一种集成式车载天线设计

曾炳豪，朱浩奎，尹绍立，江文雄

(深圳市维力谷无线技术股份有限公司，广东深圳 518000)



一种集成式车载天线设计

曾炳豪，朱浩奎，尹绍立，江文雄

(深圳市维力谷无线技术股份有限公司，广东深圳 518000)

提出一款应用于车载通信系统的GNSS/4G/WiFi集成式天线设计。卫星导航天线采用陶瓷基板、尺寸大小为25 mm×25 mm×4 mm、单馈入点结构设计，配合低噪声放大器，可工作于GPS/BDS导航系统 (L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz)。 4G天线为共平面微带天线，在介电常数为4.4、板材厚度为1.0 mm的FR4基板上进行设计，使用微带线馈电方式，天线结构是由不同长度的微带线分支所组成。集成式天线的整体外观尺寸为76 mm×65 mm×13 mm，具有低剖面、体积小的特点，适合安装于任何一种需求卫星导航、4G通信与WiFi上网功能的车辆上。

车载通信; 集成式天线；微带天线；共平面天线

0 引言

伴随电子通信技术的进步与移动通信系统的快速发展， 汽车天线也不再局限于收听广播，所需的天线也不是只有一根杆的(AM/FM)天线可以满足的[1]。近几年来，全球的车辆越来越多要求安装带有全球卫星定位系统(GNSS)、4G通信系统与WiFi上网等多种功能[2-4]，所需的天线外观也由笔直的结构不断地进化出各种不同的结构外形[5]。在文献数据里，常见的为GPS/WiFi集成式天线[6]，而具备这3种功能的车载集成式天线却是较少被提出讨论的。为了提高有限空间的资源利用率，减少天线对整台车体美观的影响，天线的数量和体积必须尽可能减少。作者在卫星导航天线的设计中，采用高介电常数的陶瓷基板[6-8]、单馈入点结构设计，配合低噪声放大器， 可工作于GPS/BDS导航系统 (L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz)[9]。使用微带线与玻璃纤维板(FR4) 来进行4G天线与WiFi天线的设计， 4G天线频段需要满足LTE2300/2500的工作频段，同时还要覆盖到GSM850/900/1800/1900和UMTS2100等2G(GSM)、3G(UMTS、CDMA)频段[10-12]；WiFi天线工作频段为2 400～2 484 MHz[13-14]。提出的集成式天线可完全符合车载天线卫星导航、移动通信与WiFi上网的需求。

1 天线结构与设计

1.1 天线结构

提出一款应用于车载通信系统的GNSS/4G/WiFi集成式天线，设计结构如图1所示。采用面积为57 mm×57 mm、厚度为1.0 mm、介电常数为4.4(损耗角正切为0.02)的FR4介质材料作基板。集成式天线是由3支天线组合而成，可从图1很清楚看出其天线分布位置，卫星导航有源天线被设计于约为置中的位置，4G天线设计面积范围包含上、下方与右侧，WiFi天线则被设计于左方位置。天线的馈电方式皆使用长度为15 cm、匹配阻抗为50 Ω同轴馈线(RG174)来激发天线。采用车载规范的连接器，在卫星导航天线(GNSS)与4G天线使用50 Ω的Fakra连接器，WiFi天线则采用50 Ω的SMA连接器。集成式天线的整体外观尺寸为76 mm×65 mm×13 mm。

图1 集成式天线结构示意图

1.2 天线设计

GNSS天线是由微带天线与低噪声放大器(LNA)集成在一起。微带天线是使用尺寸大小为25 mm×25 mm×4 mm，介电常数为20的陶瓷基板来进行设计，采用单馈入点结构方式馈电。微带天线的上层金属贴片通过Pin针连接低噪声放大器的输入端，陶瓷基板下层金属贴片与低噪声放大器金属接地面连接。提出的共平面结构的4G与WiFi天线结构如图2所示。

图2 天线结构尺寸图

采用厚度为1.0 mm、介电常数为4.4 的FR4介质材料作基板。4G天线被设计于包含上、下方与右侧。天线的馈入方式是使用50 Ω同轴馈线来激发天线，在图2中有标示，点A为馈电点，点B为接地点。为满足LTE2300/2500的工作频段，同时还要覆盖到GSM850/900/1800/1900和UMTS2100等频段，需要采用微带线支节分支方式设计多个谐振频段。因此，天线采用一个挖空三角形微带线结构作为辐射主体， 并在其顶部添加一个分支来产生多频谐振。WiFi天线也是使用共平面结构，被设计于左方位置，点C为馈电点，点D为接地点，带宽满足2 400～2 484 MHz工作频段。GNSS/4G/WiFi集成式天线尺寸参数已清楚标示于图2。

2 天线量测结果

使用向量网络分析仪(Agilent E5071C)分别对卫星导航天线(GNSS)、4G与WiFi集成式天线进行量测。图3为GNSS天线在向量网络分析仪上的实测结果，量测结果显示在S11小于-10 dB时，带宽范围为1 550～1 593 MHz，可以实现GPS/BDS导航系统(L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz)的工作频率，卫星导航天线参数特性整理如表1所示。

