Khảo sát đặc tính và tính toán số lượng phần tử cho anten khe sử dụng trong radar hàng hải

Bài viết này sẽ thiết kế , mô phỏng anten khe và phân tích sâu về đặc điểm về độ lợi anten, trở kháng sóng với từng dải tần sử dụng của anten khe để có được đánh giá cụ thể về mối liên hệ giữa số lượng khe, kích thước với độ lợi anten. Từ đó đưa ra được thiết kế phù hợp với từng dải tần được sử dụng của anten khe trong radar hàng hải.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VÀ TÍNH TỐN SỐ LƯỢNG PHẦN TỬ CHO ANTEN KHE SỬ DỤNG TRONG RADAR HÀNG HẢI INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS AND DETERMINATION THE NUMBER OF SLOTS FOR SLOT ANTENNA USED IN MARINE RADAR NGUYỄN MẠNH CƯỜNG* , ĐỒN NGỌC ÂU, ĐỖ CƠNG DANH Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: nguyenmanhcuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt Giới thiệu Cơng nghệ anten phần quan trọng công nghệ điện tử truyền thông ngày nay, phát triển truyền dẫn không dây gắn liền với phát triển anten Do nhu cầu sử dụng mà băng tần cao nghiên cứu sử dụng mục đích thơng tin liên lạc, truyền dẫn đo đạc từ xa Đặc biệt, radar hàng hải, anten khe sử dụng phổ biến băng tần S X dải microwave Bài báo thiết kế , mô anten khe phân tích sâu đặc điểm độ lợi anten, trở kháng sóng với dải tần sử dụng anten khe để có đánh giá cụ thể mối liên hệ số lượng khe, kích thước với độ lợi anten Từ đưa thiết kế phù hợp với dải tần sử dụng anten khe radar hàng hải Anten khe sử dụng Radar Hàng hải thường loại anten làm từ ống dẫn sóng trụ trịn ống dẫn sóng hình chữ nhật với thành ống cắt nhiều khe có độ dài nửa bước sóng [1] Thơng thường, sử dụng ống dẫn sóng hình chữ nhật trường lan truyền thành ống trường H10 cịn sử dụng ống dẫn sóng trụ trịn trường lan truyền trường H11 Khi sóng điện từ kích thích truyền lan ống dẫn sóng, mặt thành ống xuất dòng điện mặt Với véctơ mật độ dòng điện mặt xác định biểu thức: Từ khóa: Anten khe, Anten dải rộng, Anten viba, Băng thông rộng, độ rộng chùm tia Trong ống dẫn sóng chữ nhật, trường H10 truyền lan, véctơ từ trường bao gồm: 𝜋𝑥 𝐻𝑥 = 𝐻0 cos ( ) 𝑒 −𝑖𝛽𝑧 𝑎 { (2) 𝜋𝑥 𝐻𝑧 = −𝑖𝐴𝐻0 sin ( ) 𝑒 −𝑖𝛽𝑧 𝑎 Trong đó: Abstract Antenna technology is an important part of today's electronics and communications, the development of wireless transmission has always been associated with the development of antennas According to usage requirements, highfrequency bands are being researched and used for communication, transmission, and telemetry purposes In particular, slot antennas are being used commonly on the S and X bands of microwave bands in marine radar This article will design and simulate the slot antenna and analyze in-depth antenna gain characteristics, wave impedance for each frequency band used by the slot antenna to obtain a specific assessment of the relationship between the number of slots, size with antenna gain Hence, this article proposed an optimal design suitable for each frequency band of slot array antennas used in marine radar 𝑒 ̅] 𝐽𝑠̅ = [𝑛̅ × 𝐻 (1) Trong đó: 𝑛̅: Véctơ vng góc với thành ống; ̅ 𝐻 : Véctơ cường độ từ trường bề mặt ống 𝐻0 : Giá trị lớn cường độ từ trường; A : Hằng số; 𝛽: Hệ số pha sóng có giá trị 2𝜋/𝐴;  : Độ rộng thành đứng ống dẫn sóng Theo cơng thức (1) (2) mặt thành ống dẫn sóng xuất thành phần dòng điện mặt thành phần ngang Jx, Jy thành phần dọc Trong đó, thành phần ngang gây từ trường dọc Hz, thành phần dọc gây từ trường ngang Hx Keywords: Slot antenna, Wide band antenna, Microwave antenna, Broadband, Beam width 78 SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Đặc tính định hướng anten khe phụ thuộc lớn vào số lượng khe dải tần công tác Để xác định tính định hướng anten khe phù hợp với dải tần công tác, báo tiến hành khảo sát, thiết kế, mô hệ anten khe đồng pha dải tần băng S, từ đưa so sánh độ lợi, trở kháng sóng hệ anten khe Hình Phân bố thành phần dòng điện thành ống dẫn sóng Nếu khe cắt nằm thành ống dẫn sóng cắt ngang đường sức mật độ dịng điện dịng điện dẫn mặt thành ống bị gián