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 cơng nghệ Bưu chính Viễn Thông
3

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint Petersburg 195251, Russia

4

TEM (Transverse Electromagnetic) được thiết kế đặc biệt.
Các anten loa TEM đã được sử dụng làm anten thu phát
băng rộng cho các ứng dụng khác nhau. Loại anten này có
ưu điểm là băng rộng, không phân tán, độ định hướng cao
và dễ dàng chế tạo. Trong [6] trình bày một phương pháp
thiết kế mới cho một anten TEM được đề xuất trên cơ sở
lý thuyết ống dẫn sóng song song. Anten TEM có hình
dạng tam giác này 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 và có một balun được thiết kế
trong [7]. Balun được sử dụng để cải thiện đặc tính trở
kháng của anten TEM. Ăng-ten được thiết kế có thể được
sử dụng khơng chỉ cho các phép đo EMC, mà cịn cho các
hệ thống truyền thơng băng thơng rộng. Các cơng thức

phân tích và thiết kế được trình bày trong [8], dựa trên ánh
xạ bảo giác (Conformal Mapping), tính tốn trở kháng đặc
trưng của 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 8 GHz and
good gain value across the whole band.
Keywords—UWB, sensor network, TEM horn,
Abstract— Trong bài báo này, một anten loa TEM đã được
nghiên cứu chế tạo, anten này đóng vai trị 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 tồn bộ dải tần.
Từ khóa—UWB, mạng cảm biến khơng dây, TEM horn,

I.

GIỚI THIỆU

Với mục đích đề cập ở trên, bài báo này sẽ được trình
bày trong cấu trúc sau: Hệ thống giám sát động cơ đầu
máy xe lửa sẽ được trình bày trong phần II. Anten thu cho
hệ thống giám sát là trọng tâm chính của bài báo này sẽ
được trình bày trong phần III cùng với các kết quả mơ

phỏng và thử nghiệm của nó. Phần IV sẽ trình bày ngắn
gọn hiệu suất của hệ thống giám sát của chúng tôi bằng
cách sử dụng ăng-ten được đề xuất. Phần cuối cùng là để
kết luận và thảo luận.

Trong những năm gần đây, giao tiếp tầm ngắn sử dụng
các cảm biến có độ phân giải cao ứng dụng cơng nghệ
truyền thơng băng rộng (UWB) đang là vấn đề nóng được
nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển [1] - [3]. Trong
dự án hợp tác giữa Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự
động hóa và Đại học Bách Khoa St. Petersburg, nhóm tác
giả đã phát triển một hệ thống giám sát động cơ đầu máy
xe lửa. Tại cấp trường, các bộ đo và phát tín hiệu băng
thơng siêu rộng được gắn trên lớp vỏ động cơ, nguồn cung
cấp cho các thiết bị này là bộ biến đổi năng lượng nhiệtđiện. Thông số đo lường là các giá trị nhiệt độ, áp suất tại
các vị trí khác nhau của động cơ, sau khi tính tốn, giá trị
nhiệt độ, áp suất được truyền tới Trạm thiết bị thu dữ liệu
băng thông siêu rộng, từ đó, dữ liệu sẽ được truyền về các
thiết bị hiển thị tại buồng lái cho người lái theo dõi và điều
khiển động cơ. Môi trường truyền dẫn đặc biệt có sự hiện
diện của nhiễu phản xạ, nhiễu đa đường và sự giao thoa
hẹp trong không gian động cơ, khiến cho việc sử dụng hệ
thống truyền thông băng hẹp là khơng hiệu quả. Do đó,
giải pháp sử dụng tín hiệu siêu băng rộng (UWB) đã được
đề xuất. Mạng cảm biến sử dụng tín hiệu UWB được trình
bày trong [2], [4], [5] chứng minh rằng hệ thống như vậy
có thể có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống băng hẹp.

II.


A. Kiến trúc hệ thống
Cấu trúc của mạng cảm biến không dây băng thông siêu
rộng cho hệ thống giám sát động cơ đầu máy xe lửa được
thể hiện trong hình 1. Việc kết hợp các cảm biến thành
nhiều nhóm dựa trên vị trí của chúng được tính tốn cho
phù hợp với thực tế.
Nhóm 1 bao gồm: Cảm biến đo các 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 và áp suất dầu sau lọc. Nhóm này được thu thập
và xử lý bằng bộ thu thập xử lý dữ liệu DAPU-1.
Nhóm 2 bao gồm: Cảm biến đo các thơng 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 bài báo này, chúng tơi trình bày một thiết kế
anten thu nhận tín hiệu băng siêu rộng trong hệ thống
giám sát động cơ đầu máy xe lửa, cụ thể là một 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 này được thu thập và xử lý bằng bộ thu thập
xử lý dữ liệu DAPU-2.


