CN108574500A - 基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及射频调试技术领域，特别涉及一种基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法。所述匹配方法包括：通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配；将完成天线阻抗匹配的胎压监测传感器安装于轮毂上，调整天线的阻抗匹配网络参数，并在远场探测天线辐射场场强进行匹配调试；步骤c：对完成天线与轮毂匹配的胎压监测传感器进行灌胶密封时，隔绝所述阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶，并对所述隔绝的电路元器件的阻抗匹配网络参数进行调整，完成物理单元和“天线+轮毂”的匹配。本发明提高了传感器的发射强度及天线辐射效率，解决了传感器和接收机通讯不稳定的问题。

Description

基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法
技术领域
本发明涉及射频调试技术领域，特别涉及一种基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法。
背景技术
在汽车高速行驶过程中，轮胎故障，尤其是爆胎，由于其具有偶然性和不可预见性，往往领驾驶者猝不及防，这也是突发性交通事故发生的重要原因之一。近年来，随着汽车驾驶安全系统的广泛深入和应用，为预防爆胎，变被动安全为主动安全，汽车轮胎压力实时监测系统(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)正逐渐成为保障车辆行驶安全不可缺少的安全装置。TPMS系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮毂上的胎压监测传感器和安装在汽车车厢内的接收机。胎压监测传感器模块将测量得到的轮胎信息以电磁波传输的方式通过天线发射至接收机，接收机接收到胎压监测传感器模块发射的信号后，将各个轮胎的压力和温度等数据显示在屏幕(导航、MP5等中控大屏)上，供驾驶者参考。
目前，TPMS系统包括前装和后装两种方案，但不管是前装还是后装，现有的TPMS都各有弊端：
1、前装TPMS通常采用传感器内置式方案，传感器模块因与外界隔着轮子的缘故导致传感器模块的天线抗干扰设计十分困难，普遍存在发射效率低，系统数据丢失严重的问题。当通过复杂交通电磁环境时，由于天线抗干扰性能差，传感器模块频繁与接收机失联，影响整个TPMS的性能；
2、后装TPMS由于大多采用外置式的方案，传感器模块的天线匹配容易设计，但由于传感器模块长期暴露在车胎外部，工作环境恶劣，使用寿命非常短；并且易受外界信号干扰，导致接收机频繁误报，客户体验效果较差。
目前，市场上最先进主流设计方案的胎压监测传感器(Tire PressureMonitoring Sensor)采用电池+系统级控制芯片(内部集成MCU和RF专用传感器)+气门芯天线方案，例如英飞凌(Infineon)的SP37系列和飞思卡尔(Freescale)的FXTH87系列芯片。由于芯片的高集成度大大降低了成本，同时也减小了开发的难度。而基于现有TPMS存在的弊端，传感器模块在通过气门芯天线发射轮胎信息的过程中会因为天线没有理想匹配、整车环境和周边复杂电磁干扰等方面因素的影响导致有效传输距离受限，从而造成接收机的数据丢失、误报或失联等情况。因此，如何快速有效地提高气门芯天线的发射效率、增强高频信号的抗干扰能力、完成胎压监测传感器模块天线射频部分的匹配调试至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为了解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：
一种基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，包括以下步骤：
步骤a：通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配；
步骤b：将完成天线阻抗匹配的胎压监测传感器安装于轮毂上，调整天线的阻抗匹配网络参数，并在远场探测天线辐射场场强进行匹配调试，进行天线与轮毂的匹配；
步骤c：对完成天线与轮毂匹配的胎压监测传感器进行灌胶密封时，隔绝所述阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶，并对所述隔绝的电路元器件的阻抗匹配网络参数进行调整，使所述胎压监测传感器的近场场强和远场场强达标，完成物理单元和“天线+轮毂”的匹配。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配还包括：采用软件建模仿真，得到阻抗匹配网络和相关参数。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配还包括：以仿真得到的阻抗匹配网络和相关参数为参考，按照天线经典理论上的阻抗匹配进行不断试错，使得天线的辐射近场场强达到期望设计值。