Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp thiết kế ăng ten cho thiết bị chế áp điện tử tầm gần

tử và các phương tiện di chuyển trong tầm gần. Từ khóa: Súng điện từ; Chế áp các thiết bị điện từ; Dừng phương tiện gây rối và bạo loạn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong giai đoạn hiện nay, chế áp các thiết bị điện tử, các phương tiện của các đối tượng phạm pháp đã được đặt ra, điển hình như các thiết bị phá hủy các máy nghe lén, phá hủy các con rệp điện tử được giấu kín trong các vật liệu khác như gạch, gỗ, phá hủy các dữ liệu, vật mang tin của chúng ta khi không sử dụng nữa và không muốn cho các đối tượng khác trích xuất được, và một vấn đề nữa là dừng xe và các phương tiện gây rối, bạo loạn, Sóng điện từ cao tần cũng đã được ứng dụng ở các nước để gây gián đoạn hoạt động của thiết bị điện tử, làm hư hỏng hoặc phá hủy mạch, tạo ra mất kiểm soát điều khiển, hư hỏng dữ liệu, mất kiểm soát truyền thông, ngắt điện, công nghệ sử dụng xung điện từ để dừng xe là mối quan tâm đặc biệt của lực lượng cảnh sát (dừng xe tăng tốc) và quân đội (hỗ trợ hoạt động của các trạm kiểm soát, bảo vệ đoàn xe và cơ sở hạ tầng quốc phòng). Hiện nay, công nghệ EMP để dừng xe được sản xuất và triển khai trong thực tế. Trong nước, trước đây đã có nhóm nghiên cứu của Viện Điện tử nghiên cứu lý thuyết về vấn đề này, nhưng chỉ dừng lại ở lý thuyết chung, chưa có chế tạo, thử nghiệm và hiện nay chưa có đơn vị nào chế tạo, thử nghiệm các thiết bị này. Mục tiêu của nghiên cứu một mặt thực hiện chế tạo mẫu được súng điện từ để chế áp được như mục tiêu đề ra, hoạt động hiệu quả, tin cậy nhưng cũng phải đảm bảo được sự an toàn cho người sử dụng, người dân và thiết bị xung quanh khu vực tác chiến. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu thực hiện nghiên cứu tìm hiểu về tác động của sóng siêu cao tần lên linh kiện điện tử và tìm hiểu về các loại đèn magnetron. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại đèn magnetron phát ra tần số 2,45GHz để thiết kế súng điện từ. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 3 đèn magnetron kết hợp với nhau nhằm tạo ra công suất đủ lớn để có thể tác chiến xa nhất, sau đó thiết kế ăng ten để nguồn phát xạ có tính định hướng cao, tác chiến đúng đối tượng, đúng vùng cần chiếu xạ, đảm bảo hiệu quả chế áp và an toàn cho người và trang bị khi thao tác, sử dụng súng, chế tạo bộ điều khiển và giám sát việc phát xạ nhằm đảm bảo cho người thao tác vận hành dễ dàng, tự động giám sát các yếu tố an toàn khi phát xạ cao tần, chế tạo mẫu súng, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế. Tiến tới hoàn thiện súng và thử nghiệm, hoàn chỉnh súng trong thời gian tới. 2. THIẾT KẾ BỘ PHỐI HỢP VÀ ĂNG TEN LOA HÌNH NÓN Đối với súng điện từ yêu cầu đặt ra là cần thiết kế một ăng ten loa hình nón gọn nhẹ với các đặc tính bức xạ mong muốn từ đèn phát cao tần. Ăng ten loa hình nón Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 169 cần phải đường kính càng nhỏ càng tốt và có khả năng khuếch đại lớn, độ rộng chùm hẹp và hạn chế tối đa các búp sóng phụ phía sau ăng ten. Sử dụng 3 đèn magnetron để cung cấp năng lượng cho ăng ten yêu cầu phải phối hợp hiệu quả để tạo ra công suất phát lớn hơn. Do đó, ăng ten được thiết kế gồm 2 phần: Bộ phối hợp cộng công suất và phần loa nón. Bộ phối hợp cộng công suất có chức năng phối hợp các đèn phát cao tần với nhau và truyền sóng từ các đèn magnetron ra loa nón. Phần loa nón của ăng ten sẽ làm tăng hệ số khuếch đại và định hướng sóng về phía trước hiệu quả với độ rộng chùm hẹp. Trong phần này, bài báo trình bày về việc phối hợp cộng công suất các đèn magnetron và phần ăng ten loa nón. 2.1. Thiết kế phần phối hợp cộng công suất Phần phối hợp cộng công suất là một ống dẫn sóng hình trụ, có thể bằng đồng hoặc thép mạ kẽm, một đầu hở và một đầu được bịt kín [2]. Việc chọn ống dẫn sóng có đường kính phù hợp hết sức quan trọng, với một dải sóng sẽ tương ứng với một đường kính nhất định. Trong phạm vi thiết bị sử dụng đèn phát cao tần có tần số 2,45GHz chúng tôi đã sử dụng ống dẫn sóng có đường kính d . Giá trị d phải thỏa mãn các công thức trong ống dẫn sóng dưới dây. Tần số tới hạn dưới Cf của ống dẫn sóng: Cf là tần số tới hạn thấp nhất mà ống dẫn sóng có đường kính d sẽ hoạt động được. Nếu sử dụng tần số Cf f thì đường ống sẽ ngừng hoạt động như ống dẫn sóng. Bước sóng cắt dưới: 1,076C d   (1) Tần số cắt dưới: 8 83 10 3 10 1,076 C C f d      (2) Tần số tới hạn trên Hf của ống dẫn sóng: Hf là tần số tới hạn cao nhất mà ống dẫn sóng có đường kính d sẽ hoạt động được. Nếu sử dụng tần số Hf f thì đường ống sẽ ngừng hoạt động như ống dẫn sóng. Bước sóng cắt trên: 1,3065H d   (3) Tần số cắt trên: 8 83 10 3 10 1,3065 H H f d      (4) Từ đó ta có, với ống dẫn sóng có đường kính d sẽ sử dụng được với sóng có tần số trong dải C Hf f f  . Trong phạm vi nghiên cứu, ta sử dụng đèn magnetron có tần số 2,45f GHz , 12,2cm  . Kỹ thuật điện tử T. X. Kiên, , N. N. Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” 170 Tính toán chiều dài ống dẫn sóng: Bước sóng bên trong ống dẫn sóng [2]: 22 1 1 1 g C L              (5) Với 12,2cm  và 1,076C d   . Do đó: 2 2 1 1 1 12,2 1,076 gL d             (6) Hình 1. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa bước sóng gL và ống dẫn sóng có đường kính d. Chiều dài của ống dẫn sóng: 2 2 3 3 1 4 4 1 1 12,2 1,076 gL L d                (7) Sóng được đưa vào ống dẫn sóng thông qua 3 que dò và tạo thành sóng đứng nhờ phản xạ tại đầu kín của ống dẫn sóng. Bên trong ống dẫn sóng sẽ có các điểm là bụng sóng và nút sóng. Đầu dò được đưa vào ống dẫn sóng tại vị trí bụng sóng đầu tiên từ đầu kín của ống dẫn sóng. Khoảng cách từ que dò đến đầu kín ống dẫn sóng: 1 2 2 1 1 1 4 4 1 1 12,2 1,076 gL L d                (8) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 171 Chiều dài của que dò đặt bên trong ống dẫn sóng: 2 12,2 3,05 4 4 L cm     (9) Trong đó, 3 que dò được đặt tại các vị trí tạo với nhau các góc 120o. L = 3Lg/4 L1 = Lg/4 d L2 = λ/4 3Lg/4 Lg/4 d D Hình 2. Bản vẽ phần phối hợp và phần