần ứng dụng nước để gây gián đoạn hoạt động thiết bị điện tử, làm hư hỏng phá hủy mạch, tạo kiểm soát điều khiển, hư hỏng liệu, kiểm sốt truyền thơng, ngắt điện,… cơng nghệ sử dụng xung điện từ để dừng xe mối quan tâm đặc biệt lực lượng cảnh sát (dừng xe tăng tốc) quân đội (hỗ trợ hoạt động trạm kiểm sốt, bảo vệ đồn xe sở hạ tầng quốc phịng) Hiện nay, cơng nghệ EMP để dừng xe sản xuất triển khai thực tế Trong nước, trước có nhóm nghiên cứu Viện Điện tử nghiên cứu lý thuyết vấn đề này, dừng lại lý thuyết chung, chưa có chế tạo, thử nghiệm chưa có đơn vị chế tạo, thử nghiệm thiết bị Mục tiêu nghiên cứu mặt thực chế tạo mẫu súng điện từ để chế áp mục tiêu đề ra, hoạt động hiệu quả, tin cậy phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng, người dân thiết bị xung quanh khu vực tác chiến Chính vậy, nhóm nghiên cứu thực nghiên cứu tìm hiểu tác động sóng siêu cao tần lên linh kiện điện tử tìm hiểu loại đèn magnetron Từ đó, nhóm nghiên cứu sử dụng loại đèn magnetron phát tần số 2,45GHz để thiết kế súng điện từ Nhóm nghiên cứu sử dụng đèn magnetron kết hợp với nhằm tạo công suất đủ lớn để tác chiến xa nhất, sau thiết kế ăng ten để nguồn phát xạ có tính định hướng cao, tác chiến đối tượng, vùng cần chiếu xạ, đảm bảo hiệu chế áp an toàn cho người trang bị thao tác, sử dụng súng, chế tạo điều khiển giám sát việc phát xạ nhằm đảm bảo cho người thao tác vận hành dễ dàng, tự động giám sát yếu tố an toàn phát xạ cao tần, chế tạo mẫu súng, thử nghiệm phịng thí nghiệm thử nghiệm thực tế Tiến tới hoàn thiện súng thử nghiệm, hoàn chỉnh súng thời gian tới THIẾT KẾ BỘ PHỐI HỢP VÀ ĂNG TEN LOA HÌNH NĨN Đối với súng điện từ u cầu đặt cần thiết kế ăng ten loa hình nón gọn nhẹ với đặc tính xạ mong muốn từ đèn phát cao tần Ăng ten loa hình nón 168 T X Kiên, …, N N Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cần phải đường kính nhỏ tốt có khả khuếch đại lớn, độ rộng chùm hẹp hạn chế tối đa búp sóng phụ phía sau ăng ten Sử dụng đèn magnetron để cung cấp lượng cho ăng ten yêu cầu phải phối hợp hiệu để tạo cơng suất phát lớn Do đó, ăng ten thiết kế gồm phần: Bộ phối hợp cộng cơng suất phần loa nón Bộ phối hợp cộng cơng suất có chức phối hợp đèn phát cao tần với truyền sóng từ đèn magnetron loa nón Phần loa nón ăng ten làm tăng hệ số khuếch đại định hướng sóng phía trước hiệu với độ rộng chùm hẹp Trong phần này, báo trình bày việc phối hợp cộng công suất đèn magnetron phần ăng ten loa nón 2.1 Thiết kế phần phối hợp cộng công suất Phần phối hợp cộng công suất ống dẫn sóng hình trụ, đồng thép mạ kẽm, đầu hở đầu bịt kín [2] Việc chọn ống dẫn sóng có đường kính phù hợp quan trọng, với dải sóng tương ứng với đường kính định Trong phạm vi thiết bị sử dụng đèn phát cao tần có tần số 2,45GHz chúng tơi sử dụng ống dẫn sóng có đường kính d Giá trị d phải thỏa mãn công thức ống dẫn sóng dây Tần số tới hạn f C ống dẫn sóng: f C tần số tới hạn thấp mà ống dẫn sóng có đường kính d hoạt động Nếu sử dụng tần số f  fC đường ống ngừng hoạt động ống dẫn sóng Bước sóng cắt dưới: C  1,076  d (1) Tần số cắt dưới: fC  108 C  108 1, 076  d (2) Tần số tới hạn f H ống dẫn sóng: f H tần số tới hạn cao mà ống dẫn sóng có đường kính d hoạt động Nếu sử dụng tần số f  f H đường ống ngừng hoạt động ống dẫn sóng