應用于TPMS的PCB螺旋天線的設計與實現

汽車輪胎壓力監視系統(TPMS)可以在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓進行自動監測，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發射天線工作于頻率433.92 MHz，信號收發距離小于10 m，安裝在輪胎內部的胎壓檢測模塊上。為了保證汽車行駛時數據傳輸準確可靠，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、發射效率高。隨著TPMS的快速發展，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]和小環天線[4]，倒F螺旋天線性能較好，但占用空間大，而小環天線體積雖小，但發射效率低。本文結合實際需求，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發射天線的性能要求。

1 天線的結構

PCB螺旋天線的結構如圖1所示，該天線由11圈螺旋構成。在長方形介質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。從天線的結構可以看出，這種螺旋天線的纏繞非常密集。根據螺旋天線的特性，密集的纏繞會產生寄生感抗，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。采用介電常數為2.5、厚度為1.6 mm的介質基板。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，根據天線制作的實際情況，在仿真時，部分參數是固定的，只能通過調節參數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，諧振頻率減小；L不變時，隨著S的增大，諧振頻率增大。

經過優化后，天線參數設計如表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，滿足信號發射的條件。

3 天線的制作與測試

根據實際工程經驗，PCB板介質的損耗對天線的增益有很大的影響。當介質損耗角正切不變時天線增益則隨介電常數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射天線。在實際應用時，匹配電路可使用體積小、高品質的貼片電容和電感。

TPMS發射天線工作于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。同時這種結構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點。但是由于帶寬的限制，只能用作固定頻率的發射天線。TPMS中的接收天線需要另行設計。