CN103314482B - 用于车辆轮胎传感器的系统的多频天线 - Google Patents

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Abstract

提供了包含适于与车辆的轮胎（107）相关联的传感器设备（109）和适于安装在车辆的车身上的传感器协调器设备（110）的系统。所述传感器协调器设备（110）包括天线（435、800）。所述天线包括成形成限定为在第一频带中从传感器设备无线接收数据而设计的第一板部（815）和为在不同于第一频带的第二频带中向传感器设备无线发送数据而设计的第二板部（820）的单片金属板。所述天线进一步包含第一板部和第二板部两者共用的接地板（830）。

Description

用于车辆轮胎传感器的系统的多频天线
技术领域
本发明涉及车辆轮胎传感器的领域。尤其，本发明涉及配置成用在车辆轮胎传感器的系统中的天线。
背景技术
为了提高车辆的安全性，将电子设备并入充气轮胎中正变得较为重要。轮胎电子设备可以包括适合获取有关轮胎的行为以及其例如温度、压力、轮胎转数、车辆速度等的各种物理参数的信息的传感器和其他部件。
这样的信息可能会用在轮胎监测和/或报警系统中。
而且，车辆的主动控制/安全系统可能基于从包括在轮胎内的传感器设备发送的信息。
主动安全系统使用有关车辆的外部环境的信息以在碰撞前时段内或在碰撞事件期间改变它的行为，以完全达到避免碰撞的最终目的。最初，主动安全系统主要侧重于提高车辆的纵向运动动力学，特别是倾向于更有效的制动防抱死制动系统（ABS）和牵引力控制（TC）系统。TC系统通过使牵引力和车辆轮胎与道路之间的横向力达到最大，在提高车辆稳定性和可转向性的同时防止车辆打滑。跟随在这些系统后面的是更强大的车辆稳定性控制系统，例如，电子稳定程序（ESP）、车辆稳定控制（VSC）和动态稳定控制（DSC）。后面这些系统同时使用制动器和发动机扭矩，以便在极端驾驶状况下，通过控制横摆运动来稳定车辆。主动悬架系统也是车辆主动安全系统中的重要部分。传统上通过权衡三条冲突的准则来设计它们：道路保持能力、承载能力和乘客舒适性。悬架系统必须支撑车辆，在驾驶操纵期间提供方向控制以及提供乘客/有效载荷与道路障碍的有效隔离。
上述的主动安全控制系统基于像力、负载转移、轮胎与道路摩擦那样的车辆动力学变量的估计。参数估计越准确和“实时”，控制系统的整体性能就越好。当前，这些变量大多数都是使用机载传感器间接估计的，不是很准确。使用安装在车辆轮胎上的传感器所作的测量将提供与车辆动力学相关的参数的准确得多的估计。
但是，由于几方面原因，建立基于安装在车辆轮胎上的传感器的系统是一个具有挑战性的任务。
轮胎的内部是经受大加速度的恶劣环境，并且不把轮胎从车轮上取下来就不能到达那里。这种状况带来了非常困难的问题：大离心加速度暗示着传感器是轻质的以便例如不会使轮胎不平衡，是稳健的并且是小型的。
轮胎相对于车辆的车身连续运动的事实迫使为与传感器的通信选择无线通信链路。但是，传感器设备和接收器所处的通信环境非常恶劣：在紧挨着传感器设备的地方，汽车车身的轮辋和车轮拱罩形成两个大信号反射体。这两个部分通常是金属的，并且以这样的方式弯曲，即它们往往把入射波反射回到该区域，从而限制它们。而且，这两个车辆部分的曲率半径具有用于无线传输的波长的数量级，使反射变得更加复杂。此外，传感器设备在轮胎的内部，并且不得不以某种方式透过轮胎传输：由于由金属网和橡胶组成的轮胎使信号显著衰减，所以无法实现真正的视线通信信道。
另一个问题与传感器的电源有关：由于难以到达轮胎的内部，所以更换传感器的电池是不可行的。因此，传感器设备的功耗尽可能地低是头等重要的。
如在此通过引用并入的2009年12月29日提交和转让给本申请人之一的美国专利申请第12/654,705号所公开的，上述问题的一些可以通过采用安装在车辆轮胎上的传感器节点与安装在车辆的车身中的传感器协调器设备之间的、将超宽带（UWB）传输用于上行链路（从传感器节点到协调器）和将窄带传输——诸如所谓的工业科学和医疗（ISM）无线电频段之一——用于下行链路（从协调器到传感器节点）的通信来解决。采用这样的通信方案是有利的，因为它使得可以利用将UWB传输用于上行链路的优点以及同时可以利用将ISM传输用于下行链路的优点。具体地说，UWB是稳健地抵抗由多径干扰和缺乏视线通信引起的符号间干扰的适用于低成本、低功率、短程和高通量无线数据通信的技术。此外，ISM传输使得可以在下行链路的接收器侧（传感器节点）处极大地降低功耗，同时保证了足够的通量（在下行链路的情况下，这是相当小的）。
因此，当应用在这样的专利申请中提出的解决方案时，每个传感器协调器设备以及每个传感器节点需要配备能够在UWB频带和ISM频带两者中发送和接收的适当天线。
尤其对于传感器协调器设备，该系统将配备一对不同的天线：一个用于在UWB频带中接收，一个用于在ISM频带中发送。所述天线应该以这样的方式仔细设计，以便达到它们不得不工作在其中的特定环境所施加的要求，诸如足够紧凑，并且尤其从带宽的观点来看，甚至在存在包括在传感器协调器设备本身中的金属元件的情况下，能够呈现良好性能。
