Xem mẫu
- Thiết kế, chế tạo Anten băng thông siêu rộng cho hệ
thống giám sát các thông số động cơ đầu máy xe lửa
Đặng Anh Tuấn1, Nguyễn Việt Hưng2, Nguyễn Hồng Vũ1, Lâm Hồng Thạch3, Sergey V. Volvenko4,
1
Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa
2
Học viện công nghệ Bưu chính Viễn Thông
3
Đại học Bách Khoa Hà Nội
4
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint Petersburg 195251, Russia
Abstract— In this papers a design of TEM horn antenna, was TEM (Transverse Electromagnetic) được thiết kế đặc biệt.
studied for receiving antennas of a UWB sensor network, which Các anten loa TEM đã được sử dụng làm anten thu phát
can be applied for Locomotive engine monitoring system. băng rộng cho các ứng dụng khác nhau. Loại anten này có
Simulation and measurement results have showed the designs
ưu điểm là băng rộng, không phân tán, độ định hướng cao
meet the system requirements. The antenna has ultra large
operation bandwidth which ranges from 1GHz to 8 GHz and và dễ dàng chế tạo. Trong [6] trình bày một phương pháp
good gain value across the whole band. thiết kế mới cho một anten TEM được đề xuất trên cơ sở
lý thuyết ống dẫn sóng song song. Anten TEM có hình
Keywords—UWB, sensor network, TEM horn, dạng tam giác này có cấu trúc giảm dần tuyến tính để tăng
Abstract— Trong bài báo này, một anten loa TEM đã được
băng thông phù hợp. Một ăng-ten băng rộng mở rộng theo
nghiên cứu chế tạo, anten này đóng vai trò là anten thu của cấp số mũ theo chiều dọc và có một balun được thiết kế
mạng cảm biến UWB, áp dụng cho hệ thống giám sát động cơ trong [7]. Balun được sử dụng để cải thiện đặc tính trở
đầu máy xe lửa. Kết quả mô phỏng và đo lường đã cho thấy các kháng của anten TEM. Ăng-ten được thiết kế có thể được
thiết kế đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Anten có băng thông sử dụng không chỉ cho các phép đo EMC, mà còn cho các
hoạt động rộng trong khoảng từ 1GHz đến 8 GHz và có hiệu hệ thống truyền thông băng thông rộng. Các công thức
suất cao và giá trị tăng ích lớn trên toàn bộ dải tần. phân tích và thiết kế được trình bày trong [8], dựa trên ánh
xạ bảo giác (Conformal Mapping), tính toán trở kháng đặc
Từ khóa—UWB, mạng cảm biến không dây, TEM horn,
trưng của anten loa TEM.
I. GIỚI THIỆU Với mục đích đề cập ở trên, bài báo này sẽ được trình
Trong những năm gần đây, giao tiếp tầm ngắn sử dụng bày trong cấu trúc sau: Hệ thống giám sát động cơ đầu
các cảm biến có độ phân giải cao ứng dụng công nghệ máy xe lửa sẽ được trình bày trong phần II. Anten thu cho
truyền thông băng rộng (UWB) đang là vấn đề nóng được hệ thống giám sát là trọng tâm chính của bài báo này sẽ
nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển [1] - [3]. Trong được trình bày trong phần III cùng với các kết quả mô
dự án hợp tác giữa Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự phỏng và thử nghiệm của nó. Phần IV sẽ trình bày ngắn
động hóa và Đại học Bách Khoa St. Petersburg, nhóm tác gọn hiệu suất của hệ thống giám sát của chúng tôi bằng
giả đã phát triển một hệ thống giám sát động cơ đầu máy cách sử dụng ăng-ten được đề xuất. Phần cuối cùng là để
xe lửa. Tại cấp trường, các bộ đo và phát tín hiệu băng kết luận và thảo luận.
