宽带和调频信号天线在车载系统中的技术研究

王 纪，马 健，蒋明音

(亳州职业技术学院信息工程系，安徽 亳州 236800)

随着城市乡村的快速发展，广播类节目覆盖区域进一步扩大[1].数字音像、视频广播早已成为当今广播模式的主流，更已应用于日新月异发展的天线车载接收系统[2].为了提高信息服务水平，交通运输部门当前亦正在推广利用建设公路沿线调频同步广播系统[3].然而，市面上的车载调频天线仍采用点频传输方式，其缺点是发射功率小，车辆发射机使用时附近不能有较高功率[4]，为了满足语音、视频广播移动车载通信的需求，本文提出了新型宽频带印制天线结构模型，来为爱好收听广播装饰爱车工程设计提供一定参考.主要研究内容：运用频率展宽方式并对介质基板进行合理选择，设计一种精巧的车载宽频带天线.包括具有长短边的矩形接地板、含第一部分的介质基板、用于频带工作并具有至少三个角和边的辐射元件.

1 技术原理及特点

现在许多的车辆已经在车的不同位置的安装了各种天线.通常这些天线是位于后窗或车顶上的单极天线.但这些车载的直立细线单极子天线的阻抗一般带宽很窄[5].故而我们考虑设计宽频带印制天线，即通过采用频带拓宽技术改良印制天线结构后，获得具更佳辐射特性和更宽工作频带的天线[6].此外，伴随着美学和空气动力学的趋势变化，最近的消费者明显对流线型和光滑外观的车型愈加青睐[7].为了满足消费者的口味和提供驾驶员所需要的所有无线通信服务，汽车行业倾向于将单一通信服务的通信模块集成，例如电话、AM/FM收音机、卫星数字音频广播服务(SDARS)，全球导航卫星系统(GNSS)及数字音频广播(DAB)等，如此可以在成本、质量和工程开发时间方面取得巨大优势[8-9].

单纯集成、减小天线系统的尺寸会影响其性能[10].为了给汽车使用者提供可靠的通信支持，本文研究设计的车载高效率宽带天线同时具备小尺寸、高效率和宽带，还可在所有LTE频带上工作而不会在任何频带中损失其宽带和高效特性.

2 宽频带印刷天线设计分析

2.1 设计思想

车载宽带天线系统包括的辐射元件，用于在至少一个操作频带中工作并设于电介质材料的至少第一部分上，基板布置在该第一部分上接地点、馈电元件和由具有所述矩形外接的接地板.接地板可以布置在与辐射元件相同的基底中，布置在基底的第二部分上，或者在基底外部垂直于辐射元件.辐射元件的第一边基本上与外接矩形的一侧对齐，第一角具有顶点且该角为辐射元件到接地板的最近点.导电元件具有至少第一部分，且该部分在辐射元件与第一边之间延伸.而导电元件与辐射元件电隔离.此外，导电元件通过接地点连接到地平面.接地点设置在基板的第一部分的一个极限处，馈电元件通过第一角的顶点与辐射元件电磁耦合.另以λ为天线的最低频率，第一部分各主要边具有至少0.13λ的电长度，并且第一角小于156°，其光圈在 80°至 156°的范围内，最佳范围为120°至156°，最佳光圈值为150°.导电元件具有电长度，并且接地板的主边电长度和导电元件电长度之和的范围为0.18λ到0.22λ.辐射元件从第一边到第一角的长度小于1/10λ，且辐射元件的第一边宽度小于λλ，导电元件的第一部分大于λλ.如上所述提供辐射元件和导电元件，天线系统修改接地板的电长度和其频率特性.这种改进的频率特性将接地板的谐振带入较低频率，激发新的谐振频率，从表1看出新的谐振频率在LTE 700频带上激增[11].因此本天线系统能够覆盖小尺寸接地板上的LTE的最低频率，尤其是在至少0.13λ的接地板上，即 λ=700 MHz(接地板：55.9 mm)时.

表1 天线主要参数值(mm)Table 1 Main parameters of antenna(mm)

另外天线的谐振频率的值可由以下公式计算[12-13]：

其中λi是工作频带i上的共振波长，Li和Wi是工作频段上辐射表面的长度和宽度，是基材的介电常数.