为了减小天线系统的面积占用，每个协调器设备可以配备用于在UWB频带中接收和在ISM频带中发送两者的单个天线；在这种情况下，该天线被称为“多频天线”。
在文献中可以找到许多类型的多频天线。通常它们利用在不同层上、在不同频率上共振或具有包括缺口、狭缝等的复杂形状的叠片制成。为了达到紧凑性要求，最常见贴片天线配置之一是平面倒F型天线（PIFA），对于多带应用来说，由于其尺寸小，所以被广泛用在无线终端中。已知多频PIFA的例子公开在如下文献中："ThininternalGSM/DCSPatchAntennaforaPortableMobileTerminal"Kin-LuWong,Yuan-ChihLin和Ting-ChihTseng,IEEETransactionsonantennasandpropagation,vol.54,No.1,2006年1月；以及"AcompactPIFAsuitableforDual-Frequency900/1800-MHzOpera-tion"CorbettR.Rowell和R.D.Murch,IEEETransactionsonantennasandpropagation,vol.46,No.4,1998年4月。
另一已知PIFA公开在如下文献中："RegularcircularandcompactsemicircularpatchantennaswithaT-probefeeding"Y.X.Guo,K.M.Luk和K.F.Lee,Microwaveandopticaltechnologyletters,No.1,2001年10月5日。
发明内容
已经发现，呈现良好效率、低方向性和良好覆盖角的特别紧凑多频天线可以通过提供在设计成工作在不同频率上的部分中成形的单片金属板来实现。还已经发现，这种天线可以有效地适于工作在车辆轮胎传感器的系统的感兴趣的上述频带中。
按照本发明的一方面，提供了包含适于与车辆的轮胎相关联的传感器设备和适于安装在车辆的车身上的传感器协调器设备的系统。该传感器协调器设备包括天线。该天线包括成形成限定为在第一频带中从传感器设备无线接收数据而设计的第一板部和为在第二频带中向传感器设备无线发送数据而设计的第二板部的单片金属板；第二频带不同于第一频带。该天线进一步包含第一板部和第二板部两者共用的接地板。
所述第一板部和所述第二板部可以处在介电材料层的第一表面上。
金属接地面可以有利地处在与所述介电材料层的所述第一表面相对的第二表面上。
按照本发明的一实施例，该天线进一步包含配置成将第一板部和第二板部与金属接地面连接的导电接地元件。该导电接地元件跨过该介电材料层的厚度从其第一表面到其第二表面。
按照本发明的进一步实施例，该天线可以进一步包括第一表面覆盖该第一板部和该第二板部以及该介电材料层的第一表面的另一介电材料层。此外，该天线可以进一步包括成形成限定处在与所述另一介电材料层的所述第一表面相对的所述另一介电材料层的第二表面上的第一附加板部和第二附加板部的附加单片金属板。这样，该第一附加板部处在该第一板部的上面，该第二附加板部处在该第二板部的上面。
所述第一和第二附加板部可以分别具有与第一和第二板部大致相同的形状。
有利的是，所述导电接地元件可以进一步配置成将第一和第二附加板部与接地板连接；该导电接地元件可以进一步跨过该另一介电材料层的厚度从其第一表面到其第二表面。
按照本发明的优选实施例，所述第一板部进一步包括突出金属短突部。
按照本发明的一实施例，所述第一频带以包含在4.2与4.8GHz之间的中心频率为中心，所述第二频带以包含在2.4与2.5GHz之间的中心频率为中心。
本发明的另一方面涉及包含单片金属板的天线，该单片金属板被成形成限定为在第一频带中无线接收/发送数据而设计的第一板部和为在不同于第一频带的第二频带中无线发送/接收数据而设计的第二板部；所述天线包括第一板部和第二板部两者共用的接地板。
附图说明
通过结合附图阅读的对本发明的一些示范性和非限制性实施例的如下描述，使本发明的这些和其他特征和优点变得显而易见，在附图中：
图1示意性地示出了轮胎传感器的系统的可能架构；
图2示意性地示出了将三个传感器设备布置在衬里内表面上的轮胎的赤道截面；
图3描绘了可用在IRUWB传输方案中的矩形正弦脉冲和三角形正弦脉冲的可比时域和频域图；
图4是示范性协调器设备的架构的方框图；
图5是协调器设备上的UWB接收器的模拟前端的功能方框图；
图6是协调器设备中的UWB接收器的数字基带处理部分的功能方框图；
图7是协调器设备的发送部分的功能方框图；
图8是按照本发明一实施例的协调器设备的多频天线的一种实现的透视图；
图9是图8的天线的截面图；
图10是按照本发明另一实施例的协调器设备的多频天线的一种实现的透视图；
图11是图10的天线的截面图；
图12a和12b例示了在ISM频带的中心频率上发送时图8和9的多频天线的辐射模式；
