应用于TPMS的PCB螺旋天线的设计与实现

admin

汽车轮胎压力监视系统(TPMS)可以在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气、低气压、高气压进行预警，以保障驾乘者行车安全[1]。TPMS发射天线工作于频率433.92 MHz，信号收发距离小于10 m，安装在轮胎内部的胎压检测模块上。为了保证汽车行驶时数据传输准确可靠，要求天线具有全向性。同时由于安装空间有限，并且整个模块只由一块锂电池供电，要求天线体积小、发射效率高。随着TPMS的快速发展，在保证基本性能的基础上，小型化天线的研究显得越来越重要。

目前比较常用的TPMS天线类型有倒F螺旋天线[2-3]和小环天线[4]，倒F螺旋天线性能较好，但占用空间大，而小环天线体积虽小，但发射效率低。本文结合实际需求，设计并制作了一种小型的PCB螺旋天线，被加工在一块面积只有20 mm×16.7 mm的聚四氟乙烯板上。PCB螺旋天线与传统螺旋天线相比，在总长度相同的情况下，天线尺寸大幅度减小。此外金属导线固定在PCB板上，长度、宽度和距离等参数大小容易控制，因此这种天线具有小尺寸、易制作的特点。实验结果表明该天线可工作于频率433.92 MHz，具有良好的全向性，满足TPMS发射天线的性能要求。

1 天线的结构

PCB螺旋天线的结构如图1所示，该天线由11圈螺旋构成。在长方形介质基板的两面分别印刷金属导线，宽度一致，两端有导通孔，其内壁覆铜，用来连接两层的金属。馈电线与图1(b)中右上角最大的导通孔相连接，其余的导通孔直径大小相同。从PCB板制作工艺上考虑，为了确保金属的连接，设计时每个导通孔周围要加上焊盘。


2 天线的设计与仿真
　天线的工作频率取决于天线本身的尺寸。从天线的结构可以看出，这种螺旋天线的缠绕非常密集。根据螺旋天线的特性，密集的缠绕会产生寄生感抗，导致螺旋天线的谐振频率增加[5]，因此在设计时总长度应该比理论长度稍短。

本文使用软件CST MICROWAVE STUDIO进行仿真。采用介电常数为2.5、厚度为1.6 mm的介质基板。为了满足小型化的要求，在设计时需要选用最小的PCB工艺尺寸。因此，根据天线制作的实际情况，在仿真时，部分参数是固定的，只能通过调节参数L和S来达到所需要的频率。

通过对天线的建模仿真，得出了天线谐振特性与金属导线长度L和螺距S之间的关系，如表1所示，其中F为中心频率。从表1中可以看出：S不变时，随着L的增大，谐振频率减小；L不变时，随着S的增大，谐振频率增大。

经过优化后，天线参数设计如表2所示。

由于天线阻值较小，约为3.58 &Omega;左右，因此需要外接匹配电路与50 &Omega;输入阻抗相匹配。本文中采用T型匹配电路，在软件ADS中进行仿真，得到S11曲线如图3所示。从图中可以看出天线的有效工作频段为432.6~435.2 MHz(S11<-10 dB)。虽然带宽较窄，但在工作频率433.92 MHz 处的S11约为-40 dB，满足信号发射的条件。
  
3 天线的制作与测试

根据实际工程经验，PCB板介质的损耗对天线的增益有很大的影响。当介质损耗角正切不变时天线增益则随介电常数&epsilon;的增大而减小[6]。因此选择稳定性好、损耗很低的聚四氟乙烯介质板来制作天线。天线的尺寸为20 mm×16.7 mm×10 mm。

实测得到的S11曲线如图4所示，与仿真得到的结果基本吻合，验证了设计的可行性。但由于匹配电路设计时使用的是自制电感，另外加工精度不高，导致实测得到的S11值小于仿真值。天线的有效带宽为432.2~435.3 MHz(S11<-10 dB)，频率433.92 MHz处的S11<-15 dB，可用作TPMS中胎压检测模块中的信号发射天线。在实际应用时，匹配电路可使用体积小、高品质的贴片电容和电感。

TPMS发射天线工作于433.92 MHz，频率较低，和其他元件连接后一起安装在轮胎内部，占用的空间极小，这给天线的设计带来了很大的困难。针对这一难点，本文设计制作了一种PCB螺旋天线，并进行了测试实验研究，结果表明这种天线具有良好的全向性，体积小重量轻，满足TPMS对天线小型化的需求。同时这种结构的天线还有着制作工艺简单、成本低、易与器件和电路集成等优点。但是由于带宽的限制，只能用作固定频率的发射天线。TPMS中的接收天线需要另行设计。