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配还包括：分别匹配传感器IC的RF_OUT pin的输出特性阻抗和天线的输出特性阻抗，使得传感器IC的RF_OUT pin和天线等效输出，实现理论阻抗匹配。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述阻抗匹配网络的拓扑电路结构为“π”型结构。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述天线与轮毂的匹配包括：将完成天线阻抗匹配的胎压监测传感器安装于轮毂上，通过调整天线的阻抗匹配网络参数，并在远场探测天线辐射场场强，完成天线与轮毂的匹配。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述隔绝阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶还包括：确定不同的灌胶材料对天线效率和射频信号质量产生的影响。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述隔绝阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶还包括：定位所述阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述隔绝阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶还包括：利用模具围住所定位的受灌胶密封影响的电路元器件，以隔绝所围住的电路元器件的灌胶。
相对于现有技术，本发明实施例产生的有益效果在于：本发明实施例的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法充分有效地考虑了影响天线发射效率的因素，合理的制定了测试标准，实现了天线、物理单元、轮毂的整体理想匹配，管控了失效风险，提高了传感器的发射强度，缩短了开发的周期，有效地提高了天线辐射效率，改善了射频信号的信噪比(SNR)，解决了传感器和接收机通讯不稳定的问题，提高了TPMS系统整体的可靠性和复杂交通电磁环境下系统的抗干扰能力；同时，解决了前装内置式胎压传感器的缺陷和后装外置式传感器使用寿命短的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法的流程图；
图2a为IC芯片的RF_OUT pin阻抗匹配电路图，图2b为Antenna(天线)阻抗匹配电路图；
图3为现有胎压监测装置射频调试方法的流程图；
图4为匹配网络参数调整示意图；
图5为部分电路元器件的隔离灌胶示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法合理的将天线阻抗匹配理论、电磁场电磁波理论与胎压监测传感器的生产工艺、工作情景相结合，经过大量的天线匹配测试、远近场场强测试、台架试验和实车路试，逐一排除次要因素，找出影响天线发射效率、信号质量的主要因素，在经典天线阻抗匹配理论的基础上充分有效地考虑影响天线发射效率和信号质量的各方面因素(包括生产灌胶密封和轮毂对电磁波的屏蔽等)，将胎压监测传感器射频天线的匹配分为三步：天线阻抗的匹配、天线和轮毂的匹配、物理单元和“天线+轮毂”的匹配，从而最大限度的提高了天线的发射效率，增强了高频信号的抗干扰能力，达到了很好的传输效果，满足了系统可靠通讯的设计要求。
具体的，请参阅图1，是本发明实施例的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法的流程图。本发明实施例的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法包括以下步骤：
步骤100：采用软件建模仿真，得到理想阻抗匹配网络和相关参数，并以仿真得到的理想阻抗匹配网络和相关参数为参考，按照天线经典理论上的阻抗匹配进行不断试错(Trial and Error)，对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配，使得天线的辐射近场场强达到期望设计值；
在步骤100中，仿真工具包括但不限于ADS、Smith32等。以ADS仿真工具为例，首先仿真得到多个不同类型的阻抗匹配网络(通常会得出至少四种不同的“L”型电路)，并通过分别对各个阻抗匹配网络的特性进行分析，择优选出理想的阻抗匹配网络。
上述中，阻抗匹配网络是天线射频电路设计中不可缺少的一部分。阻抗匹配网络是通过一个无损耗的网络把有源器件的阻抗匹配到负载阻抗，同时不会对电路产生功率损耗，实现有源器件的功率传输最大化。事实上，阻抗匹配网络就是插入在信号源和负载之间的一个转换电路。从信号完整性角度来看，就是通过阻抗匹配网络的一些信号反射来抵消负载与信号源间的不匹配而产生的信号反射，从而实现传输功率最大化。在实际应用过程中，理论意义上的阻抗匹配并不一定适用，还需要考虑其他的很多因素以折中，而不是简单的为了寻求信号的最大传输功率。常用阻抗匹配网络包括“L”型、“T”型、“π”型，两两可以相互转换，但不同的类型实现其测试的回波损耗(S11参数)、插入损耗(S21参数)、驻波比(VSWR)和匹配带宽等相关参数不同。实际考虑PCB(印制电路板)板上的不确定性寄生效应影响，本发明实施例中，还对胎压监测传感器的最佳频率响应、驻波比和匹配带宽等参数进行分析，优选阻抗匹配网络的拓扑电路结构为“π”型结构，“π”型可以灵活变换为“L”型或“T”型，在实际调试过程中，可根据仿真得到的理想阻抗匹配网络对电路结构进行调整，效率、成功率更高。
