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

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN MẠNG PHA BĂNG X<br /> ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG SỐ<br /> Nguyễn Văn Hạnh*, Võ Văn Phúc, Trần Thị Trâm, Đinh Văn Trường, Cao Văn Vũ<br /> Tóm tắt: Anten mạng pha được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị quân sự<br /> hiện đại như: ra đa cảnh giới, ra đa điều khiển hỏa lực, đầu tự dẫn tên lửa. Trong<br /> bài báo này, chúng tôi trình bày cơ sở nguyên lý thiết kế, chế tạo anten mạng pha<br /> khe trên ống sóng và kết quả mô phỏng; đo đạc, đánh giá chất lượng anten mạng<br /> pha băng X điều khiển búp sóng số (trên cơ sở các tham số kỹ thuật của anten mạng<br /> pha đài ra đa hỏa lực).<br /> Từ khóa: Anten, Anten mạng pha, Ống dẫn sóng, băng X.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Anten mạng pha cho phép thực hiện hàng loạt các chức năng như: theo dõi nhiều mục<br /> tiêu một cách đồng thời; thay đổi vị trí cực đại chính anten trong không gian với tốc độ cực<br /> nhanh; cũng như mở rộng hay làm hẹp nó; hướng cực đại về tín hiệu hữu ích và hình thành<br /> giản đồ hướng không (nhỏ nhất) về phía nhiễu. Bằng cách thay đổi pha của dòng kích thích<br /> trong mỗi phần tử anten của mạng có thể quét cánh sóng phát xạ của anten trong không<br /> gian. Anten mạng pha với sự điều khiển pha điện tử làm giảm quán tính quét búp sóng so<br /> với cơ điện. Dùng anten mạng pha không những đạt được tốc độ quét cao mà còn có khả<br /> năng điều khiển cả dạng giản đồ hướng; tăng công suất phát xạ, nâng cao khả năng chống<br /> nhiễu [1]. Chức năng cơ bản của hệ anten mạng pha là tạo ra giản đồ hướng có búp sóng<br /> hẹp và điều khiển quét điện búp sóng đó. Các nước tiên tiến về công nghệ quân sự đã chế<br /> tạo ra nhiều loại anten mạng pha (AMP). Tuy nhiên, ở nước ta thiết kế chế tạo AMP là<br /> công việc còn mới mẻ. Bài báo này tập trung vào những vấn đề công nghệ chế tạo AMP<br /> trong điều kiện Việt Nam.<br /> Với đặc tính bức xạ anten, nếu anten được đặt trong mặt phẳng X-Y thì hướng cực đại<br /> của nó sẽ nằm theo trục Z vuông góc với mặt phẳng X-Y (xem hình 1).<br /> Bài toán được đặt ra là tính toán, thiết kế mạng anten như thế nào để hướng này cực đại<br /> và búp bên nhỏ ở mức cho phép. Do hướng cực đại vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử<br /> ta sẽ chọn mạng hai chiều đặt trên mặt phẳng X-Y và các phần tử đồng pha và biên độ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Hệ thống anten mạng 2 chiều.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 89<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Giả sử búp sóng chính của mạng có hướng là θ0 và Ф0 như hình 1. Để định nghĩa độ<br /> rộng búp sóng, ta cần chọn trước 2 mặt phẳng. Đầu tiên là mặt phẳng góc tà định nghĩa bởi<br /> góc Ф = Ф0 và mặt phẳng thứ hai là mặt phẳng trực giao với nó. Độ rộng búp sóng nửa<br /> công suất ứng với mỗi mặt phẳng lần lượt là θ x và Фy. Ví dụ nếu búp sóng cực đại của<br /> mạng có hướng là θ0 =  /2 và Ф0 =  /2 thì θx là độ rộng búp sóng trong mặt phẳng Y-Z,<br /> còn Фy là độ rộng búp sóng trong mặt phẳng X-Y.<br /> Với mạng hai chiều có (M x N) phần tử thì độ rộng búp sóng trong các mặt phẳng được<br /> tính theo các công thức sau [1]:<br />  1,391 <br />  x  2   cos 1 ( ) (1)<br /> 2  Md <br /> <br />  1,391 <br />  y  2  cos 1 ( ) (2)<br /> 2 Nd <br /> <br /> 2. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ<br /> Các anten mạng pha hiện đang được sử dụng tại nước ta chủ yếu là trong các đài ra đa<br /> thế hệ mới, được nhập ngoại và chuyển giao công nghệ dưới dạng mô đun hoặc thiết bị;<br /> tuy nhiên vì mục đích bí mật quân sự nên các tài liệu thiết kế kỹ thuật và công nghệ không<br /> được công bố rộng rãi. Vì vậy để tiếp cận được với công nghệ mới mà vẫn đảm bảo được<br /> đầy đủ các tính năng như một hệ thống anten thông thường thì cần phải đầu tư nghiên cứu<br /> thiết kế, chế tạo một hệ thống anten mạng pha trong thực tế.<br /> Bài toán thiết kế anten mạng pha dựa trên cơ sở các tham số kỹ thuật của đài ra đa hỏa<br /> lực như sau: Thiết kế hệ thống anten mạng pha điều khiển số với các tham số kỹ thuật theo<br /> bảng 1.<br /> Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống anten mạng pha điều khiển số.<br /> Đơn Cần Anten ra đa<br /> TT Tham số kỹ thuật<br /> vị đo đạt hỏa lực<br /> Ống<br /> 1 Số lượng ống sóng (84  96 khe chấn tử) 16 64<br /> sóng<br /> 8220 <br /> 2 Dải tần làm việc MHz 8220  8880<br /> 8920<br /> 3 Hệ số sóng đứng của 1 hàng  1,5  1,5<br /> 4 Hệ số khuếch đại anten dBi  24<br /> Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng phương vị 1,2 <br /> 5 độ 1,2  0,2<br /> (mức -3 dB) 0,2<br /> 6 Mức cánh sóng phụ trong mặt phẳng phương vị dB  -20  -20<br /> Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng góc tà (mức -3 1,9  3,1<br /> 7 độ 10  2<br /> dB) (tùy chế độ)<br /> 8 Góc quét điện trong mặt phẳng tà độ  20<br /> Bước nhảy của búp sóng chính trong mặt phẳng<br /> 9 độ 5<br /> góc tà<br /> 10 Phân cực Ngang Ngang<br /> Sơ đồ khối tổng quát của anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số thể hiện ở<br /> hình 2.<br /> <br /> <br /> 90 N. V. Hạnh, …, C. V. Vũ, “Thiết kế, chế tạo anten mạng pha … điều khiển búp sóng số.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối tổng quát của anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số.<br /> 3. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ<br /> Các bước tính toán, thiết kế hệ thống anten mạng pha theo yêu cầu đề ra như trên gồm<br /> các bước sau [2, 3, 4]:<br /> Bước 1: Chọn tần số trung tâm f0: f0 = 8,57 GHz;<br /> Bước 2: Chọn kích thước ống sóng: (28,5 x 12,6) mm;<br /> Bước 3: Tính bước sóng trong không gian tự do 0: 0 = c/f0  35 mm;<br /> Bước 4: Tính bước sóng cắt cut: cut = 2a = 2 x 28,5 = 57 mm;<br /> 0<br /> Bước 5: Tính bước sóng trong ống dẫn sóng g:  g   47,7 mm<br /> 0 2<br /> 1 ( )<br /> cut<br /> Bước 6: Tính kích thước độ rộng khe cắt:<br /> 0,0625 0,0625<br /> Slot width  a  28,5 x  1,98 mm<br /> 0,9 0,9<br /> Bước 7: Tính kích thước độ dài khe cắt: Slot length  0,48680  0,4868 x35  17 mm<br /> g 47,7<br /> Bước 8: Tính khoảng cách giữa các khe: Slot space    23,85 mm<br /> 2 2<br /> Bước 9: Tính điểm cấp nguồn: Để đảm bảo sóng là đồng pha từ điểm cấp nguồn thì<br /> khoảng cách điểm cấp nguồn đến tâm khe đầu tiên là ng/2. Với bài toán thiết kế ở đây ta<br /> chọn là g/2;<br /> Bước 10: Tính khoảng cách từ tâm khe cuối cùng đến tải. Để đảm bảo cường độ cực đại<br /> 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;<br /> Bước 11: Sau khi tính toán được các tham số cần thiết và dựa vào yêu cầu về cánh sóng<br /> phụ và độ rộng cánh sóng chính để chọn phân bố biên độ và pha cho mảng 96 khe. Trong<br /> bài toán thiết kế này ta chọn phân bố biên độ là phân bố Taylor, phân bố pha là đều.<br /> 4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO ĐẠC<br /> 4.1. Các kết quả mô phỏng và đo đạc 1 mảng anten<br /> Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm CST (Computer Simulation Technology) [5] và<br /> đo đạc 1 mảng anten trên ống sóng gồm 96 phần tử đã chế tạo như hình 3, 4 và 5.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 91<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Kết quả mô phỏng b. Kết quả đo<br /> Hình 3. Hệ số sóng đứng VSWR.