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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 201 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 Phùng Ngọc Sơn1*, Lê Quang Hiển1, Đoàn Ngọc Hanh1, Nguyễn Thanh Sơn2 Tóm tắt: Khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần là một trong những thiết bị quan trọng và được sử dụng phổ biến trên các hệ thống thu- phát của các khí tài quân sự trong lĩnh vực Tác chiến điện tử, radar, Viễn thông quân sự. Trong nội dung bài báo, nhóm tác giả sẽ trình bày về cơ sở tính toán thiết kế cơ cấu khớp quay ống sóng sử dụng cho thiết bị gây nhiễu ra đa làm việc ở băng tần X và kết quả mô phỏng, chế tạo thực nghiệm khớp quay ống sóng theo yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật cho trước. Từ khóa: Kỹ thuật siêu cao tần; Ống dẫn sóng; Khớp nối quay bằng ống sóng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong các khí tài trinh sát - gây nhiễu đối không của lĩnh vực Tác chiến điện tử hay các đài radar và trạm thu phát viễn thông quân sự, người ta sử dụng khớp chuyển đổi ống sóng dùng để truyền năng lượng điện từ máy phát (đặt ở phần tĩnh) tới anten quay (đặt ở phần động). Nhiệm vụ chính của khớp chuyển đổi ống sóng là bảo đảm truyền công suất ổn định khi quay anten. Ở nước ta, tính đến thời điểm hiện tại chưa có công trình nghiên cứu nào về khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần sử dụng cho thiết bị gây nhiễu radar làm việc ở băng tần X (dải sóng 3 cm). Việc nghiên cứu, chế tạo khớp chuyển đổi ống sóng siêu cao tần càng trở lên cấp thiết cho thiết bị gây nhiễu radar, cũng như từng bước làm chủ công nghệ thiết kế các phần tử siêu cao tần trong thiết bị khí tài của quân sự ở nước ta. Các nội dung nghiên cứu của bài báo bao gồm: Tổng quan về khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ở băng tần X. Tính toán, thiết kế, mô phỏng các tham số truyền dẫn. Thực hiện gia công chế tạo khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ở băng tần X và đo kiểm đánh giá sản phẩm. 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN Ở BĂNG TẦN X 2.1. Cấu tạo cơ bản của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng Khớp nối quay bằng ống sóng được dùng để ghép nối giữa phần động và phần tĩnh của tuyến đường truyền sóng siêu cao tần từ thiết bị phát đến anten phát, hoặc là từ anten thu đến hệ thống thu. Với dải tần công tác trong băng tần X, nhóm tác giả lựa chọn phương án dùng 2 đầu chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng chữ nhật và trục quay gắn liền trên cáp đồng trục làm bộ chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần. Phương pháp chuyển đổi sẽ là dùng que dò từ cáp đồng trục đưa vào ống dẫn sóng qua thành rộng của ống dẫn sóng chữ nhật, trục quay của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng được làm trên đường truyền của cáp đồng trục, bảo đảm sự đối xứng của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng trên 2 cổng. Tránh được ma sát tiếp súc khi khớp chuyển đổi ống dẫn sóng làm việc, bảo đảm được độ bền cơ khí cũng như độ bền điện của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Để đạt được sự chuyển động liên tục mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, hệ trục quay sẽ có thiết kế với 1 vòng bi đồng tâm đối xứng qua tâm khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, trục của vòng bi sẽ trùng với trục của cáp đồng trục truyền sóng bảo đảm cho tín hiệu truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng là như nhau ở Thông tin khoa học công nghệ P. N. Sơn, , N. T. Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối trong dải sóng 3 cm.” 202 mọi góc quay của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Kết cấu của khớp nối quay bằng ống sóng được mô tả theo Hình 1. Hình 1. Mặt cắt mô hình khớp chuyển đổi ống dẫn sóng siêu cao tần ( Trong đó: 1-chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng, 2-ty dẫn cao tần, 3- teflon, 4-Vòng bi, 5-chốt hãm ty dẫn cao tần). 