图3 天线S11与Smith Chart 实测图 (L1/B1频段)

微带天线(25mm×25mm×4mm)带宽1550～1593MHz@-10dB轴比1557～1578MHz@3．0dB极化右手圆极化(RHCP)天线增益3．6dB(max)低噪声放大器(LNA)频率L1B1输入输出驻波≤2(50Ω)≤2(50Ω)噪声系数≤2．0dB≤2．0dB增益30．3dB29．3dB输出压缩点≥-20dBm≥-20dBm电源电压3～5V3～5V

图4为4G天线在向量网络分析仪上的实测结果，量测结果显示在S11小于-6 dB时，产生的两个频段分别为725～1 030 MHz和1 475～2 720 MHz，实现的工作频段可以覆盖低频段的GSM850/900和高频段的DCS1800和PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500。图5为WiFi天线在向量网络分析仪上的测试结果，量测结果显示在S11小于-10 dB时，可以满足2 400～2 484 MHz工作频段。对于天线辐射特性的分析，在无反射室内使用SATIMO天线量测设备进行天线辐射方向图的量测，如图6所示。

图4 天线S11实测图(4G频段)

图5 天线S11实测图(WiFi 2 400 MHz频段)

图6 SATIMO天线量测设备

对于辐射方向图的分析，图7所呈现的是卫星导航天线分别在GPS/BDS(L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz )的X-Z平面与Y-Z平面的方向图。在圆极化特性部分[15-16]， 轴比(Axial Ration, AR) 的量测结果显示：当AR值小于3 dB时， 所获得带宽范围为1 557～1 578 MHz，如图8所示。可由图7得知：L1(1 575 MHz)的AR值为2.4 dB，B1(1 561 MHz)的AR值为2.0 dB。图9所呈现的是谐振频率分别为860、1 900、2 300和2 600 MHz的X-Y剖面与X-Z剖面的辐射方向图。图10所呈现的是谐振频率为2 450 MHz的X-Y剖面与X-Z剖面的辐射方向图。实测结果显示GNSS/4G/WiFi集成式天线所对应的谐振频率皆表现出良好的辐射特性。4G天线增益与辐射效率实际量测部分如图11所示：低频段GSM850/900的天线增益最大振幅为1.61 dBi，辐射效率最大可达到60.1%；高频段DCS1800和PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500的增益最大振幅为4.62 dBi，辐射效率最大可达到71.1%；WiFi天线在2 450 MHz时的增益为2.8 dBi， 辐射效率为66.9%。

图7 天线实测场型图(4G)(L1/B1频段)

图8 天线的轴比(L1/B1频段)

图9 天线实测场型图(4G)(谐振频率分别为 860、1 900、2 300、2 600 MHz)

图10 天线实测场型图(WiFi)

图11 天线增益与效率实测图(4G)

3 天线安装位置

应用于车载通信系统的GNSS/4G/WiFi集成式天线产品，在外观结构上分别在两侧设计U形安装孔，如图12所示。此

天线产品建议安装位置如图13所示，分别可安装放置在驾驶座左侧A柱下方的仪表台上(图中符号A处)、中间仪表台内置或外置安装(图中符号B处)以及右侧A柱下方的仪表台上(图中符号C处)与车内后视镜等位置。

图12 车载GNSS/4G/WiFi集成式天线产品图

图13 天线产品建议安装位置示意图

4 结论

集成式车载天线产品， 整体外观尺寸为76 mm×65 mm×13 mm，具有低剖面、体积小的特点，易于组装制作，采用FR4介质基板，可降低大量生产时所需的成本。适合安装于任何一种需求卫星导航、4G通信与WiFi上网功能的车辆上。

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Design of an Integrated Vehicular Antenna

ZENG Binghao, ZHU Haokui, YIN Shaoli, JIANG Wenxiong

(Shenzhen VLG Wireless Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China)

The design of a GNSS/4G/WiFi integrated antenna for vehicular communication system was proposed. For GNSS antenna, ceramic substrate was used, size was 25 mm×25 mm×4 mm, single feed point the structure design was adopted, with low noise amplifier, it was worked in GPS/BDS navigation system (L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz). 4G antenna was a coplanar microstrip antenna, which was designed on the FR4 substrate with a dielectric constant of 4.4 and a plate with a thickness of 1 mm, and the antenna structure was composed of microstrip lines with different lengths. The overall appearance size of the integrated antenna was 76 mm×65 mm×13 mm, with characteristics of low profile, small size.It is suitable for mounted on a vehicle for any kind of demand of satellite navigation, 4G communication and WiFi function.

Vehicular communication; Integrated antenna; Microstrip antenna; Coplanar antenna

2016-08-23

曾炳豪 (1981—)，男，博士，主要从事无线电通信领域和天线设计的研究。E-mail:aben911@sina.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.001

U461.99

A

1674-1986(2016)11-003-05