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tần số = 8.2<br /> Độ rộng búp sóng = 1.1º<br /> Mức cánh sóng phụ = 20.23 dB<br /> a. Kết quả mô phỏng b. Kết quả đo<br /> Hình 4. Giản đồ hướng trong tọa độ cực tại tần số 8.2 GHz.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tần số = 8.9<br /> Độ rộng búp sóng = 1.0º<br /> Mức cánh sóng phụ = 21.05 dB<br /> <br /> a. Kết quả mô phỏng b. Kết quả đo<br /> Hình 5. Giản đồ hướng trong tọa độ cực tại tần số 8.9 GHz.<br /> Các kết quả tính toán, mô phỏng và chế tạo 1 mảng anten 96 khe chấn tử bằng phần mềm<br /> CST đạt được như sau: Dải tần làm việc: (8220  8920) MHz; Hệ số sóng đứng:  1,2; Độ<br /> rộng cánh sóng (trong mặt phẳng phương vị): 0,91,1; Mức cánh sóng phụ: - 20 dB.<br /> 4.2. Các kết quả mô phỏng khi tích hợp 16 mảng anten<br /> 4.2.1. Pha của các mảng anten bằng nhau<br /> Từ kết quả tính toán, thiết kế 1 mảng anten 96 khe chấn tử; ta thực hiện mô phỏng<br /> giản đồ hướng phát xạ của 16 mảng anten 96 khe chấn tử với khoảng cách giữa 2 mảng<br /> anten là 0/2 = 17,5 mm; độ dịch pha giữa các mảng anten là 0. Kết quả mô phỏng thể<br /> hiện trên hình 6.<br /> <br /> <br /> <br /> 92 N. V. Hạnh, …, C. V. Vũ, “Thiết kế, chế tạo anten mạng pha … điều khiển búp sóng số.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Tần số 8.22 GHz trong mặt phẳng b. Tần số 8.22 GHz trong mặt phẳng<br /> phương vị góc tà<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c. Tần số 8.92 GHz trong mặt phẳng d. Tần số 8.92 GHz trong mặt phẳng<br /> phương vị góc tà<br /> Hình 6. Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị và góc tà.<br /> 4.2.2. Dịch pha giữa các mảng anten<br /> Tiếp theo, ta thực hiện mô phỏng giản đồ hướng phát xạ của 16 mảng anten 96 khe<br /> chấn tử với khoảng cách giữa 2 mảng anten là 0/2 = 17,5 mm khi các mảng anten được<br /> dịch pha. Kết quả mô phỏng khi dịch pha +650 giữa các mảng anten thể hiện trên hình 7.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Tần số 8.22 GHz, dịch pha +650, góc lệch b. Tần số 8.92 GHz, dịch pha +650, góc<br /> 0<br /> búp sóng +22 lệch búp sóng +20,20<br /> Hình 7. Độ lệch búp sóng trong mặt phẳng góc tà khi dịch pha +650<br /> giữa các mảng anten.<br /> Các kết quả tính toán, mô phỏng 16 mảng anten 96 khe chấn tử bằng phần mềm CST<br /> đạt được như sau: Dải tần làm việc: (8220  8920) MHz; Độ rộng cánh sóng trong mặt<br /> phẳng phương vị: 0,91,0; Độ rộng cánh sóng trong mặt phẳng tà: 6,17,1; Hệ số<br /> khuếch đại: > 24,7 dBi; Khi độ dịch pha giữa các mảng anten là 65 thì độ lệch búp sóng<br /> trong mặt phẳng góc tà đạt được từ 20 đến 22.<br /> 4.3. Kết quả thiết kế chế tạo anten mạng pha<br /> Các ảnh chụp anten mạng pha băng X điều khiển búp sóng số đã chế tạo thể hiện ở<br /> hình 8.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 93<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Mặt trước anten mạng pha b. Mặt sau anten mạng pha<br /> Hình 8. Hình ảnh anten mạng pha gồm 16 mảng anten khe trên ống sóng.<br /> Thực hiện đo đạc, đánh giá các tham số kỹ thuật của anten mạng pha trong Phòng thí<br /> nghiệm và ngoài thực địa (tại công viên Hòa Bình). Kết quả đo giản đồ hướng khi dịch<br /> pha +650 giữa các mảng anten thể hiện trên hình 9.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Góc phương vị: Tần số 8.22 GHz, dịch b. Góc phương vị: Tần số 8.92 GHz, dịch<br /> pha +650, độ rộng búp sóng 0,90 pha +650, độ rộng búp sóng 1,30<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c. Góc tà: Tần số 8.22 GHz, dịch pha +650, d. Góc tà: Tần số 8.92 GHz, dịch pha +650,<br /> độ rộng búp sóng 7,50, độ rộng búp sóng 100,<br /> góc lệch búp sóng +20 0 góc lệch búp sóng +210<br /> Hình 9. Giản đồ hướng khi dịch pha +650 giữa các mảng anten.