一种应用于TPMS传感器的PCB基材天线的制作方法

本实用新型涉及车辆轮胎压力监测系统(TPMS)传感器技术领域，特别是涉及一种应用于TPMS传感器的PCB基材天线。

背景技术：

随着人们对安全意识的逐渐提高，轮胎压力监测系统(TPMS)作为一种安全预防系统得到了快速发展，其小型化、轻量化的特点和可靠、稳定的性能在TPMS应用中得到了凸显。轮胎压力监测系统(TPMS)，主要用于汽车轮胎内压力和温度的监测，对由轮胎压力和温度可能造成的危险进行预警，确保行车安全，并减少因气压不足造成的轮胎加速磨损和能耗增加。TPMS系统是通过RF无线通讯，传感器是安装在轮胎内，轮辋、车身对RF无线通信衰减较大。目前市面上采用的是内置天线方案，在保证TPMS系统信号的可靠与稳定的前提下，要求天线尺寸尽可能缩小。

目前国内外应用在TPMS的传感器天线方案主要有以下几种：

(1)环形天线：该天线是一种结构简单，价格便宜，形式多样(如矩形、正方形、三角形、圆形及椭圆形等等)。其不足之处是周长比波长小得多的小环天线的辐射电阻比它的损耗电阻小，造成小环天线的辐射效率很低，也使得小环天线的增益低，不适合做较远距离通讯传感器的发射天线。

(2)螺旋天线：该天线是用金属线(或管)绕制成螺旋形结构的行波天线，因而螺旋天线具有多方面的宽频带、体积小、重量轻、圆极化特性好等优点。不足处是其小尺寸的要求下的增益较低和结构易形变的特点不能满足卡车或大体积车辆TPMS系统的通讯距离要求。

(3)单极天线：目前应用最广泛的的四分之一波长单极天线。该天线是很有实际意义的天线，它是对称振子的一半，其振子上的电流和电荷分布与相应对称振子上臂相同。但输入阻抗是相应对称振子的一半，方向系数是相应对称振子的两倍，增益略低。但天线几何长度很长，在进行安装时会被轮胎卡住甚至于卡断，还有车在高速行驶使天线会随机振动，影响信号传输。当缩短天线长度时，会造成：①辐射电阻小于损耗电阻，使天线的效率很低，一般只有百分之几；②天线输入电阻小，电抗大，天线的Q值很高，工作频带很窄。

(4)片状天线：该天线是采用片状金属作为天线辐射体，属于电小天线，其小结构正好符合TPMS系统传感器小结构的要求，但是对车身和轮辋的衰减较大，辐射出轮胎的能量较小，达不到稳定通讯的需求。

综上所述，上述天线都不能满足TPMS传感器性能要求，其增益低、大体积、高成本严重制约了TPMS传感器的小型化、轻量化、智能化发展。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用于TPMS传感器的PCB基材天线，使TPMS传感器满足小型化、轻量化、智能化、易贴片、成本低、且信号稳定可靠等技术要求。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于TPMS传感器的 PCB基材天线，包括PCB基板，所述PCB基板上设置有两个天线引脚，所述两个天线引脚通过PCB基板表面上的天线金属线相连，所述PCB基板表面上的天线金属线沿着PCB 基板的最外侧设置。

所述天线金属线上设置有若干金属化过孔。

所述天线金属线贴合在PCB基板的正反两面。

所述金属化过孔之间的距离间隔0.3-2mm。

所述金属化过孔深度为1.2mm。

所述天线金属线设置成回路结构。

所述天线金属线设置成交叉结构。

所述天线引脚为露铜引脚。

所述天线金属线为铜线。

所述PCB基板采用FR-4材质，介电常数为4.4，整体尺寸长为18.5±0.1mm，高度为 8±0.1mm，板厚为1.2±0.12mm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本实用新型通过在PCB基板上走线和过孔的方式来提高天线增益，使用网络分析仪测试天线输入阻抗时，中心频率433.92MHz频率的输入阻抗为Z＝2.86+6.52i，PCB天线呈感性。使用HFSS对传感器建立模型，天线增益为＞-32dBi。经过微波暗室测量与实车接收率测试，通信结果符合要求，满足通信稳定、可靠的技术要求。

本实用新型TPMS传感器天线的整体尺寸长为18.5±0.1mm，高度为8±0.1mm(连同焊接引脚)，板厚为1.2±0.12mm，整体质量为0.2g，同时基材使用FR-4材质。满足体积小、质量轻、成本低、强度高等技术要求。