ăng ten loa. 2.2. Thiết kế phần ăng ten loa Giai đoạn đầu tiên phát triển hệ thống là thiết kế một ăng ten loa hình nón nhỏ gọn tạo ra các đặc tính bức xạ mong muốn từ các nguồn vi sóng. Yêu cầu thiết kế ăng ten loa hình nón có kích thước càng nhỏ gọn càng tốt, phát xạ hiệu quả chế độ TE11, có hệ số định hướng khoảng 10-15 dB và truyền năng lượng từ nguồn vào không gian càng nhiều càng tốt. Phần này mô tả lý thuyết về thiết kế ăng ten loa hình nón. Lý thuyết thiết kế Thiết kế của ăng ten loa hình nón được điều chỉnh bởi kích thước hình học và các ràng buộc định hướng. Quá trình thiết kế đã tham khảo từ tài liệu Antenna Theory: Analysis and Design của C. A. Balanis, trong đó có một phần về mở rộng ăng ten loa [6]. Phần loa nón được gắn vào đầu hở của ống dẫn sóng tròn đã được thiết kế trong phần trước của bài báo. l L d Hình 3. Mặt cắt ngang của ăng ten loa hình nón với các thông số thiết kế. Mô phỏng đã được sử dụng để điều chỉnh thiết bị, nhưng hình dạng cơ bản của loa nón được tính bằng cách sử dụng các công thức trong cuốn sách Antenna Kỹ thuật điện tử T. X. Kiên, , N. N. Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” 172 Theory: Analysis and Design của C. A. Balanis. Một mô hình cơ bản của loa hình nón với các thông số thiết kế được thể hiện trong hình 3. Việc phân tích trường rất phức tạp và là một khía cạnh quan trọng của ăng ten, nhưng đó không phải là cách hiệu quả nhất để tiếp cận thiết kế ăng ten đặc biệt này. Vì yêu cần cần thiết kế ăng ten có hệ số định hướng khoảng 10-15 dB, do đó, việc thiết kế loa hình nón là một bài toán ngược từ các yêu cầu về kích thước và hệ số định hướng này. Có thể tính hệ số định hướng của ăng ten loa hình nón với hiệu suất khẩu độ ϵap, là tỷ lệ giữa diện tích hiệu dụng và diện tích vật lý của ăng ten và chu vi khẩu độ C, bằng công thức:   2 2 10 102 4 ( ) 10log ( ) 10logap m C D dB a L s                   (10) Trong đó, am là bán kính của miệng loa nón, λ là bước sóng của sóng bức xạ và:   1010log apL s   (11) Trong phương trình (10), biểu thức đầu biểu thị hệ số định hướng của miệng loa tròn đồng nhất, còn biểu thức thứ 2 được thể hiện trong phương trình (11) và được gọi là hệ số suy hao, là sự điều chỉnh để giải thích việc suy hao trong hệ số định hướng do hiệu suất độ mở. Hệ số suy hao, được tính bằng decibel theo công thức:  2 3( ) 0,8 1,71 26,25 17,79L s s s s    (12) Trong đó, s là độ lệch pha cực đại, tính theo bước sóng và bằng: 2 8 mdS l  (13) Khả năng định hướng của loa nón sẽ tối ưu khi đường kính của nó bằng: 3md l (14) Giá trị này tương ứng với độ lệch pha khẩu độ tối đa 3/8 bước sóng và hệ số suy hao khoảng 2,9 dB. Hình 4. Đồ thị phụ thuộc hệ số định hướng của loa hình nón với đường kính khẩu độ ứng với các giá trị L cố định. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 173 Hệ số định hướng của loa hình nón là một hàm của đường kính khẩu độ, dm và chiều dài trục L. Mối quan hệ được thể hiện trong hình 4. Vì thiết bị mong muốn là nhỏ gọn, có hệ số định hướng cao do đó cần lựa chọn ăng ten loa nón có kích thước tối ưu là tốt nhất. Tần số bức xạ mong muốn là 2,45GHz tương ứng với bước sóng 12,2cm. Từ hình 4 ta có thể thấy khi chiều dài trục L tăng thì khả năng định hướng tối đa có thể tăng. Từ lý thuyết về thiết kế ăng ten loa nón chúng tôi đã thiết kế 4 ăng ten loa với các kích thước khác nhau: Ăng ten 1 có chiều dài trục 1L và đường kính miệng 1 5D d  (cm). Ăng ten 2 có chiều dài trục 2L và đường kính miệng 2 10D d  (cm). Ăng ten 3 có chiều dài trục 3L và đường kính miệng 3 20D d  (cm). Kỹ thuật điện tử T. X. Kiên, , N. N. Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” 174 Ăng ten 4 có chiều dài trục 4L và đường kính miệng 4 25D d  (cm). Trong 4 ăng ten loa nón đã được thiết kế về mặt lý thuyết là đáp ứng được yêu cầu của thiết bị. Đảm bảo kích thước ăng ten nhỏ gọn tiện cơ động và có hệ số định hướng cao (khoảng 13-14 dB). Cả 4 ăng ten đều được thử nghiệm và đo đạc các tham số để đánh giá và chọn ra ăng ten phù hợp với thiết bị nhất. 3. THỬ NGHIỆM ĂNG TEN LOA HÌNH NÓN 3.1. Giới thiệu hệ thống đo cường độ điện từ trường TS-EMF Hình 5. Ăng ten đo TSEMF-B1 30M-3GHz. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 175 Trong nghiên cứu, nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống đo cường độ điện từ trường TS-EMF, hệ thống gồm các thành phần cơ bản sau: - Ăng ten đo: Ăng ten R&S TSEMF B1 dải tần 30MHz-3GHZ; - Máy thu đo và phân tích: Máy phân tích phổ R&S FSL18; - Máy tính chạy phần mềm đo cường độ trường RFEX; - Các kết nối: Ăng ten TSEMF-B1 và TSEMF-B3 có hai dây kết nối + Dây cáp dữ liệu: dây RF, đầu kết nối loại N; + Dây cáp điều khiển: dây mỏng, đầu 7 chân, đầu này sẽ kết nối với dây cáp chuyển đổi từ 7 chân sang USB và nối vào máy tính. 3.2. Triển khai sơ đồ thí nghiệm 3 m 3 m 3 m 3 m 1,2 m 1,8 m Anten 1 2 3 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3,4 Vị trí phát Vị trí đo 45° 26,5° 18,4° 11,3° 456 4.1 5.1 6.1 4.3 5.26.2 1,2 m 1,8 m 1,2 m1,8 m1,2 m 4.2 4.4 Hình 6. Vị trí phát và đặt máy đo. Mật độ công suất đo được tại các điểm: Vị trí Loa 1 Loa 2 Loa 3 Loa 4 1 3,22 W/m 2 Quá tải Quá tải Quá tải 1.1 2,71 W/m 2 1,5 W/m 2 4 W/m 2 3,5 W/m 2 1.2 2,5 W/m 2 1,8 W/m 2 1,3 W/m 2 3,2 W/m 2 2 1 W/m 2 39 W/m 2 11 W/m 2 9 W/m 2 Kỹ thuật điện tử T. X. Kiên, , N. N. Hảo, “Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị chế áp điện tử tầm gần.” 176 2.1 0,35 W/m 2 7 W/m 2 8,7 W/m 2 8 W/m 2 2.2 0,16 W/m 2 1,2 W/m 2 4 W/m 2 7 W/m 2 2.3 0,4 W/m 2 6,8 W/m 2 8,5 W/m 2 8 W/m 2 2.4 0,22 W/m 2 1 W/m 2 5,5 W/m 2 5 W/m 2 3 0,08 W/m 2 15 W/m 2 8,5 W/m 2 8,5 W/m 2 3.1 Rất nhỏ 4 W/m2 7,5 W/m 2 7 W/m 2 3.2 Rất nhỏ 2,1 W/m2 7,2 W/m 2 4 W/m 2 3.3 Rất nhỏ 3,8 W/m2 7 W/m 2 7 W/m 2 3.4 Rất nhỏ 2,1 W/m2 5 W/m 2 5 W/m 2 4 Rất nhỏ 0,7 W/m2 0,7 W/m 2 0,9 W/m 2 4.1 Rất nhỏ 0, 6 W/m2 0,6 W/m 2 0,35 W/m 2 4.2 Rất nhỏ 0,2 W/m2 0,3 W/m 2 0,5 W/m 2 4.3 Rất nhỏ 0,5 W/m2 0,9 W/m 2 1.3 W/m 2 4.4 Rất nhỏ 0,21 W/m2 0,6 W/m 2 0,4 W/m 2 5 Rất nhỏ 0,3 W/m2 0,5 W/m 2 0,5 W/m 2 5.1 Rất nhỏ 0,15 W/m2 0,6 W/m 2 0,6 W/m 2 5.2 Rất nhỏ 0,1 W/m2 0,8 W/m 2 1,2 W/m 2 6 Rất nhỏ 0,09 W/m2 0,5 W/m 2 0,2 W/m 2 6.1 Rất nhỏ 0,07 W/m2 0,55 W/m 2 0,09 W/m 2 6.2 Rất nhỏ 0,06 W/m2 0,23 W/m 2 0,15 W/m 2 Từ kết quả đo cho ta thấy ăng ten thứ 2 với đường kính loa D = d + 10 có khả năng định hướng về phía trước và triệt tiêu cánh sóng bên tốt nhất. Công suất phát xạ ra phía sau nhỏ không đáng kể. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, đã nghiên cứu khả năng lan truyền và định hướng của ăng ten loa nón, từ thực tế thử nghiệm và đo đạc các tham số từ các ăng ten đã thiết kế chúng tôi đã tìm ra được ăng ten có các kích thước phù hợp với khả năng khuếch đại lớn và độ rộng chùm hẹp dựa trên các đặc tính của ăng ten loa nón. Ăng ten có 2 phần gồm phần phối hợp cộng công suất và loa nón, kích thước của ăng ten nhỏ gọn giúp cơ động tốt trên thực địa. Cấu trúc của phần nón được gắn vào ống dẫn sóng để định hướng năng lượng về phía trước và triệt tiêu cánh sóng bên hiệu quả. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 177 Để sử dụng đèn magnetron làm nguồn phát cho ăng ten, nhóm nghiên cứu đã chế tạo phần phối hợp nhằm để giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng và kết hợp 3 đèn phát một cách hiệu quả. Kết quả nghiên cứu này sẽ là những cơ sở thực tiễn để chúng tôi nghiên cứu, phát triển hoàn thiện thiết bị ứng dụng trong chế áp các thiết bị điện tử và các phương tiện di chuyển trong tầm gần. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Виноградов Е.М, Винокуров В.И, Харченко И.П. “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств”. Л. Сосудстроение 1986. [2]. Апорович А.Ф. “Статистическая теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств”. Мн. Наука и техника 1984. [3]. KOPP, Carlo and Peter GOON. “Air Power Australia: Australia's Independent Defence Think Tank”. KOPP, Carlo. Russian/Soviet Point Defence Weapons [online]. 2008 [cit. 2015-01-05]. Available from: [4]. DIEHL BGT DEFENCE. “HPEMcase: Non-Lethal Effector Systems for the Protection of Persons and Buildings”. [online]. Roethenbach/Pegnitz, Germany, 2013, 3 p. [cit. 2015-01-05]. Available from: [5]. “Eureka Aerospace: Solution to high- tech problems”. [online]. 2014 [cit. 2015-01-05]. Available from: [6]. C. A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, 3rd Edition, 3rd ed. WileyInterscience, 2005. ABSTRACT STUDY AND APPLICATION OF ANTENNA DESIGN METHOD FOR NEAR-RANGER ELECTRONIC COUNTERMEASURES EQUIPMENT The paper presents a research on electromagnetic waves with frequency up to 2.45GHz, integration of microwave emitting tube, antenna development, emission control and monitoring, and then the development of electronic guns for electronic attacks on electronic devices and close range moving vehicles. Keywords: Electromagnetic guns; Electronic warfare; Block of perturbative vehicles and violence. Nhận bài ngày 19 tháng 4 năm 2020 Hoàn thiện ngày 23 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Điện tử /Viện KH&CN quân sự; 2Học viện Kỹ thuật quân sự. *Email: txkien2003@gmail.com.