2.2. Nguyên lý truyền dẫn Thông thường, chúng ta sử dụng đoạn ống sóng tròn có sóng E01 để chế tạo khớp nối quay vì chúng có trường đối xứng cho phép bảo toàn phân cực của sóng trong mọi vị trí xoay của ống sóng. Các thành phần chuyển đổi từ ống sóng chữ nhật sang ống sóng tròn và ngược lại là các ty dò 2 bố trí song song với đường sức trong hai ống sóng chữ nhật gọi là phần tử ghép. Các phần tử dùng để tạo ra dạng trường mong muốn trong ống dẫn sóng hay hộp cộng hưởng được gọi là phần tử kích thích. Ngược lại các phần tử dùng để ghép năng lượng của dạng trường đã cho ra mạch ngoài gọi là phần tử liên kết hay phần tử ghép. Theo nguyên lý tương hỗ trong lý thuyết trường điện từ thì chúng ta nhận thấy nguyên tắc công tác của các phần tử kích thích và các phẩn tử ghép là tương tự nhau. Tức là cùng một phần tử có thể làm chức năng của phần tử kích thích và ngược lại cũng có thể làm chức năng của phần tử ghép tùy theo nhiệm vụ là cần kích thích trường trong ống dẫn sóng và trong hộp cộng hưởng hay muốn dẫn năng lượng từ chúng ra ngoài.. Bài toán kích thích trường trong ống dẫn sóng và trong hộp cộng hưởng là bài toán tìm trường điện từ trong ống dẫn sóng và trong hộp cộng hưởng của nguồn đã cho với phân bố dòng đã biết trong phần tử kích thích. Đây là bài toán rất phức tạp, muốn tìm nghiệm của nó người ta dùng phương pháp sau: ta biểu diễn trường cần tìm trong ống dẫn sóng và trong hộp cộng hưởng dưới dạng tổ hợp của các dạng trường đơn vị trong ống dẫn sóng và tổ hợp các dao động riêng trong hộp cộng hưởng với các hệ số khai triển cần tìm. Yêu cầu đặt ra là trường phải tìm tại vị trí đặt phần tử kích thích trùng với trường của nó có phân bố dòng đã cho. [6] Ta đi phân tích một dạng chuyển đổi cáp đồng trục sang ống dẫn sóng chữ nhật. Ta xét mặt phẳng T được phân cách giữa ống dẫn sóng và cáp đồng trục như hình vẽ, sơ đồ điện tương đương của bộ chuyển đổi tính từ mặt phẳng T nhìn về phía ống dẫn sóng. Nó tương đương 1 giá trị dung kháng và giá trị cảm kháng với tải là ống dẫn sóng. Việc tính toán các tham số về độ dài cũng như khoảng cách của ngắn mạch ống dẫn sóng sẽ được thay thế bằng cách tính các giá trị của khung cộng hưởng LC tương ứng cho từng tần số cố định. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 203 l d b T T T Ống sóng Cáp đồng trục Tải Hình 2 . Sơ đồ điện tương đương của chuyển đổi cáp đồng trục - ống dẫn sóng chữ nhật. Theo hình 2 trên thì ứng với mỗi giá trị tần số, điện kháng cáp đồng trục cần phải được phối hợp với điện kháng của ống dẫn sóng và được biểu diễn thông qua các giá trị tương đương là L-C. Nhưng biểu thức có thể biểu diễn nó rất phức tạp hay không có một công thức biểu diễn đơn giản nào của L và C. Nó chỉ có thể chỉ cho ta thấy rằng tại mặt phẳng T giữa cáp đồng trục vào ống dẫn sóng có trở kháng đầu vào Zi được cho bởi [5]: iZ R jX  (1) Trong đó : 2 20 2 20 2 2 sin ( ) tan ( ) 2 4 tan 2 sin 4 g g g p g Z l d R ab Z d l X X ab                         (2) (3) Với : 0 0 0 120Z      Xp : điện kháng của cáp đồng trục được chuẩn hóa với trở kháng của ống dẫn sóng. Ta nhận thấy Xp là một hàm của d và l, có rất nhiều phương trình để biểu diễn Xp, mỗi phương trình áp dụng trong các điều kiện cụ thể. Với 0 1 4 d  bước sóng thì tính chất của đầu dò là dung, với 0 1 4 d  bước sóng thì tính chất dò là cảm, 0 là bước sóng của tín hiệu trong không gian Khi giá trị b>d rất nhiều thì ta có công thức giá trị Xp như sau [5]: với sự điều chỉnh phù hợp của d và l thì điện kháng đầu vào có thể tương đương với trở kháng của cáp đồng trục. Với một bài toán phối hợp như vậy chúng ta có X=0 4 2 sin 1 2 p g p l X X               (4) Giá trị được cộng hưởng tốt nhất tại Xp=0 khi đó có: 4 sin( ) 0 4 g g l l       (5) (6) Thông tin khoa học công nghệ P. N. Sơn, , N. T. Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối trong dải sóng 3 cm.” 204 Như vậy để đạt được sự cộng hưởng tốt nhất của bộ chuyển đổi thì khoảng cách giữa đầu dò tới đầu ngắn mạch ống sóng được xác định tốt nhất bằng 4  bước sóng của tín hiệu truyền. Trên thực tế để có được cộng hưởng tốt nhất thì độ dài của l là 4  với  là bước sóng cộng hưởng. 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CÁC THAM SỐ TRUYỀN DẪN CỦA CỦA KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN 3.1. Yêu cầu đầu vào thiết kế - Dải tần làm việc: 8 GHz đến 12 GHz; - Hệ số sóng đứng: ≤ 2,2; - Tổn hao truyền qua: ≤ 1,5 dB; - Tốc độ quay cực đại: 60 vòng/ phút; - Vật liệu: Nhôm hoặc đồng - Kích thước ống sóng: 23x10 mm 3.2. Nguyên lý thiết kế Trong quá trình tính toán, đường kính ống sóng hình trụ phải được chọn lựa phù hợp và đáp ứng tốt 2 điều kiện: Khả năng ghép nối về kết cấu giữa đoạn ống sóng hình trụ-E01 với đoạn ống sóng hình chữ nhật-H10. Đảm bảo khả năng triệt tiêu các thành phần dao động cao tần gần nhất so với tần số làm việc, chẳng hạn như dạng H21 có bước sóng giới hạn là: λG.h = 2,057 (7) - Độ dài bước sóng trong ống sóng tròn đối với sóng H11 và E01 được tính toán theo công thức: = 1 − ( ) (8) 3.3. Tính toán thiết kế * Xác định đường kính ống sóng hình trụ d1 - Theo công thức: 2 ≤ 2,057 (9) - Trong trường hợp chúng ta chọn bước sóng làm việc λ = 3cm và tiết diện chuẩn của ống sóng hình chữ nhật a x b = 2,3 x 1,0 cm - Xác định giá trị d1 : ≤ 3,0 × 2 2,057 ≈ 2,9 Chọn d1=1,27 tương ứng với lõi đồng của cáp 50 Ω * Xác định kích thước từ ty dò đến tấm ngắn mạch (l): - Trong ống dẫn sóng chữ nhật đối với sóng H10 () = 2 Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 205 = 1 − ( ) = 3 1 − ( 3 2 × 2,3 ) = 3,9 - Từ biểu thức (2.6) ta có: = 4 = 3,9 4 = 0,975 * Xác định độ dài ty dò (d) theo công thức: = 2 = 1,0 2 = 0,5 3.4. Mô phỏng thiết kế - Nhóm tác giả đã tiến hành xây dựng bản vẽ 3D của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần như tính toán trên lý thuyết phần mềm Solidwork với kích thước vật lý 1:1 - Nhập dữ liệu từ bản vẽ trên phần mềm thiết kế 3D Solidwork vào phần mềm mô phỏng điện từ trường CST2018 - Cài đặt các tham số mô phỏng trong dải tần : 8 GHz đến 12 GHz - Phần mềm xuất ra tham số: - Hệ số sóng đứng - Hệ số truyền - Kết quả mô phỏng Với các kích thước đã có, ta xây dựng mô hình 3D của đầu chuyển đổi cho dải tần băng X. Hình 3. Mô hình 3D khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần trên phần mềm CST. Sau các bước thực hiện mô phỏng và hiệu chỉnh tham số, ta có kết quả như sau. Hình 4. Kết quả mô phỏng đo hệ số sóng đứng của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, dùng phần mềm CST2018, trục tung biểu diễn hệ số sóng đứng, trục hoành biểu diễn dải tần số hoạt động, đơn vị GHz. Thông tin khoa học công nghệ P. N. Sơn, , N. T. Sơn, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khớp nối trong dải sóng 3 cm.” 206 Hình 5. Kết quả mô phỏng đo hệ số truyền S21 của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng, dùng phần mềm CST2018, trục tung biểu diễn hệ số sóng đứng, trục hoành biểu diễn dải tần số hoạt động, đơn vị GHz. Kết quả trên cho thấy, hệ số sóng đừng và hệ số truyền đáp ứng được với yêu cầu đưa ra với hệ số sóng đứng ≤ 1,5; tổn hao truyền ≤ 0,3 dB trong toàn dải 8÷12 GHz. 4. THỰC HIỆN GIA CÔNG CHẾ TẠO KHỚP CHUYỂN ĐỔI ỐNG DẪN SÓNG SIÊU CAO TẦN Ở BĂNG TẦN X VÀ ĐO KIỂM ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM. Sau quá trình gia công các chi tiết của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần, nhóm tác giả thực hiện lắp ráp và hiệu chỉnh các tham số