Bài viết này trình bày giải pháp kỹ thuật và công nghệ sử dụng trong thiết kế bộ chia công suất băng S thuộc mô đun khuếch đại công suất 2500 W trong tuyến phát của khối thu phát TRM.
Thông tin khoa học công nghệ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ CHIA CÔNG SUẤT BĂNG S TRONG KHỐI THU PHÁT TRM Trần Mạnh Quý*, Võ Xung Hà, Phương Văn Quang, Vũ Đình Tuấn Tóm tắt: Trong đài đa đại, hệ thống tác chiến điện tử thiết bị thông tin, chia công suất công nghệ mạch dải áp dụng rộng rãi Các chia trở nên nhỏ gọn, có độ tích hợp hiệu suất cao với chi phí thấp Bài báo trình bày giải pháp kỹ thuật công nghệ sử dụng thiết kế chia công suất băng S thuộc mô đun khuếch đại công suất 2500 W tuyến phát khối thu phát TRM Bộ chia sử dụng nguyên lý ghép định hướng nhằm thu nhỏ kích thước cho phù hợp khơng gian bố trí thiết bị, tăng số cổng đầu chia đồng thời đảm bảo tỉ lệ chia xác theo u cầu thiết kế Từ khóa: Ra đa; Bộ chia công suất; Bộ ghép định hướng ĐẶT VẤN ĐỀ Trong biên chế Quân chủng Phòng Khơng- Khơng Qn có trang bị số hệ thống đa cảnh giới tầm xa toạ độ đại, hoạt động băng tần S Các đài sử dụng anten mạng pha, quét giản đồ hướng theo góc tà số Theo phương góc tà, anten đài rađa bố trí nhiều khối thu-phát TRM để tạo vùng quan sát góc tà linh hoạt theo yêu cầu nhiệm vụ Trong khối thu- phát TRM thường có cơng suất phát lớn, hoạt động với cường độ liên tục điều kiện nhiệt đới Việt Nam Điều dẫn đến xác suất xảy hỏng cao, đặc biệt chia công suất lớn mô đun khuếch đại công suất 2500 W nằm tuyến phát khối thu- phát TRM Các vật tư thay khối thu-phát TRM nhập đồng theo khí tài Chúng có giá thành cao, phụ thuộc hồn tồn vào nguồn cung cấp nhà sản xuất nước dẫn đến chi phí cho cơng tác đảm bảo kỹ thuật thiết bị lớn Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế vật tư thay chia công suất mô đun khuếch đại công suất 2500 W tích hợp khối thu phát TRM góp phần quan trọng vào việc chủ động công tác đảm bảo kỹ thuật, đáp ứng ngày tốt nhiệm vụ tác chiến Qn chủng Phịng khơng- Khơng quân GIẢI PHÁP, THIẾT KẾ BỘ CHIA CÔNG SUẤT CỦA KHỐI THU PHÁT TRM 2.1 Yêu cầu thiết kế chia công suất Bộ chia công suất mô đun khuếch đại công suất sử dụng khối thu phát TRM có yêu cầu đặc biệt mặt thiết kế sau: - Tần số làm việc: 3.1 đến 3.4 GHz; - Công suất truyền 640 W max (liên tục); - Khơng gian cho phép bố trí chia công suất: dài x rộng x cao là: 350 x 30 x 12.5 (mm); - Số cổng đầu chia (cổng đầu ra) Hình Kích thước khơng gian bố trí chia công suất khối thu phát TRM (mm) 162 T M Quý, …, V Đ Tuấn, “Giải pháp thiết kế chia công suất … khối thu phát TRM.” Thơng tin khoa học cơng nghệ Có nhiều phương pháp chia công suất khác ứng dụng thực tế : Bộ chia công suất T-Juntion, chia cơng suất khe ống dẫn sóng, chia công suất Wilkinson [1, 2], Giải pháp kỹ thuật áp dụng nguyên lý ghép định hướng nhằm thu nhỏ kích thước cho phù hợp khơng gian bố trí thiết bị, tăng số cổng đầu ra, đảm bảo khả chịu công suất lớn đường truyền theo yêu cầu thiết kế 2.2 Lý thuyết chia cơng suất theo ngun lý ghép định hướng có áp dụng kỹ thuật cải tiến 2.2.1 Nguyên lý hoạt động ghép định hướng Bộ ghép định hướng (GĐH) phần tử thụ Nhánh động sử dụng lĩnh vực siêu cao tần GĐH Cổng Cổng thường xây dựng từ hai đường truyền ghép nối đặt đủ gần để lượng truyền qua Cổng Cổng (Cổng ghép đường truyền nhánh kết hợp với đường Nhánh phụ (Cổng cách ly) định hướng) truyền nhánh phụ Năng lượng sóng điện từ truyền từ Hình Mơ hình GĐH cổng số ghép nối với cổng số cách ly với cổng số Trong GĐH, lượng sóng điện từ truyền theo hướng xác định nhánh phụ [3] Tham số đặc trưng cho GĐH hệ số ghép, tức tỉ số công suất lượng điện từ cổng ghép định hướng cổng vào tính theo Decibel: C 10 lg | Pout / P0 | dB (1) Với P0 công suất đầu vào cổng 1, Pout công suất cổng đầu 2.2.2 Xây dựng chia