第2章射频基础理论

2、射频基础理论：频率与波长、调制方式（ASK/FSK）、发射功率与链路预算、天线基础与阻抗匹配

各位同学，欢迎来到射频基础理论这一章。说实话，很多做TPMS的工程师，一开始都把它当成纯数字电路项目来做。结果呢？天线匹配不好，通信距离只有十几米，或者发射出去的车轮信号被发动机噪声淹没了。嗯，这就是射频基础没打牢的后果。

我个人习惯，在讲任何射频模块之前，先花半小时把这几样东西理清楚：频率波长、调制方式、功率预算、天线匹配。今天我们就一个一个来啃。

射频信号在空气中传播，说白了就是电磁波。电磁波有个基本公式：

c = f × λ

其中 c 是光速（3×10⁸ m/s），f 是频率（Hz），λ 是波长（m）。

TPMS 常用的频段是 315MHz 和 433.92MHz。我们来算算波长：

为什么波长这么重要？因为天线长度直接跟波长挂钩。我见过一个项目，工程师直接拿了一根 10cm 的弹簧天线焊上去，结果 433MHz 的波长是 69cm，天线长度差了快 7 倍。你想想看，信号能发出去才怪。

我的经验： 天线长度一般取波长的 1/4。433MHz 的 1/4 波长大约是 17.3cm。如果你用 PCB 天线或陶瓷天线，也要尽量接近这个电气长度。

TPMS 里最常见的两种调制方式就是 ASK 和 FSK。说白了，ASK 是靠信号的有无来传数据，FSK 是靠频率的高低来传数据。

ASK 实现简单，成本低。发射端只要控制载波的通断就行。但缺点也很明显——抗干扰能力差。为什么？因为汽车发动机、点火系统产生的噪声也是幅度噪声，很容易把 ASK 信号淹没掉。

我记得有一次做路测，用 ASK 调制的 TPMS 在怠速时还能正常工作，一踩油门到 3000 转，接收端就开始丢包。后来换成 FSK，问题就解决了。

FSK 用两个不同的频率代表 0 和 1。比如 433.92MHz 代表 1，433.82MHz 代表 0。频率偏移量一般在 ±20kHz 到 ±50kHz 之间。

FSK 的抗干扰能力比 ASK 强很多。因为噪声主要影响幅度，对频率的影响小。但代价是接收机更复杂，功耗也略高。

避坑指南： 我曾经在 FSK 调制时把频偏设得太小（只有 ±5kHz），结果接收端解调时老是误判。后来查资料才发现，频偏至少要大于接收机带宽的 1/2。一般建议 ±25kHz 起步。

链路预算，说白了就是算一算信号从发射端到接收端，到底能剩下多少。公式很简单：

接收功率 = 发射功率 + 发射天线增益 - 路径损耗 + 接收天线增益

单位都是 dBm 或 dB。TPMS 的发射功率一般限制在 10dBm（10mW）以内，因为各国法规不同。比如美国 FCC 规定 315MHz 频段最大 10dBm，欧洲 ETSI 规定 433MHz 频段最大 10dBm。

路径损耗用自由空间传播模型估算：

路径损耗（dB）= 32.4 + 20×log10(频率/MHz) + 20×log10(距离/m)

举个例子：433MHz，距离 10 米：

路径损耗 = 32.4 + 20×log10(433) + 20×log10(10)
         = 32.4 + 52.7 + 20
         = 105.1 dB

如果发射功率 10dBm，天线增益 0dBi，接收灵敏度 -110dBm，那么链路余量就是：

链路余量 = 10 + 0 - 105.1 + 0 - (-110) = 14.9 dB

14.9dB 的余量，在空旷环境下够用了。但别忘了，轮胎内部还有橡胶、钢丝层、轮毂的遮挡，实际损耗会更大。我一般会留至少 20dB 的余量。

  关键点： 链路预算不是算一次就完事的。温度变化、电池电压下降、天线老化都会影响实际性能。建议在最恶劣条件下（低温、低电压、远距离）重新算一遍。

天线这东西，说简单也简单，说复杂也复杂。TPMS 里常用的天线有三种：

不管用哪种天线，阻抗匹配是绕不开的坎。射频前端输出阻抗一般是 50Ω，天线也要匹配到 50Ω。如果不匹配，信号就会反射回来，发射功率白费了。

匹配网络一般用 LC 元件。我习惯先用网络分析仪看天线的阻抗，然后算匹配值。公式是：

反射系数 Γ = (Z_L - Z_0) / (Z_L + Z_0)
回波损耗 RL = -20×log10(|Γ|)

回波损耗小于 -10dB 就算合格，最好能到 -15dB 以下。

我的习惯： 匹配网络尽量靠近天线馈点，走线越短越好。另外，匹配元件要用高频电容和电感，普通贴片电容在 433MHz 下可能已经自谐振了，根本不起作用。

嗯，这一章的内容就到这里。频率波长是基础，调制方式决定抗干扰能力，链路预算保证通信距离，天线匹配确保能量能发出去。这四个点，每一个都能单独写一本书，但作为 TPMS 射频工程师，你至少要把它们串起来理解。

下一章我们讲 TPMS 的射频芯片选型，到时候我会拿几款主流芯片出来对比，看看它们各自的优缺点。