Thiết kế, chế tạo Anten băng thông siêu rộng cho hệ thống giám sát các thông số động cơ đầu máy xe lửa

Trong bài báo này, một anten loa TEM đã được nghiên cứu chế tạo, anten này đóng vai trò là anten thu của mạng cảm biến UWB, áp dụng cho hệ thống giám sát động cơ 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. Anten có băng thông hoạt động rộng trong khoảng từ 1GHz đến 8 GHz và có hiệu suất cao và giá trị tăng ích lớn trên toàn bộ dải tần. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thiết kế, chế tạo Anten băng thông siêu rộng cho hệ thống giám sát thông số động đầu máy xe lửa Đặng Anh Tuấn1, Nguyễn Việt Hưng2, Nguyễn Hồng Vũ1, Lâm Hồng Thạch3, Sergey V Volvenko4, Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Học viện cơng nghệ Bưu Viễn Thơng Đại học Bách Khoa Hà Nội Peter the Great St Petersburg Polytechnic University, Saint Petersburg 195251, Russia TEM (Transverse Electromagnetic) thiết kế đặc biệt Các anten loa TEM sử dụng làm anten thu phát băng rộng cho ứng dụng khác Loại anten có ưu điểm băng rộng, không phân tán, độ định hướng cao dễ dàng chế tạo Trong [6] trình bày phương pháp thiết kế cho anten TEM đề xuất sở lý thuyết ống dẫn sóng song song Anten TEM có hình dạng tam giác có cấu trúc giảm dần tuyến tính để tăng băng thông phù hợp Một ăng-ten băng rộng mở rộng theo cấp số mũ theo chiều dọc có balun thiết kế [7] Balun sử dụng để cải thiện đặc tính trở kháng anten TEM Ăng-ten thiết kế sử dụng khơng cho phép đo EMC, mà cho hệ thống truyền thông băng thông rộng Các công thức phân tích thiết kế trình bày [8], dựa ánh xạ bảo giác (Conformal Mapping), tính tốn trở kháng đặc trưng anten loa TEM Abstract— In this papers a design of TEM horn antenna, was studied for receiving antennas of a UWB sensor network, which can be applied for Locomotive engine monitoring system Simulation and measurement results have showed the designs meet the system requirements The antenna has ultra large operation bandwidth which ranges from 1GHz to GHz and good gain value across the whole band Keywords—UWB, sensor network, TEM horn, Abstract— Trong báo này, anten loa TEM nghiên cứu chế tạo, anten đóng vai trị anten thu mạng cảm biến UWB, áp dụng cho hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa Kết mô đo lường cho thấy thiết kế đáp ứng yêu cầu hệ thống Anten có băng thông hoạt động rộng khoảng từ 1GHz đến GHz có hiệu suất cao giá trị tăng ích lớn tồn dải tần Từ khóa—UWB, mạng cảm biến không dây, TEM horn, I GIỚI THIỆU Với mục đích đề cập trên, báo trình bày cấu trúc sau: Hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa trình bày phần II Anten thu cho hệ thống giám sát trọng tâm báo trình bày phần III với kết mơ thử nghiệm Phần IV trình bày ngắn gọn hiệu suất hệ thống giám sát cách sử dụng ăng-ten đề xuất Phần cuối để kết luận thảo luận Trong năm gần đây, giao tiếp tầm ngắn sử dụng cảm biến có độ phân giải cao ứng dụng công nghệ truyền thông băng rộng (UWB) vấn đề nóng nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển [1] - [3] Trong dự án hợp tác Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Đại học Bách Khoa St Petersburg, nhóm tác giả phát triển hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa Tại cấp trường, đo phát tín hiệu băng thông siêu rộng gắn lớp vỏ động cơ, nguồn cung cấp cho thiết bị biến đổi lượng nhiệtđiện Thông số đo lường giá trị nhiệt độ, áp suất vị trí khác động cơ, sau tính tốn, giá trị nhiệt độ, áp suất truyền tới Trạm thiết bị thu liệu băng thông siêu rộng, từ đó, liệu truyền thiết bị hiển thị buồng lái cho người lái theo dõi điều khiển động Môi trường truyền dẫn đặc biệt có diện nhiễu phản xạ, nhiễu đa đường giao thoa hẹp không gian động