旋转环境下电磁波传播及其在胎压监测中的应用

摘要

对于旋转部件上参数的采集，如何可靠而准确地将旋转部件上采集的参数及处理后的信号传输到固定接收机一直是影响旋转环境下数据传输性能的关键问题。无线电数据传输是解决旋转环境下数据传输的有效方法，而旋转环境下电磁波传播是旋转环境下无线数据传输系统设计的基础，这方面国内外鲜有研究。为了给高性能旋转部件无线电监测系统设计提供理论支撑，本文对旋转环境下电磁波传播进行了深入研究，并将研究结果应用于胎压监测系统的设计。主要研究内容包括：从与旋转有关的时间和空间结构参数出发，研究旋转环境下电磁波传播的特点，重点分析了旋转运动中多普勒频移、发射天线动态特性及电磁波极化特性；分析了旋转环境下电磁波传播的一般模型，分析了旋转环境下自由空间的路径损耗模型，详细研究了旋转环境下地面双径传播模型和良导体反射面双径传播模型；将上述研究结果应用于无线轮胎压力监测系统的设计中，提出了改进无线信号传输性能的方法并进行了测试。经过大量的理论研究和测试，取得了以下研究成果： (1) 推导出任一时刻收发之间的距离和直接视距路径的空间夹角与旋转环境下的旋转半径、旋转角度、旋转速度以及收发矢径等参数的关系式。从洛伦茨变换出发，建立了旋转运动中多普勒频移跟工作频率、旋转半径、转速等参数的关系式，研究表明旋转环境下的多普勒频移呈余弦函数曲线状起伏和周期性变化，工作频率、旋转半径以及转速越高，频移越大，可达数十KHz甚至数MHz。以无线胎压监测系统为例，分析了发射天线的动态变化特性，并和单天线进行对比，给出了12个旋转角度上发射天线的阻抗变化情况和指向接收机天线方向的增益变化情况，分析结果表明随着轮胎的转动，天线方向图特性变化明显，说明旋转对天线方向图的影响很大。此外，分析了旋转环境下发射的电磁波的极化特性，结果表明旋转使发射的线极化波变成了圆极化波，且极化失配增加了额外的损耗。 (2) 建立了旋转环境下一般传播模型，研究表明接收信号的包络既跟入射波径数、衰减系数、传播时延、多普勒频移以及到达角有关，也跟在收发端由于阻抗匹配因子、天线方向性、天线效率、极化失配导致的路径损耗有关。建立了旋转环境下自由空间的路径损耗模型，研究表明路径损耗表现出周期性和波动性，在给定的短距离上，路径损耗波动的周期性与旋转周期相同，转速越大，路径损耗变化越快。建立了旋转环境下垂直极化和平行极化两种情况的双径传播模型，该模型既考虑了直射波和反射波路径不同导致的时延差，也考虑了旋转环境下速度和入射波方向变化导致的多普勒频移变化，研究表明：路径损耗随着旋转角度的变化而剧烈变化，反射系数、场强包络以及路径衰减的变化还与旋转半径、旋转速度、介电常数及工作频率等参数有关。当反射面是良导体时，路径损耗变化更加剧烈。建立台架在室外普通地面进行路径损耗测试，测试结果表明本文提出的双径传播模型跟实际情况接近，具有合理性。 (3)基于对旋转环境下电磁波传播特点分析、模型研究和现有技术条件，设计了一种无线轮胎压力监测系统，包括总体方案、各模块组件特别是胎压传感器和跟电磁波传播相关的收发模块的硬件设计以及软件控制策略，提出了改进无线数据传输的方法，改进方法包括：为了合理兼顾各个点的阻抗情况，取240°点来进行阻抗匹配设计；采用较低的工作频率；缩短数据帧长度；尽量水平放置和延长金属气门嘴，使得辐射电场极性近似与旋转平面垂直。测试结果表明：改进后的无线传输功率增加了20～30dB，数据帧传输的正确率大幅度提高，说明改进方法是有效的。然后，对胎压监测系统进行了各类路面车载试验和车载功能测试，测试结果表明：在市区、山区、高环路面以及强化路面，数据帧接收正确率在90％以上，在高速路面达到95％以上；该系统能够在各种气候和车速情况下可靠而准确地监测轮胎内部压力和温度的实时变化。此外，为了进一步改进旋转环境下的无线数据传输的性能，提出了一种准静态天线，分析了天线的特性，并和旋转动态天线进行了对比测试，测试结果表明：和气门嘴方式动态天线相比，采用准静态天线后增益和电阻增大了很多，主波瓣覆盖角度更宽，无线传输功率进一步增大了10～20dB。