Khảo sát đặc tính và tính toán số lượng phần tử cho anten khe sử dụng trong radar hàng hải

Nội dung text: Khảo sát đặc tính và tính toán số lượng phần tử cho anten khe sử dụng trong radar hàng hải

1. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VÀ TÍNH TOÁN SỐ LƯỢNG PHẦN TỬ CHO ANTEN KHE SỬ DỤNG TRONG RADAR HÀNG HẢI INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS AND DETERMINATION THE NUMBER OF SLOTS FOR SLOT ANTENNA USED IN MARINE RADAR NGUYỄN MẠNH CƯỜNG* , ĐOÀN NGỌC ÂU, ĐỖ CÔNG DANH Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: nguyenmanhcuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt 1. Giới thiệu Công nghệ anten là một phần rất quan trọng trong Anten khe sử dụng trong Radar Hàng hải thường công nghệ điện tử và truyền thông ngày nay, sự là loại anten được làm từ ống dẫn sóng trụ tròn hoặc phát triển của truyền dẫn không dây luôn gắn liền ống dẫn sóng hình chữ nhật với thành ống được cắt với sự phát triển của anten. Do nhu cầu sử dụng một hoặc nhiều khe có độ dài bằng nửa bước sóng [1]. mà băng tần cao đang được nghiên cứu và sử Thông thường, khi sử dụng ống dẫn sóng hình chữ dụng trong mục đích thông tin liên lạc, truyền dẫn nhật thì trường cơ bản lan truyền trong thành ống là trường H còn khi sử dụng ống dẫn sóng trụ tròn thì và đo đạc từ xa. Đặc biệt, trong radar hàng hải, 10 trường cơ bản lan truyền là trường H . Khi sóng điện anten khe đang được sử dụng phổ biến trên các 11 từ được kích thích truyền lan trong ống dẫn sóng, mặt băng tần S và X của dải microwave. Bài báo này trong của thành ống xuất hiện dòng điện mặt. Với sẽ thiết kế , mô phỏng anten khe và phân tích sâu véctơ mật độ của dòng điện mặt được xác định bởi về đặc điểm về độ lợi anten, trở kháng sóng với biểu thức: từng dải tần sử dụng của anten khe để có được ̅ 푒 ̅ đánh giá cụ thể về mối liên hệ giữa số lượng khe, 퐽푠 = [푛̅ × ] (1) kích thước với độ lợi anten. Từ đó đưa ra được Trong đó: thiết kế phù hợp với từng dải tần được sử dụng 푛̅: Véctơ vuông góc với thành ống; của anten khe trong radar hàng hải. ̅: Véctơ cường độ từ trường bề mặt ống. Từ khóa: Anten khe, Anten dải rộng, Anten viba, Trong ống dẫn sóng chữ nhật, trường cơ bản H10 Băng thông rộng, độ rộng chùm tia. được truyền lan, véctơ từ trường bao gồm: Abstract −푖훽 = 0cos ( ) 푒 Antenna technology is an important part of { (2) −푖훽 today's electronics and communications, the = −푖 0sin ( ) 푒 development of wireless transmission has always been associated with the development of Trong đó: antennas. According to usage requirements, high- 0: Giá trị lớn nhất của cường độ từ trường; frequency bands are being researched and used A : Hằng số; for communication, transmission, and telemetry purposes. In particular, slot antennas are being 훽: Hệ số pha của sóng có giá trị 2 / ; used commonly on the S and X bands of : Độ rộng thành đứng của ống dẫn sóng. microwave bands in marine radar. This article will design and simulate the slot antenna and Theo công thức (1) và (2) thì ở mặt trong của thành analyze