thông siêu rộng được gắn trên lớp vỏ động cơ, nguồn cung
cấp cho các thiết bị này là bộ biến đổi năng lượng nhiệt- II. TỔNG QUAN HỆ THỐNG UWB
điện. Thông số đo lường là các giá trị nhiệt độ, áp suất tại
các vị trí khác nhau của động cơ, sau khi tính toán, giá trị A. Kiến trúc hệ thống
nhiệt độ, áp suất được truyền tới Trạm thiết bị thu dữ liệu Cấu trúc của mạng cảm biến không dây băng thông siêu
băng thông siêu rộng, từ đó, dữ liệu sẽ được truyền về các rộng cho hệ thống giám sát động cơ đầu máy xe lửa được
thiết bị hiển thị tại buồng lái cho người lái theo dõi và điều thể hiện trong hình 1. Việc kết hợp các cảm biến thành
khiển động cơ. Môi trường truyền dẫn đặc biệt có sự hiện nhiều nhóm dựa trên vị trí của chúng được tính toán cho
diện của nhiễu phản xạ, nhiễu đa đường và sự giao thoa phù hợp với thực tế.
hẹp trong không gian động cơ, khiến cho việc sử dụng hệ
thống truyền thông băng hẹp là không hiệu quả. Do đó, Nhóm 1 bao gồm: Cảm biến đo các thông số nhiệt độ
giải pháp sử dụng tín hiệu siêu băng rộng (UWB) đã được nước sau làm mát, nhiệu độ nước trước làm mát, áp suất
đề xuất. Mạng cảm biến sử dụng tín hiệu UWB được trình nhiên liệu trước lọc, áp suất nhiên liệu sau lọc, áp suất dầu
bày trong [2], [4], [5] chứng minh rằng hệ thống như vậy trước lọc và áp suất dầu sau lọc. Nhóm này được thu thập
có thể có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống băng hẹp. và xử lý bằng bộ thu thập xử lý dữ liệu DAPU-1.
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một thiết kế Nhóm 2 bao gồm: Cảm biến đo các thông số nhiệt độ
anten thu nhận tín hiệu băng siêu rộng trong hệ thống khí xả bên trái, nhiệt độ khí xả bên phải, áp suất đầu vào
giám sát động cơ đầu máy xe lửa, cụ thể là một anten loa máy nén khí bên trái, áp suất đầu vào máy nén khí bên
XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE
244
- phải. Nhóm này được thu thập và xử lý bằng bộ thu thập - Băng tần hoạt động từ 1GHz đến 8GHz.
xử lý dữ liệu DAPU-2. - Kích thước tổng thể (đường kính của đường cầu ngoại
Nhóm 3 bao gồm một bộ DAPU-1 và 4 bộ DAPU-2 đo tiếp anten) không quá 10-15 cm.
các thông số áp suất đầu ra của bộ tăng áp và bộ cảm biến - Định hướng với độ lợi cao.
áp suất cacte. Các cảm biến này được đặt tương đối tách
- Không bị phân tán pha.
biệt với các cảm biến khác.
- Phối hợp trở kháng tốt trên toàn bộ dải tần hoạt động.
Khối thiết bị điều khiển (Control Unit) bao gồm ăng-
ten thu, bộ thu UWB và PC. - Không yêu cầu sử dụng thiết bị cân bằng và phối hợp
riêng biệt.
Từ các yêu cầu kỹ thuật này, một đề xuất thiết kế anten thu
được trình bày trong phần tiếp theo.
III. THIẾT KẾ CHẾ TẠO ANTEN THU
Để thiết kế anten thu cho hệ thống, nhóm tác giả đã tiếp
cận và tham khảo mẫu thiết kế dựa trên một phiên bản
anten loa TEM cổ điển được trình bày tại [6], [9], theo kết
quả trong tài liệu, cho thấy anten có băng thông cực lớn
Hình 1. Kiến trúc hệ thống giám sát động cơ đầu máy xe lửa và độ lợi cao mặc dù kích thước khá nhỏ của nó (Hình 4a).
Anten thiết kế dựa trên một loại anten có độ phân tán
B. Bộ phát
thấp [10] có mặt phát xạ xung UWB khác biệt so với các
Kiến trúc bộ phát được thể hiện trong hình 2. Các cảm bộ phát xạ UWB đã biết. Anten này được hình thành bởi
biến khác nhau được kết nối với vi điều khiển hai tấm kim loại song song dần dần tách ra theo hai hướng
STM32F401. Vi điều khiển xử lý dữ liệu thành các khung ngược nhau đóng vai trò là mặt phản xạ (Reflector), mặt
liên kết dữ liệu biểu mẫu và các gói lớp vật lý. Sau đó các phát xung nằm ở giữa được gọi là “Tongue” đóng vai trò
gói lớp vật lý này sẽ được truyền tới bộ tạo xung UWB và là mặt phát xạ, (Hình 4b).
phát tín hiệu tới bộ thu.