<br /> Các kết quả đo thực tế của anten mạng pha cơ bản đáp ứng yêu cầu bài toán đặt ra (xem<br /> bảng 2).<br /> Bảng 2. Các kết quả đo được của hệ thống anten mạng pha điều khiển số.<br /> TT Tham số kỹ thuật Đơn vị đo Kết quả<br /> 1 Số lượng ống sóng (96 khe chấn tử) Ống sóng 16<br /> 2 Dải tần làm việc MHz 8220  8920<br /> 3 Hệ số sóng đứng của 1 hàng  1,5<br /> 4 Hệ số khuếch đại anten dBi  24<br /> 5 Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng phương vị (mức -3 dB) độ 0,9  1,3<br /> 6 Mức cánh sóng phụ trong mặt phẳng phương vị dB  -20<br /> 7 Độ rộng búp sóng trong mặt phẳng góc tà (mức -3 dB) độ 7,5  10<br /> 8 Góc quét điện trong mặt phẳng tà độ  20<br /> 9 Bước nhảy của búp sóng chính trong mặt phẳng góc tà độ 5<br /> 10 Phân cực Ngang<br /> <br /> <br /> <br /> 94 N. V. Hạnh, …, C. V. Vũ, “Thiết kế, chế tạo anten mạng pha … điều khiển búp sóng số.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 5. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ<br /> Các kỹ thuật và công nghệ đã được sử dụng trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo anten<br /> mạng pha băng X điều khiển búp sóng số, bao gồm:<br /> - Kết hợp tính toán mô phỏng trên phần mềm CST;<br /> - Thực hiện chế tạo sản phẩm bằng công nghệ gia công cơ khí chính xác CNC;<br /> - Kỹ thuật lập trình điều khiển các bộ di pha số và FPGA;<br /> - Kỹ thuật siêu cao tần và kỹ thuật hệ thống ra đa;<br /> - Kỹ thuật đo đạc, đánh giá các tham số trong Phòng thí nghiệm và ngoài thực địa.<br /> 6. KẾT LUẬN<br /> Anten ống sóng mạng khe là một trong những loại anten được sử dụng rông rãi trong<br /> các thiết bị quân sự. Anten mạng khe linh hoạt để sử dụng và hoạt động trên dải tần rộng.<br /> Trong bài báo này chúng tôi kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm CST và kết<br /> quả đo đạc trên anten thực tế đã chế tạo để đạt được tối ưu giản đồ hướng phát xạ.<br /> Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện<br /> KHCNQS.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Mailloux, R. J., “Phased Array Antenna Handbook”, Artech House, 2005.<br /> [2]. Stevenson, A. F., “Theory of slots in rectangular waveguides,” Journal of Applied<br /> Physics, Vol. 19, 24–38, 1988.<br /> [3]. Elliott, R. S. and W. R. O’Loughlin, “The design of slot arrays including internal<br /> mutual coupling,” IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 34, 1149–1154, September<br /> 1986.<br /> [4]. Al-Husseini, M., A. El-Hajj, and K. Y. Kabalan, “High-gain S-band slotted waveguide<br /> antenna arrays with elliptical slots and low sidelobe levels,” PIERS Proceedings,<br /> Stockholm, Sweden, August 12–15, 2013.<br /> [5]. CST Studio Suite, 2012.<br /> ABSTRACT<br /> DESIGNING, FABRICATING X-BAND PHASE ARRAY ANTENNA SYSTEM<br /> WITH DIGITAL BEAM CONTROL<br /> Phase array antenna systems are widely used in many modern military devices<br /> such as: radar, fire control radar, self-propelled missile. In this paper, the basic<br /> principle of designing, fabricating phase array antenna on the waveguide and<br /> simulation, measurement, evaluation results of the X-band phase array antenna<br /> system with digital beam control (based on the technical parameters of phase array<br /> antenna for fire control radar) is presented.<br /> Keywords: Antenna, Phase array antenna, Waveguide, X-band.<br /> <br /> Nhận bài ngày 02 tháng 10 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 25 tháng 01 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2017<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KHCNQS.<br /> *<br /> Email: duchanh191175@yahoo.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 95<br />