图13a和13b例示了在UWB频带的中心频率上发送时图8和9的多频天线的辐射模式；
图14a和14b例示了在ISM频带中发送时图10和11的多频天线的辐射模式；
图15a和15b例示了在UWB频带中发送时图10和11的多频天线的辐射模式；以及
图16是例示图10和11的天线的散射参数的振幅的图形。
具体实施方式
参照附图，在图1中示意性地示出了传感器节点可以配备按照本发明一实施例的天线的轮胎传感器的系统的架构100。例如，例示在图1中的轮胎传感器的系统可以是公开在已引用的美国专利申请第12/654,705号中的那一种。图1示意性地示出了用标号102标识、配备了每一个均具有安装在各自轮辋108上的轮胎107的车轮104的普通车辆。
该系统的主要部件在定义成一批相关联和协作的设备的个人区域网（PAN）中以分层方式组织。
在最低分层层次上，轮胎传感器设备包含在处在车轮104内（例如，轮胎107内）、负责数据获取、处理和向车辆内装备发送的传感器节点109中。该传感器设备可以是加速度计和/或应变计和/或压力传感器和/或和/或温度传感器。
通常，车辆轮胎包含由多个部件形成的内部空心环形结构，主要由终止在两个胎圈上的胎体形成，每个胎圈沿着胎体的内周缘形成，以便将轮胎固定在相应支撑轮辋上。将叫做胎圈芯的至少一对环状加强芯插入所述胎圈中。胎体是由至少一个加强层形成的支撑结构，该加强层包括按照环形轮廓从一个胎圈到另一个胎圈轴向延伸的纺织或金属帘线，纺织或金属帘线的末端与相应胎圈芯相关联。在子午线轮胎中，上述帘线基本上位于包含轮胎转轴的平面内。在胎体的径向外部位置中，布置了称为带束层结构的环状结构，其通常包含一条或多条涂胶织物带，该涂胶织物带包括一条缠绕在另一条上面的金属帘线。还增加了围绕带束层结构缠绕并且通常模制成具有使轮胎与道路滚动接触的凸纹图案的胎面。在胎体上，在轴向相对位置中，还布置了每一个从相应胎圈的外缘开始沿着径向朝外延伸的两个侧壁。在无内胎轮胎中，胎体的内表面通常被至少一个衬里层（即，一个或多个不透气弹性材料层）覆盖。按照轮胎的特定设计，轮胎可以进一步包含像边缘、带材和填料那样的其他已知元件。
传感器节点109优选地布置在轮胎107的内表面上，例如，在其内衬表面上。可替代地，可以将传感器节点109布置在轮胎107的不同部分上，或甚至在与轮胎107接触的轮辋108的表面上。
可以将一个或多个传感器节点布置在每个轮胎内，以提高进行的测量的准确性和可靠性。例如，如图2所描绘的，三个传感器节点109a、109b、109c可以处在相互成120°的角上。这种配置使得可以增加轮胎/道路相互作用参数的空间变化的知识。优选的是，传感器节点109a、109b、109c大致处在轮胎的赤道平面上。可替代地或组合地，在未显示在图中的实施例中，可以将多个传感器节点大致布置在轮胎的相同子午线（或径向）平面上，其中至少一个传感器处在轮胎的赤道平面之外。这种配置使得可以增加沿着轮胎印痕（即，轮胎与道路之间的接触区）的整个宽度的轮胎/道路相互作用的知识，并且在大致处在相同子午线平面上的不同传感器进行的测量之间作出比较，以便导出车辆进行的特定操纵期间的信息（例如，转弯期间的负载转移、漂移角度等）。
回头参照图1，在PAN分层中的较高层上，将一个或多个PAN协调器110安装在车辆车身中。PAN协调器110优选地由车辆主电源供电；每个PAN协调器110与各自车辆轮胎107相关联，并优选地安装在各自车辆轮胎107附近，并且管理与相关联的轮胎中的传感器节点109的通信，从而接收来自它们的数据，并且掌握传感器节点的发送的同步。取代将单个、共用PAN协调器用于所有轮胎，将一个PAN协调器110与一个轮胎相关联，使得，可以通过限制每个协调器控制的传感器的数量以及使传感器节点109与PAN协调器110之间的距离最短，以便使这些设备之间的通信更稳健，来提高总通量。
PAN协调器110可以经由像CAN（控制器区域网）和FlexRay那样可能利用车辆系统总线的有线网络相互连接。
在PAN分层的最高层上的是系统控制主机115，即，负责协调所有PAN协调器110、将它们与车辆主控连接并且提供至车辆系统总线的桥的设备。系统控制主机115负责经由车辆系统总线将命令从车辆主控系统传送到传感器节点和将PAN协调器110获取的信息传送到车辆主控系统。系统控制主机115可以实现成相对于其他PAN协调器功能增强了的PAN协调器110之一。
PAN架构具有簇树结构。由于传感器节点109无需相互通信，而只与各自PAN协调器110通信，所以簇树结构是合适的。
为了符合上文提及的几个不同和有时甚至冲突的要求，轮胎传感器的系统规定在上行链路（即，从传感器节点109到PAN协调器110）和下行链路（即，从PAN协调器110到传感器节点109）中将不同无线电技术应用于普通传感器节点109与各自PAN协调器110之间的通信。
如上文所讨论，图1的PAN中，尤其传感器节点109与PAN协调器110之间的通信环境是很恶劣的。另一方面，在上行链路中需要发送大量数据，因此以大于1Mb/s的相当高数据速率传输应该是可能的；同时，由于传感器节点上的供电局限性，功耗应该尽可能地低。
因此，对于上行链路传输，即，对于从传感器节点109到PAN协调器110的传输，采用超宽带（UWB）传输。
UWB是适用于低成本、低功率、短程无线数据传输的技术。UWB传输稳健地抵抗由甚至严重的多径干扰和缺乏视线通信引起的符号间干扰。除此之外，UWB传输将信号隐藏在对现有系统有一点或没有干扰的噪声本底下面，并减轻由窄带干扰引起的性能退化。由于发送高功率脉冲（功率需要足够高，以便脉冲从噪声本底中冒出来）但使用低占空比，使得平均发送功率仍然很低，所以实现了低功耗。
在现有技术中已知两大类的UWB无线电系统：脉冲无线电（IR）和多频带正交频分多路复用（MB-OFDM）。IR系统经由超短脉冲直接生成UWB频谱，而MB-OFDM采用形成至少500MHz的总等效带宽的传统窄带OFDM技术。
美国联邦通信委员会（FCC）和国际电信联盟-电信标准化部门（ITU-T）将UWB定义成发射信号带宽超过500MHz以及在IR的情况下形成脉冲的调制信号或在OFDM的情况下载波的中心频率的20%中的较小者的任何无线电技术。2002年，FCC为UWB应用的无执照使用分配了3.1-10.6GHz频带；但是，这些无执照UWB系统必须限制能量发射以遵循FCC定义的谱屏蔽，以便不会对该频带中的其他现有技术引起干扰；尤其，为利用UWB技术的大多数设备设置了整个3.1-10.6GHz频带上-41dBm/MHz的限制。尽管在谱屏蔽的形状方面和在发射限制的数值方面存在差异，但在欧洲和世界的其他国家也采用了所定义谱屏蔽的概念上类似的能量发射限制；例如，在欧盟内，在3.4-4.8GHz频带中允许-41.3dBm/MHz的最大平均e.i.r.p.（等效全向辐射功率）密度，只要满足低占空比限制即可。在日本，允许频带是3.4-4.8GHz和7.25-10.25GHz。
选择工作在4.2-4.8GHz频带中是有利的，因为这样的话，可以遵循当前不同法规。
由于允许在车辆上从传感器节点109到PAN协调器110的低功率高数据速率上行链路传输的上行链路发送器（驻留在传感器节点109上的部分）的架构简单，所以IRUWB技术较好地适用于传感器节点109与PAN协调器110之间的上行链路通信。
在IRUWB中，首先生成频率响应适合在等效于FCC谱屏蔽（或不同国家的其他监管机构定义的相应屏蔽）的基带中的主脉冲。然后将该脉冲升频转换成所希望的载波频率，以获取包络线是脉冲的形状的调幅RF信号。
原则上可以将任何脉冲形状用于UWB系统，只要频率响应满足能量发射限制即可。IRUWB系统的可能脉冲形状是高斯脉冲和它们的（1阶或2阶）导数：
x ( t ) = A 2 πσ exp ( - t 2 2 σ 2 )
其中A是振幅，而σ控制脉冲宽度。
这些脉冲的频谱与其他脉冲形状相比具有良好行为。但是，这样的脉冲相当难以生成和/或控制，并且需要复杂的基于传输线的设计；高斯脉冲的中心频率也难以控制，因为甚至脉冲形状的皮秒数量级的最轻微变化也可以使中心频率漂移几百MHz。另外，生成适合在FCC（或等效）频率屏蔽中的高斯脉冲不是一件微不足道的事情；需要对脉冲作一些过滤，但这将增加发送器复杂性，而为了降低功耗和缩小尺寸，传感器节点109上的上行链路发送器应该尽可能地简单。
其他可能的脉冲形状是矩形和三角形。具有矩形和三角形形状的脉冲可以无需滤波器或其他硬件地生成，并且它们的中心频率易于控制。此外，如在提供矩形包络脉冲（图中的上图）和三角形包络脉冲（图中的下图）的时域和频域之间的比较的图3中所描绘的，具有矩形形状的脉冲较好地适合在FCC谱屏蔽中，并且在频率响应的主瓣中提供更多带宽。
对于PAN协调器110与传感器节点109之间的下行链路通信，只需保持低数据速率（通量），因为从PAN协调器110到传感器节点109的下行链路传输主要用于发送协调传感器节点的活动（例如，数据获取和/或发送调度、分组重发、同步等）的最低限度信息，以便降低从多个节点的发送之间的冲突，或更一般地说，提高上行链路上的信噪比。例如，对于这些用途，高达100-200Kb/s的通量可能就足够了。因此，采用与传感器节点109上的超低功率接收器（以便节省传感器节点处的能量）的窄带传输。就本描述的目的而言，所谓的“窄带”传输指的是优选在几GHz（例如，2.4-2.5GHz）的载波上，利用例如80-100MHz或更低的数量级的、显著低于UWB带宽的带宽的传输；这个频率范围落在按照最常用法规（例如，ITU-R）称为仪器、科学和医疗（ISM）频带的无执照谱带中。
用于上行链路通信的UWB传输技术和用于下行链路通信的非UWB窄带传输的组合克服了在恶劣环境下并且以尤其在传感器节点处的非常有限的功耗在传感器节点与PAN协调器之间健壮通信的问题。
在图4中描绘了示范性PAN协调器110的架构的方框图。
PAN协调器110包含接收部分405、发送部分410、处理部分415、和用于与系统控制主机115（参见图1）连接的接口部分420。
