Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống anten đầu tự dẫn trên tên lửa đối hải

Ra đa T. M. Quý, V . X. Hà, L . V. Hà, “Phân tích nguyên lý tên lửa đất đối hải.” 20 Ph©n tÝch nguyªn lý ho¹t ®éng cña hÖ thèng anten ®Çu tù dÉn trªn tªn löa ®èi h¶i TRẦN MẠNH QUÝ, VÕ XUNG HÀ, LÊ VĨNH HÀ Tóm tắt: Hệ thống anten là một thiết bị thể hiện các ý đồ chiến kĩ thuật của một thiết bị vô tuyến. Nó quy định các cấu trúc thu-phát-truyền động nhằm đáp ứng các nhiệm vụ chiến kĩ thuật đó. Chính vì vậy, việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động anten là cần thiết. Nội dung nghiên cứu anten đầu tự dẫn trên tên lửa đối hải gồm: cấu trúc, nguyên lý hoạt động và mô phỏng các tham số của anten. Từ khóa: Anten, Anten mạng khe ống dẫn sóng, Anten rađa tự dẫn, Rađa tự dẫn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tên lửa đối hải được trang bị cho quân đội ta vào đầu năm 2000. Hệ thống tên lửa đối hải có tính năng chiến kỹ thuật cao phát huy hiệu quả và uy lực trong tác chiến trên biển. Trong tên lửa này có đầu tự dẫn là thiết bị quan trọng hoạt động theo nguyên lý rađa chủ động có nhiệm vụ dẫn tên lửa bắn chúng mục tiêu. Các tài liệu thuyết minh kĩ thuật nguyên lý hoạt động đầu tự dẫn rất hạn chế. Trước đây chưa từng có đề tài nghiên cứu sâu về hệ thống anten. Do vậy, việc nghiên cứu sâu về anten đầu tự dẫn sẽ góp phần tạo điều kiện thuận lợi tìm hiểu hệ thống thu, phát xử lý và tổng thể về đầu tự dẫn. Các nội dung trong nghiên cứu về anten đầu tự dẫn gồm: - Cấu trúc anten - Nguyên lý hoạt động - Xây dựng mô hình 3D và mô phỏng các tham số của anten - Phân tích kết quả mô phỏng xây dựng bộ tham số kỹ thuật của anten. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Cấu tạo và thành phần hệ thống anten đầu tự dẫn U502E Anten được chế tạo trên vật liệu nhôm nhẹ, đường kính 280mm Anten đầu tự dẫn có chức năng phát xạ công suất máy phát ra không gian, thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu qua kênh tổng, kênh hiệu lệch đứng ΔE, kênh hiệu lệch ngang ΔH. Để có chức năng như vậy, Anten đầu tự dẫn có 4 mảng anten riêng biệt được ghép với nhau như hình 1. Hình 1. Cấu tạo anten mạng khe đầu tự dẫn U502E. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 21 Bốn mảng anten có cấu trúc giống nhau về cơ khí. Mỗi mảng anten có 28 chấn tử khe với kích thước giống hệt nhau. Vị trí khe so với tâm của ống dẫn sóng là khác nhau. Mục đích để chia công suất phát xạ cho các khe ở tâm mặt phản xạ là lớn nhất. Khi đó năng lượng giản đồ hướng phát xạ công suất sẽ tập trung vào hướng pháp tuyến. Thành phần hệ thống anten U502E - Mặt phản xạ anten mạng khe (gồm 4 mảng anten riêng rẽ) - Bộ tổ hợp giản đồ hướng Tiếp nguồn cho các chấn tử được thực hiện nhờ hệ ống dẫn sóng nằm ở mặt sau của anten. Cấu tạo như hình 3. Để hình thành kênh tổng ∑, ΔE, ΔH cần có bộ tổ hợp giản đồ hướng. Cấu tạo bộ tổ hợp này thực hiện trên ống dẫn sóng như hình 4. Trên hình 4 là phối cảnh bộ tổ hợp giản đồ hướng bộ tổ hợp gồm có 7 cổng. Cổng 5 được nối vào máy phát thông qua hệ thống ống dẫn sóng, Ở chế độ phát cổng 5 chia đều công suất và đồng pha đến cổng 1,2,3,4. Ở chế độ thu cổng 5 là kênh tổng ∑. Cổng 1, 2, 3,4 tiếp nguồn cho chấn tử khe phát xạ, cổng 6 cửa thu kênh hiệu lệch đứng ΔE, cổng 7 cửa thu kênh hiệu lệch ngang ΔH. Hình 3. Tiếp nguồn bằng ống dẫn sóng cho khe phát xạ của anten. Tiếp nguồn cho khe Tiếp nguồn cho khe phát xạ 1 2 3 Hình 2. Thành phần hệ thống anten U502E 1: Bộ tổ hợp giản đồ hướng; 2: Cấp nguồn cho chấn tử khe; 3: Mặt phản xạ Ra đa T. M. Quý, V . X. Hà, L . V. Hà, “Phân tích nguyên lý tên lửa đất đối hải.” 22 Hình 4. Bộ tổ hợp giản đồ hướng anten. 2.2. Sơ đồ chức năng anten đầu tự dẫn Hình 5. Sơ đồ chức năng anten đầu tự dẫn. Mặt phản xạ là 4 mảng anten riêng biệt, kí hiệu 1, 2, 3, 4 tương ứng. Ở chế độ phát các anten 1, 2, 3, 4 được cấp nguồn thông qua bộ tổ hợp giản đồ hướng. Ở chế độ thu bộ tổ hợp giản đồ hướng thực hiện phép toán cộng/trừ biên độ tín hiệu như sau: ∑=1+2+3+4, ΔE=(1+4)-(2+3), ΔH= (1+2)-(3+4) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 23 Hình 6. Phương pháp thu đơn xung với 4 kênh thu. Bộ tổ hợp giản đồ hướng bao gồm 04 bộ Hybrid 180o. Mỗi một bộ Hybrid 180o có 04 cổng I, II, III, IV. Phát vào cổng I được chia đôi công suất và đồng pha qua cổng II, III. Khi thu năng lượng vào cổng II, III thì biên độ tại cổng I=II+III, biên độ tại cổng IV= II-III. 2.3. Nguyên lý hoạt động anten đầu tự dẫn Khác với phương pháp quét cánh sóng hình "côn" chỉ dùng một kênh thu, Anten đầu tự dẫn U502E sử dụng phương pháp đơn xung dùng nhiều kênh thu, phần tử phát xạ là các khe trên ống dẫn sóng, phương pháp này còn được gọi là phương pháp "đa kênh". Số lượng kênh phụ thuộc vào tín hiệu đồng thời so sánh. Thường là bốn kênh. Hoạt động của hệ thống được mô tả qua hình dưới đây. Quanh trục quang anten đặt 4 mảng anten khe phát xạ đối xứng nhau. Khi nguồn được cấp từ máy phát đồng pha, sẽ hình thành cánh sóng anten hướng dọc theo trục quang anten. Nếu mục tiêu nằm trên trục quang này, tín hiệu tổng nhận được là lớn nhất. Tín hiệu này còn được gọi là tín hiệu tổng (1+ 2 + 3 + 4). Trường hợp hướng mục tiêu lệch lên trên một góc so với trục quang anten. Tín hiệu nhận được từ mảng trên lệch lên trên một góc so với trục quang. Tín hiệu nhận được từ mảng anten 1 và 2 sẽ mạnh hơn và sẽ tạo ra sự sai lệch góc tà (1+2) - (3+4). Tương tự như vậy, nếu hướng mục tiêu lệch so với trục anten một góc phương vị thì ở kênh hiệu sẽ nhận được tín hiệu sai lệch phương vị: (1+4) - (2+3). Biên độ tín hiệu trong các trường hợp trên tỷ lệ với giá trị của thành phần sai lệch. Tín hiệu thu được bởi 4 an ten qua thiết bị tổ hợp giản đồ hướng tạo thành các tín hiệu sau: Tín hiệu tổng là tổng của các tín hiệu từ 4 an ten đưa vào kênh tổng: U (t,) =0,5 E(t).[F1() + F2() + F3() + F4 ()]. Ở đây: E (t) - Giá trị của cường độ điện trường ở đầu vào các anten. F1(), F2(), F3(), F4 () - Giản đồ định hướng của mảng anten tương ứng. Tín hiệu biểu thị sự sai lệch góc của mục tiêu ở trong mặt phẳng thẳng đứng so với đường cân bằng tín hiệu là: Ra đa T. M. Quý, V . X. Hà, L . V. Hà, “Phân tích nguyên lý tên lửa đất đối hải.” 24 Hình 7. Giản đồ hướng dạng phân bố màu. a) Kênh tổng, b) kênh ΔH, c) kênh ΔE a b c UG (t,) =0,5E(t).{[F1() + F2()] - [F3() + F4()]}. = 0,5E(t).[FG1() + F G2()]. (1) trong đó, FG1(), F G2() là hai cánh sóng tổng hợp trong mặt phẳng thẳng đứng. Tín hiệu biểu thị sự sai lệch góc của mục tiêu ở trong mặt phẳng hướng so với đường cân bằng tín hiệu là: UH (t,) = 0,5E(t).{[F1() + F4()] - [F3() + F2 ()]} = 0,5E(t).[FH1() + F H2()]. (2) trong đó, FH1( ), F H2( ) là hai cánh sóng tổng hợp trong mặt phẳng hướng. Sau khi khuếch đại và biến đổi các tín hiệu này được xử lý trong thiết bị xác định tọa độ như đối với trường hợp của một mặt phẳng ta nhận được các điện áp tỉ lệ với các góc lệch G và H: GK tU tU U T G G     . ).( ),( )( (3) H T H H K tU tU U      . ).