Khảo sát công suất phát xạ của chấn tử khe trên anten mạng khe

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 181 KHẢO SÁT CÔNG SUẤT PHÁT XẠ CỦA CHẤN TỬ KHE TRÊN ANTEN MẠNG KHE Trần Mạnh Quý*, Võ Xung Hà, Phương Văn Quang, Bùi Thanh Hồng, Nguyễn Tuấn Khang Tóm tắt: Anten mạng khe có nhiều ưu điểm như: nhỏ gọn, dễ chế tạo, kết cấu vững chắc. Chính vì vậy anten mạng khe 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 công suất phát xạ của chấn tử khe và được minh họa hình ảnh mô phỏng trên phần mềm CST 2011. Việc phân tích công suất phát xạ chấn tử khe sẽ là tiền đề tiếp theo cho việc nghiên cứu chế tạo anten mạng khe. Từ khóa: Anten, Anten mạng khe, Ống dẫn sóng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Anten mạng khe được phát minh vào năm 1938 bởi Alan Blumlein trong khi nghiên cứu về hiện tượng phát xạ của các khe hẹp khoét trên bề mặt kim loại của các dạng ống dẫn sóng dùng cho phát sóng truyền hình VHF (very high frequency) [1]. Từ đó đến nay anten mạng khe đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự như ra đa, tên lửa, hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc... Tuy nhiên, do đặc thù quân sự nên các nghiên cứu này không được công bố và trở thành bí mật quân sự của các quốc gia sản xuất và sở hữu chúng. Trong những năm 1950-1960 phương pháp quét tần số đã được ứng dụng trên anten mạng khe đem lại khả năng điều khiển giản đồ hướng phát xạ trong mặt phẳng góc tà và mặt phẳng góc phương vị mà không cần sử dụng cơ cấu quay truyền thống. Xu hướng phát triển đầy tiềm năng của anten mạng khe trong tương lai đó là ứng dụng nền tảng công nghệ mạch in vào việc sản xuất nhằm mục đích giảm nhỏ đáng kể kích thước và trọng lượng của anten mạng khe [2]. Ở nước ta, tính đến thời điểm hiện tại chưa có công trình nghiên cứu nào về anten mạng khe ứng dụng trong lĩnh vực quân sự như ra đa, tên lửa. Do đó, việc tìm hiểu đặc tính công suất phát xạ của chấn tử khe sẽ cung cấp cho chúng ta một cái nhìn cơ bản nhất về hệ thống này. 2. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẠNG KHE Chấn tử khe là một khe hẹp khoét trên mặt kim loại (hình 1). Hình 1. Mô hình chấn tử khe trên ống dẫn sóng. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T.M. Quý, V.X. Hà, , “Khảo sát công suất phát xạ trên anten mạng khe.” 182 Nếu trên mặt kim loại có thành phần dòng điện mặt cắt ngang khe thì mặt ngoài của thành kim loại sẽ xuất hiện dòng điện. Giữa 2 biên của khe có một điện áp biến thiên, khi đó năng lượng điện từ sẽ từ phi đe hoặc hốc cộng hưởng phát xạ ra ngoài. Về mặt điện có thể coi mỗi khe hẹp khoét trên bề mặt kim loại tương đương với một chấn tử lưỡng cực [3] như trên hình 2. Hình 2. Khe trên ống dẫn sóng tương đương chấn tử lưỡng cực. Anten mạng khe trên ống dẫn sóng thông thường được chế tạo từ một ống dẫn sóng chữ nhật hoặc tròn, trên thành ống được khoét một hoặc nhiều khe có độ dài bằng nửa bước sóng (khe nửa sóng). Khi dùng ống dẫn sóng chữ nhật thì dạng sóng kích thích là sóng 10H còn khi dùng ống dẫn sóng tròn dạng sóng kích thích là sóng 11H [4]. Khi có sóng điện từ truyền lan trong ống, ở mặt trong của thành ống sẽ có dòng điện mặt. Véctơ mật độ của nó được xác định bởi biểu thức: e Js =[ n x H ] (1) n - Véctơ pháp tuyến với mặt trong của thành ống; H - Véctơ cường độ từ trường trên bề mặt thành ống. Khi truyền sóng 10H trong ống dẫn sóng chữ nhật, véctơ từ trường có hai thành phần: XH = 0H cos( x a  ) ie  (2) Z H = -iA 0H sin(- x a  ) ie  (3) H0 - Biên độ cực đại của cường độ từ trường tại tâm ống dẫn sóng (x = 0). A - Hằng số.  = 2  - Hệ số pha của sóng trong ống dẫn sóng. a - Độ rộng của thành rộng ống dẫn sóng. Khi đó mặt trong thành ống sẽ có ba thành phần dòng điện mặt: hai thành phần ngang Jx, Jy gây ra bởi từ trường dọc Hz và một thành phần dòng điện dọc Jz gây ra Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 183 bởi từ trường ngang Hx. Phân bố của thành phần dòng điện ngang Jx, Jy và dòng điện dọc Jz trên thành rộng và thành hẹp của ống sóng. Nếu khe nằm trên thành ống dẫn sóng và cắt ngang đường sức mật độ dòng điện thì dòng điện dẫn trên thành ống sẽ bị gián đoạn tại khe hở và chuyển thành dòng điện dịch chảy vuông góc với hai mép khe. Trên hình 3 mô tả phân bố của dòng điện mặt hình thành trên thành rộng của ống dẫn sóng, với các khe hẹp khoét dọc theo ống dẫn sóng nằm trên thành rộng của ống dẫn sóng sẽ xuất hiện dòng điện dịch giữa hai mép khe. Hình 3. Phân bố dòng điện mặt trên thành rộng ống dẫn sóng. Khi đó trong khe sẽ hình thành điện trường tương ứng với dòng điện dịch và giữa hai mép khe sẽ phát sinh điện áp. Nếu đặt khe vuông góc với đường sức mật độ dòng điện mặt thì thành phần dòng điện dịch chảy ngang mép khe là cực đại, khe được kích thích mạnh nhất. Nếu đặt khe dọc theo đường sức mật độ dòng điện mặt thì sẽ không phát sinh dòng điện dịch chảy ngang mép khe, nghĩa là khe không được kích thích và nó sẽ không bức xạ năng lượng. Anten mạng khe được hình thành nhờ việc tổ hợp nhiều chấn tử khe theo những quy luật phân bố về mặt hình học nhất định nhằm đạt được những yêu cầu về mặt kỹ thuật như: giản đồ hướng, công suất phát xạ, tính phân cực. Với các thiết bị yêu cầu giản đồ cánh sóng tương đối đơn giản như hình rẻ quạt, hình bán nguyệt. Người ta có thể tạo thành những giản đồ hướng đơn giản đó bằng cách tổ hợp nhiều chấn tử khe trên một ống dẫn sóng (hình 4). Khi đó ống dẫn sóng có chứa các tổ hợp khe có thể coi như một hệ anten mạng khe đơn giản. Hình 4. Mô hình một loại anten mạng khe đơn giản. Với các thiết bị yêu cầu giản đồ hướng phức tạp phục vụ trong các mục đích quân sự như dạng hình cosec, hình cosec hỗn hợp, hình kim. Người ta phải tiến Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T.M. Quý, V.X. Hà, , “Khảo sát công suất phát xạ trên anten mạng khe.” 184 hành tổ hợp nhiều hệ thống ống dẫn sóng có chứa các chấn tử khe lại với nhau tạo thành hệ thống anten mạng khe phức hợp. Khi đó mỗi ống dẫn sóng có chứa các chấn tử khe có thể coi như một mảng chấn tử trong hệ thống anten mạng khe phức hợp. Mô hình anten mạng khe dạng phức hợp trên đầu tự dẫn Y502E [5] được thể hiện qua hình 5 . Hình 5. Mô hình anten mạng khe dạng phức hợp trên đầu tự dẫn Y502E. Chính vì vậy, tùy vào mục đích sử dụng và tính năng kĩ thuật đặt ra mà anten mạng khe lại có kết cấu