TPMS 車載環境天線場型模擬與量測驗證

陳孟瑜 1*、王文德 2、楊鈞詔 1 財團法人車輛研究測試中心 1、橙的電子 2 地址：50544 彰化縣鹿港鎮鹿工南七路 6 號

電話：04-7811222 ext.3328 傳真：04-7811050 Email：Mars-chen@artc.org.tw

摘 要

本文利用電磁模擬軟體(ANSYS HFSS)進行車用產品天線模擬分析，並實際量測安裝於汽車輪圈上之胎內式胎壓偵測器，以探討實際路面環境中的天線輻射場型是否能夠

達到產品設計要求。研究過程中使用車輛研究測試中心(以下簡稱 ARTC)所建置半電波暗室場域，進行量測實車環境的胎內式胎壓傳感器(TPMS TX) 天線輻射場型，同時建立分析模型以及實際量測驗證輻射場型，其結果將實際量測結果與模擬進行比較分析及

提出場型改良建議。

關鍵詞：胎壓偵測器、半電波暗室、天線輻射場型、整車環境天線輻射場型。

1. 前言

近年來，汽車電子技術的發展已使車輛安全性能得到了顯著改善。其中一項實際大

規模應用的案例就是胎壓偵測(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)系統，TPMS 系統是以安裝在每一個輪胎內的感測器(Sensor)，直接測量輪胎內的氣壓、溫度，並以無線射頻(Radio Frequency ; RF)技術，將偵測到的資訊傳遞到接收模組(Receiver)，再藉由顯示介面(Display)進行顯示及警告。TPMS 可以讓駕駛者隨時取得輪胎內壓力、溫度資訊，並藉由接收模組(Receiver, RX)標準壓力、溫度數值設定，在偵測數值異常時發出警告，提醒駕駛人員注意，降低車禍發生機率，如圖 1 所示。本文所研究之 TPMS 發射器，中心頻率為 433.92MHz，根據表 1 所示 NCC 低功率射頻電機技術規範，明文制定在 3m 距離量測之下，不得超過 200uV/m，廠商在開發 TPMS 發射器產品時，省電與發射效率之間必須取平衡點，這樣的條件限制之下，若可以在開發階段將實車使用環境下

的天線輻射場型考慮至產品內，並對產品天線做出擺設方向優化，便可以以較小的發射

功率使產品做動，並增加產品的使用壽命。

資料來源:橙的電子

圖 1. TPMS 實車裝載示意圖

表 1. 低功率射頻電機發射功率限制值

頻率 ( Freq. MHz) 電場強度 (uV/m) 測試距離 (m)

0.009~0.490(含) 2400/F(kHz) 300 0.490(不含)~1.705(含) 24000/F(kHz) 30 1.705(不含)~30(不含) 30 30

30(含)~88(含) 100 3 88(不含)~216(含) 150 3 216(不含)~960(含) 200 3

960(不含)以上 500 3

2. 車載天線整車場型量測方法

在天線設計開發過程中，天線輻射場型量測需於全電波暗室(Fully Anechoic Chamber)中進行，以防止測試期間受到任何干擾或訊號反射的影響，常使用的兩種測試天線方法為圓錐截切測試法(Conical Cut Test Method)及大圓截切測試法(Great Circle Cut Test Method)，而本研究將採用實際量測天線在複雜金屬機構及環境下進行量測之方法進行分析與探討。

(a) 圓錐截切測試法(Conical Cut Test Method)

利用“分散軸系統(Distributed-Axis System)”的配置方式，將待測件保持固定在旋轉桌上，量測天線放置在θ角旋轉的起始位置上，θ角從 0°~180°開始進行步階掃描，每當天線位置移動一個θ角，待測件在φ軸平面做 360°旋轉，依此步驟不斷重複，直至量測結束；詳細的配置及相對位置如圖 2 所示。

