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1、专业知识系列培训 汽车RF相关产品简介 目录 1. 汽车天线 2. TPMS 4个半波对称阵子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为 G = 8.15 dBi ( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想 点源) 。 1.3.5 波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣， 其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a , 在主瓣最大辐射方向两侧 ，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波 瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角）。波瓣宽度越窄 ，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。 还有一种波瓣宽度，即 10d
2、B波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐 射强度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间的夹角，见 图1.3.4 b . 1.3.6天线的极化 天线向周围空间接收电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定： 电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示 出了两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化- 也是要被用到的。 1.3.7天线阵 A. 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵 单个半波振子垂直面方 向图增益为 G = 2.15 dB 两个半波振子垂直 面方向图增益为 G=5.15dB 四个半波振子垂 直面方向图 增益为 G = 8.15 dB B.在直线
3、阵的一侧加一块反射板 （以带反射板的二半波振子垂直阵为 例） 1.4.1传输线的几个基本概念 连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线 或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将 发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将 天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不 应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须屏蔽。 当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫 做长线。 1.4射频传输线 1.4.2传输线的种类 超短波段的传输线一般有两种：平行双线传输线和同轴电缆传输线 ；微波波段的传输线有同轴电缆传输线
4、、波导和微带。 平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线 ，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。 同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地， 两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电 缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁 场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不 能靠近低频信号线路。 第一类是双导体传输线 第二类是金属波导管 第三类是介质传输线 1.4.3传输线的特性阻抗 无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗 ，用0 表示。 同轴电缆的特性阻抗的计算公式为 。60/rLog
5、 ( D/d ) 欧 式中，D 为同轴电缆外导体铜网内径； d 为同轴电缆芯线外径； r为导体间绝缘介质的相对介电常数。 通常0 = 50 欧 ，也有0 = 75 欧的。 由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介 质的介电常数r有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负 载阻抗无关。 1.4.4馈线的衰减系数 信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介 质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因 此，应合理布局尽量缩短馈线长度。 设输入到馈线的功率为1 ，从长度为 L（m ） 的馈线输出的功 率为2 ，传输损耗TL可表示为： TL 10
6、Lg ( 1 /2 ) ( dB ) 衰减系数 为 TL / L ( dB / m ) 例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆， 900MHz 时衰减系数为 4.1 dB / 100 m ，也可写成 3 dB / 73 m ， 也就是 说， 频率为 900MHz 的信号功率，每经过 73 m 长的这种电缆时， 功率要少一半。 1.4.5 匹配概念 什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗L 等于馈线特性阻抗0 时 ，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波， 而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天 线取得全部信号功率。如下图所示，
7、当天线阻抗为 50 欧时，与50 欧的电缆是 匹配的，而当天线阻抗为 80 欧时，与50 欧的电缆是不匹配的。 如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持 匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。 在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天 线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加 装匹配装置。 1.4.6反射损耗 前面已指出，当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波 ，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅 度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。 而当