附图说明

图1是实施例1的正面结构示意图；

图2是实施例1的背面结构示意图；

图3是实施例1的暗室3m场测试数据结果图；

图4实施例1的近场测试数据结果图；

图5是实施例2的正面结构示意图；

图6是实施例2的背面结构示意图；

图7是实施例3的正面结构示意图；

图8是实施例3的背面结构示意图；

图9是实施例4的正面结构示意图；

图10是实施例4的背面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种应用于TPMS传感器的PCB基材天线，包括PCB基板，所述PCB基板上设置有两个天线引脚，所述两个天线引脚通过PCB基板上的天线金属线相连，所述PCB基板上的天线金属线沿着PCB基板的最外侧设置；所述天线金属线上设置有若干金属化过孔。

如图1所示，该应用于TPMS传感器的小型PCB基材天线是通过在PCB基板1上腐蚀形成的铜线2构成的，PCB基板的下部两侧各设一个引脚3，其整体由PCB基板1承载， PCB基板1采用FR-4材质，介电常数为4.4；整体尺寸长为18.5±0.1mm，高度为8±0.1mm (连同焊接引脚)，板厚为1.2±0.12mm；天线铜线总长为33.489mm，线宽为0.5mm，铜线上设有合适数量的过孔或不加过孔(参数可根据实际应用情况稍作调整)；PCB基板上的引脚3为露铜引脚，可通过SMT贴片直接与主板电路进行焊接，安装时与传感器主板焊接，一个引脚与射频电路连接，另一个引脚通过电容接地，极大利于生产。

下面通过几个具体的实施例来进一步说明本实用新型。

实施例1：过孔、双面走线及对应仿真效果

如图1和图2所示，本实施例中的PCB天线实际长度L为33.489mm，采用双面走线，通过设置过孔和走线角度进一步提高增益效果。本实施例的PCB天线共设置数个过孔，为保证信号传输增益更好地叠加的同时且不影响过孔放置，过孔之间距离s设置： 0.3mm<s<2.0mm；过孔深度为1.2mm。PCB天线的一个引脚与射频电路连接，另一个引脚通过电容接地，借助射频匹配调试，使传感器发射功率达到最大化。如图3所示，暗室3m 场测试数据为-57.30dBm。如图4所示，近场测试数据为-16.24dBm。

实施例2：无过孔、双面走线及对应仿真结果

如图5和图6所示，本实施例中的PCB天线实际长度L为33.489mm，双面走线，天线沿PCB板的最外侧走线。PCB天线无过孔设置。PCB天线的一个引脚与射频电路连接，另一个引脚通过电容接地，借助射频匹配调试，使传感器发射功率达到最大化。

实施例3：有过孔、走线成回路结构及对应仿真效果

如图7和图8所示，本实施例PCB天线的走线成回路结构，实际长度L为35.68mm，其上设置适宜的过孔，通过TOP Layer和BOTTOM Layer增加路径。PCB天线的一个引脚与射频电路连接，另一个引脚通过电容接地，借助射频匹配调试，使传感器发射功率达到最大化。

实施例4：走线交叉结构及对应仿真

如图9和图10所示，本实施例PCB天线走线呈交叉结构，实际长度L为55.05mm， PCB天线无过孔设置。PCB天线的一个引脚与射频电路连接，另一个引脚通过电容接地，借助射频匹配调试，使传感器发射功率达到最大化。

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线设计是与频率相关的，高效率天线的有效尺寸要求能与波长相比拟，TPMS应用的频率是315MHz、433.92MHz，以433.92MHz为例：

天线理论中心频率工作波长：λ0＝c/f＝691mm；

全向直立天线近似理论计算增益：G＝10*lg(2L/λ0)＝-10.1dBi；

其中，λ0为中心频率工作波长，c为光速，f为中心频率，G为天线增益，L为天线长度。

不难发现，上述四个实施例使用HFSS仿真软件建立的PCB天线仿真模型得到的天线增益G均大于-32dBi。理论天线增益为-10.1dBi，考虑天线设计与PCB、轮辋的影响，大于-32dBi的仿真结果初步判定满足要求，实际传感器电路设计中，天线与加载线、射频匹配电路连接，大大提高产品功率。由此可见，本实用新型根据改变过孔及走线方式设计天线，配合射频匹配电路，可实现高增益和传感器无线信号的稳定传输。