旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電磁波傳播及其在胎壓監(jiān)測中的應(yīng)用.pdf

1、對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件上參數(shù)的采集，如何可靠而準(zhǔn)確地將旋轉(zhuǎn)部件上采集的參數(shù)及處理后的信號(hào)傳輸?shù)焦潭ń邮諜C(jī)一直是影響旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸性能的關(guān)鍵問題。無線電數(shù)據(jù)傳輸是解決旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х椒?，而旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電磁波傳播是旋轉(zhuǎn)環(huán)境下無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這方面國內(nèi)外鮮有研究。為了給高性能旋轉(zhuǎn)部件無線電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支撐，本文對(duì)旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電磁波傳播進(jìn)行了深入研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要研究內(nèi)容包括：從與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的時(shí)間

2、和空間結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，研究旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電磁波傳播的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中多普勒頻移、發(fā)射天線動(dòng)態(tài)特性及電磁波極化特性；分析了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電磁波傳播的一般模型，分析了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下自由空間的路徑損耗模型，詳細(xì)研究了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下地面雙徑傳播模型和良導(dǎo)體反射面雙徑傳播模型；將上述研究結(jié)果應(yīng)用于無線輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，提出了改進(jìn)無線信號(hào)傳輸性能的方法并進(jìn)行了測試。經(jīng)過大量的理論研究和測試，取得了以下研究成果： (1) 推導(dǎo)出任一時(shí)刻收發(fā)之間

3、的距離和直接視距路徑的空間夾角與旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)半徑、旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度以及收發(fā)矢徑等參數(shù)的關(guān)系式。從洛倫茨變換出發(fā)，建立了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中多普勒頻移跟工作頻率、旋轉(zhuǎn)半徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的關(guān)系式，研究表明旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的多普勒頻移呈余弦函數(shù)曲線狀起伏和周期性變化，工作頻率、旋轉(zhuǎn)半徑以及轉(zhuǎn)速越高，頻移越大，可達(dá)數(shù)十KHz甚至數(shù)MHz。以無線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)為例，分析了發(fā)射天線的動(dòng)態(tài)變化特性，并和單天線進(jìn)行對(duì)比，給出了12個(gè)旋轉(zhuǎn)角度上發(fā)射天線的阻抗變化情況和

4、指向接收機(jī)天線方向的增益變化情況，分析結(jié)果表明隨著輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，天線方向圖特性變化明顯，說明旋轉(zhuǎn)對(duì)天線方向圖的影響很大。此外，分析了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下發(fā)射的電磁波的極化特性，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)使發(fā)射的線極化波變成了圓極化波，且極化失配增加了額外的損耗。 (2) 建立了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下一般傳播模型，研究表明接收信號(hào)的包絡(luò)既跟入射波徑數(shù)、衰減系數(shù)、傳播時(shí)延、多普勒頻移以及到達(dá)角有關(guān)，也跟在收發(fā)端由于阻抗匹配因子、天線方向性、天線效率、極化失配導(dǎo)致的路徑損耗

5、有關(guān)。建立了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下自由空間的路徑損耗模型，研究表明路徑損耗表現(xiàn)出周期性和波動(dòng)性，在給定的短距離上，路徑損耗波動(dòng)的周期性與旋轉(zhuǎn)周期相同，轉(zhuǎn)速越大，路徑損耗變化越快。建立了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下垂直極化和平行極化兩種情況的雙徑傳播模型，該模型既考慮了直射波和反射波路徑不同導(dǎo)致的時(shí)延差，也考慮了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下速度和入射波方向變化導(dǎo)致的多普勒頻移變化，研究表明：路徑損耗隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而劇烈變化，反射系數(shù)、場強(qiáng)包絡(luò)以及路徑衰減的變化還與旋轉(zhuǎn)半徑、旋轉(zhuǎn)速度

6、、介電常數(shù)及工作頻率等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)反射面是良導(dǎo)體時(shí)，路徑損耗變化更加劇烈。建立臺(tái)架在室外普通地面進(jìn)行路徑損耗測試，測試結(jié)果表明本文提出的雙徑傳播模型跟實(shí)際情況接近，具有合理性。 (3)基于對(duì)旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電磁波傳播特點(diǎn)分析、模型研究和現(xiàn)有技術(shù)條件，設(shè)計(jì)了一種無線輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，包括總體方案、各模塊組件特別是胎壓傳感器和跟電磁波傳播相關(guān)的收發(fā)模塊的硬件設(shè)計(jì)以及軟件控制策略，提出了改進(jìn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，改進(jìn)方法包括：為了合理兼顧各個(gè)點(diǎn)

7、的阻抗情況，取240°點(diǎn)來進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)；采用較低的工作頻率；縮短數(shù)據(jù)幀長度；盡量水平放置和延長金屬氣門嘴，使得輻射電場極性近似與旋轉(zhuǎn)平面垂直。測試結(jié)果表明：改進(jìn)后的無線傳輸功率增加了20～30dB，數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)恼_率大幅度提高，說明改進(jìn)方法是有效的。然后，對(duì)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了各類路面車載試驗(yàn)和車載功能測試，測試結(jié)果表明：在市區(qū)、山區(qū)、高環(huán)路面以及強(qiáng)化路面，數(shù)據(jù)幀接收正確率在90％以上，在高速路面達(dá)到95％以上；該系統(tǒng)能夠在各種氣候和