SPI
Bộ tạo xung
Cảm biến STM32F401 UWB
Hình 2. Kiến trúc bộ phát.
C. Bộ thu
Kiến trúc bộ thu được thể hiện trong hình 3. Bộ thu bao
gồm bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low-Noise Amplifier - a) b)
LNA), khối phát hiện năng lượng (Energy Detector - ED),
D-trigger và FPGA. Tín hiệu nhận được sau khi được Hình 4. Anten loa TEM cổ điển a) và Anten loa “Tongue” TEM b).
khuếch đại sẽ được so sánh với mức tham chiếu ngưỡng
bằng cách sử dụng bộ so sánh tương tự tốc độ cao trong Thiết kế ăng-ten này sử dụng nguyên lý của một mặt bức
xạ băng rộng, nó phải hoạt như một bộ chuyển đổi được hoà
khối «ED». Khối D-trigger sau đó tạo thành các xung hình hợp trở kháng tốt trên băng rộng, để dòng kích thích tại cổng
chữ nhật cho FPGA xử lý. chuyển thành trường bức xạ tại mặt mở của anten và tạo ra
năng lượng bức xạ trong không gian theo một mật độ mong
muốn. Bộ chuyển đổi này được tạo ra bởi hai tấm phẳng dạng
tam giác có đáy mở rộng dần, có cấu trúc hình học thích hợp.
Cụ thể, tấm thứ nhất, kích thước lớn hơn, được gọi là "tấm
phản xạ". Tấm thứ hai, kích thước nhỏ hơn, được gọi là "lưỡi",
và là bộ phận bức xạ sóng điện từ. Trong thiết kế của chúng
Hình 3. Kiến trúc bộ thu.
tôi, tấm này này sau đó được nối ngắn mạch xuống mặt đế,
đây là giải pháp để thu nhỏ kích thước anten. Việc cấp điện
Bộ thu và Ăng-ten thu thường có kích thước lớn so với cho ăng-ten được thể hiện trong hình 5b trong đó đầu nối cáp
bộ phát và ăng-ten phát. Kích thước anten lớn cho phép đồng trục UHF 50-Ω được gắn từ mặt sau của nó, mặt đế được
Anten thu tăng được độ lợi và băng thông lên đáng kể. hàn với tấm phản xạ, và đầu trục của cáp được nối với tấm bức
xạ.
D. Yêu cầu kỹ thuật của anten thu
Theo các yêu cầu phân tích của hệ thống, anten thu cần đạt
được các chỉ tiêu kỹ thuật như sau:
245
- Hình 5. Mô hình mô phỏng a) và hình ảnh chế tạo thực tế b)
Kích thước tổng thể của anten là 140 x 80 x 100mm (Dài
x Rộng x Cao). Kích thước đường cong tối ưu được thể hiện
trong hình 6.
Kết quả mô phỏng và đo lường được trình bày trong hình
Hình 8. Mô phỏng đồ thị phương hướng của anten thiết kế.
7 và hình 8 cho thấy sự tương ứng tốt giữa mô phỏng và chế
tạo thực thế. Anten có băng tần hoạt động lớn từ 1Ghz đến 7.5
Mô phỏng bức xạ của ăng-ten cũng cho thấy hiệu suất rất
Ghz.
tốt là 97% và đạt được độ lợi cao (từ 7-12 dBi ở tần số 3GHz
và các tần số cao hơn). Các giá trị thực tế đo kiểm thấp hơn
một chút so với kết quả mô phỏng như trong Hình 9 Tuy nhiên,
vẫn đạt được yêu cầu thiết kế trong thực tế.
Hình 9. Độ lợi của anten thiết kế.
Hình 6. Bảng kích thước tối ưu của các tham số đường cong. IV. THỬ NGHIỆM ANTEN VỚI HỆ THỐNG.
Hệ thống giám sát được triển khai với nguyên mẫu
anten thu được thiết kế trong phần trước. Ăng-ten phát cho
các cảm biến là mẫu ăng-ten đơn cực kích thước nhỏ như
trong Hình 10.
Hình 10. Mô hình ăng-ten phát.