đoạn khe chuyển thành dịng điện dịch, dịng điện dịch chạy vng góc theo hai mép khe Hình Dịng điện dịch ống dẫn sóng Như vậy, mặt thành ống, với dịng điện dịch xuất hình thành điện trường tương ứng phát sinh điện áp hai mép khe Nếu khe cắt dọc theo đường sức dịng điện khơng sinh dòng điện dịch chảy ngang mép khe, khe khơng xạ lượng Nếu cắt khe vng góc với đường sức dịng điện dịng điện dịch chảy ngang mép khe lớn nhất, khe xạ sóng điện từ Theo nguyên lý tương hỗ, anten khe sử dụng dùng làm anten phát anten thu Cường độ xạ cường độ thu khe phụ thuộc vào vị trí khe thành ống dẫn sóng Để nhận đồ thị phương hướng theo yêu cầu cần thiết kế anten gồm hệ thống khe cắt thành ống dẫn sóng, khe bố trí theo kiểu dọc, ngang xiên kích thích đồng pha với Trong hệ thống radar hàng hải với số u cầu góc phương vị (3600), tính định hướng cao, dải thơng tần đủ rộng, búp sóng phụ tối thiểu biên độ lẫn số lượng anten khe đáp ứng tốt yêu cầu [2, 3] Vì vậy, anten khe sử dụng phổ biến radar hàng hải, cụ thể anten khe đồng pha SỐ 66 (04-2021) Mô khảo sát đặc tính hệ anten khe đồng pha Giả thiết, anten radar hàng hải sử dụng loại ống dẫn sóng hình chữ nhật có khe cắt dọc theo thành ống phân bố so le hai phía Trường H10 kích thích điểm phần thành rộng ống Khoảng cách từ tâm khe tới tâm khe khác liên tiếp phía λ Việc đặt khoảng cách khe liên tiếp λ để đảm bảo cho khe phía so với thành ống kích thích đồng pha, khoảng cách tâm khe liên tiếp nằm phía thành ống dẫn sóng λ/2 Vì thành phần ngang Jx đổi chiều chuyển qua thành ống dẫn sóng nên cắt khe điểm cách tâm khe thứ khoảng d = A/2 dịng điện mặt Jx đồng pha với dòng khe Để khe dọc kích thích mạnh tâm khe cần đặt điểm bụng thành phần dọc Hz, nghĩa khoảng cách từ khe đến điểm ngắn mạch đầu cuối cần chọn λ/4 [4]: λ 𝐿 = (2𝑛 + 1) 𝑛 = 0,1,2, … (3) Xét băng tần S, cụ thể tần số 2,45GHz [3], với tham số anten khe trên, tiến hành tính tốn thiết kế phần mềm Matlab (Hình 3) Xét đồ thị phương hướng hệ anten khe đồng pha, giả thiết đồ thị phương hướng hệ anten khe giống đồ thị phương hướng anten chấn tử điện nửa sóng, ta nhận phương trình hàm phương hướng chuẩn hóa hệ anten khe đồng pha ống dẫn sóng chữ nhật với khe cắt theo phương dọc [4]: 𝑭(𝜽) = 𝑬 𝑬𝒎𝒂𝒙 𝝅 = 𝑵𝒌𝒅 𝟏 𝐜𝐨𝐬( 𝟐 𝒔𝒊𝒏𝜽) 𝐬𝐢𝐧( 𝟐 𝒔𝒊𝒏𝜽) 𝒌𝒅 𝑵 𝒄𝒐𝒔𝜽 𝐬𝐢𝐧( 𝒔𝒊𝒏𝜽) (4) 𝟐 Trong đó: N: Số khe cắt thành ống dẫn sóng; d: Khoảng cách hai tâm khe liên tiếp; 𝛉: Góc pháp tuyến tâm thành rộng ống dẫn sóng với hướng khảo sát 79 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Hệ anten khe đồng pha với số khe 10 Từ hàm phương hướng chuẩn hóa vẽ đồ thị phương hướng không gian chiều chiều hệ anten khe đồng pha, tương ứng (Hình Hình 5) Thiết kế, tính tốn số lượng khe tương ứng với dải tần số Với việc thiết kế, mô hệ anten khe đồng pha, báo khảo sát đặc tính phương hướng hệ anten khe Để phân tích rõ ảnh hưởng số khe với độ lợi trở kháng sóng anten dải băng tần S, nhóm tiến hành xét thay đổi số lượng khe sóng N = 4÷24 với tần số cơng tác F = 2,1÷2,9GHz Dựa vào thay đổi độ lợi trở kháng sóng (Bảng & 2), nhận thấy rằng, tần số 2,5GHz, độ lợi anten trở kháng sóng lớn thay đổi tăng số lượng khe lớn 12 khe tần số 2,9GHz độ lợi anten trở kháng sóng nhỏ Bảng Bảng so sánh trở kháng sóng với số Hình Đồ thị phương hướng khơng gian chiều hệ anten khe đồng pha 10 phần tử Hình Đồ thị phương hướng khơng gian chiều hệ anten khe đồng pha 10 phần tử 80 lượng khe tương ứng băng tần S N (số khe) Max Min 2,4GHz 2,9GHz 2,4GHz 2,9GHz 12 2,4GHz 2,9GHz 16 2,5GHz 2,9GHz 20 2,5GHz 2,9GHz 24 2,5GHz 2,9 GHz * Với Max, Min băng tần có trở kháng sóng lớn nhỏ nhất; * Với max, độ lợi lớn nhỏ băng tần (đơn vị: dBi); Đồng thởi, sau so sánh trở kháng sóng, nhận thấy số lượng khe tăng trở kháng sóng giảm nhỏ Hình mơ tà trở kháng sóng hệ anten khe với số lượng khe N = 24 SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Bảng so sánh độ lợi với số lượng khe tương ứng băng tần S N 12 16 20 24 Max 7,71 10,4 12,7 13,7 14,8 14,8 F 2,1 2,2 2.3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2