Designing oscillator and amplifier for microwave motion sensor

Nội dung text: Designing oscillator and amplifier for microwave motion sensor

1. TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203 DESIGNING OSCILLATOR AND AMPLIFIER FOR MICROWAVE MOTION SENSOR Tran Xuan Trong*, Luong Quang Huy TNU - University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 31/3/2021 The content of the paper presents the basic structure of microwave motion sensor and how to apply microwave technology in design Revised: 31/5/2021 sensor's oscillator and amplifier. During the design process, the Published: 31/5/2021 authors used modeling and computer simulation with the support of specialized software Advanced Design System (ADS). The simulation KEYWORDS results show that the Oscillator generates frequency 2.49 Ghz, with an oscillation amplitude of 2.35V. The Amplifier has a scattering Motion Sensor coefficient at input and output less than -30dB and the gain of 13.2 dB High Frequency Electronics with frequency 2.49 Ghz. Basically, the Oscillator and Amplifier Microwave design are suitable for use in motion sensor fabrication. Oscillator Amplifier THIẾT KẾ BỘ TẠO DAO ĐỘNG VÀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TRONG CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG SĨNG VIBA Trần Xuân Trọng*, Lương Quang Huy Trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin và Truyền thơng – ĐH Thái Nguyên THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Ngày nhận bài: 31/3/2021 Nội dung bài báo trình bày về cấu trúc cơ bản của cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên cơng nghệ sĩng Viba (Microwave) và ứng Ngày hồn thiện: 31/5/2021 dụng kỹ thuật siêu cao tần trong thiết kế bộ dao động và bộ khuếch Ngày đăng: 31/5/2021 đại của cảm biến. Trong quá trình thiết kế, nhĩm tác giả đã sử dụng phương pháp mơ hình hĩa và mơ phỏng trên máy tính bằng phần TỪ KHĨA mềm chuyên dụng Advanced Design System (ADS). Kết quả mơ phỏng cho thấy, bộ dao động được thiết kế đã tạo ra dao động cĩ tần Cảm biến phát hiện chuyển động số 2,49 Ghz và biên độ dao động 2,35V. Bộ khuếch đại cĩ hệ số tán Mạch điện tử siêu cao tần xạ tại đầu vào và đầu ra nhỏ hơn -30 dB và hệ số khuếch đại đạt 13,2 dB với tần số 2,49 Ghz. Với các thơng số thiết kế đạt được, bộ dao Sĩng Viba động và bộ khuếch đại cơ bản phù hợp để ứng dụng vào chế tạo cảm Bộ dao động biến chuyển động. Bộ khuếch đại DOI: * Corresponding author. Email: txtrong@ictu.edu.vn 199 Email: jst@tnu.edu.vn
2. TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203 1. Giới thiệu Cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba là thiết bị dùng sĩng điện từ tần số Viba để phát hiện chuyển động của vật thể hoặc con người trong phạm vi làm việc của nĩ. Cảm biến này hoạt động như một chiếc RADAR thu nhỏ [1] nên nĩ cĩ tầm phủ lớn, hoạt động ổn định, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ khí hậu. Ngồi ra, sĩng Viba cĩ thể xuyên qua các vật liệu phi kim giúp cảm biến cĩ thể lắp chìm, tăng tính thẩm mĩ cho các thiết kế [2]. Với các ưu điểm nêu trên, loại cảm biến này được ứng dụng rộng rãi và đĩng vai trị quan trọng trong các hệ thống an ninh, hệ thống giám sát sức khỏe [3]-[5]. Cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba cĩ thể được chế tạo dưới dạng vi xử lý tích hợp trên chip [6], tuy nhiên phương pháp này địi hỏi cơng nghệ cao, kỹ thuật chế tạo tinh vi. Vì vậy để đơn giản hĩa quá trình chế tạo, nhĩm tác giả đã thực hiện nghiên cứu, thiết kế cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba chỉ dùng mạch vi dải và các linh kiện điện tử cơ bản. Nội dung chính của bài báo trình bày về kết quả thiết kế bộ Dao động và bộ Khuếch đại, 2 bộ phận quan trọng của cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba. Kết quả thiết kế đạt được cĩ thể phục vụ việc nghiên cứu, chế tạo, cải tiến cảm biến chuyển động trong thực tế. 2. Tổng quan cảm biến chuyển động sử dụng cơng nghệ tần số vơ tuyến Cảm biến chuyển động dựa trên cơng nghệ sĩng Viba phát ra sĩng điện từ tần số Viba, sau đĩ sử dụng sĩng phản xạ thu được từ mục tiêu để phát hiện chuyển động của mục tiêu. Về cơ bản cấu trúc một