của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Thực hiện đo tham số và hiệu chỉnh khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Sau khi tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh, tiến hành gia công cơ khí các đầu ngắn mạch với kích thước xác định thực tế trong quá trình đo đạc tham số và hiệu chỉnh khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Tiến hành đo kiểm đánh giá các tham số trên máy phân tích mạng véc tơ N5234A có kết quả như sau: Kết quả đo hệ số sóng đứng và tổn hao truyền qua: Hình 7. Kết quả đo hệ số sóng đứng và tổn hao truyền qua khớp chuyển đổi ống dẫn sóng. Hình 6. Hình ảnh chế tạo của khớp chuyển đổi ống dẫn sóng dải tần 8÷12 GHz. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 207 Kết quả đo đạc kiểm tra được đo thực tế của sản phẩm với tổn hao truyền hình 8 nhỏ hơn 1,5dB trên dải tần 8÷12GHz, hệ số sóng đứng được biểu diễn trên hình 8 nhỏ hơn 2,2 trên dải tần 8÷12GHz. Tham số đo đạc trên thực tế của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng trên hình 7 có kết quả tương ứng với kết quả khi mô phỏng trên phần mềm CST. Kết quả thực tế đo được đáp ứng được bộ tham số đề ra của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần. 5. KẾT LUẬN Trong bài báo này đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế chế tạo bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần băng X. Thông qua nội dung khảo sát mạch điện tương đương đối với hiện tượng truyền sóng trong khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần từ ống dẫn sóng- cáp đồng trục. Bài báo đã tính toán giá trị chiều dài của que dò trong trường hợp phối hợp trở kháng của đường truyền. Áp dụng kết quả trên cho quá trình mô phỏng và hiệu chỉnh thiết kế bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng sử dụng phần mềm mô phỏng siêu cao tần CST, bài báo đã đưa ra một mẫu thiết kế của bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần hoạt động ở băng tần X. Tính đúng đắn của nghiên cứu đã được chứng mình khi kết qủa đo thực tế của sản phẩm chế tạo đáp ứng được bộ chỉ tiêu tham số đề ra, cụ thể tổn hao truyền nhỏ hơn 1,5 dB, hệ số sóng đứng đạt nhỏ hơn 2,2, bộ khớp chuyển đổi ống dẫn sóng cao tần đảm bảo sử dụng phù hợp với thiết bị gây nhiễu radar làm việc ở dải sóng 3cm. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm này là cơ sở để mở rộng nghiên cứu các phương pháp phối hợp và điều chỉnh phối hợp đối với các phần tử cao tần. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Waveguide Handbook, N. Marcuvitz, NY, Dover Publications Inc, 1951. [2]. Microwave and RF Engineering, Roberto Sorrentino, Giovanni Bianchi, 2010. [3]. Microwave Enginnering, Fourth edition, David M. Pozar, 2012. [4]. Field Theory of Guided Waves, Collin R.E. (MGH, 1960). [5]. Waveguide-Coaxial Line Transitions, Peter Delmotte, Belgian Microwave Roundtable, 2001. [6]. Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Kiều Khắc Lâu, Nhà xuất bản giáo dục, 2006. ABSTRACT RESEARCH, DESIGN MANUFACTURING FIXED ROTATION BY WAVE GUIDE USE FOR RADAR NOISE GENERATOR WORK IN 3 CM WAY Waveguide rotary joint is one of the most important equipment and used popularly in trans-receiver systems in the field of Electronic Warfare, Radar, Military Telecommunication. In this articles, the authors will present the computing base of designing the waveguide rotary joint structure used for radar jamming equipment operating in X band and simulating result, experimental of manufacture waveguide rotary joint base on required technical specifications. Keywords: Rotary joint; Transformation coaxial waveguides. Nhận bài ngày 09 tháng 8 năm 2018 Hoàn thiện ngày 14 tháng 9 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: 1Trung tâm 80, Cục TCĐT, BTTM; 2Viện Ra đa, Viện KH-CN quân sự. *Email: phungson06010@gmail.com.