Microsoft Word 00 a loinoidau TV (moi thang1 2016) docx ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108) 2016, Quyển 1 11 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ANTEN XOẮN SIÊU NHỎ CÓ SỬ DỤNG PHẦN T[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 11 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ANTEN XOẮN SIÊU NHỎ CÓ SỬ DỤNG PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG CHO TPMS PROPOSING STRUCTURE OF VERY SMALL HELICAL ANTENNAE USING PARASITIC ELEMENTS FOR TPMS Phan Trọng Đức, Hồng Đình Thun, Nguyễn Bá Tỉnh Học viện Phịng khơng Khơng qn; phanducncs32@gmail.com Tóm tắt - Trong báo này, tác giả đề xuất cấu trúc anten xoắn trụ trịn kích thước siêu nhỏ (cỡ 0.01λ) kết hợp với phần tử thụ động sử dụng hệ thống tự động giám sát áp suất lốp xe ô tô Với cấu trúc anten xoắn đề xuất, tác giả thay anten khung sử dụng anten xoắn trụ tròn nghiên cứu Điểm mẫu anten đề xuất sử dụng phần tử thụ động gọn nhỏ để phối hợp trở kháng, đồng thời nâng cao hệ số tăng ích cho anten lên đến dB Tác giả tối ưu cấu trúc cộng hưởng tính tốn tham số như: trở kháng vào; hệ số tăng ích; hệ số sóng đứng điện áp; phân bố dịng đồ thị xạ anten đặt mẫu anten khơng gian tự Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản hợp lý cho TPMS Abstract - In this paper, the authors proposes cylindrical helical antenna structures with tiny size (about 0.01λ) combined with parasitic elements used in auto monitoring system of vapor pressure in automobile tires With the proposed helical antenna structure, the author will replace currently used loop antennae with cylindrical helical antennae which have been studied A new feature of the proposed antenna pattern is the use of parasitic smaller elements for impedance matching while improving the antenna gain coefficient of up to dB The author optimizes resonant structure and calculates parameters such as input impedance, gain coefficient, voltage standing wave ratio, the current distribution and the antenna radiation pattern when placing the antenna in the free space The proposed antenna has a simple structure and is suitable for TPMS Từ khóa - anten xoắn; phần tử thụ động; phối hợp trở kháng; hệ số sóng đứng điện áp; TPMS Key words - helical antenna; parasitic element; impedance matching; voltage standing wave ratio; TPMS Đặt vấn đề Để nâng cao an toàn cho xe ô tô tham gia giao thông, hệ thống tự động giám sát áp suất lốp ô tô (TPMS: Tire pressure monitoring system) triển khai đưa vào ứng dụng Châu Âu, Châu Mỹ [1] Nhật Bản [2] Hình mơ tả hệ thống TPMS Hệ thống bao gồm máy phát kết nối với cảm biến áp suất lốp xe gắn vành xe, để gửi qua sóng vơ tuyến tần số 315 MHz liệu áp suất lốp xe đến thiết bị thu đặt bảng đồng hồ đặt trước mặt người lái Anten thu gắn kính chắn gió phía trước xe anten tham số hay quan tâm Trong nghiên cứu [4] anten xoắn phẳng chữ nhật đề xuất (Hình 2), nhiên kích anten: a b = (57,5 26,5) mm cịn lớn, nghiên cứu [5] sử dụng anten xoắn kích thước siêu nhỏ có gắn thêm đoạn dây song hành để cấp nguồn cho anten (tap feed) nhằm thay cho anten khung Hình