Đặc tính của anten khe, anten loa và ứng dụng trong radar hàng hải

Bài viết này sẽ nghiên cứu, mô phỏng thiết kế, khảo sát và so sánh đồ thị phương hướng, đặc tính của hai loại anten này trên dải băng tần S và X, từ đó đưa ra kết luận về sự phù hợp của việc sử dụng hai loại anten này trong thực tế.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN KHE, ANTEN LOA VÀ ỨNG DỤNG TRONG RADAR HÀNG HẢI THE CHARACTERISTICS OF SLOT ANTENNA, HORN ANTENNA AND APPLICABILITY IN MARINE RADAR NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Phòng Quan hệ Quốc tế, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: nguyenmanhcuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt Radar hiểu thuật ngữ chung cho hệ thống phát hiện, xác định thăm dị vị trí vật thể hay mục tiêu dạng lượng khác Kỹ thuật Radar ngày mở rộng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, dùng sóng điện từ thăm dị lịng đất, thăm dị dự báo thời tiết, dùng sóng âm thăm dò thể người, thăm dò mặt nước, đo mức chất lỏng Hai loại anten thường sử dụng hệ thống Radar thăm dò anten Loa anten Khe, với đặc tính khác nên ứng dụng lĩnh vực khác tương ứng Bài báo nghiên cứu, mô thiết kế, khảo sát so sánh đồ thị phương hướng, đặc tính hai loại anten dải băng tần S X, từ đưa kết luận phù hợp việc sử dụng hai loại anten thực tế Từ khóa: Anten khe, anten loa, anten dải rộng, anten viba, băng thông rộng Abstract Radar can be used as a general term for systems that used for detecting, locating and tracking objects or targets' position by different forms of energy Radar technology is increasingly being expanded and applied in many different fields, such as using electromagnetic waves to explore underground, exploring and forecasting weather; use sound waves to probe in the human body, and probing underwater, measurement liquid level Two types of antennas commonly used in detect radar systems are the Horn antenna and the Slot antenna, with different characteristics that be applied in respective different fields respectively This paper will research and simulate the design of them, surveying the characteristics and comparing the graph of them on the S and X bands, thereby conclusions on the suitability of using two types of these antennas in practice Keywords: Horn antennas, Slot antennas, Wide band antenna, Microwave antenna, Broadband SỐ 67 (8-2021) Mở đầu Radar hệ thống sử dụng sóng điện từ để phát hiện, xác định vị trí phạm vi vật thể Hệ thống Radar bao gồm máy phát tạo sóng điện từ dạng liên tục chùm xung, anten phát anten thu dùng để phát xạ thu nhận sóng điện từ, máy thu kết hợp với xử lý để xác định thuộc tính đối tượng Sóng vơ tuyến sau phát xạ từ anten phát phản xạ từ vật thể quay trở lại máy thu cung cấp thông tin vị trí, kích thước tốc độ vật thể Trong lĩnh vực hàng hải, Radar thiết bị quan trọng trang bị tàu thuyền theo quy chuẩn Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) Radar hàng hải trở thành phương tiện dẫn đường chủ yếu đảm bảo an toàn cho tàu thuyền, đặc biệt nơi có mật độ tàu thuyền lớn, hành hải ven bờ, sương mù, đêm tối, tầm nhìn bị hạn chế Anten Radar Hàng hải anten sử dụng chung cho máy phát máy thu Do yêu cầu đặc điểm công tác nên anten radar phải thỏa mãn yêu cầu sau [1, 2]:  Radar có khả phát xạ nhận sóng phản xạ 360° theo góc phương vị;  Anten radar phải có búp sóng hẹp, thường từ 0.75° đến 2° mặt phẳng ngang;  Có dải thơng tần đủ rộng;  Các búp sóng phụ có biên độ nhỏ số lượng ít;  Có độ bền vững điện cao, đảm bảo kích thước, trọng lượng độ cản gió tối thiểu Hình mơ tả khối Scanner Radar, bao gồm phần đế chứa máy phát, chuyển mạch anten, khối thu xử lý tín hiệu; phần cánh anten quay 360° khơng gian theo góc phương vị Hình Khối Scanner Radar hàng hải 87 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Để đáp ứng tất yêu cầu Anten Radar hàng hải, có hai loại anten sử dụng dàn anten Khe hệ anten Loa bao gồm anten Loa kết hợp với mặt phản xạ parabol, dàn anten Khe sử dụng phổ biến Trên giới nay, học giả tiếp tục nghiên cứu hệ anten Khe, nghiên cứu cải tiến anten Loa để sử dụng cho Radar hàng hải lĩnh vực ứng dụng khác [3] Tuy nhiên thực tế hệ anten Khe sử dụng, anten Loa khơng cịn sử dụng Radar hàng hải Anten Loa ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực: theo dõi thời tiết, thăm dò địa chất giám sát mức chất lỏng [4] Bài báo tiến hành khảo sát so sánh đặc tính phương hướng, độ lợi trở kháng sóng hai loại Anten băng tần S (2-4GHz) băng tần X (8-12 GHz) để làm rõ có khác Kết cấu báo sau: Phần phần sở lý thuyết, mô tả cấu tạo khảo sát đặc tính phương hướng hệ anten Khe anten Loa Độ lợi trở kháng sóng đươc phân tích so sánh phần Phần kết luận rút từ nghiên cứu Khảo sát đặc tính phương hướng hệ anten Khe anten Loa Anten Khe thường làm từ ống dẫn sóng hình chữ nhật ống dẫn sóng trụ trịn với khe cắt thành ống có độ dài nửa bước sóng Theo nguyên lý tương hỗ, anten Radar vừa sử dụng làm anten phát vừa dùng làm anten thu, cường độ xạ cường độ thu anten phụ thuộc vào số lượng vị trí khe thành ống dẫn sóng Để nhận đồ thị phương hướng theo yêu cầu, cần bố trí khe theo phương dọc, ngang xiên khe phải kích thích đồng pha với [5] Hình mặt cắt hệ anten Khe thực tế ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY hướng chuẩn hóa hệ anten Khe chấn tử đồng pha sau [6]: 𝐹(𝜃) = 𝐸 𝐸𝑚𝑎𝑥 𝜋 𝑁𝑘𝑑 cos⁡(2 𝑠𝑖𝑛𝜃) sin⁡( 𝑠𝑖𝑛𝜃) = (1) 𝑘𝑑 𝑁 𝑐𝑜𝑠𝜃 sin⁡( 𝑠𝑖𝑛𝜃) Trong đó: N số khe thành ống; d khoảng cách tâm khe kề nhau; 𝒌 = 𝟐𝝅/𝝀 hệ số pha, với 𝝀 bước sóng lan truyền ống dẫn sóng; θ góc pháp tuyến tâm ống dẫn sóng hướng điểm khảo sát Anten Loa đoạn ống dẫn sóng có đầu hở, miệng ống dẫn sóng mở rộng dần để trở kháng sóng biến đổi Khi đó, lượng cao tần lan truyền ống dẫn sóng đến cổ loa dạng sóng phẳng, miệng loa phần lớn lượng xạ ngoài, phần phản xạ lại, phản xạ nhỏ kích thước miệng loa lớn Trên thực tế có loại anten Loa: Loa H, Loa E, Loa Tháp Loa Nón tương với hình dạng miệng loa loại sóng lan truyền ống dẫn sóng Hình mơ tả cấu tạo thực tế anten Loa Tháp với phân bố trường miệng loa mặt phẳng E mặt phẳng H, Hình mơ tả thử nghiệm cho anten Radar Furuno FR-360, anten Loa sử dụng làm chiếu xạ tử cho mặt phản xạ parabol [7] Hình Hình ảnh anten Loa đơn thực tế Hình Hình ảnh hệ anten Khe thực tế Trên thực tế xạ, giản đồ hướng hệ anten Khe đồng pha giống giản đồ hướng anten chấn tử điện nửa bước sóng, có phần xạ khơng gian phía trước khơng gian phía sau Tuy nhiên phần cơng suất xạ nửa khơng gian phía sau nhỏ, khơng ảnh hưởng tới độ rộng búp sóng độ lợi anten Phương trình hàm phương 88 Hình Hệ anten Loa thử nghiệm Radar Furuno FR-360 Đối với anten loa tháp, hàm phương hướng chuẩn hóa mặt phẳng E xác định theo cơng thức (2) hàm phương hướng chuẩn hóa mặt phẳng H xác định theo công thức (3) [8]: SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 𝐹𝐸 (𝜃) = | KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 𝑊 