Bước sóng cắt trên: H  1,3065  d (3) Tần số cắt trên: fH  108 H  108 1,3065  d (4) Từ ta có, với ống dẫn sóng có đường kính d sử dụng với sóng có tần số dải fC  f  f H Trong phạm vi nghiên cứu, ta sử dụng đèn magnetron có tần số f  2, 45GHz ,   12, 2cm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 169 Kỹ thuật điện tử Tính tốn chiều dài ống dẫn sóng: Bước sóng bên ống dẫn sóng [2]: Lg    1        C  2 (5) Với   12, 2cm C  1,076  d Do đó: Lg      12,   1, 076  d      (6) Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ bước sóng Lg ống dẫn sóng có đường kính d Chiều dài ống dẫn sóng: 3 L   Lg   2 4 (7)     12,   1, 076  d      Sóng đưa vào ống dẫn sóng thơng qua que dị tạo thành sóng đứng nhờ phản xạ đầu kín ống dẫn sóng Bên ống dẫn sóng có điểm bụng sóng nút sóng Đầu dị đưa vào ống dẫn sóng vị trí bụng sóng từ đầu kín ống dẫn sóng Khoảng cách từ que dị đến đầu kín ống dẫn sóng: 1 L1   Lg   2 4 (8)     12,   1, 076  d      170 T X Kiên, …, N N Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Chiều dài que dị đặt bên ống dẫn sóng:  12, L2    3, 05cm 4 Trong đó, que dị đặt vị trí tạo với góc 120o (9) L1 = Lg/4 L2 = λ/4 d D d Lg/4 3Lg/4 L = 3Lg/4 Hình Bản vẽ phần phối hợp phần ăng ten loa 2.2 Thiết kế phần ăng ten loa Giai đoạn phát triển hệ thống thiết kế ăng ten loa hình nón nhỏ gọn tạo đặc tính xạ mong muốn từ nguồn vi sóng u cầu thiết kế ăng ten loa hình nón có kích thước nhỏ gọn tốt, phát xạ hiệu chế độ TE11, có hệ số định hướng khoảng 10-15 dB truyền lượng từ nguồn vào không gian nhiều tốt Phần mô tả lý thuyết thiết kế ăng ten loa hình nón Lý thuyết thiết kế Thiết kế ăng ten loa hình nón điều chỉnh kích thước hình học ràng buộc định hướng Quá trình thiết kế tham khảo từ tài liệu Antenna Theory: Analysis and Design C A Balanis, có phần mở rộng ăng ten loa [6] Phần loa nón gắn vào đầu hở ống dẫn sóng trịn thiết kế phần trước báo l d L Hình Mặt cắt ngang ăng ten loa hình nón với thơng số thiết kế Mơ sử dụng để điều chỉnh thiết bị, hình dạng loa nón tính cách sử dụng công thức sách Antenna Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 171 Kỹ thuật điện tử Theory: Analysis and Design C A Balanis Một mơ hình loa hình nón với thơng số thiết kế thể hình Việc phân tích trường phức tạp khía cạnh quan trọng ăng ten, cách hiệu để tiếp cận thiết kế ăng ten đặc biệt Vì yêu cần cần thiết kế ăng ten có hệ số định hướng khoảng 10-15 dB, đó, việc thiết kế loa hình nón tốn ngược từ u cầu kích thước hệ số định hướng Có thể tính hệ số định hướng ăng ten loa hình nón với hiệu suất độ ϵap, tỷ lệ diện tích hiệu dụng diện tích vật lý ăng ten chu vi độ C, công thức:  4  C (10) D(dB)  10log10  ap ( am )   10log10    L  s      Trong đó, am bán kính miệng loa nón, λ bước sóng sóng xạ và: L  s   10log10  ap (11) Trong phương trình (10), biểu thức đầu biểu thị hệ số định hướng miệng loa tròn đồng nhất, biểu thức thứ thể phương trình (11) gọi hệ số suy hao, điều chỉnh để giải thích việc suy hao hệ số định hướng hiệu suất độ mở Hệ số suy hao, tính decibel theo cơng thức: L(s)   0,8  1,71s  26, 25s  17,79s3  (12) Trong đó, s độ lệch pha cực đại, tính theo bước sóng bằng: dm2 S 8l Khả định hướng loa nón tối ưu đường kính bằng: dm  3l (13) (14) Giá trị tương ứng với độ lệch pha độ tối đa 3/8 bước sóng hệ số suy hao khoảng 2,9 dB Hình Đồ thị phụ thuộc hệ số định hướng loa hình nón với đường kính độ ứng với giá trị L cố định 172 T X Kiên, …, N N Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hệ số định hướng loa hình nón hàm đường kính độ, dm chiều dài trục L Mối quan hệ thể hình Vì thiết bị mong muốn nhỏ gọn, có hệ số định hướng cao cần lựa chọn ăng ten loa nón có kích thước tối ưu tốt Tần số xạ mong muốn 2,45GHz tương ứng với bước sóng 12,2cm Từ hình ta thấy chiều dài trục L tăng khả định hướng tối đa tăng Từ lý thuyết thiết kế ăng ten loa nón chúng tơi thiết kế ăng ten loa với kích thước khác nhau: Ăng ten có chiều dài trục L1 đường kính miệng D1  d  (cm) Ăng ten có chiều dài trục L2 đường kính miệng D2  d  10 (cm) Ăng ten có chiều dài trục L3 đường kính miệng D3  d  20 (cm) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 173 Kỹ thuật điện tử Ăng ten có chiều dài trục L4 đường kính miệng D4  d  25 (cm) Trong ăng ten loa nón thiết kế mặt lý thuyết đáp ứng yêu cầu thiết bị Đảm bảo kích thước ăng ten nhỏ gọn tiện động có hệ số định hướng cao (khoảng 13-14 dB) Cả ăng ten thử nghiệm đo đạc tham số để đánh giá chọn ăng ten phù hợp với thiết bị THỬ NGHIỆM ĂNG TEN LOA HÌNH NĨN 3.1 Giới thiệu hệ thống đo cường độ điện từ trường TS-EMF Hình Ăng ten đo TSEMF-B1 30M-3GHz 174 T X Kiên, …, N N Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong nghiên cứu, nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống đo cường độ điện từ trường TS-EMF, hệ thống gồm thành phần sau: - Ăng ten đo: Ăng ten R&S TSEMF B1 dải tần 30MHz-3GHZ; - Máy thu đo phân tích: Máy phân tích phổ R&S FSL18; - Máy tính chạy phần mềm đo cường độ trường RFEX; - Các kết nối: Ăng ten TSEMF-B1 TSEMF-B3 có hai dây kết nối + Dây cáp liệu: dây RF, đầu kết nối loại N; + Dây cáp điều khiển: dây mỏng, đầu chân, đầu kết nối với dây cáp chuyển đổi từ chân sang USB nối vào máy tính 3.2 Triển khai sơ đồ thí nghiệm 3.2 1.1 2.2 3m 6.1 3.1 5.1 4.2 2.1 4.1 1,8 m 1,8 m 1,2 m 1,2 m 45° 26,5° 18,4° 11,3° Anten 2.3 4.3 6.2 3.3 5.2 4.4 Vị trí phát Vị trí đo 1,2 m 1,8 m 1,2 m 3m 3,4 1.2 2.4 3m 3m Hình Vị trí phát đặt máy đo Mật độ công suất đo điểm: Vị trí Loa Loa Loa Loa 3,22 W/m2 Quá tải Quá tải Quá tải 1.1 2,71 W/m2 1,5 W/m2 W/m2 3,5 W/m2 1.2 2,5 W/m2 1,8 W/m2 1,3 W/m2 3,2 W/m2 W/m2 39 W/m2 11 W/m2 W/m2 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 175 Kỹ thuật điện tử 2.1 0,35 W/m2 W/m2 8,7 W/m2 W/m2 2.2 0,16 W/m2 1,2 W/m2 W/m2 W/m2 2.3 0,4 W/m2 6,8 W/m2 8,5 W/m2 W/m2 2.4 0,22 W/m2 W/m2 5,5 W/m2 W/m2 0,08 W/m2 15 W/m2 8,5 W/m2 8,5 W/m2 3.1 Rất nhỏ W/m2 7,5 W/m2 W/m2 3.2 Rất nhỏ 2,1 W/m2 7,2 W/m2 W/m2 3.3 Rất nhỏ 3,8 W/m2 W/m2 W/m2 3.4 Rất nhỏ 2,1 W/m2 W/m2 W/m2 Rất nhỏ 0,7 W/m2 0,7 W/m2 0,9 W/m2 4.1 Rất nhỏ 0, W/m2 0,6 W/m2 0,35 W/m2 4.2 Rất nhỏ 0,2 W/m2 0,3 W/m2 0,5 W/m2 4.3 Rất nhỏ 0,5 W/m2 0,9 W/m2 1.3 W/m2 4.4 Rất nhỏ 0,21 W/m2 0,6 W/m2 0,4 W/m2 Rất nhỏ 0,3 W/m2 0,5 W/m2 0,5 W/m2 5.1 Rất nhỏ 0,15 W/m2 0,6 W/m2 0,6 W/m2 5.2 Rất nhỏ 0,1 W/m2 0,8 W/m2 1,2 W/m2 Rất nhỏ 0,09 W/m2 0,5 W/m2 0,2 W/m2 6.1 Rất nhỏ 0,07 W/m2 0,55 W/m2 0,09 W/m2 6.2 Rất nhỏ 0,06 W/m2 0,23 W/m2 0,15 W/m2 Từ kết đo cho ta thấy ăng ten thứ với đường kính loa D = d + 10 có khả định hướng phía trước triệt tiêu