應(yīng)用于TPMS的PCB螺旋天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

廖敏娜，張向文，許 勇，潘 明

(桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)可以在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、低氣壓、高氣壓進(jìn)行預(yù)警，以保障駕乘者行車安全[1]。TPMS發(fā)射天線工作于頻率433.92 MHz，信號(hào)收發(fā)距離小于10 m，安裝在輪胎內(nèi)部的胎壓檢測(cè)模塊上。為了保證汽車行駛時(shí)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠，要求天線具有全向性。同時(shí)由于安裝空間有限，并且整個(gè)模塊只由一塊鋰電池供電，要求天線體積小、發(fā)射效率高。隨著TPMS的快速發(fā)展，在保證基本性能的基礎(chǔ)上，小型化天線的研究顯得越來越重要。

目前比較常用的TPMS天線類型有倒F螺旋天線[2-3]和小環(huán)天線[4]，倒F螺旋天線性能較好，但占用空間大，而小環(huán)天線體積雖小，但發(fā)射效率低。本文結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并制作了一種小型的PCB螺旋天線，被加工在一塊面積只有20 mm×16.7 mm的聚四氟乙烯板上。PCB螺旋天線與傳統(tǒng)螺旋天線相比，在總長度相同的情況下，天線尺寸大幅度減小。此外金屬導(dǎo)線固定在PCB板上，長度、寬度和距離等參數(shù)大小容易控制，因此這種天線具有小尺寸、易制作的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線可工作于頻率433.92 MHz，具有良好的全向性，滿足TPMS發(fā)射天線的性能要求。

1 天線的結(jié)構(gòu)

PCB螺旋天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線由11圈螺旋構(gòu)成。在長方形介質(zhì)基板的兩面分別印刷金屬導(dǎo)線，寬度一致，兩端有導(dǎo)通孔，其內(nèi)壁覆銅，用來連接兩層的金屬。饋電線與圖1(b)中右上角最大的導(dǎo)通孔相連接，其余的導(dǎo)通孔直徑大小相同。從PCB板制作工藝上考慮，為了確保金屬的連接，設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)導(dǎo)通孔周圍要加上焊盤。

2 天線的設(shè)計(jì)與仿真

天線的工作頻率取決于天線本身的尺寸。從天線的結(jié)構(gòu)可以看出，這種螺旋天線的纏繞非常密集。根據(jù)螺旋天線的特性，密集的纏繞會(huì)產(chǎn)生寄生感抗，導(dǎo)致螺旋天線的諧振頻率增加[5]，因此在設(shè)計(jì)時(shí)總長度應(yīng)該比理論長度稍短。

圖1 PCB螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖

本文使用軟件CST MICROWAVE STUDIO進(jìn)行仿真。采用介電常數(shù)為2.5、厚度為1.6 mm的介質(zhì)基板。為了滿足小型化的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要選用最小的PCB工藝尺寸。因此，根據(jù)天線制作的實(shí)際情況，在仿真時(shí)，部分參數(shù)是固定的，只能通過調(diào)節(jié)參數(shù)L和S來達(dá)到所需要的頻率。

通過對(duì)天線的建模仿真，得出了天線諧振特性與金屬導(dǎo)線長度L和螺距S之間的關(guān)系，如表1所示，其中F為中心頻率。從表1中可以看出：S不變時(shí)，隨著L的增大，諧振頻率減小；L不變時(shí)，隨著S的增大，諧振頻率增大。

表1 參數(shù)L和S對(duì)天線性能的影響

經(jīng)過優(yōu)化后，天線參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 天線參數(shù)取值

仿真得到的天線方向圖具有良好的全向性，如圖2所示。

圖2 PCB螺旋天線方向圖

由于天線阻值較小，約為3.58 Ω左右，因此需要外接匹配電路與50 Ω輸入阻抗相匹配。本文中采用T型匹配電路，在軟件ADS中進(jìn)行仿真，得到S11曲線如圖3所示。從圖中可以看出天線的有效工作頻段為432.6～435.2 MHz(S11<-10 dB)。雖然帶寬較窄，但在工作頻率433.92 MHz處的S11約為-40 dB，滿足信號(hào)發(fā)射的條件。

圖3 ADS仿真圖

3 天線的制作與測(cè)試

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，PCB板介質(zhì)的損耗對(duì)天線的增益有很大的影響。當(dāng)介質(zhì)損耗角正切不變時(shí)天線增益則隨介電常數(shù)ε的增大而減小[6]。因此選擇穩(wěn)定性好、損耗很低的聚四氟乙烯介質(zhì)板來制作天線。天線的尺寸為20 mm×16.7 mm×10 mm。

實(shí)測(cè)得到的S11曲線如圖4所示，與仿真得到的結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。但由于匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)使用的是自制電感，另外加工精度不高，導(dǎo)致實(shí)測(cè)得到的S11值小于仿真值。天線的有效帶寬為432.2～435.3MHz(S11<-10dB)，頻率 433.92MHz處的S11<-15 dB，可用作TPMS中胎壓檢測(cè)模塊中的信號(hào)發(fā)射天線。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，匹配電路可使用體積小、高品質(zhì)的貼片電容和電感。

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)圖

TPMS發(fā)射天線工作于433.92 MHz，頻率較低，和其他元件連接后一起安裝在輪胎內(nèi)部，占用的空間極小，這給天線的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。針對(duì)這一難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)制作了一種PCB螺旋天線，并進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明這種天線具有良好的全向性，體積小重量輕，滿足TPMS對(duì)天線小型化的需求。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的天線還有著制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、易與器件和電路集成等優(yōu)點(diǎn)。但是由于帶寬的限制，只能用作固定頻率的發(fā)射天線。TPMS中的接收天線需要另行設(shè)計(jì)。

[1]BURGESS J.Tire pressure monitoring：an industry under pressure.Sensor Technology and Design， 2003(7)：29-33.

[2]張芬.汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[3]顧明亮，張向文，許勇，潘明.TPMS倒F螺旋天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010(11)：88-90.

[4]李兵強(qiáng)，林輝.輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中小環(huán)天線的設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2007(3)：254-256.

[5] ELDEK A A.Design ofdouble dipole antenna with enhanced usable bandwidth forwideband phased array applications.PIER 59， 2006：1-15.

[6]李思軍.寬帶小型化印制板螺旋天線的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.