資料來源：CTIA Test Plan of OTA Performance

圖 2. 分散軸系統(Distributed-Axis System)配置型式

此系統需要的空間較大，需安裝於大型的電波暗室(Anechoic chamber)中方能執行，適用於量測大型的待測物以及較低的頻段。由於系統屬於固定式的設備，無法隨著

待測物大小來靈活的調整系統的規模大小，且大型電波暗室的建置成本也較一般電波暗

室來得高，此為美中不足的部分。

(b) 大圓截切測試法(Great Circle Cut Test Method)

透過“複合軸系統(Combined-Axis System)”的配置方式，將天線保持在固定位置，而待測物則固定於轉桌上的測試夾具。將待測件保持固定在旋轉桌上，量測天線放

置在θ角旋轉的起始位置上，θ角從 0°~180°開始進行步階掃描，每當天線位置移動一個θ角，待測件在φ軸平面做 360°旋轉，依此步驟不斷重複，直至量測結束；詳細的配置及相對位置如圖 3 所示。

資料來源：CTIA Test Plan of OTA Performance

圖 3. 複合軸系統(Combined-Axis System)配置型式

此系統設備的安裝較圓錐截切測試法輕巧方便，量測距離易於隨著所需測試頻段來

進行調整，但此測試平台的待測物較不適用於大型物品。因此，此系統適用於量測頻段

較高且為手持式或較小型的待測物。大圓截切測試法的優點在於不需太大的安裝空間，

相對的建置成本也大幅的降低，所以普遍受到目前業界的青睞。

(c) ARTC 車載天線場型量測系統

本研究採用分散軸系統與整車 10 米電波暗室整合(如圖 4)，利用大型轉桌搭配天線臂，參考上述之圓錐截切測試法，建立量測車輛上的車載天線整車天線場型量測技術。

目前 ARTC 建立之車載天線整車場型量測系統，考量車載天線安裝在車輛上，且車輛於道路上行駛時，非像手持通訊產品有倒置使用之情形，完整量測車輛上半球體之車載天

線場型，已能實際滿足車輛車載天線通訊之使用條件。

圖 4. ARTC 車載天線整車場型量測系統

此量測系統於量測過程中(如圖 5)，藉由天線臂角度調整，於同一天線臂角度的狀態時，控制轉桌使車輛旋轉 360°，且同時透過量測儀器送出一發射訊號至車輛車載天線，及由天線臂上接收天線接收訊號，並記錄此一輪的數據，接著再將天線臂角度增加，

並重複上述流程，直到天線臂移至 90°後即完成整體車載天線場型量測。最後，彙整電腦所紀錄下之量測數據，匯入圖形軟體，天線場型則以 3D 圖形的方式呈現(如圖 6)，讓客戶能直覺觀察並掌握車載天線位置與天線之場型關聯性，有助於客戶後續車載天線之

特性評估及場型調整，以符合實際使用需求。

圖 5. ARTC 車載天線整車場型量測示意圖

圖 6. ARTC 車載天線整車場型實際量測圖

3. TPMS TX 傳感器模擬與量測結果

3.1. TPMS TX 傳感器天線結構

本文之 TPMS TX 傳感器採用環形天線設計，如圖 7 所示，是常用的簡單結構天線，環形天線可看作由雙線傳輸線的內導體接連至外導體所構成的迴路，封閉的傳導路徑構

成環形天線。無線通訊系統中，天線做為收發機與傳播環境的中介點，具有轉換電壓電

流與電磁場訊號，以及改變電磁波在空間中分佈的功能。

現今積體電路設計已經走向高度整合，多數系統已為單晶片整合系統的架構。在高

度積體化的架構之下天線亦為整合在晶片內部的目標之一。因此天線除本身所必須具備

的輻射能力之外，亦應考量與相關電路或封裝的整合設計天線匹配電路，如圖 8 所示，除進一步縮小整體電路體積，並增加天線功能，達到高積體化及多功能之成效，包含將

主動元件和天線整合成主動式天線，使之具放大，混波或作為信號源的能力，優化天線

的頻率響應、或整合其他被動電路使之具備濾波或平衡轉非平衡的功能、天線與系統封

裝整合設計時因應基材的電磁特性與封裝程序所需的設計調整。

示意圖來源：Infineon

圖 7. TPMS TX 傳感器天線示意圖

https://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=&url=https://www.allaboutcircuits.com/tools/wire-loop-inductance-calculator/&psig=AOvVaw1R7pz9fRNyTqkWhwyQLlAf&ust=1531798795795040https://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=&url=https://www.allaboutcircuits.com/tools/wire-loop-inductance-calculator/&psig=AOvVaw1R7pz9fRNyTqkWhwyQLlAf&ust=1531798795795040https://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=&url=https://www.allaboutcircuits.com/tools/wire-loop-inductance-calculator/&psig=AOvVaw1R7pz9fRNyTqkWhwyQLlAf&ust=1531798795795040https://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=&url=https://www.allaboutcircuits.com/tools/wire-loop-inductance-calculator/&psig=AOvVaw1R7pz9fRNyTqkWhwyQLlAf&ust=1531798795795040https://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=&url=https://www.allaboutcircuits.com/tools/wire-loop-inductance-calculator/&psig=AOvVaw1R7pz9fRNyTqkWhwyQLlAf&ust=1531798795795040

圖 8. 天線匹配電路

3.2. TPMS TX 傳感器天線模擬結果

在本章節將模擬分析中心頻率為 433.92MHz 之環形天線，分析包含 TPMS 傳感器機構以及鋁圈機構安裝環境，在本論文中裝載天線所用的板材為 FR4，厚度0.8 mm ，介電係數 4.4。由於裝設環境為多金屬區域，且天線設計受限於機構大小，需將天線整合於傳感器外殼機構內，因此我們所設計的天線將配合產品機構，設計

成狹長型的環形天線，環形天線下緣離地面的距離可以用來調整阻抗，並搭配天線

前端的匹配電路，利用 ANSYS HFSS 模擬軟體建立完整的 3D 模擬模型，將本論文研究之待測件以等比例建立至模擬軟體中，如圖 9 所示，並分析單 PCB 電路板以及 PCB 電路板裝載至機構內傳感器 其天線操作中心頻率偏移量。由天線返回損耗(Return loss) S11(dB)，驗證傳感器天驗操作中心頻率偏移量結果，如圖 10 所示，天線操作頻率不會受到機構與金屬材質氣嘴干擾。由 4.2 節史密斯圖分析技術中提到，史密斯圖分析結果必需落在 r = 0.5 和 x = 2 之間，天線的 Return loss 值才可低於-10dB (VSWR 1.92 以下)，但因受限於機構大小，天線與匹配電路之間已經無其他可調範圍，最後史密斯圖調整結果如圖 11 所示，理想自由空間的天線輻射場型如圖 12 所示。TPMS 傳感器安裝位置位於汽車鋁圈內，為了模擬實際車載環境，將鋁圈機構建立如圖 13 所示，並將 ARTC 半電波暗室輻射邊界條件考慮至此模擬分析中，分析 3D 場型結果如圖 14 所示。

圖 9. TPMS TX 傳感器等比例模擬模型

http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiHvNvXq5HcAhWLHJQKHcIoANkQjRx6BAgBEAU&url=http://rf.eefocus.com/article/id-tianxianpipeidianlu?p=1&psig=AOvVaw0dH9cUXc4z54-1HO6ggd3G&ust=1531202407683158http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiHvNvXq5HcAhWLHJQKHcIoANkQjRx6BAgBEAU&url=http://rf.eefocus.com/article/id-tianxianpipeidianlu?p=1&psig=AOvVaw0dH9cUXc4z54-1HO6ggd3G&ust=1531202407683158http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiHvNvXq5HcAhWLHJQKHcIoANkQjRx6BAgBEAU&url=http://rf.eefocus.com/article/id-tianxianpipeidianlu?p=1&psig=AOvVaw0dH9cUXc4z54-1HO6ggd3G&ust=1531202407683158