接收部分405被设计成具有良好敏感性，以便在存在恶劣通信信道的情况下捕获传感器节点发送的UWB信号，以及对带内干扰信号是健壮的和保持相对一致性能。有利的是，采用基于能量检测的接收器，它对SNR比像基于相关性的接收器（在存在多径效应的情况下变得非常难以预测，因为UWB信号具有使基于相关性的接收器使用起来不可靠的非常丰富的多径轮廓）那样的其他接收器类型敏感。
接收部分405包含硬件无线电接收器425u和软件驱动器430u。发送部分410包含软件驱动器430d和软件无线电发送器425d。按照本发明的实施例，将用标号435标识的单个多频天线与无线电接收器425u耦合以便起接收天线的作用并且与无线电发送器425d耦合以便起发送天线的作用。
在图5中描绘了PAN协调器110的接收部分405的架构。首先降频转换输入信号频带，然后进行能量检测。首先分解输入信号以便进入两条路径中，并在I（同相）和Q（正交）信道中降频转换。然后过滤这两个I和Q信号分量以除去不想要的较高阶信号。将所得信号平方并相加以产生最终信号。这个信号是对输入信号的相位不敏感的调制信号的功率的估计。最终积分该信号，并采样输出（即，切片（chip）），使其可供数字基带部分检测。
更详细地说，参照图5，在510中带通滤波从天线435接收的UWB信号，并将其馈送到进行第一低噪信号放大的LNA515（或两个或更多个LNA的级联），然后将其馈送到分离信号并生成I和Q信号分量的混合器520。在525I和525Q中分别低通滤波I和Q信号分量，然后将其馈送到各自VGA530I和530Q，它们的增益由PAN协调器接收部分的基带处理子系统的增益和同步检测模块部分来控制。然后将放大的I和Q信号分量馈送到各自平方器电路535I和535Q中，在540中相加以获取重新组合信号545，将重新组合信号545馈送到积分器550的阵列，尤其在所示的例子中为四个积分器的阵列，它们由定时发生器555以这样的方式控制，即在部分重叠的时间间隔上对重新组合信号545进行积分，每个时间间隔对应于切片时间的1/4多一点。由四个ADC560将积分值转换成数字形式，然后馈送到受基带处理子系统中的增益和同步检测模块控制的多路复用器565，以选择正确的ADC输出。
由于在比UWB脉冲的持续时间长得多的时间窗内进行接收信号的积分的事实，所以可以将ADC的速度从UWB脉冲的持续时间的倒数降低到积分时间窗的持续时间的倒数；此外，一旦接收的UWB脉冲在积分时间窗内，该积分就无需取决于脉冲位置，而只取决于该脉冲是否包含在这样的窗口中的事实。
通过使不同积分时间窗重叠，保证了总是存在完全包含接收的UWB脉冲的至少一个积分窗：的确，当UWB脉冲从一个积分窗漂移到另一个积分窗时，它将跨过重叠区；只要这个区比UWB脉冲宽度宽，两个积分窗之一总是包含要积分的整个UWB脉冲。
在图6中示意性地描绘了基带处理子系统。在本发明的示范性和非限制性实施例中，数据分组结构和基带处理基于IEEE802.15.4a标准。尤其，除了增益和同步检测模块605之外，基带处理子系统基本上还包含解扩器610、分组检测器615、首标提取器620、包含Reed-Solomon解码器625和卷积解码器630的ECC（纠错码）解码器以及CRC（循环冗余检查）校验器635。
增益和同步检测模块605使用接收的前置码找出输入脉冲的位置以便使积分器550同步，为输入数据分组作好准备。解扩器610将输入切片解码成二进制位（8位伪噪声序列扩展例如可以用于对抗信道影响）。分组检测器615检测数据分组的开头。首标提取器620为随后的ECC解码提取必要首标信息。ECC解码器使用例如Reed-Solomon编码方案（方框625）和半速率卷积解码器（方框630）来进一步减少错误。CRC校验器635进行奇偶校验以评估数据分组有效性。
在图7中示意性地描绘了PAN协调器的发送部分410；它包含基本上包含如下项的窄带发送器：数字基带处理模块705、DAC710、低通滤波器715、混合器720、局部振荡器725和功率放大器730。例如，以20–200Kb/s之间的速率到达的要发送的位流由数字基带处理模块705处理，数字基带处理模块705以例如80MHz生成数字符号流（每个符号由例如8位字组成）。由DAC710模拟转换数字符号，并低通滤波（715）所得模拟信号，以便消除带外分量。然后在混合器720中通过把要发送的模拟信号与振荡器725以例如2.4GHz生成的载波混合进行升频转换。然后在730中放大和通过天线435发送升频转换信号。
用于上行链路通信的UWB传输技术和用于下行链路通信的非UWB窄带传输与接收器侧的能量/包络检测的组合克服了在恶劣环境下并且以尤其在传感器节点处的非常有限的功耗在传感器节点与PAN协调器之间健壮通信的问题。
在工作期间，通过管理不同传感器节点105之间的通信媒体争用的MAC协议调节传感器节点105与PAN协调器110之间的通信。优选采用TDMA（时分多址），因为它具有几方面优点。例如，TDMA使传感器节点只在分配的时隙期间发送，否则进入睡眠模式。这有助于降低功耗；在指定的发送时间期间，普通传感器节点不必与任何其他传感器节点竞争信道接入，这降低了干扰以及可能的通量延迟。无需额外电路，因此能量额外开销很低。