in-depth antenna gain characteristics, ống dẫn sóng xuất hiện 3 thành phần của dòng điện wave impedance for each frequency band used by mặt là 2 thành phần ngang Jx, Jy và một thành phần the slot antenna to obtain a specific assessment of dọc. Trong đó, thành phần ngang được gây ra bởi từ the relationship between the number of slots, size trường dọc Hz, thành phần dọc được gây ra bởi từ with antenna gain. Hence, this article proposed an trường ngang Hx. optimal design suitable for each frequency band of slot array antennas used in marine radar. Keywords: Slot antenna, Wide band antenna, Microwave antenna, Broadband, Beam width. 78 SỐ 66 (4-2021)
2. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Đặc tính định hướng của anten khe phụ thuộc lớn vào số lượng các khe và dải tần công tác. Để xác định được tính định hướng của anten khe phù hợp với từng dải tần công tác, trong bài báo này sẽ tiến hành khảo sát, thiết kế, mô phỏng hệ anten khe đồng pha trong dải tần băng S, từ đó đưa ra so sánh về độ lợi, trở kháng sóng của từng hệ anten khe. 2. Mô phỏng và khảo sát đặc tính hệ anten khe đồng pha Hình 1. Phân bố thành phần dòng điện trên thành Giả thiết, anten radar hàng hải được sử dụng là loại ống dẫn sóng ống dẫn sóng hình chữ nhật có các khe được cắt dọc theo thành ống và phân bố so le về hai phía. Trường Nếu khe được cắt nằm trên thành ống dẫn sóng và cắt ngang đường sức mật độ dòng điện thì dòng điện cơ bản H10 được kích thích tại điểm giữa phần thành rộng của ống. Khoảng cách từ tâm khe này tới tâm khe dẫn tại mặt trong thành ống sẽ bị gián đoạn tại các khe khác liên tiếp nhau ở cùng 1 phía là λ. Việc đặt khoảng và chuyển thành dòng điện dịch, dòng điện dịch này sẽ chạy vuông góc theo hai mép khe. cách giữa các khe liên tiếp là λ để đảm bảo cho các khe ở cùng một phía so với thành ống sẽ được kích thích đồng pha, và khoảng cách giữa 2 tâm khe liên tiếp nằm ở 2 phía của thành ống dẫn sóng là λ/2. Vì thành phần ngang Jx sẽ đổi chiều khi chuyển qua 2 thành ống dẫn sóng nên nếu cắt các khe ở điểm cách tâm khe thứ nhất một khoảng d = A/2 thì dòng điện mặt Jx ở đây sẽ đồng pha với dòng tại các khe. Để các khe dọc được kích thích mạnh nhất thì tâm khe cần được đặt ở điểm bụng của thành phần dọc H , nghĩa là z khoảng cách từ khe đến điểm ngắn mạch đầu cuối cần Hình 2. Dòng điện dịch trên ống dẫn sóng chọn bằng λ/4 hoặc [4]: Như vậy, tại mặt trong thành ống, với dòng điện λ 퐿 = (2푛 + 1) 푛 = 0,1,2, (3) dịch đã xuất hiện sẽ hình thành các điện trường tương 4 ứng và phát sinh điện áp giữa hai mép khe. Nếu khe Xét trên băng tần S, cụ thể là tần số 2,45GHz [3], được cắt dọc theo đường sức dòng điện thì sẽ không với các tham số của anten khe ở trên, tiến hành tính sinh ra dòng điện dịch chảy ngang mép khe, và khe sẽ toán và thiết kế trên phần mềm Matlab (Hình 3). không bức xạ năng lượng. Nếu cắt khe vuông góc với đường sức dòng điện thì dòng điện dịch chảy ngang Xét đồ thị phương hướng của hệ anten khe đồng mép khe là lớn nhất, khe sẽ bức xạ sóng điện từ. pha, giả thiết đồ thị phương hướng của hệ anten khe cũng giống như đồ thị phương hướng của anten chấn Theo nguyên lý tương hỗ, anten khe có thể được tử điện nửa sóng, ta sẽ nhận được phương trình hàm sử dụng dùng làm anten phát hoặc anten thu. Cường phương hướng chuẩn hóa của hệ anten khe đồng pha độ bức xạ hoặc cường độ thu của khe phụ thuộc vào trên ống dẫn sóng chữ nhật với các khe được cắt theo vị trí của khe trên thành ống dẫn sóng. Để nhận được phương dọc [4]: đồ thị phương hướng theo yêu cầu cần thiết kế anten gồm một hệ thống các khe cắt trên thành ống dẫn sóng, 흅 푵풌풅 퐜퐨퐬 ( 풔풊풏휽) 퐬퐢퐧 ( 풔풊풏휽) các khe này được bố trí theo kiểu dọc, ngang hoặc xiên 푬 푭(휽) = = 풌풅 (4) 푬 풙 푵 풐풔휽 퐬퐢퐧 ( 풔풊풏휽) và được kích thích đồng pha với nhau. Trong hệ thống radar hàng hải với một số những yêu cầu về góc phương vị (3600), tính định hướng cao, Trong đó: dải thông tần đủ rộng, các búp sóng phụ là tối thiểu cả N: Số khe cắt trên thành ống dẫn sóng; về biên độ lẫn số lượng thì anten khe đáp ứng tốt d: Khoảng cách của hai tâm khe liên tiếp; những yêu cầu trên [2, 3]. Vì vậy, anten khe được sử 훉: Góc giữa pháp tuyến của tâm thành rộng ống dụng phổ biến trong radar hàng hải, cụ thể là anten dẫn sóng với hướng khảo sát. khe đồng pha. SỐ 66 (04-2021) 79
3. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 3. Hệ anten khe đồng pha với số khe là 10 Từ hàm phương hướng chuẩn hóa trên vẽ được đồ 3. Thiết kế, tính toán số lượng khe tương ứng thị phương hướng trong không gian 2 chiều và 3 với các dải tần số chiều của hệ anten khe đồng pha, tương ứng (Hình Với việc thiết kế, mô phỏng hệ anten khe đồng 4 và Hình 5). pha, bài báo khảo sát được đặc tính phương hướng của hệ anten khe. Để phân tích rõ hơn về ảnh hưởng của số khe với độ lợi và trở kháng sóng của anten trên dải băng tần S, nhóm đã tiến hành xét sự thay đổi của số lượng khe sóng N = 4÷24 với tần số công tác F = 2,1÷2,9GHz. Dựa vào sự thay đổi về độ lợi và trở kháng sóng (Bảng 1 & 2), nhận thấy rằng, tại tần số 2,5GHz, độ lợi anten và trở kháng sóng là lớn nhất khi thay đổi tăng số lượng khe lớn hơn 12 khe và ở tần số 2,9GHz độ lợi anten và trở kháng sóng là nhỏ nhất. Bảng 1. Bảng so sánh giữa trở kháng sóng với số lượng khe tương ứng trên băng tần S Hình 4. Đồ thị phương hướng trong không gian N (số khe) Max Min 2 chiều của hệ anten khe đồng pha 10 phần tử 4 2,4GHz 2,9GHz 8 2,4GHz 2,9GHz 12 2,4GHz 2,9GHz 16 2,5GHz 2,9GHz 20 2,5GHz 2,9GHz 24 2,5GHz 2,9 GHz * Với Max, Min là băng tần có trở kháng sóng lớn nhất và nhỏ nhất; * Với max, min là độ lợi của lớn nhất và nhỏ nhất trên từng băng tần (đơn vị: dBi); Hình 5. Đồ thị phương hướng trong không gian Đồng thởi, sau khi so sánh về trở kháng sóng, nhận 3 chiều của hệ anten khe đồng pha 10 phần tử thấy rằng khi số lượng khe tăng trở kháng sóng được giảm nhỏ. Hình 6 mô tà trở kháng sóng của hệ anten khe với số lượng khe N = 24. 80 SỐ 66 (4-2021)
4. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng 2. Bảng so sánh độ lợi với số lượng khe tương ứng trên băng tần S N 4 8 12 16 20 24 F Max 7,71 10,4 12,7 13,7 14,8 14,8 2,1 Min -14,3 -17,8 -22,3 -22,3 -31,1 -22,5 Max 5,46 7,82 10 11,7 12,5 11,8 2,2 Min -21,3 -22,9 -24,6 -19,9 -25,3 -19,8 Max 5,54 8,87 11,2 13,8 15,6 15,1 2.3 Min -21,1 -22,6 -18,9 -20,2 -28,7 -27,9 Max 11,4 13,8 6,48 9,05 13,1 14 2,4 Min -25,5 -29,7 -24,3 -22,4 -25,4 -31,8 Max 5,97 9,32 12,8 14,8 17 18,1 2,5 Min -28,9 -21,5 -37,9 -22,1 -28,5 -24,7 Max 6,57 6,53 9,14 11,3 8,59 10,7 2,6 Min -21,6 -23,7 -24 -18,5 -25,2 -24 Max 6,55 6,46 7,18 7,06 7,92 10,4 2,7 Min -18,4 -20,8 -23,9 -28 -27,5 -24,8 Max 7,25 7,02 7,86 7,77 8,99 9,06 2,8 Min -24 -27,6 đượ-30c ,t8ớ i 14,8dBi-21. Khi,9 khảo -sát24 ,s4ố lượng -tăng21,9 quá 24 Max 8,27 7,6 khe8 ,thì22 độ lợi sẽ 8b,1ị suy giảm10 do,3 biên độ c10ực,4 đại phụ 2<9 Min -20,2 -20,7 tăng-23 m,8ạ nh theo -lý26 thuy,6 ết anten-35 m,7 ảng nói -chung.24,8 4. Kết luận Bài báo đã khảo sát các đặc tính, đồ thị phương hướng của anten khe được sử dụng trong Radar hàng hải. Từ đó, mô phỏng thiết kế một hệ anten khe, tính toán số lượng khe phù hợp với dải tần tương ứng. Với các đặc điểm dễ chế tạo, tính định hướng cao, độ lợi lớn nên anten khe được sử dụng rất phổ biến trong radar hàng hải. Trên băng tần S, thông qua việc khảo sát đặc tính của hệ anten khe và so sánh giữa trở kháng sóng, độ Hình 6. Đồ thị trở kháng sóng tương ứng với số khe lợi và số khe với nhau, bài báo đã tính toán được số N=24 trong dải tần 2,1÷2,9GHz khe với giải tần số tương ứng, phù hợp. Số khe cụ thể là N = 20÷24 ở dải tần 2.4÷2,5GHz, với được độ lợi anten từ 15÷17dBi và trở kháng sóng giảm nhỏ. Đối với mỗi dải tần khác nhau sẽ có số lượng khe phù hợp tương ứng để đảm bảo được độ lợi lớn nhất và trở kháng sóng nhỏ. Nhìn chung theo tiêu chí về độ lợi, độ rộng búp sóng và trở kháng sóng của Anten Radar hàng hải thì số lượng khe 20÷24 là phù hợp. Hình 7. Anten khe ngoài thực tế với số khe là 16 Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Với yêu cầu của anten radar Hàng hải, độ lợi trung Hàng hải Việt Nam trong đề tài mã số DT20-21.49. bình nằm trong khoảng 15÷17dBi [2, 5], dựa theo TÀI LIỆU THAM KHẢO Bảng 2, lựa chọn số khe N=20÷24 khe ở dài tần 2.4÷2.5GHz để anten có thể nhận được độ lợi từ [1] Trần Xuân Việt, Kỹ thuật anten, NXB Hàng hải, 15÷17dBi và có trở kháng sóng giảm nhỏ. Hải Phòng, 2019. Hình 7 là hình ảnh anten khe ngoài thực tế với số [2] Trần Đức Inh, Hệ thống dẫn đường hàng hải, NXB khe là N=16, tại đó độ lợi anten trên băng tần S đạt Hàng hải, Hải Phòng, 2020. SỐ 66 (04-2021) 81
5. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [3] Ramprakash K, Design, Analysis and Fabrication of a Microstrip Slot Antenna, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, Vol.8 Issue-2S December, 2018. [4] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2007. [5] Slotted Waveguide Antennas, online: theory.com/antennas/aperture/slottedwaveguide2. php?fbclid=IwAR3aewU4- q1QZKa582rO0VDWkAI9WvfHAn8QrJlU8yBl Q_jn9MJlddKMQiI Ngày nhận bài: 16/01/2021 Ngày nhận bản sửa: 08/02/2021 Ngày duyệt đăng: 25/02/2021 82 SỐ 66 (4-2021)