Cấu trúc anten xoắn phẳng chữ nhật TPMS Hình Hệ thống tự động giám sát áp suất lốp ô tô Trong TPMS nay, thường sử dụng anten khung có kích thước siêu nhỏ (cỡ 0.01λ) làm anten đặt lốp ô tô [3] Anten khung chấn tử từ nên đặt vng góc sản phẩm kim loại hệ số tăng ích anten tăng lên khoảng dB Nhưng, anten khung lại có nhược điểm khó phối hợp trở kháng có hệ số tăng ích thấp Với anten khung có kích thước siêu nhỏ vậy, sử dụng TPMS đặt xe tơ nhỏ khơng cần trạm trung gian, đặt xe khách xe siêu trường, siêu trọng cự ly xa nên bắt buộc phải sử dụng thêm trạm trung gian gắn bên thành xe làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trước truyền tới đồng hồ hiển thị đặt trước mặt người lái xe Vì hệ số tăng ích Trong báo này, tác giả tính tốn tham số anten xoắn có kích thước siêu nhỏ đề xuất [5] sử dụng TPMS Từ đề xuất cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động Anten đề xuất có kích thước nhỏ gọn hệ số tăng ích cao hơn, thích hợp cho TPMS Sử dụng phần mềm mô FEKO [7] để tính tốn tham số anten xoắn siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động so sánh với tham số anten xoắn siêu nhỏ phối hợp trở kháng tap feed, kết mô cho thấy anten xoắn có sử dụng phần tử thụ động đề xuất có có kích thước gọn hệ số tăng ích lớn anten xoắn khơng sử dụng phần tử thụ động Khảo sát anten sử dụng TPMS 2.1 Cấu trúc anten xoắn có kích thước siêu nhỏ Theo J.D Kraus [8], anten xoắn có kích thước siêu nhỏ làm việc chế độ xạ vng góc với trục (NMHA: Normal Mode Helical Antenna) phân tích thành tổng anten chấn tử điện tập hợp N anten khung Cấu trúc anten xoắn thể Hình 3a Trong 12 Phan Trọng Đức, Hồng Đình Thun, Nguyễn Bá Tỉnh H chiều cao anten, D đường kính vịng xoắn làm anten, d đường kính sợi dây đồng, cịn số vịng xoắn N 50j 100j 25j 10j 10 -10j 25 250j 315 MHz (50 Ω) 315 MHz (0.74 Ω) 50 100 250 NMHA with tap -250j NMHA without tap -100j -25j -50j a) Cấu trúc b) Trở kháng vào Hình Cấu trúc trở kháng vào anten xoắn siêu nhỏ 2.2 Đặc trưng cộng hưởng anten xoắn Theo J.D.Kraus [8], trở vào anten xoắn phân tích sau: Zin = ( RL + RD ) + j ( X L − X D ) thước anten chiều dài đoạn tap feed thích hợp làm tăng trở kháng vào anten xoắn siêu nhỏ với nguồn Với cấu trúc anten xoắn có gắn thêm đoạn tap feed với chiều dài t = 48,4 mm trở kháng vào anten biểu diễn nét liền Hình 3b Khi đó, phân bố dịng anten có gắn tap feed biểu diễn Hình 4b, hiệu suất xạ đạt 9,42% Từ Hình 3b Hình 4b, thấy dòng lối vào anten giảm trở kháng vào anten đạt 50 Ω tần số khảo sát (315 MHz) Như vậy, việc gắn thêm đoạn tap feed vào anten xoắn siêu nhỏ, anten đảm bảo phối hợp trở kháng tốt với đường truyền, làm cho hiệu suất phát xạ anten đạt tốt Hệ số tăng ích biểu diễn Hình 5a, đồ thị xạ biểu diễn Hình 5b (1) Trong đó, RL tổng trở phát xạ anten khung, RD trở phát xạ anten chấn tử lưỡng cực điện; XL tổng phần kháng anten khung, XD phần kháng anten chấn tử lưỡng cực điện Anten xoắn có kích thước siêu nhỏ (cỡ 0,01λ) xạ ngang trục nên hay ký hiệu NMHA Để NMHA xạ với hiệu suất cao anten phải điều chỉnh cho cấu trúc anten đạt trạng thái cộng hưởng Để anten đạt