và hình dạng rất khác nhau. 3. PHÂN TÍCH CÔNG SUẤT PHÁT XẠ CỦA CHẤN TỬ KHE Anten mạng khe là một hệ thống anten có nhiều ưu điểm. Trong đó nổi bật nhất là hai đặc tính: - Thứ nhất: Có khả năng chia công suất trực tiếp trên từng chấn tử khe mà không cần bộ chia công suất giúp cho kết cấu hệ thống anten mạng khe so với các loại anten khác đơn giản, nhỏ gọn hơn rất nhiều. - Thứ hai: Có khả năng quét cánh sóng trong mặt phẳng góc phương vị và mặt phẳng góc tà bằng cách thay đổi tần số phát mà không cần thay đổi hướng anten, nhờ đó anten mạng khe có thể quét điện và loại bỏ được hoàn toàn cơ cấu quay cơ khí theo cách truyền thống. Việc tìm hiểu nguyên lý phát xạ của chấn tử khe là nền tảng quan trọng để nghiên cứu phát triển anten mạng khe. * Mối quan hệ giữa vị trí hình học và công suất phát xạ của chấn tử khe trên ống dẫn sóng Xét mối quan hệ giữa vị trí hình học và công suất phát xạ của chấn tử khe trong trường hợp phổ biến là khe khoét dọc trên thành rộng của ống dẫn sóng như sau: Với khe đơn, điện dẫn bức xạ GƩ của khe cũng phụ thuộc vào kích thước của mặt kim loại mang khe và vị trí của khe trên mặt ấy. Vì khe khoét trên thành ống dẫn sóng sẽ bức xạ năng lượng ra không gian bên ngoài nên nó trở thành tải của 1 Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 185 ống và sẽ ảnh hưởng đến chế độ làm việc của ống dẫn sóng. Khi ấy, năng lượng truyền trong ống dẫn sóng sẽ có một phần bức xạ qua khe, một phần phản xạ lại từ khe giống như khi phản xạ sóng từ các chỗ không đồng nhất của ống dẫn sóng và đi ngược về phía máy phát, còn một phần tiếp tục truyền lan trong ống. Ảnh hưởng của khe đến chế độ làm việc của ống đãn sóng được đặc trưng bởi dẫn nạp vào và trở kháng vào của khe. Điện dẫn vào chuẩn hoá của khe dọc cộng hưởng trên thành rộng có thể được tính theo công thức gần đúng [6]: g, 2 2 V V td g λa πλ πd G =G .W =2,09. . .cos ( ).sin ( ) b λ 2λ a (4) Wtđ: Trở kháng sóng của đường dây song hành tương đương với ống dẫn sóng; d: Khoảng cách từ tâm khe đến đường trung bình; a : Độ rộng của thành rộng ống dẫn sóng; b : Độ rộng của thành hẹp ống dẫn sóng; gλ : Bước sóng trong ống dẫn sóng; λ : Bước sóng trong không gian tự do. Từ công thức trên ta thấy rằng điện dẫn vào của khe dọc cộng hưởng sẽ bằng không nếu khe nằm dọc trên đường trung bình của thành rộng (d = 0), và cực đại nếu khe nằm ở mép của thành rộng (d = a/2) hoặc nằm dọc trên thành hẹp của ống. Hình 6. Vị trí các chấn tử khe được kích thích đồng pha trên ống dẫn sóng. Với hệ khe: Các chấn tử khe nằm trong hệ khe theo một ý đồ phân bố pha và công suất nhất định nhằm tạo ra dạng giản đồ hướng tổng hợp theo yêu cầu chiến kỹ thuật khi thiết kế. Trong đó có hai yếu tố quan trọng cần xét đến là: - Thứ nhất: Pha kích thích của các chấn tử khe. Các chấn tử khe được kích thích đồng pha hoặc ngược pha sẽ dẫn tới sự đồng pha hay ngược pha của trường phát xạ của chấn tử khe. Trên hình 3 là chiều của dòng điện mặt phân bố trên thành rộng của ống dẫn sóng. Khi đó tùy vào vị trí tương đối của các chấn tử khe và chiều của các dòng điện mặt sẽ tạo ra dạng pha kích thích khác nhau. Các chấn tử khe cách nhau một khoảng gλ /2 