cơ, khiến cho việc sử dụng hệ thống truyền thơng băng hẹp khơng hiệu Do đó, giải pháp sử dụng tín hiệu siêu băng rộng (UWB) đề xuất Mạng cảm biến sử dụng tín hiệu UWB trình bày [2], [4], [5] chứng minh hệ thống có nhiều ưu điểm so với hệ thống băng hẹp II A Kiến trúc hệ thống Cấu trúc mạng cảm biến không dây băng thông siêu rộng cho hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa thể hình Việc kết hợp cảm biến thành nhiều nhóm dựa vị trí chúng tính tốn cho phù hợp với thực tế Nhóm bao gồm: Cảm biến đo thông số nhiệt độ nước sau làm mát, nhiệu độ nước trước làm mát, áp suất nhiên liệu trước lọc, áp suất nhiên liệu sau lọc, áp suất dầu trước lọc áp suất dầu sau lọc Nhóm thu thập xử lý thu thập xử lý liệu DAPU-1 Nhóm bao gồm: Cảm biến đo thông số nhiệt độ khí xả bên trái, nhiệt độ khí xả bên phải, áp suất đầu vào máy nén khí bên trái, áp suất đầu vào máy nén khí bên Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế anten thu nhận tín hiệu băng siêu rộng hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa, cụ thể anten loa XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE TỔNG QUAN HỆ THỐNG UWB 244 - Băng tần hoạt động từ 1GHz đến 8GHz phải Nhóm thu thập xử lý thu thập xử lý liệu DAPU-2 - Kích thước tổng thể (đường kính đường cầu ngoại tiếp anten) khơng q 10-15 cm Nhóm bao gồm DAPU-1 DAPU-2 đo thông số áp suất đầu tăng áp cảm biến áp suất cacte Các cảm biến đặt tương đối tách biệt với cảm biến khác - Định hướng với độ lợi cao - Không bị phân tán pha - Phối hợp trở kháng tốt toàn dải tần hoạt động Khối thiết bị điều khiển (Control Unit) bao gồm ăngten thu, thu UWB PC - Không yêu cầu sử dụng thiết bị cân phối hợp riêng biệt Từ yêu cầu kỹ thuật này, đề xuất thiết kế anten thu trình bày phần III THIẾT KẾ CHẾ TẠO ANTEN THU Để thiết kế anten thu cho hệ thống, nhóm tác giả tiếp cận tham khảo mẫu thiết kế dựa phiên anten loa TEM cổ điển trình bày [6], [9], theo kết tài liệu, cho thấy anten có băng thơng cực lớn độ lợi cao kích thước nhỏ (Hình 4a) Hình Kiến trúc hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa Anten thiết kế dựa loại anten có độ phân tán thấp [10] có mặt phát xạ xung UWB khác biệt so với phát xạ UWB biết Anten hình thành hai kim loại song song tách theo hai hướng ngược đóng vai trị mặt phản xạ (Reflector), mặt phát xung nằm gọi “Tongue” đóng vai trị mặt phát xạ, (Hình 4b) B Bộ phát Kiến trúc phát thể hình Các cảm biến khác kết nối với vi điều khiển STM32F401 Vi điều khiển xử lý liệu thành khung liên kết liệu biểu mẫu gói lớp vật lý Sau gói lớp vật lý truyền tới tạo xung UWB phát tín hiệu tới thu SPI Cảm biến STM32F401 Bộ tạo xung UWB Hình Kiến trúc phát C Bộ thu Kiến trúc thu thể hình Bộ thu bao gồm khuếch đại tạp âm thấp (Low-Noise Amplifier LNA), khối phát lượng (Energy Detector - ED), D-trigger FPGA Tín hiệu nhận sau khuếch đại so sánh với mức tham chiếu ngưỡng cách sử dụng so sánh tương tự tốc độ cao khối «ED» Khối D-trigger sau tạo thành xung hình chữ nhật cho FPGA xử lý a) b) Hình Anten loa TEM cổ điển a) Anten loa “Tongue” TEM b) Thiết kế ăng-ten sử dụng nguyên lý mặt xạ băng rộng, phải hoạt chuyển đổi hoà hợp trở kháng tốt băng rộng, để dịng kích thích cổng chuyển thành trường xạ mặt mở anten tạo lượng xạ không gian theo mật độ mong muốn Bộ chuyển đổi tạo hai phẳng dạng tam giác có đáy mở rộng dần, có cấu trúc hình học thích hợp Cụ thể, thứ nhất, kích thước lớn hơn, gọi "tấm phản xạ" Tấm thứ hai, kích thước nhỏ hơn, gọi "lưỡi", phận xạ sóng điện từ Trong thiết kế chúng tơi, này sau nối ngắn mạch xuống mặt đế, giải pháp để thu nhỏ kích thước anten Việc cấp điện cho ăng-ten thể hình 5b đầu nối cáp đồng trục UHF 50-Ω gắn từ mặt sau nó, mặt đế hàn với phản xạ, đầu