trạng thái cộng hưởng phần kháng cơng thức (1) phải bị triệt tiêu Tức XL - XD = hay XL = XD Đây điều kiện cộng hưởng NMHA 2.3 Tính tốn tham số anten xoắn siêu nhỏ gắn thêm đoạn dây cấp nguồn (tap feed) Sử dụng chương trình mơ FEKO [7] để điều chỉnh cấu trúc tính tốn trở kháng vào anten xoắn tần số cộng hưởng 315 MHz (bước sóng λ ≈ 952,3 mm) Kết quả, trường hợp chưa phối hợp trở kháng anten xoắn có d = 0,5 mm, N = 10 vịng, H = 0,01λ ≈ 9,5 mm D = 0,0126λ ≈ 12 mm trở kháng vào anten biểu diễn nét đứt đồ thị Smith Hình 3b Phân bố dịng anten biểu diễn Hình 4a Từ Hình 3b Hình 4a, ta thấy anten đạt cộng hưởng tần số 315 MHz, trở kháng vào anten đạt 0,74 Ω Như vậy, với trở kháng vào nhỏ anten khơng thể phối hợp trở kháng với đường truyền, hiệu suất xạ thấp a) Chưa gắn tap feed b) Sau gắn thêm tap feed Hình Phân bố dịng anten xoắn siêu nhỏ Để anten phối hợp trở kháng với đường truyền, nghiên cứu [4], [5] [6] đề xuất cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ gắn thêm đoạn tap feed để cấp nguồn, có ghép lượng tap feed anten xoắn siêu nhỏ Điều chỉnh kích a) Hệ số tăng ích b) Đồ thị xạ 3D Hình Hệ số tăng ích đồ thị xạ 3D NMHA sau gắn thêm đoạn dây tap feed Như khả xạ anten gần đẳng hướng, hệ số tăng ích cực đại đạt -8,42 dB, điều cho phép anten sử dụng tốt cho TPMS Đề xuất mẫu anten xoắn trụ siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS 3.1 Mơ hình cấu trúc Anten xoắn siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động đề cập số tác giả [9], [10] H Nakano [9] đề xuất anten NMHA với sử dụng thêm chấn tử đơn cực thụ động anten dạng chữ F ngược với phần tử thụ động anten dạng chữ L ngược để tạo anten băng tần anten băng rộng sử dụng cho điện thoại di động Y W Chow [10] đề xuất tổ hợp anten xoắn chấn tử đơn cực với NMHA thụ động để tạo anten băng tần cho điện thoại di động Trong báo tác giả đề xuất cấu trúc mẫu anten bao gồm anten xoắn siêu nhỏ Hình Anten xoắn siêu nhỏ thứ có bán kính vịng xoắn lớn (Rc) cấp nguồn đối xứng anten (anten chủ động) Anten xoắn siêu nhỏ thứ hai khơng cấp nguồn (anten thụ động) có bước xoắn (s), đường kính dây xoắn (d = 0,5 mm) bán kính vịng xoắn (Rt) nhỏ bán kính vịng xoắn anten chủ động lồng vào bên anten xoắn thứ với điểm hai anten nằm trục Hai anten xoắn có ảnh hưởng tương hỗ với nhau, dẫn đến trở kháng vào xoắn chủ động thay đổi điều chỉnh kích thước hình học hai anten thích hợp, đảm bảo anten phối hợp trở kháng với đường truyền 50Ω ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 13 bước xoắn s1 ≈ 1,26 mm Từ mối liên hệ tham số hình học NMHA ta có số vịng độ cao xoắn thụ động Nt1 ≈ 11,5 vòng, Ht1= 14,4 mm Hình Cấu trúc mẫu anten xoắn trụ siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS 3.2 Tính tốn mơ tham số NMHA siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động Các tham số hình học bao gồm: đường kính D; bước xoắn s (hoặc chiều dài l0 vòng xoắn góc xoắn α); số vịng N; độ cao H chiều dài đường dây xoắn l Theo [8], quan hệ tham số hình học là: l0 = ( πD ) + s ; H = s.N ; l = l0.N (2) Sử dụng FEKO [7] khảo sát, ta nên chọn trước Dt1= 2Rt1 =10 