Thiết kế, chế tạo anten mạng pha băng x điều khiển búp sóng số

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 89 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN MẠNG PHA BĂNG X ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG SỐ Nguyễn Văn Hạnh*, Võ Văn Phúc, Trần Thị Trâm, Đinh Văn Trường, Cao Văn Vũ Tóm tắt: Anten mạng pha được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị quân sự hiện đại như: ra đa cảnh giới, ra đa điều khiển hỏa lực, đầu tự dẫn tên lửa. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày cơ sở nguyên lý thiết kế, chế tạo anten mạng pha khe trên ống sóng và kết quả mô phỏng; đo đạc, đánh giá chất lượng anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số (trên cơ sở các tham số kỹ thuật của anten mạng pha đài ra đa hỏa lực). Từ khóa: Anten, Anten mạng pha, Ống dẫn sóng, băng X. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Anten mạng pha cho phép thực hiện hàng loạt các chức năng như: theo dõi nhiều mục tiêu một cách đồng thời; thay đổi vị trí cực đại chính anten trong không gian với tốc độ cực nhanh; cũng như mở rộng hay làm hẹp nó; hướng cực đại về tín hiệu hữu ích và hình thành giản đồ hướng không (nhỏ nhất) về phía nhiễu. Bằng cách thay đổi pha của dòng kích thích trong mỗi phần tử anten của mạng có thể quét cánh sóng phát xạ của anten trong không gian. Anten mạng pha với sự điều khiển pha điện tử làm giảm quán tính quét búp sóng so với cơ điện. Dùng anten mạng pha không những đạt được tốc độ quét cao mà còn có khả năng điều khiển cả dạng giản đồ hướng; tăng công suất phát xạ, nâng cao khả năng chống nhiễu [1]. Chức năng cơ bản của hệ anten mạng pha là tạo ra giản đồ hướng có búp sóng hẹp và điều khiển quét điện búp sóng đó. Các nước tiên tiến về công nghệ quân sự đã chế tạo ra nhiều loại anten mạng pha (AMP). Tuy nhiên, ở nước ta thiết kế chế tạo AMP là công việc còn mới mẻ. Bài báo này tập trung vào những vấn đề công nghệ chế tạo AMP trong điều kiện Việt Nam. Với đặc tính bức xạ anten, nếu anten được đặt trong mặt phẳng X-Y thì hướng cực đại của nó sẽ nằm theo trục Z vuông góc với mặt phẳng X-Y (xem hình 1). Bài toán được đặt ra là tính toán, thiết kế mạng anten như thế nào để hướng này cực đại và búp bên nhỏ ở mức cho phép. Do hướng cực đại vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử ta sẽ chọn mạng hai chiều đặt trên mặt phẳng X-Y và các phần tử đồng pha và biên độ. Hình 1. Hệ thống anten mạng 2 chiều. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. V. Hạnh, , C. V. Vũ, “Thiết kế, chế tạo anten mạng pha điều khiển búp sóng số.” 90 Giả sử búp sóng chính của mạng có hướng là θ0 và Ф0 như hình 1. Để định nghĩa độ rộng búp sóng, ta cần chọn trước 2 mặt phẳng. Đầu tiên là mặt phẳng góc tà định nghĩa bởi góc Ф = Ф0 và mặt phẳng thứ hai là mặt phẳng trực giao với nó. Độ rộng búp sóng nửa công suất ứng với mỗi mặt phẳng lần lượt là θ x và Фy. Ví dụ nếu búp sóng cực đại của mạng có hướng là θ0 =  /2 và Ф0 = /2 thì θx là độ rộng búp sóng trong mặt phẳng Y-Z, còn Фy là độ rộng búp sóng trong mặt phẳng X-Y. Với mạng hai chiều có (M x N) phần tử thì độ rộng búp sóng trong các mặt phẳng được tính theo các công thức sau [1]: 1 1,3912 cos ( ) 2 x Md          (1)         ) 391,1 (cos 2 2 1 Nd y    (2) 2. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ Các anten mạng pha hiện đang được sử dụng tại nước ta chủ yếu là trong các đài ra đa thế hệ mới, được nhập ngoại và chuyển giao công nghệ dưới dạng mô đun hoặc thiết bị; tuy nhiên vì mục đích bí mật quân sự nên các tài liệu thiết kế kỹ thuật và công nghệ không được công bố rộng rãi. Vì vậy để tiếp cận được với công nghệ mới mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính năng như một hệ thống anten thông thường thì cần phải đầu tư nghiên cứu thiết kế, chế tạo một hệ thống anten mạng pha trong thực tế. Bài toán thiết kế anten mạng pha dựa trên cơ sở các tham số kỹ thuật của đài ra đa hỏa lực như sau: Thiết kế hệ thống anten mạng pha điều khiển số với các tham số kỹ thuật theo bảng 1. Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống anten mạng pha điều khiển số. TT Tham số kỹ thuật Đơn vị đo Cần đạt Anten ra đa hỏa lực 1 Số lượng ống sóng (84  96 khe chấn tử) Ống sóng 16 64 2 Dải tần làm việc MHz 8220  8920 8220  8880 3 Hệ số sóng đứng của 1 hàng  1,5  1,5 4 Hệ số khuếch đại anten dBi  24 5 Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng phương vị (mức -3 dB) độ 1,2  0,2 1,2  0,2 6 Mức cánh sóng phụ trong mặt phẳng phương vị dB  -20  -20 7 Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng góc tà (mức -3 dB) độ 10  2 1,9  3,1 (tùy chế độ) 8 Góc quét điện trong mặt phẳng tà độ  20 9 Bước nhảy của búp sóng chính trong mặt phẳng góc tà độ  5 10 Phân cực Ngang Ngang Sơ đồ khối tổng quát của anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số thể hiện ở hình 2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 91 Hình 2. Sơ đồ khối tổng quát của anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số. 3. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ Các bước tính toán, thiết kế hệ thống anten mạng pha theo yêu cầu đề ra như trên gồm các bước sau [2, 3, 4]: Bước 1: Chọn tần số trung tâm f0: f0 = 8,57 GHz; Bước 2: Chọn kích thước ống sóng: (28,5 x 12,6) mm; Bước 3: Tính bước sóng trong không gian tự do 0: 0 = c/f0  35 mm; Bước 4: Tính bước sóng cắt cut: cut = 2a = 2 x 28,5 = 57 mm; Bước 5: Tính bước sóng trong ống dẫn sóng g: mm cut g 7,47 )(1 20 0        Bước 6: Tính kích thước độ rộng khe cắt: mmxawidthSlot 98,1 9,0 0625,0 5,28 9,0 0625,0  Bước 7: Tính kích thước độ dài khe cắt: mmxlengthSlot 17354868,04868,0 0   Bước 8: Tính khoảng cách giữa các khe: mmspaceSlot g 85,23 2 7,47 2   Bước 9: Tính điểm cấp nguồn: Để đảm bảo sóng là đồng pha từ điểm cấp nguồn thì khoảng cách điểm cấp nguồn đến tâm khe đầu tiên là ng/2. Với bài toán thiết kế ở đây ta chọn là g/2; Bước 10: Tính khoảng cách từ tâm khe cuối cùng đến tải. Để đảm bảo cường độ cực đại thì tâm khe cuối cùng đến tải sẽ là (2n+1)g/4. Với bài toán thiết kế ở đây ta chọn là g/4; Bước 11: Sau khi tính toán được các tham số cần thiết và dựa vào yêu cầu về cánh sóng phụ và độ rộng cánh sóng chính để chọn phân bố biên độ và pha cho mảng 96 khe. Trong bài toán thiết kế này ta chọn phân bố biên độ là phân bố Taylor, phân bố pha là đều. 4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC 4.1. Các kết quả mô phỏng và đo đạc 1 mảng anten Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm CST (Computer Simulation Technology) [5] và đo đạc 1 mảng anten trên ống sóng gồm 96 phần tử đã chế tạo như hình 3, 4 và 5. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. V. Hạnh, , C. V. Vũ, “Thiết kế, chế tạo anten mạng pha điều khiển búp sóng số.” 92 a. Kết quả mô phỏng b. Kết quả đo Hình 3. Hệ số sóng đứng VSWR. a. Kết quả mô phỏng b. Kết quả đo Hình 4. Giản đồ hướng trong tọa độ cực tại tần số 8.2 GHz. a. Kết quả mô phỏng b. Kết quả đo Hình 5. Giản đồ hướng trong tọa độ cực tại tần số 8.9 GHz. Các kết quả tính toán, mô phỏng và chế tạo 1 mảng anten 96 khe chấn tử bằng phần mềm CST đạt được như sau: Dải tần làm việc: (8220  8920) MHz; Hệ số sóng đứng:  1,2; Độ rộng cánh sóng (trong mặt phẳng phương vị): 0,91,1; Mức cánh sóng phụ: - 20 dB. 4.2. Các kết quả mô phỏng khi tích hợp 16 mảng anten 4.2.1. Pha của các mảng anten bằng nhau Từ kết quả tính toán, thiết kế 1 mảng anten 96 khe chấn tử; ta thực hiện mô phỏng giản đồ hướng phát xạ của 16 mảng anten 96 khe chấn tử với khoảng cách giữa 2 mảng anten là 0/2 = 17,5 mm; độ dịch pha giữa các mảng anten là 0. Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 6. Tần số = 8.2 Độ rộng búp sóng = 1.1º Mức cánh sóng phụ = 20.23 dB Tần số = 8.9 Độ rộng búp sóng = 1.0º Mức cánh sóng phụ = 21.05 dB Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 93 a. Tần số 8.22 GHz trong mặt phẳng phương vị b. Tần số 8.22 GHz trong mặt phẳng góc tà c. Tần số 8.92 GHz trong mặt phẳng phương vị d. Tần số 8.92 GHz trong mặt phẳng góc tà Hình 6. Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị và góc tà. 4.2.2. Dịch pha giữa các mảng anten Tiếp theo, ta thực hiện mô phỏng giản đồ hướng phát xạ của 16 mảng anten 96 khe chấn tử với khoảng cách giữa 2 mảng anten là 0/2 = 17,5 mm khi các mảng anten được dịch pha. Kết quả mô phỏng khi dịch pha +650 giữa các mảng anten thể hiện trên hình 7. a. Tần số 8.22 GHz, dịch pha +650, góc lệch búp sóng +220 b. Tần số 8.92 GHz, dịch pha +650, góc lệch búp sóng +20,20 Hình 7. Độ lệch búp sóng trong mặt phẳng góc tà khi dịch pha +650 giữa các mảng anten. Các kết quả tính toán, mô phỏng 16 mảng anten 96 khe chấn tử bằng phần mềm CST đạt được như sau: Dải tần làm việc: (8220  8920) MHz; Độ rộng cánh sóng trong mặt phẳng phương vị: 0,91,0; Độ rộng cánh sóng trong mặt phẳng tà: 6,17,1; Hệ số khuếch đại: > 24,7 dBi; Khi độ dịch pha giữa các mảng anten là 65 thì độ lệch búp sóng trong mặt phẳng góc tà đạt được từ 20 đến 22. 4.3. Kết quả thiết kế chế tạo anten mạng pha Các ảnh chụp anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số đã chế tạo thể hiện ở hình 8. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. V. Hạnh, , C. V. Vũ, “Thiết kế, chế tạo anten mạng pha điều khiển búp sóng số.” 94 a. Mặt trước anten mạng pha b. Mặt sau anten mạng pha Hình 8. Hình ảnh anten mạng pha gồm 16 mảng anten khe trên ống sóng. Thực hiện đo đạc, đánh giá các tham số kỹ thuật của anten mạng pha trong Phòng thí nghiệm và ngoài thực địa (tại công viên Hòa Bình). Kết quả đo giản đồ hướng khi dịch pha +650 giữa các mảng anten thể hiện trên hình 9. a. Góc phương vị: Tần số 8.22 GHz, dịch pha +650, độ rộng búp sóng 0,90 b. Góc phương vị: Tần số 8.92 GHz, dịch pha +650, độ rộng búp sóng 1,30 c. Góc tà: Tần số 8.22 GHz, dịch pha +650, độ rộng búp sóng 7,50, góc lệch búp sóng +200 d. Góc tà: Tần số 8.92 GHz, dịch pha +650, độ rộng búp sóng 100, góc lệch búp sóng +210 Hình 9. Giản đồ hướng khi dịch pha +650 giữa các mảng anten. Các kết quả đo thực tế của anten mạng pha cơ bản đáp ứng yêu cầu bài toán đặt ra (xem bảng 2). Bảng 2. Các kết quả đo được của hệ thống anten mạng pha điều khiển số. TT Tham số kỹ thuật Đơn vị đo Kết quả 1 Số lượng ống sóng (96 khe chấn tử) Ống sóng 16 2 Dải tần làm việc MHz 8220  8920 3 Hệ số sóng đứng của 1 hàng  1,5 4 Hệ số khuếch đại anten dBi  24 5 Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng phương vị (mức -3 dB) độ 0,9  1,3 6 Mức cánh sóng phụ trong mặt phẳng phương vị dB  -20 7 Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng góc tà (mức -3 dB) độ 7,5  10 8 Góc quét điện trong mặt phẳng tà độ  20 9 Bước nhảy của búp sóng chính trong mặt phẳng góc tà độ  5 10 Phân cực Ngang Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 95 5. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ Các kỹ thuật và công nghệ đã được sử dụng trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số, bao gồm: - Kết hợp tính toán mô phỏng trên phần mềm CST; - Thực hiện chế tạo sản phẩm bằng công nghệ gia công cơ khí chính xác CNC; - Kỹ thuật lập trình điều khiển các bộ di pha số và FPGA; - Kỹ thuật siêu cao tần và kỹ thuật hệ thống ra đa; - Kỹ thuật đo đạc, đánh giá các tham số trong Phòng thí nghiệm và ngoài thực địa. 6. KẾT LUẬN Anten ống sóng mạng khe là một trong những loại anten được sử dụng rông rãi trong các thiết bị quân sự. Anten mạng khe linh hoạt để sử dụng và hoạt động trên dải tần rộng. Trong bài báo này chúng tôi kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm CST và kết quả đo đạc trên anten thực tế đã chế tạo để đạt được tối ưu giản đồ hướng phát xạ. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện KHCNQS. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Mailloux, R. J., “Phased Array Antenna Handbook”, Artech House, 2005. [2]. Stevenson, A. F., “Theory of slots in rectangular waveguides,” Journal of Applied Physics, Vol. 19, 24–38, 1988. [3]. Elliott, R. S. and W. R. O’Loughlin, “The design of slot arrays including internal mutual coupling,” IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 34, 1149–1154, September 1986. [4]. Al-Husseini, M., A. El-Hajj, and K. Y. Kabalan, “High-gain S-band slotted waveguide antenna arrays with elliptical slots and low sidelobe levels,” PIERS Proceedings, Stockholm, Sweden, August 12–15, 2013. [5]. CST Studio Suite, 2012. ABSTRACT DESIGNING, FABRICATING X-BAND PHASE ARRAY ANTENNA SYSTEM WITH DIGITAL BEAM CONTROL Phase array antenna systems are widely used in many modern military devices such as: radar, fire control radar, self-propelled missile. In this paper, the basic principle of designing, fabricating phase array antenna on the waveguide and simulation, measurement, evaluation results of the X-band phase array antenna system with digital beam control (based on the technical parameters of phase array antenna for fire control radar) is presented. Keywords: Antenna, Phase array antenna, Waveguide, X-band. Nhận bài ngày 02 tháng 10 năm 2017 Hoàn thiện ngày 25 tháng 01 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2017 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KHCNQS. * Email: duchanh191175@yahoo.com.