công suất dựa nguyên lý hoạt động GĐH Khi thiết lập chuỗi nhánh ghép định hướng liên tiếp ghép với nhánh theo hệ số ghép phù hợp ta tạo thành chia cơng suất theo tỷ lệ chia số cổng tùy ý Bộ chia sử dụng GĐH mắc nối tiếp kết hợp với đầu cuối nhánh để tạo thành cổng đầu Năng lượng truyền cho GĐH có hệ số ghép C1, C2, C7 phần lượng lại đưa tới đầu cuối nhánh hình 3: C1 Cổng Ra C2 Cổng Ra C3 Cổng Ra C4 Cổng Ra C5 C6 Cổng Ra Cổng Ra C7 Cổng Ra Cổng Ra Hình Sơ đồ nguyên lý chia công suất cổng đầu Để thuận lợi cho tính tốn ta định nghĩa hệ số k n hàm liên quan chia cơng suất có giá trị tỉ số công suất cổng đầu cơng suất cịn lại đường truyền nhánh sau phân phối cho cổng đầu trước (Trường hợp lý tưởng coi lượng truyền tới nhánh cách ly 0): Pn kn (2) n 1 P P n n n 1 n 1 Với P0 công suất đầu vào cổng 1, Pn công suất cổng đầu n với n =1÷8 2.2.3 Lựa chọn mơ hình GĐH chia cơng suất Mơ hình GĐH lựa chọn để thiết kế chia công suất có bề mặt ghép định hướng thực thành rộng đường truyền dạng Stripline [4] với chất điện mơi bao quanh Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 163 Thông tin khoa học cơng nghệ khơng khí Ưu điểm của mơ hình khả chịu đựng cơng suất lớn không bị hạn chế độ phân giải phương pháp chế tạo phương pháp đường truyền Microstrip Đường truyền Microstrip Đường truyền Stripline Hình Mơ hình đường truyền Stripline Microstrip Khảo sát giá trị hệ số ghép C = S 41 H độ lệch tâm nhánh đường truyền đường truyền phụ mặt phẳng tạo đường truyền tăng từ mm đến mm với bước dịch chuyển 0.1 mm cho kết bảng Bảng Bảng giá trị hệ số ghép C biến thiên theo độ lệch tâm H H 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 C(dB) -3.4 -4.49 -4.58 -5.5 -5.99 -6.99 -7.34 -8.57 -9.49 -10.3 -11.1 P4 / P1 0.46 0.36 0.35 0.28 0.25 0.20 0.18 0.14 0.11 0.09 0.08 Bảng cho thấy, giá trị C khơng phụ thuộc tuyến tính theo tham số H Tuy nhiên, nhìn tổng thể hệ số ghép C giảm giá trị H tăng lên Đây cho việc tinh chỉnh chia mục 3 TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG BỘ CHIA CƠNG SUẤT CỦA KHỐI THU PHÁT TRM 3.1 Số liệu đầu vào Thực xây dựng mơ hình chia cơng suất cổng đầu có sử dụng GĐH hình a) Mặt trước chia a) Mặt sau chia Hình Mơ hình GĐH có cổng đầu Thiết kế chia công suất cổng đầu sử dụng nguyên lý ghép định hướng có cơng suất đầu chuẩn hóa (CSCH) so với cơng suất đầu vào thể bảng Bảng Bảng giá trị cơng suất đầu chuẩn hóa (CSCH) chia công suất cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu CSCH 0.39 0.1 0.08 0.21 0.1 0.04 0.05 0.03 Hàm liên quan chia công suất tương ứng theo công thức (2) là: Bảng Hàm liên quan cổng đầu chia công suất Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu 0.39 0.16 0.16 0.49 0.45 0.33 0.63 kn 164 T M Quý, …, V Đ Tuấn, “Giải pháp thiết kế chia công suất … khối thu phát TRM.” Thông tin khoa học cơng nghệ Dựa theo kết tính hàm liên quan k n chia công suất kết rút từ bảng 1, xây dựng tham số H cho mơ hình GĐH: Bảng Bộ tham số H cho mơ hình GĐH chia công suất Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu H(mm) 0.09 0.65 0.66 0 0.24 Trong bảng giá trị H nhỏ GĐH số H có giá trị lớn GĐH số số 3.2 Phương pháp, công cụ mô Sử dụng phần mềm CST 2011 để xây dựng mơ hình tiến hành mơ mơ hình chia cơng suất cổng đầu Đặt cổng đầu vào cổng 1, cổng đầu 2, 3, 4, Đánh giá tỉ lệ chia công suất cổng đầu qua hệ số S 21 , S31 , S31 , S91 Thông số chia công suất cổng tiến hành mô phỏng: - Độ rộng đường mạch: 0.4 mm; - Độ dài đường mạch phần ghép định hướng: 23.8 mm; - Dải tần 3.1 ÷ 3.4 Ghz; - Chất liệu đường truyền: kim loại đồng; - Loại chất điện mơi: Khơng khí; - Độ dày đường mạch in: 0.034 mm; - Kích thước 350x30 mm; - Giá trị H GĐH theo bảng - Số GĐH nối tiếp: 7; Hình Xây dựng mơ hình mơ chia công suất phần mềm CST 2011 Thực tinh chỉnh giá trị H dựa theo bảng