为了降低传感器节点处的功耗，媒体接入通过向传感器节点发送尽可能少的信息来控制。为了达到这个目的，采用为传感器节点受到严格能量约束的超低功率数据获取无线网络设计的MAC协议。
采用的MAC方案是隐式调度时分MAC（ISTD-MAC），并且是以使用有序优先方案隐性生成传输时间表为特征的TDMA协议。每个节点根据PAN协调器经由信标分组发送的非常有限的信息确定它自己的分配时隙。这种隐性方法简化了节点接收器架构和功能。节点的传输优先次序优选地可以先验确定，以便在系统初始化期间节省时间和能量。
节点或传感器设备之间的示范性通信协议描述在通过引用并入本文的2007年12月20日提交的国际申请WO2009/081425中。
图8是按照本发明一实施例的图4的多频天线435的用标号800标识的一种实现的透视图。
参照图8中称为x、y和z的三个正交方向，多频天线800是大致上与由方向x和y定义的平面平行延伸的平面天线。天线800沿着直线IX-IX截取和与由方向y和z定义的平面平行的截面图例示在图9中。
多频天线800包含两个部分，即，设计成工作在第一频率范围上的第一部分805和设计成工作在第二频率范围上的第二部分810。第一频率范围不同于第二频率范围，第二频率范围的最高频率低于第一频率范围的最低频率。例如，第一频率范围可以包含在2.4与2.5GHz之间，第二频率范围可以包含在4.2与4.8GHz之间。在例示在这些图形中的本发明的实施例中，将第一部分805与无线电接收器425u耦合以便起接收天线的作用，将第二部分810与无线电发送器425d耦合以便起发送天线的作用（参见图4）。但是，在与如上所公开的车辆传感器系统的PAN协调器中的应用不同的应用中，没有什么阻止将第一部分805与无线电发送器耦合并且将第二部分810与无线电接收器耦合；在部分805、810之一或两者与各自无线电收发器耦合的情况下，可以作类似的考虑。
按照本发明的一个实施例，多频天线800包含成形成限定第一板部815和第二板部820的单片金属板812。第一板部815对应于第一部分805，因此被设计成工作在第一频率范围。第二板部820对应于第二部分810，因此被设计成工作在第二频率范围。金属板815的厚度d1与所考虑辐射的波长相比可忽略不计，例如等于几分之一毫米的。将金属板812叠放在具有厚度D的相同介电材料层825上。在介电层825的下面，存在具有厚度d2的金属层830，它起整个多频天线800的接地面的作用。按照本发明的一实施例（未例示出来），可以进一步配备一个或多个附加介电层；例如，取代单个介电层825，可以用多个叠放介电层填充接地面830与板812之间的空间。按照本发明的另一实施例，可以让接地面830与板812之间的空间空着。
此外，按照本发明的一个实施例，第一板部815和第二板部820大致上被成形成具有面对理想直线边缘和沿着相反方向突出的边缘的两个各自分部。当多频天线800的第一部分805被配置成在UWB频带中接收而多频天线800的第二部分810被配置成在ISM频带中发送时，第一板部815的尺寸小于第二板部820的尺寸。
按照本发明的一实施例，每个板部815、820的形状可以具有弯曲边缘，像圆形或椭圆形形状那样。按照本发明的其他实施例，板部815、820可以以像按照不同几何图形那样的不同方式成形。例如，板部可以成形成像梯形、三角形、矩形等那样的多边形。
按照本发明的一实施例，通过处在第一板部815与第二板部820之间的界面处的导电接地元件840将板812与底下接地面830连接。在例示在图8和9中的实施例中，接地元件840具有通过介电层825的整个厚度D从板812延伸（沿着方向z）到接地面830和跨过板812的宽度延伸（沿着方向x）的垂直壁的形状。可替代地，以及从结构的观点来看优选地，取代成形成垂直壁，接地元件840可以由沿着方向x顺排的垂直导电针（例如，垂直互连通路，VIA）的阵列形成。通过观察图8和9，可以认识到，接地元件840起划分多频天线800的第一部分805和第二部分810的作用。
按照本发明的一实施例，多频天线800经由两个馈送端口通过同轴线缆馈送，这两个馈送端口即，处在接地面830位于板部815下面的部分上的用于第一部分805的第一馈送端口845以及处在接地面830位于板部820下面的部分上的用于第二部分810的第二馈送端口850；在例示在图8和9的例子中，馈送端口845和850处在沿着线IX-IX的位置上。更具体地说，第一同轴线缆852具有与馈送端口845的第一端子855连接的外部管状屏蔽854以及与馈送端口845的第二端子857连接的内部导体元件856，而第二同轴线缆858具有与馈送端口850的第一端子861连接的外部管状屏蔽860以及与馈送端口850的第二端子863连接的内部导体元件862。第一同轴线缆852的内部导体元件856从接地面830的水平面伸出来（沿着方向z）直到与第一板部8415接触，而第二同轴线缆858的内部导体元件862从接地面830的水平面伸出来直到与第二板部820接触。