mm Khi anten xoắn chủ động có: đường kính vòng xoắn Dc1= 2Rc1 = 12 mm; chiều dài dây xoắn lc1 = 181 mm; chiều cao anten Hc1 = mm; số vòng xoắn Nc1 = Các tham số cần tìm bước xoắn s số vịng anten xoắn thụ động (Nt), hiệu tìm số vịng xoắn thụ động thơng qua chiều dài dây xoắn lt1, giống chấn tử đối xứng, để anten cộng hưởng chiều dài dây xoắn chủ động xấp xỉ nửa bước sóng Để thuật tốn di truyền tích hợp FEKO hội tụ nhanh tham số lựa chọn ban đầu quan trọng, anten đề xuất chọn lt1 = (400 ÷ 600) mm Muốn anten có độ cao thấp bước xoắn cần chọn giá trị nhỏ, cụ thể chọn s = 0,8 ÷ mm Sử dụng FEKO để tối ưu cấu trúc anten cộng hưởng thu kết sau (Mẫu 1): a) Trở kháng vào b) Phân bố dịng Hình Trở kháng vào phân bố dịng mẫu anten đề xuất Hình Hệ số VSWR anten Mẫu Trở kháng vào có giá trị Zv1 = (47,7 + j0,37)Ω biểu diễn đồ thị Smith Hình 7a Phân bố dịng Hình 7b có dạng phù hợp Điểm bật mẫu anten đề xuất hệ số tăng ích cực đại lên đến – 6,34 dB (Hình 8a), tăng dB so với mẫu anten xoắn siêu nhỏ gắn tap feed khảo sát Đặc trưng xạ Hình 8b gần đẳng hướng tương tự Hình 5b Hệ số sóng đứng điện áp VSWR biểu diễn Hình Như vậy, anten xoắn Mẫu1 có sử dụng phần tử thụ động khơng đảm bảo kích thước nhỏ gọn, phối hợp trở kháng với nguồn, đồ thị xạ gần đẳng hướng, hệ số tăng ích tốt mẫu anten Hình 4b Hiệu xuất xạ đạt 15,42 % Ngồi ra, sau tối ưu hóa cấu trúc FEKO, thu anten Mẫu tương tự cấu trúc anten Mẫu 1, kích thước nhỏ gọn hơn, nhiên hệ số tăng ích hiệu xuất xạ giảm so với anten Mẫu Cụ thể: Hc2 =3,6 mm; Dc2 =12 mm; Nc2 = 4,15 ; Ht2 = 11,6 mm; Dt2 =10 mm;Nt2= 13,5; Hệ số tăng ích cực đại đạt -7,87 dB, cịn hiệu suất đạt 10,79 % 3.3 Chế tạo đo kiểm Trên sở kích thước mẫu anten đề xuất mục 3.2, tác giả chế tạo thành công anten Mẫu cho TPMS (Hình 10) gắn với vỏ cáp đồng trục loại RF-232 (1) đầu nối SMA- RG58A-50Ω (2), anten chủ động (3), phần tử thụ động (4) anten lắp hoàn chỉnh (5) Cáp đồng trục có trở kháng sóng 50Ω cấp nguồn điểm anten chủ động bên ngồi, đường kính vỏ ngồi mm, đường kính lõi 0,8 mm Tiến hành đo Phịng Thí nghiệm Ra đa - Viện Ra đa - Viện Khoa học Cơng nghệ qn - Bộ Quốc phịng Điều kiện kiểm tra: nhiệt độ 280C; độ ẩm 85% (4) (2) a) Hệ số tăng ích b) Đồ thị xạ 3D Hình Hệ số tăng ích đồ thị xạ mẫu anten đề xuất Chiều dài dây xoắn thụ động lt1 ≈ 431,35 mm, (1) (3) (5) Hình 10 Mẫu anten xoắn trụ kết hợp phần tử thụ động gắn với cáp RF-230 đầu nối SMA- RG58A-50Ω WCE 14 Phan Trọng Đức, Hoàng Đình Thuyên, Nguyễn Bá Tỉnh (6) (5 Hình 11 Lắp ráp thiết bị đo VSWR mẫu anten xoắn trụ có sử dụng phần tử thụ động Kết luận Bài báo tính tốn tham số, phân tích nhược điểm anten xoắn siêu nhỏ gắn tap feed đề xuất mẫu anten xoắn trụ siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS Các kết đạt sau: - Tính tốn tham số anten xoắn siêu nhỏ đặt không gian tự trước sau phối hợp trở kháng tap feed Hệ số tăng ích cực đại -8.4 dB, chiều dài tap feed 48,4 mm - Với việc thay anten xoắn siêu nhỏ có gắn tap feed anten xoắn có sử dụng phần tử thụ động kích thước anten gọn (khơng sử dụng thêm đoạn tap feed dài 48,4 mm khó lắp đặt) - Hệ số tăng ích cực