Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối quay bằng ống sóng sử dụng cho thiết bị gây nhiễu radar làm việc trong dải sóng 3 cm

Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỚP NỐI QUAY<br /> BẰNG ỐNG SÓNG SỬ DỤNG CHO THIẾT BỊ GÂY NHIỄU RADAR<br /> LÀM VIỆC TRONG DẢI SÓNG 3 CM<br /> Phùng Ngọc Sơn1*, Lê Quang Hiển1, Đoàn Ngọc Hanh1, Nguyễn Thanh Sơn2<br /> Tóm tắt: Khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần là một trong những thiết bị quan<br /> trọng và được sử dụng phổ biến trên các hệ thống thu- phát của các khí tài quân sự<br /> trong lĩnh vực Tác chiến điện tử, radar, Viễn thông quân sự. Trong nội dung bài báo,<br /> nhóm tác giả sẽ trình bày về cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu khớp quay ống sóng sử<br /> dụng cho thiết bị gây nhiễu ra đa làm việc ở băng tần X và kết quả mô phỏng, chế tạo<br /> thực nghiệm khớp quay ống sóng theo yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật cho trước.<br /> Từ khóa: Kỹ thuật siêu cao tần; Ống dẫn sóng; Khớp nối quay bằng ống sóng.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong các khí tài trinh sát - gây nhiễu đối không của lĩnh vực Tác chiến điện tử hay các<br /> đài radar và trạm thu phát viễn thông quân sự, người ta sử dụng khớp chuyển đổi ống sóng<br /> dùng để truyền năng lượng điện từ máy phát (đặt ở phần tĩnh) tới anten quay (đặt ở phần<br /> động). Nhiệm vụ chính của khớp chuyển đổi ống sóng là bảo đảm truyền công suất ổn<br /> định khi quay anten. Ở nước ta, tính đến thời điểm hiện tại chưa có công trình nghiên cứu<br /> nào về khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần sử dụng cho thiết bị gây nhiễu radar làm<br /> việc ở băng tần X (dải sóng 3 cm). Việc nghiên cứu, chế tạo khớp chuyển đổi ống sóng<br /> siêu cao tần càng trở lên cấp thiết cho thiết bị gây nhiễu radar, cũng như từng bước làm<br /> chủ công nghệ thiết kế các phần tử siêu cao tần trong thiết bị khí tài của quân sự ở nước ta.<br /> Các nội dung nghiên cứu của bài báo bao gồm:<br /> Tổng quan về khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ở băng tần X.<br /> Tính toán, thiết kế, mô phỏng các tham số truyền dẫn.<br /> Thực hiện gia công chế tạo khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ở băng tần<br /> X và đo kiểm đánh giá sản phẩm.<br /> 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG<br /> DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN Ở BĂNG TẦN X<br /> 2.1. Cấu tạo cơ bản của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng<br /> Khớp nối quay bằng ống sóng được dùng để ghép nối giữa phần động và phần tĩnh của<br /> tuyến đường truyền sóng siêu cao tần từ thiết bị phát đến anten phát, hoặc là từ anten thu<br /> đến hệ thống thu. Với dải tần công tác trong băng tần X, nhóm tác giả lựa chọn phương án<br /> dùng 2 đầu chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng chữ nhật và trục quay gắn liền<br /> trên cáp đồng trục làm bộ chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần.<br /> Phương pháp chuyển đổi sẽ là dùng que dò từ cáp đồng trục đưa vào ống dẫn sóng qua<br /> thành rộng của ống dẫn sóng chữ nhật, trục quay của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng được<br /> làm trên đường truyền của cáp đồng trục, bảo đảm sự đối xứng của khớp chuyển đổi ống dẫn<br /> sóng trên 2 cổng. Tránh được ma sát tiếp súc khi khớp chuyển đổi ống dẫn sóng làm việc,<br /> bảo đảm được độ bền cơ khí cũng như độ bền điện của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng.<br /> Để đạt được sự chuyển động liên tục mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc của khớp<br /> chuyển đổi ống dẫn sóng, hệ trục quay sẽ có thiết kế với 1 vòng bi đồng tâm đối xứng qua<br /> tâm khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, trục của vòng bi sẽ trùng với trục của cáp đồng trục<br /> truyền sóng bảo đảm cho tín hiệu truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng là như nhau ở<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 201<br />  Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> mọi góc quay của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Kết cấu của khớp nối quay bằng ống<br /> sóng được mô tả theo Hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mặt cắt mô hình khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần<br /> ( Trong đó: 1-chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng, 2-ty dẫn cao tần, 3- teflon,<br /> 4-Vòng bi, 5-chốt hãm ty dẫn cao tần).<br /> 2.2. Nguyên lý truyền dẫn<br /> Thông thường, chúng ta sử dụng đoạn ống sóng tròn có sóng E01 để chế tạo khớp nối<br /> quay vì chúng có trường đối xứng cho phép bảo toàn phân cực của sóng trong mọi vị trí<br /> xoay của ống sóng. Các thành phần chuyển đổi từ ống sóng chữ nhật sang ống sóng tròn<br /> và ngược lại là các ty dò 2 bố trí song song với đường sức trong hai ống sóng chữ nhật gọi<br /> là phần tử ghép. Các phần tử dùng để tạo ra dạng trường mong muốn trong ống dẫn sóng<br /> hay hộp cộng hưởng được gọi là phần tử kích thích. Ngược lại các phần tử dùng để ghép<br /> năng lượng của dạng trường đã cho ra mạch ngoài gọi là phần tử liên kết hay phần tử<br /> ghép. Theo nguyên lý tương hỗ trong lý thuyết trường điện từ thì chúng ta nhận thấy<br /> nguyên tắc công tác của các phần tử kích thích và các phẩn tử ghép là tương tự nhau. Tức<br /> là cùng một phần tử có thể làm chức năng của phần tử kích thích và ngược lại cũng có thể<br /> làm chức năng của phần tử ghép tùy theo nhiệm vụ là cần kích thích trường trong ống dẫn<br /> sóng và trong hộp cộng hưởng hay muốn dẫn năng lượng từ chúng ra ngoài..<br /> Bài toán kích thích trường trong ống dẫn sóng và trong hộp cộng hưởng là bài toán tìm<br /> trường điện từ trong ống dẫn sóng và trong hộp cộng hưởng của nguồn đã cho với phân bố<br /> dòng đã biết trong phần tử kích thích. Đây là bài toán rất phức tạp, muốn tìm nghiệm của<br /> nó người ta dùng phương pháp sau: ta biểu diễn trường cần tìm trong ống dẫn sóng và<br /> trong hộp cộng hưởng dưới dạng tổ hợp của các dạng trường đơn vị trong ống dẫn sóng và<br /> tổ hợp các dao động riêng trong hộp cộng hưởng với các hệ số khai triển cần tìm. Yêu cầu<br /> đặt ra là trường phải tìm tại vị trí đặt phần tử kích thích trùng với trường của nó có phân bố<br /> dòng đã cho. [6]<br /> Ta đi phân tích một dạng chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng chữ nhật.<br /> Ta xét mặt phẳng T được phân cách giữa ống dẫn sóng và cáp đồng trục như hình vẽ,<br /> sơ đồ điện tương đương của bộ chuyển đổi tính từ mặt phẳng T nhìn về phía ống dẫn sóng.<br /> Nó tương đương 1 giá trị dung kháng và giá trị cảm kháng với tải là ống dẫn sóng. Việc<br /> tính toán các tham số về độ dài cũng như khoảng cách của ngắn mạch ống dẫn sóng sẽ<br /> được thay thế bằng cách tính các giá trị của khung cộng hưởng LC tương ứng cho từng tần<br /> số cố định.<br /> <br /> <br /> 202 P. N. Sơn, …, N. T. Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … trong dải sóng 3 cm.