已经发现，多频天线800具有良好效率，并且它的辐射模式具有适中方向性，从而使天线可以呈现相对较高的覆盖角。此外，流入第一部分805中的表面电流的最重要部分远离流入第二部分810中的表面电流，从而有利地减小了端口845和850之间的耦合。
此外，所有这些特征都可以利用可以容易地制造的非常简化的结构获得。尤其，板部815和820两者可以通过切割单个金属箔获得，从而避免了任何蚀刻工艺，并因此使非常便宜的介电材料（例如，聚碳酸酯）可用于介电层825。但是，不得不强调的是，板部815和820可以分开制造，然后通过焊接、导电胶等相互接合。
图10是按照本发明另一实施例的图4的多频天线435的用标号1000标识的另一实现的透视图。简要地说，多频天线1000是通过将附加板1005叠加在板812的上面获得的、图8的多频天线800的带宽增加形式。由于多频天线1000源自多频天线800，所以在图中用相同标号标识与第二天线的元件相对应的第一天线的元件。天线1000沿着直线XI-XI截取并且与由方向y和z定义的平面平行的截面图例示在图11中。
按照本发明的一实施例，附加板1005被成形成限定处在第一板部815上面的第一附加板部1015和处在第二板部820上面的第二附加板部1020。第一附加板部1015和第二附加板部1020分别具有与相应板部815、820大致相同的形状，并且可能地还有大致相同的尺寸。将板部1015和1020两者叠放在覆盖介电层825、具有厚度D′的相同介电层1025上。在例示在图10和11中的实施例中，介电层825由三个不同叠放介电层形成。按照本发明的一实施例（未例示出来），可以进一步配备一个或多个附加介电层；例如，可以用相应多个叠放介电层取代介电层1025。按照本发明的另一实施例，可以让板812与附加板1005之间的空间空着。
以与多频天线800相似的方式，垂直导电接地元件1030将板部815、820、1015和1020与处在介电层825下面的接地面830连接；具体地说，接地元件1030沿着方向z延伸通过介电层1025，以便将板部1015和1020之间的界面与板部815和820之间的界面连接，然后继续通过介电层825直到与接地面830连接。在这种情况下，接地元件1030也可以是具有垂直壁的形状的单个片，或如图10和11所例示，可以包括垂直导电针元件的阵列。
按照例示在图10和11中的本发明的一实施例，多频天线1000经由分别处在板815、820下面的馈送端口845和850通过同轴线缆馈送。
按照本发明的一实施例，天线1000的匹配可以通过配备短突部（stub）元件1035（例如，沿着方向y从板部815的弯曲边缘突出的板元件）来改进。
图12a、12b、13a和13b是例示按照本发明的一实施例构造成图8和9的多频天线800的示范性多频天线的辐射模式（dBi刻度）的图形，其中：
-板部815和820的厚度d1等于5mm；
-板部815具有等于20.5mm的宽度；
-板部820具有等于37.9mm的宽度；以及
-介电层825的介电常数是2.6。
具体地说，图12a和12b例示了在ISM频带的中心频率（2.44GHz）上发送时，所述多频天线800分别在E平面中和在H平面中的辐射模式，而图13a和13b例示了在UWB频带的中心频率（4.5GHz）上接收时，多频天线800分别在E平面中和在H平面中的辐射模式。效率高于90%（在ISM和UWB频带两者中）。从这些图形中可以观察到，ISM频带中的最大方向性是6.3dBi，而UWB频带中的最大方向性是7dBi。因此，所得覆盖角相对较高，在ISM频带中，在E和H平面中分别等于大约130°×120°，而在UWB频带中，在E和H平面中分别等于130°×90°。
图14a、14b、15a和15b是例示按照本发明的一实施例构造成图10和11的多频天线1000的示范性多频天线的辐射模式（dBi刻度）的图形。
具体地说，图14a和14b例示了在ISM频带中发送时（在2.4、2.44、2.48GHz上），所述多频天线1000分别在E平面中和在H平面中的辐射模式，而图15a和15b例示了在UWB频带中接收时（在4.25、4.5和4.75GHz上），多频天线1000分别在E平面中和在H平面中的辐射模式。与多频天线800相比，多频天线1000具有增加的方向性，其中ISM频带中的最大方向性等于7.3dBi，而UWB频带中的最大方向性是8.3dBi。
图16是例示天线1000的散射参数的振幅与频率之间的关系的图形。散射参数|S2,1|s、|S1,1|s和|S2,2|s通过计算机模拟获得，而实际测得散射参数用标号|S2,1|m、|S1,1|m和|S2,2|m标识。在图中可以观察到，在ISM和UWB频带两者中，天线1000的频率行为符合所希望的带宽要求。
前面的描述详细展示和讨论了本发明的几个实施例；不过，可以不偏离所附权利要求书所限定的范围地对所述实施例作出几种改变，以及给出不同发明实施例。

Claims (12)