bộ cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba gồm các khối được trình bày trong Hình 1 [7]: Hình 1. Sơ đồ khối cảm biến Hình 2. Sơ đồ tổng quát của mạch dao động Trong đĩ: Bộ dao động tạo ra dao động điện từ cao tần. Bộ khuếch đại dùng để khuếch đại cơng suất sĩng vơ tuyến từ bộ dao động hoặc khuếch đại sĩng phản xạ chính thu được từ anten thu RX. Anten phát TX và thu RX dùng để phát và thu sĩng cao tần; Bộ trộn tần cĩ nhiệm vụ so sánh tần số sĩng phản xạ từ vật thể và tần số sĩng gốc để phát hiện ra sai lệch tần số do vật chuyển động gây ra theo hiệu ứng Doppler. Bộ lọc để lọc nhiễu cao tần. Nguyên lý hoạt động: Cảm biến chuyển động tạo ra sĩng Viba tần số f0 lan truyền với vận tốc ánh sáng c, khi gặp vật cản thì sĩng bị phản xạ lại với tần số fR. Nếu vật cản chuyển động với vận tốc vr thì sai lệch tần số ∆f giữa sĩng phản xạ và sĩng gốc được tính theo hiệu ứng Doppler [8]: 1 2vr (1) f = fRr − f0 = f 0(1 + v / c )( ) − f 0 f 0 1/−vr c c Dựa vào sai lệch tần số ∆f thiết bị cĩ thể phát hiện ra chuyển động, thậm chí tính tốn được vận tốc chuyển động của vật. 3. Thiết kế bộ dao động, bộ khuếch đại và đánh giá kết quả 200 Email: jst@tnu.edu.vn
3. TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203 3.1. Bộ dao động (Local Oscillator) Trong cảm biến chuyển động sử dụng sĩng viba, mạch dao động được thiết kế để tạo dao động điện từ cao tần (2,45-2,5 GHz) hình sin cĩ biên độ và tần số ổn định [9]. Mạch cần phối hợp trở kháng 50Ω, sử dụng nguồn 1 chiều 5V. Mạch dao động được thiết kế theo mơ hình trở kháng âm (Negative Resistance Oscilltor – NRO), sử dụng phần tử transistor cao tần mắc theo sơ đồ Base chung. Tín hiệu phản hồi về cực gốc và cĩ mạch cộng hưởng song song với đầu ra bộ dao động theo Hình 2 [9], [10]. Các phần tử cơ bản của mạch dao động bao gồm [11], [12]: Transistor BFP780 Infineon, các điện trở và tụ điện dán (Surface Mount Devices) của hãng PANASONIC, cuộn cảm của hãng Mouser. Vật liệu FR4 được sử dụng làm đường vi dải. Việc thiết kế bộ dao động trải qua 3 bước chính [9], [13]: Bước 1: Phân cực cho transistor trong chế độ tĩnh. Bước này giúp tìm ra điện áp và dịng điện tối ưu cần đặt vào các cực của transistor. Bước 2: Xây dựng mạch khuếch đại khơng ổn định bằng các linh kiện điện tử, trong đĩ cĩ tính đến vị trí linh kiện, kích thước đường truyền vi dải, phối hợp trở kháng, Bước 3: Lựa chọn trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại tại vùng khơng ổn định, đồng thời kết hợp với quá trình phối hợp trở kháng sẽ thu được mạch dao động theo yêu cầu. Kết quả thiết kế mạch dao động thể hiện ở Hình 3 và kết quả mơ phỏng dao động thể hiện ở Hình 4. Hình 3. Thiết kế hồn thiện mạch dao động Hình 4. Sĩng dao động của mạch dao động Kết quả mơ phỏng ở Hình 4 cho thấy, mạch dao động tạo ra dao động cĩ tần số dao động 2,49 Ghz với chu kì 0,402ns, kết quả này nằm trong khoảng tần số mà mục tiêu thiết kế đặt ra. Biên độ dao động của tần số V = 2,35V. 3.2. Bộ khuếch đại Để đảm bảo hiệu quả lọc nhiễu và khuếch đại cơng suất của sĩng tần chính, bộ khuếch đại cần đảm bảo tần số làm việc trung tâm 2,49 Ghz và hệ số khuếch đại lớn hơn 12 dB [14], [15]. Ngồi ra để đảm bảo tính thực tiễn và đồng bộ trong thiết kế, bộ khuếch đại cần sử dụng các loại linh kiện và vật liệu vi dải tương tự bộ dao động. Cĩ 4 bước chính để thiết kế mạch khuếch đại [9], [14]: Bước 1: Phân cực và lựa chọn điểm làm việc của transistor. Bước 2: Xét tính ổn định của transistor. Bước 3: Lựa chọn thơng số mạch và phối hợp trở kháng. Bước 4: Hiệu chỉnh và hồn thiện thiết kế. 201 Email: jst@tnu.edu.vn
4. TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203 Kết quả thiết kế mạch khuếch đại trình bày ở Hình 5, Hình 6, Hình 7. Hình 5. Mạch khuếch đại Hình 6. Hệ số tán xạ tại tần số trung tâm Hình 7. Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại Hình 8. Thiết kế cảm biến chuyển động sử dụng sĩng RF Kết quả mơ phỏng mạch khuếch đại tại Hình 6 cho thấy, hệ số tán xạ đầu vào S(1,1) và đầu ra S(2,2) tại tần số 2,49 Ghz đều nhỏ hơn -30 dB. Nghĩa là cơng suất nguồn vào và cơng suất mạch đi ra đạt hiệu suất gần 100%, khơng bị tán xạ hoặc cản trở. Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh thơng số mạch và phối hợp trở kháng để giảm S(1,1) và S(2,2) cĩ thể làm cho hệ số khuếch đại S(2,1) của mạch khuếch đại giảm đáng kể. Trong kết quả mơ phỏng Hình 7 cho thấy hệ số khuếch đại tại tần số trung tâm của bộ khuếch đại S(2,1) đạt 13,2 dB lớn hơn mục tiêu thiết kế (12 dB). 3.3. Đánh giá kết quả Để đánh giá hoạt động của bộ dao động và bộ khuếch đại trong cảm biến, nhĩm tác giả đã thực hiện ghép nối 2 bộ này vào thiết kế tổng thể của cảm biến theo Hình 8. Mơ phỏng với giả lập một vật chuyển động cĩ tốc độ 12,15 m/s, đi vào vùng làm việc của cảm biến. Tính tốn theo (1) thì lệch tần do hiệu ứng Doppler f ≈ 200 (Hz). Kết quả mơ phỏng tín hiệu đầu ra của cảm biến cĩ dao động Doppler theo đúng giả thiết đã đưa ra tại Hình 9 với tần số xấp xỉ 200 Hz và biên độ của tín hiệu dao động đạt 0,6 V. Tín hiệu này đủ lớn để cĩ thể xử lý ở các khối chức năng khác phía sau cảm biến. 202 Email: jst@tnu.edu.vn
5. TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203 Hình 9. Tín hiệu thu được tại đầu ra của cảm biến 4. Kết luận Từ việc nghiên cứu cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba, nhĩm tác giả bước đầu đã thiết kế thành cơng bộ dao động và bộ khuếch đại (tần số 2,49 Ghz) đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Ngồi ra, khi tích hợp hai bộ phận này với các khối chức năng khác trong cảm biến chuyển động, tín hiệu mơ phỏng đầu ra của cảm biến phù hợp với tính tốn, thiết kế. Với kết quả thiết kế đạt được, việc chế tạo và ứng dụng cảm biến chuyển động sử dụng sĩng Viba vào trong thực tiễn là cĩ cơ sở và khả thi. TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] D. Tuteja, D. Jain, H. Singla, and D. Sharma, “Detailed Survey on Motion Sensing,” Journal of Basic and Applied Engineering Research, vol. 1, no. 8, pp. 27-31, October, 2014. [2] J. S. Wilson, Sensor Technology Handbook. Elsevier Inc, 2005. [3] M. A. Belen, P. Mahouti, and F. Güneş, “Design and implementation of doppler microwave motion sensor for indoor application,” Sigma J Eng & Nat Sci, vol. 36, no. 3, pp. 849-859, 2018. [4] B. C. Li, J. Cummings, J. Lam, E. Graves, and W. Wu, “Radar Remote Monitoring of Vital Signs,” February 2000 IEEE Microwave Magazine, 2000, pp. 47-56. [5] W. Ma, Z. Xiao, D. Tang, F. Liu, and W. Hu, “A Real-Time 2.4-GHz Doppler Radar System with All Functionalities on Board for Vital Signal Detection,” IEEE 15th International Conference on Solid- State & Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2020. [6] A. Genewsky, D. E. Heinz, P. M. Kaplick, K. Kilonzo, and C. T. Wotjak, “A simplified microwave- based motiondetector for home cage activity monitoring inmice,” Journal of Biological Engineering, vol. 11, no. 36, pp. 1-12, 2017, doi: 10.1186/s13036-017-0079-y. [7] C. Li and J. Lin, Microwave Noncontact Motion Sensing, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2014, pp. 7-18. [8] H. Tom, The Doppler Effect – Lesson 3, Waves. Physics tutorial. The Physics Classroom, 2017. [9] Agilent Technologies, Inc, ADS Circuit Design Cookbook 2.0, USA, 2012, 2012, pp. 3-9, 67-127, 171-215. [10] G. D. Vendelin, A. M. Pavio, and U. L. Rohde, Microwave Circuit Design Using Linear And Nonlinear Techniques, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005, pp. 53- 57, 192-268, 520-540. [11] Infineon Technologies AG, Data Sheet BFP780. Published by Infineon Technologies AG 81726 Munich, Germany, 2015. [12] Infineon Technologies AG, Data Sheet BAT17. Published by Infineon Technologies AG 81726 Munich, Germany, 2015. [13] U. L. Rohde, A. K. Poddar, and G. Bo¨ck, The design of modern microwave oscillators for wireless applications. John Wiley & Sons, inc, German, 2005. [14] A. Bandla, Highly Linear 2.45 GHz Low-Noise Amplifier Design, Department of Science and Technology Institutionen Linkưping University, Sweden, 2015. [15] B. Maruddani, M. Ma’sum, E. Sandi, Y. Taryana, T. Daniati, and W. Dara, “Design of two stage low noise amplifier at 2.4 - 2.5 GHz frequency using microstrip line matching network method,” 4th Annual Applied Science and Engineering Conference, Conference Series 1402, 2019. 203 Email: jst@tnu.edu.vn