應(yīng)用于TPMS的PCB螺旋天線的設(shè)計(jì)

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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)度應(yīng)該比理論長(zhǎng)度稍短。

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(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)L和S來(lái)達(dá)到所需要的頻率。

通過(guò)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(zhǎng)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??；L不變時(shí)，隨著S的增大，諧振頻率增大。

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

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。

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(lái)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432.2~435.3 MHz(S11-10 dB)，頻率433.92 MHz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。

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(lái)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)。