1.一种轮胎传感器的系统，包含适于与车辆(102)的轮胎(107)相关联的传感器设备(109)和适于安装在车辆(102)的车身上的传感器协调器设备(115)，所述传感器协调器设备包括天线(435；800；1000)，
所述系统的特征在于，
所述天线(435；800；1000)包含：
-成形成限定如下项的单片金属板(812)：
-为在第一频带中从所述传感器设备(109)无线接收数据而设计的第一板部(815)，以及
-为在不同于所述第一频带的第二频带中向所述传感器设备(109)无线发送数据而设计的第二板部(820)，以及
-所述第一板部(815)和所述第二板部(820)两者共用的接地面(830)；
-第一馈送端口(845)，连接到所述第一板部(815)以将所述第一板部(815)与无线电接收器(425u)耦合；以及
-不同于所述第一馈送端口(845)的第二馈送端口(850)，连接到所述第二板部(820)以将所述第二板部(820)与无线电发送器(425d)耦合。
2.如权利要求1所述的轮胎传感器的系统，其中所述第一板部(815)和所述第二板部(820)处在介电材料层(825)的第一表面上。
3.如权利要求2所述的轮胎传感器的系统，其中所述接地面(830)处在所述介电材料层(825)的与所述第一表面相对的第二表面上。
4.如权利要求3所述的轮胎传感器的系统，其中所述天线(435；800；1000)进一步包含配置成将所述第一板部和所述第二板部与所述接地面(830)连接的导电接地元件(840；1030)，所述导电接地元件(840；1030)跨过所述介电材料层(825)的厚度从其第一表面到其第二表面。
5.如权利要求1-3的任何一项所述的轮胎传感器的系统，其中所述天线(435；800；1000)进一步包括：
-具有第一表面的另一介电材料层(1025)，所述另一介电材料层(1025)的第一表面覆盖所述第一板部(815)与所述第二板部(820)和所述介电材料层(825)的第一表面；以及
-成形成限定处在与所述另一介电材料层(1025)的第一表面相对的所述另一介电材料层(1025)的第二表面上的第一附加板部(1015)和第二附加板部(1020)的附加单片金属板(1005)，使得所述第一附加板部(1015)处在所述第一板部(815)的上面并且所述第二附加板部(1020)处在所述第二板部(820)的上面。
6.如权利要求4所述的轮胎传感器的系统，其中所述天线(435；800；1000)进一步包括：
-具有第一表面的另一介电材料层(1025)，所述另一介电材料层(1025)的第一表面覆盖所述第一板部(815)与所述第二板部(820)和所述介电材料层(825)的第一表面；以及
-成形成限定处在与所述另一介电材料层(1025)的第一表面相对的所述另一介电材料层(1025)的第二表面上的第一附加板部(1015)和第二附加板部(1020)的附加单片金属板(1005)，使得所述第一附加板部(1015)处在所述第一板部(815)的上面并且所述第二附加板部(1020)处在所述第二板部(820)的上面。
7.如权利要求5所述的轮胎传感器的系统，其中所述第一附加板部(1015)和所述第二附加板部(1020)分别具有与所述第一板部(815)和所述第二板部(820)大致相同的形状。
8.如权利要求6所述的轮胎传感器的系统，其中所述第一附加板部(1015)和所述第二附加板部(1020)分别具有与所述第一板部(815)和所述第二板部(820)大致相同的形状。
9.如权利要求8所述的轮胎传感器的系统，其中所述导电接地元件(1030)进一步配置成将所述第一附加板部(1015)和所述第二附加板部(1020)与所述接地面(830)连接，所述导电接地元件(1030)进一步跨过所述另一介电材料层(1025)的厚度从其第一表面到其第二表面。
10.如权利要求1-3的任何一项所述的轮胎传感器的系统，其中所述第一板部(815)进一步包括突出的金属短突部(1035)。
11.如权利要求1-3的任何一项所述的轮胎传感器的系统，其中：
-所述第一频带以包含在4.2GHz与4.8GHz之间的中心频率为中心，以及
-所述第二频带以包含在2.4GHz与2.5GHz之间的中心频率为中心。
12.一种天线(435；800；1000)，包含：
-成形成限定如下项的单片金属板(812)：
-为在第一频带中无线接收/发送数据而设计的第一板部(815)，以及
-为在不同于所述第一频带的第二频带中无线发送/接收数据而设计的第二板部(820)，以及
-所述第一板部(815)和所述第二板部(820)两者共用的接地面(830)；
-第一馈送端口(845)，连接到所述第一板部(815)以将所述第一板部(815)与无线电接收器(425u)耦合；以及
-不同于所述第一馈送端口(845)的第二馈送端口(850)，连接到所述第二板部(820)以将所述第二板部(820)与无线电发送器(425d)耦合。
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