nằm ở hai phía so với đường trung bình của thành rộng ống dẫn sóng sẽ được kích thích cùng pha do dòng điện mặt Jx sẽ đổi dấu khi chuyển qua Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T.M. Quý, V.X. Hà, , “Khảo sát công suất phát xạ trên anten mạng khe.” 186 đường trung bình. Tương tự các khe được đặt cách nhau một khoảng gλ /2 nhưng cùng một phía so với đường trung bình của thành rộng ống dẫn sóng sẽ được kích thích ngược pha. Trong thực tế để kích thích đồng pha các chấn tử khe trên thành rộng của ống dẫn sóng người ta thường bố trí các chấn tử khe như hình 6. - Thứ hai: Năng lượng truyền trong ống dẫn sóng sẽ có một phần bức xạ qua khe, một phần phản xạ lại, còn một phần tiếp tục truyền lan trong ống dẫn sóng và bức xạ qua các khe tiếp theo trong hệ khe. Xét về mặt công suất thì mô hình các chấn tử khe khoét dọc theo thành rộng ống dẫn sóng sẽ tương đương với mô hình mạch điện trong hình 7. Hình 7. Mô hình mạch điện tương đương của hệ chấn tử khe khoét dọc trên thành rộng ống dẫn sóng. Gọi công suất phát xạ trên chấn tử khe thứ n là nP . Trường hợp lý tưởng khi công suất phản xạ lại đầu vào ống dẫn sóng rất nhỏ coi như bằng 0. Khi đó điện dẫn của chấn tử khe thứ i trong hệ khe sẽ được tính theo công thức sau [7]: i i i-1 n n=1 P G = 1- P (4) Trên cơ sở công thức (4) tính điện dẫn cho chấn tử khe trong hệ khe và công thức (3) chỉ ra mối liên hệ giữa điện dẫn của khe và vị trí hình học của nó, từ đó ta có thể tính toán phân bố công suất cho từng chấn tử khe trong hệ khe. Việc chọn pha kích thích kết hợp với tính toán phân bố công suất cho từng chấn tử khe chính là tiền đề cho việc nghiên cứu tổng hợp giản đồ hướng phát xạ của anten mạng khe theo từng yêu cầu thiết kế cụ thể. Thực hiện mô phỏng trên phần mềm thiết kế siêu sao tần CST 2011 mô hình khe đơn trên ống dẫn sóng chữ nhật kích thước cơ bản 23 mm x 10 mm để đánh giá sự phụ thuộc của công suất phát xạ theo vị trí hình học của khe. Trên thành rộng của ống dẫn sóng có khoét một khe đơn hình thành nên chấn tử đơn giản hoạt động ở tần số 9375MHZ (thuộc băng tần X). Trên ống dẫn sóng vừa xây dựng ta tiến hành phát năng lượng vào một đầu và tiến hành thu ở đầu còn lại (hình 8). Mô phỏng sự phụ thuộc công suất phát xạ của khe vào vị trí của khe trên ống dẫn sóng. Thực hiện cấp công suất P0 vào một đầu của ống dẫn sóng, công suất ra tại đầu còn lại là Pra. Công suất phát xạ qua khe là Ppx. Trong trường hợp lý tưởng công Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 187 suất phản xạ lại đầu cấp công suất rất nhỏ coi như bằng 0. Khi đó ta có mối liên hệ công suất phát xạ qua khe khi dịch chuyển vị trí của khe. px 0 ra P = P - P (5) Hình 8. Mô hình ống dẫn sóng có khoét khe đơn trên thành rộng. Tiến hành đo độ suy giảm công suất tại đầu thu so với đầu cấp công suất của ống dẫn sóng ta sẽ biết được công suất phát xạ qua khe của ống dẫn sóng. Độ suy giảm càng lớn chứng tỏ công suất phát xạ qua các khe càng lớn. Độ suy giảm K=10log Pra ( ) P0 dB Ta có raP = 0P . 1010 k Khi đó, pxP = 0P (1- . 