cánh sóng bên tốt Cơng suất phát xạ phía sau nhỏ khơng đáng kể KẾT LUẬN Trong báo này, nghiên cứu khả lan truyền định hướng ăng ten loa nón, từ thực tế thử nghiệm đo đạc tham số từ ăng ten thiết kế chúng tơi tìm ăng ten có kích thước phù hợp với khả khuếch đại lớn độ rộng chùm hẹp dựa đặc tính ăng ten loa nón Ăng ten có phần gồm phần phối hợp cộng cơng suất loa nón, kích thước ăng ten nhỏ gọn giúp động tốt thực địa Cấu trúc phần nón gắn vào ống dẫn sóng để định hướng lượng phía trước triệt tiêu cánh sóng bên hiệu 176 T X Kiên, …, N N Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Để sử dụng đèn magnetron làm nguồn phát cho ăng ten, nhóm nghiên cứu chế tạo phần phối hợp nhằm để giảm thiểu tiêu hao lượng kết hợp đèn phát cách hiệu Kết nghiên cứu sở thực tiễn để nghiên cứu, phát triển hoàn thiện thiết bị ứng dụng chế áp thiết bị điện tử phương tiện di chuyển tầm gần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Виноградов Е.М, Винокуров В.И, Харченко И.П “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств” Л Сосудстроение 1986 [2] Апорович А.Ф “Статистическая теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств” Мн Наука и техника 1984 [3] KOPP, Carlo and Peter GOON “Air Power Australia: Australia's Independent Defence Think Tank” KOPP, Carlo Russian/Soviet Point Defence Weapons [online] 2008 [cit 2015-01-05] Available from: http://www.ausairpower.net/ [4] DIEHL BGT DEFENCE “HPEMcase: Non-Lethal Effector Systems for the Protection of Persons and Buildings” [online] Roethenbach/Pegnitz, Germany, 2013, p [cit 2015-01-05] Available from: http://www.diehl.com/ [5] “Eureka Aerospace: Solution to high- tech problems” [online] 2014 [cit 2015-01-05] Available from: http://www.eurekaaerospace.com/ [6] C A Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, 3rd Edition, 3rd ed WileyInterscience, 2005 ABSTRACT STUDY AND APPLICATION OF ANTENNA DESIGN METHOD FOR NEAR-RANGER ELECTRONIC COUNTERMEASURES EQUIPMENT The paper presents a research on electromagnetic waves with frequency up to 2.45GHz, integration of microwave emitting tube, antenna development, emission control and monitoring, and then the development of electronic guns for electronic attacks on electronic devices and close range moving vehicles Keywords: Electromagnetic guns; Electronic warfare; Block of perturbative vehicles and violence Nhận ngày 19 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 23 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Điện tử /Viện KH&CN quân sự; Học viện Kỹ thuật quân *Email: txkien2003@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 177 ... Kiên, …, N N Hảo, ? ?Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm gần. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Để sử dụng đèn magnetron làm nguồn phát cho ăng ten, nhóm nghiên cứu chế tạo phần phối... tiêu hao lượng kết hợp đèn phát cách hiệu Kết nghiên cứu sở thực tiễn để nghiên cứu, phát triển hoàn thiện thiết bị ứng dụng chế áp thiết bị điện tử phương tiện di chuyển tầm gần TÀI LIỆU THAM... NGHIỆM ĂNG TEN LOA HÌNH NĨN 3.1 Giới thiệu hệ thống đo cường độ điện từ trường TS-EMF Hình Ăng ten đo TSEMF-B1 30M-3GHz 174 T X Kiên, …, N N Hảo, ? ?Nghiên cứu, ứng dụng … thiết bị chế áp điện tử tầm