應用于TPMS的PCB螺旋天線(xiàn)的設計

汽車(chē)輪胎壓力監視系統(TPMS)可以在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監測，對輪胎漏氣、低氣壓、高氣壓進(jìn)行預警，以保障駕乘者行車(chē)安全[1]。 TPMS發(fā)射天線(xiàn)工作于頻率433.92 MHz，信號收發(fā)距離小于10 m，安裝在輪胎內部的胎壓檢測模塊上。為了保證汽車(chē)行駛時(shí)數據傳輸準確可靠，要求天線(xiàn)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(xiàn)體積小、發(fā)射效率高。隨著(zhù)TPMS的快速發(fā)展，在保證基本性能的基礎上，小型化天線(xiàn)的研究顯得越來(lái)越重要。

目前比較常用的 TPMS天線(xiàn)類(lèi)型有倒F螺旋天線(xiàn)[2-3]和小環(huán)天線(xiàn)[4]，倒F螺旋天線(xiàn)性能較好，但占用空間大，而小環(huán)天線(xiàn)體積雖小，但發(fā)射效率低。本文結合實(shí)際需求，設計并制作了一種小型的PCB螺旋天線(xiàn)，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(xiàn)與傳統螺旋天線(xiàn)相比，在總長(cháng)度相同的情況下，天線(xiàn)尺寸大幅度減小。此外金屬導線(xiàn)固定在PCB板上，長(cháng)度、寬度和距離等參數大小容易控制，因此這種天線(xiàn)具有小尺寸、易制作的特點(diǎn)。實(shí)驗結果表明該天線(xiàn)可工作于頻率433.92 MHz，具有良好的全向性，滿(mǎn)足TPMS發(fā)射天線(xiàn)的性能要求。

1 天線(xiàn)的結構

PCB螺旋天線(xiàn)的結構如圖1所示，該天線(xiàn)由11圈螺旋構成。在長(cháng)方形介質(zhì)基板的兩面分別印刷金屬導線(xiàn)，寬度一致，兩端有導通孔，其內壁覆銅，用來(lái)連接兩層的金屬。饋電線(xiàn)與圖1(b)中右上角最大的導通孔相連接，其余的導通孔直徑大小相同。從PCB板制作工藝上考慮，為了確保金屬的連接，設計時(shí)每個(gè)導通孔周?chē)由虾副P(pán)。

2 天線(xiàn)的設計與仿真

天線(xiàn)的工作頻率取決于天線(xiàn)本身的尺寸。從天線(xiàn)的結構可以看出，這種螺旋天線(xiàn)的纏繞非常密集。根據螺旋天線(xiàn)的特性，密集的纏繞會(huì )產(chǎn)生寄生感抗，導致螺旋天線(xiàn)的諧振頻率增加[5]，因此在設計時(shí)總長(cháng)度應該比理論長(cháng)度稍短。

本文使用軟件CST MICROWAVE STUDIO進(jìn)行仿真。采用介電常數為2.5、厚度為1.6 mm的介質(zhì)基板。為了滿(mǎn)足小型化的要求，在設計時(shí)需要選用最小的PCB工藝尺寸。因此，根據天線(xiàn)制作的實(shí)際情況，在仿真時(shí)，部分參數是固定的，只能通過(guò)調節參數L和S來(lái)達到所需要的頻率。

通過(guò)對天線(xiàn)的建模仿真，得出了天線(xiàn)諧振特性與金屬導線(xiàn)長(cháng)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(zhù)L的增大，諧振頻率減??；L不變時(shí)，隨著(zhù)S的增大，諧振頻率增大。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，天線(xiàn)參數設計如表2所示。

由于天線(xiàn)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(xiàn)如圖3所示。從圖中可以看出天線(xiàn)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(mǎn)足信號發(fā)射的條件。

3 天線(xiàn)的制作與測試

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

實(shí)測得到的S11曲線(xiàn)如圖4所示，與仿真得到的結果基本吻合，驗證了設計的可行性。但由于匹配電路設計時(shí)使用的是自制電感，另外加工精度不高，導致實(shí)測得到的S11值小于仿真值。天線(xiàn)的有效帶寬為432.2~435.3 MHz(S11-10 dB)，頻率433.92 MHz處的S11-15 dB，可用作TPMS中胎壓檢測模塊中的信號發(fā)射天線(xiàn)。在實(shí)際應用時(shí)，匹配電路可使用體積小、高品質(zhì)的貼片電容和電感。

TPMS 發(fā)射天線(xiàn)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部，占用的空間極小，這給天線(xiàn)的設計帶來(lái)了很大的困難。針對這一難點(diǎn)，本文設計制作了一種PCB螺旋天線(xiàn)，并進(jìn)行了測試實(shí)驗研究，結果表明這種天線(xiàn)具有良好的全向性，體積小重量輕，滿(mǎn)足TPMS對天線(xiàn)小型化的需求。同時(shí)這種結構的天線(xiàn)還有著(zhù)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(xiàn)。TPMS中的接收天線(xiàn)需要另行設計。