Design of an Antenna for a Wireless Sensor Network for Trains

Only available on StudyMode
  • Download(s) : 34
  • Published : May 11, 2013
Open Document
Text Preview
UPTEC F11 066

Examensarbete 30 hp December 2011

Design of an Antenna for a Wireless Sensor Network for Trains Malkolm Hinnemo

Abstract
Design of an Antenna for a Wireless Sensor Network for Trains Malkolm Hinnemo

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

An antenna for a wireless sensor network for trains is designed and built. The network will monitor temperature and vibrations of the wheel bearings on the train wagons. Doing this will allow for an earlier detection of damaged wheels, which will ease planning of maintenance and reduce wear on the rails considerably. The requirement of the system is that it is to be installed without any cables attached to the sensor nodes. This calls for wireless communication, and that for that antennas are needed. A train is a difficult environment to transmit electromagnetic (EM) waves in. It is full of metal and EM-waves cannot pass through a conducting material. Having much metal in its vicinity also affects the function of the antenna. This needs to be taken into consideration when making the design. The constructed antenna is a small dual-layer patch antenna. Dual layer means that it is constructed out of two sheets known as substrates of isolating material with different characteristics. The lower one of these substrates is made in such a way that integration with a circuit board is possible. Such integration would reduce the production cost considerably. The antenna is designed for direct placement on a conducting surface. This surface could be part of the train. It uses the surrounding metal as a ground plane in order to reduce its size. The result is a small patch antenna with good radiation qualities in metallic surroundings. The longest side is 18.35 mm, equaling 14.9 % of the wavelength that the antenna is designed for.

Handledare: Mathias Grudén Ämnesgranskare: Anders Rydberg Examinator: Tomas Nyberg ISSN: 1401-5757, UPTEC F11066

Sammanfattning
En antenn tänkt att användas i ett trådlöst sensornätverk för tåg är designad och byggd. Nätverket ska övervaka temperatur och vibrationer på tvagnarnas hjulaxlar. Genom att göra det så möjliggörs tidigare upptäckt av skadade hjul, något som underlättar planeringen av underhåll och kommer att minska slitaget på rälsen. Systemet måste installeras på tågen utan några externa kablar. Detta kräver trådlös kommunikation, och för det så krävs antenner. Ett tåg är en besvärlig miljö för trådlös kommunikation. Det är fullt med metall och de elektromagnetiska vågor som är informationsbärare kan inte passera ett elektriskt ledande material. Om det finns mycket metall nära en antenn så påverkar det även antennens funktion, så även det måste tas hänsyn till i designprocessen. Den färdiga antennen är en liten dubbellagrig antenn. Att den är dubbellagrig innebär att den är skapad av två isolerande skivor, så kallade substrat, med olika elektriska egenskaper. Det undre lagret är gjort på ett sådant sätt att det lätt ska gå att integrera med ett kretskort. Om det görs så kan produktionskostnaderna kapas. Antennen är gjord för att placeras direkt ovanpå ett ledande plan. Den kan då använda detta plan, som skulle kunna vara en yta på tåget, som jordplan och därmed kan antennens storlek minskas. Resultatet är en liten antenn med goda strålningsegenskaper i metallisk omgivning. Den lngsta sidan på antennen är 18.35 mm vilket motsvarar 14.9% av våglängden vid den frekvens som antennen är tänkt för.

Index Terms—Patch antennas, Metallic environment, Antenna measurements, Wireless Sensor Networks

III

Table of Contents
Abstract ......................................................................................... Error! Bookmark not defined....
tracking img