Nhóm tác giả đã thực hiện một số thí nghiệm sơ bộ với
Hình 7. Kết quả mô phỏng và đo lường thực tế tham số S11 máy dao động ký Agilent Technologies DSO9104A. Nhóm
tác giả đã ghi lại hình dạng của một xung UWB nhận được
(Hình 10). Khoảng cách giữa máy phát và anten thu được
bằng 2 mét. Tốc độ lấy mẫu của dao động ký bằng 1 Gs / s.
Như chúng ta có thể thấy thời gian của các xung UWB nhận
246
- được nhỏ hơn 10 ns. Kết quả này đã xác nhận thiết kế ăng- I. KẾT LUẬN
ten hoạt động tốt với yêu cầu hệ thống. Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày thiết kế mới
của một anten loa TEM, anten được ứng dụng làm anten
thu cho mạng cảm biến không dây băng thông siêu rộng,
cụ thể là hệ thống giám sát các thông số kỹ thuật đầu máy
xe lửa. Kết quả mô phỏng và đo lường đã cho thấy các thiết
kế đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Điều này thể hiện
trong kết quả tích hợp nguyên mẫu anten trong hệ thống
thử nghiệm thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R. Cicchetti, E. Miozzi, and O. Testa, “Wideband and UWB
Antennas for Wireless Applications: A Comprehensive
Review,” Int. J. Antennas Propag., vol. 2017, pp. 1–45, 2017.
[2] E. Slottke, M. Kuhn, A. Wittneben, H. Luecken, and C.
Cartalemi, “UWB Marine Engine Telemetry Sensor Networks:
Hình 11. Xung UWB nhận được trên máy đo. Enabling Reliable Low-Complexity Communication,” in 2015
IEEE 82nd Vehicular Technology Conference (VTC2015-
Fall), Boston, MA, USA, 2015, pp. 1–5.
[3] K. Siwiak and D. McKeown, Ultra-wideband radio
technology. Chichester ; Hoboken, NJ: John Wiley & Sons,
2004.
[4] C. U. Bas and S. C. Ergen, “Ultra-wideband Channel Model
for Intra-vehicular Wireless Sensor Networks Beneath the
Chassis: From Statistical Model to Simulations,” IEEE Trans.
Veh. Technol., vol. 62, no. 1, pp. 14–25, Jan. 2013.
[5] Y. Jin, D. Kwak, K. J. Kim, and K. S. Kwak, “Cyclic Prefixed
Single Carrier Transmission in Intra-Vehicle Wireless Sensor
Networked Control Systems,” in 2014 IEEE 79th Vehicular
Technology Conference (VTC Spring), Seoul, South Korea,
2014, pp. 1–5.
[6] R. T. Lee and G. S. Smith, “A design study for the basic TEM
horn antenna,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 46, no. 1,
pp. 86–92, Feb. 2004.
Hình 12. Gói tin vật lý nhận được từ DAPU-1. [7] Kyungho Chung, S. Pyun, and Jaehoon Choi, “Design of an
ultrawide-band TEM horn antenna with a microstrip-type
Bên cạnh đó, hệ thống đã được thử nghiệm trên động balun,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 10, pp.
cơ đầu máy đang làm việc trong thực tế tại nhà máy xe lửa 3410–3413, Oct. 2005.
[8] R. T. Lee and G. S. Smith, “On the Characteristic Impedance
Gia Lâm. Bộ phát được đặt ở khoảng cách 1,5 và 4,5 mét.
of the TEM Horn Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag.,
Hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả cao. Tỷ lệ phần vol. 52, no. 1, pp. 315–318, Jan. 2004.
trăm của các gói tin nhận được một cách chính xác rất cao [9] A. A. H. Ameri, G. Kompa, and A. Bangert, “Study About
được thể hiện trong Bảng I. TEM Horn Size Reduction for Ultra- Wideband Radar
BẢNG I. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG Application,” p. 4.
Tên thành phần Phần trăm gói tin được phân phối chính xác [10] D. L. Sostanovsky and A. O. Boryssenko, “A Novel Tongue
Thí nghiệm 1 (1.5m) Thí nghiệm 2 (4.5m) UWB Antenna,” Patent Ukraine #65488 A, 03-Mar-2004.
DAPU-1 99.97% 92.60%
DAPU-2 99.99% 96.35%
Sensor-1 65.29% 63.04%
Sensor-2 63.88% 61.36%
247
nguon tai.lieu . vn