- Kích thước tổng thể (đường kính của đường cầu ngoại
tiếp anten) khơng q 10-15 cm.

Nhóm 3 bao gồm một bộ DAPU-1 và 4 bộ DAPU-2 đo
các thông số áp suất đầu ra của bộ tăng áp và bộ cảm biến
áp suất cacte. Các cảm biến này được đặt tương đối tách
biệt với các cảm biến khác.

- Định hướng với độ lợi cao.
- Không bị phân tán pha.
- Phối hợp trở kháng tốt trên toàn bộ dải tần hoạt động.

Khối thiết bị điều khiển (Control Unit) bao gồm ăngten 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 thơng cực lớn
và độ lợi cao mặc dù kích thước khá nhỏ của nó (Hình 4a).

Hình 1. Kiến trúc hệ thống giám sát động cơ đầu máy xe lửa


Anten thiết kế dựa trên một loại anten có độ phân tán
thấp [10] có mặt phát xạ xung UWB khác biệt so với các
bộ phát xạ UWB đã biết. Anten này được hình thành bởi
hai tấm kim loại song song dần dần tách ra theo hai hướng
ngược nhau đóng vai trị là mặt phản xạ (Reflector), mặt
phát xung nằm ở giữa được gọi là “Tongue” đóng vai trị
là mặt phát xạ, (Hình 4b).

B. Bộ phát
Kiến trúc bộ phát được thể hiện trong hình 2. Các cảm
biến khác nhau được kết nối với vi điều khiển
STM32F401. Vi điều khiển xử lý dữ liệu thành các khung
liên kết dữ liệu biểu mẫu và các gói lớp vật lý. Sau đó các
gói lớp vật lý này sẽ được truyền tới bộ tạo xung UWB và
phát tín hiệu tới bộ thu.

SPI
Cảm biến

STM32F401

Bộ tạo xung
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 LNA), khối phát hiện năng lượng (Energy Detector - ED),

D-trigger và FPGA. Tín hiệu nhận được sau khi được
khuếch đại sẽ được so sánh với mức tham chiếu ngưỡng
bằng cách sử dụng bộ so sánh tương tự tốc độ cao trong
khối «ED». Khối D-trigger sau đó tạo thành các xung hình
chữ nhật cho FPGA xử lý.

a)

b)

Hình 4. Anten loa TEM cổ điển a) và Anten loa “Tongue” TEM b).

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
hợp trở kháng tốt trên băng rộng, để dịng kích thích tại cổng
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
tơi, 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
cho ăng-ten được thể hiện trong hình 5b trong đó đầu nối cáp
đồng trục UHF 50-Ω được gắn từ mặt sau của nó, mặt đế được
hàn với tấm phản xạ, và đầu trục của cáp được nối với tấm bức
xạ.

Hình 3. Kiến trúc bộ thu.


Bộ thu và Ăng-ten thu thường có kích thước lớn so với
bộ phát và ăng-ten phát. Kích thước anten lớn cho phép
Anten thu tăng được độ lợi và băng thông lên đáng kể.
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. Mơ hình mơ 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 mơ phỏng và đo lường được trình bày trong hình
7 và hình 8 cho thấy sự tương ứng tốt giữa mơ phỏng và chế
tạo thực thế. Anten có băng tần hoạt động lớn từ 1Ghz đến 7.5
Ghz.

Hình 8. Mô phỏng đồ thị phương hướng của anten thiết kế.

Mô phỏng bức xạ của ăng-ten cũng cho thấy hiệu suất rất
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 mơ 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. Mơ hình ăng-ten phát.

Nhóm tác giả đã thực hiện một số thí nghiệm sơ bộ với
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

Hình 7. Kết quả mơ phỏng và đo lường thực tế tham số S11

246


được nhỏ hơn 10 ns. Kết quả này đã xác nhận thiết kế ăngten hoạt động tốt với yêu cầu hệ thống.

I.

KẾT LUẬN


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:
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. 4.
[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 được trên máy đo.

Hình 12. Gói tin vật lý nhận được từ DAPU-1.

Bên cạnh đó, hệ thống đã được thử nghiệm trên động
cơ đầu máy đang làm việc trong thực tế tại nhà máy xe lửa
Gia Lâm. Bộ phát được đặt ở khoảng cách 1,5 và 4,5 mét.
Hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả cao. Tỷ lệ phần
trăm của các gói tin nhận được một cách chính xác rất cao
được thể hiện trong Bảng I.
BẢNG I. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG
Tên thành phần
Phần trăm gói tin được phân phối chính xác
Thí nghiệm 1 (1.5m)

Thí nghiệm 2 (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