Đề xuất cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Đề xuất cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS đề xuất cấu trúc anten xoắn trụ tròn kích thước siêu nhỏ (cỡ 0.01λ) kết hợp với phần tử thụ động sử dụng trong hệ thống tự động giám sát áp suất hơi trong các lốp xe ô tô.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề xuất cấu trúc anten xoắn siêu nhỏ có sử dụng phần tử thụ động cho TPMS

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