天线阻抗匹配实际即PCB焊接好Battery(电池)和Antenna(天线)，然后借助测试设备(网分、频谱仪)进行单一的阻抗匹配调试，需要考虑IC_RF_OUT特性阻抗、PCB板上寄生阻抗和天线特性阻抗。本发明实施例中，天线阻抗匹配分为两个部分，具体如图2a和图2b所示，其中，图2a为IC芯片的RF_OUT pin阻抗匹配电路图，通过该匹配电路使传感器IC(集成电路)的RF_OUT pin(射频输出引脚)输出特性阻抗为50Ohm。图2b为Antenna(天线)阻抗匹配电路图，通过该匹配电路匹配天线的输出特性阻抗为50Ohm，达到传感器IC的RF_OUT pin和天线等效输出，两者结合实现理论匹配。相对于现有技术的直接匹配(一步法)而言，目标更明确，也为后面的射频调试奠定了基础。在图2a和图2b中，可通过矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer)等测试设备测试系统馈电点处的回波损耗、插入损耗、驻波比和匹配带宽等参数，以衡量阻抗匹配的效果。相关参数是指由仿真得出阻抗匹配网络后计算出来的理论参数，可作为匹配调试范围的参考。
步骤200：将完成天线阻抗匹配的胎压监测传感器安装于轮毂上，通过微调天线的阻抗匹配网络参数，并在远场探测天线辐射场场强进行整体匹配调试，完成天线与轮毂的整体匹配调试；
在步骤200中，胎压监测传感器装车行驶过程中，轮毂对电磁波的屏蔽衰弱、整车环境和周边复杂电磁骚扰会对TPMS的性能和可靠性产生严重的影响，天线和轮毂的良好匹配关系着胎压监测传感器是否能够成功、有效、实时的将轮胎信息发送给接收机。但现有技术中，通常并没有对天线和轮毂进行匹配，这也是市场上胎压监测传感器天线效率不高、发射功率不够、TPMS抗干扰能力差的重要原因之一。具体请一并参阅图3，为现有胎压监测装置射频调试方法的流程图。
天线的近场包含感应近场和辐射近场，其中感应近场占主导地位，并且角向场的分布也依赖于离天线的距离。在远场测试场区，测试天线位于源天线的远场区时，入射的电磁波可以近似为平面波，射线都是平行分布的，辐射的方向不再依赖于距离和天线尺寸，可认为电磁波在各个方向无差异。那么，对于安装在轮毂上的传感器来说，轮毂的尺寸比气门芯大很多，就相当于一面大的金属屏蔽板，会大大的屏蔽天线的近场辐射场，而对远场基本无影响，所以不再适合以测试近场辐射场场强来衡量天线的匹配效率。
在本发明实施例中，以测试远场(典型值：3m@Field)场强作为衡量天线匹配效率的评判标准，这也符合TPMS的应用情景。天线和轮毂的匹配方式具体为：当经典理论的阻抗匹配完成后，辐射近场场强达到期望设计值，通过微调天线的阻抗匹配网络参数，具体如图4右侧标注部分所示，为阻抗匹配网络参数调整示意图；并在远场探测天线辐射场场强进行整体的匹配调试，同时，可以根据CE(certification，CE认证)、FCC(FederalCommunications Commission，美国联邦通信委员会)、3C(China CompulsoryCertification，强制性产品认证制度)等相关认证标准的法规限值(Limit Line)为参考来掌控、调整整体辐射功率超标问题。经实际调试发现，可根据天线类型、材质的不同变换Antenna阻抗匹配网络的拓扑电路结构，将“π”型拓扑电路结构调整成“L”或“T”型，再进行匹配调试即可。
步骤300：对完成天线与轮毂匹配的胎压监测传感器进行灌胶密封时，利用Shape(模具)围住易受灌胶工艺影响的电路元器件以隔绝该部分电路元器件的灌胶，并对该部分电路元器件的阻抗匹配网络参数进行调整，使胎压监测传感器的近场场强和远场场强达标，从而完成物理单元和“天线+轮毂”的整体匹配；
在步骤300中，由于胎压监测传感器本体安装于轮胎内部，需要在高温、高压、高湿度和高速旋转的恶劣环境下工作。因此，除了需要考虑电路设计的可靠性之外，自身对防水防尘防盐雾的等级均有一定要求，生产工艺上需要安装壳体后对胎压监测传感器进行灌胶密封。物理单元在很大的程度上保障了产品的质量(物理单元是指胶水等灌胶材料在胎压监测传感器壳体内固化后所形成的物体)，提高了电路设计的可靠性，但会在一定程度上改变步骤100中所做的阻抗匹配特性，故需再次调整阻抗匹配网络参数。
另外，依照气门芯天线的胎压监测传感器的装车效果来看，轮毂对电磁波的屏蔽和天线发射效率的衰弱程度较物理单元更为严重，因此，本发明实施例将物理单元的匹配放在最后，管控了失效风险，提高了调试的效率。
本发明实施例中，物理单元和“天线+轮毂”的匹配方法具体包括：
首先，确定不同的灌胶材料对天线效率和射频信号质量产生何种影响(例如，衰弱或优化)；本发明实施例通过进行一定数量规模的灌胶实验、对比测试、分析前后数据确定上述影响。