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝐸 sin(𝑘𝑏 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝐸 ) 𝑊𝑠 || |⁡(2) 𝑊 𝑘𝑏 𝐸 + ⁡ 𝐾𝑐 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑊𝑠 + ⁡ 𝐾𝑐 𝑊 + 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝐻 (𝜋)2 cos(𝑘𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝐻 ) 𝑊𝑠 𝐹𝐻 (𝜃) = | || | (3) 𝑊 𝜋 𝑘𝑎 𝐻 + ⁡ 𝐾𝑐 ( ) − 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑊𝑠 2 𝐾𝑐 Trong đó: W, Ws trở kháng sóng không gian tự môi trường ống dẫn sóng; 𝒌 = 𝟐𝝅/𝝀 hệ số pha; a, b chiều dài chiều rộng miệng loa; 𝜽𝑬 , 𝜽𝑯 góc góc pháp tuyến bề mặt miệng loa theo trường E trường H; Kc hệ số sóng chạy ống dẫn sóng Hình Đặc tính phương hướng anten Loa tháp không gian chiều Từ công thức (2) (3), mơ Matlab đặc tính phương hướng khơng gian chiều chiều Hình 5, Hình 7, biểu thị đặc tính phương hướng hệ anten Khe anten Loa tháp tương ứng Hình Đặc tính phương hướng anten Loa tháp không gian chiều Khảo sát độ lợi trở kháng sóng hệ anten Khe anten Loa băng tần S X Hình Đặc tính phương hướng hệ anten Khe khơng gian chiều Hình Đặc tính phương hướng hệ anten Khe không gian chiều SỐ 67 (8-2021) Phần khảo sát hàm phương hướng chuẩn hóa mô Matlab để vẽ đồ thị phương hướng hai loại Anten không gian chiều Để khảo sát độ lợi trở kháng sóng Anten, trước tiên tiến hành thiết kế hệ anten Khe nửa sóng anten Loa tháp Đối với hệ anten Khe, giả thiết anten sử dụng loại ống dẫn sóng hình chữ nhật, hệ anten khe nửa sóng, có 10 khe cắt dọc theo thành ống phân bố so le hai phía, hàm waveguideSlotted Matlab sử dụng với thông số thiết lập Bảng Đối với anten Loa, giả thiết sử dụng anten Loa tháp với phân bố trường miệng loa mặt phẳng E mặt phẳng H, hàm horn Matlab sử dụng với thông số thiết lập Bảng 89 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Sau thiết lập thông số, sử dụng hàm impedance hàm sparameters để tính tốn độ lợi trở kháng sóng hai loại anten Kết hiển thị Bảng Bảng Bảng Thiết lập thông số cho hệ anten Khe Hệ anten Khe Anten Loa tháp đơn vị (m) S 45,6Ω - 221Ω 0,02Ω - 0,03Ω X 73,6Ω - 284Ω 14Ω - 19,5Ω Chiều dài 0,8060 Width Chiều ngang 0,0857 Height Chiều cao 0,0428 NumSlots Số lượng khe Slot Hình dạng khe 10 Chữ nhật Khoảng cách từ mép đến 0,0403 tâm khe SlotSpacing Khoảng cách Hình Hình 10 minh họa cho việc phối hợp trở kháng anten ống dẫn sóng Anten Loa có phụ thuộc vào tần số lớn hệ Anten Khe 0,0123 tới tâm khe SlotAngle Bảng ra, trở kháng sóng sinh anten Loa tháp nhỏ hệ anten Khe, nghĩa tiêu hao lượng hơn, nhiên trở kháng sóng hệ anten Khe lại phù hợp với việc phối hợp trở kháng ống dẫn sóng (50-75 Ω) 0,0806 tâm khe Khoảng cách từ tâm ống SlotOffset Bảng Bảng so sánh trở kháng sóng hệ anten Khe nửa sóng anten Loa tháp Băng tần Length SlotToTop tăng độ lợi anten Khe băng X cần tăng số lượng khe [9] Giá trị Ý nghĩa Thông số ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Góc xiên khe Bảng Thiết lập thông số cho anten Loa tháp Giá trị Ý nghĩa Thông số đơn vị (m) FL Chiều dài miệng loa 0,0348 FW Chiều ngang miệng loa 0,035 FH Chiều cao miệng loa 0,035 L Chiều dài ống dẫn sóng W Chiều rộng ống dẫn sóng H Chiều cao ống dẫn sóng FO Điểm cấp nguồn 0,03 Hình Đồ thị biểu diễn trở kháng sóng hệ anten Khe nửa sóng băng tần S 0,024 0,012 [0,01 0] Bảng Bảng so sánh độ lợi hệ anten Khe nửa sóng anten Loa tháp Băng tần Hệ anten Khe Anten Loa tháp S ~12dB ~7dB X ~6dB ~32dB Bảng cho thấy, băng tần S (2-4GHz), hệ anten Khe cho độ lợi tốt Trên băng tần X (812GHz), anten Loa tháp cho độ lợi cao Muốn 90 Hình 10 Đồ thị biểu diễn trở kháng sóng anten Loa tháp băng tần X SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Kết luận Bài báo tiến hành nghiên cứu, mô đánh giá đặc tính hai loại anten hệ anten Khe nửa sóng anten Loa tháp Đặc tính phương hướng hai loại anten rằng, hệ anten Khe có độ rộng búp sóng nhỏ, khoảng 2°, anten Loa tháp đơn có độ rộng búp sóng lớn nhiều lần Với điều kiện tiên độ rộng búp sóng đó, hệ anten Khe loại anten phù hợp sử dụng Radar hàng hải Thực tế hệ anten Khe sử dụng Radar hàng hải Trên băng tần S, hệ anten Khe có độ lợi tốt hơn, băng tần X anten Loa có độ lợi tốt Trở kháng sóng sinh hai loại anten có khác biệt, mặt tiêu hao lượng anten Loa cho kết tốt Như vậy, với ưu điểm băng thông rộng, độ lợi cao, độ méo nhỏ anten Loa thường sử dụng ứng dụng thời tiết, thăm dò vật liệu theo dõi giám sát mức chất lỏng Anten Loa có ưu điểm dễ chế tạo, giá thành rẻ, để làm hẹp búp sóng anten Loa, có nghiên cứu kết hợp anten Loa thành hệ anten, sử dụng anten Loa làm chiếu xạ tử cho anten Parabol Vấn đề làm rõ nghiên cứu anten Loa sau Các kết luận báo phù hợp với kết nghiên cứu giới tham khảo Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số DT20-21.49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Derry Permana Yusuf, Fitri Yuli Zulkifli, Eko Tjipto Rahardjo, Design of Narrow-wall Slotted Waveguide Antenna with V-shaped Metal Reflector for X-Band Radar Application, 2018 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP 2018), tr.265-266, Busan, Korea, 2018 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [3] Daryl Ortega González, Pedro Arzola Morris, José Sandianes Gálvez, Modification to the AU11-07N slotted waveguide antenna of the Navy-Radar 4000, RIELAC, Vol 41, tr.108-121, 2020 [4] Guezoui Zahia, Amir Monir, Amar Hichem, Zergoug Mourad, Hamami Latifa, Design and simulation of Pyramidal Horn Antenna for NDT Applications, International journal of mathematics and computers in simulation, Volume 11, tr.143146, North Atlantic University Union, USA, 2017 [5] Musa Manganda, Design of an S-band Waveguide Slot Antenna for Surveillance Radar Application, University of Cape Town, South Africa, April 2017 [6] Trần Xuân Việt, Kỹ thuật anten, NXB Hàng hải, 2019 [7] Furuno, Furuno Marine Radar Experiments, Operator's manual, Model FR-360 Mark II marine radar, 1984 [8] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [9] Nguyễn Mạnh Cường, Đoàn Ngọc Âu, Đỗ Cơng Danh, Khảo sát đặc tính tính tốn số lượng phần tử cho anten Khe sử dụng Radar Hàng hải, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 66, tr.78-82, 2021 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 27/4/2021 06/5/2021 18/5/2021 [2] lan Bole, Alan Wall, Andy Norris, Radar and ARPA Manual, Butterworth-Heinemann, UK, 2014 SỐ 67 (8-2021) 91 ... hệ anten Khe, nghiên cứu cải tiến anten Loa để sử dụng cho Radar hàng hải lĩnh vực ứng dụng khác [3] Tuy nhiên thực tế hệ anten Khe sử dụng, anten Loa khơng cịn sử dụng Radar hàng hải Anten Loa. .. CƠNG NGHỆ Để đáp ứng tất yêu cầu Anten Radar hàng hải, có hai loại anten sử dụng dàn anten Khe hệ anten Loa bao gồm anten Loa kết hợp với mặt phản xạ parabol, dàn anten Khe sử dụng phổ biến Trên... anten Khe anten Loa tháp tương ứng Hình Đặc tính phương hướng anten Loa tháp không gian chiều Khảo sát độ lợi trở kháng sóng hệ anten Khe anten Loa băng tần S X Hình Đặc tính phương hướng hệ anten