1010 k ) (6) Hình 9. Giản đồ biểu thị sự suy giảm công suất của đầu ra khi dịch chuyển khe phát xạ một đoạn X. Tiến hành tịnh tiến vị trí khoét khe từ đường trung bình trên thành rộng của ống dẫn sóng sang hai bên một khoảng X. Cho giá trị X tăng dần từ 0mm (tại vị trí đường trung bình trên thành rộng ống dẫn sóng) tới 10mm (vị trí mép thành rộng ống dẫn sóng), mỗi lần dịch chuyển 1 mm. Tiến hành mô phỏng ta thu được giá trị hệ số suy giảm được biểu diễn qua giản đồ hình 9. Qua kết quả mô phỏng ta nhận thấy: Tại X = 0 mm khe khoét ở vị trí đường trung bình của thành rộng ống dẫn sóng ta thấy công suất tín hiệu thu được không có sự suy giảm. Điều đó chứng tỏ khe Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa T.M. Quý, V.X. Hà, , “Khảo sát công suất phát xạ trên anten mạng khe.” 188 khoét tại vị trí đường trung bình của thành rộng ống dẫn sóng không phát xạ năng lượng. Càng dịch khe ra xa đường trung bình của thành rộng ống dẫn sóng thì sự suy giảm càng lớn. Tại X = 10 mm hệ số suy giảm lớn nhất trong 10 vị trí chứng tỏ tại đây khe phát xạ năng lượng lớn nhất. 4. KẾT LUẬN Trên đây, nhóm tác giả vừa trình bày một cách tổng quan về nguyên lý, thành phần, cấu tạo của hệ thống anten khe trên ống dẫn sóng. Đồng thời phân tích cơ sở lý thuyết của đặc tính công suất phát xạ của chấn tử khe. Trong kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả có thực hiện mô phỏng trực quan trên phần mềm thiết kế siêu cao tần CST 2011. Kết quả mô phỏng cho thấy khi ta thay đổi vị trí hình học của khe thì dẫn tới công suất phát xạ của khe cũng thay đổi. Những kết quả này là tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng anten mạng khe một cách toàn diện và chi tiết hơn trong các sản phẩm quân sự sau này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Alan Blumlein, "Improvements in or relating to high frequency electrical conductors or radiators", Bằng sáng chế nước anh số 515684 (1938). [2]. Constantine A. Balanis, "Antenna Theory Analysis And Design", John Wiley &Sons Inc (2005), pp. 814-815. [3]. Hoàng Đình Thuyên, "Anten", Học viện Kỹ thuật quân sự (2003), Tr. 305-315. [4]. Phan Anh, "Lý thuyết và kỹ thuật Anten", Nhà Xuất bản Khoa học Kỹ thuật (2000), Tr. 365. [5]. Võ Xung Hà, “Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chế tạo thử nghiệm một số khối chức năng của đầu tự dẫn Y502E trên tên lửa Kh-35E”, Đề tài cấp Bộ Quốc phòng mã số: KC-T.05 ( 2014), Quyển 7, Tr. 14-26. [6]. Richard C. Johnson, "Antenna Engineering Handbook", Georgia institute of technology Atlanta (1993), pp. 246. [7]. Richard C. Johnson, "Antenna Engineering Handbook", Georgia institute of technology Atlanta (1993), pp. 267 ABSTRACT SURVEY OF EMISSION POWER OF SLOT IN SLOT ANTENNA ARRAY Slot antenna array system which has small size, simply manufacturing, strong structure plays an important role in Military technique. Therefore, this system is widely applied for modern military weapons: Radar, Mission... Researching radiation of slots is a significant step to prepare for designing, manufacturing slot antenna array system. Keywords: Slot antenna, Rada. Nhận bài ngày 30 tháng 05 năm 2016 Hoàn thiện ngày 13 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KH-CN quân sự. *E-mail: phuongquangmta@gmail.com