摘 要： 針對TPMS中發(fā)射天線安裝空間有限這一難點,，提出了一種PCB螺旋天線,。采用將螺旋天線加工于PCB上的結(jié)構(gòu)，極大地減小了天線尺寸,。設計出的天線具有良好的全向性,，加入匹配網(wǎng)絡后，在工作頻率433.92 MHz 處的回波損耗值約為-40 dB,，滿足TPMS發(fā)射天線的性能要求,。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了該天線,，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，實物尺寸為20 mm×16.7 mm×10 mm,，實現(xiàn)了小型化,。
關(guān)鍵詞： TPMS；PCB螺旋天線,；全向性,；小型化
汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)可以在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣,、低氣壓,、高氣壓進行預警，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,，信號收發(fā)距離小于10 m，安裝在輪胎內(nèi)部的胎壓檢測模塊上,。為了保證汽車行駛時數(shù)據(jù)傳輸準確可靠,，要求天線具有全向性。同時由于安裝空間有限,，并且整個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)合實際需求,，設計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,。實驗結(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線,，寬度一致，兩端有導通孔,，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,，設計時每個導通孔周圍要加上焊盤,。
2 天線的設計與仿真
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，密集的纏繞會產(chǎn)生寄生感抗,，導致螺旋天線的諧振頻率增加[5],，因此在設計時總長度應該比理論長度稍短。
本文使用軟件CST MICROWAVE STUDIO進行仿真,。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,，在設計時需要選用最小的PCB工藝尺寸,。因此，根據(jù)天線制作的實際情況,，在仿真時,，部分參數(shù)是固定的，只能通過調(diào)節(jié)參數(shù)L和S來達到所需要的頻率,。
通過對天線的建模仿真,，得出了天線諧振特性與金屬導線長度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，隨著L的增大，諧振頻率減??；L不變時，隨著S的增大,，諧振頻率增大,。
經(jīng)過優(yōu)化后，天線參數(shù)設計如表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,，滿足信號發(fā)射的條件,。
3 天線的制作與測試
根據(jù)實際工程經(jīng)驗，PCB板介質(zhì)的損耗對天線的增益有很大的影響,。當介質(zhì)損耗角正切不變時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,。
實測得到的S11曲線如圖4所示，與仿真得到的結(jié)果基本吻合,，驗證了設計的可行性,。但由于匹配電路設計時使用的是自制電感，另外加工精度不高,，導致實測得到的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中胎壓檢測模塊中的信號發(fā)射天線,。在實際應用時,，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，這給天線的設計帶來了很大的困難,。針對這一難點,，本文設計制作了一種PCB螺旋天線，并進行了測試實驗研究,，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對天線小型化的需求,。同時這種結(jié)構(gòu)的天線還有著制作工藝簡單,、成本低、易與器件和電路集成等優(yōu)點,。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計,。
參考文獻
[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)測系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.
[3] 顧明亮,，張向文,，許勇，潘明. TPMS倒F螺旋天線的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用,，2010(11)：88-90.
[4] 李兵強,，林輝.輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中小環(huán)天線的設計[J].汽車工程，2007(3)：254-256.
[5] ELDEK A A. Design of double dipole antenna with enhanced usable bandwidth for wideband 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,，2007.