trục cáp nối với xạ Hình Kiến trúc thu Bộ thu Ăng-ten thu thường có kích thước lớn so với phát ăng-ten phát Kích thước anten lớn cho phép Anten thu tăng độ lợi băng thông lên đáng kể D Yêu cầu kỹ thuật anten thu Theo yêu cầu phân tích hệ thống, anten thu cần đạt tiêu kỹ thuật sau: 245 Hình Mơ hình mơ a) hình ảnh chế tạo thực tế b) Kích thước tổng thể anten 140 x 80 x 100mm (Dài x Rộng x Cao) Kích thước đường cong tối ưu thể hình Kết mơ đo lường trình bày hình hình cho thấy tương ứng tốt mô chế tạo thực Anten có băng tần hoạt động lớn từ 1Ghz đến 7.5 Ghz Hình Mơ đồ thị phương hướng anten thiết kế Mô xạ ăng-ten cho thấy hiệu suất tốt 97% đạt độ lợi cao (từ 7-12 dBi tần số 3GHz tần số cao hơn) Các giá trị thực tế đo kiểm thấp chút so với kết mô Hình Tuy nhiên, đạt yêu cầu thiết kế thực tế Hình Độ lợi anten thiết kế Hình Bảng kích thước tối ưu tham số đường cong IV THỬ NGHIỆM ANTEN VỚI HỆ THỐNG Hệ thống giám sát triển khai với nguyên mẫu anten thu thiết kế phần trước Ăng-ten phát cho cảm biến mẫu ăng-ten đơn cực kích thước nhỏ Hình 10 Hình 10 Mơ hình ăng-ten phát Nhóm tác giả thực số thí nghiệm sơ với máy dao động ký Agilent Technologies DSO9104A Nhóm tác giả ghi lại hình dạng xung UWB nhận (Hình 10) Khoảng cách máy phát anten thu mét Tốc độ lấy mẫu dao động ký Gs / s Như thấy thời gian xung UWB nhận Hình Kết mơ đo lường thực tế tham số S11 246 nhỏ 10 ns Kết xác nhận thiết kế ăngten hoạt động tốt với yêu cầu hệ thống I KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả trình bày thiết kế anten loa TEM, anten ứng dụng làm anten thu cho mạng cảm biến không dây băng thông siêu rộng, cụ thể hệ thống giám sát thông số kỹ thuật đầu máy xe lửa Kết mô đo lường cho thấy thiết kế đáp ứng yêu cầu hệ thống Điều thể kết tích hợp nguyên mẫu anten 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: Enabling Reliable Low-Complexity Communication,” in 2015 IEEE 82nd Vehicular Technology Conference (VTC2015Fall), 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 [7] Kyungho Chung, S Pyun, and Jaehoon Choi, “Design of an ultrawide-band TEM horn antenna with a microstrip-type balun,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 53, no 10, pp 3410–3413, Oct 2005 [8] R T Lee and G S Smith, “On the Characteristic Impedance of the TEM Horn Antenna,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 52, no 1, pp 315–318, Jan 2004 [9] A A H Ameri, G Kompa, and A Bangert, “Study About TEM Horn Size Reduction for Ultra- Wideband Radar Application,” p [10] D L Sostanovsky and A O Boryssenko, “A Novel Tongue UWB Antenna,” Patent Ukraine #65488 A, 03-Mar-2004 Hình 11 Xung UWB nhận máy đo Hình 12 Gói tin vật lý nhận từ DAPU-1 Bên cạnh đó, hệ thống thử nghiệm động đầu máy làm việc thực tế nhà máy xe lửa Gia Lâm Bộ phát đặt khoảng cách 1,5 4,5 mét Hệ thống hoạt động ổn định hiệu cao Tỷ lệ phần trăm gói tin nhận cách xác cao thể Bảng I BẢNG I KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG Tên thành phần Phần trăm gói tin phân phối xác Thí nghiệm (1.5m) Thí nghiệm (4.5m) 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 ... không dây băng thông siêu rộng, cụ thể hệ thống giám sát thông số kỹ thuật đầu máy xe lửa Kết mô đo lường cho thấy thiết kế đáp ứng yêu cầu hệ thống Điều thể kết tích hợp nguyên mẫu anten hệ thống. .. kết tài liệu, cho thấy anten có băng thông cực lớn độ lợi cao kích thước nhỏ (Hình 4a) Hình Kiến trúc hệ thống giám sát động đầu máy xe lửa Anten thiết kế dựa loại anten có độ phân tán thấp [10]... III THIẾT KẾ CHẾ TẠO ANTEN THU Để thiết kế anten thu cho hệ thống, nhóm tác giả tiếp cận tham khảo mẫu thiết kế dựa phiên anten loa TEM cổ điển trình bày [6], [9], theo kết tài liệu, cho thấy anten