其次，定位受物理单元影响的部分电路元器件；本发明实施例采用步步逼近(StepBy Step Approaching)的方式，利用一个自制的简单的Shape逐一阻断部分电路元器件的灌胶，并通过前后对比以定位受物理单元影响的对象；具体如图5所示，为部分电路元器件的隔离灌胶示意图，其中，虚线内部分即为被隔离灌胶的部分电路元器件。然后，对该部分电路元器件(如图4中间部分标注所示)进行阻抗匹配参数微调，近场辐射场强达标后，再将胎压监测传感器安装至轮毂测试远场区场强，这时一般只需微调阻抗匹配网络的某些参数(如图4中右侧标注部分)便可成功地完成物理单元和“天线+轮毂”的整体匹配，微调标准以该产品3m@Field场强的设计期望为准，也可以以产品出口要求的FCC、CE、3C等标准法规值为目标。经测试，经本发明调试的胎压监测传感器装车效果良好，天线发射强度满足FCC、CE、3C等认证标准。
本发明实施例的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法充分有效地考虑了影响天线发射效率的因素，合理的制定了测试标准，实现了天线、物理单元、轮毂的整体理想匹配，管控了失效风险，提高了传感器的发射强度，缩短了开发的周期，有效地提高了天线辐射效率，改善了射频信号的信噪比(SNR)，解决了传感器和接收机通讯不稳定的问题，提高了TPMS系统整体的可靠性和复杂交通电磁环境下系统的抗干扰能力；同时，解决了前装内置式胎压传感器的缺陷和后装外置式传感器使用寿命短的问题。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：通过阻抗匹配网络对胎的天线进行阻抗匹配；
步骤b：将完成天线阻抗匹配的胎压监测传感器安装于轮毂上，调整天线的阻抗匹配网络参数，并在远场探测天线辐射场场强进行匹配调试，进行天线与轮毂的匹配；
步骤c：对完成天线与轮毂匹配的胎压监测传感器进行灌胶密封时，隔绝所述阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶，并对所述隔绝的电路元器件的阻抗匹配网络参数进行调整，使所述胎压监测传感器的近场场强和远场场强达标，完成物理单元和“天线+轮毂”的匹配。
2.根据权利要求1所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配还包括：采用软件建模仿真，得到阻抗匹配网络和相关参数。
3.根据权利要求2所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配还包括：以仿真得到的阻抗匹配网络和相关参数为参考，按照天线经典理论上的阻抗匹配进行不断试错，使得天线的辐射近场场强达到期望设计值。
4.根据权利要求3所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述通过阻抗匹配网络对胎压监测传感器的天线进行阻抗匹配还包括：分别匹配传感器IC的RF_OUT pin的输出特性阻抗和天线的输出特性阻抗，使得传感器IC的RF_OUT pin和天线等效输出，实现理论阻抗匹配。
5.根据权利要求2所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述阻抗匹配网络的拓扑电路结构为“π”型结构。
6.根据权利要求4所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述天线与轮毂的匹配包括：将完成天线阻抗匹配的胎压监测传感器安装于轮毂上，通过调整天线的阻抗匹配网络参数，并在远场探测天线辐射场场强，完成天线与轮毂的匹配。
7.根据权利要求1所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述隔绝阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶还包括：确定不同的灌胶材料对天线效率和射频信号质量产生的影响。
8.根据权利要求7所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述隔绝阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶还包括：定位所述阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件。
9.根据权利要求8所述的基于气门芯天线的胎压监测传感器射频天线的匹配方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述隔绝阻抗匹配网络中受灌胶密封影响的电路元器件的灌胶还包括：利用模具围住所定位的受灌胶密封影响的电路元器件，以隔绝所围住的电路元器件的灌胶。
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CN111250979A (zh) * 2020-02-01 2020-06-09 谢三保 主备式双胎压传感器自动生产工艺

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