nhận xét rút từ bảng Kết mô công suất đầu cổng chia thể hình 7: Tham số tán xạ (dB) Tần số Ghz Hình Kết mơ hệ số ghép phần mềm CST2011 3.3 Kết mơ bình luận Từ kết mơ hệ số S 21 , S31 , S31 , S91 ta có tỉ lệ chia cơng suất cổng đầu thể qua bảng Kết mô cho thấy, công suất đầu cổng tiệm cận so với yêu cầu thiết kế Điều chứng tỏ phù hợp sở lý thuyết thực tế mô Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 165 Thông tin khoa học công nghệ Bảng Bộ tỉ lệ công suất đầu cổng chia từ kết mô Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng Cổng đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu đầu CS 0.41 0.09 0.07 0.16 0.08 0.01 0.03 0.01 Bộ chia có kết cấu nhỏ gọn đáng kể so với chia sử dụng nguyên lý khác Đặc biệt chiều rộng chia có kích thước 30 mm phù hợp cho việc bố trí khơng gian chật hẹp thiết bị Bộ chia sử dụng nguyên lý GĐH không phù hợp cho việc thiết kế, chế tạo chia sử dụng KĐCS 2500 W khối TRM mà cịn có tính ứng dụng rộng rãi nhiều thiết bị điện tử KẾT LUẬN Dựa lý thuyết GĐH, tác giả xây dựng lên mơ hình chia công suất đầu sử dụng GĐH đường truyền Stripline Kết mô cho thấy, phương pháp thiết kế chia công suất sử dụng GĐH có tính khả thi cao Bộ chia có kích thước nhỏ gọn, chịu cơng suất lớn khơng sử dụng khối TRM mà cịn có tính ứng dụng cao lĩnh vực điện- điện tử Tuy nhiên, giải pháp sử dụng chia công suất sử dụng GĐH cần phải tiếp tục nghiên cứu tăng hiệu suất chia, giảm ảnh hưởng tương hỗ GĐH nhằm nâng cao chất lượng chia TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Joseph Helszajn, “ Microwave Polarizers, Power Dividers, Phase Shifters, Circulators, and Switches”, Heriot Watt University (2019), pp 301-305 [2] Andrei Grebennikov, “RF and microwave power amplifier design”, McGraw-Hill Education (2015), pp 368-389 [3] K.K.Lâu, “Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần”, NXB Giáo dục (2006), tr 148-156 [4] Bing Luo-Yongliang Zhang, “Design and Simulation of a Tunable Stripline Wideband Coupler”, MATEC Web of Conferences 228, 03011 (2018), pp 1-4 ABSTRACT THE SOLUTIONS OF DESIGNING THE S BAND POWER DIVIDER/COMBINER IN THE TRANSCEIVER TRM Nowadays, Power Dividers/Splitters based on microstrip technology are applied widely in Modern Radar, Electronic combat and Telecommunication systems Dividers/Splitters are getting smaller and smaller with super high integration, high efficiency and low cost This letter presents (introduces) the technique solutions of designing the S band Divider/Combiner which are included in 2500 W Amplifier Module, located in Transceiver module TRM The dividers exploit directional coupling principle, along with new solution in order to minimize their size This leads to fit to the system space, increase the number of divider outputs and maintain the accuration of output dividing ratio Keywords: Radar; Power divider and combiner; Directional Coupler Nhận ngày 09 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 25 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 tháng năm 2021 Địa chỉ: Viện đa, Viện KH&CN quân * Email: tranquyvrd@gmail.com 166 T M Quý, …, V Đ Tuấn, “Giải pháp thiết kế chia công suất … khối thu phát TRM.” ... nghệ Có nhiều phương pháp chia công suất khác ứng dụng thực tế : Bộ chia công suất T-Juntion, chia cơng suất khe ống dẫn s? ?ng, chia công suất Wilkinson [1, 2], Giải pháp kỹ thu? ??t áp dụng nguyên... V Đ Tuấn, ? ?Giải pháp thiết kế chia công suất … khối thu phát TRM. ” Thông tin khoa học cơng nghệ Dựa theo kết tính hàm liên quan k n chia công suất kết rút từ bảng 1, xây dựng tham s? ?? H cho mơ... (dB) Tần s? ?? Ghz Hình Kết mơ hệ s? ?? ghép phần mềm CST2011 3.3 Kết mơ bình luận Từ kết mơ hệ s? ?? S 21 , S3 1 , S3 1 , S9 1 ta có tỉ lệ chia cơng suất cổng đầu thể qua bảng Kết mô cho thấy, công suất đầu