2.2 天线设计

图1 天线组装图Fig.1 The assembly of antenna

图1示出了宽带天线系统的组装后造型，天线类似一个鲨鱼鳍形状(以下称鲨鱼鳍天线).该宽带天线系统除了手机LTE和AM/FM天线，还在设计上为加入以下天线保留了空间：卫星数字音频无线电服务(SDARS)天线，全球导航卫星系统(GNSS)天线和数字音频广播(DAB)天线.宽带天线系统本身被盖子盖住，可直接连接到车身.鲨鱼鳍天线包括上部和下部两个天线模块部分.上部天线模块包括装有辐射元件和导电元件的宽带天线基板的第一部分，以及装有卫星数字音频无线电服务天线，全球导航卫星系统天线的第一和第二附加基板，第一和第二DSRC V2X(车辆与基础设施间专用短距离通信)天线以及遥控无钥匙进入(RKE)天线.辐射元件、导电元件、第一DSRC V2X天线和遥控无钥匙进入天线装在基板的第一部分区域中；第二DSRC V2X天线装在第一附加基板中，卫星数字音频无线电服务和全球导航卫星系统天线装在第二附加基板中.下部天线模块包括用于装备Wi-Fi/蓝牙天线、数字音频广播天线接口、AM/FM天线接口和电视信号接口的第三附加基板.第三附加基板可简单助力于上部和下部天线模块之间的支撑.此外，第三附加基板本身由基座支撑，基座可以用来固定到天线安装车辆的车顶.这样，鲨鱼鳍天线成功将所有这些无线电通信服务集成在一个紧凑的设备里.

3 分析结果

本研究中获得的仿真结果是基于使用时域有限差分法(FDTD)的电磁建模[14]，使用市售的电磁模拟器SEMCAD(Schmid＆Partner Engineering AG)测试，加以仿真软件HFSS 14.0进行仿真优化和分析[15].

图2 低频区效率Fig.2 Efficiency at the low frequency area

图3 平均增益Fig.3 Average gain

图4 最大增益Fig.4 Maximum gain

图2至图4分别示出了宽带天线系统仿真结果的效率，平均增益和最大增益的图形.如图2所示，天线系统在为700MHz到960MHz的低LTE频带，其效率大于-2dB，平均增益大于-1.5dBi，最大增益大于1dBi.因此，宽带天线系统满足包括较低4G频带(LTE 700/LTE 800)的用户要求，具有良好的方向性和较小的功率损耗(高效率)，并具有比当前通行的损失6dB的移动电话天线更好的频率响应.天线系统还覆盖范围从1400MHz到1500MHz的LTE频带，其效率大于-3dB，平均增益大于-3dBi，最大增益大于1dBi.宽带天线系统提供的高效天线更在1700至2200MHz范围的LTE频带上具有大于-2.5dB的平均效率，大于-2.5dBi的平均增益以及大于0dBi的最大增益，足以显示天线系统的增益值满足一般通信运营商所需的天线规格.而且，天线系统在2500MHz到2700MHz的范围的LTE频带提供大于-2.5dB的效率，大于-2dBi的平均增益和大于3dB的最大增益.可见，宽带天线系统在此范围内提供了非常高的指令和效率特性.

图5 电压驻波比(VSWR)Fig.5 Voltage standing wave ratio(VSWR)

图6 阻抗Fig.6 Impedance

图7 电压驻波比比较Fig.7 The comparation of VSWRs

图5至图7分别示出了安装后的宽带天线系统的效果.图5示出了提供对应网络的宽带天线系统的电压驻波比(VSWR)，天线系统在相对带宽95%(700-960MHz，1600-2900MHz)时的 VSWR ＜ 2.5，即该天线在低频区域提供良好的VSWR，在高频区域提供宽带特性.图6以虚线示出传统宽带λ/4单极子的阻抗的实部，实线示出本宽带天线系统的阻抗的实部.如图所示，常规单极子的实部的值低于在较低频率下的所需50欧姆.宽带天线系统的导电元件有助于增加LTE较低频率处的阻抗的实部，从而展开这些频率处的通信.因此，宽带天线系统增加了天线的阻抗并产生双倍频率响应.图7以虚线示出传统宽带λ/4单极子的VSWR测量，实线示出本宽带天线系统的VSWR测量.如图所示，新天线系统相对于传统的宽带单极子修正了谐振频率位置，具备了进一步扩展后的工作频带.对应网络减小阻抗的虚部的绝对量值以实现良好的VSWR结果.

图8 不同角度下实施例Fig.8 Embodiments with different angles

图9 实施例中的阻抗Fig.9 Impedances in the embodiments

图8是宽带天线系统的几个实施例.其中辐射元件的第一角逐渐增大.该第一角使得通过辐射元件各边的电流与接地板足够分离，从而实现最佳性能.辐射元件的第一角对天线系统的阻抗的实部有直接影响，为此，图9示出了图8中宽带天线系统的阻抗.已知天线阻抗的实部与天线的效率直接相关，如阻抗的实部小于5Ω，则天线的效率将极低.如图8所示，第一角必须小于156°，以便天线系统的阻抗的实部适用于提供理想的天线性能.

4 结论

现有的通信系统通常是单独工作在几个频段内，而在实际中人们往往希望设计出能够覆盖某通信系统所需求的全部带宽的天线.以上设计的宽带车载调频发射天线即在简易印刷天线的基础上，以巧妙的设计既保持了车型美观，同时保持了带宽和高增益，使得天线及载体得以结合.结果显示，该天线具有良好的辐射性能，能够覆盖普通通信频带，整合度高且运行稳定，适用于车载移动通信系统.