( ),( )( (4) Bằng cách so sánh tín hiệu của hai kênh ta có thể xác định được toạ độ góc của mục tiêu qua từng xung phản xạ trở về. Chính vì vậy mà phương pháp này được gọi là phương pháp đơn xung biên độ. Phương pháp đơn xung biên độ cho tốc độ trinh sát tín hiệu rất cao. Tạo điệu kiện đáp ứng cho xử lý thông tin tức thời trong thời gian thực. Song nó cũng có nhược điểm cơ bản là phải có ba tuyến thu giống hệt nhau. Điều này trong thực tế chế tạo và hiêụ chỉnh gặp nhiều khó khăn. 3. Mô phỏng và kết quả 3.1. Số liệu đầu vào -Xây dựng bản vẽ 3D anten đầu tự dẫn U502E trên phần mềm Solidwork với kích thước vật lý 1:1; -Dải tần mô phỏng đặt: 9.3-:-9.6GHz. 3.2. Công cụ mô phỏng Sử dụng phần mềm mô phỏng điện từ trường CST2011; Input vào phần mềm CST2011 bản vẽ 3D, đặt dải tần mô phỏng 9.3 đến 9.6GHz. Phần mềm xuất ra tham số anten: -Giản đồ hướng 3D, 2D kênh tổng kênh hiệu; -Hệ số sóng đứng. 3.3. Kết quả mô phỏng Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 25 Hình 8. Giản đồ hướng 3D Anten đầu tự dẫn U502E. Hình 10. Giản đồ hướng 2D kênh tổng. Hình 9. Giản đồ hướng 2D Anten đầu tự dẫn U502E. Biên độ Góc (độ) Ra đa T. M. Quý, V . X. Hà, L . V. Hà, “Phân tích nguyên lý tên lửa đất đối hải.” 26 Hình 11. Giản đồ hướng 2D kênh hiệu. 3.4 Phân tích kết quả mô phỏng Qua kết quả mô phỏng đưa ra tham số kỹ thuật anten đầu tự dẫn như sau: - Loại anten: Mạng khe trên ống dẫn sóng có kênh tổng và kênh hiệu - Tần số công tác: 9300-:-9600MHz - Dạng giản đồ hướng: hình bút chì - Giản đồ hướng kênh tổng: 5-7độ - Giản đồ hướng kênh hiệu lệch đứng: 5-7độ - Giản đồ hướng kênh hiệu lệch ngang: 5-7độ - Hệ số KĐ anten kênh tổng: ≥500 lần - Hệ số KĐ anten kênh hiệu: ≥250 lần - Mức cánh sóng phụ: ≤100 lần so với cánh chính - Hệ số sóng đứng: ≤ 1.67 - Phân cực: E (ngang) - Truyền động: hệ biến đổi cơ – điện - Truyền góc: Xenxin - Truyền tốc độ góc: Con quay hồi chuyển cảm biến tốc độ góc - Tốc độ góc Max: 30độ/s - Đường truyền: Ống dẫn sóng 23x5mm (Tiêu chuẩn quốc tế 23x10mm) - Tổn hao truyền trên ống dẫn sóng: ≤2dB 4. KẾT LUẬN Từ phương pháp suy luận qua mẫu anten đầu tự dẫn U502E sẵn có, nhóm tác giả đã phân tích nguyên lý hoạt động, xây dựng mô hình 3D, mô phỏng và xây dựng nên bộ tham số kỹ thuật anten đầu tự dẫn U502E. Kết quả này làm cơ sở cho nghiên cứu tuyến thu, phát, xử lý và tổng thể đầu tự dẫn U502E. Hướng phát triển có thể chủ động chế thử mẫu anten đầu tự dẫn phục vụ cho nghiên cứu khoa học và áp dụng vào dự án chế tạo tên lửa. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Anten (dùng cho ngành thông tin). Học viện KTQS, 1976. [2]. Anten – Truyền sóng (Dùng cho chuyên nghành rađa). Học viện KTQS,1976. [3]. Phan Anh. Lý thuyết và Kỹ thuật Anten- Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật- Hà nội 2003 [4]. В. Е. Ямайкин. Антеные устройства - Советское радио, Москва, 1965. [5]. Муравыв, Антенные - Радио и связь, Москва, 1963. [6]. O.A. Юрцев, A. B. Pyнoв, A.H. Kaзарин, Срираьные антенны - Советское радио, Москва, 1974. [7]. Ловеров, Ямайки, Юрцев, Pyнов, Ocнoвы Проектиpoвания aнтeнных ycтройств CBЧ - Радио и связь, Минск, 1970 [8]. Юрцев, Казарин, Спиральные aнтенны - Радио и связь, Минск, 1962. [9]. Г.Б Peзников, Антенны летательных аппаратов - Советское радио, Москва, 1967. [10]. Mapков, Aнтенны – Энергия, Москва - 1975. ABSTRACT ANALYSIS THE OPERATION PRINCIPLE OF SEEKER ANTENNA SYSTEM Antenna system is a device to show a technical strategy of seeker. It is ruler for a transceiver, signal processing architecture that meets the technical strategy. Therefore, researching antenna principle is needed. Contents research including: seeker radar antenna structure, operation principle and simulating some parameters of the antennas of seeker radar. Keywords: Antenna, Slotted waveguide antenna, Seeker radar antenna, Guidance radar. Nhận bài ngày 18 tháng 8 năm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng 9 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 9 năm 2014 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện KH-CN Quân sự. Email: vn.microwave@gmail.com