应用于TPMS的PCB螺旋天线的设计与实现

摘  要： 针对TPMS中发射天线安装空间有限这一难点，提出了一种PCB螺旋天线。采用将螺旋天线加工于PCB上的结构，极大地减小了天线尺寸。设计出的天线具有良好的全向性，加入匹配网络后，在工作频率433.92 MHz 处的回波损耗值约为-40 dB，满足TPMS发射天线的性能要求。根据优化结果制作了该天线，测试结果与仿真结果基本吻合，实物尺寸为20 mm×16.7 mm×10 mm，实现了小型化。
关键词： TPMS；PCB螺旋天线；全向性；小型化
   　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。