摘  要： 針對(duì)TPMS中發(fā)射天線安裝空間有限這一難點(diǎn),，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(shè)計(jì)出的天線具有良好的全向性，加入匹配網(wǎng)絡(luò)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,，實(shí)物尺寸為20 mm×16.7 mm×10 mm,，實(shí)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(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(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(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?。籐不變時(shí),，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(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),。
參考文獻(xiàn)
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