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车用制品技术与应用 康永·基于 HFSS 软件轮胎胎压监测系统微带天线的设计

基于 HFSS 软件轮胎胎压监测系统

微带天线的设计

康永
( 榆林市瀚霆化工技术开发有限公司，陕西 榆林 718100)

摘要 ： 本文设计的是用在汽车轮胎胎压监测系统的射频读写器，其主要目的就是通过实时的监测汽车轮胎的压力情况。当轮
胎压力出现异常情况时及时发出报警提示，提高安全系数和防止爆胎。本文设计天线主要用到的软件是 HFSS-High Frequency
Structure Simulator，是由 Ansoft 公司推出的三维结构电磁仿真软件。HFSS 提供了简洁直观的设计窗口，类似 Windows 的友好
界面，能计算出任意形状的 S11 参数和全波电磁场。HFSS 拥有功能强大的处理器，能够计算出各种天线参数，如增益、方向性、
远场方向图剖面、3D 图和 3 dB 宽带等。HFSS 现在有很多版本，最新的是 Ansoft HFSS 15.0，不过目前最流行的还是 Ansoft
HFSS 13.0。本文采用了微带天线的设计方法，在不改变工作频率的情况下把读写器天线做的尽可能的小，这样适合把读写器放
在驾驶室里而不会占用太大的空间，满足车主对汽车的舒适和美观。
关键词 ： 胎压监测 ；安全系数 ；设天线计 ；无源 TPMS ；天线结构
中图分类号 ： TQ336.1 文章编号 ： 1009-797X(2019)20-0010-10
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.20.004

本文设计的天线是射频读写器，该读写器是用在 劣的环境下，而且使用寿命也大大延长，不用担心电
汽车胎压监测系统 (Tire Pressure Monitoring System ， 池电量带来的麻烦。但是没有了电源电池它的工作能
TPMS)。汽车胎压监测系统是最近十年兴起的一种新 量来自哪里？答案就是来自所设计的微带天线。本文
技术，它的主要目的就是通过实时的监测汽车轮胎的 设计的读写器天线不仅仅是信号的接收天线，它还有
压力情况，当轮胎压力出现异常情况时及时发出报警 另一个重要的作用就是给发射装置辐射足够的电磁波
提示，防止汽车爆胎，提高汽车的安全性系数 [1] 。在 能量，保证其正常工作。因为天线是互易的，不仅可
汽车胎压监测系统中，轮胎气压先通过轮胎内的声表 以接收电磁波也可以发射电磁波。
面波压力传感器把气压信号转变成电信号，在经过微
处理器处理把胎压信号传送到轮胎内的发射天线，发 1 天线辐射基本原理
射天线经过电磁辐射，把载有胎压信号的电磁波辐射 天线向外辐射的实质是天线上的电流变化引起的
到空间去，辐射到空间的电磁波经由读写器内设计的 空间电磁场的分布，组成天线的基本单元有电振子元
微带天线捕获，把电磁波信号转变为电信号，经过中 和磁振子元，只要求出基本振子的辐射场，利用叠加
央处理器的分析处理显示在显示器上。工作流程图如 原理就可以得出整个天线的辐射情况 [3] 。
图 1 所示。 1.1 电基本振子辐射
在一段载有均匀同相的时变电流元导线称为电流
元，这就是最简单的一种天线，它具有的很多特性是
任何其他的天线所共有的，所以研究电流的辐射特性
是很有理论价值的，任何形状的天线都可以看成由许

图 1 TPMS 的工作流程图 多首尾相连接的电流元组成，这些电流元是天线的基
本单元，又称基本振子。电流元导线的直径 d 要远小
汽 车 胎 压 监 测 系 统 分 为 有 源 TPMS 和 无 源
TPMS，他们是以在该系统中的胎压传感器有无电池
作者简介 ：康永 (1981-)，男，博士研究生，高级工程师，
工作来区分 [2] 。本文研究的系统中，采用无源 TPMS。
现从事无机非金属材料以及功能化高分子复合材料研究工作。
无源 TPMS 没有电源电池的约束，可以工作在更加恶 收稿日期 ：2019-06-19

年
2019 第 45 卷 ·19·