đại mẫu anten đề xuất có giá trị tăng từ (0,55÷ 2,02) dB - Chế tạo đo kiểm nhằm đánh giá kết tính tốn mơ phỏng, kết cho thấy mẫu anten cộng hưởng tần số 315 MHz, phối hợp trở kháng đảm bảo hệ số VSWR Như mẫu anten xoắn trụ có sử dụng phần tử thụ động nhỏ gọn hoàn toàn phù hợp với hệ thống TPMS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Europe:http://www.edn.com/article/CA446986.html?text=tyre Hình 12 Kết đo VSWR mẫu anten xoắn trụ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS Các phương tiện đo bao gồm: Máy phân tích mạng véc tơ MS-2034B (6) Hình 11; Buồng hấp thụ sóng siêu cao tần TDK; Bộ dụng cụ hiệu chuẩn (Kit) Phương pháp đo: Tiến hành đo theo tiêu chuẩn TCQS 158-2016/VKHCNQS Kết đo thể đồ thị Hình 12 Tuy nhiên, tồn sai số chế tạo mẫu anten theo phương pháp thủ công, nên tiến hành đo kiểm máy phân tích mạng véc tơ cho kết đo mẫu anten trạng thái cộng hưởng, phối hợp trở kháng đảm bảo VSWR ≤ tần số 312 MHz (bằng cách quan sát Hình 11 thấy: giá trị MK1 TR1 = 312MHz, VSWR = 1,27) [1] http://www.yokohamatire.jp/yrc/japan/tire/airwatch.html [2] K Tanoshita, K Nakatani, and Y Yamada, “Electric Field Simulations around a Car of the Tire Pressure Monitoring System”, IEICE Trans on Commun.,Vol E90-B, N.9, pp.2416-2422, Sept.2007 [3] M M Bilgic and K Yegin, Multiple receiver design for TPMS, URSI National Conference, Oct 2008, Antalya, Turkey [4] Q D Nguyen, N Michishita, Y Yamada and K Nakatani, “Electrical Characteristics of a Very Small Normal Mode Helical Antenna Mounted on a Wheel in the TPMS Application”, IEEE APS’09, Session 426, No.4, June 2009 [5] Phan Trọng Đức, Đinh Văn Sơn, Nguyễn Quốc Định, “Đề xuất cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ sử dụng cho TPMS”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 33, Tr 44-50, 10.2014 [6] http://www.feko.info [7] J D Kraus, “Antennas-Second Edition,” pp 333-338, McGraw-Hill Book Company, 1988 [8] H Nakano, N Ikeda, Y Y Wu, R Suzuki, H Mimaki, and J Yamauchi,“Realization of dual-frequency and wide-band VSWR performances usingnormal-mode helical and inverted-F antennas”, IEEE Trans Antennas Propag,Vol 46, no 6, pp 788-793, June 1998 [9] Y W Chow, E K N Yung, and H T Hui, Dual frequency monopole -helical antenna by using a parasitic normal mode helix for mobile handset, in 2000 Asia Pacific Microwave Conference, Sydney, Australia, December 2000, pp.183–187 (BBT nhận bài: 21/10/2016, phản biện xong: 10/11/2016) ... dây đồng, số vòng xoắn N 50j 100j 25j 10j 10 -1 0j 25 250j 315 MHz (50 Ω) 315 MHz (0.74 Ω) 50 100 250 NMHA with tap -2 50j NMHA without tap -1 00j -2 5j -5 0j a) Cấu trúc b) Trở kháng vào Hình Cấu trúc... Yamauchi,“Realization of dual-frequency and wide-band VSWR performances usingnormal-mode helical and inverted-F antennas”, IEEE Trans Antennas Propag,Vol 46, no 6, pp 78 8-7 93, June 1998 [9] Y W Chow,... Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn sự, số 33, Tr 4 4-5 0, 10.2014 [6] http://www.feko.info [7] J D Kraus, “Antennas-Second Edition,” pp 33 3-3 38, McGraw-Hill Book Company, 1988 [8] H Nakano, N Ikeda,