圖 10. TPMS TX 傳感器天線頻率模擬結果

圖 11. TPMS TX 傳感器 Smith Chart 模擬結果

圖 12. TPMS TX 傳感器天線理想輻射場型模擬結果(In free space)

圖 13. TPMS TX 傳感器裝載於鋁圈之模擬模型建立(On metal)

圖 14. TPMS TX 傳感器裝載於鋁圈之模擬場型(On metal)

3.3. TPMS TX 傳感器天線量測結果

無線通訊系統中，天線做為收發機與傳播環境的中介點，具有轉換電壓電流與電磁

場訊號，以及改變電磁波在空間中分佈的功能。因此隨著各式新穎的無線通訊規格及設

備開發，天線元件的功能益發顯得重要。以往天線設計廠在進行設計天線與驗證分析

時，僅考慮天線位於理想自由空間(Free space)下的天線場型，未考慮實際安裝環境，如TPMS 傳感器安裝於汽車鋁圈上天線輻射場型的變化。在天線頻率量測使用了網路分析儀如圖 15 所示，並將模擬與量測的頻率值整理如圖 16 所示，模擬與量測之頻率 S11(dB)值結果相差 0.36MHz，差異值落在規範 0.5MHz 之內，而在 Smith Chart 模擬與量測結果比較中，模擬(15.946+j2.194Ω)與量測(16.828+j2.537Ω)，其值相當接近，證明了模擬分析手法無誤後，進行探討 TPMS 傳感器安裝於汽車鋁圈上天線輻射場型的變化，ARTC半電波暗室場域場型量測架設如圖 18 所示，模擬與量測結果如圖 19 所示，從模擬輻射場型與 ARTC 量測輻射場型之強弱趨勢比較，下半部場型可看出因模擬實車行駛的接地平面，場型方向為集中向上，而上半部場型周圍因處於自由輻射空間中而呈現擴散之輻

射，由此模擬與分析結果中可以看出天線場型輻射變化整體趨勢相近，介由此模擬與量

測分析可做為開發產品前期之天線設計依據與特性改善方向。

圖 15. 天線頻率量測示意圖

圖 16. TPMS TX 天線頻率模擬與量測結果(In free space)

圖 17. TPMS TX 天線 Smith Chart 模擬與量測結果結果(In free space)

圖 18. TPMS TX 天線理想輻射場型模擬結果(In the semi-electrical darkroom)

圖 19. TPMS 傳感器 3D 場型模擬與量測比較(In the semi-electrical darkroom)

4. 結論

車載無線通訊應用越來越廣泛，舉凡車輛上實際裝載的天線產品，如：GPS、Keyless系統、TPMS 系統、收音機、數位電視、及各項 ADAS 相關產品，強化天線收發效率與選用天線適當的安裝位置，進而提升整體產品通訊品質與效能，亦是整車通訊效能提升

課題上的重點之一。車用產品天線設計往往忽略了安裝環境，藉由 ARTC 車載天線整車場型量測的新量測技術，有助於評估天線實際裝載之輻射場型，以 3D 場型方法呈現，並透過量測與模擬分析場型提出改善建議，如天線傳輸阻抗匹配調整、天線角度最佳化

分析等改良方式，完整分析車載天線產品之特性，使開發者對於自家產品在通訊效能上

的優勢與缺點，能更加地一目了然。國內現有充分行動裝置產品之天線量測能量，但對

於天線安裝在整車上之性能評估所需之大型量測平台，尚無任何能量可支援，故 ARTC既有整車 EMC 量測平台上擴充相對量測設備與技術建置補足國內車輛產業之量測技術空缺。此整車天線場型量測系統，將協助車載天線製造商或整車廠在開發階段時，可評

估並了解其無線通訊產品之天線現況與相關資訊，以及考量當車載天線因安裝於車體後

無法得到預期效果之偵錯應用，藉此車載天線整車場型量測系統能獲得所需的參考資

訊，改善整車車載天線之效率與性能優化，以提供客戶更完整之車輛整車測試服務。

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