8、天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负 载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的 那部分能量将反射回去形成反射波。 例如，在右图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75ohms一个为 50ohms，阻抗不匹配，其结果是 1.4.7 电压驻波比 在不匹配的情况下, 馈线 上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相 位相同的地方，电压 振幅相加为最大电压 振幅Vmax ，形成波腹；而在入射波 和反射波相位相反的地方电压 振幅相减为最小电压 振幅Vmin，形成波节。其 它各点的振幅值则 介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。 反射波电压 和入射波电压
9、 幅度之比叫作反射系数，记为 R 反射波幅度 （L0） R 入射波幅度 （L0 ） 波腹电压 与波节电压 幅度之比称为驻 波系数，也叫电压驻 波比，记为 VSWR 波腹电压 幅度 Vmax （1 + R） VSWR 波节电压 幅度 Vmin （1 - R） 终端负载 阻抗L 和特性阻抗0 越接近，反射系数R 越小，驻波比VSWR越接 近于，匹配也就越好。 2.1基于英飞凌智能传感器SP12/SP30的TPMS设计 汽车轮胎压力监测系统(TPMS)主要利用安装在每一个轮胎里的压 力传感器来直接测量轮胎的气压，通过射频无线传输，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、低气压和高气压
10、进行 报警，以保障行车安全。 英飞凌面向TPMS应用的SP12/SP30传感器整合了硅显微机械加 工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供 四合一传感功能，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行 通信接口CMOS大规模集成电路，其中SP30内置8位哈佛结构RISC MCU和2D通道的低频(LF)接口，且消耗的电流仅0.4uA。 2.汽车RF相关产品 TPMS产品图片 发射模块 发射模块由压力传感器、MCU、射频发射芯片、电池和天线组成 ，该模块对轮胎压力、温度、电池电压及加速度进行数据采集，并将 数据以无线方式发射出去。 发射模块有基于SP12/SP12T和SP3
11、0的两个方案： 方案一: 是SP12/SP12T+MCU+TDK5100F(见图1)，其中压力 传感器SP12(100450kPa)/SP12T(01,400kPa)和射频发射芯片 TDK5100F(434MHz ASK/FSK发射器)均来自英飞凌公司。 TPMS构成 图1：基于SP12的TPMS发射模块 TPMS发射模块方案一 方案二是SP30+TDK5100F(图2)。 压力传感器SP30(100900kPa)内置8位哈佛结构RISC MCU 和2D通道的LF接口。射频发射IC采用英飞凌公司的TDK5100F (434MHz ASK/FSK发射器)，该系统可直接接收125kHz的低频唤醒
12、信号控制发射模块在不同的模式下工作。 TPMS发射模块方案二 SP30内部功能 TDK5100F内部框图 接收模块由TDA5210、XC866/XC886、LCD模块和天线组成(见图 3)。 图3：TDA5210+XC866/XC886+LCD模块+天线的接收模块框图 接收模块 TDA5210内部框图 汽车高速转动时射频接收灵敏度以及噪声抑制问题 发射模块是内置在轮胎内部的，除了轮胎中环境温度、RF信号屏 蔽等会对射频造成影响之外，更需要解决的是汽车高速转动对射频性 能的影响。需要强调的是TPMS系统选择的RF器件基本都是集成电路 ，RF IC的性能直接影响到整个系统的性能。 设计工程师需要做
13、的只是针对这颗IC外围某些器件的选型(晶振、 天线)、功率放大器与天线的参数匹配以及RF布局等，作好这几方面则 基本上能够解决以上的问题。英飞凌RF TX芯片TDK5100F是针对汽 车级别设计的低速(120Kbaud)低功耗RF IC，与之配套的RX芯片 TDA5210接收灵敏度达到-107dBm。 TPMS常见问题 1. 晶振的选择。TDK5100F/TDA5210是窄带RF IC，由于温度导致 的晶振频差和晶振负载电容的不一致都会导致接收灵敏度的差异，所以 晶振的特性选择非常重要。 2. 天线的选择。TPMS发射系统安装要求是比较高的，当然除了天 线性能之外，对其外型结构也有同样高的要求
14、。从两者的折衷考虑，目 前用的比较多的是螺旋天线。PCB环行天线虽然结构与成本最好，但是 由于其谐振中心频点以及等效阻抗等需要网络分析仪去校正，以及其本 身PCB材料造成的天线损耗都使其在TPMS中应用不多。单级天线的性 能是可以做得很好的，但是结构不具备良好的安装性，其使用也不是很 多。 3. TD5100F布局注意要点。晶振布局远离天线，匹配元件要彼此 直角布局，天线不要铺地和走其它信号线等。 4. 在不需要对PCB做较大更改的前提下，利用网络分析仪做天线参 数匹配的最后确定，并实测发射功率以及接收灵敏度。 在RF设计中的问题 2.2智能钥匙&按钮启动系统（PKE） 系统概要及使用方法 系
15、统构成及动作原理 主要控制功能 主要 控制 特征 电控转向柱锁 锁/开锁 : 利用电机控制转向柱锁/开锁 ESCL(电子控制转向柱锁)适用 电子控制移动 : 每按一次按钮车辆电源顺次的转换成 OFF/ACC/ON/OFF : PDM (电源分配模块)适用 没有踩下制动踏板状态下可实现 被动发动机启动 : 带有已注册的智能钥匙，每按电子式按钮发动机启动 ON/OFF自动控制 踩下制动踏板，变速杆在 “P” 位置 发动机起动失效保护：(智能钥匙电池亏电，按钮起动系统故障 ) - 把智能钥匙插入到钥匙锁筒，并按下起动按钮 : 发射器认证 智能钥匙认证故障时，智能钥匙电源放电 被动式车门闭锁和开锁：-
16、驾驶或副驾驶车门闭锁/开锁 在车门把手上装配了按钮 接触型传感器 系统特征 转向柱锁开锁 : 带有智能钥匙的驾驶员，按下启动按钮，先开锁转向柱，然后 电源移动及发动机启动 未开琐时不可电源移动 & 启动 1 电源移动(OFF/ACC/ON) : 带有智能钥匙的驾驶员，没踩下制动踏板， 每按一次按钮 ACCONOFFACCON状态 反复 (但, 变速杆 “P” 位置) 2 行驶中启动OFF及再启动 - 目的 : 行驶中非常状况发生时(车辆火灾,加速踏板回位不良等)启动OFF - 方法 : 将启动按钮3秒以内按下3次以上或2秒以上长按 - 在启动 : 启动OFF后30秒钟无需智能钥匙认证，可实现启动&不踩下制动踏板 也可启动 3 电源状态
