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

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