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> T<br /> T<br /> d Cáp<br /> Ống<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tải<br /> đồng<br /> b trục<br /> sóng<br /> <br /> T<br /> l<br /> <br /> Hình 2 . Sơ đồ điện tương đương của chuyển đổi cáp đồng trục - ống dẫn sóng chữ nhật.<br /> Theo hình 2 trên thì ứng với mỗi giá trị tần số, điện kháng cáp đồng trục cần phải được<br /> phối hợp với điện kháng của ống dẫn sóng và được biểu diễn thông qua các giá trị tương<br /> đương là L-C. Nhưng biểu thức có thể biểu diễn nó rất phức tạp hay không có một công<br /> thức biểu diễn đơn giản nào của L và C. Nó chỉ có thể chỉ cho ta thấy rằng tại mặt phẳng T<br /> giữa cáp đồng trục vào ống dẫn sóng có trở kháng đầu vào Zi được cho bởi [5]:<br /> Zi  R  jX (1)<br /> Trong đó :<br /> Z 0 g 2 l d<br /> R 2<br /> sin 2 ( ) tan 2 ( ) (2)<br /> 2 ab g <br /> Z 0 g 2 d<br />   4 l  <br /> X tan  2 X p  sin    (3)<br /> 4 2 ab    g  <br /> Với : Z 0  0 0  120<br /> Xp : điện kháng của cáp đồng trục được chuẩn hóa với trở kháng của ống dẫn sóng.<br /> Ta nhận thấy Xp là một hàm của d và l, có rất nhiều phương trình để biểu diễn Xp, mỗi<br /> 1<br /> phương trình áp dụng trong các điều kiện cụ thể. Với d  0 bước sóng thì tính chất của<br /> 4<br /> 1<br /> đầu dò là dung, với d  0 bước sóng thì tính chất dò là cảm, 0 là bước sóng của tín<br /> 4<br /> hiệu trong không gian<br /> Khi giá trị b>d rất nhiều thì ta có công thức giá trị Xp như sau [5]: với sự điều chỉnh<br /> phù hợp của d và l thì điện kháng đầu vào có thể tương đương với trở kháng của cáp đồng<br /> trục. Với một bài toán phối hợp như vậy chúng ta có X=0<br />  4 l <br />  2 X p   sin <br />   <br />  g <br /> (4)<br /> 1<br />  X p <br /> 2<br /> Giá trị được cộng hưởng tốt nhất tại Xp=0 khi đó có:<br /> 4 l<br /> sin( )0<br /> g (5)<br /> <br /> g (6)<br />  l <br /> 4<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 203<br />  Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> Như vậy để đạt được sự cộng hưởng tốt nhất của bộ chuyển đổi thì khoảng cách giữa<br /> <br /> đầu dò tới đầu ngắn mạch ống sóng được xác định tốt nhất bằng bước sóng của tín hiệu<br /> 4<br /> <br /> truyền. Trên thực tế để có được cộng hưởng tốt nhất thì độ dài của l là với  là bước<br /> 4<br /> sóng cộng hưởng.<br /> 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CÁC THAM SỐ TRUYỀN DẪN CỦA<br /> CỦA KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN<br /> 3.1. Yêu cầu đầu vào thiết kế<br /> - Dải tần làm việc: 8 GHz đến 12 GHz;<br /> - Hệ số sóng đứng: ≤ 2,2;<br /> - Tổn hao truyền qua: ≤ 1,5 dB;<br /> - Tốc độ quay cực đại: 60 vòng/ phút;<br /> - Vật liệu: Nhôm hoặc đồng<br /> - Kích thước ống sóng: 23x10 mm<br /> 3.2. Nguyên lý thiết kế<br /> Trong quá trình tính toán, đường kính ống sóng hình trụ phải được chọn lựa phù hợp và<br /> đáp ứng tốt 2 điều kiện:<br /> Khả năng ghép nối về kết cấu giữa đoạn ống sóng hình trụ-E01 với đoạn ống sóng hình<br /> chữ nhật-H10.<br /> Đảm bảo khả năng triệt tiêu các thành phần dao động cao tần gần nhất so với tần số làm<br /> việc, chẳng hạn như dạng H21 có bước sóng giới hạn là: λG.h = 2,057 (7)<br /> - Độ dài bước sóng trong ống sóng tròn đối với sóng H11 và E01 được tính toán theo<br /> công thức:<br /> <br /> = <br /> (8)<br /> 1 − ( )<br /> <br /> <br /> 3.3. Tính toán thiết kế<br /> * Xác định đường kính ống sóng hình trụ d1<br /> - Theo công thức:<br /> <br /> ≤ (9)<br /> 2 2,057<br /> - Trong trường hợp chúng ta chọn bước sóng làm việc λ = 3cm và tiết diện chuẩn của<br /> ống sóng hình chữ nhật a x b = 2,3 x 1,0 cm<br /> - Xác định giá trị d1 :<br /> 3,0 × 2<br /> ≤ ≈ 2,9 <br /> 2,057<br /> Chọn d1=1,27 tương ứng với lõi đồng của cáp 50 Ω<br /> * Xác định kích thước từ ty dò đến tấm ngắn mạch (l):<br /> - Trong ống dẫn sóng chữ nhật đối với sóng H10 ( ) = 2<br /> <br /> <br /> <br /> 204 P. N. Sơn, …, N. T. Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … trong dải sóng 3 cm.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> 3<br /> = = = 3,9 <br /> 1 − ( ) 3<br /> 1−( )<br /> 2 × 2,3<br /> - Từ biểu thức (2.6) ta có:<br /> 3,9<br /> = = = 0,975 <br /> 4 4<br /> * Xác định độ dài ty dò (d) theo công thức:<br /> 1,0<br /> = = = 0,5 <br /> 2 2<br /> 3.4. Mô phỏng thiết kế<br /> - Nhóm tác giả đã tiến hành xây dựng bản vẽ 3D của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng<br /> cao tần như tính toán trên lý thuyết phần mềm Solidwork với kích thước vật lý 1:1<br /> - Nhập dữ liệu từ bản vẽ trên phần mềm thiết kế 3D Solidwork vào phần mềm mô<br /> phỏng điện từ trường CST2018<br /> - Cài đặt các tham số mô phỏng trong dải tần : 8 GHz đến 12 GHz<br /> - Phần mềm xuất ra tham số:<br /> - Hệ số sóng đứng<br /> - Hệ số truyền<br /> - Kết quả mô phỏng<br /> Với các kích thước đã có, ta xây dựng mô hình 3D của đầu chuyển đổi cho dải tần băng X.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô hình 3D khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần trên phần mềm CST.<br /> Sau các bước thực hiện mô phỏng và hiệu chỉnh tham số, ta có kết quả như sau.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Kết quả mô phỏng đo hệ số sóng đứng của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, dùng<br /> phần mềm CST2018, trục tung biểu diễn hệ số sóng đứng, trục hoành biểu diễn dải tần số<br /> hoạt động, đơn vị GHz.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 205<br />  Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Kết quả mô phỏng đo hệ số truyền S21 của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, dùng<br /> phần mềm CST2018, trục tung biểu diễn hệ số sóng đứng, trục hoành biểu diễn dải tần số<br /> hoạt động, đơn vị GHz.<br /> Kết quả trên cho thấy, hệ số sóng đừng và hệ số truyền đáp ứng được với yêu cầu đưa<br /> ra với hệ số sóng đứng ≤ 1,5; tổn hao truyền ≤ 0,3 dB trong toàn dải 8÷12 GHz.<br /> 4. THỰC HIỆN GIA CÔNG CHẾ TẠO KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG<br /> SIÊU CAO TẦN Ở BĂNG TẦN X VÀ ĐO KIỂM<br /> ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM.<br /> Sau quá trình gia công các chi tiết của bộ khớp<br /> chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần, nhóm tác giả thực<br /> hiện lắp ráp và hiệu chỉnh các tham số của khớp<br /> chuyển đổi ống dẫn sóng.<br /> Thực hiện đo tham số và hiệu chỉnh khớp chuyển<br /> đổi ống dẫn sóng. Sau khi tiến hành kiểm tra và hiệu<br /> chỉnh, tiến hành gia công cơ khí các đầu ngắn mạch<br /> với kích thước xác định thực tế trong quá trình đo đạc<br /> tham số và hiệu chỉnh khớp chuyển đổi ống dẫn sóng.<br /> Tiến hành đo kiểm đánh giá các tham số trên máy phân Hình 6. Hình ảnh chế tạo của<br /> tích mạng véc tơ N5234A có kết quả như sau: khớp chuyển đổi ống dẫn<br /> Kết quả đo hệ số sóng đứng và tổn hao truyền qua: sóng dải tần 8÷12 GHz.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Kết quả đo hệ số sóng đứng và tổn hao truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng.<br /> <br /> <br /> 206 P. N. Sơn, …, N. T. Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối … trong dải sóng 3 cm.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> Kết quả đo đạc kiểm tra được đo thực tế của sản phẩm với tổn hao truyền hình 8 nhỏ hơn<br /> 1,5dB trên dải tần 8÷12GHz, hệ số sóng đứng được biểu diễn trên hình 8 nhỏ hơn 2,2 trên<br /> dải tần 8÷12GHz. Tham số đo đạc trên thực tế của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng trên<br /> hình 7 có kết quả tương ứng với kết quả khi mô phỏng trên phần mềm CST. Kết quả thực tế<br /> đo được đáp ứng được bộ tham số đề ra của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế chế tạo bộ khớp chuyển đổi ống<br /> dẫn sóng cao tần băng X. Thông qua nội dung khảo sát mạch điện tương đương đối với<br /> hiện tượng truyền sóng trong khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần từ ống dẫn sóng- cáp<br /> đồng trục. Bài báo đã tính toán giá trị chiều dài của que dò trong trường hợp phối hợp trở<br /> kháng của đường truyền. Áp dụng kết quả trên cho quá trình mô phỏng và hiệu chỉnh thiết<br /> kế bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng sử dụng phần mềm mô phỏng siêu cao tần CST, bài<br /> báo đã đưa ra một mẫu thiết kế của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần hoạt động ở<br /> băng tần X. Tính đúng đắn của nghiên cứu đã được chứng mình khi kết qủa đo thực tế của<br /> sản phẩm chế tạo đáp ứng được bộ chỉ tiêu tham số đề ra, cụ thể tổn hao truyền nhỏ hơn<br /> 1,5 dB, hệ số sóng đứng đạt nhỏ hơn 2,2, bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần đảm<br /> bảo sử dụng phù hợp với thiết bị gây nhiễu radar làm việc ở dải sóng 3cm. Kết quả nghiên<br /> cứu và thực nghiệm này là cơ sở để mở rộng nghiên cứu các phương pháp phối hợp và<br /> điều chỉnh phối hợp đối với các phần tử cao tần.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Waveguide Handbook, N. Marcuvitz, NY, Dover Publications Inc, 1951.<br /> [2]. Microwave and RF Engineering, Roberto Sorrentino, Giovanni Bianchi, 2010.<br /> [3]. Microwave Enginnering, Fourth edition, David M. Pozar, 2012.<br /> [4]. Field Theory of Guided Waves, Collin R.E. (MGH, 1960).<br /> [5]. Waveguide-Coaxial Line Transitions, Peter Delmotte, Belgian Microwave<br /> Roundtable, 2001.<br /> [6]. Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Kiều Khắc Lâu, Nhà xuất bản giáo dục, 2006.<br /> ABSTRACT<br /> RESEARCH, DESIGN MANUFACTURING FIXED ROTATION BY WAVE GUIDE<br /> USE FOR RADAR NOISE GENERATOR WORK IN 3 CM WAY<br /> Waveguide rotary joint is one of the most important equipment and used<br /> popularly in trans-receiver systems in the field of Electronic Warfare, Radar,<br /> Military Telecommunication. In this articles, the authors will present the computing<br /> base of designing the waveguide rotary joint structure used for radar jamming<br /> equipment operating in X band and simulating result, experimental of manufacture<br /> waveguide rotary joint base on required technical specifications.<br /> Keywords: Rotary joint; Transformation coaxial waveguides.<br /> <br /> Nhận bài ngày 09 tháng 8 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 14 tháng 9 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018<br /> <br /> Địa chỉ: 1Trung tâm 80, Cục TCĐT, BTTM;<br /> 2<br /> Viện Ra đa, Viện KH-CN quân sự.<br /> *<br /> Email: phungson06010@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 207<br />